魏智慧

(天津長蘆漢沽鹽場有限責任公司，天津 300480)

計算流體力學采用計算機和離散化的數(shù)值方法對流體力學問題進行數(shù)值模擬和分析，研究流體流動過程中的傳質(zhì)、傳熱等過程，實現(xiàn)仿真模擬[1]。文章以計算流體力學研究DTB結晶器的流體流場分布。DTB型結晶器是20世紀50年代末出現(xiàn)的一種效能較高的結晶器[2]；最早用于生產(chǎn)氯化鉀，后為化工、食品、制藥等工業(yè)部門廣泛采用[3]。天津長蘆漢沽鹽場有限責任公司制備光鹵石過程中采用DTB型結晶器，并以“底部集中進料—底部集中排料”方式進行生產(chǎn)。文章通過模擬DTB結晶器進料后的流場分布，分析確定優(yōu)化生產(chǎn)裝置的途徑。

1 數(shù)學模擬方法的建立

1.1 幾何模型的搭建

三維幾何模型以生產(chǎn)DTB結晶器為原型，采用推進式攪拌槳，具體見圖1。分析研究結晶器內(nèi)流體的速度、方向和剪切力的分布情況。

圖1 光鹵石冷卻結晶器三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometrical model of carnallite cooler crystallizer

1.2 網(wǎng)格劃分

模擬實驗使用Tet/Hybrid方法對模型的動靜區(qū)域進行網(wǎng)格劃分(如圖2)。轉子區(qū)網(wǎng)格使用網(wǎng)格間距為1；靜子區(qū)使用網(wǎng)格間距為2，劃分出網(wǎng)格數(shù)為3 933 415個。使用FLUENT對模型進行流體力學計算。

圖2 網(wǎng)格劃分情況Fig.2 Grind partitions

1.3 求解模型優(yōu)選與相關系數(shù)設置

對于此結晶器模型使用三維穩(wěn)態(tài)求解器進行處理，運用k-ε兩等式湍流模型進行模擬。為了模擬DTB結晶器的流場特征，暫選用水為攪拌介質(zhì)。設置Z方向上的重力加速度分量值為-9.81 m/s2。啟用滑移網(wǎng)格模型，改變攪拌槳轉速使其達到所需的混合效果。此次模擬基于非穩(wěn)態(tài)隱式求解算法，動量方程按一階迎風格式進行離散求解，壓力速度耦合項采用SIMPLE算法。迭代步長定為0.01 s，步數(shù)為4 000進行運算。

2 光鹵石連續(xù)冷卻結晶裝置流場模擬及結果分析

在結晶器正常運行時，伴隨著穩(wěn)定地進料及出料。設置攪拌槳、進出口管壁、結晶器側面和底部為墻，設置結晶器頂部為壓力出口,設置下部進口為進口邊界，出口為流體出口，定義動區(qū)域和靜區(qū)域為流體，對結晶器流場進行模擬。結晶器攪拌趨于穩(wěn)定時的縱切面(y=0)總流動分布云圖見圖3。

圖3 進料時縱截面總流動速度分布Fig.3 Total flow velocity distribution in longitudinal section during feeding

DTB結晶器流場趨于穩(wěn)定時的縱切面(z=2)總流動、徑向流動與軸向流動速度分布云圖見圖4、圖5、圖6，縱截面的速度矢量圖見圖7。

圖4 進料時橫截面總流動速度分布Fig.4 Total flow velocity distribution in cross section during feeding

圖5 進料時橫截面徑向流動速度分布Fig.5 Radial flow velocity distribution in cross section during feeding

圖6 進料時橫截面軸向流動速度分布Fig.6 Axial flow velocity distribution in cross section during feeding

圖7 進料時縱截面速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of longitridinal section during feeding

由圖3～圖7可以看出，速度云圖分布范圍較廣，說明攪動范圍越大，攪拌效果就越好。進料時，提升筒內(nèi)液體有明顯的提升趨勢，且提升速度較快，模擬的提升流量與實際運行的提升流量相一致。結晶器內(nèi)軸向流動流態(tài)較為明顯，軸向流動效果較好，徑向流速相對較低。在此流體力學條件下，結晶器中的光鹵石晶體可根據(jù)顆粒尺寸的不同沿軸向高度分布，即細小顆粒晶體與大顆粒晶體分布于結晶器軸向的不同位置。觀察橫縱截面及矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，該光鹵石結晶器內(nèi)并無死循環(huán)，整體內(nèi)部結構較為合理。因此，通過開展光鹵石冷卻結晶器運行的流場三維模擬，可以得出以下結論：

(1)光鹵石冷卻結晶器內(nèi)部無死循環(huán)，結構較為合理。

(2)光鹵石冷卻結晶器內(nèi)部以軸向流為主，其中晶體可根據(jù)顆粒尺寸的不同沿軸向高度分布，若將細小晶體和大顆粒晶體分開，大顆粒晶體排出沉降，細小晶體通過熱溶方式滅晶后重回冷卻結晶系統(tǒng)，可有效增大光鹵石粒徑，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

天津長蘆漢沽鹽場有限責任公司原有光鹵石冷卻結晶系統(tǒng)采用“底部集中進料—底部集中排料”的方式，結晶器內(nèi)不同粒徑的晶體無法得到有效分開，導致光鹵石產(chǎn)品中夾雜大量細晶無法長大，產(chǎn)品粒度較小、質(zhì)量較差。因此，建議對光鹵石結晶裝置的優(yōu)化改造主要集中于增加循環(huán)系統(tǒng)和清液排料系統(tǒng)，以提高光鹵石產(chǎn)品粒徑和質(zhì)量。