曹赵生

（贵阳铝镁设计研究院有限公司 贵州贵阳 551000）

不同桨叶结构对种子分解中固相分布的影响

曹赵生

（贵阳铝镁设计研究院有限公司 贵州贵阳 551000）

在氧化铝生产过程中，铝酸钠溶液种子分解是拜耳法生产氧化铝的主要工序之一，其主体设备为分解槽。现阶段国内大型氧化铝生产企业，分解槽的搅拌装置绝大部分均采用机械搅拌，但搅拌的桨叶结构却多种多样。本文主要分析几种常见且有实际应用的桨叶结构对分解槽中固相分布的影响。

氧化铝生产；种子分解；桨叶结构；固相分布

1 概述

种子分解的目的是从饱和铝酸钠溶液中析出氢氧化铝晶体，从而得到固态氢氧化铝。分解过程包括两个不同的阶段，一个是铝酸钠溶液自发分解出氢氧化铝晶核，另一个是晶核继续长大变为氢氧化铝结晶颗粒而析出。这两个阶段同时存在。然而单靠铝酸钠溶液自发分解氢氧化铝晶核长大，过程极其缓慢，无法满足工业生产需求，所以在工业生产中必须加入氢氧化铝种子作为铝酸钠溶液分解析出的结晶核心。因此分解槽中重要固相成分主要是加入的氢氧化铝种子和长大的氢氧化铝结晶颗粒。固相的分布情况又非常直观的影响到种子分解的生产效率、分解槽的沉淀结疤情况。一般来说分布越均匀生产效率越高，分解槽的结疤情况也会相应减轻。本文旨在通过限定其它条件，以FLUENT流体计算为基础，分析三种不同桨叶结构对分解槽固相分布情况的影响。

2 FLUENT仿真数值模拟方案确定

分解槽内物料一般为固—液两相，需要建立固液两相流数学模型，由于固体颗粒浓度较大，且不研究单个颗粒的运动特性，因此可将固相视为连续相，采用FLUENT中欧拉-欧拉多相流模型对其进行数值模拟计算，该模型是以连续相的方程对固体颗粒特性进行描述。

对于搅拌流场进行数值模拟，较难处理的是运动的桨叶和静止的挡板、槽壁之间的相互作用。根据模拟计算的需要，本文计算采用多重参考系法，将各个计算区域分成两个或多个互不重叠的圆筒状区域，整个搅拌槽分为旋转区域和静止区域两部分，旋转区域的几何结构只有搅拌桨，静止区域的几何结构包括整个槽壁、挡板等。

本文以单轴搅拌为例分析，以XZ平面为分解槽底面建立圆柱形流场模型，坐标原点位于底面中心，Y方向为搅拌主轴方向。

边界条件进行如下设置：

（1）对稳态，分解槽的槽壁、槽底部以及搅拌桨表面均为无滑移固体壁面；

（2）搅拌槽液面视为自由液面；

（3）旋转区域的旋转角速度与搅拌桨转速大小相等、方向相同，搅拌桨叶相对于旋转坐标系静止。

采用有限体积法对建立搅拌流场数学模型进行离散，对流项采用二阶上迎风格式进行离散，与一阶离散格式相比，二阶离散格式的计算精度有很大的提高。对模型使用FLUENT三维解算器进行求解。

3 桨叶结构及其它条件参数的确定

3.1 桨叶结构

本文选取工业中14m分解槽中有实际应用的三种桨叶结构，进行必要简化，建立模型如图1～3。

图1 桨叶模型一

图2 桨叶模型二

图3 桨叶模型三

三种桨叶直径、层数及层间距参数如表1。

表1

3.2 其它参数

（1）挡板主要是在湍流状态时为了消除槽内中央的“圆柱状回转区”而增设的，它可使槽内固体颗粒细而均匀。三种桨叶形式均按2个挡板考虑。

（2）确定三种搅拌桨叶的转速为N1=4.8rpm；N2=N3=6rpm（式中1，2，3分别代表桨叶模型）。

（3）确定三种搅拌轴径为φ508×20钢管。

以上参数为基础建立分解槽搅拌的几何模型，对建立的几何模型的流场采用有限体积法进行离散，即进行网格划分。网格划分中，重点处理了需要重点关注的几何结构面的网格，再生成整个流场的网格。

面网格全部采用四边形结构化网格，划分形式为平铺，网格间距60mm，整个流场的体网格划分采用四面体/混合类型，划分类型为TGrid，间距单轴和多轴均为400mm。

4 计算结果分析

搅拌槽搅拌的主要目的之一还要保持溶液浓度均匀，保证晶种与溶液有良好的接触以利于析出晶体。通过模拟可以得到颗粒相在整个流场中的分布状况，以及确定颗粒相的高浓度区域。

通过流产分析计算，本文分别确定流场内125μm颗粒和70μm颗粒在垂直于底面的几个横截面上的体积分布图。图4～6为125μm颗粒模拟计算结果。

图4 X-Y面体积分布

图5 Y-Z面体积分布

图6 W-Y面体积分布

从图4～6中可以看出，通过搅拌的作用，除液面主轴位置附近和液面边缘附近有一个较低颗粒浓度的区域和底面有较高的颗粒浓度的区域外，颗粒相在分解槽内分布比较均匀。

两种颗粒在底面上都有比较明显的沉积，可以判断底层桨附近区域是沉积高危区，且易沉积的区基本可以分为两块，就是主轴附近区域以及槽底边缘的区域。

通过对体积分布图分析，可能形成较大沉积的三种模型比较如下：X-Y面：模型一＜模型三＜模型二；Y-Z面：模型一＜模型三＜模型二；W-Y面：模型一＜模型三＜模型二。

5 结束语

分解槽搅拌的主要目的之一是使固液相混合均匀，加快分解析出过程，控制结疤。但通过对各种桨叶结构的流场分析，可发现尽管现阶段提出了各种各样的改进桨型，但是结疤仍是不可避免，流场中颗粒相分布仍存在明显分区，这是现阶段机械搅拌不可避免的问题，只能逐渐改进。而曾经提出的空气搅拌等其余搅拌方式又因能耗、控制等问题没能广泛推广。因此，对与种子分解搅拌虽然在工业中应用已经非常成熟，但存在的问题仍然是问题，虽然有所改进，但其发展空间仍是很大。

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