硫酸铵结晶过程的研究及其固—液多相流的计算流体力学研究

论文摘要

硫酸铵是一种重要的氮肥。工业上硫酸铵通常是由炼钢的焦炉气被硫酸吸收后得到,或者是从生产己内酰胺的副产品中提取。为了改善饱和器结晶硫酸铵过程中,生成的晶体颗粒较小,粒度分布不均匀,色度不理想,并伴有晶体聚结现象发生等问题。本文对硫酸铵结晶工艺进行了系统的研究,并在此基础上,运用计算流体力学方法,对硫酸铵结晶器进行了模拟和优化,并对硫酸铵结晶过程进行了多相模拟。使用激光法测定了硫酸铵在纯水、硫酸和硫酸铁溶液中的溶解度,以及硫酸铵在纯水、硫酸和硫酸铁溶液中的超溶解度和介稳区。并应用Apelblat双对数经验方程关联了硫酸铵在不同溶剂中的溶解度随温度的变化关系。采用间歇动态法对硫酸铵蒸发结晶过程的动力学进行了实验测定。测得了硫酸铵晶体的粒度分布,并回归得到了硫酸铵在纯水溶液和原料液中的成核速率及生长速率方程的参数。讨论了溶液酸度以及杂质离子对于结晶动力学的影响。考察了投加晶种,搅拌速率,蒸发温度,pH值等操作参数,对结晶过程最终产品粒度分布和晶形质量的影响,确定了硫酸铵结晶工艺的最优的操作条件。利用实验得到的物性参数和优化的工艺条件,对实验室尺寸、2.5L小试尺寸和456.78m3工业尺寸进行了硫酸铵的结晶器的流场模拟。考察了不同尺寸结晶器内流体流动的速度大小、方向和剪切率,计算出搅拌桨的理论单位体积输入功率。同时还比较了使用PBT搅拌桨和三叶推进式搅拌桨的流场变化。在实验的基础上,使用欧拉-欧拉多相模型,在工业尺寸的间歇DTB结晶器中对硫酸铵结晶过程多相流进行了模拟。采用分组法求解硫酸铵结晶过程的粒数衡算方程,建立并推导了关联硫酸铵结晶过程成核速率和生长速率的相间质量传递模型,对硫酸铵的晶体粒度分布,进行了直接的模拟,并得到了工业尺寸DTB结晶器内硫酸铵的粒度分布数据。依据间歇DTB结晶器欧拉法多相模拟的结果,优化工业尺寸的硫酸铵连续DTB结晶器,并讨论了搅拌速率对连续结晶器内流场的影响。应用拉哥朗日离散相模型,考察了粒度为10μm、800μm和2000μm的硫酸铵晶体在连续结晶器内的悬浮效果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工业结晶
• 1.1.1 工业结晶技术概述
• 1.1.2 结晶分离过程的特点
• 1.1.3 工业结晶技术发展趋势
• 1.2 计算流体力学概述
• 1.2.1 计算流体力学简介
• 1.2.2 计算流体力学的工作步骤
• 1.2.3 计算流体力学的特点
• 1.2.4 计算流体力学的分支
• 1.3 本文研究背景与工作
• 1.3.1 课题的研究体系与研究意义
• 1.3.2 本文研究内容
• 第二章 硫酸铵结晶热力学研究
• 2.1 文献综述
• 2.1.1 溶解度简介
• 2.1.2 溶解度的测定方法
• 2.1.3 固－液平衡理论－溶解度的关联与模拟
• 2.1.4 溶液热力学对于晶体纯度的影响
• 2.2 硫酸铵结晶热力学数据的测定
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 溶解度测定实验方法
• 2.2.3 实验装置
• 2.2.4 实验步骤
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 硫酸铵在溶剂中的溶解度
• 2.3.2 硫酸铵在溶剂中的介稳区
• 2.4 本章小结
• 第三章 硫酸铵结晶动力学研究
• 3.1 文献综述
• 3.1.1 晶核的形成
• 3.1.2 初级成核
• 3.1.3 二次成核
• 3.1.4 晶体生长
• 3.1.5 硫酸铵结晶过程动力学研究进展
• 3.2 结晶动力学的测试方法
• 3.2.1 连续稳态法
• 3.2.2 连续动态法
• 3.2.3 间歇动态法
• 3.3 结晶动力学实验
• 3.3.1 实验试剂
• 3.3.2 实验装置
• 3.3.3 实验操作步骤
• 3.3.4 实验数据测定
• 3.4 实验结果及讨论
• 3.4.1 实验结果
• 3.4.2 讨论
• 3.5 本章小节
• 第四章 硫酸铵真空蒸发冷却结晶工艺研究
• 4.1 硫酸铵生产工艺概述
• 4.1.1 硫酸铵生产工艺
• 4.1.2 晶种的加入量计算
• 4.2 硫酸铵结晶实验
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验装置
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 晶种的影响
• 4.3.2 搅拌速率的影响
• 4.3.3 蒸发温度的影响
• 4.3.4 pH 值的影响
• 4.4 硫酸铵结晶工艺条件的优化及优化后的产品质量
• 4.4.1 结晶工艺条件的优化
• 4.4.2 产品质量
• 4.5 本章小节
• 第五章 硫酸铵结晶器的单相流场模拟
• 5.1 流场模拟的基本理论
• 5.1.1 流体的定义和流体力学
• 5.1.2 流体力学基本控制方程
• 5.1.3 基本的湍流模型
• 5.1.4 滑动网格
• 5.1.5 结晶器单相流场模拟的意义
• 5.2 实验室尺寸结晶器的流场模拟
• 5.2.1 结晶器形状尺寸和网格划分
• 5.2.2 模拟条件和参数
• 5.2.3 模拟结果与讨论
• 5.3 使用PBT 搅拌桨的2.5L 带挡板结晶器模拟
• 5.3.1 结晶器的形状尺寸和网格划分
• 5.3.2 模拟条件和参数
• 5.3.3 模拟结果与讨论
• 5.3.4 加快转速为6001pm 时结晶器内的流场分布
• 5.4 带普通挡板的2.5L DTB 结晶器的模拟
• 5.4.1 结晶器的形状尺寸和网格划分
• 5.4.2 模拟条件和参数
• 5.4.3 模拟结果与讨论
• 5.4.4 三叶推进式搅拌桨DTB 结晶器流场的影响
• 5.5 带圆筒形挡板的2.5L DTB 结晶器的模拟
• 5.5.1 结晶器的形状尺寸和网格划分
• 5.5.2 模拟条件和参数
• 5.5.3 模拟结果与讨论
• 5.5.4 三叶推进式搅拌桨DTB 结晶器流场的影响
• 5.6 工业级尺寸的间歇式DTB 结晶器的流场模拟
• 5.6.1 结晶器的形状尺寸和网格划分
• 5.6.2 模拟条件和参数
• 5.6.3 模拟结果与讨论
• 5.6.4 三叶推进式搅拌桨工业级DTB 结晶器流场的模拟
• 5.7 本章小节
• 第六章 硫酸铵结晶过程固－液多相流的欧拉法模拟
• 6.1 计算流体力学在结晶过程中的应用
• 6.1.1 结晶过程的计算流体力学的单相模拟
• 6.1.2 结晶过程的多相流模拟的模型
• 6.1.3 结晶过程CSD 的欧拉法多相流模拟方法
• 6.2 CFD 模拟硫酸铵结晶多相流的分组法模型的建立
• 6.2.1 欧拉模型的基本理论
• 6.2.2 粒数衡算方程的分组法求解
• 6.2.3 粒数衡算方程转化为相间质量传递
• 6.3 硫酸铵结晶过程固－液两相流CFD 模拟
• 6.3.1 工业尺寸DTB 结晶器内的两相流动模拟
• 6.3.2 三叶推进式搅拌桨对固－液两相流的影响
• 6.4 硫酸铵结晶过程固－液多相流CFD 模拟
• 6.4.1 计算域的形状和尺寸
• 6.4.2 模拟参数的确定
• 6.4.3 模拟结果与讨论
• 6.5 本章小节
• 第七章 工业尺寸硫酸铵连续结晶器初探
• 7.1 离散相模型的基本理论
• 7.1.1 欧拉－拉哥朗日模型的基本思想
• 7.1.2 轨道的计算
• 7.2 工业尺寸硫酸铵连续结晶器模拟
• 7.2.1 连续结晶器的结构尺寸和网格划分
• 7.2.2 物性参数、边界条件和模拟参数
• 7.2.3 工业尺寸连续DTB 结晶器流场模拟
• 7.2.4 工业尺寸连续DTB 结晶器的粒子悬浮模拟
• 7.3 本章小节
• 第八章 结论及建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 8.3 论文创新点
• 参考文献
• 发表论文
• 附录
• 致谢