搅拌反应釜湿法提钒的数值模拟与优化

摘要

机械搅拌反应釜是湿法冶金中广泛应用的一种浸出设备。在工业生产过程中，大型搅拌釜内仍然存在速度和浓度分布不均匀、釜底部分区域固相沉积较多等问题，导致固液混合效果差，有价元素浸出率低，给生产带来不利影响。而且由于搅拌釜浸出过程的封闭性，仅依靠经验和有限的测试手段很难了解其中液相流动和固相分布的规律，因此采用Fluent软件对搅拌釜内固液两相流进行数值模拟，为浸出设备和工艺参数的优化提供一定的指导作用。 论文针对钒钛磁铁矿湿法提钒新工艺，以实验室用浸钒搅拌反应釜为研究对象，采用流体力学软件Fluent，建立釜内固液两相数学模型，研究搅拌速度、桨叶离底高度、双层桨间距、带孔挡板、颗粒直径、颗粒密度、流体黏度以及固相体积分数等参数对釜内流场分布的影响，论文的主要研究成果如下: (1)搅拌桨转速的增大，釜内液相流速越来越大，越有利于釜内的固液混合，但是达到一定转速后，釜内流场分布几乎不变，转速的增大对于整体的速度分布并没有很实际的作用，而且桨叶下死区仍然存在，另外转速的增加会增大搅拌机的功率，因此在搅拌过程中，应该选择最恰当的搅拌速度，不仅能够满足固液混合的效果，又能够节约成本。用固相体积分数的最大值来作为固相颗粒完全离底悬浮的依据，从模拟结果中估算出临界悬浮转速Njs=425r/min。 (2)随着桨叶安装高度的降低，搅拌桨下部死区越来越小，底部固相颗粒更易分散于溶液中，但对于固液搅拌釜来说，桨叶安装太低，底部固相颗粒的冲击和磨蚀作用将对桨叶造成较大的影响，综合考虑桨叶不同离底高度对釜内液相速度场和固相浓度分布的影响，离底高度L=0.4D1对于釜内固液的混合效果最好。 (3)当层间距S大于0.5D时，两桨叶之间将形成四个各自独立的循环区域，桨叶间的相互作用很弱，釜内出现明显的分区现象;层间距S从0.3D增加到0.9D过程中，S=0.5D时，整个釜内固相浓度分布最均匀，综合考虑双层桨间距对釜内速度矢量图和固相浓度分布的影响，层间距S=0.5D对于釜内固液的混合效果最好。 (4)在搅拌釜内安装带孔挡板，可以在搅拌釜内形成复杂的流场，消除漩涡，使体系的轴向速度得到了显著提升，流场内的圆周切向运动得到了一定的抑制，釜内固液的混合效果也得到加强。 (5)颗粒直径和密度的减小有利于釜内液相速度的增大和固相分布的均匀，但现实中颗粒直径越小，越需要花费更多的人力、物力，综合考虑，颗粒直径为75μm对于釜内固液的混合效果最好。 (6)流体黏度和固相体积分数的减小有利于釜内液相速度的增大，但是黏度的减小不利于固相分布的均匀，综合考虑，流体黏度为0.005Pa·s对于釜内固液的混合效果最好。 (7)通过模拟计算，得出不同颗粒直径、密度、流体黏度以及固相体积分数所对应的临界悬浮转速，并对数据进行回归分析，得到Njs与颗粒直径dp、固液密度差（ρs-ρl）、流体黏度η、固相体积分数αs之间的关系式为:Njs=K'dp0.24αs0.11η0.08|gρs-ρl/ρl|0.5 该关系式与Zwietering经验关系式Njs=Kdp0.2αs0.13η0.1|gρs-ρl/ρl|0.45接近，具有可靠性、准确性，能够在不同工况下对临界悬浮转速进行比较合理的预测。

目录

声明

摘要

1．1钒的性质及资源

1．2钒钛磁铁矿提钒浸出工艺的研究现状

1．2．1钒钛磁铁矿先提钒浸出工艺

1．2．2钒钛磁铁矿后提钒浸出工艺

1．2．3钒钛磁铁矿无盐焙烧-高温碱浸新工艺

1．3钒钛磁铁矿浸出设备的研究现状

1．4课题的提出及目标

1．5课题的研究内容

第2章文献综述

2．1影响钒钛磁铁矿浸出反应因素分析

2．1．1浸出反应过程分析

2．1．2浸出影响因素分析

2．2搅拌釜内流场形态和流体状态

2．2．1不同液固比下固液两相流的划分与特性

2．2．2搅拌釜内流场的形态与特点

2．2．3搅拌作用下流体的流动状态

2．2．4临界悬浮转速

2．3搅拌釜内流场的模型

2．3．1多相流模型

2．3．2湍流模型

2．3．3壁面函数模型

2．4搅拌区域模拟方法

2．5搅拌釜内固液两相流数值模拟的研究现状

2．6本章小结

第3章搅拌釜模型的建立及参数设置

3．1模拟流程

3．1．1三维模型建立

3．1．2网格划分

3．1．3 Fluent计算

3．1．4后处理

3．2模型假设条件

3．3控制方程

3．4本章小结

第4章搅拌速度和结构参数对流场分布的影响

4．1搅拌速度对釜内流场分布的影响

4．1．1速度场分布

4．1．2固相浓度分布

4．1．3临界悬浮转速

4．2桨叶离底高度对釜内流场分布的影响

4．2．1速度场分布

4．2．2固相浓度分布

4．3双层桨和双层桨间距对釜内流场分布的影响

4．3．1双层桨对釜内速度场分布的影响

4．3．2双层桨对釜内固相浓度分布的影响

4．3．3双层桨间距对釜内宏观流场形态的影响

4．3．4双层桨间距对釜内固相浓度分布的影响

4．4带孔挡板的加入对釜内流场分布的影响

4．4．1速度矢量图

4．4．2速度场分布

4．5本章小结

第5章物料性质对釜内流场分布的影响

5．1颗粒直径对釜内流场分布的影响

5．1．1速度场分布

5．1．2固相浓度分布

5．1．3不同颗粒直径下临界悬浮转速

5．2颗粒密度对釜内流场分布的影响

5．2．1速度场分布

5．2．2固相浓度分布

5．2．3不同颗粒密度下临界悬浮转速

5．3流体黏度对釜内流场分布的影响

5．3．1速度场分布

5．3．2固相浓度分布

5．3．3不同流体黏度下临界悬浮转速

5．4固相体积分数对釜内流场分布的影响

5．4．1速度场分布

5．4．2不同固相体积分数下临界悬浮转速

5．5本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

论文包含的图、表、公式及文献