種分槽內(nèi)部流場分布的數(shù)值模擬及實驗對比分析

曹萬秋

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 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)部流場分布情況,本文采用Fluent 軟件對種分槽內(nèi)部流場分布進(jìn)行模擬分析具有重要意義。

1 種分槽技術(shù)特點

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。

(1)要保證料漿固液充分接觸,均勻混合,加快晶粒長大,從而加速分解反應(yīng),槽內(nèi)料漿無明顯分層,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)疤的問題,采取針對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 軟件通過模擬得到攪拌槽流場內(nèi)指定點處的濃度,并與實驗測量值進(jìn)行對比分析。在數(shù)值模擬前,先在不同規(guī)格的實驗槽內(nèi)設(shè)置好若干個檢測點,經(jīng)模擬得到各檢測點上固體顆粒的體積分?jǐn)?shù),然后再與實驗測得的對應(yīng)同一檢測點的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比驗證分析。

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

本文計算所采用的種分槽槽體為圓柱形,計算域為種分槽內(nèi)部整體區(qū)域。通過查閱相關(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)來處理槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)域,控制方程的傳送項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,會在槽底部產(chǎn)生沉淀堆積,本實驗槽所選用的物料為玻璃珠以及氯化鈣溶液,與實際種分槽的料漿性質(zhì)極為接近,且腐蝕性很低,有利于實驗測試。

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,會有如下情形,圖3 顯示的是密集堆積結(jié)構(gòu),此時玻璃珠體積分?jǐn)?shù)約為74%;圖4 顯示的是臨界堆積結(jié)構(gòu),此時玻璃珠體積分?jǐn)?shù)約為52%。玻璃珠的實際堆積結(jié)構(gòu)是由以上兩種方式混合組成的,實測結(jié)果表明真實的體積分?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,采用在槽體模型底部設(shè)置檢測面的方法,在距槽體底部0.01 m 處設(shè)置監(jiān)測面,監(jiān)測該面上固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的最大值變化。初始時,設(shè)置玻璃珠顆粒均勻分布在整個槽域內(nèi),體積分?jǐn)?shù)為33%(此數(shù)值是根據(jù)工業(yè)實際情況確定),計算時,設(shè)定某一轉(zhuǎn)速值,當(dāng)流場穩(wěn)定后計算該轉(zhuǎn)速下檢測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%,說明固體顆粒在槽底部開始產(chǎn)生沉淀堆積,但此沉淀是可以流動的,并沒有堆實,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)堆實不可流動;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)值模擬和實驗測試過程中,選取槽底部固體體積分?jǐn)?shù)剛好達(dá)到52%時作為產(chǎn)生沉淀的判據(jù),對應(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 待評估的物理量及參數(shù)

(1)顆粒體積分?jǐn)?shù)(濃度)

通過在攪拌槽內(nèi)設(shè)置多個監(jiān)測點(面),監(jiān)測該點(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)可以通過顆粒濃度測試儀測得。

(2)功率

功率P=T×n。轉(zhuǎn)速n已知,扭矩T可以在Fluent 軟件中通過模擬計算得到。實驗室通過扭矩傳感器測得。

2.2.3 邊界條件的設(shè)定

通過測試現(xiàn)場采集的氫氧化鋁料漿物性來以此設(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)值模擬與實驗對比分析

2.3.1 實驗儀器

圖5 所示是實驗裝置,整個裝置主要包括攪拌裝置,有機(jī)玻璃實驗槽和顆粒濃度測量儀三個部分。

圖5 實驗室裝置

實驗選用了氯化鈣水溶液和玻璃珠模擬工業(yè)料漿,實驗參數(shù)詳見表1。

表1 水模型實驗物料物性參數(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)值模擬分析與實驗驗證

(1)臨界懸浮轉(zhuǎn)速模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對照

圖6 顯示臨界懸浮轉(zhuǎn)速的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比情況。橫軸為槽體直徑,縱軸為完全離底懸浮轉(zhuǎn)速,象限內(nèi)每一個點表示對應(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)速和實驗值基本吻合。

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)果與實驗結(jié)果對照

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)果和實驗測試結(jié)果的對比情況。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比

右圖中橫軸Z/H表示監(jiān)測點高度Z與槽體總高H的比值,縱軸C/Cavg表示監(jiān)測點處濃度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)測點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,散點線為實驗測試值繪制的比值分布線。象限中某一條曲線上的一個點表示的是在指定的徑向位置和高度上的監(jiān)測點處的濃度與槽內(nèi)顆粒平均濃度的比值。

由圖7 可以看出,各模擬曲線和實驗曲線均呈現(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驗結(jié)果吻合較好。

(3)濃度場模擬結(jié)果分析

Φ425 槽內(nèi)料漿顆粒濃度分布見圖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)的沉淀越來越小,即槳葉離底距離一定,槳葉直徑增大,對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。可見攪拌槳離底距離較小對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)果與實驗測試吻合較好,說明了使用的數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確的預(yù)測攪拌槽內(nèi)的真實流場狀態(tài),同時也創(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,通過模擬計算,對多種情況進(jìn)行綜合考慮,并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析,解決了多個最關(guān)鍵的核心問題。模擬得到的均勻度、沉淀、攪拌功率等與實驗槽測試結(jié)果吻合一致。實現(xiàn)了借助軟件模擬,研究攪拌槽內(nèi)部流場特性的目標(biāo),得出以下結(jié)論。

(1)通過模擬及實驗對比分析得到槳葉間距為1.4D1(D1為槳葉直徑)時,種分槽內(nèi)物料均勻度最佳。

(2)通過模擬及實驗對比分析得到底層槳離底距離為0.02D1(D1為槳葉直徑)時,種分槽內(nèi)物料均勻度最佳。

(3)通過模擬及實驗對比分析得到槳葉直徑為0.7D(D為槽體直徑)時,種分槽內(nèi)物料均勻度最佳。

(4)通過模擬分析及實驗對比,對種分槽的優(yōu)化設(shè)計和改造有良好的指導(dǎo)意義。