赤泥分离沉降槽固液分离的数值模拟与优化

摘要

赤泥分离沉降槽是目前碱法生产氧化铝沉降工序的主要设备。本文以某企业深锥高效分离沉降槽为研究对象，在对固液两相流进行合理假设和适当简化的基础上，建立了沉降槽物理模型和数学模型。对沉降槽内特别是中心筒内的速度场、固相浓度分布以及湍动能强度分布进行了数值模拟，对比分析了直管式和射流式两种进料管下的沉降槽内的固液分离运动，结果表明:射流式进料管沉降槽具有更强的稀释作用，其湍动能分布更均匀合理。
　　本文提出了以固含为60～70g/L区间内的体积百分数为评价沉降槽固液分离效率的指标。应用正交试验设计法、结合极差分析和方差分析方法，研究了中心简直径、中心筒深度、射流管管型、挡流环板离进料管下沿高度、喉嘴距等可能对沉降槽沉降效率产生影响的因素。研究发现，对上述指标的影响大小依次为:射流管管型＞挡流环板离进料管下沿高度＞喉嘴距＞中心简直径和深度，其中挡流环板离进料管下沿高度、喉嘴距、射流管管型对沉降槽中心筒内最佳固含分布区间(60～70g/L)体积分数均有影响，其中射流管管型影响最为显著。
　　通过进一步的研究得出沉降槽最优结构参数为:中心筒直径3000mm、中心筒深度5000mm、射流管管型为5＃管型、挡流环板离进料管下沿高度220mm、喉嘴距180mm。优化后的沉降槽中心筒内湍动能强度分布均匀合理;在进料固含为110g/L时，料浆通过射流管沉降槽进入中心筒后料浆固含为59.3g/L，比基本工况增加了7.8g/L，且筒内固含为60～70g/L的体积分数达到12.5％，比基本工况下提高了128％，可以更大效率的发挥絮凝剂的絮凝作用。
　　另外，针对数值模拟仿真和各种分析方法得出的结果，对沉降槽进行了结构优化分析，并对合作企业的赤泥分离沉降槽进行了工业试验。改造后的工业试验表明:优化后的沉降槽，生产现场可停止使用两台循环泵，大大节约了动力消耗;干赤泥絮凝剂单耗从平均103.4g/t减少到85g/t，较改造前减少絮凝剂使用量17.8％，说明基于本论文研究得出的沉降槽的结构优化方法能带来较大的经济效益和社会效益。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 氧化铝生产概况

1．1．1 我国氧化铝工业现状

1．1．2 氧化铝生产方法

1．2 赤泥沉降分离工艺

1．2．1 赤泥和料浆的性质

1．2．2 赤泥沉降原理

1．2．3 影响赤泥沉降分离的因素

1．2．4 赤泥沉降分离设备

1．3 多相流的数值模拟

1．3．1 模型介绍

1．3．2 沉降槽数值模拟研究进展

1．4 研究内容和研究步骤

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究步骤

第2章 赤泥分离沉降槽数学物理模型

2．1 物理模型

2．1．1 几何模型

2．1．2 计算区域的离散化

2．2 基本假设

2．3 数学模型

2．3．1 多相流模型

2．3．2 湍流模型

2．4 边界条件及物性参数

2．4．1 边界条件

2．4．2 物性参数

2．5 模型验证

2．6 本章小结

第3章 沉降槽数值模拟及其优化方法

3．1 直管式进料管沉降槽数值模拟

3．1．1 速度分布

3．1．2 浓度场分布

3．1．3 湍动能强度分布

3．2 沉降槽结构优化分析

3．2．1 进料管结构优化

3．2．2 絮凝剂的多点加入

3．2．3 其它结构优化方法

3．3 射流式进料管沉降槽数值模拟

3．3．1 速度分布

3．3．2 浓度场分布

3．3．3 湍动能强度分布

3．4 中心筒内固含分布计算

3．4．1 固含分布的计算思路

3．4．2 中心筒内固含分布计算及其对比

3．5 本章小结

第4章 基于正交试验的沉降槽结构参数优化

4．1 结构优化试验方法

4．1．1 全面试验法

4．1．2 均匀试验设计法

4．1．3 正交试验设计法

4．2 沉降槽正交试验方案

4．2．1 试验指标

4．2．2 因素水平表

4．2．3 试验方案

4．3 结果分析

4．3．1 极差分析

4．3．2 方差分析

4．3．3 最优工况结果分析

4．4 本章小结

第5章 沉降槽结构优化工业试验及应用

5．1 絮凝剂的多点加入工业试验

5．2 常规流量下工业试验

5．3 高流量、低流量下工业试验

5．3．1 高流量下的各项指标比较

5．3．2 低流量下的各项指标比较

5．4 技术经济效益分析

5．5 本章小结

第6章 主要结论与建议

6．1 主要结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果