結(jié)晶過程多相流多尺度耦合模型的驗證與應(yīng)用.pdf

1、工業(yè)結(jié)晶過程通常當(dāng)晶體處在懸浮狀態(tài)時發(fā)生，液體流動狀況、晶體懸浮狀況等流體動力學(xué)特征和結(jié)晶動力學(xué)因素一起影響晶體產(chǎn)品品質(zhì)。研究證明，在連續(xù)結(jié)晶器的同一液體流場下，大小不一的晶體在結(jié)晶器內(nèi)各處懸浮密度不等，所以，器內(nèi)各處晶體粒徑分布(crystal size distribution，CSD)不一，且產(chǎn)品粒徑主要取決于排料點的CSD。所以，研究連續(xù)結(jié)晶器內(nèi)不同位置的CSD，可為結(jié)晶過程控制和結(jié)晶器設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。
　　在結(jié)晶過程早

2、期的研究中，大部分研究工作采用的是MSMPR模型，且沒有考慮結(jié)晶器內(nèi)的流體動力學(xué)因素，導(dǎo)致研究結(jié)果與實際工業(yè)結(jié)晶過程有很大差異。為了減小此差異，必須考察流體動力學(xué)與結(jié)晶動力學(xué)的共同作用。但由于器內(nèi)晶體的非線性流動、不均勻分布及流體流動狀態(tài)不一，無法通過試驗得到準確的晶體懸浮密度分布情況。計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)被廣泛應(yīng)用于結(jié)晶過程流體研究中，可作為研究結(jié)晶過程中液相流場和固相懸浮狀

3、態(tài)的有力工具。本課題組依據(jù)結(jié)晶器內(nèi)晶體的多尺度分布特點，建立了結(jié)晶過程多相流多尺度耦合模型。本文驗證并應(yīng)用了該模型。
　　本文使用的Oslo結(jié)晶器為普遍在結(jié)晶過程中使用的結(jié)晶器，研究結(jié)論如下:
　　1.采用ANSYS14.5模擬了Oslo結(jié)晶器內(nèi)的流體動力學(xué)狀態(tài)，考察了不同循環(huán)速率下不同液體流場的不同粒徑晶粒分布情況;并根據(jù)設(shè)定的分區(qū)考察了不同區(qū)域的晶體粒徑分布，據(jù)此分析Oslo結(jié)晶器產(chǎn)品粒徑分布與流動狀態(tài)之間的關(guān)系。通過對

4、結(jié)晶器不同區(qū)域的粒徑分布研究，證實了在適宜的循環(huán)液進口流速下，在結(jié)晶區(qū)域可實現(xiàn)穩(wěn)定的晶體粒徑分布。循環(huán)速率與要求晶體粒徑直接相關(guān)。同時，變徑區(qū)域可實現(xiàn)晶體的粒徑分級，控制循環(huán)液體中的晶體粒徑和晶體懸浮密度。研究結(jié)果為結(jié)晶過程提供理論與工程設(shè)計依據(jù)。
　　2.優(yōu)化已建立的多尺度耦合模型，并將其應(yīng)用于Oslo結(jié)晶器。借助計算流體力學(xué)軟件，模擬了器內(nèi)流場，得到的相關(guān)信息即為微觀尺度模擬結(jié)果。根據(jù)晶體懸浮密度分布情況，對Oslo結(jié)晶器合理

5、分區(qū)。對已建立的介觀尺度模型的物料衡算和粒數(shù)衡算方程進行相應(yīng)的修改，推導(dǎo)出本模擬條件下的Oslo結(jié)晶器介觀尺度模型。得到了應(yīng)用于Oslo結(jié)晶器的結(jié)晶過程多相流多尺度耦合模型。
　　3.利用Oslo結(jié)晶器的結(jié)晶過程多相流多尺度耦合模型，對KCl連續(xù)冷卻結(jié)晶過程進行仿真模擬，驗證了模型。分別考察了不同循環(huán)入口流速和不同進料晶體體積分數(shù)情況下的有關(guān)流場、晶體懸浮狀態(tài)和溶液過飽和度的分布信息。由模擬結(jié)果可知，在結(jié)晶器結(jié)構(gòu)等其他條件不變的情

6、況下:循環(huán)流速對流場分布的影響較大，進而影響到晶體的分布及晶體的結(jié)晶過程;循環(huán)流速對溶液過飽和度分布的均勻性有一定的影響，隨著循環(huán)流速的增大，溶液過飽和度分布趨于均勻;無論循環(huán)流速大小，結(jié)晶器內(nèi)各區(qū)域晶體平均懸浮密度和溶液過飽和度均隨著其在結(jié)晶器內(nèi)區(qū)域位置的增高而減小;各個區(qū)域晶體平均懸浮密度與過飽和度的總體分布情況在大部分區(qū)域變化趨勢相同。隨著進料晶體體積分數(shù)增大，器內(nèi)晶體增多;迸料晶體體積分數(shù)對過飽和度分布均勻性有一定程度影響。根據(jù)