钙化渣碳化反应器内气液两相流的数值模拟.pdf

2 2 。 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第8 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 0 6 钙化渣碳化反应器内气液两相流的数值模拟 章俊1 ，冯亚平1 ，张邦胜1 ，刘燕2 ，张廷安2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．东北大学，沈阳1 1 0 8 1 9 摘要利用A N S Y S l 3 ．0 ／F l u e n t 软件对钙化渣碳化反应器内气液两相流动进行模拟计算。对比水模型 试验结果，模拟得到的气体分布及反应器内平均气含率变化趋势与试验结果一致，证明本研究采用双欧 拉模型模拟分析钙化渣碳化反应器内的宏观流动行为是可行的。研究结果对钙化渣碳化反应器的设计 及应用具有一定的参考价值。 关键词钙化渣碳化反应器；数值模拟；气体分布；气含率 中国分类号T Q 0 2 7 ．3 2 ；T F 8 2 1文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 0 8 0 0 2 2 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nG a s 。l i q u i dT w oP h a s eF l o wi nC a r b o n a t i o n R e a c t o ro fC a l c i f i e dR e s i d u e Z H A N GJu n l ，F E N GY a p i n 9 1 ，Z H A N GB a n g s h e n 9 1 ，L I UY a h 2 ，Z H A N GT i n g - a n 2 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ； Z ．N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h eg a s l i q u i dt w op h a s ef l o wi nc a r b o n a t i o nr e a c t o ro fc a l c i f i e dr e s i d u ew a sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e db yc o m m e r c i a ls o f t w a r ep a c k a g e da sA N S Y S l3 ．0 ／F l u e n ta n dc o m p a r e dw i t hw a t e rm o d e l e x p e r i m e n td a t e ．T h er e s u l t ss h o wt h a ts i m u l a t i o nr e s u l t so fg a sd i s t r i b u t i o na n ds i m u l a t i o nd a t eo f r e a c t o r ’Sc h a n g et e n d e n c yo na v e r a g eg a sh o l d u pa r ei na c c o r d a n c ew i t ht e s td a t a ．I ti s p r o v e dt ob e f e a s i b l et oa p p l yE u l e r i a n E u l e r i a nM o d e ls i m u l a t i o nt oa n a l y z em a c r o s c o p i cf l o wb e h a v i o ro fr e a c t o r ．T h i s r e s u l tp r o v i d e sr e f e r e n c ev a l u ef o rd e s i g na n da p p l i c a t i o no fc a r b o n a t i o nr e a c t o r ． K e yw o r d s c a r b o n a t i o nr e a c t o ro fc a l c i f i e dr e s i d u e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；g a sd i s t r i b u t i o n ；g a sh o l d u p 目前，全世界9 0 ％以上的氧化铝采用拜耳法生 产[ 1 ] 。但拜耳法产生大量的赤泥，赤泥中含碱，使得 赤泥的应用成为世界性难题；赤泥中含铝，氧化铝的 理论收率随铝土矿品位的降低而降低，故拜耳法不 适用于低品位铝土矿。针对以上问题，课题组从改 变赤泥结构人手，提出了钙化一碳化一尾渣水泥利 用的新方法[ 2 ≈] 。该方法首先通过钙化处理将低品 位铝土矿或赤泥全部转化为钙铝硅化合物 即水化 石榴石 ，再用C 0 对其进行碳化处理，产物主要组 收稿日期2 0 1 4 - 0 2 1 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 U 1 2 0 2 2 7 4 作者简介章俊 1 9 8 7 一 ，男，安徽广德人，硕士，助理工程师． 成有硅酸钙、碳酸钙以及氢氧化铝，最后通过低温溶 铝即可得到主要成分为硅酸钙和碳酸钙的新型结构 赤泥，可直接用于水泥工业，从而实现铝土矿资源的 循环。钙化转型渣碳化过程涉及气一液一固三相， 属于复杂的三相浆态床体系。本文运用A N S Y S l 3 ．0 ／F l u e n t 软件对碳化过程的核心设备钙化 渣碳化反应器内的宏观流动行为进行数值模拟。对 于多相流的数学模型，前人主要有两种研究方法，一 是拟两相流模型[ I 。5 3 ；二是气液固三相流体力学模 万方数据 2 0 1 4 年第8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 3 型L 6 - 8 J 。 在前期水模型试验中，为了观察钙化渣碳化反 应器内混合情况及气体分布情况，主要考察了气液 两相体系，因此，本文在此基础上，利用双欧拉模型 研究钙化渣碳化反应器内气液两相流的宏观流动行 为，为新型反应器的设计和放大、以及为碳化法处理 低品位铝土矿 赤泥 及其他含铝原料的新方法提供 理论和试验依据。 1 数学模拟方法 1 ．1 数学模型 采用双欧拉模型模拟气液间相互作用。只考虑 反应器内流体的流动，不考虑能量传输，因此，主要 数学方程有质量守恒方程和动量守恒方程凹‘10 | 。 1 ．2 反应器三维建模及网格划分 反应器主要参数主反应器内径2 4 0m m 、主反 应器有效高度6 1 5m m 、溢流口直径1 0 0m m 、文丘 里喷射器喉口直径2 5m m 、文丘里喷射器进口直径 3 8m m 、文丘里喷射器出口直径3 6m m 、气体进口直 径2 0m m 。由于本反应器的流场属于复杂的湍流， 而且属于多相流，另外文丘里喷射器的尺寸与主反 应器尺寸相差很大，在保证计算结果准确性的前提 下，尽量节约计算资源，将钙化渣碳化反应器分成4 个不同的部分，每个部分生成不同空间步长的网 格[ 1 1 | ，最终得到如图1 所示的网格图形。 圈 图1x 0 平面网格图 F i g ．1 M e s ho fX 2 0p l a n e 1 ．3 物性参数 将气液相视为不可压缩流体；计算过程中不考 虑能量传输；考虑外界气压 标准大气压 和重力的 影响。相关物质的物性参数取值如下水的密度 10 0 0k g ／m 3 、黏度1 ．0 0 3 X 1 0 1P a s ；空气的密度 1 ．2 2 5k g ／m 3 、黏度1 ．7 8 94 1 0 - 5P a S 。 1 ．4 边界条件 取速度边界条件作为气、液两相入口边界，取充 分发展的自由面出口作为流体出口边界。壁面采用 无滑移固体壁面边界条件[ 1 1 ’。 2 结果与讨论 2 ．1 稳态与非稳态比较 试验条件表观液速5 ．4 7m ／s ，表观气速 5 ．3 l m ／s ，气液两相体系，非稳态非定常计算和稳态 定常计算。 图2 是从反应器上部和中部拍摄的气泡分布静 态图片，从图2 可以看出，气泡均匀分布在反应器 中，气液两相混合效果较好，气泡微细化效果很好。 b 反应器中部 图2 不同位置拍摄的气液混合静态图 F i g ．2 S t a t i cd i a g r a mo fg a s - l i q u i dm i x t u r es h o ta td i f f e r e n tp o s i t i o n 图3 是非稳态条件下气相分布图随时间变化关 系，图4 是稳态条件下气相分布图随迭代步长变化 关系。从图3 可看出，随着通气时间的增加，反应器 中气体逐渐增多，到3 0S 时基本稳定，稳定状态下 气体如同图2 一样均匀分布在反应器内部。从图4 可见，随着迭代步长的增加，反应器中气体逐渐增 多，到13 0 0 步时可达稳定，稳定后气泡均匀分布在 反应器中。非稳态模拟中得到的3 0s 的气相分布 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y i ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第8 期 图与稳态模拟得到的13 0 0 步的气相分布图基本一 致，即无论是非稳态模拟还是稳态模拟，都能得到比 引‰一 8 1 1X 1 0 7 1 X l0 6 ．0 X l f 一 黼然 3 ．0 X “ ‘2 1Xl I l 一 ㈧； 1 r 二 【二 较准确的计算结果，因此，为节省计算时间，在网格 无关性验证计算中采用稳态定常模拟计算。 l 二 】●_ W 幸年幸一．罐牟毒龟黛 J ，Ss】．f lKl5s2 ．0s2 5S3 0s35S 4 l lS 3 0 ．f lS 图3 不同时间的气相分布图 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sc o n t o u r sa n dt i m e 二I 二。】[ 二 ＼y 。⋯⋯ J 。』 ，j。』 ”鼍．”。i ．、”{ ．”‘i ． 迭代l l ⋯少I 生f ℃ I l I ；p 迭f ℃川1 1 11 p 逃1 ℃I ．{ fH 1 步 图4 不同迭代步长的气相分布图 F i g ．4 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sc o n t o u r s a n dn u m b e ro fi t e r a t i o n s 2 ．2 网格无关性验证 试验条件表观液速5 ．4 7m ／s ，表观气速5 ．3 1 m ／s ，气液两相体系，稳态定常计算，网格节点数分 别为1 2 万、2 4 万、4 8 万。利用不同网格节点数计算 达稳定状态下的气相分布图如图5 所示。 从图5 可以看出，三种网格节点数对应的气相 分布图颜色基本一致，即气含率基本一致。图6 是 在不同网格节点条件下，利用压差法得到的平均气 含率实测值与利用C F D 得到的模拟计算值的比较 结果。 从图6 可知，模拟值与实测值吻合良好，而且 三种网格节点数都能达到比较准确的模拟效果。综 合上述结果，在本文选取的这三种网格节点数前提 下，网格节点数对计算结果没有明显影响，考虑计算 速度和计算资源的问题，选取1 2 万作为最终计算网 格节点数。 浚1 ”。 ”4 X 3 l J x 2 i 。I ．、O 。x ， W j 叫 ■气 1 2 万 ＼夕 卅t 2 4 万 0 鼍 4 8 万 图5 不同网格数量对应的气相分布图 F i g ．5 D i s t r i b u t i o no fg a sc o n t o u r sw i t h d i f f e r e n tm e s hc e l l s 碍 把 扩 霜 良 图6 不同网格节点条件下的平均 气含率比较结果 F i g ．6C o m p a r a t i v er e s u l to fa v e r a g eg a s h o l d u pu n d e rd i f f e r e n tm e s hc e l l s 曩繁一。j澎蕊一 _l|，鬻誊忿一 m 麟揣 ● U 8 7 6 爨一 _ i ∥ 万方数据 2 0 1 4 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ] ] y s y l ．h g r i m m ．c n 。2 5 。 3结论 1 模拟得到的气体分布与试验拍摄的气体分布 一致，模拟得到的反应器内平均气含率变化趋势与 试验结果一致，采用双欧拉模型模拟分析钙化渣碳 化反应器内的宏观流动行为是可行的。 2 通过验证，确定采用稳态定常模拟计算，并选 取1 2 万作为最终计算网格节点数。 参考文献 [ 1 ] 毕诗文，于海燕．氧化铝生产工艺[ M ] 。北京化学工业 出版社，2 0 0 6 3 2 ． [ 2 ] 张廷安，吕国志，刘燕，等．基于碳化一钙化转型生产氧 化铝的方法中国，2 0 1 1 1 0 2 7 5 0 1 3 ．6 [ P ] ．2 0 1 2 1 0 3 1 ． [ 3 ] 张廷安，吕国志，刘燕，等．一种消纳拜耳法赤泥的方 法中国，2 0 1 1 1 0 2 7 5 0 3 0 ．x [ P ] ．2 0 1 2 1 0 3 1 ． [ 4 ] R e n z oD iF e l i c e ．T h ep s e u d o - f l u i dm o d e la p p l i e dt O t h r e e - p h a s ef l u i d i z a t i o n [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 0 0 ，5 5 3 8 9 9 3 9 0 6 ． [ 5 ] T o r v i kR ，S v e n d s e nHF ．M o d e l l i n go fs l u r r yr e a c t o r s ． Af u n d a m e n t a la p p r o a c h [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i ‘ e n c e ，1 9 9 0 ，4 5 8 2 3 2 5 2 3 3 2 ． [ 6 ] L IY o n g ，Z H A N GJP ，F A NLS ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fg a s - l i q u i d - s o l i df l u i d i z a t i o ns y s t e m su s i n gac o m b i n e d C F D - V O F - D P Mm e t h o d b u b b l ew a k eb e h a v i o r [ J ] ． C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，1 9 9 9 ，5 4 2 1 5 1 0 1 5 1 0 7 ． [ 7 ] 闻建平，黄琳，周怀，等．气液固三相湍流流动的E ／E ／L 模型与模拟[ J ] ．化工学报，2 0 0 1 ，5 2 4 3 4 3 3 4 8 ． [ 8 ] H a m i d i p o u rM ，C H E NJ ，L a r a c h iF ．C F Ds t u d yo nh y d r o d y n a m i c si nt h r e e - p h a s ef l u i d i z e db e d s a p p l i c a t i o no f t u r b u l e n e em o d e l sa n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n [ J ] ． C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 1 2 ，7 8 1 6 7 1 8 0 ， r 9 ] P a n n e e r s e l v a mR ，S a v i t h r iS ，S u r e n d e rGD ．C F Ds i m u l a t i o no fh y d r o d y n a m i c so fg a s - l i q u i d - s o l i df l u i d i z e db e d r e a c t o r [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 0 9 ，6 4 6 1 1 1 9 1 1 3 5 ． [ 1 0 ] 王瑞金，张凯，王刚．F l u e n t 技术基础与应用实例[ M ] ． 北京清华大学出版社，2 0 0 7 3 3 4 4 ． [ 1 1 ] 齐洪波．流化床气液两相流流场数值模拟研究[ D ] ． 哈尔滨哈尔滨工业大学，2 0 0 8 ． 上接第1 7 页 [ 2 5 ] 谢海云．高砷硫化铜精矿细菌浸出及砷的综合利用工 艺及理论研究[ D ] ．昆明昆明理工大学冶金与能源工 程学院，2 0 0 7 ． [ 2 6 ] E s c o b a rB ，H u e n u p iE ，G o d o yI ，e ta 1 ．A s e n i cp r e c i t a t i o ni nt h eb i o l e a c h i n go fe n a r g i t eb yS u l f o l o u sB Ca t 7 0 ℃[ J ] ．B i o t e c h n o l o g yL e t t e r s ，2 0 0 0 ，2 2 2 0 5 2 0 9 ． [ 2 7 ] S a s a k iK ，T a k a t s u g iK ，H i r a j i m aT ．E f f e c t so fi n i t i a l F e 2 c o n c e n t r a t i o na n dp u l pd e n s i t yo nt h eb i o l e a c h i n g o fC uf r o me n a r g i t eb yA c i d i a n u sb r i e r l e y i [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 1 ，1 0 9 1 5 3 1 6 0 ． [ 2 8 ] T a k a t s u g iK ，S a s a k iK ，H i r a j i m aT ．M e c h a n i s mo ft h e b i o l e a c h i n go fc o p p e rf r o me n a r g i t eb yt h e r m o p h i l ei r o n o x i d i z i n ga r c h a e aw i t ht h ec o n c o m i t a n tp r e c i p i t a t i o n o fa r s e n i c [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 1 ，1 0 9 9 0 9 6 ． 1 - 2 9 ] L e eJ ，A c a rS ，D o e r rDL ，e ta 1 ．C o m p a r a t i v eb i o l e a c h i n ga n dm i n e r a l o g yo fc o m p o s i t e ds u l f i d eo r e s c o n t a i n i n ge n a t g i t e ，c o v e l l i t ea n dc h a l c o c i t eb yM e s o p h i l i ca n dT h e r m o p h i l i cm i c r o o r g a n i s m s [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 1 ，1 0 5 2 1 3 2 2 1 ． [ 3 0 ] D o p s o nM ，B a k e r - A u s t i nC ，K o p p i n e e d iPR ，e ta 1 ． G r o w t hi ns u l f i d i cm i n e r a le n v i r o n m e n t s m e t a lr e s i s t a n c em e c h a n i s m su na c i d o p h i l i cm i c r o o r g a n i s m s [ J ] ． M i c r o b i o l o g y ，2 0 0 3 ，1 4 9 1 9 5 9 1 9 7 0 ． [ 3 1 ] N i c h o l a sDR ，R a m a n o o r t h yS ，P a l a c eV ，e ta 1 ．B i o g e o e h e m i c a lt r a n s f o r m a t i o n so fa r s e n i ci nc i r c u m n e u t r a l f r e s h w a t e rs e d i m e n t s [ J ] 。B i o d e g r a d a t i o n ，2 0 0 3 ，1 4 1 2 3 1 3 7 ． 万方数据