压力能驱动的自搅拌反应器内两相流动行为研究

摘要

搅拌反应器是湿法冶金工业中的重要设备之一，它几乎应用在湿法冶金的各个工序中。本课题组围绕节能，强化传热、传质、化学反应和抑制结疤三个主题原创性的开发了一种新型的加压反应器-压力能驱动的自搅拌反应器。由于该新型反应器内两相流动特性、搅拌转速与原动力-压力能的关系尚不明确，因此，本文从物理模拟和数值模拟两个角度对这种新型搅拌反应器内两相流动行为进行研究，为该反应器的进一步开发奠定基础。 本文以压力能驱动的自搅拌反应器为研究对象，利用商业CFD软件FLUENT15.0和并行计算系统图形工作站，在实验室已有研究的基础上，对该反应器内的固-液两相流动行为做了系统的研究。主要结果如下: (1)采用PIV技术及数值模拟技术对纯水相流动行为进行研究，发现反应器内整体的速度分布较为均匀，增加入口压力和液位高度有利于流体速度均匀分布，且增加入口压力可减小直至消除流动死区的范围。 (2)将颗粒浓度测量技术与数值模拟技术相结合，对固-液两相流动行为进行研究，发现增加搅拌转速有利于反应器内固体颗粒均匀分布，但过高的转速将导致搅拌轴附近区域颗粒在离心力的作用下浓度降低;减小颗粒直径和降低颗粒固含量有利于反应器内固体颗粒的均匀分布;反应器的临界离底悬浮转速随着颗粒直径的减小而减小，随着颗粒固含量的增加而增加。 (3)数值模拟预测得到反应器的最佳操作参数为:搅拌转速150rpm，初始颗粒固含量15％，颗粒直径75μm。 本文基于悬浮理论对数值模拟预测的行为与现象进行了合理地解释。预测了较优的操作参数，获取了该反应器流体动力学特性的基础数据，为该反应器的进一步开发奠定了基础。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1搅拌反应器在湿法冶金中的应用

1．1．1搅拌反应器的主要分类及特点

1．1．2搅拌反应器在氧化铝溶出中的应用及存在的问题

1．2搅拌反应器研究现状

1．2．1实验研究

1．2．2数值模拟研究

1．3新型搅拌反应器-压力能驱动的自搅拌反应器

1．4本论文的研究意义与研究内容

第2章研究装置与研究方法

2．1研究装置

2．1．1压力能驱动的自搅拌反应器

2．1．2测量仪器

2．2物理研究方法

2．2．1纯水相流动行为研究方法

2．2．2固-液两相流动行为研究方法

2．3数值模拟方法

2．3．1控制方程

2．3．2多相流模型

2．3．3计算方法

第3章纯水相流动行为的CFD模拟

3．1计算模型的建立

3．1．1几何模型的建立

3．1．2边界条件及数值解法

3．2模拟验证

3．2．1网格无关性

3．2．2湍流模型验证

3．3计算结果分析与讨论

3．3．1同一转速不同时刻的流动行为

3．3．2不同入口压力下的流动行为

3．3．3不同液位高度下的流场行为

3．4小结

第4章固-液两相流动行为的CFD模拟

4．1计算模型的建立

4．1．1几何模型的建立

4．1．2边界条件及数值解法

4．1．3悬浮参数计算方法

4．2模拟验证

4．2．1网格无关性

4．2．2实验验证

4．3计算结果分析与讨论

4．3．1搅拌转速对固-液流动行为的影响

4．3．2颗粒尺寸对固-液流动行为的影响

4．3．3颗粒固含量对固-液流动行为的影响

4．4临界悬浮转速

4．5小结

第5章结论

参考文献

致谢