基于CFD耦合的扑热息痛结晶过程模拟与优化研究

摘要

结晶是多相并存、多过程耦合的复杂过程，涉及多相之间的传质、传热以及由连续相向离散相的转化问题。传统的结晶过程研究依赖于实验和经验，过程优化盲目且低效。结晶过程模拟基于结晶动力学定量模型的建立，通过计算机辅助计算可以模拟预测结晶过程，帮助理解结晶原理，完成过程优化与控制。本文以扑热息痛为研究模型物质，通过计算机模拟，结合计算流体力学，对其冷却结晶过程进行了模拟与优化研究。 首先对扑热息痛间歇结晶过程进行了模拟计算，使用矩量法求解非稳态的粒数衡算方程，考察了晶种粒径、晶种加入量以及降温曲线对最终产品粒度的影响。发现晶种粒径对最终产品粒径影响较小，晶种加入量在产品质量的10%左右为宜。以平均粒径最大为产品目标函数，对降温曲线进行了优化并最终获得了最佳降温曲线。 然后对连续结晶搅拌釜的流场进行了计算流体力学模拟。对比了多种湍流模型，并使用欧拉多相流模型考察了不同大小固体颗粒在流场中的悬浮情况，研究了不同搅拌转速对流动状况和固液分布状态的影响。通过模拟计算，发现在安装了六叶圆盘搅拌桨的5L搅拌釜中，转速大于100rpm时，能形成上下两个环流，大幅强化混合效果。同时，当颗粒直径大于100微米时，即使搅拌转速大于300rpm，也会在上下两个环流中出现明显的浓度差。 最后建立了一种新型的计算流体力学-粒数衡算方程（CFD-PBE）耦合模型，使用高精度中心离散格式求解粒数衡算方程，研究了混合效应对扑热息痛连续结晶产品粒度分布的影响。模拟了结晶釜内晶浆密度、成核生长速率和粒度分布的空间分布。研究了搅拌转速对产品粒度分布的影响，发现随着搅拌转速的增加，晶体产品粒度分布曲线逐渐变宽，产品平均粒径逐渐变小。模拟了不同夹套温度和不同平均停留时间下的晶体粒度分布，发现随着温度或停留时间的增加，混合效应对于最终粒度分布的影响逐渐减小。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 计算机模拟在结晶中的应用

1.3结晶计算机模拟的现状与发展趋势

1.4 本文研究内容

第2章 扑热息痛间歇冷却结晶模拟

2.1 文献综述

2.1.1 粒数衡算方程介绍

2.1.2 结晶动力学模型

2.1.3粒数衡算方程的求解

2.2 冷却结晶过程模拟计算过程与方法

2.3 间歇结晶过程模拟结果与讨论

2.3.1 晶种粒径影响

2.3.2 晶种加入量影响

2.3.3降温曲线影响

2.3.1 阶梯降温

2.3.2 线性降温

2.3.3二次曲线降温

2.4 本章小结

第3章 搅拌釜流场特性研究

3.1 文献综述

3.1.1 计算流体力学

3.1.2 计算流体力学模型

3.1.3 搅拌釜数值模拟模型

3.1.4 多相流模型

3.1.5 双欧拉模型理论

3.2 模拟计算

3.2.1 连续结晶搅拌釜的流场模拟

3.2.2 连续结晶釜多相流模拟

3.3 结果与讨论

3.3.1 流场模拟检验

3.3.3 多相流流场模拟

3.4 小结

第4章 连续结晶耦合模拟

4.1 文献综述

4.2 CFD-PBE耦合模型

4.2.1 计算流体力学模型

4.2.2 PBE模型及求解

4.2.3 结晶动力学模型

4.3 耦合计算过程

4.4 结果与讨论

4.4.1模拟结果检验

4.4.2 不同搅拌转速研究

4.4.3 不同夹套温度研究

4.4.4 不同平均停留时间研究

4.5 本章小结

第5章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

附录

附录A 符号说明

附录B 计算程序

第二章计算程序（matlab）

第三章计算程序（FLUENT UDF）

发表论文和参加科研情况说明

致谢