提钒搅拌浸出槽流场模拟

提钒搅拌浸出槽流场模拟

1机械浸泡槽的数值模拟搅拌槽是在化工、冶金等行业使用的一个常见收割机。它可以用来同时处理和多相反应。石煤提钒过程中难点和关键都是矿石分解过程,即石煤中钒由固相进入液相的机械搅拌浸出过程。浸出过程中,为了获得比较高的浸出率,通常采用搅拌的方式,使固体颗粒达到悬浮状态,以利于与浸出液均匀混合。机械搅拌浸出槽的设计根据矿粒度、浸出时间、浸出矿浆液固比及搅拌强度需要,浆叶数量可分为单浆和多浆,叶片形式有平浆式、锚式、旋浆式和涡轮式。通过对实验室用搅拌槽的搅拌过程进行数值模拟,探讨了湍流状态下单浆平桨式和单浆旋桨式两种浆型的搅拌效果以及挡板、导流筒对搅拌效果的影响,为浸出槽的结构设计和优化提供了理论依据。目前对液固两相流动的数值模拟主要有两类方法:(1)离散颗粒模型:欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)方法;(2)双流体模型:欧拉-欧拉(Euler-Euler)方法。离散颗粒模型只把流体当作连续介质,将颗粒视为离散体系,在欧拉坐标系下考察流体的运动,在拉氏坐标系下考察颗粒的运动。双流体模型把颗粒作为拟流体,认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质,两相都在欧拉坐标系下处理,其优点在于能解决具有较高粒子浓度占主导地位的流场。2搅拌雷诺数的确定在搅拌作用下,搅拌槽内液体的流动状态可用搅拌雷诺数来判断,如表1所示。搅拌雷诺数的定义为:式中:d—搅拌槽直径,m;n—搅拌槽转速,r/s;ρ—液体的密度,kg/m3;μ—液体的粘度,Pa·s。3矿浆密度、搅拌转速搅拌槽内部尺寸为Ф300mm×400mm,液体高度250mm,搅拌器离底高度50mm,搅拌介质为水和15%硫酸与固体小颗粒组成的浆液,浆液中固体体积分数30%,固体颗粒密度ρ=2.4×103kg/m3,粒径0.0074mm,配比后矿浆密度1.178×103kg/m3,粘度约为1.1×10-3Pa·s。对比用的两种搅拌器为普通平桨和旋桨搅拌器,桨叶长度120mm,搅拌轴安装在搅拌槽中心,叶片数为2,其中旋桨搅拌槽桨叶向下倾斜45°安装,平桨和旋桨模型,如图1所示。使用时搅拌速度为100r/min左右,故本模拟中采用搅拌转速为100r/min。得到搅拌速度n≥0.104r/s,即n≥6.3r/min此即搅拌器内流体达到湍流所需的搅拌转速,因此实验室用搅拌器流体处于湍流状态。4数值模拟4.1流场的运动方程由于试验证明标准k-ε湍流模型对于三维流动非常适用。本工作中搅拌器三维流场数值模拟采用三维雷诺N-S方程及标准k-ε湍流模型。在定常条件下,搅拌流场的不可压缩流动可以用以下方程组描述[1，3]:湍动能方程:式中:ui—沿方向的速度分量(i=1,2,3);fi—沿方向的质量力;P—压力;ρ—流体密度;v—流体的运动粘性系数;Pr—湍动能生成率;vt—涡粘性系数;K—vonKarman常数。4.2旋转区域的处理计算中采用前处理器Gambit生成四面体非结构化网格。对搅拌桨所处的旋转区域和除去旋转区域外的静止区域采用多重参考系(MRF)法处理,分别对两部分划分网格,然后在Gambit中对两部分进行装配。其中旋转区域网格数为10872,静止区域网格数为16480。4.3旋转速度设定由于对搅拌器使用多重参考系(MRF)法处理,所以将旋转区域内的流体介质设定为与叶片相同转速旋转,将旋转区域外围设定为交界面,处于旋转区域中的轴和叶片设定为运动壁面边界,静止区域外壁面设定为静止壁面,静止区域中轴设定为运动壁面,相对静止区域进行旋转,转速即为搅拌速度。不进行压力和温度设定,默认为一标准大气压,桨液体积分数为30%。4.4轴向速度分布搅拌槽内流场速度沿轴向的分布情况,如图2所示。选择R=130mm和R=60mm作为测点。由于搅拌过程中叶轮的抽吸作用,在叶轮附近区域形成面向叶轮的快速轴向流动,与叶轮所在区距离越大,轴向速度越小。而相同条件下,旋桨式搅拌槽轴向速度更高,平均高出120%。加装挡板或导流筒对于旋桨式搅拌槽轴向流动有明显的促进作用,加装挡板或导流筒后轴向速度平均分别提高195%和153%。这是由于挡板增加了液体周向运动的阻力,对切向流起到了明显的抑制,从而使得轴向流与径向流得到加强,而导流筒则可以有效抑制流体在高速旋转离心力作用下产生的打漩,由于其导流作用,可以有效消除循环死区,促进轴向循环,从面增强搅拌混合效果。搅拌槽内流场速度沿径向的分布情况,如图3所示。搅拌桨所在区域离底高度50mm,选择液面高度35mm和液面高度170mm作为测点。对于各种搅拌槽,在液面高度35mm的临近搅拌桨所在区域,轴向速度分布基本一致,轴向流动均流向叶轮所在区域,而在叶轮外侧区域,轴向速度逐渐衰减,直桨搅拌槽及未安装挡板或导流筒的搅拌槽,轴向流动较小甚至无轴向流动,安装挡板或导流筒的旋桨搅拌槽,最终在临近槽壁处产生反向回流,并沿径向不断增强,将液体引入槽底。而在液面高度170mm的远离搅拌桨的区域,由于叶轮的抽吸作用影响较弱,因此直桨搅拌槽及未安装挡板或导流筒的搅拌槽,轴向速度均在(0.03~0.15)m/s之间。安装挡板或导流筒的旋桨搅拌槽,在槽壁附近有较大的正向轴向速度,随着与壁面距离的增大,轴向速度逐渐减小至0,而后出现反向流动,轴向速度反向增大。其中装有挡板的搅拌槽轴向速度最大处达到0.13m/s。4.4.2搅拌槽内液体的分离旋桨垂直面内的流场,如图4所示。其中,没有安装挡板,如图4(a)所示。安装挡板之后的流场,如图4(b)所示。安装导流筒之后的流场,如图4(c)所示。从图4(a)中可以看出,在搅拌作用下,槽内液体在搅拌桨附近区域形成一个大循环,液体被搅拌桨从底部卷吸,并向上部高速排出,由壁面附近重新流入槽底。在此过程中带动槽内的固体颗粒,使之悬浮混合,以达到搅拌的目的。而在搅拌桨叶正下方的倒锥形区域内及搅拌桨上方逼近液面位置,液流相对凌乱。从图4(b)和图4(c)中可以看出,安装挡板、导流筒之后,搅拌槽中形成了两个大循环,液体从搅拌桨下部以及上部中心区域吸入,而图4(b)中的液流失量更加规律,循环效果更加显著。但两种情况下在搅拌桨叶正下方的倒锥形区域内,液流矢量都较稀疏,缺少规律,因此在槽底中心容易形成循环死区,造成颗粒沉积。5应用旋桨和规则操作需要扩展通过对搅拌槽内固液两相流的仿真模拟研究,得出结论如下:(1)搅拌槽内在搅拌桨上部,随着离底高度的增大,轴向流动不断衰减和扩展,轴向速度不断减小;(2)旋桨更适合于本实验用搅拌槽,能够取得更好的搅拌悬浮混合效果,更有利于