提釩攪拌浸出槽流場模擬

1機械浸泡槽的數值模擬攪拌槽是在化工、冶金等行業使用的一個常見收割機。它可以用來同時處理和多相反應。石煤提釩過程中難點和關鍵都是礦石分解過程,即石煤中釩由固相進入液相的機械攪拌浸出過程。浸出過程中,為了獲得比較高的浸出率,通常采用攪拌的方式,使固體顆粒達到懸浮狀態,以利于與浸出液均勻混合。機械攪拌浸出槽的設計根據礦粒度、浸出時間、浸出礦漿液固比及攪拌強度需要,漿葉數量可分為單漿和多漿,葉片形式有平漿式、錨式、旋漿式和渦輪式。通過對實驗室用攪拌槽的攪拌過程進行數值模擬,探討了湍流狀態下單漿平槳式和單漿旋槳式兩種漿型的攪拌效果以及擋板、導流筒對攪拌效果的影響,為浸出槽的結構設計和優化提供了理論依據。目前對液固兩相流動的數值模擬主要有兩類方法:(1)離散顆粒模型:歐拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)方法;(2)雙流體模型:歐拉-歐拉(Euler-Euler)方法。離散顆粒模型只把流體當作連續介質,將顆粒視為離散體系,在歐拉坐標系下考察流體的運動,在拉氏坐標系下考察顆粒的運動。雙流體模型把顆粒作為擬流體,認為顆粒與流體是共同存在且相互滲透的連續介質,兩相都在歐拉坐標系下處理,其優點在于能解決具有較高粒子濃度占主導地位的流場。2攪拌雷諾數的確定在攪拌作用下,攪拌槽內液體的流動狀態可用攪拌雷諾數來判斷,如表1所示。攪拌雷諾數的定義為:式中:d—攪拌槽直徑,m;n—攪拌槽轉速,r/s;ρ—液體的密度,kg/m3;μ—液體的粘度,Pa·s。3礦漿密度、攪拌轉速攪拌槽內部尺寸為Ф300mm×400mm,液體高度250mm,攪拌器離底高度50mm,攪拌介質為水和15%硫酸與固體小顆粒組成的漿液,漿液中固體體積分數30%,固體顆粒密度ρ=2.4×103kg/m3,粒徑0.0074mm,配比后礦漿密度1.178×103kg/m3,粘度約為1.1×10-3Pa·s。對比用的兩種攪拌器為普通平槳和旋槳攪拌器,槳葉長度120mm,攪拌軸安裝在攪拌槽中心,葉片數為2,其中旋槳攪拌槽槳葉向下傾斜45°安裝,平槳和旋槳模型,如圖1所示。使用時攪拌速度為100r/min左右,故本模擬中采用攪拌轉速為100r/min。得到攪拌速度n≥0.104r/s,即n≥6.3r/min此即攪拌器內流體達到湍流所需的攪拌轉速,因此實驗室用攪拌器流體處于湍流狀態。4數值模擬4.1流場的運動方程由于試驗證明標準k-ε湍流模型對于三維流動非常適用。本工作中攪拌器三維流場數值模擬采用三維雷諾N-S方程及標準k-ε湍流模型。在定常條件下,攪拌流場的不可壓縮流動可以用以下方程組描述[1，3]:湍動能方程:式中:ui—沿方向的速度分量(i=1,2,3);fi—沿方向的質量力;P—壓力;ρ—流體密度;v—流體的運動粘性系數;Pr—湍動能生成率;vt—渦粘性系數;K—vonKarman常數。4.2旋轉區域的處理計算中采用前處理器Gambit生成四面體非結構化網格。對攪拌槳所處的旋轉區域和除去旋轉區域外的靜止區域采用多重參考系(MRF)法處理,分別對兩部分劃分網格,然后在Gambit中對兩部分進行裝配。其中旋轉區域網格數為10872,靜止區域網格數為16480。4.3旋轉速度設定由于對攪拌器使用多重參考系(MRF)法處理,所以將旋轉區域內的流體介質設定為與葉片相同轉速旋轉,將旋轉區域外圍設定為交界面,處于旋轉區域中的軸和葉片設定為運動壁面邊界,靜止區域外壁面設定為靜止壁面,靜止區域中軸設定為運動壁面,相對靜止區域進行旋轉,轉速即為攪拌速度。不進行壓力和溫度設定,默認為一標準大氣壓,槳液體積分數為30%。4.4軸向速度分布攪拌槽內流場速度沿軸向的分布情況,如圖2所示。選擇R=130mm和R=60mm作為測點。由于攪拌過程中葉輪的抽吸作用,在葉輪附近區域形成面向葉輪的快速軸向流動,與葉輪所在區距離越大,軸向速度越小。而相同條件下,旋槳式攪拌槽軸向速度更高,平均高出120%。加裝擋板或導流筒對于旋槳式攪拌槽軸向流動有明顯的促進作用,加裝擋板或導流筒后軸向速度平均分別提高195%和153%。這是由于擋板增加了液體周向運動的阻力,對切向流起到了明顯的抑制,從而使得軸向流與徑向流得到加強,而導流筒則可以有效抑制流體在高速旋轉離心力作用下產生的打漩,由于其導流作用,可以有效消除循環死區,促進軸向循環,從面增強攪拌混合效果。攪拌槽內流場速度沿徑向的分布情況,如圖3所示。攪拌槳所在區域離底高度50mm,選擇液面高度35mm和液面高度170mm作為測點。對于各種攪拌槽,在液面高度35mm的臨近攪拌槳所在區域,軸向速度分布基本一致,軸向流動均流向葉輪所在區域,而在葉輪外側區域,軸向速度逐漸衰減,直槳攪拌槽及未安裝擋板或導流筒的攪拌槽,軸向流動較小甚至無軸向流動,安裝擋板或導流筒的旋槳攪拌槽,最終在臨近槽壁處產生反向回流,并沿徑向不斷增強,將液體引入槽底。而在液面高度170mm的遠離攪拌槳的區域,由于葉輪的抽吸作用影響較弱,因此直槳攪拌槽及未安裝擋板或導流筒的攪拌槽,軸向速度均在(0.03~0.15)m/s之間。安裝擋板或導流筒的旋槳攪拌槽,在槽壁附近有較大的正向軸向速度,隨著與壁面距離的增大,軸向速度逐漸減小至0,而后出現反向流動,軸向速度反向增大。其中裝有擋板的攪拌槽軸向速度最大處達到0.13m/s。4.4.2攪拌槽內液體的分離旋槳垂直面內的流場,如圖4所示。其中,沒有安裝擋板,如圖4(a)所示。安裝擋板之后的流場,如圖4(b)所示。安裝導流筒之后的流場,如圖4(c)所示。從圖4(a)中可以看出,在攪拌作用下,槽內液體在攪拌槳附近區域形成一個大循環,液體被攪拌槳從底部卷吸,并向上部高速排出,由壁面附近重新流入槽底。在此過程中帶動槽內的固體顆粒,使之懸浮混合,以達到攪拌的目的。而在攪拌槳葉正下方的倒錐形區域內及攪拌槳上方逼近液面位置,液流相對凌亂。從圖4(b)和圖4(c)中可以看出,安裝擋板、導流筒之后,攪拌槽中形成了兩個大循環,液體從攪拌槳下部以及上部中心區域吸入,而圖4(b)中的液流失量更加規律,循環效果更加顯著。但兩種情況下在攪拌槳葉正下方的倒錐形區域內,液流矢量都較稀疏,缺少規律,因此在槽底中心容易形成循環死區,造成顆粒沉積。5應用旋槳和規則操作需要擴展通過對攪拌槽內固液兩相流的仿真模擬研究,得出結論如下:(1)攪拌槽內在攪拌槳上部,隨著離底高度的增大,軸向流動不斷衰減和擴展,軸向速度不斷減小;(2)旋槳更適合于本實驗用攪拌槽,能夠取得更好的攪拌懸浮混合效果,更有利于