钙化渣碳化反应器的数值模拟.pdf
书书书 收稿日期2 0 1 3- 1 1- 1 5 基金项目国家高技术研究发展计划项目( 2 0 1 0 A A 0 3 A 4 0 5 ) ; 国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 7 4 0 4 7 , U 1 2 0 2 2 7 4 ) ; 辽宁省创新团队 资助项目( L T 2 0 1 0 0 3 4 ) . 作者简介张子木( 1 9 8 4- ) , 男, 河南周口人, 东北大学博士研究生;刘 燕( 1 9 7 0- ) , 女, 湖南湘乡人, 东北大学教授. 第3 5 卷第1 0 期 2 0 1 4年 1 0月 东北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) J o u r n a l o f N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e ) V o l . 3 5 , N o . 1 0 O c t .2 0 1 4 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 5- 3 0 2 6 . 2 0 1 4 . 1 0 . 0 1 9 钙化渣碳化反应器的数值模拟 张子木1,刘 燕2,章 俊3,王 颖2 ( 1 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 ; 2 东北大学 多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 ; 3 北京矿冶研究总院,北京 1 0 0 1 6 0 ) 摘 要针对低品位铝土矿在工业中利用率不高、 赤泥中高碱高铝等问题, 提出了钙化 - 碳化法处理低 品位铝土矿和赤泥的新方法. 设计了文丘里式钙化渣碳化反应器, 利用商用 C F D软件 A N S Y S 1 3 0 / F l u e n t 对 该反应器中气液固三相流动进行了模拟计算. 模拟和研究了表观气速等结构参数对钙化渣碳化反应器内速 度场、 气含率的影响, 发现增大表观气速有利于促进气液间传质和反应, 但气含率不宜过大. 平均气含率的模 拟值与实测值吻合良好, 验证了所提方法的有效性. 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 - 碳化法; 钙化渣碳化反应器; 数值模拟; 速度场; 气含率 中图分类号T Q0 2 7 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 5- 3 0 2 6 ( 2 0 1 4 ) 1 0- 1 4 5 2- 0 4 N u me r i c a lS i mu l a t i o n o fC a r b o n a t i o n R e a c t o r f o r C a l c i f i e d R e s i d u e s Z H A N GZ i m u 1,L I UY a n2,Z H A N GJ u n3,W A N GY i n g2 ( 1 .S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f R o l l i n ga n dA u t o m a t i o n ,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 g 1 1 0 8 1 9 ,C h i n a ; 2 .K e y L a b o r a t o r yo fE c o l o g i c a lU t i l i z a t i o no fMu l t i m e t a lI n t e r g r o w nO r e so fMi n i s t r yo fE d u c a t i o n ,N o r t h e a s t e r n U 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 ;3 .B e i j i n gG e n e r a l R e s e a r c hI n s t i t u t eo f Mi n i n ga n dMe t a l l u r g y ,B e i j i n g 1 0 0 1 6 0 ,C h i n a .C o r r e s p o n d i n ga u t h o r L I UY a n ,E m a i l s h a n q i b a o 2 0 0 0 @1 6 3 . c o m) A b s t r a c t A i m i n ga t t h ep r o b l e mo f t h el o wu t i l i z a t i o no f l o w g r a d eb a u x i t ei ni n d u s t r ya n dt h a t o ft h eh i g h a l k a l ia n dh i g h a l u m i n u m c o n t e n t si nr e dm u d ,an e w m e t h o do fc a l c i f i c a t i o n c a r b o n a t i o nw a s p r o p o s e dt op r o c e s s l o w g r a d e b a u x i t e a n dr e dm u d . Av e n t u r i c a r b o n a t i o nr e a c t o r f o r c a l c i f i e dr e s i d u e s w a s d e s i g n e d ,a n dt h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f g a s l i q u i d s o l i dt h r e e p h a s e f l o w i nt h er e a c t o rw e r es i m u l a t e db yu s i n gA N S Y S 1 3 0 / F l u e n t .T h ee f f e c to fo p e r a t i o n p a r a m e t e r s s u c ha ss u p e r f i c i a l g a sv e l o c i t yo nv e l o c i t yf i e l da n dg a sh o l d u pi nt h er e a c t o rw a s s i m u l a t e da n di n v e s t i g a t e d .I t s h o w st h a t h i g hg a sv e l o c i t yb e n e f i t sg a s l i q u i dm a s st r a n s f e r a n d r e a c t i o n ,b u t t h e g a s h o l d u ps h o u l dn o t b e t o ol a r g e .T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s o f a v e r a g e g a s h o l d u p a g r e ew e l l w i t ht h em e a s u r e do n e s ,t h u st h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o di sv e r i f i e d .T h er e s u l t s h a v eac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o r t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f v e n t u r i c 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 l c i f i c a t i o n c a r b o n a t i o n ;c a r b o n a t i o nr e a c t o rf o rc a l c i f i e dr e s i d u e s ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;v e l o c i t yf i e l d ;g a s h o l d u p 张延安等经多年研究提出了碳化法处理低品 位铝土矿( 赤泥) 及其他含铝原料的新方法, 即首 先通过钙化处理将铝土矿或赤泥中的硅全部转化 为钙铝硅化合物即水化石榴石[ 1 - 2 ]. 使用 C O 2对 水化石榴石进行碳化处理, 得到主要组成为硅酸 钙、 碳酸钙及氢氧化铝的混合物, 再通过低温溶铝 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实现铝土矿资源的循 环. 目前, 该技术已申请两项国家发明专利[ 1 - 2 ] 基于钙化 - 碳化转型生产氧化铝的方法及一种消 纳拜耳法处理赤泥的方法. 沈阳铝镁设计研究院 对该技术的经济效益进行了评价, 结果表明 使用 该技术在生产过程中的经济效益良好, 尤其在处 理低铝硅比原料( 赤泥) 时的经济效益明显好于 国内同类技术[ 3 - 8 ], 且仅需在现有的氧化铝生产 中添加碳化过程核心装备就可进行生产, 推广前 景广阔. 尽管该技术有上述的优势, 但要实现低品位 铝土矿新方法的突破, 必须系统深入地研究低品 位铝土矿钙化溶出过程和钙化渣碳化过程这两个 关键技术环节. 本课题就是围绕新方法的第二个 关键技术环节 钙化转型渣碳化过程, 开展创 新性的研究, 探索钙化转型渣碳化过程多相反应 规律. 钙化转型渣碳化过程涉及气液固三相, 属于 复杂的三相浆态床体系. 本课题就是围绕钙化渣 碳化过程开展创新性的研究, 研究气液固三相混 合效果, 探索钙化渣碳化反应器内流场变化规律. 利用 数 值 模 拟 的 方 法, 运 用 商 用 C F D 软 件 A N S Y S 1 3 0 / F l u e n t 系统地研究钙化渣碳化过程 中气液固三相混合的影响因素及其相互作用规 律, 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实验依据. 1 数学模拟方法 1 1 数学模型 本文采用欧拉三相模型模拟气液固间相互作 用. 只考虑反应器内流体流动, 不考虑能量传输, 数学方程如下[ 9 - 1 0 ]. 1 )连续方程 ( α qρq)+ ( αqρqvq)= 0 , q = g , l , s . ( 1 ) 式中 α q为第 q 相体积分数; ρq为第 q相密度; vq 指第 q 相的速度. 2 )动量方程 t ( α g , lρg , lvg , l) + ( αg , lρg , lvg , lvg , l)=- αg , lp + τ g , l+ αg , lρg , lg +∑Fg , l. ( 2 ) t ( α sρsvs) + ( αsρsvsvs) =- αsp - ps+ τs+ α sρsg +∑Fs, ( 3 ) τ q= αqμq( vq+ v T q)+ αq ( λ q-2 3 μ q) vqI .( 4 ) 式中 p 为压力; g 为重力; F q为第 q相所受外力; p s为固相压力; τq是第 q 相的压力应变张量. 选择标准 k - ε混合湍流模型( m i x t u r et u r b u l e n c em o d e l ) 对气液固三相湍流进行模拟. 1 2 几何模型 文丘里射流器采用河北三阳盛业玻璃钢有限 公司生产的 Z S L ( F ) 型水力喷射器, 尺寸见图 1 . 其中喉口直径为 2 5 m m, 进口直径为3 8 m m, 出口 直径为 3 6 m m, 气体进口直径为2 0 m m, 文丘里射 流器与主反应器相连, 主反应器由有机玻璃材质 做成, 其中内径为 2 4 0m m, 有效高度为 6 1 5m m, 溢流口直径 1 0 0m m. 图 1 设备几何尺寸 F i g 1 G e o me t r i cd i me n s i o n so f r e a c t o r 1 3 物性参数 本文中固液两相流体均视为不可压缩流体, 计算过程中不考虑能量传输, 考虑外界气压 ( 1 0 1 3 2 5P a ) 和重力的影响. 其他物性条件 空气 密度为1 2 2 5 k g / m 3, 黏度为1 7 8 9 4 1 0- 5P a s ; 水密度为1 0 0 0 k g / m 3, 黏度为1 0 0 3 1 0- 3P a s ; 玻璃珠密度为 2 4 7 7k g / m 3, 颗粒直径为 1 7 6μ m. 1 4 边界条件 速度入口( v e l o c i t yi n l e t ) 作为气、 液两相进口 边界, 充分发展的自由液面出口( o u t f l o w ) 作为流 体出口边界. 壁面采用无滑移固体壁面. 2 结果与讨论 2 1 表观气速对速度场的影响 实验条件 表观液速为5 4 7 m s - 1, 表观气速 分别为 1 7 7 , 2 6 3 , 3 5 4 , 4 4 2 , 5 3 1 , 6 1 9m s - 1, 气液固三相体系, 液固质量比为 1 0 ∶ 1 . 图 2为在不同表观气速下主剖面( x=0平 面) 上的液相速度分布图. 图 3是中心轴线上液 3541第 1 0期 张子木等钙化渣碳化反应器的数值模拟 相沿轴向的速度值. 横坐标为钙化渣碳化反应器 的轴向位置, 纵坐标为竖直方向的气相或液相 速度, 从图中可以看出, 通气之后液速明显增大, 这 主要是因为通气使反应器中流体湍动加剧. 表观气 速的增加, 增大反应器内的湍动能, 从而加快了液 体流速. 从图中还可以看出, 速度峰值出现在文丘 里喷射器的喉口处, 这是因为喉口处直径最小. 图 2 不同表观气速下液速分布 F i g 2 L i q u i dv e l o c i t yw i t hd i f f e r e n t s u p e r f i c i a l a i r v e l o c i t i e s 图 3 不同表观气速下轴向液速 F i g 3 A x i a l l i q u i dv e l o c i t ya t d i f f e r e n t s u p e r f i c i a l a i r v e l o c i t i e s 图 4是圆锥台与圆柱主反应器相交的界面 ( z = 0 2 3 5m) 上液相沿径向的速度值, 横坐标为 钙化渣碳化反应器的径向位置, 纵坐标为竖直方 向的气相或液相速度. 从图中可以看出, 当气速增 大时, 反应器内液体速度增加, 由于射流作用, 呈 现气相和液相的速度在轴心附近达峰值、 两侧较 低的态势, 器壁附近出现速度为负值的现象. 这主 要是因为在重力沉降的作用下, 整个反应器中的 流体呈现在床层中心向上、 在边壁区向下的内循 环流动. 这也是本反应器特有的介于传统流化床 与输送床之间的内循环流化床. 综上, 当气速增大时, 反应器内湍流流动加 剧, 器内进气量增加, 气液接触面积增大, 有利于 促进气液间传质和反应. 图 4 不同表观气速下径向液速 F i g 4 R a d i a l l i q u i dv e l o c i t ya t d i f f e r e n t s u p e r f i c i a l a i r v e l o c i t i e s 2 2 表观气速对气含率的影响 图 5为在不同表观气速下 x = 0平面上的气 相分布图, 图 6是其对应的局部气含率. 从图中可 以看出, 钙化渣碳化反应器内气含率随着进气 速度的增加单调递增. 这主要是因为在进气面积 一定的条件下, 增大进气速度, 进气量增加, 单位 体积内的气泡数量增多, 所以平均和局部气含率 增大. 图 5 不同表观气速下气含率图 F i g 5 G a sh o l d u pw i t hd i f f e r e n t s u p e r f i c i a l a i r v e l o c i t i e s 图 6 不同表观气速下局部气含率 F i g 6 L o c a l g a sh o l d u pw i t hd i f f e r e n ts u p e r f i c i a l a i r v e l o c i t i e s 4541东北大学学报( 自然科学版) 第 3 5卷 从图中还可以看出, 钙化渣碳化反应器中的 气含率呈现均匀分布的态势, 由此可见, 本课题 所采用的文丘里射流器对气泡的细化及分散有 很好的效果, 这也为将来要设计的高温高压反 应器提供了有力的理论依据. 但是, 气含率的增大 存在一个适宜的范围, 有关研究表明流化床反应 器内气含率不得大于 0 3 , 否则气液就会相互合 并, 以液体为连续相的分散型气液两相流就将被 破坏[ 1 1 ]. 从图 6中可以看出, 钙化渣碳化反应器中的 平均气含率没有超过 0 3 , 本研究范围内, 平均气 含率最大值为 0 2 6 , 因此该反应器中依然能保持 稳定的以液相为连续相的气液两相流, 进而保证 固相也能同液相一起连续运动. 2 3 平均气含率实测值与模拟计算值的比较 图 7比较了利用压差法得到的平均气含率实 测值与利用 C F D得到的平均气含率的模拟计算 值. 从图中可以看出, 模拟计算值与实测值吻合良 好, 并且可以看到随表观气速的增加, 平均气含率 也相应增加, 但是实验值呈现非线性增加, 而数值 模拟基本呈现线性增加. 这是由于实验时, 表观气 速大, 床层内湍动现象明显, 实验过程中液面波动 加剧, 人为读取液面高度时产生了误差, 进而导致 实验值与模拟值有一定的差异. 图 7 不同表观气速下平均气含率的实验值与模拟值的 比较 F i g 7 C o mp a r i s o nb e t w e e ne x p e r i me n t a n dC F D s i mu l a t i o nr e s u l t so f a v e r a g eg a sh o l d u p 尽管极个别实验结果与数值模拟结果存在一 定的差异, 但是从图 7中可以看出, 模拟预测的 平均气含率与实验结果基本吻合, 误差在允许的 范围内. 验证了采用 E u l e r i a n三相湍流模型模 拟分析钙化渣碳化反应器内不同表观气速对平均 气含率的影响是可行的, 同时采用该模型模拟分 析钙化渣碳化反应器内气液固三相流场也具有可 信度. 3 结 论 1 )增大表观气速, 反应器内湍流流动加剧, 反应器内进气量增加, 气液接触面积增大, 有利于 促进气液间传质和反应. 2 )局部气含率过大会导致气泡的聚并现象 加剧, 降低气液接触面积, 不利于反应进行. 本研 究范围中, 平均气含率最大值为 0 2 6 , 该反应器 中依然能保持稳定的以液相为连续相的气液两 相流. 3 )通过实验和模拟得到的反应器内平均气 含率变化趋势一致, 验证了本研究采用 E u l e r i a n 三相湍流模型模拟分析钙化渣碳化反应器内不同 表观气速对平均气含率的影响是正确的, 同时利 用该模型模拟分析钙化渣碳化反应器内气液固三 相流场也是完全可行的. 参考文献 [ 1 ] 张廷安, 吕国志, 刘燕, 等. 基于碳化 -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 . ( Z h a n gT i n g a n , L y uG u o z h i , L i uY a n , e t a l . Am e t h o do f p r o d u c i n gA l 2O3b a s e d o n c a r b o n a t i o n c a l c i f i c a t i o n t r a n s i t i o n C h i n a , 2 0 1 1 1 0 2 7 5 0 1 3 . 6 [ P ] . 2 0 1 2- 1 0- 3 1 . ) [ 2 ] 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 . ( Z h a n gT i n g a n , L y uG u o z h i , L i uY a n , e t a l . Am e t h o do f d i s p o s i n gr e dm u df r o mB a y e r p r o c e s s C h i n a , 2 0 1 1 1 0 2 7 5 0 3 0 . X [ P ] . 2 0 1 2- 1 0- 3 1 . ) [ 3 ] L i XB , X i a oW, L i uW, e ta l . R e c o v e r yo fa l u m i n aa n d f e r r i co x i d ef r o m B a y e rr e dm u dr i c hi ni r o nb yr e d u c t i o n s i n t e r i n g [ J ] . T r a n s a c t i o n so f N o n f e r r o u sMe t a l sS o c i e t yo f C h i n a , 2 0 0 9 , 1 9 ( 5 ) 1 3 4 3- 1 3 4 7 . [ 4 ] L i uZF . O u t l o o ko fC h i n e s eb a u x i t er e s o u r c e [ J ] .L i g h t Me t a l s , 2 0 0 1 , 2 4- 9 . [ 5 ] H uYH . P r o g r e s si nf l o t a t i o nd e s i l i c a [ J ] . T r a n s a c t i o n so f N o n f e r r o u s Me t a l s S o c i e t y o f C h i n a , 2 0 0 3 , 1 3 ( 3 ) 6 5 6- 6 6 1 . [ 6 ] P a r a m g u r uRK , R a t hPC , Mi s r aV N . T r e n d si nr e dm u d u t i l i z a t i o n ar e v i e w[ J ] . Mi n e r a l P r o c e s s i n ga n dE x t r a c t i v e Me t a l l u r g yR e v i e w , 2 0 0 5 , 2 6 ( 1 ) 1- 2 9 . [ 7 ] Ma r t c h e kK . Mo d e l i n g m o r es u s t a i n a b l ea l u m i n i u m[J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f L i f e C y c l e A s s e s s m e n t , 2 0 0 6 , 1 1 ( 1 ) 3 4- 3 7 . [ 8 ] Mo h a m m a dZ , E s m a e i lJ , Mi r s a l e hM, e ta l . Mi n e r a l o g i c a l a n ds i n k f l o a ts t u d i e so fJ a j a r m l o w g r a d eb a u x i t e [ J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mi n e r a l s , Me t a l l u r g ya n dMa t e r i a l s , 2 0 1 0 , 1 7 ( 3 ) 2 5 1- 2 5 6 . [ 9 ] P a n n e e r s e l v a mR , S a v i t h r i S , S u r e n d e r GD . C F Ds i m u l a t i o n o f h y d r o d y n a m i c s o f g a s l i q u i d s o l i d f l u i d i z e d b e d r e a c t o r [ J ] . C h e m i c a l E 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 ] A f s i nG , N u r d i l E . H y d r o d y n a m i cm o d e l i n go fac i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d [ J ] . P o w e r T e c h n o l o g y , 2 0 0 7 , 1 7 ( 2 ) 1- 1 3 . 5541第 1 0期 张子木等钙化渣碳化反应器的数值模拟