（有色金属冶金专业论文）种分搅拌槽内多相流体流动的数值模拟.pdf

a ad i s s e r t a t i o ni nn o n f e r r o u sm e t a l l u r g y l i l ll lii l li i iii lli tlll y 171619 7 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm u l t i - - p h a s ef l o w i nt h ea l u m i n as e e d p r e c i p i t a t o r b yw a n gr u i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rn i ul i p i n g ，l i uy a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 _ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：a 藤 e t 期：卅7 罗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印 位论 学位 签字 东北大学硕士论文 摘要 种分搅拌槽内多相流体流动的数值模拟 摘要 种分搅拌槽是目前氧化铝工业生产上的主要设备，其结构对氧化铝产量 与质量有很大的影响。因此，了解种分槽内物料混合特性，对改进种分槽内 部结构、解决槽底沉积问题、提高氧化铝产量与质量，以及促进氧化铝工业 技术进步都具有重要的理论和实际意义。 为了改善晶种分解效果、提高生产效率，本文以改进i n t e r m i g 桨为研究 对象，利用商业c f d 软件f l u e n t 6 3 和并行计算系统的图形工作站，在已 有的研究基础上对其进行了c f d 的系统研究，并与实验数值进行对比，验 证了利用c f d 对种分搅拌槽进行流动和传质特性研究的可行性，本研究能 为种分槽的进一步设计和改善提供新的思路，也可以作为实验研究和进一步 模拟的基础。 首先，采用雷诺时均方程( r a n s ) 的标准k 一占湍流模型和多重参考系 ( m r f ) 法，对种分搅拌槽进行数值模拟，研究单层底桨及2 层桨3 种排列 角对物料流动特性的影响，并通过对种分槽速度场、湍流动能场的分析，2 层桨排列角为l2 0 。时起到了增加槽内湍流区，增强混合效果等作用。此外 本文还讨论了不同转速对槽内速度分布、湍流动能分布的影响。 本文采用标准k 一占湍流模型和多重参考系( m r f ) 法，对种分槽单层底 桨及2 层桨3 种排列角条件下的混合时间及功率变化进行了数值模拟，考察 了不同搅拌转速以及不同投放点对混合时间的影响规律，其模拟值与实验值 吻合较好。 在种分搅拌槽内采用铝酸钠氢氧化铝体系对固一液两相流流场进行数值 模拟，从c f d 角度研究分槽内固液悬浮状况下浓度分布、速度分布，并考 察了单层底桨和不同排列角的影响规律，结果表明搅拌桨排列方式会对流场 产生比较大的影响，排列角为1 2 0 。的2 层搅拌桨混合效果最好。 i i 东北大学硕士论文摘要 关键词：种分槽；计算流体力学；数值模拟；排列角；流场；混合时间；固 液两相流 一 f n u m e r i c a lsi m u l a t i o no fm u l t i - p h a s ef l o wi n t h ea l u m i n ase e dp r e c i p i t a t o r a bs t r a c t t h ea l u m i n as e e dp r e c i p i t a t o ri sw i d e l ya p p l i e di nt h es e e dp r e c i p i t a t i o n o fs o d i u ma l u m i n a t es o l u t i o n ，t h es t r u c t u r eo fw h i c hh a sas i g n i f i c a n te f f e c to n t h ep r o d u c t i o ny i e l da n dq u a l i t y h e n c ei ti si m p o r t a n tb o t hi nt h e r i e sa n d p r a c t i c e st ou n d e r s t a n di n f l u e n c ef a c t o r si nt h es e e dp r e c i p i t a t i o na n di n c r e a s e t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o na c c u r a c yo ft h es e e dp r e c i p i t a t i o np r o c e s s ，w h i c hw i l l r e s u l ti ng r e a ti m p r o v e m e n to ft h ey i e l da n dq u a l i t y , e n e r g ys a v i n ga sw e l la s r a p i dp r o g r e s si na l u m i n ap r o d u c t i o nt e c h n i q u e t os o l v et h ep r o b l e m so fl o we f f i c i e n c yi ns e e dp r e c i p i t a t i o np r o c e s s ，a n e w s t y l ei m p e l l e r - - i n t e r m i gi m p e l l e r ，w h i c hi sd e v e l o p e dt od e c r e a s eo re v e n e l i m i n a t et h es c a bi nt h ea l u m i n as e e dp r e c i p i t a t o r i nt h i ss t u d y , as y s t e m a t i c c f ds t u d yw a sc a r r i e do u tu s i n gt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n t6 3o np a r a l l e l c o m p u t i n gg r a p h i cw o r k s t a t i o n b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l d a t a ，t h ef e a s i b i l i t yo fc f dm e t h o dw a sv e r i f i e dt os i m u l a t et h ef l o wa n dm a s s t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t sc a np r o v i d ec f dr e s e a r c ht h o u g h tf o r f u r t h e rd e s i g n ，o p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o n f i r s t ，t h ef l o wf i e l d i nt h ea l u m i n as e e dp r e c i p i t a t o rw a sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e db yu s i n gt h er e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r s t o k e s ( r a n s ) a p p r o a c hw i t h s t a n d a r d k sm o d e la n dm u l t i - r e f e r e n c ef r a m e ( m r f ) a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so ft h ef l o wf i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n dt u r b u l e n tk i n e t i co f t h eo n e i m p e l l e r a n dt h et h r e ed i f f e r e n tm a r s h a l l i n ga n g l e so ft w oa g i t a t o rb l a d e sa l u m i n as e e d p r e c i p i t a t o r ，t h em i x e de f f e c to fa g i t a t e db l a d e sw i t hm a r s h a l l i n ga n g l e so f12 0 d e g r e ei sb e s ti nt h r e em o d e l s ，w h i c hc o u l di n c r e a s et u r b u l e n tk i n e t i c ，e n h a n c e m i x i n ge f f e c t f u r t h e r m o r e ，e f f e c t so fd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d so nt h ev e l o c i t y , a n dt u r b u l e n tk i n e t i cd i s t r i b u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h em i x i n gt i m ei nt h eo n ei m p e l l e ra n dt h r e ed i f f e r e n tm a r s h a l l i n ga n g l e s i v 东北大学硕士论文 a b s t r a c t o ft w oi m p e l l e r sa l u m i n as e e dp r e c i p i t a t o r ，w h i c hw e r es i m u l a t e db yc f d t e c h n iq u e ，s t a n d a r d k s m o d e la n dm r fm e t h o dw e r ea d o p t e df o rt h e s i m u l a t i o n t h ec a l c u l a t e dm i x i n gt i m ea n dp o w e rn u m b e rw e r ec o n s i s t e n tw i t h e x p e r i m e n t a ld a t a t h el a wo ft h ei n f l u e n c eb yd i f f e r e n tm a r s h a l l i n ga n g l e so f t w oi m p e l l e r s ，c h a r g i n gp o s i t i o n s ，a n dd e t e c t i n gp o s i t i o n so nt h em i x i n gt i m e w a sa l s od i s c u s s e d t h es o l i d l i q u i df l o wf l i e dw a ss i m u l a t e db yt h eu s eo fc f d ，a n da i ( o h ) 3 p a r t i c l e sw e r ec h o s e na st h ed i s p e r s e dp h a s e t h el a wo ft h ei n f l u e n c eb yo n e i m p e l l e ra n dd i f f e r e n tm a r s h a l l i n ga n g l e so ft w oi m p e l l e r so nt h ev e l o c i t ya n d c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a r s h a l l i n ga n g l e sh a v er e m a r k a b l ee f f e c to nf l o wf i e l do ft h ea l u m i n as e e d p r e c i p i t a t o r b yc o m p a r i s o n ，t h e m i x e de f f e c to f a g i t a t e d b l a d e sw i t h m a r s h a l l i n ga n g l e so f12 0d e g r e ei sb e s ti nt h r e em o d e l s k e yw o r d s ：a l u m i n as e e dp r e c i p i t a t o r ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ； t i m e ； ， 东北大学硕士论文 目录 口三王 i = t 永 独创性声明i 摘要：i i a b s t r a c t i v 目录v i 第l 章绪论1 1 1 我国氧化铝工业现状及生产方法简述1 1 1 1 我国氧化铝工业现状1 1 1 2 氧化铝生产方法简述4 1 2 晶种分解过程概述一4 1 2 1 晶种分解过程的机理5 1 2 2 影响晶种分解过程的主要因素一6 1 2 3 种分搅拌槽的使用现状9 1 3 计算流体力学在搅拌反应器中的应用10 1 3 1 搅拌反应器流场的c f d 模拟1 0 1 3 2 搅拌反应器混合时间的c f d 模拟1 1 1 3 3 搅拌反应器两相流动的c f d 模拟1 1 1 4 本文研究的目的与主要内容13 1 4 1 研究的目的1 3 1 4 2 研究的主要内容1 3 第2 章计算流体力学1 5 2 1 计算流体力学技术简介1 5 2 1 1 计算流体力学简介1 5 2 1 2 数值模拟的计算过程1 5 2 2 计算流体力学基本理论与方法1 7 2 2 1 控制方程1 7 2 2 2 湍流数值模拟方法2 0 v i 东北大学硕士论文 2 3 搅拌区域处理方法 2 3 1 多重参考系法( m r f ) 2 3 2 滑移网格法( s m ) 2 4 多相流模型 2 5 数值模拟软件介绍 2 5 1 g a m b i t 软件介绍 2 5 2 m i x s i m 软件介绍 2 5 3 f l u e n t 软件介绍 第3 章种分搅拌槽单相流场的数值模拟 3 1 种分槽数值模型的建立 3 1 1 桨叶模型 3 1 2 挡板模型 3 1 3 种分槽模型 3 2 计算方法 3 2 1 计算域 3 2 2 湍流模型 3 2 3 桨叶区域计算方法 3 2 4 离散化方法 3 2 5 边界条件 3 2 6 并行计算 3 3 模拟结果与分析 3 3 1 粘度对流场和速度场的影响 3 3 2 不同转速下单层底桨的数值模拟 3 3 3 单层底桨与双层桨在役种分槽的模拟结果比较 3 3 4 排列角变化对种分槽宏观流场、速度场和湍流动能的影响 3 4 小结4 4 第4 章种分搅拌槽混合时间的数值模拟4 6 4 1 计算方法4 7 4 1 1 计算域4 7 4 1 2 湍流模型4 7 v i i 东北大学硕士论文目录 4 1 3 混合时间的数值模拟方法4 8 4 1 4 边界条件及数值解法4 8 4 2 计算结果与讨论4 9 4 2 1 加料点对混合时间的影响4 9 4 2 2 桨结构对混合时间的影响5 9 4 2 3 不同监测点处的混合时间6 0 4 3 小结6 l 第5 章种分搅拌槽固液两相流的数值模拟6 2 5 1 计算方法6 2 5 1 1 计算域6 2 5 1 2 固液两相湍流模型6 3 5 2 边界条件及数值解法一6 4 5 3 计算结果与讨论6 4 5 3 1 搅拌转速对氢氧化铝颗粒分散的影响6 4 5 3 2 桨结构对氢氧化铝颗粒分散的影响6 5 5 3 3 两相流与单相流的速度场比较6 6 5 3 4 种分槽两相流的功率变化6 7 5 3 5 实验结果与数值模拟结果的比较6 7 5 4 小结6 9 第6 章结论7 l 参考文献7 3 致谢7 3 参加的科研课题8 1 个人简历8 2 v i i i 一 东北大学硕士论文 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 我国氧化铝工业现状及生产方法简述 1 1 1 我国氧化铝工业现状 我国是一个铝土矿资源丰富的国家，但国内铝土矿多属于一水硬铝石， 氧化铝品位高( 大于6 0 ) ，含氧化硅也高( 大于10 ) 。这种低硅铝比的一 水硬铝石与国外高铝硅比的三水软铝石相比，在氧化铝生产过程中存在建设 投资大、能耗高、工艺复杂、产品生产成本高等特点。 当前我国氧化铝生产工艺主要是采用混联法和烧结法。由于工艺的特殊 性，组织生产难度较大。随着世界氧化铝的生产技术水平不断发展，为了提 高产量，降低消耗，我国的山东铝厂、郑州铝厂、贵州铝厂在建厂后，基本 上是边生产、边改造，对一些工艺和设备仍在不断地进行技术改造。 随着国民经济的快速增长以及我国加入世界贸易组织，国内外市场得到 进一步开放和融通，我国电解铝产量跃居世界首位。电解铝工业的迅猛发展， 带动了作为电解铝原料的氧化铝的生产，同时也给氧化铝工业提出了严峻的 挑战。1 9 8 0 年我国氧化铝年产量为8 5 万吨，仅仅2 0 年间我国氧化铝年产量 就增加到315 万吨，进入2 1 世纪以来，我国铝工业高速发展，到2 0 0 6 年， 氧化铝产量达到l3 7 0 万t ，连续5 年居世界第二位，成为仅次于澳大利亚的 全球第二大氧化铝生产国。然而，尽管国内氧化铝产量逐年增长，发展较快， 但仍不能满足电解铝工业发展的需求。炼铝和非炼铝用氧化铝的需求量猛 增，而氧化铝生产规模的扩大有限( 因其投资大，建设周期长，投入高、产 出差) ，所以国内氧化铝供不应求的形式越来越严峻。由表1 1 t 1 1 ，和表1 2 【2 】 可以看出，从19 世纪八十年代至2 0 0 6 年，我国氧化铝年产量虽然逐年增加， 但缺口量也越来越大。为了提高我国氧化铝产量和质量，适应中国加入后国 内、外市场的变化，满足国内氧化铝的需求量，增强我国氧化铝工业在国际 市场的竞争力，必须要加强两方面的工作：一要提高我国氧化铝的产能，二要 提高氧化铝生产的工业技术【3 】。经预测，到2 0 10 年我国以外新增氧化铝产能 约3 0 0 0 3 5 0 0 万t 年，全球总需求将达到9 4 0 0 万t 年【2 。 - 1 东北大学硕士论文 第1 章绪论 表1 1 氧化铝产需情况( 单位：万t ) t a b l e l 1a l u m i n ao u t p u t ( u n i t ：1 0t h o u s a n dt o n ) 表1 22 0 0 1 2 0 0 6 年我国氧化铝供求状况( 单位：万t ) t a b l e l 2a l u m i n as u p p l ya n dr e q u i r e m e n t si nc h i n ad u r i n gy e a r2 0 0 1t o2 0 0 6 国外氧化铝工业多以三水软铝石为原料，由于三水软铝石具有铝硅比 高、易溶出等特点，因此它们多采用流程简单的拜耳法生产，其能耗低、产 品质量高。而我国氧化铝工业则以铝硅比低、难以溶出的一水硬铝石为原料， 因而生产能耗高、成本高，产品质量差。通过长期的基础研究与技术开发， 我国氧化铝生产企业深化了对一水硬铝石铝土矿原料特性的认识，解决了一 系列以一水硬铝石为原料生产氧化铝的技术难题，取得了用一水硬铝石生产 氧化铝的丰富实践经验，建立起了完整的一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的 工业体系。然而现有的生产方法和工艺技术还有很多不完善或不合理的地 方，工艺技术方面尚有很大的潜力可挖，尤其在降低能耗，提高产量和质量 方面，仍然有很大的提升空间 4 - 6 】。因此，世纪我国氧化铝工业的发展应注 重以下几点： ( 1 ) 对一水硬铝石的物理、化学性质的基础理论研究。我国氧化铝生 产所用技术及设备都是在消化和吸收国外该领域研究成果的基础上发展起 来的，尽管有一定改进和创新，但由于原料的不同，依然存在很大的不足。 2 东北大学硕士论文 第1 章绪论 通过对一水硬铝石和三水软铝石基本特性的比较研究，正确认识两者之间的 差异，可以更好地改进我国氧化铝生产的工艺技术。 ( 2 ) 铝土矿选矿、脱硅工艺的优化研究。我国铝土矿有氧化铝含量多 的优势。通过优化选矿、脱硅工艺，可以大幅度提高铝硅比，进而提高氧化 铝的产量、质量，降低能耗。 ( 3 ) 氧化铝生产过程中关键工序工艺及设备的革新。溶出、分解、蒸 发、过滤是影响氧化铝产量和质量的关键工序，通过技术革新和设备改造， 可以提高氧化铝产量和质量，同时达到节能降耗的目的。 ( 4 ) 砂状氧化铝生产工艺的研究。以一水硬铝石为原料生产出高质量 的砂状氧化铝可以提高我国氧化铝行业在国际市场中的竞争力。 ( 5 ) 氧化铝生产过程自动化的研究。虽然我国氧化铝企业已经在自动 化方面做了很多的工作，但是随着控制水平和计算机水平的飞速发展，氧化 铝生产的自动化水平也应随之提高，尤其是智能控制的引入，可以大大提高 生产效率。 ( 6 ) 适合我国铝土矿资源特点的拜耳法生产工艺的研究。联合法和烧 结法均是为了实现化学脱硅的氧化铝生产过程，其工艺复杂、流程长、能耗 高、成本高，在新建氧化铝生产线时，应该根据资源的具体情况，采用拜耳 法或选矿一拜耳法。 总而言之，要针对当前我国氧化铝生产技术和装备所存在的问题，进一 步研究出适应我国资源特点的、技术经济指标最优的工艺技术和生产设备， 规范一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的工艺流程，增强我国氧化铝工业的国 际竞争力。 解决缺口的途径包括以下几方面： ( 1 ) 国内新建或扩建氧化铝厂 ( 2 ) 开发新技术、新工艺，充分利用我国富有的一水硬铝石资源。 ( 3 ) 开发利用霞石资源，以生产氧化铝为主流程的霞石综合利用。许多专 家认为，如能搞好综合利用，完全可以生产出有竞争力的氧化铝。 ( 4 ) 至l j 海外投资：如c n n c 在美国铝业公司投资，每年供4 0 万t 氧化铝， 期限3 0 年。 ( 5 ) 进口t 签订中长期合同或购买现货。 - 3 - 东北大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 2 氧化铝生产方法简述 氧化铝生产是一个化工过程，其目的就是将a 1 2 0 3 含量为5 0 一7 0 的铝 土矿提纯为a 1 2 0 3 含量在9 6 以上的产品。迄今为止，氧化铝的生产方法大 致可分为四类，即酸法、碱法、酸碱联合法和热法【7 - 8 1 。 ( 1 ) 酸法 酸法是用硝酸、硫酸、盐酸等无机酸处理原料铝矿石，以得到相应铝盐 的酸性水溶液，使这些铝盐或水合物晶体通过蒸发结晶得到或碱式铝盐通过 水解结晶得到从溶液中析出，也可以用碱中和铝盐水溶液，使其以氢氧化铝 形式析出。锻烧氢氧化铝、各种铝盆的水合物或碱式铝盐，就可以得到氧化 铝。酸法适合处理高硅低铁铝矿，如粘土、高岭土等。 ( 2 ) 碱法 碱法生产氧化铝，是用碱( n a 2 c 0 3 或n a o h ) 处理铝矿石，使矿石中的 氧化铝变为铝酸钠溶液，矿石中的钛、铁等杂质和绝大部分的硅则成为不溶 化合物从溶液中分离出来，经洗涤后回收有用组分。从铝酸钠溶液中析出的 氢氧化铝，经分离、洗涤后进行焙烧，得到氧化铝产品。碱法生产氧化铝又 分为拜耳法、烧结法和拜尔一烧结联合法等多种工艺流程。 杂质的不纯氢氧化 。此方法的实质就 化铝晶种、降低分 种分过程。它是拜 东北大学硕士论文第1 章绪论 耳法生产氧化铝的关键工序之一，它不仅影响产品氧化铝的数量和质量，而 且直接影循环效率及其它工序。它的目的是为了得到质量良好的氢氧化铝和 分子比值较高的种分母液，以提高拜耳法的循环效率。 1 2 1 晶种分解过程的机理 铝酸钠溶液与氢氧化铝晶体之间的界面张力高达1 2 5 n m ，因而在分解 过程中氢氧化铝晶核难于自发形成，必须从外面加入现成的晶种，才能使铝 酸钠溶液中的氢氧化铝结晶析出【7 1 。工业生产条件下，常添加大量氢氧化铝 作为晶种。铝酸钠溶液的晶种分解过程不只是单纯的晶种长大，同时还有一 些其它极为复杂的物理化学变化。整个晶种分解过程包括： ( 1 ) 氢氧化铝晶种的长大 晶种的长大是氢氧化铝直接从溶液中析出的唯一途径，它直接影响着铝 酸钠溶液的产出率( 从单位体积溶液中分解出来的量a 1 2 0 3 ) 。大量研究表明， 晶种的长大速度与铝酸钠溶液过饱和度的平方成正比，温度对长达速度的影 响遵循阿尔伦纽斯( a r r h e n i u s ) 定律 7 1 ，杂质的存在则会大大降低晶种长大 的速度。 ( 2 ) 氢氧化铝晶体的附聚 附聚是指多个颗粒粘结在一起形成稳定的附聚体的现象。附聚的作用使 氢氧化铝粒度增大，小颗粒的氢氧化铝晶体在过饱和铝酸钠溶液中有着强烈 的附聚倾向。附聚现象的微观机理有待进一步研究，目前一致认为铝酸钠溶 液的过饱和度、温度、搅拌强度等因素对附聚有着强烈的影响。 ( 3 ) 次生晶核的生成 在铝酸钠溶液过饱和度高、温度低、晶种颗粒大且数量较少的条件下， 铝酸根离子吸附到晶种表面生成树枝状结晶，这些细小结晶强度很弱，在颗 粒间相互碰撞和液体的剪切力的作用下脱离晶种而成为次生晶核。次生晶核 的生成取决于溶液的过饱和度、温度、碱浓度、晶种的数量和品质、搅拌强 度以及杂质的存在等因素。 ( 4 ) 氢氧化铝晶体的破裂和磨损 在搅拌强烈的情况下氢氧化铝晶体之间或晶体与分解设备碰撞而破裂 成小晶体，晶体的棱角也会因碰撞而被磨蚀下来形成小晶体，这就是晶体的 破裂与磨损。破裂与磨损形成的小晶体其粒径往往要大于次生晶核的粒径， 5 东北大学硕士论文 第1 章绪论 在次生晶核较少的情况下，这种破裂与磨损是分解产物中细颗粒的主要来 源。 在晶种分解过程中，这些现象往往同时发生，只是在不同的条件下，发 生的程度不同，有主次之分。晶体的成长与晶粒的附聚导致氢氧化铝结晶变 粗，而二次成核和晶粒的破裂则会导致氢氧化铝结晶变细。分解产物的粒度 分布就是这些作用的综合结果。人们对晶种分解机理的认识至今仍存在许多 分歧和矛盾，需要进行大量的基础性研究。分解设备内铝酸钠溶液的搅拌强 度无疑对溶液流动状况、混合均匀性和产品质量等有着直接的影响，因而在 晶种分解过程中起着重要作用。 1 2 2 影响晶种分解过程的主要因素 由于晶种分解本身是一个复杂的物理化学过程，因此影响晶种分解过程 的因素很多，而且它们带来的影响是多方面的、复杂的，其影响大小因具体 条件不同而异。晶种分解的分解率和种分槽单位产能取决于铝酸钠溶液的稳 定性，因此凡能破坏铝酸钠溶液稳定性的因素都能给分解过程带来影响。下 面将要讨论的是晶种分解过程的主要影响因素【7 - 8 】。 ( 1 ) 搅拌的影响 晶种分解时通过搅拌使晶体保持悬浮状态，以保证晶体与溶液有良好的 接触、另一方面还使溶液的扩散速度加快，保持溶液浓度均匀，破坏溶液的 稳定性，加速溶液的分解，并使氢氧化铝晶体均匀长大。搅拌速度过快过慢 都有不利影响，过慢使搅拌不够充分，容易形成氢氧化铝沉淀过快则可能把 刚生成的氢氧化铝晶体打碎【9 1 ，从而使产品过细。a l b r a m o vvy a 1 0 1 认为，在 逆流过程，可以强化分子之间的传质过程，促进结晶。一般根据具体生产情 况来确定最佳的搅拌强度和搅拌方式。 ( 2 ) 分解时间的影响 分解时间是指从分解开始至分解结束料浆在种分槽内的停留时间。当其 他条件相同时，分解时间与分解率的关系见图1 1 。 6 东北大学硕士论丈第1 章绪论 鬟 瓣 琏 求 s 分解时问h 图1 1 分解率与分解时间的关系曲线 f i g 1 1t h ec u r v eo fd e c o m p o s i t i o nr a t ea n dd e c o m p o s i t i o nt i m e 由图中可以看出分解前期分解率提高很快，即氢氧化铝析出较多，设备 产能高随着分解时间的延长，分解率提高速度放缓，氢氧化铝析出相对较少， 设备产能也越来越低。因此过分延长分解时间对分解过程不利但也不应过早 地停止分解，否则会使分解率较低，且分解母液、过低，不利于铝土矿的溶 出。分解时间应根据具体条件而定，通常生产砂状氧化铝的分解时间较短， 而生产粉状氧化铝的分解时间较长。 ( 3 ) 料浆分子比的影响 l 在工业生产浓度范围内，任何铝酸钠溶液的分子比a k 。与在相同温度下 平衡的a k 相比较越小，其过饱和的程度越大，自动分解的倾向也就越大，因 此，在其他条件相同时，铝酸钠溶液的q k 越小，溶液的分解率及生产率也就 越高。如图1 2 所示。 苌 、 豁 涟 求 分解时间h 图1 2 铝酸钠溶液的ak 对分解率的影响 f i g 1 2 a ko fa l u m i n u ms o d i u ms o l u t i o nf o rt h ed e c o m p o s i t i o nr a t e ( 4 ) 分解原液氧化铝浓度的影响 在一定温度制度下( 分解初温、终温一定) ，当分解原液a k 一定时，增 - 7 东北大学硕士论文 第1 章绪论 加溶液中a 1 2 0 3 浓度会使铝酸钠溶液的过饱和度降低，因而分解速度及其在 一定时间内的分解率下降。反之，则会使铝酸钠溶液的过饱和程度增加，分 解速度及其在一定时间内的分解率也上升。但由于溶液中浓度过低，会使设 备的单位产能下降。 ( 5 ) 温度制度的影响 在其他条件不变时，降低温度可以提高溶液的过饱和度，从而提高分解 速度。但是当分解温度低于3 0 c 后，进一步降低温度，反而使分解速度降低。 另一方面，提高温度有利于晶种附聚，并使晶体长大速度大大增加。有资料 指出，当溶液过饱和度相同时，将温度从5 0 c 提高到8 5 ，晶体长大速度 提高约6 10 倍。同时温度高也利于避免或减少新晶核的生成。因此在溶液过 饱和度相同的条件下，提高分解温度有利于获得粒度较粗的氢氧化铝。但溶 液成分不变时，提高温度会使溶液过饱和度下降，从而影响分解速度和产品 强度。因此温度对分解过程的影响具有双重性。 企业一般是根据具体情况如溶液成分、对产品物理性质的要求等和所积 累的经验来确定温度制度。实践证明，分解初期较快地降温，分解后期则放 慢降温速度，这样既能保证分解率，又不致明显地影响产品的粒度和强度。 分解终温一般不低于4 0 。c ，否则溶液粘度太大，将给氢氧化铝分离过滤带来 困难，并且不利于母液蒸发。 ( 6 ) 晶种数量和质量的影响 在分解过程中，加入氢氧化铝种子不仅能加快溶液的分解速度，同时也 利于制取粒度较大的产品。晶种的数量用晶种系数( 也称种子比) 表示，它 是指添加晶种中a 1 2 0 3 含量与溶液中a 1 2 0 3 含量的比值。晶种的质量是指其 活性与强度的大小，它取决于晶种的制备方法和条件、保存时间以及结构和 粒度等因素。 研究表明，随着晶种系数的增加，分解速度加快。但当晶种系数增加到 一定程度时，分解速度的变化不再明显。在工业上，由于铝土矿成分、分解 原液的浓度、对产品物理性质的要求、分解工艺以及晶种本身性质等的不同， 晶种量的差别很大。生产实践中，晶种系数常取1 5 3 0 。 晶种的活性对分解速度和产品粒度影响很大，采用比表面积大、活性高 的晶种( 如y a 1 2 0 3 ) ，能促进晶体的附聚，加速分解，且有利于稳定分解产 物的粒度组成。 8 东北大学硕士论文 第1 章绪论 ( 7 ) 杂质的影响 铝酸钠溶液中通常含有少量杂质，虽然含量不多，但也对分解速度和产 品质量有着不良影响。 n a c 0 3 的影响：碳酸钠含量在3 0 9 l 以下对分解速度无影响，但含量 过高会降低晶种分解的速度。 草酸钠与腐植酸的影响：草酸钠与腐植酸既影响分解率，又影响氢氧 化铝的粒度和强度，被认为是危害最大的有机物。 n a 2 s 的影响乌依夫的研究表明【1 1 】，阻碍晶种分解，其浓度越高影响 越强烈。这是因为水解生成游离的，抑制了晶种的分解。 n a 2 s 0 4 和n a c l 的影响：n a 2 s 0 4 和n a c l 的浓度较低时对分解速度无 明显影响，但浓度过高则会使分解速度降低。同时n a 2 s 0 4 的存在使产品粒 度较大，而的存在则使产品粒度变小。 s i 0 2 的影响：溶液中s i 0 2 含量较大时，对铝酸钠溶液有显著的稳定作 用，致使分解速度降低。 氟化物的影响：氟化物在一般含量下对分解速度无影响，但氟、钒、 磷等杂质对分解产物的粒度有影响。 簪 讨论影响晶种分解过程的因素的主要目的是提高分解率和产品质量。目 前工业上强化种分过程的主要方法是致力于降低分解原液的a 。；净化溶液， 去除其中的有机物等杂质以及合理组织分解流程和选择作业条件( 主要是温 度制度) 。这些措施有一定效果，但实现起来都有一定困难，需要进一步进 行研究。 1 2 3 种分搅拌槽的使用现状 晶种分解过程中使用的主要设备为晶种分解槽( 简称为种分槽) ，根据搅 拌方式的不同，可以分为空气搅拌式种分槽和机械搅拌式种分槽。国内氧化 铝生产企业早期多使用空气搅拌式种分槽，该设备利用空气升液器的原理， 把压缩空气通入分解槽中心的翻料管，使翻料管的下部不断形成密度小于管 外浆液的气、液、固三相混合物，利用两者的密度差驱动浆液在槽内循环而 达到搅拌目的。空气搅拌式种分槽在我国氧化铝生产中发挥了重要的作用， 然而该设备也存在一些不足之处【1 2 1 ： ( 1 ) 动力消耗大：由于分解槽槽体高度一般在3 0 米左右，浆液静压很大， - 9 - 近年来对搅拌反应器内单相流的流动场的c f d 研究较多，对单相流场的 数值模拟研究已经比较成熟。通过c f d 数值模拟得到的流场信息与实验数 据已经有比较好的一致性。 在国内方面，对搅拌反应器的c f d 模拟也取得了一些成绩，侯栓弟【1 3 】 对低粘湍流域中c b y 桨的三维流场进行过数值模拟，于鲁强【1 4 】等成功计算 了锚式搅拌器和刮壁搅拌器的二维流场；马青山1 1 5 】对单层c b y 搅拌桨及多 层搅拌桨的流场进行了模拟；周国忠【1 6 1 使用c f d 软件对搅拌槽内非牛顿流 体的湍流流动进行了数值模拟，并将计算结果与实验结果进行了对照，还根 据混合过程的原理，在c f x 软件的基础上开发了混合过程计算程序，从c f d 的角度对单层和多层搅拌桨在搅拌槽内的混合过程进行了研究。 - 10 东北大学硕士论文 第1 章绪论 在国外方面，对搅拌反应器的流场的模拟也呈现多样化，g r k a s a t 等【l 7 】 在f l u e n t 软件上计算了一种固液反应器内液相流场以及反应器内的混合 过程，a o y io c h i e n g 等【l8 】运用c f x 对带有多级搅拌桨而且中间空隙比较小 的搅拌槽进行进单相流场的c f d 模拟，并计算出该反应器的混合时间，与 实验结果吻合较好；w k e l l y 等【”】运用c f d 方法成功预测了带有单轴搅拌 桨的搅拌反应器内的流场，并与实验中用l d v 法测得的流场相比较，取得 了较好的一致性。 1 3 2 搅拌反应器混合时间的c f d 模拟 随着搅拌反应器c f d 技术的发展，利用数值模拟方法来计算混合时间 应用比较广泛，利用c f d 方法可以方便地获得搅拌反应器内局部混合信息 并可以节省大量的研究经费，而且可以获得实验手段所不能得到的数据。 在国内外，也做了不少搅拌反应器混合时间的模拟【2 0 1 ，n o o r m a n 【2 1 1 对单 层搅拌槽内的混合过程进行了实验研究和数值模拟，其示踪剂响应曲线与实 验结果趋势一致，但在细节上有较大差别。s c h m a l z r i e d t 2 2 】也计算了一种搅 拌反应器的三维浓度场分布，并利用文献数据进行了验证，认为其结果与湍 流模型密切相关。 1 3 3 搅拌反应器两相流动的c f d 模拟 在固液体系中，细颗粒投入液体中搅拌时，首先发生固体颗粒的表面润 湿过程，即液体取代颗粒表面层的气体，并进入颗粒之间的间隙；接着是颗 粒团聚体被流体动力所打散，即分散过程。通常的搅拌不会改变颗粒的大小， 因此与气泡和液滴分散一样，