張 強(qiáng)，謝紅艷,2,3，張亞晴，李愷峰，金會(huì)心,2

(1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省冶金工程與過程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3.共伴生有色金屬資源加壓濕法冶金技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650503)

濕法冶金一般是指利用某種化學(xué)試劑與礦石等原料中的某種成分發(fā)生反應(yīng)，將有用金屬元素以離子形式轉(zhuǎn)入溶液，其他成分留在渣中，實(shí)現(xiàn)有用金屬元素的分離；進(jìn)入溶液中的金屬元素經(jīng)過一系列工序處理后得到金屬[1]。反應(yīng)過程主要在液相中發(fā)生，而且大都在密閉的攪拌釜內(nèi)進(jìn)行。攪拌釜內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌槳和靜止的擋板之間相互作用使得反應(yīng)過程中液體的混合程度、反應(yīng)速率、反應(yīng)物分布等一系列參數(shù)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(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，密閉攪拌釜內(nèi)的反應(yīng)狀況可借助激光多普勒測(cè)速儀(LDV)、粒子圖像測(cè)速儀(PIV)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)放射性粒子追蹤技術(shù)(CARPT)、電阻層析成像技術(shù)(ERT)等進(jìn)行探測(cè)，能較為準(zhǔn)確地確定某種特定條件下的流場(chǎng)速度和某些固體粒子速度圖像。但這些技術(shù)有很大的局限性，某些特定場(chǎng)合下的測(cè)定還處在起步階段，并不能很好適應(yīng)濕法冶金領(lǐng)域復(fù)雜的反應(yīng)過程。如LDV在固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)較為可靠，但固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10.6%時(shí)，所測(cè)得數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相差很大[2]，且測(cè)定條件較為苛刻。計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的出現(xiàn)恰巧彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)。CFD技術(shù)利用流體力學(xué)、傳熱學(xué)、冶金反應(yīng)工程學(xué)等多學(xué)科交叉模擬實(shí)際反應(yīng)過程中難以檢測(cè)和控制的環(huán)節(jié)，避免了傳統(tǒng)的基于半經(jīng)驗(yàn)、半理論方法[3-5]對(duì)攪拌釜內(nèi)多相流的預(yù)測(cè)缺陷，可節(jié)約成本、時(shí)間，以較小的代價(jià)達(dá)到優(yōu)化反應(yīng)設(shè)備、控制最佳反應(yīng)過程的目的[6-8]，在濕法冶金領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

1 CFD技術(shù)簡介

1.1 CFD技術(shù)基本原理

CFD技術(shù)是理論分析、試驗(yàn)測(cè)定之后的一種研究手段，是對(duì)這兩種試驗(yàn)方法的彌補(bǔ)，三者對(duì)于流體流動(dòng)問題的研究組成一個(gè)完整的研究體系[9]。CFD技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而更為活躍，因其具有針對(duì)不同問題可采用不同模型的靈活特點(diǎn)而廣受關(guān)注。CFD技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)將實(shí)際的流體問題轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué)模型，然后通過對(duì)數(shù)學(xué)模型中的動(dòng)量、能量、質(zhì)量守恒方程進(jìn)行求解，以模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中難以檢測(cè)和控制的反應(yīng)過程，之后再對(duì)求解后的模型進(jìn)行驗(yàn)證和修改，直到與實(shí)際所測(cè)得結(jié)果相吻合。

1.2 CFD的結(jié)構(gòu)及分類

一個(gè)完整的CFD工作過程主要由前處理、求解、后處理3大部分構(gòu)成，其對(duì)應(yīng)的設(shè)備有前處理器、求解器、后處理器。各設(shè)備的功能如圖1所示。在整個(gè)CFD工作過程中，對(duì)于所建立的幾何模型劃分網(wǎng)格需要整個(gè)工作一半以上的時(shí)間。網(wǎng)格的劃分決定模型的誤差程度。一般來說，單元網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算精確度越高，計(jì)算量越大；但網(wǎng)格數(shù)有時(shí)過于密集會(huì)使建立數(shù)學(xué)方程在計(jì)算過程中舍入誤差增大，計(jì)算精度反而降低：所以需在劃分網(wǎng)格中找到合適的平衡點(diǎn)。網(wǎng)格類型及劃分原則見表1。

圖1 CFD的工作流程及各設(shè)備功能

表1 網(wǎng)格類型及劃分原則

1.3 CFD處理攪拌區(qū)域的幾種方法

攪拌釜內(nèi)流體流動(dòng)形狀由釜壁、擋板、攪拌槳圍成，其形狀隨時(shí)間變化而變化，這種復(fù)雜且變化的形狀導(dǎo)致對(duì)攪拌區(qū)域的處理較復(fù)雜。目前，對(duì)于攪拌釜區(qū)域的數(shù)值模擬方法主要有“黑箱”模型法(IBC)、內(nèi)外迭代法(IO)、多重參考系法(MRF)、滑移網(wǎng)格法(SM)[10]等。幾種方法的特點(diǎn)見表2。

表2 CFD處理攪拌區(qū)域的數(shù)值模擬方法的特點(diǎn)

2 CFD技術(shù)在攪拌釜模擬中的應(yīng)用

目前，CFD技術(shù)在攪拌過程中的應(yīng)用已有較多研究。濕法冶金過程中，對(duì)于固液相攪拌釜來說，固相粒子如何分散與液相的流動(dòng)形式有密切關(guān)系。反應(yīng)特征時(shí)間小于混合時(shí)間時(shí)[13]，混合程度對(duì)反應(yīng)效率影響較大，固液兩相之間的力主要是虛擬質(zhì)量力和黏性力。

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

Wadnerkar等[14]運(yùn)用EE(歐拉-歐拉)和EE-KTGF(歐拉-顆粒動(dòng)力學(xué)理論)法分別結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%、10.6%、20%、40%的固液兩相，并與Guida等[23]得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果表明在模擬固液兩相時(shí)，EE-KTGF法比EE法更接近實(shí)際值，主要原因在于EE法對(duì)于固液兩相相互作用只考慮了阻力形式，當(dāng)固體濃度提高時(shí)，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(jié)合的模擬值與實(shí)際更為接近。Angélique等[24]采用EE法模擬微生物生長環(huán)境的固液兩相，模擬中通過在固相動(dòng)量方程引入固體壓力項(xiàng)，考慮顆粒與顆粒之間的作用。對(duì)EE法中固液相之間的相互作用采用文獻(xiàn)[25-26]所提及模型進(jìn)行修正，同時(shí)運(yùn)用光衰減技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果。光衰減技術(shù)測(cè)得攪拌釜靜止時(shí)固體粒子分為3個(gè)區(qū)域：透明層(αS=0)、分散層(αS;bulk≤αS)、填充層(αS;bed=αS;max)，與模擬結(jié)果相一致。Shao T.等[27]運(yùn)用CFD-DEM(顆粒碰撞模型)結(jié)合方式，粒子-粒子之間的相互作用采用牛頓力學(xué)，液體-粒子之間的作用通過相間交換考慮，得出單個(gè)顆粒在1 000 r/min攪拌速度下的旋轉(zhuǎn)角速度在(0～1×105) r/min。將這種旋轉(zhuǎn)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(shí)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(jìn)行分析。由于粒徑小于587 μm，氣體對(duì)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(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合；較高表觀氣速下，3種預(yù)測(cè)結(jié)果基本相同，且3種液固模型對(duì)氣含率的預(yù)測(cè)結(jié)果基本相同；在小粒徑條件下，氣液DBS、液固3種模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值較為吻合，且結(jié)果基本相同。陳佳等[32]用EE法分別與標(biāo)準(zhǔn)的Schiller-Naumann曳力模型和Brucato-Tsuchiya模型[30]結(jié)合模擬氣液兩相的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所得攪拌功率、總氣含率分布、氣相分布與實(shí)際結(jié)果對(duì)比，吻合性較好。王曉贊等[33]在模擬中發(fā)現(xiàn)，均勻的曳力模型，如Wen C.Y.等[26]在模擬較為離散的粒子時(shí)，由于粒子生成的方式隨機(jī)，導(dǎo)致模擬結(jié)果有誤差；其采用EMMS-DP[34]與MP-PIC[35]結(jié)合模型，對(duì)Horio提升管、Li and Kwauk提升管進(jìn)行氣固模擬，結(jié)果表明，改進(jìn)后的曳力模型能更好模擬出管內(nèi)離散粒子上稀下濃的現(xiàn)象[36-37]。

針對(duì)液固、氣液之間模擬研究的較多，而CFD技術(shù)與實(shí)際相結(jié)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(qū)域的交叉頻率對(duì)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(duì)液體的影響可忽略，得到微生物生長最大允許切應(yīng)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(huán)形運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致混合效率降低。He W.P.等[39]在Kumar等[38]研究基礎(chǔ)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(yùn)動(dòng)狀況，考察攪拌釜內(nèi)擋板寬度對(duì)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(shí)，可獲得最大湍動(dòng)能，最有效打破周期循環(huán)，消除循環(huán)死區(qū)；在高剪切速率下，擋板寬度對(duì)湍流影響基本消除。Duan X.X.等[40]采用CFD技術(shù)與DQMOM-IEM模型[41]結(jié)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(yīng)，得出攪拌速度越高、進(jìn)料時(shí)間越長，副產(chǎn)物生成越少，越有利于反應(yīng)發(fā)生的結(jié)論，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義。

3 CFD技術(shù)在濕法冶金中的應(yīng)用研究方向

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為CFD模擬技術(shù)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(shù)學(xué)模型的快速收斂特點(diǎn)也使CFD計(jì)算工作量大幅減少，使更多的模擬變成現(xiàn)實(shí)。對(duì)于CFD技術(shù)在濕法冶金中的應(yīng)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(jìn)行，主要原因是高固體濃度下的模擬缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(duì)準(zhǔn)確的模型借鑒，導(dǎo)致高固體濃度下的模擬研究較少，需加強(qiáng)對(duì)高固體模擬方向的研究。

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

3) 對(duì)于氣-液、液-固等模擬僅僅反映不同相的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及相的分布狀態(tài)，得出其最優(yōu)分布狀態(tài)下的操作條件，但得出的條件對(duì)于濕法冶金反應(yīng)過程并非最優(yōu)，探索化學(xué)反應(yīng)模型與CFD技術(shù)相結(jié)合具有重要意義，是今后CFD技術(shù)在濕法冶金中運(yùn)用的一個(gè)潛在研究方向。