基于FLUENT軟件的熱壓氧化高壓釜流場數(shù)值模擬

吳國玉 鄭曄 徐文清 邢志軍 魯玉春 毛文元

摘要：為研究難處理金精礦在熱壓氧化高壓釜內(nèi)部的氧化預處理效果，運用FLUENT軟件對難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的流場進行模擬仿真，利用GAMBIT建立流場實體物理模型，采用標準湍流模型及多重參考系法處理攪拌槳區(qū)，并分析了礦漿在高壓釜內(nèi)部速度場、壓力場、溫度場等的分布狀態(tài)和流動規(guī)律。結(jié)果表明：數(shù)值模擬計算域所選模型能較準確地預測礦漿在高壓釜內(nèi)部的速度場、壓力場、密度場及溫度場分布;礦漿、氧氣在機械攪拌作用下，在高壓釜內(nèi)部混合均勻，難處理金精礦可以得到充分的氧化預處理。

關(guān)鍵詞：高壓釜;難處理金精礦;模擬仿真;湍流模型;多重參考系法

中圖分類號：TD9文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）10-0060-04doi：10.11792/hj20201012

引 言

目前，難處理金礦石[1-3]預處理技術(shù)主要包括焙燒氧化、熱壓氧化、生物氧化等[4]。相比其他預處理方法，熱壓氧化法具有礦石適應性強、反應速率快、無煙氣污染等特點[5-6]。難處理金精礦經(jīng)熱壓氧化預處理后，金浸出率可提高至約90 %。在熱壓氧化過程中，高壓釜是該工藝的核心裝備[7-8]。高壓釜內(nèi)部流體流動和混合過程復雜，了解礦漿在高壓釜內(nèi)部的速度、壓力及溫度分布，對冶金反應過程工藝參數(shù)控制具有十分重要的意義，同時有助于提高礦漿氧化預處理的反應效率。

由于高壓釜運行時釜體封閉，采用傳統(tǒng)物理方法無法直觀獲得高壓釜內(nèi)部礦漿流體特性，增加了深入研究高壓釜內(nèi)部流場分布狀況的難度。高壓釜內(nèi)部流體介質(zhì)的動力學特性是影響化學反應的關(guān)鍵，其研究方法主要有數(shù)值模擬、解析計算和試驗方法。隨著計算流體動力學（CFD）技術(shù)的不斷成熟，CFD已經(jīng)成為研究高壓釜內(nèi)部流體動力學特性的重要方法[9-11]。一般情況下，采用加熱攪拌的方法可加速礦漿氧化反應過程，因流體流動越充分，湍流程度越強，流動死角越少，越有利于反應的進行，故研究高壓釜內(nèi)部流場的變化規(guī)律，對難處理金精礦熱壓氧化工藝改進具有重要意義。本文以難處理金精礦熱壓氧化臥式高壓釜為研究對象，采用計算流體動力學方法，針對傳遞過程及反應性能特點，使用模擬軟件求解方程組，從而準確、直觀地模擬出高壓釜內(nèi)部礦漿的壓力場、溫度場、礦漿的混合過程及流動狀態(tài)，為難處理金精礦熱壓氧化預處理工藝工業(yè)化應用提供技術(shù)支持。

1 數(shù)學模型與模型建立

1.1 控制方程

本文主要研究高壓釜內(nèi)部礦漿流動和傳熱過程，對高壓釜進行數(shù)學建模，建立控制方程，滿足文獻[12]中的質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）、動量守恒方程和能量守恒方程。控制方程[13]為：

t（ρ）+xi（ρvi）=xiΓxi+S（1）

式中：ρ為流體密度（g/cm3）;t為單位時間（s）;為傳遞變量;xi為傳遞方向，i為方向;vi為速度分量（m/s）;Γ為擴散系數(shù)，Γ=μe/Sc，μe為有效黏度（Pa·s），Sc為Schmidt準數(shù);S為單位體積源項。

1.2 湍流模型

高壓釜內(nèi)部的礦漿流場以湍流為主，本文使用標準κ-ε模型和RNKκ-ε湍流模型對高壓釜內(nèi)部礦漿流場進行數(shù)值模擬[14-15]。

1.3 模型建立

利用計算機數(shù)值模擬攪拌反應器的難點是攪拌槳的轉(zhuǎn)動區(qū)域，釜壁、攪拌槳、攪拌軸、擋板等圍出的流動域隨時間變化。為此，許多研究者提出“黑箱”模型（IBC）[16]、內(nèi)外迭代（IO）[17]、多重參考系（MRF）[18]、滑動網(wǎng)格（SG）[19]等方法。本文選用MRF法處理槳葉區(qū)域，該區(qū)域流體隨槳葉轉(zhuǎn)動，槳外區(qū)域采用靜止坐標系，該方法的優(yōu)點是對整體流場的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計算量小。2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

在CFD軟件中，F(xiàn)LUENT軟件是目前使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一;它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，可以模擬化學反應與燃燒、傳熱與相變、多相流、旋轉(zhuǎn)機械等復雜機理的流動問題。GAMBIT是FLUENT分析的一部分，負責創(chuàng)建模型和網(wǎng)格劃分。采用GAMBIT建立三維實體模型，計算所采用高壓釜為圓柱形，釜長1.60 m，釜直徑0.50 m，內(nèi)部擋板高0.35 m，每個隔室設有機械攪拌槳，離槽底0.15 m，攪拌轉(zhuǎn)速700 r/min;氧氣從高壓釜攪拌槳位置引入各個室腔，借助攪拌槳葉輪彌散到礦漿中。高壓釜物理模型見圖1。

2.2 邊界條件

難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的流動模型屬于不可壓縮流動，根據(jù)已建立的物理模型，選擇速度入口（inlet）、自由出流（outflow）、固定壁面（wall）為邊界條件。

2.3 網(wǎng)格劃分

通過GAMBIT對已建立的物理模型進行網(wǎng)格劃分。攪拌槳區(qū)域采用四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，槳外區(qū)域采用六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對壁面附近進行加密處理，滿足y+=30。根據(jù)多重參考系法，攪拌槳區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標系，該區(qū)域流體隨槳葉轉(zhuǎn)動;槳外區(qū)域采用靜止坐標系，高壓釜壁取固定壁面條件。高壓釜網(wǎng)格劃分見圖2。

3 數(shù)值模擬及仿真結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬條件

數(shù)值模擬采用的工況條件：入口為礦漿速度進口，流速0.1 m/s，溫度450 K，均勻來流速度垂直于入口截面，氧氣進口速度0.5 m/s，釜內(nèi)恒定溫度500 K;出口為礦漿壓力出口，流體恒定壓力3.0 MPa，溫度500 K;釜內(nèi)壁面設為無滑移條件。選擇RNKκ-ε湍流模型，計算對流項的離散采用二階迎風格式，壓力速度耦合方式采用SIMPLE格式，靠近壁面區(qū)域采用標準壁面處理;啟動能量方程Energy Equation;啟用組分輸運與化學反應模型（transport & reaction），湍動方式為渦耗散布型（eddy-dissipation）;由于高壓釜內(nèi)部礦物發(fā)生氧化反應，有放熱現(xiàn)象，會使各組分的比熱隨溫度而發(fā)生變化，因此要改變氧氣、水蒸氣的比熱;FLUENT軟件內(nèi)設分段多項式，選擇默認設置;各項收斂殘差精度設為10-3，使收斂時連續(xù)性及速度精度均達到10-5。在此條件下，對高壓釜內(nèi)部礦漿流動分布情況進行數(shù)值模擬。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 礦漿速度場、壓力場和氧氣場分布

難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的礦漿速度場、壓力場和氧氣場分布云圖見圖3。

從圖3-a）可以看出：在3個槳葉區(qū)域附近，礦漿流動速度較快，然后向外不斷擴散，速度較大的區(qū)域集中于反應器外徑附近，而臨近攪拌桿和釜腔的區(qū)域速度則較慢，且存在“死區(qū)”，“死區(qū)”內(nèi)的礦漿流動速度較慢，顯然會影響釜內(nèi)礦漿的攪拌效果;這與試驗現(xiàn)象相符，說明模擬結(jié)果很好地再現(xiàn)了高壓釜內(nèi)部礦漿流體的分布狀況。

從圖3-b）可以看出：其可以很好地觀察高壓釜內(nèi)部氣體的壓力分布;高壓釜內(nèi)部流場的壓力分布整體比較均勻，各位置所受壓力比較穩(wěn)定，壓力較大的區(qū)域集中于高壓釜礦漿進口的第一個隔室及高壓釜釜壁。壓力變化比較明顯的區(qū)域出現(xiàn)在槳葉附近，這是壓力差最大的區(qū)域。在高壓條件下，黃鐵礦、毒砂等礦物與氧發(fā)生一系列反應，礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使被包裹的金暴露出來。

從圖3-c）可以看出：隨著礦漿、氧氣不斷流入高壓釜內(nèi)部，在充分機械攪拌的作用下，礦漿、氧氣在高壓釜內(nèi)部均勻混合，并有助于難處理金精礦進行充分的氧化預處理反應，使被包裹的金解離，從而有利于提高金回收率。

3.2.2 礦漿密度場和溫度場分布

難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的礦漿密度場和溫度場分布云圖見圖4。

從圖4-a）可以看出：高壓釜內(nèi)部中間的2個隔室礦漿密度偏高;這是由于攪拌轉(zhuǎn)速不夠大，礦漿在釜內(nèi)沒有均勻分布，加之礦漿流速過慢，導致其不能及時流入下一隔室內(nèi)與氧氣發(fā)生氧化反應。

從圖4-b）可以看出：高壓釜內(nèi)部后2個隔室溫度偏高;分析原因是，當釜體內(nèi)部達到一定溫度后，礦漿與氧氣接觸發(fā)生氧化反應，礦物自身將發(fā)生放熱反應并釋放出熱量，導致釜體局部溫度偏高。

4 結(jié) 論

1）采用FLUENT軟件對難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的流場進行模擬仿真表明，礦漿、氧氣在釜內(nèi)分布均勻，礦漿可以與氧氣充分接觸;熱壓氧化預處理工藝可以打開礦物包裹，提高金回收率。

2）礦漿流動速度較大的區(qū)域出現(xiàn)在3個槳葉區(qū)域，碰撞釜體后形成大小不同的渦流，并產(chǎn)生液體流動“死區(qū)”;最大壓力出現(xiàn)在釜頂和釜底，而壓差最大的區(qū)域則是槳葉附近。研究結(jié)果與相關(guān)經(jīng)驗基本吻合，可為難處理金精礦熱壓氧化預處理工藝優(yōu)化提供有價值的參考。

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Numerical simulation of flow field of pressure oxidation autoclave based on FLUENT

Wu Guoyu1，2，Zheng Ye2，Xu Wenqing3，Xing Zhijun2，Lu Yuchun2，Mao Wenyuan4

（1.China National Gold Group Co.，Ltd.; 2.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

3.Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.;

4.Faculty of Chemical Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Abstract：In order to study the pressure preoxidation effect of refractory gold concentrates inside the pressure oxidation autoclave.The FLUENT software is used to simulate the flow field of refractory gold concentrates in pressure oxidation autoclave.GAMBIT is used to set up physical model of the flow field entity.Standard turbulence model and multiple reference frames are used to deal with the slurry stirring zone，and analyze the velocity filed，pressure field and temperature field distribution and flow rules of the slurry inside the autoclave.The results show that the model selected in the numerical simulation domain can accurately predict the velocity field，pressure field，density field and temperature field distribution of the slurry inside the autoclave.The slurry and oxygen are mixed evenly in the autoclave under the action of the mechanical stirring.The refractory gold concentrates can be fully preoxidized.

Keywords：autoclave;refractory gold concentrate;simulate;turbulence model;multiple reference frames