基于FLUENT軟件的熱壓氧化高壓釜流場(chǎng)數(shù)值模擬

吳國(guó)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(yù)處理效果，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，利用GAMBIT建立流場(chǎng)實(shí)體物理模型，采用標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的分布狀態(tài)和流動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明：數(shù)值模擬計(jì)算域所選模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)礦漿在高壓釜內(nèi)部的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、密度場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布;礦漿、氧氣在機(jī)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(yù)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(hào)：TD9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

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

引 言

目前，難處理金礦石[1-3]預(yù)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(yù)處理方法，熱壓氧化法具有礦石適應(yīng)性強(qiáng)、反應(yīng)速率快、無(wú)煙氣污染等特點(diǎn)[5-6]。難處理金精礦經(jīng)熱壓氧化預(yù)處理后，金浸出率可提高至約90 %。在熱壓氧化過(guò)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(dòng)和混合過(guò)程復(fù)雜，了解礦漿在高壓釜內(nèi)部的速度、壓力及溫度分布，對(duì)冶金反應(yīng)過(guò)程工藝參數(shù)控制具有十分重要的意義，同時(shí)有助于提高礦漿氧化預(yù)處理的反應(yīng)效率。

由于高壓釜運(yùn)行時(shí)釜體封閉，采用傳統(tǒng)物理方法無(wú)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(chǎng)分布狀況的難度。高壓釜內(nèi)部流體介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特性是影響化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵，其研究方法主要有數(shù)值模擬、解析計(jì)算和試驗(yàn)方法。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（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(dòng)力學(xué)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(yīng)過(guò)程，因流體流動(dòng)越充分，湍流程度越強(qiáng)，流動(dòng)死角越少，越有利于反應(yīng)的進(jìn)行，故研究高壓釜內(nèi)部流場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)難處理金精礦熱壓氧化工藝改進(jìn)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(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，針對(duì)傳遞過(guò)程及反應(yīng)性能特點(diǎn)，使用模擬軟件求解方程組，從而準(zhǔn)確、直觀地模擬出高壓釜內(nèi)部礦漿的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、礦漿的混合過(guò)程及流動(dòng)狀態(tài)，為難處理金精礦熱壓氧化預(yù)處理工藝工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 數(shù)學(xué)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(dòng)和傳熱過(guò)程，對(duì)高壓釜進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立控制方程，滿足文獻(xiàn)[12]中的質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程?？刂品匠蘙13]為：

t（ρ）+xi（ρvi）=xiΓxi+S（1）

式中：ρ為流體密度（g/cm3）;t為單位時(shí)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(kuò)散系數(shù)，Γ=μe/Sc，μe為有效黏度（Pa·s），Sc為Schmidt準(zhǔn)數(shù);S為單位體積源項(xiàng)。

1.2 湍流模型

高壓釜內(nèi)部的礦漿流場(chǎng)以湍流為主，本文使用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型和RNKκ-ε湍流模型對(duì)高壓釜內(nèi)部礦漿流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬[14-15]。

1.3 模型建立

利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬攪拌反應(yīng)器的難點(diǎn)是攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，釜壁、攪拌槳、攪拌軸、擋板等圍出的流動(dòng)域隨時(shí)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(dòng)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(dòng)，槳外區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系，該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)整體流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)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(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，可以模擬化學(xué)反應(yīng)與燃燒、傳熱與相變、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械等復(fù)雜機(jī)理的流動(dòng)問(wèn)題。GAMBIT是FLUENT分析的一部分，負(fù)責(zé)創(chuàng)建模型和網(wǎng)格劃分。采用GAMBIT建立三維實(shí)體模型，計(jì)算所采用高壓釜為圓柱形，釜長(zhǎng)1.60 m，釜直徑0.50 m，內(nèi)部擋板高0.35 m，每個(gè)隔室設(shè)有機(jī)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(gè)室腔，借助攪拌槳葉輪彌散到礦漿中。高壓釜物理模型見(jiàn)圖1。

2.2 邊界條件

難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的流動(dòng)模型屬于不可壓縮流動(dòng)，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(guò)GAMBIT對(duì)已建立的物理模型進(jìn)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(duì)壁面附近進(jìn)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(biāo)系，該區(qū)域流體隨槳葉轉(zhuǎn)動(dòng);槳外區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系，高壓釜壁取固定壁面條件。高壓釜網(wǎng)格劃分見(jiàn)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(jìn)口，流速0.1 m/s，溫度450 K，均勻來(lái)流速度垂直于入口截面，氧氣進(jìn)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(shè)為無(wú)滑移條件。選擇RNKκ-ε湍流模型，計(jì)算對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)壁面處理;啟動(dòng)能量方程Energy Equation;啟用組分輸運(yùn)與化學(xué)反應(yīng)模型（transport & reaction），湍動(dòng)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(yīng)，有放熱現(xiàn)象，會(huì)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(shè)分段多項(xiàng)式，選擇默認(rèn)設(shè)置;各項(xiàng)收斂殘差精度設(shè)為10-3，使收斂時(shí)連續(xù)性及速度精度均達(dá)到10-5。在此條件下，對(duì)高壓釜內(nèi)部礦漿流動(dòng)分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 礦漿速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和氧氣場(chǎng)分布

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

從圖3-a）可以看出：在3個(gè)槳葉區(qū)域附近，礦漿流動(dòng)速度較快，然后向外不斷擴(kuò)散，速度較大的區(qū)域集中于反應(yīng)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(dòng)速度較慢，顯然會(huì)影響釜內(nèi)礦漿的攪拌效果;這與試驗(yàn)現(xiàn)象相符，說(shuō)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(chǎng)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(jìn)口的第一個(gè)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(yīng)，礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使被包裹的金暴露出來(lái)。

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(jī)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(jìn)行充分的氧化預(yù)處理反應(yīng)，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(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的礦漿密度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖4。

從圖4-a）可以看出：高壓釜內(nèi)部中間的2個(gè)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(méi)有均勻分布，加之礦漿流速過(guò)慢，導(dǎo)致其不能及時(shí)流入下一隔室內(nèi)與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。

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

4 結(jié) 論

1）采用FLUENT軟件對(duì)難處理金精礦在高壓釜內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)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(yù)處理工藝可以打開(kāi)礦物包裹，提高金回收率。

2）礦漿流動(dòng)速度較大的區(qū)域出現(xiàn)在3個(gè)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(dòng)“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(yàn)基本吻合，可為難處理金精礦熱壓氧化預(yù)處理工藝優(yōu)化提供有價(jià)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