新型機械攪拌槽中多相流動的物理與數(shù)值模擬.pdf

1、鋁酸鈉溶液的晶種分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一，它不僅影響產(chǎn)品氧化鋁的數(shù)量和質(zhì)量，而且直接影響循環(huán)效率及其他工序。深入了解種分槽內(nèi)液固多相體系的流體流動狀態(tài)、液固混合、顆粒懸浮規(guī)律以及能耗情況等，對改進種分槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)、解決槽底沉積問題、提高氧化鋁產(chǎn)量與質(zhì)量，以及促進氧化鋁工業(yè)技術(shù)進步都具有重要的理論和實際意義。工業(yè)上一種新型改進Intermig攪拌槳被廣泛應(yīng)用于直徑14米、高30米大型平底機械攪拌晶種分解槽中。本文以改進Inter

2、mig槳種分槽為原型，通過水模型實驗、數(shù)值模擬和因次分析方法對高固含液-固攪拌體系展開了深入系統(tǒng)的研究，并在實驗研究的基礎(chǔ)上尋求了設(shè)備性能的放大規(guī)律，對現(xiàn)有工藝中存在的不足做了優(yōu)化，改進后分解槽的攪拌性能大大提升。
　　通過對高固含液-固攪拌槽的水模型實驗發(fā)現(xiàn)，較低的槳葉離底距離（C/T=0.024）有利于促進顆粒的懸浮與均勻分布，槳葉離底距離過大，無法形成大范圍的二次環(huán)流，使混合效果下降，同時槳葉離底距離對攪拌功率影響較小;新型

3、改進Intermig槳適合在較大的D/T下應(yīng)用，槳徑增加的同時，可以大大降低使顆粒均勻分布所需要的攪拌轉(zhuǎn)速，抵消了因擴大槳徑增加的功耗，更適合應(yīng)用于實際生產(chǎn)，本研究中得到最佳D/T比為0.715;對模型進行三級放大后，相同條件下顆粒的懸浮與分布均得到較大改善。并且得到顆粒的均勻度主要與弗魯?shù)聹蕯?shù)有關(guān)，新型改進Intermig槳具有較小的功率準數(shù)，介于0.3～0.4之間;對于雙層槳攪拌體系下，最佳的槳葉層間距應(yīng)介于L/D=1～1.5，這樣

4、既可以保證整個槽內(nèi)都得到充分的混合，又可以避免槳葉之間距離過大，導致二次循環(huán)流脫節(jié)。在相同條件下，底層改進槳功率消耗約為上層原始槳的1.4倍。
　　采用歐拉多相流模型耦合標準k-ε湍流模型，非穩(wěn)態(tài)滑移網(wǎng)格方法對液-固攪拌槽內(nèi)液固混合、顆粒懸浮以及能耗等進行了三維數(shù)值模擬。確定了滿足時間和空間獨立性的網(wǎng)格條件與時間步長;對不同槳葉離底距離、槳徑和攪拌轉(zhuǎn)速下的攪拌效果作了數(shù)值模擬，通過與同條件下實驗結(jié)果進行對比，二者吻合較好，驗證了模

5、擬方法的可靠性;增大液相粘度和固含有利于促進流體的軸向混合，但功耗也會隨之增加，且固含過大會導致槽底顆粒沉積;與標準Intermig槳相比，改進Intermig槳在促進固體均勻混合、懸浮的同時功耗節(jié)省了20％;主槳葉葉片對功率消耗影響相對較小，最佳葉片傾斜角度為45度，輔槳葉葉片對功率影響較大，最佳葉片傾斜角度為30度。
　　通過對底部均勻度的因次分析發(fā)現(xiàn)底部均勻度主要受弗魯?shù)聹蕯?shù)影響，且放大前后槽底部均勻度滿足Q=0.57 Fr

6、-0.34，計算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差在5％以內(nèi);通過對功率的因次分析發(fā)現(xiàn)功率準數(shù)主要受攪拌雷諾數(shù)影響，且放大前后攪拌功率滿足P=505n2.81D4.62，計算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差在8％以內(nèi);通過對臨界懸浮轉(zhuǎn)速的計算發(fā)現(xiàn)放大前后攪拌槳臨界懸浮轉(zhuǎn)速與縮放系數(shù)關(guān)系遵循Njs=Njs0η0.868，根據(jù)此公式計算得到的臨界懸浮轉(zhuǎn)速誤差不超過5％。
　　采用歐拉多相流模型耦合標準k-ε湍流模型，穩(wěn)態(tài)多重參考系方法對大型機械攪拌種分槽現(xiàn)有工藝以

7、及改進工藝進行三維數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)與法國ROBIN公司設(shè)計的多層槳式攪拌槽相比，德國EKATO公司設(shè)計生產(chǎn)的Intermig槳種分槽在促進液固均勻分布、顆粒懸浮的同時能耗也大大減小，具有更好的工業(yè)應(yīng)用與改進價值;對EKATO種分槽底層槳葉和擋板進一步改進之后，整個槽內(nèi)的流體混合和交換明顯增強。盡管功耗會有所上升，但槽內(nèi)整體固含差可以滿足設(shè)備的設(shè)計要求，小于3％。改進Intermig槳種分槽的現(xiàn)有工藝處于過攪拌狀態(tài)，通過增大槳葉層間距、