CFD技術在濕法冶金中的應用及發展方向

張 強，謝紅艷,2,3，張亞晴，李愷峰，金會心,2

(1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省冶金工程與過程節能重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.共伴生有色金屬資源加壓濕法冶金技術國家重點實驗室，云南 昆明 650503)

濕法冶金一般是指利用某種化學試劑與礦石等原料中的某種成分發生反應，將有用金屬元素以離子形式轉入溶液，其他成分留在渣中，實現有用金屬元素的分離；進入溶液中的金屬元素經過一系列工序處理后得到金屬[1]。反應過程主要在液相中發生，而且大都在密閉的攪拌釜內進行。攪拌釜內轉動的攪拌槳和靜止的擋板之間相互作用使得反應過程中液體的混合程度、反應速率、反應物分布等一系列參數以“黑匣子”形式存在，不可直視，而這些恰恰是反映混合浸出過程的重要參數。

隨著科學技術的發展，密閉攪拌釜內的反應狀況可借助激光多普勒測速儀(LDV)、粒子圖像測速儀(PIV)、計算機自動放射性粒子追蹤技術(CARPT)、電阻層析成像技術(ERT)等進行探測，能較為準確地確定某種特定條件下的流場速度和某些固體粒子速度圖像。但這些技術有很大的局限性，某些特定場合下的測定還處在起步階段，并不能很好適應濕法冶金領域復雜的反應過程。如LDV在固體質量分數比較低時測得的數據較為可靠，但固體質量分數大于10.6%時，所測得數據與實際數據相差很大[2]，且測定條件較為苛刻。計算機流體力學(CFD)技術的出現恰巧彌補了這一缺點。CFD技術利用流體力學、傳熱學、冶金反應工程學等多學科交叉模擬實際反應過程中難以檢測和控制的環節，避免了傳統的基于半經驗、半理論方法[3-5]對攪拌釜內多相流的預測缺陷，可節約成本、時間，以較小的代價達到優化反應設備、控制最佳反應過程的目的[6-8]，在濕法冶金領域有較好的應用前景。

1 CFD技術簡介

1.1 CFD技術基本原理

CFD技術是理論分析、試驗測定之后的一種研究手段，是對這兩種試驗方法的彌補，三者對于流體流動問題的研究組成一個完整的研究體系[9]。CFD技術隨著計算機技術的發展而更為活躍，因其具有針對不同問題可采用不同模型的靈活特點而廣受關注。CFD技術主要是利用計算機將實際的流體問題轉為數學模型，然后通過對數學模型中的動量、能量、質量守恒方程進行求解，以模擬實際生產過程中難以檢測和控制的反應過程，之后再對求解后的模型進行驗證和修改，直到與實際所測得結果相吻合。

1.2 CFD的結構及分類

一個完整的CFD工作過程主要由前處理、求解、后處理3大部分構成，其對應的設備有前處理器、求解器、后處理器。各設備的功能如圖1所示。在整個CFD工作過程中，對于所建立的幾何模型劃分網格需要整個工作一半以上的時間。網格的劃分決定模型的誤差程度。一般來說，單元網格數量越多，計算精確度越高，計算量越大；但網格數有時過于密集會使建立數學方程在計算過程中舍入誤差增大，計算精度反而降低：所以需在劃分網格中找到合適的平衡點。網格類型及劃分原則見表1。

圖1 CFD的工作流程及各設備功能

表1 網格類型及劃分原則

1.3 CFD處理攪拌區域的幾種方法

攪拌釜內流體流動形狀由釜壁、擋板、攪拌槳圍成，其形狀隨時間變化而變化，這種復雜且變化的形狀導致對攪拌區域的處理較復雜。目前，對于攪拌釜區域的數值模擬方法主要有“黑箱”模型法(IBC)、內外迭代法(IO)、多重參考系法(MRF)、滑移網格法(SM)[10]等。幾種方法的特點見表2。

表2 CFD處理攪拌區域的數值模擬方法的特點

2 CFD技術在攪拌釜模擬中的應用

目前，CFD技術在攪拌過程中的應用已有較多研究。濕法冶金過程中，對于固液相攪拌釜來說，固相粒子如何分散與液相的流動形式有密切關系。反應特征時間小于混合時間時[13]，混合程度對反應效率影響較大，固液兩相之間的力主要是虛擬質量力和黏性力。

大多數固液相的模擬過程均是把固體粒子看作一種流體，認為固體和液體相互均散，采用歐拉雙流體模型進行模擬。

Wadnerkar等[14]運用EE(歐拉-歐拉)和EE-KTGF(歐拉-顆粒動力學理論)法分別結合H-G、Gibilaro、Di FeLice、Rong、S&B、M.B、Cello、Tenneti等[15-22]阻力公式模擬固體質量分數為5.2%、10.6%、20%、40%的固液兩相，并與Guida等[23]得出的試驗數據對比。結果表明在模擬固液兩相時，EE-KTGF法比EE法更接近實際值，主要原因在于EE法對于固液兩相相互作用只考慮了阻力形式，當固體濃度提高時，并未考慮顆粒與顆粒之間的相互作用。在高固體濃度條件下，S&B的阻力公式與EE-KTGF結合的模擬值與實際更為接近。Angélique等[24]采用EE法模擬微生物生長環境的固液兩相，模擬中通過在固相動量方程引入固體壓力項，考慮顆粒與顆粒之間的作用。對EE法中固液相之間的相互作用采用文獻[25-26]所提及模型進行修正，同時運用光衰減技術進行試驗得出數據驗證模擬結果。光衰減技術測得攪拌釜靜止時固體粒子分為3個區域：透明層(αS=0)、分散層(αS;bulk≤αS)、填充層(αS;bed=αS;max)，與模擬結果相一致。Shao T.等[27]運用CFD-DEM(顆粒碰撞模型)結合方式，粒子-粒子之間的相互作用采用牛頓力學，液體-粒子之間的作用通過相間交換考慮，得出單個顆粒在1 000 r/min攪拌速度下的旋轉角速度在(0～1×105) r/min。將這種旋轉作用考慮到粒子與粒子之間的碰撞，得出攪拌釜中軸向固含率與實際值更加接近。史書舟等[28]采用EE與不同曳力模型組合，分析氣固液相中固含率軸向分布的影響，氣液之間采用DBS(氣液雙氣泡模型)、液固之間分別采用Gidaspow[29]、Brucato[30]等修正的Gidaspow曳力模型和Schiller-Naumann曳力模型[31進行分析。由于粒徑小于587 μm，氣體對固體的相間作用可忽略，由此得出：在大粒徑、較低表觀氣速下，Schiller-Naumann曳力模型的預測結果與實際結果較為吻合；較高表觀氣速下，3種預測結果基本相同，且3種液固模型對氣含率的預測結果基本相同；在小粒徑條件下，氣液DBS、液固3種模型預測值與試驗值較為吻合，且結果基本相同。陳佳等[32]用EE法分別與標準的Schiller-Naumann曳力模型和Brucato-Tsuchiya模型[30]結合模擬氣液兩相的運動狀態，所得攪拌功率、總氣含率分布、氣相分布與實際結果對比，吻合性較好。王曉贊等[33]在模擬中發現，均勻的曳力模型，如Wen C.Y.等[26]在模擬較為離散的粒子時，由于粒子生成的方式隨機，導致模擬結果有誤差；其采用EMMS-DP[34]與MP-PIC[35]結合模型，對Horio提升管、Li and Kwauk提升管進行氣固模擬，結果表明，改進后的曳力模型能更好模擬出管內離散粒子上稀下濃的現象[36-37]。

針對液固、氣液之間模擬研究的較多，而CFD技術與實際相結合的研究較少。Kumar等[38]采用EE法與k-ε模型、光穿透模型，模擬在通氣條件下攪拌速度、微生物顆粒在明暗兩區域的交叉頻率對微生物的影響。該模擬中由于微生物顆粒直徑小于液體最小旋渦，即顆粒對液體的影響可忽略，得到微生物生長最大允許切應力。在攪拌釜高攪拌速度下，液體中的顆粒由于慣性隨液體做環形運動，導致混合效率降低。He W.P.等[39]在Kumar等[38]研究基礎上采用EE與k-ε模型、MRF模型，研究了絮凝體在剪切速率10、30、70 s-1下的運動狀況，考察攪拌釜內擋板寬度對絮凝體生長的影響，在低剪切速率下，擋板寬度為0.1倍攪拌釜直徑時，可獲得最大湍動能，最有效打破周期循環，消除循環死區；在高剪切速率下，擋板寬度對湍流影響基本消除。Duan X.X.等[40]采用CFD技術與DQMOM-IEM模型[41]結合模擬氫氧化鈉與鹽酸、氫氧化鈉與氯乙酸乙酯二階并行競爭反應，得出攪拌速度越高、進料時間越長，副產物生成越少，越有利于反應發生的結論，對實際生產有一定指導意義。

3 CFD技術在濕法冶金中的應用研究方向

計算機技術的發展為CFD模擬技術提供了更好的條件，使工作量大效率低的問題得到有效解決；數學模型的快速收斂特點也使CFD計算工作量大幅減少，使更多的模擬變成現實。對于CFD技術在濕法冶金中的應用研究方向有以下3方面：

1) 在固液相模擬中，大部分模擬均在低固體濃度下進行，主要原因是高固體濃度下的模擬缺乏試驗數據驗證，且在高固體濃度模擬過程中，粒子與粒子之間的相互作用、粒子與流體之間的相互作用還沒有相對準確的模型借鑒，導致高固體濃度下的模擬研究較少，需加強對高固體模擬方向的研究。

2) 目前大部分模擬主要是針對液-固、氣-液等兩相，而在濕法冶金過程中難免會有第三相存在，這是導致目前模擬誤差存在的原因之一，有待進一步研究。

3) 對于氣-液、液-固等模擬僅僅反映不同相的速度場、溫度場及相的分布狀態，得出其最優分布狀態下的操作條件，但得出的條件對于濕法冶金反應過程并非最優，探索化學反應模型與CFD技術相結合具有重要意義，是今后CFD技術在濕法冶金中運用的一個潛在研究方向。