基于PLIF技术的顶吹浸没搅拌液相混合及反应过程研究
发布时间：2020-05-22 18:45
【摘要】：为了对顶吹浸没搅拌进行直观可视化的测量,本文通过无干扰、可视化的流场测试技术——平面激光诱导荧光(PLIF)技术对顶吹浸没搅拌下的液相的混合及反应过程进行二维可视化检测。在液相混合过程的研究中通过荧光示踪剂(荧光素钠)的荧光强度与浓度呈正比的关系,并结合平面混合均匀度U(t)和混合时间t_(95(m))定量评价了液相二维混合过程和混合效果。在液相反应过程的研究中通过荧光示踪剂(荧光素钠)的荧光强度与荧光猝灭剂(Fe~(3+))浓度的线性关系,并结合反应度θ(t)和反应时间t_(95(r))定量评价了液相二维反应过程和反应效果。研究结果表明:(1)液相的混合过程分为三个时期:混合初期(0.9U1)、混合中期(0.1U0.9)和混合末期(0U0.1)。在实验中增加空气流量Q、增加喷枪浸没深度L可加快液相混合,缩短混合时间。液相存在局部混合差异性,在实验中增加空气流量可使液相的局部混合差异性从8.2%缩小为3.7%,增加喷枪浸没深度可使液相的局部混合差异性从8.2%缩小为1.9%。当L=3cm时,水平线越低,其反应时间越长。当L=3cm时,荧光示踪在底部注射时混合时间(26.08s)远大于在顶部注射的混合时间(15.36s),在L=11cm时,荧光示踪剂在底部注射的混合时间(9.52s)与在顶部注射的混合时间(9.44s)接近一致。此外,荧光剂在底部注射时水平线混合时间变化趋势与在顶部注射时一致。(2)在实验中增加空气流量、增加喷枪浸没深度,可加快Fe~(3+)的扩散速度,加快液相反应,缩短反应时间。液相也存在局部反应差异性,在L=3cm,Q=0.2L·min~(-1)时监测点反应时间最大值(26.02s)比最小值(20.34s)超出27.9%,而水平线反应时间的变化无明显趋势。喷枪浸没深度较浅时,反应器底部流动性差,Fe~(3+)在底部注射后难以扩散,使得反应时间远大于顶部注射,在L=3cm,Q=0.2L·min~(-1)时,底部注射的反应时间(29.32s)比在顶部注射的反应时间(23.04s)超出27.3%。在L=3cm,Q=0.6L·min~(-1)时,底部注射的反应时间比在顶部注射的反应时间超出19.7%。当L=9、11cm时,两个注射点的反应时间接近一致。Fe~(3+)的初始体积的变化对反应时间无明显影响。增加Fe~(3+)的初始浓度可以缩短反应时间。本文的研究内容对实际生产过程中的顶吹浸没搅拌工艺如何提高混合反应速率,缩短生产时间,具有理论指导意义。
【图文】：
第一章绪论3炉底钢水的对流换热对底吹喷嘴烧蚀的影响。通过模拟的结果给出了降低底吹喷嘴烧蚀的方法，这对提高浸没喷枪喷嘴寿命提供了理论指导依据。Huda等[17]开发了一种计算流体动力学模型，以研究直接还原炼锌法顶吹炉内的流体流动和传热的细节。用于研究顶部浸没式喷枪炉中的冶炼炉（ISF）炉渣的锌渣的发烟过程，并研究炉内流体流动行为。基于3维欧拉多相流方法，模拟了熔渣炉的液相流场和温度场，产生的湍流以及喷枪尖端的涡流和羽流形状，发现在一定喷吹条件下熔池内存在液相流动循环区（图1.1），且液相流动循环区对液相的混合效果有直接的影响。模拟的结果与实际生产结果对比一致，验证了所开发的计算模型的准确性。Zhang等[18]采用欧拉-拉格朗日方法建立了炉内熔体流动和温度场的数值模型，模拟了气体喷吹流量对熔体速度以及熔体温度场分布特性的影响，，发现在一定范围，适当提高气体喷吹流量可以增加熔体的流动速度，使熔体温度场分布更为均匀，模拟结果为实际生产提供了理论依据。Wang等[19]在铜顶吹艾萨炉的模拟研究中通过考虑表面张力和壁面函数对VOF理论框架的影响，实现了单个自由气泡撞击液面，多气泡向上浮动和融合的三维数值模型。并在此基础上，提出了用于模拟ISA炉顶吹浴的三维热态数值模型。研究了注入流量和浸入深度对混合行为和温度分布的影响。相关的研究结果为艾萨炉优化运行的理论计算提供了非常好参考。图1.1顶吹炼锌中的液相流动循环区模拟图Figure1.1Simulationdiagramofliquidphaseflowcirculationzoneintopsubmergedlancedirectzincsmelting
钪崭媚Ｐ涂捎糜诩?控和优化该冶炼厂的冶炼过程。Huda等[21,22]采用数值模拟将直接还原炼锌法顶吹炉内复杂的燃烧现象和化学反应与系统中存在的相间传热、传质和动量传递相互作用结合起来，模拟了炉内炉渣和气态组分的质量分数，研究发现了煤粉在还原炉内的燃烧反应过程以及煤粉、燃烧产物对锌渣中氧化锌还原成锌单质的影响。模拟结果显示煤粉浸没燃烧条件下，燃烧产物中的还原性气体对矿渣中的氧化锌起到很好地还原效果，同时未完全燃烧的煤粉上升到熔体表面也有利于熔体表面氧化锌的还原，并发现锌发烟率随温度升高而增加（图1.2），模拟的结果与实验数据大致一致，这对直接还原炼锌法工艺提供了理论指导依据。图1.2顶吹炼锌中锌的分布模拟图（a:液相,b:气相）Figure1.2Simulationdiagramofzincdistributionintopsubmergedlancedirectzincsmelting
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF11
【图文】：
第一章绪论3炉底钢水的对流换热对底吹喷嘴烧蚀的影响。通过模拟的结果给出了降低底吹喷嘴烧蚀的方法，这对提高浸没喷枪喷嘴寿命提供了理论指导依据。Huda等[17]开发了一种计算流体动力学模型，以研究直接还原炼锌法顶吹炉内的流体流动和传热的细节。用于研究顶部浸没式喷枪炉中的冶炼炉（ISF）炉渣的锌渣的发烟过程，并研究炉内流体流动行为。基于3维欧拉多相流方法，模拟了熔渣炉的液相流场和温度场，产生的湍流以及喷枪尖端的涡流和羽流形状，发现在一定喷吹条件下熔池内存在液相流动循环区（图1.1），且液相流动循环区对液相的混合效果有直接的影响。模拟的结果与实际生产结果对比一致，验证了所开发的计算模型的准确性。Zhang等[18]采用欧拉-拉格朗日方法建立了炉内熔体流动和温度场的数值模型，模拟了气体喷吹流量对熔体速度以及熔体温度场分布特性的影响，，发现在一定范围，适当提高气体喷吹流量可以增加熔体的流动速度，使熔体温度场分布更为均匀，模拟结果为实际生产提供了理论依据。Wang等[19]在铜顶吹艾萨炉的模拟研究中通过考虑表面张力和壁面函数对VOF理论框架的影响，实现了单个自由气泡撞击液面，多气泡向上浮动和融合的三维数值模型。并在此基础上，提出了用于模拟ISA炉顶吹浴的三维热态数值模型。研究了注入流量和浸入深度对混合行为和温度分布的影响。相关的研究结果为艾萨炉优化运行的理论计算提供了非常好参考。图1.1顶吹炼锌中的液相流动循环区模拟图Figure1.1Simulationdiagramofliquidphaseflowcirculationzoneintopsubmergedlancedirectzincsmelting
钪崭媚Ｐ涂捎糜诩?控和优化该冶炼厂的冶炼过程。Huda等[21,22]采用数值模拟将直接还原炼锌法顶吹炉内复杂的燃烧现象和化学反应与系统中存在的相间传热、传质和动量传递相互作用结合起来，模拟了炉内炉渣和气态组分的质量分数，研究发现了煤粉在还原炉内的燃烧反应过程以及煤粉、燃烧产物对锌渣中氧化锌还原成锌单质的影响。模拟结果显示煤粉浸没燃烧条件下，燃烧产物中的还原性气体对矿渣中的氧化锌起到很好地还原效果，同时未完全燃烧的煤粉上升到熔体表面也有利于熔体表面氧化锌的还原，并发现锌发烟率随温度升高而增加（图1.2），模拟的结果与实验数据大致一致，这对直接还原炼锌法工艺提供了理论指导依据。图1.2顶吹炼锌中锌的分布模拟图（a:液相,b:气相）Figure1.2Simulationdiagramofzincdistributionintopsubmergedlancedirectzincsmelting
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
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1 李
本文编号：2676433
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