搅拌反应釜湿法提钒的数值模拟与优化

发布时间：2020-07-15 03:02

【摘要】：机械搅拌反应釜是湿法冶金中广泛应用的一种浸出设备。在工业生产过程中,大型搅拌釜内仍然存在速度和浓度分布不均匀、釜底部分区域固相沉积较多等问题,导致固液混合效果差,有价元素浸出率低,给生产带来不利影响。而且由于搅拌釜浸出过程的封闭性,仅依靠经验和有限的测试手段很难了解其中液相流动和固相分布的规律,因此采用Fluent软件对搅拌釜内固液两相流进行数值模拟,为浸出设备和工艺参数的优化提供一定的指导作用。论文针对钒钛磁铁矿湿法提钒新工艺,以实验室用浸钒搅拌反应釜为研究对象,采用流体力学软件Fluent,建立釜内固液两相数学模型,研究搅拌速度、桨叶离底高度、双层桨间距、带孔挡板、颗粒直径、颗粒密度、流体黏度以及固相体积分数等参数对釜内流场分布的影响,论文的主要研究成果如下:(1)搅拌桨转速的增大,釜内液相流速越来越大,越有利于釜内的固液混合,但是达到一定转速后,釜内流场分布几乎不变,转速的增大对于整体的速度分布并没有很实际的作用,而且桨叶下死区仍然存在,另外转速的增加会增大搅拌机的功率,因此在搅拌过程中,应该选择最恰当的搅拌速度,不仅能够满足固液混合的效果,又能够节约成本。用固相体积分数的最大值来作为固相颗粒完全离底悬浮的依据,从模拟结果中估算出临界悬浮转速Njs=425r/min。(2)随着桨叶安装高度的降低,搅拌桨下部死区越来越小,底部固相颗粒更易分散于溶液中,但对于固液搅拌釜来说,桨叶安装太低,底部固相颗粒的冲击和磨蚀作用将对桨叶造成较大的影响,综合考虑桨叶不同离底高度对釜内液相速度场和固相浓度分布的影响,离底高度L=0.4D1对于釜内固液的混合效果最好。(3)当层间距S大于0.5D时,两桨叶之间将形成四个各自独立的循环区域,桨叶间的相互作用很弱,釜内出现明显的分区现象;层间距S从0.3D增加到0.9D过程中,S=0.5D时,整个釜内固相浓度分布最均匀,综合考虑双层桨间距对釜内速度矢量图和固相浓度分布的影响,层间距S=0.5D对于釜内固液的混合效果最好。(4)在搅拌釜内安装带孔挡板,可以在搅拌釜内形成复杂的流场,消除漩涡,使体系的轴向速度得到了显著提升,流场内的圆周切向运动得到了一定的抑制,釜内固液的混合效果也得到加强。(5)颗粒直径和密度的减小有利于釜内液相速度的增大和固相分布的均匀,但现实中颗粒直径越小,越需要花费更多的人力、物力,综合考虑,颗粒直径为75μm对于釜内固液的混合效果最好。(6)流体黏度和固相体积分数的减小有利于釜内液相速度的增大,但是黏度的减小不利于固相分布的均匀,综合考虑,流体黏度为0.005Pa·s对于釜内固液的混合效果最好。(7)通过模拟计算,得出不同颗粒直径、密度、流体黏度以及固相体积分数所对应的临界悬浮转速,并对数据进行回归分析,得到Njs与颗粒直径dp、固液密度差(ρs-ρl)、流体黏度η刀、固相体积分数αs之间的关系式为:(?)该关系式与Zwietering经验关系式(?)接近,具有可靠性、准确性,能够在不同工况下对临界悬浮转速进行比较合理的预测。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF841.3
【图文】：

示意图,浸出过程,示意图,收缩核模型

２．１．１浸出反应过程分析逡逑钒钛磁铁矿浸出钒的整个过程是在固液界面进行的多相化学反应，其反应过程可以逡逑用未反应收缩核模型描述［１５］，如图２．１所示，大体上可分为以下几个步骤：逡逑（１）

流动状态,内流,切向流,径向流

搅拌设备内的流型主要由下列因素决定：搅拌方式、搅拌器结构、挡板等的几何特逡逑征；流体性质以及转速等。在一般情况下，搅拌轴安装在搅拌器中心位置时，搅拌釜内逡逑将产生轴向流、径向流和切向流三种基本流型［１８］，三种流型如图２．２所示。逡逑？邋Ｉ逡逑７＼ｉ邋ｎ邋ｎｎ邋－（￥）■■逡逑（ａ）轴向流逦（ｂ）径向流逦（ｃ）切向流逡逑图２．２搅拌梢内流体流动状态逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｆｌｕｉｄ邋ｆｌｏｗ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｓｔｉｒｒｅｄ邋ｔａｎｋ逡逑切向流：即流体打旋，出现这种流型时，流体主要从浆叶排向周围，沿着釜壁运动，逡逑垂直方向的流体混合效果很差；轴向流：流体流动方向与搅拌轴平行，流体由桨叶推动逡逑向下流动，到达容器底部后再转为向上流动，形成上下循环流。径向流：流体沿径向流逡逑动，流动方向垂直于搅拌轴，到达容器壁面之后分成二股，分别向上和向下流动，到达逡逑顶部或底部之后再反向流向叶端，形成不穿过叶片的上、下两个循环流动，而且通常情逡逑况下，以上三种流型可能同时存在。在搅拌混合过程中，轴向流和径向流起主要作用，逡逑而切向流通常对混合产生不利影响，应加以抑制，可通过增加挡板的方式来削弱切向流，逡逑－７－逡逑

多重,内外迭代法,静止参考系,交界面

（４）多重参考系法，１９９４年，Ｌｕｏ等［３９］提出了多重参考系法（ＭＲＦ，Ｍｕｌｔｉ－Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ逡逑Ｆｒａｍｅ）。多重参考系法是一种稳态计算方法，处理方式类似于内外迭代法，也是将搅拌逡逑区域分为两部分，如图２．３所示：采用两个参考系（旋转参考系、静止参考系）分别进逡逑行计算，旋转参考系的动区域主要包括旋转的桨叶和搅拌轴；静止参考系的静主要包括逡逑静止的槽壁和挡板。不同于内外迭代法，此法是假定两个参考系交界面上的速度是相同逡逑的，但是多重参考系法划分的两个区域并没有重叠的部分，计算过程中节点是保持不动逡逑的，因此必须要求交界面为圆形，来保证节点法向速度是零，因此不需要内外迭代计算。逡逑区域内速度的匹配可以由交界面上Ｆｌｕｉｄ－Ｆｌｕｉｄ类型冻结因子的转换来实现［４Ｇ］。逡逑Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ邋Ｚｏｎｅ＾逦逡逑ｆ逦ｍ邋＾逦＼邋＾邋Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ逡逑／邋？，．邋ｎ邋．＇Ａ逡逑ｊ邋ｌ邋＾邋一邋１邋；逦Ｍｏｖｉｎｇ邋Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ逡逑＼逦？邋ＩＩ邋ｚ邋ｉｔ邋Ｆｒａｍｅ邋Ｚｏｎｅ逡逑ｖＳｓ／逡逑图２．３搅拌区域划分图逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｚｏｎｅ邋ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｉｒｒｅｄ邋ｔａｎｋ逡逑多重参考系法的优点是既不需要实验的辅助就能完成整体模拟，又能够简化计算。逡逑该法比较适合于旋转和静止区域相互作用较小的体系，只能计算一定条件下的定常结逡逑果

【参考文献】