種分槽內(nèi)部流場(chǎng)分布的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

曹萬(wàn)秋

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

種子分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序,其核心設(shè)備——種分槽是整個(gè)拜耳法生產(chǎn)氧化鋁工藝中的規(guī)格最大、最有代表性的攪拌設(shè)備。種分槽容積大(約4 500 m3以上),對(duì)能耗、均勻度、沉淀結(jié)疤等因素要求較高,影響上述指標(biāo)的關(guān)鍵因素是內(nèi)部流場(chǎng)分布情況,本文采用Fluent 軟件對(duì)種分槽內(nèi)部流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬分析具有重要意義。

1 種分槽技術(shù)特點(diǎn)

在氧化鋁生產(chǎn)中,將降溫后添加晶種的鋁酸鈉精液在種分槽內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌靹?析出氫氧化鋁[1],由于種分槽容積大,料漿固含高,在槽底部很容易產(chǎn)生沉淀及結(jié)疤,所以種分槽需具備以下技術(shù)特點(diǎn)。

(1)要保證料漿固液充分接觸,均勻混合,加快晶粒長(zhǎng)大,從而加速分解反應(yīng),槽內(nèi)料漿無(wú)明顯分層,上下層料漿固含差<10%;

(2)要有足夠的循環(huán)流量,使氫氧化鋁顆粒充分懸浮防止沉淀,特別是槽體的底部容易出現(xiàn)沉淀結(jié)疤的問(wèn)題,采取針對(duì)性的措施減輕或消除沉淀結(jié)疤;

(3)合理的槽內(nèi)料漿流動(dòng)路線,能有效提高混合均勻度,降低能耗,減少沉淀結(jié)疤。

2 種分槽模擬分析

本文采用Fluent 軟件通過(guò)模擬得到攪拌槽流場(chǎng)內(nèi)指定點(diǎn)處的濃度,并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析。在數(shù)值模擬前,先在不同規(guī)格的實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)設(shè)置好若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn),經(jīng)模擬得到各檢測(cè)點(diǎn)上固體顆粒的體積分?jǐn)?shù),然后再與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的對(duì)應(yīng)同一檢測(cè)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析。

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

本文計(jì)算所采用的種分槽槽體為圓柱形,計(jì)算域?yàn)榉N分槽內(nèi)部整體區(qū)域。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn),采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型[2],使用滑移網(wǎng)格法(Sliding Mesh)來(lái)處理槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)域,控制方程的傳送項(xiàng)采用速度壓力耦合的SIMPLE 算法,離散格式采用二階迎風(fēng)。種分槽數(shù)學(xué)模型如圖1 所示、網(wǎng)格模型圖如圖2 所示。

圖1 種分槽數(shù)學(xué)模型

圖2 種分槽網(wǎng)格模型圖

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 臨界轉(zhuǎn)速模擬法

當(dāng)固體顆粒靜置于液體時(shí),會(huì)在槽底部產(chǎn)生沉淀堆積,本實(shí)驗(yàn)槽所選用的物料為玻璃珠以及氯化鈣溶液,與實(shí)際種分槽的料漿性質(zhì)極為接近,且腐蝕性很低,有利于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

沉淀的判定遵循下述原則:假設(shè)玻璃珠顆粒為等半徑的球體,那么在攪拌槽底部產(chǎn)生堆積時(shí),會(huì)有如下情形,圖3 顯示的是密集堆積結(jié)構(gòu),此時(shí)玻璃珠體積分?jǐn)?shù)約為74%;圖4 顯示的是臨界堆積結(jié)構(gòu),此時(shí)玻璃珠體積分?jǐn)?shù)約為52%。玻璃珠的實(shí)際堆積結(jié)構(gòu)是由以上兩種方式混合組成的,實(shí)測(cè)結(jié)果表明真實(shí)的體積分?jǐn)?shù)約63%。

圖3 臨界堆積結(jié)構(gòu)

圖4 密集堆積結(jié)構(gòu)

由經(jīng)驗(yàn)所知,由于重力作用,最容易發(fā)生沉淀堆積的位置在攪拌槽的底部。所以在模擬時(shí),采用在槽體模型底部設(shè)置檢測(cè)面的方法,在距槽體底部0.01 m 處設(shè)置監(jiān)測(cè)面,監(jiān)測(cè)該面上固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的最大值變化。初始時(shí),設(shè)置玻璃珠顆粒均勻分布在整個(gè)槽域內(nèi),體積分?jǐn)?shù)為33%(此數(shù)值是根據(jù)工業(yè)實(shí)際情況確定),計(jì)算時(shí),設(shè)定某一轉(zhuǎn)速值,當(dāng)流場(chǎng)穩(wěn)定后計(jì)算該轉(zhuǎn)速下檢測(cè)面上固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的最大值。若體積分?jǐn)?shù)達(dá)到52%,說(shuō)明固體顆粒在槽底部開(kāi)始產(chǎn)生沉淀堆積,但此沉淀是可以流動(dòng)的,并沒(méi)有堆實(shí),是處于沉淀和懸浮之間的臨界狀態(tài);若體積分?jǐn)?shù)達(dá)到63%,說(shuō)明固體顆粒在槽底部產(chǎn)生沉淀堆積,且此沉淀已經(jīng)堆實(shí)不可流動(dòng);若體積分?jǐn)?shù)小于52%,則認(rèn)為該轉(zhuǎn)速下固體顆粒處于完全懸浮狀態(tài)。

在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中,選取槽底部固體體積分?jǐn)?shù)剛好達(dá)到52%時(shí)作為產(chǎn)生沉淀的判據(jù),對(duì)應(yīng)的攪拌軸轉(zhuǎn)速即為臨界懸浮轉(zhuǎn)速。這一轉(zhuǎn)速的確定需經(jīng)多次反復(fù)模擬和測(cè)試,采用逐漸逼近的方法才能獲得較準(zhǔn)確的數(shù)值。

2.2.2 待評(píng)估的物理量及參數(shù)

(1)顆粒體積分?jǐn)?shù)(濃度)

通過(guò)在攪拌槽內(nèi)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(面),監(jiān)測(cè)該點(diǎn)(面)處顆粒體積分?jǐn)?shù)(濃度)的最大值與平均值。具體數(shù)據(jù)可以通過(guò)顆粒濃度測(cè)試儀測(cè)得。

(2)功率

功率P=T×n。轉(zhuǎn)速n已知,扭矩T可以在Fluent 軟件中通過(guò)模擬計(jì)算得到。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)扭矩傳感器測(cè)得。

2.2.3 邊界條件的設(shè)定

通過(guò)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采集的氫氧化鋁料漿物性來(lái)以此設(shè)定模型邊界條件:

固相:氫氧化鋁顆粒,密度2 430 kg/m3,顆粒粒徑130 μm,固相體積分?jǐn)?shù)33%(對(duì)應(yīng)固含800 g/L);

液相:鋁酸鈉溶液,密度1 240 kg/m3,粘度0.003 5 Pa·s。

2.3 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

圖5 所示是實(shí)驗(yàn)裝置,整個(gè)裝置主要包括攪拌裝置,有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)槽和顆粒濃度測(cè)量?jī)x三個(gè)部分。

圖5 實(shí)驗(yàn)室裝置

實(shí)驗(yàn)選用了氯化鈣水溶液和玻璃珠模擬工業(yè)料漿,實(shí)驗(yàn)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 水模型實(shí)驗(yàn)物料物性參數(shù)

其中有機(jī)玻璃攪拌槽有Φ425 ×500、Φ425 ×1 000、Φ550 ×700、Φ675 ×800 四種規(guī)格,槳葉直徑與槽體直徑比0.5～0.75。

2.3.2 數(shù)值模擬分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1)臨界懸浮轉(zhuǎn)速模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

圖6 顯示臨界懸浮轉(zhuǎn)速的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況。橫軸為槽體直徑,縱軸為完全離底懸浮轉(zhuǎn)速,象限內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)槽體直徑下的完全離底懸浮轉(zhuǎn)速值。由圖可知,兩條曲線重合度很高,表明模擬得到的臨界懸浮轉(zhuǎn)速和實(shí)驗(yàn)值基本吻合。

圖6 完全離底懸浮轉(zhuǎn)速隨攪拌槽直徑變化的規(guī)律

(2)均勻度模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

圖7 表示的攪拌槽內(nèi)部顆粒分布均勻度的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比情況。其中左圖為槽體縱切面上濃度分布云圖,圖中大部分面積表明顆粒分布均勻,槽體底部的濃度最大為45%,未超過(guò)52%,表明沉淀很少,攪拌效果良好。

圖7 軸向與徑向顆粒分布均勻度的對(duì)比

右圖中橫軸Z/H表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度Z與槽體總高H的比值,縱軸C/Cavg表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)處濃度C與槽內(nèi)顆粒平均濃度Cavg的比值,象限中出現(xiàn)的r/R表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離槽體主軸的半徑r與槽體半徑R的比值。圖中連續(xù)線為數(shù)值模擬得到的比值分布線,散點(diǎn)線為實(shí)驗(yàn)測(cè)試值繪制的比值分布線。象限中某一條曲線上的一個(gè)點(diǎn)表示的是在指定的徑向位置和高度上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的濃度與槽內(nèi)顆粒平均濃度的比值。

由圖7 可以看出,各模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,即在特定的r/R處,從槽底到最高處,濃度首先保持均勻不變,然后在近液面處迅速下降。圖中連續(xù)線與點(diǎn)狀線基本吻合,表明模擬結(jié)果得到的軸向與徑向均勻度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(3)濃度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

Φ425 槽內(nèi)料漿顆粒濃度分布見(jiàn)圖8。從左到右,槳葉直徑相同,槳葉離底距離逐漸增大;從上到下,槳葉直徑逐漸增大,槳葉離底距離相同。

圖8 Φ425 槽內(nèi)顆粒濃度云圖

由圖可知,觀察任意一列,由上到下,槽體底部邊角處出現(xiàn)的沉淀越來(lái)越小,即槳葉離底距離一定,槳葉直徑增大,對(duì)槽體邊角處的攪拌強(qiáng)度增強(qiáng),沉淀減少,有利于物料的均勻混合,攪拌效果更好。

圖9 從左到右可以看出,槳葉離底距離逐漸增加,槽底邊緣處沉淀增加?？梢?jiàn)攪拌槳離底距離較小對(duì)槽體邊角處的攪拌強(qiáng)度增強(qiáng),沉淀減少,有利于物料的均勻混合,攪拌效果更好。

圖9 Φ425 槽底部顆粒濃度云圖

模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試吻合較好,說(shuō)明了使用的數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)攪拌槽內(nèi)的真實(shí)流場(chǎng)狀態(tài),同時(shí)也創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)了最佳攪拌槳直徑和最佳離底距離的作用機(jī)理。

3 總結(jié)

本文采用Fluent 模擬軟件,通過(guò)模擬計(jì)算,對(duì)多種情況進(jìn)行綜合考慮,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,解決了多個(gè)最關(guān)鍵的核心問(wèn)題。模擬得到的均勻度、沉淀、攪拌功率等與實(shí)驗(yàn)槽測(cè)試結(jié)果吻合一致。實(shí)現(xiàn)了借助軟件模擬,研究攪拌槽內(nèi)部流場(chǎng)特性的目標(biāo),得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)模擬及實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得到槳葉間距為1.4D1(D1為槳葉直徑)時(shí),種分槽內(nèi)物料均勻度最佳。

(2)通過(guò)模擬及實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得到底層槳離底距離為0.02D1(D1為槳葉直徑)時(shí),種分槽內(nèi)物料均勻度最佳。

(3)通過(guò)模擬及實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得到槳葉直徑為0.7D(D為槽體直徑)時(shí),種分槽內(nèi)物料均勻度最佳。

(4)通過(guò)模擬分析及實(shí)驗(yàn)對(duì)比,對(duì)種分槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造有良好的指導(dǎo)意義。