FC蒸發(fā)結晶器鹽腳CFD模擬

楊立樹

(江西九二鹽業(yè)有限責任公司，江西 會昌 342614)

1 前言

蒸發(fā)結晶器是井礦鹽生產的關鍵設備，目前國內蒸發(fā)結晶器型式為FC蒸發(fā)結晶器，并且在傳統(tǒng)的FC蒸發(fā)結晶器基礎上進行了結構優(yōu)化。我國真空制鹽生產常用蒸發(fā)結晶器形式如圖1所示,主要包含加熱室、蒸發(fā)室，循環(huán)泵，上下循環(huán)管和鹽腳(也稱淘洗腳)[1]。在蒸發(fā)結晶器中鹽腳作用[2-3]有如下幾點：(1)集鹽。收集蒸發(fā)結晶器析出的鹽顆粒，然后排出；(2)母液置換。用低溫、雜質含量低的新鮮鹵水置換蒸發(fā)器器內高溫、雜質含量高的料液，降低了鹽產品中因溶液殘留下來的雜質含量，提高了產品的純度，同時回收了部分熱量；(3)顆粒分級。淘洗鹵水將鹽腳中的細鹽晶體帶回蒸發(fā)室繼續(xù)生長，只有當鹽晶體成長到其沉降速度大于淘洗鹵水上升速度時，鹽顆粒才能沉降下來，可以通過控制淘洗鹵水流量來控制排出蒸發(fā)結晶器成品鹽的粒度，提高晶粒的均勻性，提升了產品的品質；總之合理設計鹽腳可以降低能量消耗、提高鹽產品質量。(4)調漿。即一部分淘洗鹵水“流化”沉降的鹽床,使沉降的鹽層變成易于輸送的漿狀,使鹽腳排鹽暢通。鹽腳設計不當，結構不合理，會給鹽腳正常操作帶來困難，影響產品質量和能耗[4]。

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)是一種以計算機為工具，通過對流體運動方程的數(shù)值解法，研究流體在不同過程中的流動狀態(tài)及其對流動過程中所發(fā)生的傳質、傳熱等過程的影響。CFD是除理論分析方法和實驗測量方法之外又一種研究流體流動、換熱問題的方法，三者之間是互相補充、互相促進的關系[4]，CFD模擬具有不受物理模型和實驗模型的限制特點，具有較好的靈活性，而且可以模擬特殊條件和實驗室中只能接近而無法達到的理想條件，因此CFD被廣泛用于過程、傳熱過程等的模擬優(yōu)化。

2 鹽腳內兩相流場模擬

2.1 鹽腳的結構

鹽腳的結構形式主要有多種，文章針對圖2所示的結構進行CFD模擬研究。

2.2 鹽腳模型結構

圖3為鹽腳模型簡化結構圖，進出口管均被簡化為進出口，忽略支撐結構，其中鹽腳筒體、導流筒、進出口等結構完全按照實際尺寸繪制。鹽腳的直徑為1 800 mm，總高度為7 528 mm，鹽腳內部設有一個帶弓形封頭的導流筒。導流筒的直徑為900 mm，直段高度為800 mm，弓形封頭的高度為225 mm，導流筒內設有淘洗液入口，淘洗液入口直徑為100 mm，淘洗液入口距離封頭頂部的距離為445 mm，在鹽腳底部設置鹽漿出口，鹽漿出口直徑為100 mm，出口距鹽腳底部2 228 mm。

2.3 模擬參數(shù)與條件

2.3.1 物性參數(shù)

假設液相為連續(xù)相，氯化鈉晶體作為分散相。對于分散相的黏度僅為一個概念值，不對流場產生影響，兩相的物理性質如表1 所示。

表1 兩相的物性參數(shù)

2.3.2 邊界條件

模擬計算中涉及的主要獨立變量的邊界條件：

(1)淘洗鹵水入口定義為velocity-inlet，且只有液相；

(2)在鹽腳單相流模擬過程中定義兩個出口，其中上出口定義為pressure-outlet，壓力為一個大氣壓；下出口定義為velocity-inlet，且只有液相，速度為負數(shù)則表示為出口；

(3)導流筒壁面定義為interface，連接導流筒內外網(wǎng)格區(qū)域的接觸面定義為interior；

(4)其余的壁面定義為無滑移光滑壁面wall；

(5)給定鹽腳內初始氯化鈉體積分數(shù)為30 %。

2.3.3 模擬控制條件

運用基于壓力的Fluent三維穩(wěn)態(tài)求解器進行模擬，湍流模型選用標準k-ε模型，壁面函數(shù)選用標準壁面函數(shù)；多相流模型選擇Euler-Euler模型，多相流湍流模型選擇Mixture模型，曳力模型選擇Schiller Naumann模型；壓力速度耦合項使用Phase Coupled SIMPLE算法，壓力方程采用PRESTO!方法離散，體積分數(shù)方程選用First Order Upwind方法離散，其他變量選用Second Order Upwind方法離散。所有方程迭代殘差設置小于10-4。迭代步數(shù)設置成10 000步。

2.4 鹽腳模擬結果與討論

2.4.1 晶體粒徑的影響

在導流筒直徑為900 mm，選取了5種不同粒徑的氯化鈉作為變量，分別為0.15 mm、0.35 mm、0.55 mm、0.75 mm和0.95 mm。圖4為不同粒徑的氯化鈉晶體在鹽腳內的軸向分布情況。

研究表明，導流筒內晶體分布幾乎為零；當晶體粒徑為0.15 mm時，其在鹽腳內的懸浮效果最好，幾乎全部懸浮在鹽腳內，只有極少部分沉積在鹽腳底部，隨著晶體粒徑的增大，越來越多的晶體沉積在鹽腳底部，靠近底部出口的晶體體積分數(shù)也越來越小，且當晶體粒徑為0.95 mm時，鹽漿出口附近晶體的體積分數(shù)幾乎為零，晶體幾乎全部沉積在底部。

2.4.2 進料體積流量的影響

在導流筒直徑為900 mm，晶體粒徑設置為0.15 mm情況下，選取三種不同淘洗鹵水進料體積流量作為變量，分別為50 m3/h、60 m3/h、70 m3/h。圖5為不同淘洗液進料體積流量下晶體體積分數(shù)分布情況。

研究表明，淘洗液進料體積流量越大，晶體在鹽腳內的分布越廣，堆積在鹽腳底部的晶體也越少。導流筒內的晶體積分數(shù)幾乎等于零，在導流筒頂部局部的晶體體積分數(shù)大于其附近的晶體體積分數(shù)，這是由于導流筒頂部的拱形結構導致液相流過時候產生了邊界層分離現(xiàn)象，產生了漩渦，晶體隨漩渦運動，導致局部增濃現(xiàn)象。

3 結論

1)在其他參數(shù)不變的情況下，改變淘洗鹵水進料體積流量，通過比較分析得到，當淘洗鹵水進料體積流量為70 m3/h時，排出鹽漿的氯化鈉的粒徑大于0.15 mm。

2)氯化鈉晶體在鹽腳中的分布主要集中在導流筒以外的區(qū)域。晶體粒徑越大、淘洗鹵水進料體積流量越小，氯化鈉顆粒分布區(qū)域越小。