曹趙生

（貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴州貴陽(yáng) 551000）

不同槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)種子分解中固相分布的影響

曹趙生

（貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴州貴陽(yáng) 551000）

在氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中，鋁酸鈉溶液種子分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的主要工序之一，其主體設(shè)備為分解槽?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大型氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)，分解槽的攪拌裝置絕大部分均采用機(jī)械攪拌，但攪拌的槳葉結(jié)構(gòu)卻多種多樣。本文主要分析幾種常見(jiàn)且有實(shí)際應(yīng)用的槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)分解槽中固相分布的影響。

氧化鋁生產(chǎn)；種子分解；槳葉結(jié)構(gòu)；固相分布

1 概述

種子分解的目的是從飽和鋁酸鈉溶液中析出氫氧化鋁晶體，從而得到固態(tài)氫氧化鋁。分解過(guò)程包括兩個(gè)不同的階段，一個(gè)是鋁酸鈉溶液自發(fā)分解出氫氧化鋁晶核，另一個(gè)是晶核繼續(xù)長(zhǎng)大變?yōu)闅溲趸X結(jié)晶顆粒而析出。這兩個(gè)階段同時(shí)存在。然而單靠鋁酸鈉溶液自發(fā)分解氫氧化鋁晶核長(zhǎng)大，過(guò)程極其緩慢，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)需求，所以在工業(yè)生產(chǎn)中必須加入氫氧化鋁種子作為鋁酸鈉溶液分解析出的結(jié)晶核心。因此分解槽中重要固相成分主要是加入的氫氧化鋁種子和長(zhǎng)大的氫氧化鋁結(jié)晶顆粒。固相的分布情況又非常直觀的影響到種子分解的生產(chǎn)效率、分解槽的沉淀結(jié)疤情況。一般來(lái)說(shuō)分布越均勻生產(chǎn)效率越高，分解槽的結(jié)疤情況也會(huì)相應(yīng)減輕。本文旨在通過(guò)限定其它條件，以FLUENT流體計(jì)算為基礎(chǔ)，分析三種不同槳葉結(jié)構(gòu)對(duì)分解槽固相分布情況的影響。

2 FLUENT仿真數(shù)值模擬方案確定

分解槽內(nèi)物料一般為固—液兩相，需要建立固液兩相流數(shù)學(xué)模型，由于固體顆粒濃度較大，且不研究單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)特性，因此可將固相視為連續(xù)相，采用FLUENT中歐拉-歐拉多相流模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，該模型是以連續(xù)相的方程對(duì)固體顆粒特性進(jìn)行描述。

對(duì)于攪拌流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，較難處理的是運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的擋板、槽壁之間的相互作用。根據(jù)模擬計(jì)算的需要，本文計(jì)算采用多重參考系法，將各個(gè)計(jì)算區(qū)域分成兩個(gè)或多個(gè)互不重疊的圓筒狀區(qū)域，整個(gè)攪拌槽分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域兩部分，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)只有攪拌槳，靜止區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)包括整個(gè)槽壁、擋板等。

本文以單軸攪拌為例分析，以XZ平面為分解槽底面建立圓柱形流場(chǎng)模型，坐標(biāo)原點(diǎn)位于底面中心，Y方向?yàn)閿嚢柚鬏S方向。

邊界條件進(jìn)行如下設(shè)置：

（1）對(duì)穩(wěn)態(tài)，分解槽的槽壁、槽底部以及攪拌槳表面均為無(wú)滑移固體壁面；

（2）攪拌槽液面視為自由液面；

（3）旋轉(zhuǎn)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)角速度與攪拌槳轉(zhuǎn)速大小相等、方向相同，攪拌槳葉相對(duì)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系靜止。

采用有限體積法對(duì)建立攪拌流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用二階上迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，與一階離散格式相比，二階離散格式的計(jì)算精度有很大的提高。對(duì)模型使用FLUENT三維解算器進(jìn)行求解。

3 槳葉結(jié)構(gòu)及其它條件參數(shù)的確定

3.1 槳葉結(jié)構(gòu)

本文選取工業(yè)中14m分解槽中有實(shí)際應(yīng)用的三種槳葉結(jié)構(gòu)，進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，建立模型如圖1～3。

圖1 槳葉模型一

圖2 槳葉模型二

圖3 槳葉模型三

三種槳葉直徑、層數(shù)及層間距參數(shù)如表1。

表1

3.2 其它參數(shù)

（1）擋板主要是在湍流狀態(tài)時(shí)為了消除槽內(nèi)中央的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”而增設(shè)的，它可使槽內(nèi)固體顆粒細(xì)而均勻。三種槳葉形式均按2個(gè)擋板考慮。

（2）確定三種攪拌槳葉的轉(zhuǎn)速為N1=4.8rpm；N2=N3=6rpm（式中1，2，3分別代表槳葉模型）。

（3）確定三種攪拌軸徑為φ508×20鋼管。

以上參數(shù)為基礎(chǔ)建立分解槽攪拌的幾何模型，對(duì)建立的幾何模型的流場(chǎng)采用有限體積法進(jìn)行離散，即進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分中，重點(diǎn)處理了需要重點(diǎn)關(guān)注的幾何結(jié)構(gòu)面的網(wǎng)格，再生成整個(gè)流場(chǎng)的網(wǎng)格。

面網(wǎng)格全部采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分形式為平鋪，網(wǎng)格間距60mm，整個(gè)流場(chǎng)的體網(wǎng)格劃分采用四面體/混合類(lèi)型，劃分類(lèi)型為T(mén)Grid，間距單軸和多軸均為400mm。

4 計(jì)算結(jié)果分析

攪拌槽攪拌的主要目的之一還要保持溶液濃度均勻，保證晶種與溶液有良好的接觸以利于析出晶體。通過(guò)模擬可以得到顆粒相在整個(gè)流場(chǎng)中的分布狀況，以及確定顆粒相的高濃度區(qū)域。

通過(guò)流產(chǎn)分析計(jì)算，本文分別確定流場(chǎng)內(nèi)125μm顆粒和70μm顆粒在垂直于底面的幾個(gè)橫截面上的體積分布圖。圖4～6為125μm顆粒模擬計(jì)算結(jié)果。

圖4 X-Y面體積分布

圖5 Y-Z面體積分布

圖6 W-Y面體積分布

從圖4～6中可以看出，通過(guò)攪拌的作用，除液面主軸位置附近和液面邊緣附近有一個(gè)較低顆粒濃度的區(qū)域和底面有較高的顆粒濃度的區(qū)域外，顆粒相在分解槽內(nèi)分布比較均勻。

兩種顆粒在底面上都有比較明顯的沉積，可以判斷底層槳附近區(qū)域是沉積高危區(qū)，且易沉積的區(qū)基本可以分為兩塊，就是主軸附近區(qū)域以及槽底邊緣的區(qū)域。

通過(guò)對(duì)體積分布圖分析，可能形成較大沉積的三種模型比較如下：X-Y面：模型一＜模型三＜模型二；Y-Z面：模型一＜模型三＜模型二；W-Y面：模型一＜模型三＜模型二。

5 結(jié)束語(yǔ)

分解槽攪拌的主要目的之一是使固液相混合均勻，加快分解析出過(guò)程，控制結(jié)疤。但通過(guò)對(duì)各種槳葉結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分析，可發(fā)現(xiàn)盡管現(xiàn)階段提出了各種各樣的改進(jìn)槳型，但是結(jié)疤仍是不可避免，流場(chǎng)中顆粒相分布仍存在明顯分區(qū)，這是現(xiàn)階段機(jī)械攪拌不可避免的問(wèn)題，只能逐漸改進(jìn)。而曾經(jīng)提出的空氣攪拌等其余攪拌方式又因能耗、控制等問(wèn)題沒(méi)能廣泛推廣。因此，對(duì)與種子分解攪拌雖然在工業(yè)中應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但存在的問(wèn)題仍然是問(wèn)題，雖然有所改進(jìn)，但其發(fā)展空間仍是很大。

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