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立式釜内铜阳极泥固液搅拌过程仿真及效果评价

潘荣选  
【摘要】:铜阳极泥立式釜是目前加压脱铜工序的主要设备。然而在生产过程中,由于立式釜结构的封闭特性及釜内复杂混合流动过程,立式釜的设计优化主要依靠经验和半经验关联方法,现有测试手段无法有效监测釜内复杂的固-液混合过程,设计的立式釜往往无法达到预期的搅拌混合效果。本研究通过计算流体力学(CFD)数值模拟技术,采用标准的k-?湍流模型、欧拉-欧拉多相流模型、多重参考系(MRF)模型,建立了25 m3立式加压釜内固-液两相混合搅拌过程仿真模型并进行数值模拟研究,此外通过主成分分析法进行混合效果评价,得出如下结论:(1)研究了不同转速下的搅拌功率数值模拟结果并与经验公式对比,验证了采用的数学模型可用于搅拌模拟。(2)通过控制单因素变量考察搅拌转速、桨叶安装角度、桨叶间距、阻尼挡板高度对立式釜搅拌综合性能的影响。转速80 r·min-1,固体颗粒混合效果良好,所有颗粒比较均匀的悬浮,轴向无明显浓度差。桨叶倾斜角度步增大,釜内轴向漩涡高度增加,流体高速区范围相应增大,从而较快地向釜顶低浓度区域流动,安装角度考虑45°为宜;增大桨叶安置间距,可提高立式釜轴向固相均匀分布程度,桨叶间距S=1.615 m较优;增加挡板高度,促进立式釜内铜阳极泥固相上浮,继续增加高度反而抑制固相铜阳极泥上浮。(3)采用正交试验法对搅拌转速及结构参数进行优化。选择搅拌转速、桨叶安装角度、两桨叶间距、阻尼挡板高度为考察因素,以立式釜铜阳极泥截面固相体积浓度为评判指标。分析结果表明,各因素对铜阳极固相分布影响大小顺序为:桨叶安装角度转速阻尼挡板高度两桨叶间距。(4)通过正交分析获得了最佳结构参数条件,即搅拌转速为100 r·min-1,桨叶安装角度为45°,桨叶间距为1.615 m,挡板高度为2 m,在此条件下立式釜截面固相体积浓度较实际生产工况增幅达13%。优化工况条件较实际工况而言,立式釜上部分流体会产生明显的漩涡,轴向速度梯度明显,同时铜阳极泥颗粒在整个轴向分布更为均匀。(5)选定10组铜阳极泥固液搅拌组合进行主成分分析,综合量化评分,将六个评价指标(截面固相体积浓度、面Z1、Z2湍流动能、单位体积混合能、搅拌功率、监测点混合时间)转化成两个综合指标,计算结果表明正交分析法中最佳结构参数条件评分值最高,因此主成分分析法可有效进行搅拌效果评价。


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