光卤石连续冷却结晶装置流场模拟研究

魏智慧

(天津长芦汉沽盐场有限责任公司，天津 300480)

计算流体力学采用计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析，研究流体流动过程中的传质、传热等过程，实现仿真模拟[1]。文章以计算流体力学研究DTB结晶器的流体流场分布。DTB型结晶器是20世纪50年代末出现的一种效能较高的结晶器[2]；最早用于生产氯化钾，后为化工、食品、制药等工业部门广泛采用[3]。天津长芦汉沽盐场有限责任公司制备光卤石过程中采用DTB型结晶器，并以“底部集中进料—底部集中排料”方式进行生产。文章通过模拟DTB结晶器进料后的流场分布，分析确定优化生产装置的途径。

1 数学模拟方法的建立

1.1 几何模型的搭建

三维几何模型以生产DTB结晶器为原型，采用推进式搅拌桨，具体见图1。分析研究结晶器内流体的速度、方向和剪切力的分布情况。

图1 光卤石冷却结晶器三维几何模型Fig.1 Three-dimensional geometrical model of carnallite cooler crystallizer

1.2 网格划分

模拟实验使用Tet/Hybrid方法对模型的动静区域进行网格划分(如图2)。转子区网格使用网格间距为1；静子区使用网格间距为2，划分出网格数为3 933 415个。使用FLUENT对模型进行流体力学计算。

图2 网格划分情况Fig.2 Grind partitions

1.3 求解模型优选与相关系数设置

对于此结晶器模型使用三维稳态求解器进行处理，运用k-ε两等式湍流模型进行模拟。为了模拟DTB结晶器的流场特征，暂选用水为搅拌介质。设置Z方向上的重力加速度分量值为-9.81 m/s2。启用滑移网格模型，改变搅拌桨转速使其达到所需的混合效果。此次模拟基于非稳态隐式求解算法，动量方程按一阶迎风格式进行离散求解，压力速度耦合项采用SIMPLE算法。迭代步长定为0.01 s，步数为4 000进行运算。

2 光卤石连续冷却结晶装置流场模拟及结果分析

在结晶器正常运行时，伴随着稳定地进料及出料。设置搅拌桨、进出口管壁、结晶器侧面和底部为墙，设置结晶器顶部为压力出口,设置下部进口为进口边界，出口为流体出口，定义动区域和静区域为流体，对结晶器流场进行模拟。结晶器搅拌趋于稳定时的纵切面(y=0)总流动分布云图见图3。

图3 进料时纵截面总流动速度分布Fig.3 Total flow velocity distribution in longitudinal section during feeding

DTB结晶器流场趋于稳定时的纵切面(z=2)总流动、径向流动与轴向流动速度分布云图见图4、图5、图6，纵截面的速度矢量图见图7。

图4 进料时横截面总流动速度分布Fig.4 Total flow velocity distribution in cross section during feeding

图5 进料时横截面径向流动速度分布Fig.5 Radial flow velocity distribution in cross section during feeding

图6 进料时横截面轴向流动速度分布Fig.6 Axial flow velocity distribution in cross section during feeding

图7 进料时纵截面速度矢量图Fig.7 Velocity vector diagram of longitridinal section during feeding

由图3～图7可以看出，速度云图分布范围较广，说明搅动范围越大，搅拌效果就越好。进料时，提升筒内液体有明显的提升趋势，且提升速度较快，模拟的提升流量与实际运行的提升流量相一致。结晶器内轴向流动流态较为明显，轴向流动效果较好，径向流速相对较低。在此流体力学条件下，结晶器中的光卤石晶体可根据颗粒尺寸的不同沿轴向高度分布，即细小颗粒晶体与大颗粒晶体分布于结晶器轴向的不同位置。观察横纵截面及矢量图可以发现，该光卤石结晶器内并无死循环，整体内部结构较为合理。因此，通过开展光卤石冷却结晶器运行的流场三维模拟，可以得出以下结论：

(1)光卤石冷却结晶器内部无死循环，结构较为合理。

(2)光卤石冷却结晶器内部以轴向流为主，其中晶体可根据颗粒尺寸的不同沿轴向高度分布，若将细小晶体和大颗粒晶体分开，大颗粒晶体排出沉降，细小晶体通过热溶方式灭晶后重回冷却结晶系统，可有效增大光卤石粒径，提高产品质量。

天津长芦汉沽盐场有限责任公司原有光卤石冷却结晶系统采用“底部集中进料—底部集中排料”的方式，结晶器内不同粒径的晶体无法得到有效分开，导致光卤石产品中夹杂大量细晶无法长大，产品粒度较小、质量较差。因此，建议对光卤石结晶装置的优化改造主要集中于增加循环系统和清液排料系统，以提高光卤石产品粒径和质量。