偏心式磷酸反应槽中三维流场的数值模拟

摘要

随着磷肥工业和磷酸盐工业的发展,磷酸在工业上的需求量迅速增加。由于磷矿资源的有限性和当前磷酸反应槽内搅拌器效率不高,合理的运用现有资源显得尤为重要。目前,对磷酸反应槽的设计主要是依靠传统的经验设计,这种设计不仅设计周期长,而且往往达不到设备的最佳使用效果,对资源、资金、人力和物力造成了浪费。偏心搅拌是搅拌轴偏离搅拌槽中心位置的一种的搅拌形式,它破坏了槽内流场结构的对称性,诱导了槽内流体的混沌混合,与常规搅拌槽相比,不需设置挡板,被广泛应用于化工、制药、冶金等行业。到目前为止,在磷酸反应槽中采用偏心式搅拌的混合方式未曾见之于报道。
　　本文是基于研究某工程中φ5000×6500磷酸反应槽在生产过程中的节能优化问题,经研究在磷酸反应槽中使用偏心式搅拌,采用数值模拟的方法对偏心式磷酸反应槽中的三维流场进行了模拟分析,着重探讨了偏心率与转速对流场结构的影响规律,所做工作如下:
　　(1)将工程用的磷酸反应槽简化为实验用的搅拌槽,用清水代替实际工作介质,分别用数值模拟的方法和PIV实验研究的方法对偏心搅拌槽中的流场进行分析,比较两者的分析结果。
　　(2)建立偏心式磷酸反应槽的数值分析模型,对偏心式搅拌槽中流场进行数值模拟,分析偏心率和搅拌转速的改变对槽内流场的影响规律。
　　(3)确定适合本研究工作的偏心率和搅拌转速。
　　对所做工作进行总结,得到以下结论:
　　(1)通过FLUENT软件和PIV系统对实验室搅拌装置中的流场进行研究,对结果进行比较发现,在误差允许的范围内,模拟结果可反映出真实的流场,验证了FLUENT软件对偏心搅拌槽中流场预测的可靠性。
　　(2)偏心式搅拌反应槽中的流场呈非对称性结构,液流由液面向下流动至桨叶处被分为两股流体,一股发生转向沿槽壁向上流动,一股沿槽壁向下流动至槽底处转向,流向桨叶底部,由此在整个槽内形成两个大的循环流,循环流位于桨叶上下方。
　　(3)随着偏心率的增加,搅拌轴偏向一侧的流体受到挤压,偏离一侧的循环流范围增大,但并非偏心率越大槽中液流的扰动越强,在本研究工作中,偏心率为0.2时,槽中的搅拌效果为最佳。
　　(4)随着转速的增加,槽中液流的速度得到加强,尤其是靠近液面附近的流体速度得到加强,但并非速度越大,槽中混合效果就越好,当速度增大到某一值后,槽中流场的分布结构几乎未发生改变。在本研究工作中,搅拌转速160rpm为最佳适宜值。
　　(5)在磷酸反应槽中采用偏心式搅拌不仅可以改善反应槽中的流场结构,增强槽内流体的扰动,提高混合效率,而且可以节约能量。
　　本文的研究工作对磷酸反应槽的改进具有一定的参考价值。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 CFD技术在搅拌槽中的应用与发展

1.3 混沌混合的应用与发展

1.4 偏心搅拌

1.5 PIV技术及其应用

1.6 本课题的主要研究内容及研究方案

第2章 偏心搅拌槽内流场的数值模拟与试验方法

2.1 偏心搅拌槽中流场的相似论证

2.2 搅拌槽内流场的CFD分析原理

2.3 偏心搅拌槽内数值模拟的流程

2.4 偏心搅拌槽中流场的试验方法

2.5 模拟结果与实验结果的对比分析

2.6 本章小结

第3章 偏心率对偏心搅拌槽内三维流场的影响

3.1 流场结构分析

3.2 时均速度分布

3.3 本章小结

第4章 转速对偏心搅拌槽内三维流场的影响

4.1 转速对搅拌槽中流体流型的影响

4.2 转速对槽中流体时均速度分布的影响

4.3 转速对功率消耗的影响

4.4 本章小结

第5章 磷酸反应槽改进前后对比分析

5.1 流场结构对比分析

5.2 搅拌功率对比分析

5.3 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

符 号 说 明

攻读学位期间发表的学术论文

致谢