楊立樹

(江西九二鹽業(yè)有限責(zé)任公司，江西 會昌 342614)

1 前言

蒸發(fā)結(jié)晶器是井礦鹽生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，目前國內(nèi)蒸發(fā)結(jié)晶器型式為FC蒸發(fā)結(jié)晶器，并且在傳統(tǒng)的FC蒸發(fā)結(jié)晶器基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。我國真空制鹽生產(chǎn)常用蒸發(fā)結(jié)晶器形式如圖1所示,主要包含加熱室、蒸發(fā)室，循環(huán)泵，上下循環(huán)管和鹽腳(也稱淘洗腳)[1]。在蒸發(fā)結(jié)晶器中鹽腳作用[2-3]有如下幾點(diǎn)：(1)集鹽。收集蒸發(fā)結(jié)晶器析出的鹽顆粒，然后排出；(2)母液置換。用低溫、雜質(zhì)含量低的新鮮鹵水置換蒸發(fā)器器內(nèi)高溫、雜質(zhì)含量高的料液，降低了鹽產(chǎn)品中因溶液殘留下來的雜質(zhì)含量，提高了產(chǎn)品的純度，同時回收了部分熱量；(3)顆粒分級。淘洗鹵水將鹽腳中的細(xì)鹽晶體帶回蒸發(fā)室繼續(xù)生長，只有當(dāng)鹽晶體成長到其沉降速度大于淘洗鹵水上升速度時，鹽顆粒才能沉降下來，可以通過控制淘洗鹵水流量來控制排出蒸發(fā)結(jié)晶器成品鹽的粒度，提高晶粒的均勻性，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)；總之合理設(shè)計(jì)鹽腳可以降低能量消耗、提高鹽產(chǎn)品質(zhì)量。(4)調(diào)漿。即一部分淘洗鹵水“流化”沉降的鹽床,使沉降的鹽層變成易于輸送的漿狀,使鹽腳排鹽暢通。鹽腳設(shè)計(jì)不當(dāng)，結(jié)構(gòu)不合理，會給鹽腳正常操作帶來困難，影響產(chǎn)品質(zhì)量和能耗[4]。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)是一種以計(jì)算機(jī)為工具，通過對流體運(yùn)動方程的數(shù)值解法，研究流體在不同過程中的流動狀態(tài)及其對流動過程中所發(fā)生的傳質(zhì)、傳熱等過程的影響。CFD是除理論分析方法和實(shí)驗(yàn)測量方法之外又一種研究流體流動、換熱問題的方法，三者之間是互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)的關(guān)系[4]，CFD模擬具有不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗铺攸c(diǎn)，具有較好的靈活性，而且可以模擬特殊條件和實(shí)驗(yàn)室中只能接近而無法達(dá)到的理想條件，因此CFD被廣泛用于過程、傳熱過程等的模擬優(yōu)化。

2 鹽腳內(nèi)兩相流場模擬

2.1 鹽腳的結(jié)構(gòu)

鹽腳的結(jié)構(gòu)形式主要有多種，文章針對圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD模擬研究。

2.2 鹽腳模型結(jié)構(gòu)

圖3為鹽腳模型簡化結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)出口管均被簡化為進(jìn)出口，忽略支撐結(jié)構(gòu)，其中鹽腳筒體、導(dǎo)流筒、進(jìn)出口等結(jié)構(gòu)完全按照實(shí)際尺寸繪制。鹽腳的直徑為1 800 mm，總高度為7 528 mm，鹽腳內(nèi)部設(shè)有一個帶弓形封頭的導(dǎo)流筒。導(dǎo)流筒的直徑為900 mm，直段高度為800 mm，弓形封頭的高度為225 mm，導(dǎo)流筒內(nèi)設(shè)有淘洗液入口，淘洗液入口直徑為100 mm，淘洗液入口距離封頭頂部的距離為445 mm，在鹽腳底部設(shè)置鹽漿出口，鹽漿出口直徑為100 mm，出口距鹽腳底部2 228 mm。

2.3 模擬參數(shù)與條件

2.3.1 物性參數(shù)

假設(shè)液相為連續(xù)相，氯化鈉晶體作為分散相。對于分散相的黏度僅為一個概念值，不對流場產(chǎn)生影響，兩相的物理性質(zhì)如表1 所示。

表1 兩相的物性參數(shù)

2.3.2 邊界條件

模擬計(jì)算中涉及的主要獨(dú)立變量的邊界條件：

(1)淘洗鹵水入口定義為velocity-inlet，且只有液相；

(2)在鹽腳單相流模擬過程中定義兩個出口，其中上出口定義為pressure-outlet，壓力為一個大氣壓；下出口定義為velocity-inlet，且只有液相，速度為負(fù)數(shù)則表示為出口；

(3)導(dǎo)流筒壁面定義為interface，連接導(dǎo)流筒內(nèi)外網(wǎng)格區(qū)域的接觸面定義為interior；

(4)其余的壁面定義為無滑移光滑壁面wall；

(5)給定鹽腳內(nèi)初始氯化鈉體積分?jǐn)?shù)為30 %。

2.3.3 模擬控制條件

運(yùn)用基于壓力的Fluent三維穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行模擬，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壁面函數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；多相流模型選擇Euler-Euler模型，多相流湍流模型選擇Mixture模型，曳力模型選擇Schiller Naumann模型；壓力速度耦合項(xiàng)使用Phase Coupled SIMPLE算法，壓力方程采用PRESTO!方法離散，體積分?jǐn)?shù)方程選用First Order Upwind方法離散，其他變量選用Second Order Upwind方法離散。所有方程迭代殘差設(shè)置小于10-4。迭代步數(shù)設(shè)置成10 000步。

2.4 鹽腳模擬結(jié)果與討論

2.4.1 晶體粒徑的影響

在導(dǎo)流筒直徑為900 mm，選取了5種不同粒徑的氯化鈉作為變量，分別為0.15 mm、0.35 mm、0.55 mm、0.75 mm和0.95 mm。圖4為不同粒徑的氯化鈉晶體在鹽腳內(nèi)的軸向分布情況。

研究表明，導(dǎo)流筒內(nèi)晶體分布幾乎為零；當(dāng)晶體粒徑為0.15 mm時，其在鹽腳內(nèi)的懸浮效果最好，幾乎全部懸浮在鹽腳內(nèi)，只有極少部分沉積在鹽腳底部，隨著晶體粒徑的增大，越來越多的晶體沉積在鹽腳底部，靠近底部出口的晶體體積分?jǐn)?shù)也越來越小，且當(dāng)晶體粒徑為0.95 mm時，鹽漿出口附近晶體的體積分?jǐn)?shù)幾乎為零，晶體幾乎全部沉積在底部。

2.4.2 進(jìn)料體積流量的影響

在導(dǎo)流筒直徑為900 mm，晶體粒徑設(shè)置為0.15 mm情況下，選取三種不同淘洗鹵水進(jìn)料體積流量作為變量，分別為50 m3/h、60 m3/h、70 m3/h。圖5為不同淘洗液進(jìn)料體積流量下晶體體積分?jǐn)?shù)分布情況。

研究表明，淘洗液進(jìn)料體積流量越大，晶體在鹽腳內(nèi)的分布越廣，堆積在鹽腳底部的晶體也越少。導(dǎo)流筒內(nèi)的晶體積分?jǐn)?shù)幾乎等于零，在導(dǎo)流筒頂部局部的晶體體積分?jǐn)?shù)大于其附近的晶體體積分?jǐn)?shù)，這是由于導(dǎo)流筒頂部的拱形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致液相流過時候產(chǎn)生了邊界層分離現(xiàn)象，產(chǎn)生了漩渦，晶體隨漩渦運(yùn)動，導(dǎo)致局部增濃現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1)在其他參數(shù)不變的情況下，改變淘洗鹵水進(jìn)料體積流量，通過比較分析得到，當(dāng)淘洗鹵水進(jìn)料體積流量為70 m3/h時，排出鹽漿的氯化鈉的粒徑大于0.15 mm。

2)氯化鈉晶體在鹽腳中的分布主要集中在導(dǎo)流筒以外的區(qū)域。晶體粒徑越大、淘洗鹵水進(jìn)料體積流量越小，氯化鈉顆粒分布區(qū)域越小。