旋流破乳器内离散液滴的旋流聚结过程及机理研究

The extraction equipment used in the wet process phosphoric acid purification plants is the reciprocating plate column or mixer settler. The extraction rate is slow. In order to increase the extraction rate, the emulsification extraction technique is applied for the extraction of wet process phosphoric acid. The hydrocyclone is used for demulsification for the droplet coalescence induced by the swirling flow. The key problem of the subject is how to correctly describe the coalescence of the discrete droplets in the hydrocyclone. The Monte Carlo method is used to solve this problem. A mathematical model is established for the coalescence process of the discrete droplets, in which the continuous phase flow field together with the motion, deformation and collision of the discrete droplets are all considered. The design rule of the large scale hydrocyclone for demulsification is obtained. A hydrocyclone for demulsification is developed with independent intellectual property rights. This study can promote the theoretical study of the hydrocyclone for demulsification. And it can also provide a wide range of economic and social benefits.

目前湿法磷酸净化生产线采用的关键萃取设备为振动筛板塔或混合澄清槽，萃取速率较慢。为了提高萃取速率，申请者将乳化萃取引入湿法磷酸净化，并用旋流器对乳状液进行破乳。旋流器破乳是旋流聚结作用的结果。如何正确反映旋流器内离散液滴的旋流聚结过程是本课题的关键。为了解决该问题，申请者采用Monte Carlo方法，综合考虑旋流场中连续相流体流动状况、离散液滴的受力和运动、形变和碰撞，建立一个能正确反映旋流器内离散液滴旋流聚结过程的数学模型，获得旋流破乳器的设计放大规律，开发出具有自主知识产权的旋流破乳器。本项目不仅将促进旋流破乳器的理论研究，还将产生重大的经济效益和社会效益。

目前湿法磷酸净化生产线采用的关键萃取设备为振动筛板塔或混合澄清槽，萃取速率较慢。为了提高萃取速率，将乳化萃取引入湿法磷酸净化，并用旋流器对乳状液进行破乳。旋流器破乳是旋流聚结作用的结果。如何正确反映旋流器内离散液滴的旋流聚结过程是本项目的关键。为了解决该问题，本项目研究了不同制乳条件下磷酸-磷酸三丁酯体系的乳化萃取效果，发现乳化萃取速率可以达到常规萃取速率的120倍，预测了乳液粒径，为破乳研究提供了基础。研究了该萃取体系的乳液性质及稳定性，建立了重力作用下破乳时间与乳液性质之间的关系，可以预测乳液破乳速率。在旋流器中进行破乳实验，研究了旋流器操作参数、结构参数对旋流聚结过程的影响。在最优条件下，离散液滴旋流前后的平均粒径分别为5和55 μm。用无因次分析方法，将离散液滴的旋流聚结效应同各参数关联，得到一个预测旋流破乳效果的模型。研究了连续相强制流动条件下，离散液滴的碰撞、变形和聚并，发现传质方向和传质推动力对离散液滴的变形和聚并过程有显著影响，离散液滴接触时即发生变形，接触面是曲面。对磷酸-磷酸三丁酯体系的传质动力学进行了研究，明确了萃取过程由界面化学反应和水相中反应物的扩散过程共同控制，建立了萃取动力学模型。研究了连续相强制离心运动条件下，离散液滴的碰撞、变形和聚并，以模拟旋流器内液滴的旋流聚结行为。低转速时，乳液中的聚并以液滴间的聚并为主；高转速时，乳液中的聚并以液滴与界面之间的聚并为主，建立了预测这两种聚并形式的聚并时间模型。分析了液滴在旋流器内的受力情况和聚并过程，利用Monte Carlo方法与CFD-PBM方法，综合考虑旋流场中连续相流体流动状况、离散液滴的运动和碰撞，进行了旋流器内离散液滴旋流聚结过程的模拟计算，后者的模拟结果可以很好的预测破乳效果。本项目促进了旋流器在乳液破乳方面的理论研究，获得了旋流破乳器的设计放大规律，为旋流器运用于乳化萃取净化湿法磷酸技术的破乳工艺提供了理论指导和基础数据。