粉煤灰-氢氧化钠浆液槽流场的数值模拟研究

摘要

粉煤灰-氢氧化钠浆液槽是位于高铝粉煤灰制备氧化铝工艺生产线上最前端的大型搅拌装置，实现高铝粉煤灰预混和细化颗粒目的，为后续反应奠定基础。目前，浆液槽中存在着搅拌不均匀，搅拌功耗较高，对突发停车事故中浆液槽内流场的变化情况也缺乏了解等问题，如何调整操作参数实现过程节能降耗以及如何安全地再启动具有重要意义。
　　选用FLUENT软件对粉煤灰-氢氧化钠浆液槽的搅拌情况进行三维模拟计算。在采用Gambit建模并划分网格过程中根据计算对象几何结构设置不同精度的网格。选择RNG k-ε湍流模型和欧拉-欧拉多相流方法对固液两相流进行模拟，并采用多重参考系法（MRF）实现运动和静止部分的相互作用。
　　首先将模拟得到的搅拌功率值分别与理论计算、小试实验得到的结果进行对比，验证了本模拟方法的准确性和有效性。然后结合某单位生产现场物料的细化实验数据，采用数值模拟方法对浆液槽内的流场进行分析，得到槽内固液两相浓度分布以及搅拌功率随搅拌转速的变化情况，进而对操作参数进行优化。研究发现优化转速与物料粒径呈正相关关系，搅拌功率随颗粒粒径、初始固相体积分数及搅拌转速的增加而增大，其中搅拌转速对功率的影响最大。操作参数优化后，搅拌能耗可降低30％左右。接下来以稳态模拟结果为初值对工业实际生产中的突发停车事故进行研究，分析了颗粒相分布和搅拌功率在停车以及再启动过程中的变化情况。结果表明，在停车过程中浆液槽内固液两相的速度不断衰减，颗粒逐渐堆积在槽底部形成沉积层，上部区域出现基本不含颗粒相的清液层；再启动之后固相颗粒重新分布于浆液槽中，停车0.5h和1h分别至少需经过6min和10min的搅拌才可以再次达到均匀悬浮状态，而且再启动初期搅拌功率陡增，最高可以达到稳定水平的1.6倍，如果不在搅拌设备上预先加装辅助搅拌设备则会有烧毁电机的危险。最后建立了3个几何相似的搅拌槽模型，对固液悬浮的放大准则进行研究，分析了不同放大方法的效果，计算得到一种适合于粉煤灰-氢氧化钠浆液槽固液悬浮的放大判据N∝D-0.842，为后期开展各项研究奠定基础。

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第一章 文献综述

1.1 课题背景及意义

1.2 计算流体力学方法及其在搅拌中的应用

1.3 搅拌槽固液悬浮模拟研究

1.4 本文研究目的与内容

第二章 数值模拟相关理论分析与建模

2.1 搅拌基本理论

2.2 湍流模型

2.3 多相流模型

2.4 模型建立

2.5 网格无关性验证

2.6 边界条件

2.7 数值求解方法

2.8 本章小结

第三章 数值模拟方法验证

3.1 理论验证

3.2 实验验证

3.3 本章小结

第四章 浆液槽搅拌流场分析及操作参数优化

4.1 计算体系

4.2 物性参数

4.3 搅拌流场分析及优化转速

4.4 搅拌功率分析

4.5 操作参数优化

4.6 本章小结

第五章 浆液槽突发停车事故及再启动的数值模拟研究

5.1 沉降实验

5.2 停车及再启动过程中流场变化分析

5.3 停车及再启动搅拌功率分析

5.4 本章小结

第六章 浆液槽放大准则数值模拟研究

6.1 放大方法介绍

6.2 计算体系

6.3 数值模拟结果与分析

6.4 放大准则的确定

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

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