光卤石及氯化钾结晶设备混合与闪蒸的CFD研究

【摘要】：以富含钾的海水淡化母液制取氯化钾是一种解决我国钾盐资源短缺的重要手段。其路线为母液蒸发浓缩、结晶得到光卤石,再以光卤石为原料制取氯化钾。光卤石冷分解-浮选法生产氯化钾工艺不仅产品纯度低,而且生产成本较高。与冷分解法相比,热分解法能生产出粒径更大的氯化钾晶体,同时节约用水,具有良好的应用前景。本文采用计算流体力学(CFD)模拟技术对工业尺寸的两段光卤石真空蒸发DTB结晶器的结构进行了优化。首先使用结晶器的3D网格模型和单相流模拟技术,讨论了导流筒直径、挡板长度以及搅拌速率对结晶器流场的影响;然后采用离散相模型(DPM)考察了光卤石颗粒的运动轨迹;最后使用欧拉多相模型分析了不同条件下结晶器内晶体颗粒的混合情况。CFD模拟结果确定了结晶器的较优结构与操作条件。在设计循环流量范围内,与初始结构相比,优化结晶器能耗比原始结构能耗下降超过45%以上,颗粒悬浮、沉降以及溢流效果得到较大改善。构建了包含初始温度、操作压力、液位以及时间的经验闪蒸质量模型。利用305组文献纯水闪蒸实验数据,并结合非线性优化技术获得该模型的7个参数。结果表明,新模型计算值的平均相对误差约为9.35%,模型统计证明该模型具有良好的适定性;另外164组文献数据的模型验证结果显示,新模型计算值与文献值间的平均相对误差约为15.5%;然而,在相同条件下,Fluent软件中自带蒸发-冷凝模型以及Gopalakrishna等提出的闪蒸模型的平均相对误差分别约为29.2%和33.9%。显然,本研究提出的新型闪蒸质量模型更为准确、可靠。基于该新型模型,进一步获得了用于闪蒸过程CFD模拟的动力学模型。分别建立两段结晶器的2D网格模型,利用3D模拟流场信息和新型闪蒸动力学模型,编写了2D模型桨区流动的UDF程序以及传质UDF程序,采用VOF多相流模型分别对结晶器中的闪蒸过程进行了瞬态模拟。结果表明,新的闪蒸动力学模型的模拟结果与Fluent软件自带蒸发-冷凝模型相比更接近真实的闪蒸过程。此外,对光卤石热分解结晶器的3D网格模型进行单相流与欧拉多相流模拟,分析了结晶器的流场与颗粒混合情况。根据模拟结果,对结晶器结构进行了优化,并进一步进行了CFD模拟。结果表明,优化后的结晶器混合良好,不仅避免了大颗粒的堆积现象,而且有利于大颗粒排料、清液溢流以及小颗粒悬浮和循环。本研究对于光卤石和氯化钾的结晶器设计以及过程操作具有重要的指导意义。