（热能工程专业论文）机械搅拌式浸出槽固液两相流数值模拟与优化.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no ns o l i d - l i q u i d m u l t i p h a s ef l o wo f t h em e c h a n i c a ls t i r r e dz i n cl e a c ht a n k a p p l i c a n t ： m a j o r ： s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 2 s c h o o lo f e n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，er c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 一，r 作者签名： 2 霉鹾孥 日期：釜f 兰年上月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：鸯幽丝 导师签名日期：趁生年月三日 中南大学硕士论文 摘要 摘要 机械搅拌式锌浸出槽是目前湿法炼锌浸出工序的主要设备。由于 槽内存在搅拌状况不佳，速度分布不均匀，槽底部沉淀严重等问题， 使得锌浸出率较低。本文应用数值模拟方法研究浸出槽内固液两相流 动及槽内固相悬浮状况的规律，对解决槽底沉积、提高锌浸出率具有 重要意义。 本文以某企业圆形浸出槽为研究对象，基于f l u e n t 软件，采用欧 拉欧拉多相流模型、标准七一s 湍流模型、多重参考系法，对浸出槽 内固液两相流动过程进行了数值模拟研究，将临晃离底悬浮转速的数 值模拟结果与z w i e t e r i n g 临界转速进行了比较，两者吻合较好，验证 了模型的有效性。 基于数值模拟方法，研究了桨叶间距、阻尼板宽度、桨叶离底高 度对浸出槽内流场的影响规律。结果表明：在一定范围内增大桨叶间 距有利于固相分布均匀，从而促进固液相之间的传质扩散；增大阻尼 板宽度有利于槽内固相的上浮，但当增大到一定宽度后，对固相上浮 的影响变小；在允许范围内降低桨叶离槽底高度和槽底中心加凸台对 改善底部沉积具有明显效果，但底部桨叶所承受的压力将随桨叶离槽 底高度减小而增大。 采用示踪剂方法对不同桨叶间距、阻尼板宽度以及底层桨叶离底 高度下浸出槽内液相停留时间进行了数值模拟，平均停留时间为 1 4 0 0 s 左右，出口处浓度峰值时间较短( 1 3 0 1 9 0 s ) ，存在局部“短路 现象。结构参数的变化对平均停留时间的影响不大，但对峰值时间影 响较大。桨叶间距为桨叶直径的1 5 倍时槽内“短路 最为严重，阻 尼板宽度增加以及桨叶离底高度太低时，使峰值时间减小，不利于浸 出。 基于正交试验法，对5 种参数进行了优化研究，结果表明：在各 因素之中，对槽内固相浓度影响最大的是转速，其次是粒径、桨叶间 距、阻尼板高度和桨叶类型。最优工况为阻尼板3 4 5 m m ，桨叶间距 4 m ，转速6 0 r m i n ，粒径0 2 m m ，推进式桨叶。优化的工况下整个槽 内流体流速较大，且流动较多为轴向流；固相在槽内分布较为均匀， 槽底沉积较少，槽内固相体积浓度比基本工况提高了8 2 。 关键词：浸出槽，固液两相流，数值模拟，停留时间，正交试验 中南大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t m e c h a n i c a ls t i r r e dz i n cl e a c ht a n ki sak e yf a c i l i t yi nt h ep r o c e s s o fz i n ch y d r o m e t a l l u r g y 1 1 1 ez i n cl e a c h i n gr a t ei sl o wd u et ot h ep o o r m i x i n gc o n d i t i o n ，t h en o n u n i f o r mv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，a n dt h es e r i o u s s o l i dd e p o s i t i o na tt h eb o t t o m t h e r e f o r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s o l i d 1 i q u i dt w o - p h a s ef l o w sa n ds o l i ds u s p e n s i o ni nt h et a n ki se s s e n t i a l t oo p t i m i z ei t sc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o np a r a m e t e rf o rd e c r e a s i n gt h e s o l i dd e p o s i t i o na tt h eb o t t o ma n di m p r o v i n gt h ez i n cl e a c h i n gr a t e b a s e do nf l u e n ts o f t w a r e ，t h es o l i d 1 i q u i dt w o - p h a s ef l o wf i e l do f m e c h a n i c a ls t i r r e dz i n cl e a c ht a n kw a ss i m u l a t e dw i t he u l e r i a n e u l e r i a n m u l t i p h a s em o d e l s t a n d a r d k st u r b u l e n c em o d e la n dm u l t i r e f e r e n c e f l a m em e t h o d t h er e s u l to fc r i t i c a l s u s p e n d e di m p e l l e rs p e e dw a s c o m p a r e dw i t ht h ez w i e t e r i n gc o r r e l a t i o na n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e l a n dm e t h o dw e r ev e r i f i e d 砀ei n f l u e n c e so fs o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h ed i s t a n c e sb e t w e e n t w oi m p e l l e r s ，t h ew i d t ho fb a f f l ea n dt h ed i s t a n c eo fi m p e l l e rf r o m b o t t o m ，o nf l o wd i s t r i b u t i o ni nt h et a n kw e r es t u d i e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n c r e a s eo ft h ed i s t a n c eb e t w e e n t w oi m p e l l e r sw i t h i nac e r t a i nr a n g ei sh e l p f u lf o rt h eu n i f o r md i s t r i b u t i o n o fs o l i dp h a s e ，w h i c hp r o m o t e st h em a s st r a n s f e ra n dd i f f u s i o nb e t w e e n s o l i da n dl i q u i d i n c r e a s i n gt h ew i d t ho ft h eb a f f l ei sa d v a n t a g e o u st ot h e r a i s eo fs o l i dc o n c e n t r a t i o n ，b u tw h e nt h e r ei sl i t t l ei n c r e a s eo ft h es o l i d c o n c e n t r a t i o ni ft h ew i d t ho fb a f f l ei sc o n t i n u e st ob eg r o w n l o w e r i n g t h ed i s t a n c eo fi m p e l l e rf r o mb o t t o ma n da d d i n gac e r t a i nc o n v e xp l a t e c a nd e c r e a s et h es o l i dd e p o s i t i o na tt h eb o t t o m ，b u tt h ep r e s s u r eo ft h e b o t t o mi m p e l l e rm e a n w h i l ew i l li n c r e a s e t h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o no fl i q u i dp h a s eo fs o m ep a r a m e t e r s ， s u c ha st h ed i s t a n c e sb e t w e e nt w oi m p e l l e r s t h ew i d t ho fb a f ! 1 ea n dt h e d i s t a n c eo fi m p e l l e rf r o mb o r o mi nt h et a n k ，w a sc a l c u l a t e dm a i n l yb y t r a c e rm e t h o d 1 1 1 em e a nr e s i d e n c et i m ei sa b o u t14 0 0 sa n dt h ep e a kt i m e i sa b o u t13 0 - 19 0 s i ta p p e a r s “s h o r t - c i r c u i t i n g i nt a n k t h ec o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r so ft h et a n kh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h em e a nr e s i d e n c et i m e t h e s h o r t - c i r c u i t i n g i sm o r es e r i o u sw h e nt h ed i s t a n c e sb e t w e e nt w o 中南大学硕士论文a b s 瞰c t i m p e l l e r si s1 5 正1 1 1 ep e a kt i m er e d u c e sw h e nt h ew i d t ho fb a f f l ei s e n l a r g e da n dt h ed i s t a n c eo fi m p e l l e rf r o mb o t t o mi st o o1 0 w ，w h i c hi s h a r m f u lt ol e a c h t h ef i v ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h et a n kw e r e o p t i m i z e db y t h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n 1 1 1 ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a l lb eo b t a i n e d ：t h em o s ti m p o r t a n c eo ft h ep a r a m e t e r st o s o l i dc o n c e n t r a t i o ni sr o t a t es p e e d ，a n dt h eo t h e r s o r d e ri sp a r t i c l es i z e ， t h ed i s t a n c e sb e t w e e nt w oi m p e l l e r s ，t h ew i d t ho fb a f f l e ，t h et y p eo f i m p e l l e r t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r si st h ew i d t ho fb a f f l e3 4 5 m m ，t h e d i s t a n c e sb e t w e e nt w oi m p e l l e r s4 m ，r o t a t es p e e d6 0 r m i n ，p a r t i c l es i z e 0 2 m m ，p u s ht y p ei m p e l l e r , i no p t i m i z e dc a s et h ef l u i dv e l o c i t yi sm o s t i n c r e a s e d , f l u i df l o w si na x i a ld i r e c t i o n s o l i dp h a s ed i s t r i b u t e su n i f o r m a n dd e p o s i t i o nb e c o m e sl e s s s o l i dc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sb v8 2 c o m p a r e dw i t ht h eb a s i cc a s e k e yw o r d s ：l e a c ht a n l qs o l i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o w s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；r e s i d e n c et i m e ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l + d e s i g n 中南大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 目录i 第一章绪论1 1 1 湿法炼锌浸出工艺简介1 1 1 1 浸出原理l 1 1 2 浸出过程的主要化学反应2 1 1 3 浸出技术的研究现状4 1 1 4 浸出设备5 1 2 机械搅拌槽内流场的研究5 1 2 1 搅拌槽内流体的宏观流型6 1 2 2 搅拌槽流场数值模拟中旋转体系的处理方法6 1 2 3 多相流的数值模拟8 1 3 主要研究内容1 2 第二章机械搅拌式浸出槽数学物理模型1 4 2 1 研究步骤1 4 2 2 物理模型l5 2 2 1 几何模型一1 5 2 2 2 计算区域的离散化15 2 3 搅拌桨的处理1 6 2 4 基本假设17 2 5 数学模型17 2 5 1 多相流模型1 7 2 5 2 湍流模型19 2 6 边界条件及物性参数19 2 6 1 边界条件19 2 6 2 物性参数2 0 2 7 本章小结2 0 第三章单层桨叶工况两相流数值模拟与模型验证2 1 中南大学硕士论文 目录 3 1 单层桨叶工况槽内流动的数值模拟2 l 3 2 模型验证方法及颗粒离底悬浮状态的判别方式2 2 3 3 临界离底悬浮转速的经验计算式2 4 3 4 临界离底悬浮转速的数值模拟2 4 3 5 结果对比及模型验证2 6 3 6 本章小结2 6 第四章浸出槽内固液两相流数值模拟2 7 4 1 基准工况两相流模拟2 7 4 1 1 速度分布。2 7 4 1 2 固相浓度分布3 0 4 1 3 桨叶压力分布3 0 4 2 桨叶层数对流场的影响31 4 2 1 速度分布3l 4 2 2 固相浓度分布3 2 4 3 桨叶间距对流场的影响3 3 禾3 1 速度分布。3 3 4 3 2 固相浓度分布3 4 4 3 3 桨叶压力分布3 6 4 4 阻尼板宽度对流场的影响：3 7 4 4 1 固相浓度分布3 8 4 4 2 桨叶压力分布3 9 4 5 桨叶离底高度对流场的影响3 9 4 6 底部凸台对流场的影响4 2 4 6 1 速度分布4 3 4 6 2 固相浓度分布4 3 4 7 液相停留时间的数值模拟4 4 4 7 1 液相停留时间的基本概念。4 4 4 7 2 停留时间的数学描述4 5 4 7 3 停留时间数值模拟方法4 6 4 7 4 浸出槽液相停留时间数值模拟结果及分析4 6 4 8 本章小结4 9 第五章结构与操作参数优化5 1 5 1 优化试验方法5 1 5 1 1 全面试验法5 1 中南大学硕士论文 目录 5 1 2 均匀试验设计法51 5 1 3 正交试验设计法5 2 5 2 浸出槽正交试验方案5 2 5 2 1 试验指标5 2 5 2 2 因素水平表一5 2 5 2 3 确定试验方案5 3 5 3 结果分析5 3 5 4 本章小结5 9 第六章主要结论与建议6 0 6 1 主要结论6 0 6 2 建议6 l 参考文献6 3 致 射6 9 攻读学位期间主要的研究成果7 1 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 锌属于有色金属，其应用非常广泛。我国锌资源丰富，年产锌量大，至2 0 0 9 年底，我国锌产量达至u 4 2 0 万吨，居世界第一【l 】。自然界的锌矿主要以硫化矿物 和氧化矿物存在，由于硫化矿物一直是炼锌的主要原料，已经日益枯竭，现存的 锌矿大多数都是氧化矿物，氧化矿物由于种类繁多，结构复杂，且品位较低，因 此在冶炼过程中不但对技术要求苛刻，对设备也要求较高【2 一。 目前，锌的冶炼方法主要包括火法和湿法。火法炼锌技术属于早期的炼锌方 法，其主要原理是采用一种还原剂( 例如碳) 将矿物中的锌在高温条件下进行还 原反应得到锌金属。传统的火法炼锌工艺一般都存在能耗高、环境污染严重、锌 回收率底等特点，例如已经被淘汰的横罐炼锌法和竖罐炼锌法。密闭鼓风炉炼锌 也是一种火法炼锌方法，由于这种冶炼方法对矿石原料适用性特别强，能处理复 杂的锌铅原料，是目前还在应用的炼锌方法，但也存在操作环境严格，作业环境 较难控制等缺点【5 1 。 湿法炼锌是现在应用最多的炼锌方法，其基本过程是将锌矿焙烧产物以及一 些含锌烟尘用稀硫酸浸出，使原料中的锌转化成硫酸锌进入溶液后再经过净化、 电解，使锌从溶液中沉积出来的一种炼锌工斟6 7 】。湿法炼锌的主要工艺方法包 括中性浸出工艺、富氧直接浸出工艺和热酸浸出工艺等。而这些方法的特点是成 本低、锌回收率高、对环境危害较小。随着湿法炼锌工艺的快速发展，在炼锌过 程中出现了越来越多的新工艺和新方法，例如黄钾铁钒法、针铁矿法、赤铁矿法 等除铁方法在处理浸出渣中的成功应用，大量减少了浸出液中的铁含量，从而使 锌的回收率大幅提高【引。 1 1 湿法炼锌浸出工艺简介 湿法炼锌主要由以下工序组成：焙烧、浸出、净化、电解和熔铸。其中浸出 工序是湿法炼锌中重要组成部分，生产实践表明，提高锌浸出质量可以直接改善 后续电解锌效果，降低浸出渣含锌量，从而减少对浸出渣的再次浸出，能有效降 低能量消耗。 1 1 1 浸出原理 锌浸出过程将锌矿焙烧产物与稀硫酸或酸性废电解液反应，使其中的锌元素 形成化合物进入溶液中的过程 9 1 。在现代浸出工艺中，主要采用二段工艺，即中 中南大学硕士论文 第一章绪论 性浸出和热酸性浸出，其工艺流程如下图1 1 所示【l o 】，锌焙砂首先进入中性浸出， 经过浓缩分离，其溢流直接送往净化工段，底流由于含有难溶的锌化合物，因此 进入酸性浸出段进行二次浸出。经过浓缩分离，含锌较高的溢流将随锌焙砂再次 进入中性浸出段；含锌低的底流则送入浮选，得到银精矿，从而回收银，尾渣经 过过滤干燥后最后可以得到粗氧化锌粉。 堡擅贮 l 回收银 粗氧化锌粉 窑渣 图l - l 锌浸出工序流程图 锌焙烧矿在浸出过程中可以分为两个连续的阶段构成，一是是固体矿物与稀 硫酸发生化学反应生成硫酸锌溶液，其硫酸锌溶液包裹在固体矿物周围；二是硫 酸锌在溶剂中的物理扩散过程。 锌在焙烧矿中通常以z n o 、z n s 0 4 、z n s 、2 z n o 心0 3 、2 z n o 么乞0 3 等状 态存在，但主要形态是z n o 。 1 1 2 浸出过程的主要化学反应 冶炼锌的矿石主要有锌精矿、硫化锌矿和氧化锌矿。锌精矿锌品位高，易于 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 浸出；硫化锌矿是自然界分布最多的锌矿，由于含杂质较多，因此浸出过程较为 复杂；氧化锌矿一般以次生矿存在，是硫化锌矿经过长期风化转变形成的，其浸 出难度要高于前两种锌矿。 ( 1 ) 锌精矿的浸出 锌精矿经过焙烧后，其中的锌主要以氧化锌形态存在，在浸出过程中氧化锌 与稀硫酸反应，溶解生成硫酸锌和水，其反应式如下f l l 】： z n o + 2 h + 专z 1 1 2 + + h 2 0 ( 1 1 ) 溶解的速度依据溶剂中硫酸的浓度、溶剂的温度、浸出槽内的搅拌强度以及 氧化锌的性质而定。氧化锌溶解的完全程度根据溶液中是否有足够量的硫酸存在 和浸出的条件而定。当硫酸溶液不足时，氧化锌的溶解就会减少，整个浸出过程 将逐步减缓。 ( 2 ) 硫化锌矿的浸出 硫化锌矿一般采用加压酸浸法，加压浸出一般需要升高溶液的温度，使某些 气体( 例如o ，) 的分压提高，从而强化了气体在反应中的作用。 硫化锌矿在浸出过程中的主要反应如下： z n s + 2 h + + ! 0 2 专z n 2 + + s + h 2 0 ( 1 - 2 ) 2 z z f e s + 2 h + + 三o ：一f e 2 + + s + h ：o ( 1 - 3 ) 浸出反应的动力学研究表明，在一定的槽内温度和搅拌桨搅拌速度下，浸出 速率随着溶液酸度的提高呈线性增加，当达到一定速率后趋于稳定，这时酸度对 浸出速率影响不大，但会受槽内氧压的影响，随着氧压的提高而提高【1 2 - 13 1 。 ( 3 ) 氧化锌矿的浸出 氧化锌矿的硅含量较高，主要有硅酸锌矿( z n ，s i o 。) 和异极矿 ( z n 4 ( s i 2 0 7 ) ( o h ) h 2 0 ) ，其次有菱锌矿( z n c 0 3 ) 等。 硅酸锌和异极矿在浸出过程中与稀硫酸反应，其主要反应式如下： z n 2 s i 0 4 + 4 h + 一h 4 s i 0 4 + 2 z n 2 + ( 1 _ 4 ) 办4 ( s i 2 0 7 ) ( o h ) h 2 0 + 8 h + 专2 h 4 s i 0 4 + 4 z n 2 + + 2 h 2 0 ( 1 5 ) 在反应生成物中，硅酸容易继续形成硅溶胶，硅溶胶再经胶凝过程形成水凝 胶，当溶液中水凝胶含量过大时，溶液将呈半固体状态，影响固液之间的流动和 混合，从而使浸出率降低陋15 1 。 另外，在浸出过程中，浸出槽内的底流即浸出渣中含有一定量的锌、铅、镉、 铟等金属元素，在对这些浸出渣的处理中一般可以采用还原挥发的方法，使其中 的金属富集于烟尘中，再返回浸出以回收其中的锌及其它有价金属【1 6 】。 实验研究表明，锌矿经过焙烧进入浸出过程发生化学反应时，稀硫酸吸附在 3 中南大学硕士论文第一章绪论 锌焙砂的外表面，在液相与固相的界面上发生化学反应。随着反应的进行，锌焙 砂周围形成一层饱和硫酸盐溶液，溶剂需要通过饱和硫酸盐溶液层的扩散作用于 锌焙砂的下一层，使溶解过程得以继续进行。可见，锌的浸出速率是由锌焙砂和 稀硫酸的化学反应速率以及硫酸盐溶液的扩散速率所决定【l - 1 9 1 。进一步的研究发 现，氧化锌溶于稀硫酸中的反应属于典型的扩散速率控制的反应【2 0 】，因此，增 加溶液在锌焙砂中的扩散速率就成为提高锌浸出率的关键。 一般而言，硫酸盐的扩散速率与溶液的浓度差和周围流体的流速有关。在浓 度差一定的情况下，增加溶液与固体颗粒之间的速度差，有利于加快固体颗粒表 面溶液的更新速率，减小传质边界层厚度，显著增加扩散速率，从而促进锌的浸 出【2 l 】。因此浸出槽内液相、固相的流动速度以及型式对两相之间的扩散速率有 着重要影响，进而影响锌的浸出率。 1 1 3 浸出技术韵研究现状 锌浸出工艺中比较常用的主要有：热酸浸出、碱性浸出、富氧直接浸出等。 目前，国内外已有很多学者对这些工艺进行了大量的研究。 针对锌浸出渣中含有铁酸锌等难溶物以及硫化锌矿，一般采用热酸浸出。王 玉棉瞄l 等以浸出渣为原料，对其进行了实验研究，通过结合浸出过程的热力学 和动力学机理，得出了在浸出过程中搅拌转速对浸出率的影响较小，浸出率主要 由化学反应速率决定的结论。s o u z a 等因】的研究结果显示，硫化锌矿的浸出过程 分两步进行，最开始主要受化学反应控制，随着反应的进行，锌矿周围充满了硫 酸锌溶液，浸出的速度转变为受液膜扩散控制。两人研究结论不一致，其主要原 因在于增加转速，液固的速度同时增加，两者之间的相对速度不变，此时，高的 转速并不能破坏固相附近的液膜，致使王玉棉得出浸出属于化学反应速率控制的 结论。因此可以认为浸出的速率主要由溶液的扩散速率所决定。 碱性浸出是近年来研究的一种新的浸出方法，一般用来处理低品位矿物。碱 性浸出的主要优点有：易于固液分离，对设备腐蚀较小。目前国内外对碱性浸出 的研究较多。从国内来看，赵中伟等f 2 4 】提出了一种通过机械活化的方式处理氧 化锌矿的碱法浸出新工艺一“锌拜耳法 ，采用这种浸出工艺处理氧化锌矿时 可以达到较好的效果，其浸出率较高。陈爱良【2 5 】等对氧化锌矿的浸出过程进行 了实验研究，得到了影响碱性浸出的主要因素，其中浸出温度、溶液的碱浓度和 浸出时间对浸出过程有较大影响，锌矿粒径对浸出速率影响不大。乐卫和【2 6 】等 人采用n h 3 - n h 4 c i 体系对广西河池某高碱性氧化锌矿进行了实验研究，结果表明 采用该体系进行浸出时其浸出率较高。国外学者如h a r v e y t 2 7 等研究了硅酸锌矿物 的可溶性，结果表明采用氨水或氨铵盐体系浸出硅酸锌矿物时，其浸出效果 不理想，这说明浸出率的大小与锌矿的性质密切相关。c h e na i l i a n g 等网将异极 4 中南大学硕士论文第一章绪论 矿粉碎至u 6 5 - - 7 6 u m ，液固l g l o ，在8 5 。c 下用5 m o l l 苛性钠溶液浸出2 h ，z n 、a i 、 p b 、c d 浸出率分别为7 3 、4 5 、11 和5 。动力学研究显示其表观活化能是 4 5 7k j m o l ，说明整个浸出过程是由化学反应速率控制的。虽然碱性浸出有很多 优势，但同时也存在不少缺点，例如文献 2 9 】提出了在用碱法浸出氧化锌矿时， 影响浸出率的主要原因是由于矿物中含有较多硅酸锌、异极矿等不易浸出的含锌 化合物。 富氧直接浸出技术是目前湿法炼锌中应用较多的浸出工艺，分为富氧压力浸 出和常压富氧浸出。富氧压力浸出是在高温、高压的条件下，通过提高槽内氧气 分压以强化浸出的一种浸出方法 3 0 l ，应用比较成功的例子如：云南冶金集团的 永昌公司氧压浸出示范厂【3 1 1 。富氧常压浸出技术是由芬兰o u t o t e c 公司开发的 锌精矿浸出新技术，与富氧压力浸出的区别在于其浸出过程是在常压下进行的， 其浸出反应时间比氧压浸出时更长。株洲冶炼集团利用该技术建成的浸出厂实现 了浸出率高、环境污染小的目的【3 2 1 。陈永强等【3 3 】在采用富氧直接浸出法，成功 实现了对闪锌矿的浸出过程，研究结果显示当在一定浸出条件下，其浸出率依然 可以达到较高的水平。 虽然目前浸出工艺的研究已经趋于成熟，但这些工艺方法在应用过程中也常 有问题出现。这些问题的出现主要集中在两个方面：一是原料适应性问题，不同 的锌矿对工艺有不同的要求；二是浸出设备容易被腐蚀，搅拌器叶片容易被折断， 槽底沉积严重，使得现场掏槽次数频繁，造成人力物力的浪费。 1 1 4 浸出设备 浸出槽是浸出过程中使用的主要设备。浸出槽分为空气搅拌槽和机械搅拌槽 两大类【3 4 1 。 空气搅拌槽内装有两根通向锥底的压缩空气管，通以o 1 3 棚1 6 m p a 的压缩 风，使矿浆处于剧烈翻转运动状态，从而加强矿浆的混合作用。空气搅拌槽由于 现场环境恶劣、蒸汽消耗大、能耗高等缺点而被机械搅拌槽所替代。 机械搅拌槽主要由槽体和槽内搅拌装置组成，主要利用搅拌桨的高速旋转以 加强槽内固体颗粒和液体之间的相对运动，使固体颗粒加速溶解。与空气搅拌槽 相比较，机械搅拌槽具有浸出渣含锌低、动力消耗小、现场环境好、易于实现自 动化等优点。 1 2 机械搅拌槽内流场的研究 工程中的机械式搅拌槽是多相流体流动、传质、传热及化学反应的重要单元 设备。研究搅拌槽内部多相流的流动规律及特性对搅拌槽的设计、优化具有重要 中南大学硕士论文 第一章绪论 的指导意义。 1 2 1 搅拌槽内流体的宏观流型 搅拌槽内的混合一般属于湍流混合，由于各种搅拌桨高速旋转所形成的流动 状态不同，将产生三种基本的宏观流动场的型态：径向流、轴向流以及混合流。 径向流的流型如图1 2 所示，流体在搅拌桨的带动下高速旋转，并且沿槽径 向运动，碰到槽侧壁后形成向上和向下运动两股流体，然后再分别回到桨叶区， 这样在槽底和桨叶上部区域各产生一个循环区【3 5 阄。产生典型径向流的搅拌桨是 r u s h t o n 涡轮搅拌桨【3 7 】。 图1 3 所示流型为轴向流，由于桨叶形状的特点，流体在高速旋转搅拌桨的 带动下，整体向槽底流动，当与槽底碰撞后发生转向，形成向上流动的趋势，到 达槽项附近后沿径向流到槽中心搅拌轴处，最后再流到搅拌区，在槽内形成一个 大的循环区嗍。轴向流型搅拌桨有a 3 1 0 、a 3 1 5 、 k nn ：= c y - c 3 = ： uu 图1 2 径向流图l - 3 轴向流 在长期的应用中发现：径向流搅拌桨桨区局部剪切作用强烈，有利于流体的 混合，但由于其搅拌区域有限，导致全槽混合差而且能量消耗高。轴向流搅拌桨 对槽内整体混合较好，不存在分区循环，并且还可以提高循环区的液流速度，但 其对流体的剪切作用不如径向流搅拌桨。在工业应用中，有时也可以将多种搅拌 桨以多层的方式组合在一起，从而在槽内形成了混合流，这种方式可以充分利用 不同类型搅拌桨的优势，从而满足工程应用中一些特殊的搅拌要求。 由于浸出槽槽内为固液两相流动，使固体颗粒在槽内悬浮需要较大的液流速 度，其桨叶类型为p b t u ，槽内流动以轴向流为主。 1 2 2 搅拌槽流场数值模拟中旋转体系的处理方法 搅拌槽内流场的实验研究开展得比较早，但通过实验测量槽内流场时会受一 6 中南大学硕士论文 第一章绪论 些因素的限制。例如工程中采用的搅拌设备大多是封闭不可见的容器，利用实验 仪器测量里面的数据将要花费很大的物力和人力，并且测量到的也只是槽内的局 部区域的数据，很难了解整个槽内流体的流动状况。计算流体动力学( c f d ) 技 术的发展为解决这一问题提供了新思路，利用c f d 方法可以节省大量的研究费 用，获得许多实验手段所不能得到的数据。 在对搅拌槽内流场进行数值模拟时，关键问题就是如何解决搅拌区域的旋 转。对这个问题已经有很多学者进行了研究，并且得出了一些可行的方法，这些 方法主要包括：黑箱模型法、动量源法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格 法。 ( 1 ) 黑箱模型法 黑箱模型法将搅拌桨区域排除在求解域之外，由实验测得搅拌桨周围区域的 速度场作为边界条件来体现搅拌桨的作用。h a e y 【4 0 】在1 9 8 2 年首次采用黑箱方法 模拟了涡轮搅拌桨的流动场，并且得到了较理想的结果。r a n a d e l 4 1 】采用不同搅 拌区域边界条件计算搅拌桨的速度场，发现黑箱模型在计算时，由实验数据给出 的搅拌桨周围区域的边界条件需满足桨叶覆盖区域的守恒方程。黑箱模型一般适 用于稳态搅拌设备的流动计算，从数值计算来看，该方法具有方便、简捷等优点。 缺点是得不到搅拌区的具体流动形式且容易受到实验数据的限制，因而普适性较 差。 ( 2 ) 动量源法 桨叶旋转时，与流体之间存在力的相互作用，动量源法将桨叶对流体的这种 力通过附加动量源的方式实现搅拌桨的作用。1 9 8 7 年，p e f i c l e o u s l 4 2 1 采用动量源 法即在六直叶涡轮桨叶切向方向附加动量源的方式代替桨叶对流体的作用，得到 了搅拌槽内的流场分布。该方法的优点在于其可以模拟搅拌区域的流动，缺点是 对搅拌桨的动量预测要求较高，特别是在处理结构较复杂的桨叶时难度较大。 ( 3 ) 内外迭代法 1 9 9 4 年b r u c a t o 4 3 】提出了内外迭代法。其基本思想是将计算区域划分成内外 两个区域：内部区域包括搅拌桨，采用与搅拌桨转速相同的旋转坐标系；外部区 域包括槽内静止的挡板等部件，采用静止坐标系。两个区域存在重叠的部分，通 过内外迭代计算，最后得到整个流动过程。m i c a l e l 4 4 1 采用内外迭代的方法对双层 涡轮搅拌桨不同桨叶间距工况进行了数值模拟，得到了槽内流体的流动趋势，从 而证明了该方法的可行性。 内外迭代法比黑箱模型法和动量源法有较大的进步，不再需要实验来获取边 界条件或预测桨叶对流体的动量源，能够得到搅拌槽的整个流场分布。但是由于 该方法采用两套不同的参考系，两区域的速度、湍流动能等在计算时需要进行试 中南大学硕士论文第一章绪论 差迭代，计算量较大，收敛速度较慢，使得该方法的发展受到了限制。 ( 4 ) 多重参考系法 1 9 9 4 年，l 【4 5 】提出了多重参考系法。与内外迭代法类似，多重参考系法在 计算时也是采用一个旋转参考系和一个静止参考系，所不同的是多重参考系划分 的两个计算区域不存在相互重叠的区域，因此在计算时省去了内外迭代的过程， 减少了计算量。 d o n g 和h a r v 扩6 】利用多重参考系的方法计算了搅拌槽内流动过程，通过与 测试结果对比，证明了利用该方法来处理搅拌区具有较好的准确性。 由于多重参考系法计算量小，计算结果准确，该方法目前己被添加到各种商 业软件中，是用来处理旋转体系较为通用的方法。例如，n a u d e 4 7 利用f l u e n t 软件中的多重参考系法成功模拟了l u m p p l b 桨的流场分布。 ( 5 ) 滑移网格法 一般而言，搅拌设备中的流动属于周期性流动，采用稳态的计算方法将不能 完全真实地体现这种流动。l u 0 【镐】在1 9 9 3 年提出了滑移网格法，从而可以采用非 稳态的方式来模拟桨叶的旋转过程。该方法与内外迭代法和多重参考系一样将计 算区域分成了两个区域，即搅拌区域和静止区域。其区别在于，这两个区域都采 用静止坐标系，只是在两个区域交界处有网格之间的相对滑动，其搅拌区域的网 格是随时间转动的。滑移网格法能够较准确的预测一些周期性的瞬态流动，但是 该方法需要较大的计算量，对计算机的硬件要求较高。 目前，在数值模拟时，处理搅拌区旋转问题的方法中用得比较多且结果比较 准确的主要是多重参考系法和滑移网格法。 1 2 3 多相流的数值模拟 多相流体系是指体系中存在一种或一种以上的流体。在该体系中，一般包括 具有连续性质的流体和离散性质的颗粒相，如气液两相、固液两相、气固两相、 液液两相和气液固三相等体系。多相流问题是化工、石油、冶金等工程中经常遇 到的问题。目前，研究多相流的方法主要有两大类：欧拉拉格朗日方法和欧拉 欧拉方法【4 9 】。 欧拉拉格朗日方法在处理多相流中，把流体相看作连续介质，而把颗粒相 视为离散体系。在欧拉坐标系下求解流体流动，在拉格朗日坐标系下求解颗粒运 动。并通过对大量颗粒运动进行统计分析得到颗粒的运动轨迹，但该方法忽略了 颗粒相之间的相互碰撞，简化了问题的复杂程度，因此一般只适用于处理稀相颗 粒流动。 欧拉欧拉方法在处理多相流时，把每一相都看成充满整个流场的连续介质， 即把颗粒相作为拟流体，然后再对每一相采用在欧拉坐标系中宏观连续介质原理 中南大学硕士论文 第一章绪论 中的质量、动量和能量守恒方程进行描述。但不能追踪颗粒的运动轨迹。 在数值模拟中，基于欧拉拉格朗日方法和欧拉欧拉方法建立的数学模型主 要有四种：d p m 模型、v o f 模型、混合物模型和欧拉模型。其中d p m 模型属于