熱壓氧化高壓釜噴吹攪拌過(guò)程模擬研究

呂超 殷宏鑫 孫銘赫 于林輝

摘要：高壓釜是熱壓氧化法處理金精礦的常用設(shè)備。利用計(jì)算流體力學(xué)方法，采用FLUENT軟件，以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Eulerian多相流模型，同時(shí)使用多重參考系法處理槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，對(duì)高壓釜內(nèi)部噴吹、攪拌過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，考察了高壓釜內(nèi)的速度場(chǎng)、組分分布，分析了攪拌轉(zhuǎn)速和噴吹速度對(duì)氣相分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為150 r/min，噴吹速度為0.7 m/s和0.8 m/s時(shí)，高壓釜內(nèi)速度場(chǎng)穩(wěn)定，氣相分布均勻，氣液兩相混合效果最好。

關(guān)鍵詞：高壓釜;熱壓氧化;噴吹;攪拌;數(shù)值模擬;多重參考系;計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類(lèi)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（2021）10-0062-03doi：10.11792/hj20211013

引 言

黃金是一種極其重要的貴金屬，因其具有良好的延展性、可鍛性等，已成為電子、現(xiàn)代通訊、航天航空等領(lǐng)域不可或缺的材料。隨著金礦石的不斷開(kāi)采，易處理金礦資源日益枯竭，難處理金礦已成為黃金生產(chǎn)的主要資源[1]。大量難處理金精礦中金以微細(xì)粒狀包裹在黃鐵礦、砷黃鐵礦、碳酸鹽等礦物中難以分離[2]。國(guó)內(nèi)外采用的處理方案主要為氧化預(yù)處理，包括化學(xué)氧化法、焙燒氧化法[3-4]、熱壓氧化法[5-6]等，其中熱壓氧化法是一種對(duì)難處理金礦有效的預(yù)處理方法。熱壓氧化法通常在溫度為 170 ℃～225 ℃、壓力為1 100～3 200 kPa、氧分壓為350～700 kPa的條件下進(jìn)行[7]。目前，國(guó)內(nèi)外采用熱壓氧化法的工廠已超過(guò)20家，高壓釜是熱壓氧化法的核心裝備，其內(nèi)部礦漿流動(dòng)及組分分布直接影響預(yù)處理效果。

高壓釜是高溫高壓的密閉容器，高壓釜內(nèi)流體的流動(dòng)行為較為復(fù)雜。當(dāng)?shù)V漿進(jìn)入高壓釜后，其內(nèi)部組分的濃度分布無(wú)法觀測(cè)，流體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)無(wú)法確定。許多研究者通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)高壓釜內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了研究。APPA等[8]對(duì)高壓釜第一室內(nèi)氣液兩相的傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了葉輪轉(zhuǎn)速、氣相流量和溫度對(duì)溶氧系數(shù)的影響。LI等[9]對(duì)工業(yè)規(guī)模的高壓釜在不同長(zhǎng)徑比條件下的湍流自然對(duì)流進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了長(zhǎng)徑比增加后流速和溫度的變化趨勢(shì)。本文以處理金精礦的熱壓氧化高壓釜為研究對(duì)象，利用FLUENT軟件對(duì)高壓釜內(nèi)噴吹及攪拌行為進(jìn)行數(shù)值模擬，考察不同操作條件對(duì)流場(chǎng)分布、氣液混合效果的影響，為高壓釜內(nèi)部噴吹、攪拌復(fù)合工藝的研究提供數(shù)據(jù)支撐，為高壓釜的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 模型建立

1.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

高壓釜幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示。圓柱形高壓釜長(zhǎng)1.60 m，直徑0.50 m，擋板高0.35 m。高壓釜共設(shè)有4個(gè)攪拌槳，間距0.40 m，各自距釜底0.14 m，攪拌轉(zhuǎn)速 100 r/min。

應(yīng)用Solidworks軟件建立幾何模型，F(xiàn)LUENT Meshing進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，高壓釜網(wǎng)格由三維四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)成，網(wǎng)格數(shù)量為124萬(wàn)個(gè)。

1.2 邊界條件和模型選擇

分別將水、氧氣作為液相、氣相的模擬原料。液相從左側(cè)入口進(jìn)入高壓釜，氣相從攪拌槳位置引入各個(gè)隔室。數(shù)值模擬的工況條件為：高壓釜內(nèi)恒定溫度500 K，兩相入口均設(shè)置為速度入口（Velocity inlet）;液相和氣相速度分別為0.1 m/s、0.6 m/s，出口設(shè)置為自由出口（Outflow）;擋板及其他部分器壁為固體壁面邊界條件。采用多重參考系（MRF）法，攪拌槳附近區(qū)域基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，除此之外區(qū)域基于靜止坐標(biāo)系。

數(shù)值模擬利用基于有限體積法的FLUENT軟件，選擇Eulerian多相流、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，以及壓力-速度耦合的SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，除連續(xù)性收斂到10-5外，其他各項(xiàng)均收斂到10-3。

2021年第10期/第42卷選礦與冶煉選礦與冶煉黃 金

1.3 控制方程

任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律[10]。質(zhì)量守恒方程，即連續(xù)性方程為：

ρt+·（ρv）=0（1）

式中：ρ為流體密度（kg/m3）;t為時(shí)間（s）;v為速度矢量（m/s）。

動(dòng)量守恒方程為：

t（ρv）+·（ρvv）=-p+·（τ）+ρg+F（2）

式中：p為靜態(tài)壓力（MPa）;τ為應(yīng)力張量（MPa）;F為施加在單位質(zhì)量流體上的力（N）。

τ由式（3）給出：

τ=μ[（v+vT）-23·vI]（3）

式中：μ為分子黏度（N·s/m2）;I為單位張量（MPa）。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)工況下高壓釜內(nèi)流體流動(dòng)行為

高壓釜內(nèi)液相速度矢量圖和速度流線示意圖分別如圖2、圖3所示。從速度矢量圖可以看出：在各個(gè)隔室內(nèi)，攪拌槳附近區(qū)域流動(dòng)速度較大，入口和出口處的速度普遍低于高壓釜內(nèi)中段處的速度，前2個(gè)隔室內(nèi)平均速度較后2個(gè)隔室小;同時(shí)可以看出，流體流動(dòng)狀態(tài)紊亂，說(shuō)明在攪拌作用下，高壓釜內(nèi)流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)。速度流線示意圖顯示了流體從入口的某點(diǎn)進(jìn)入高壓釜后在釜內(nèi)流動(dòng)的軌跡，便于觀察流體在高壓釜內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程，可以明顯看到，流體從不同的入口位置進(jìn)入高壓釜后，在釜內(nèi)的流動(dòng)軌跡有很大差距。

高壓釜內(nèi)氣相分布如圖4所示。4個(gè)隔室內(nèi)的攪拌槳附近區(qū)域氣相體積分?jǐn)?shù)均最高。由于前2個(gè)隔室內(nèi)流體平均速度低，導(dǎo)致除了攪拌槳附近和釜頂有氧氣外，隔室內(nèi)其余位置幾乎沒(méi)有氧氣，氣相與液相混合效果不好。隨著流體平均速度增大，在后2個(gè)隔室內(nèi)氣相充滿整個(gè)隔室且分布較為均勻，有利于氣相與液相的充分混合。由此表明，氣液兩相在前2個(gè)隔室混合效果不好，在后2個(gè)隔室混合效果較好。

2.2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)高壓釜內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)的影響

在距攪拌槳底部中心0.02 m處設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于4個(gè)隔室，用于分析高壓釜內(nèi)氣液兩相混合情況，其可通過(guò)高壓釜不同位置氣相體積分?jǐn)?shù)的大小間接反映。設(shè)置攪拌轉(zhuǎn)速分別為50，75，100，125，150 r/min，不同攪拌轉(zhuǎn)速下氣相體積分?jǐn)?shù)與高壓釜位置（z）的關(guān)系如圖5所示。在不同攪拌轉(zhuǎn)速下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣相體積分?jǐn)?shù)均隨流體流動(dòng)而提高。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，出口所在隔室監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣相體積分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到43 %;說(shuō)明這5組不同攪拌轉(zhuǎn)速中，150 r/min時(shí)氣液混合情況最好。

2.3 噴吹速度對(duì)高壓釜內(nèi)流體流動(dòng)行為的影響

不同噴吹速度下氣相體積分?jǐn)?shù)與高壓釜位置的關(guān)系如圖6所示。

從圖6可以看出：當(dāng)氣相噴吹速度為0.4，0.7，0.8 m/s時(shí)，同一噴吹速度下第3隔室監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣相體積分?jǐn)?shù)最大，其余2組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣相體積分?jǐn)?shù)隨著流體的流動(dòng)而增加。比較后發(fā)現(xiàn)，氣相噴吹速度對(duì)第3隔室內(nèi)氣液混合程度影響較為明顯。當(dāng)噴吹速度為0.7 m/s和0.8 m/s時(shí)，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣相體積分?jǐn)?shù)接近，因此在這5組噴吹速度條件下，噴吹速度為0.7 m/s和0.8 m/s時(shí)氣液兩相混合情況最好。

3 結(jié) 論

1）高壓釜內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)紊亂，攪拌槳附近區(qū)域相比于其他區(qū)域液相流速較大，氣相在第3、4隔室內(nèi)分布更均勻，氣液兩相混合程度明顯好于第1、2隔室。

2）攪拌槳在不同攪拌轉(zhuǎn)速條件下，氣相體積分?jǐn)?shù)隨著流體的流動(dòng)而增大，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，出口所在隔室氣相體積分?jǐn)?shù)最高，氣液兩相混合情況最好。

3）改變氣相噴吹速度對(duì)高壓釜第3隔室內(nèi)氣液兩相混合有明顯的增強(qiáng)效果，當(dāng)噴吹速度為0.7 m/s和0.8 m/s時(shí)混合效果最好。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Simulation of the blowing and stirring process in heat-pressure oxidation autoclave

Lü Chao1，2，Yin Hongxin1，Sun Minghe1，Yu Linhui2

（1.School of Control Engineering，Northeastern University at Qinhuangdao;

2.Yingkou Dongbang Environmental Science and Technology Co.，Ltd.）

Abstract：Heat-pressure oxidation autoclave is common equipment for processing gold concentrates.As well as CFD method，F(xiàn)LUENT software，κ-ε standard turbulence model and Eulerian multiphase flow model were used while the rotating areas were processed by the MRF method so that the blowing and stirring process in the autoclave was simu-lated，velocity field and species distribution in the autoclave were investigated，and the effects of stirring speed and blowing speed on the distribution of gas phase were analyzed.The results show that when the stirring speed is 150 r/min and the blowing speed is 0.7 m/s and 0.8 m/s，the velocity field is stable and the gas phase is evenly distributed in the autoclave，with the best mixing effect of gas and liquid.

Keywords：autoclave;heat-pressure oxidation;blowing;stirring;numerical simulation;MRF;CFD