不同槳葉結構對種子分解中固相分布的影響

曹趙生

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司 貴州貴陽 551000）

不同槳葉結構對種子分解中固相分布的影響

曹趙生

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司 貴州貴陽 551000）

在氧化鋁生產過程中，鋁酸鈉溶液種子分解是拜耳法生產氧化鋁的主要工序之一，其主體設備為分解槽。現階段國內大型氧化鋁生產企業，分解槽的攪拌裝置絕大部分均采用機械攪拌，但攪拌的槳葉結構卻多種多樣。本文主要分析幾種常見且有實際應用的槳葉結構對分解槽中固相分布的影響。

氧化鋁生產；種子分解；槳葉結構；固相分布

1 概述

種子分解的目的是從飽和鋁酸鈉溶液中析出氫氧化鋁晶體，從而得到固態氫氧化鋁。分解過程包括兩個不同的階段，一個是鋁酸鈉溶液自發分解出氫氧化鋁晶核，另一個是晶核繼續長大變為氫氧化鋁結晶顆粒而析出。這兩個階段同時存在。然而單靠鋁酸鈉溶液自發分解氫氧化鋁晶核長大，過程極其緩慢，無法滿足工業生產需求，所以在工業生產中必須加入氫氧化鋁種子作為鋁酸鈉溶液分解析出的結晶核心。因此分解槽中重要固相成分主要是加入的氫氧化鋁種子和長大的氫氧化鋁結晶顆粒。固相的分布情況又非常直觀的影響到種子分解的生產效率、分解槽的沉淀結疤情況。一般來說分布越均勻生產效率越高，分解槽的結疤情況也會相應減輕。本文旨在通過限定其它條件，以FLUENT流體計算為基礎，分析三種不同槳葉結構對分解槽固相分布情況的影響。

2 FLUENT仿真數值模擬方案確定

分解槽內物料一般為固—液兩相，需要建立固液兩相流數學模型，由于固體顆粒濃度較大，且不研究單個顆粒的運動特性，因此可將固相視為連續相，采用FLUENT中歐拉-歐拉多相流模型對其進行數值模擬計算，該模型是以連續相的方程對固體顆粒特性進行描述。

對于攪拌流場進行數值模擬，較難處理的是運動的槳葉和靜止的擋板、槽壁之間的相互作用。根據模擬計算的需要，本文計算采用多重參考系法，將各個計算區域分成兩個或多個互不重疊的圓筒狀區域，整個攪拌槽分為旋轉區域和靜止區域兩部分，旋轉區域的幾何結構只有攪拌槳，靜止區域的幾何結構包括整個槽壁、擋板等。

本文以單軸攪拌為例分析，以XZ平面為分解槽底面建立圓柱形流場模型，坐標原點位于底面中心，Y方向為攪拌主軸方向。

邊界條件進行如下設置：

（1）對穩態，分解槽的槽壁、槽底部以及攪拌槳表面均為無滑移固體壁面；

（2）攪拌槽液面視為自由液面；

（3）旋轉區域的旋轉角速度與攪拌槳轉速大小相等、方向相同，攪拌槳葉相對于旋轉坐標系靜止。

采用有限體積法對建立攪拌流場數學模型進行離散，對流項采用二階上迎風格式進行離散，與一階離散格式相比，二階離散格式的計算精度有很大的提高。對模型使用FLUENT三維解算器進行求解。

3 槳葉結構及其它條件參數的確定

3.1 槳葉結構

本文選取工業中14m分解槽中有實際應用的三種槳葉結構，進行必要簡化，建立模型如圖1～3。

圖1 槳葉模型一

圖2 槳葉模型二

圖3 槳葉模型三

三種槳葉直徑、層數及層間距參數如表1。

表1

3.2 其它參數

（1）擋板主要是在湍流狀態時為了消除槽內中央的“圓柱狀回轉區”而增設的，它可使槽內固體顆粒細而均勻。三種槳葉形式均按2個擋板考慮。

（2）確定三種攪拌槳葉的轉速為N1=4.8rpm；N2=N3=6rpm（式中1，2，3分別代表槳葉模型）。

（3）確定三種攪拌軸徑為φ508×20鋼管。

以上參數為基礎建立分解槽攪拌的幾何模型，對建立的幾何模型的流場采用有限體積法進行離散，即進行網格劃分。網格劃分中，重點處理了需要重點關注的幾何結構面的網格，再生成整個流場的網格。

面網格全部采用四邊形結構化網格，劃分形式為平鋪，網格間距60mm，整個流場的體網格劃分采用四面體/混合類型，劃分類型為TGrid，間距單軸和多軸均為400mm。

4 計算結果分析

攪拌槽攪拌的主要目的之一還要保持溶液濃度均勻，保證晶種與溶液有良好的接觸以利于析出晶體。通過模擬可以得到顆粒相在整個流場中的分布狀況，以及確定顆粒相的高濃度區域。

通過流產分析計算，本文分別確定流場內125μm顆粒和70μm顆粒在垂直于底面的幾個橫截面上的體積分布圖。圖4～6為125μm顆粒模擬計算結果。

圖4 X-Y面體積分布

圖5 Y-Z面體積分布

圖6 W-Y面體積分布

從圖4～6中可以看出，通過攪拌的作用，除液面主軸位置附近和液面邊緣附近有一個較低顆粒濃度的區域和底面有較高的顆粒濃度的區域外，顆粒相在分解槽內分布比較均勻。

兩種顆粒在底面上都有比較明顯的沉積，可以判斷底層槳附近區域是沉積高危區，且易沉積的區基本可以分為兩塊，就是主軸附近區域以及槽底邊緣的區域。

通過對體積分布圖分析，可能形成較大沉積的三種模型比較如下：X-Y面：模型一＜模型三＜模型二；Y-Z面：模型一＜模型三＜模型二；W-Y面：模型一＜模型三＜模型二。

5 結束語

分解槽攪拌的主要目的之一是使固液相混合均勻，加快分解析出過程，控制結疤。但通過對各種槳葉結構的流場分析，可發現盡管現階段提出了各種各樣的改進槳型，但是結疤仍是不可避免，流場中顆粒相分布仍存在明顯分區，這是現階段機械攪拌不可避免的問題，只能逐漸改進。而曾經提出的空氣攪拌等其余攪拌方式又因能耗、控制等問題沒能廣泛推廣。因此，對與種子分解攪拌雖然在工業中應用已經非常成熟，但存在的問題仍然是問題，雖然有所改進，但其發展空間仍是很大。

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