铝酸钠溶液晶种分解过程中多相流动的数值模拟研究

论文题目: 铝酸钠溶液晶种分解过程中多相流动的数值模拟研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 热能工程

作者: 闫红杰

导师: 周孑民,吕子剑,周萍

关键词: 晶种分解,多相流,数值模拟,结构优化,空气搅拌

文献来源: 中南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 铝酸钠溶液的晶种分解是拜耳法生产氧化铝工艺中的关键工序,对氧化铝的产量和质量有着直接的影响。近年来,我国氧化铝工业产量不断增加,对产品质量的要求也日益提高。因此,深入了解晶种分解过程中的各个影响因素,提高晶种分解过程数值模拟的可靠性对提高氧化铝产量与质量,节能降耗,促进氧化铝工业的技术进步具有重要的理论与实践意义。本文通过对晶种分解过程及主要设备的详细研究,综合利用多相流体力学、计算流体力学及传输过程等理论,构建了晶种分解过程多相流动的多流体模型;以商业软件CFX4.3为平台,研制开发了晶种分解过程多相流动的数值模拟系统。通过对生产现场铝酸钠溶液(料浆)的测试与分析,确定了铝酸钠溶液为牛顿流体,其粘性系数基本不随溶液运动速度的变化而变化,溶液的温度及固含对粘性系数有一定的影响。以两种不同结构的空气搅拌式种分槽为研究对象,完成了晶种分解过程气—液两相流动的三维数值模拟。数值模拟结果表明,种分槽内的流场分布对铝酸钠溶液的混合、槽内结疤等现象有着直接的影响;翻料管为喇叭套管的种分槽内溶液循环量大,副风管的的上提强化了种分槽下部溶液的扰动,其流场明显优于翻料管为直套管的种分槽。建立了晶种分解过程中的标量传输模型,并与气—液两相流动的多流体模型耦合,研制开发了晶种分解过程中铝酸钠溶液扩散及停留时间的数值模拟程序。计算结果表明,翻料管为直套管的种分槽内存在明显的溶液“短路”现象,溶液在槽内的停留时间低于翻料管为喇叭套管的种分槽。自行设计并制作了晶种分解水模型实验装置,对晶种分解过程铝酸钠溶液的扩散与停留时间进行了实验研究。实验结果表明,不使用挡板的情况下种分槽内存在溶液“短路”现象;实验结果与数值模拟

论文目录:

摘要

ABSTRACT

主要符号表

第一章绪论

1．1 我国氧化铝工业现状

1．2 氧化铝生产方法概述

1．2．1 氧化铝生产的基本方法

1．2．2 拜耳法

1．2．3 烧结法

1．2．4 拜耳—烧结联合法

1．3 晶种分解

1．3．1 晶种分解过程的机理

1．3．2 晶种分解过程的主要设备

1．3．3 搅拌对晶种分解的影响

1．4 多相流体力学概况

1．4．1 多相流体动力学及其发展

1．4．2 多相流数值模拟技术的发展

1．5 本文研究的主要内容及意义

第二章多相流动的理论基础

2．1 单相流动的数学模型

2．1．1 单相流动的基本控制方程组

2．1．2 雷诺时均方程

2．1．3 κ-ε双方程模型

2．2 多相流动的数学模型

2．2．1 多流体模型

2．2．2 多相流动中的κ-ε双方程模型

2．3 相间作用力

2．3．1 曳力模型

2．3．2 非曳力模型

第三章晶种分解过程多相流动的数值模拟方法

3．1 晶种分解过程中料浆流动型态的确定

3．2 晶种分解设备及其传输过程的抽象与简化

3．3 网格的划分

3．4 数学模型

3．5 边界条件

3．6 偏微分方程的离散化

3．7 压力与速度耦合关系的处理

3．7．1 压力与速度耦合关系的处理方法概述

3．7．2 基于同位网格的SIMPLE算法

3．8 多相流动的相间滑移算法

3．9 程序的实现

3．10 迭代过程的收敛策略

第四章晶种分解过程气—液两相流动的数值模拟

4．1 数值模拟工况

4．2 种分槽中氢氧化铝颗粒的悬浮与沉降

4．2．1 静止流体中颗粒的自由沉降

4．2．2 垂直上升流中颗粒的悬浮与沉降

4．2．3 种分槽内氢氧化铝颗粒的悬浮条件

4．3 晶种分解过程气—液两相流动数值模拟结果的讨论与分析

4．4 数值模拟结果小结

第五章种分槽内料浆停留时间的数值模拟

5．1 影响晶种分解过程的主要因素

5．2 种分槽内料浆停留时间的数值模拟

5．2．1 料浆停留时间数值模拟的基本思想及基本概念

5．2．2 料浆停留时间数值模拟结果的讨论与分析

5．3 数值模拟结果小结

第六章晶种分解过程气—液两相流动数值模拟的实验验证

6．1 水模型实验的设计

6．2 水模型实验结果与数值模拟结果的比较与分析

6．2．1 流体在种分槽中扩散情况的实验结果与数值模拟结果的比较分析

6．2．2 料浆停留时间的实验结果与数值模拟结果的比较与分析

6．3 误差分析

第七章晶种分解过程气—液—固三相流动的数值模拟

7．1 晶种分解过程中搅拌对氢氧化铝颗粒附聚的影响

7．2 晶种分解过程气—液—固三相流动的数值模拟

7．2．1 数学模型

7．2．2 边界条件和物性参数

7．2．3 数值模拟结果的讨论与分析

7．3 空气搅拌式种分槽的结构优化

7．3．1 结构参数的优化方案

7．3．2 数值模拟结果的讨论与分析

7．4 数值模拟与优化结果小结

第八章结论与建议

参考文献

攻读学位期间主要研究成果

致谢

发布时间: 2006-03-28

参考文献

[1].添加剂强化拜耳法种分工艺与理论研究[D]. 张斌.中南大学2003
[2].钾离子对铝酸钠溶液种分过程影响的研究[D]. 陈金清.中南大学2004
[3].超声波强化铝酸钠溶液分解过程机理的研究[D]. 刘吉波.中南大学2004
[4].铝酸钠溶液分解产品粒度周期性细化的规律及防治研究[D]. 吴玉胜.东北大学2006
[5].硅矿物及有机物在拜耳法生产氧化铝过程中的行为[D]. 赵清杰.中南大学2008
[6].过饱和铝酸钠溶液种分强化及添加剂分子设计[D]. 曾纪术.中南大学2008
[7].含羧基结晶助剂对过饱和铝酸钠溶液种分过程的影响及机理研究[D]. 吕保林.中南大学2010
[8].超声场强化拜耳法种分过程的研究[D]. 赵继华.中南大学2001
[9].高铁三水铝石矿常压溶出过程与动力学行为研究[D]. 杨会宾.东北大学2016
[10].铝酸钠溶液晶种分解附聚过程及其强化的研究[D]. 刘战伟.中南大学2011

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