FC蒸发结晶器盐脚CFD模拟

杨立树

(江西九二盐业有限责任公司，江西 会昌 342614)

1 前言

蒸发结晶器是井矿盐生产的关键设备，目前国内蒸发结晶器型式为FC蒸发结晶器，并且在传统的FC蒸发结晶器基础上进行了结构优化。我国真空制盐生产常用蒸发结晶器形式如图1所示,主要包含加热室、蒸发室，循环泵，上下循环管和盐脚(也称淘洗脚)[1]。在蒸发结晶器中盐脚作用[2-3]有如下几点：(1)集盐。收集蒸发结晶器析出的盐颗粒，然后排出；(2)母液置换。用低温、杂质含量低的新鲜卤水置换蒸发器器内高温、杂质含量高的料液，降低了盐产品中因溶液残留下来的杂质含量，提高了产品的纯度，同时回收了部分热量；(3)颗粒分级。淘洗卤水将盐脚中的细盐晶体带回蒸发室继续生长，只有当盐晶体成长到其沉降速度大于淘洗卤水上升速度时，盐颗粒才能沉降下来，可以通过控制淘洗卤水流量来控制排出蒸发结晶器成品盐的粒度，提高晶粒的均匀性，提升了产品的品质；总之合理设计盐脚可以降低能量消耗、提高盐产品质量。(4)调浆。即一部分淘洗卤水“流化”沉降的盐床,使沉降的盐层变成易于输送的浆状,使盐脚排盐畅通。盐脚设计不当，结构不合理，会给盐脚正常操作带来困难，影响产品质量和能耗[4]。

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是一种以计算机为工具，通过对流体运动方程的数值解法，研究流体在不同过程中的流动状态及其对流动过程中所发生的传质、传热等过程的影响。CFD是除理论分析方法和实验测量方法之外又一种研究流体流动、换热问题的方法，三者之间是互相补充、互相促进的关系[4]，CFD模拟具有不受物理模型和实验模型的限制特点，具有较好的灵活性，而且可以模拟特殊条件和实验室中只能接近而无法达到的理想条件，因此CFD被广泛用于过程、传热过程等的模拟优化。

2 盐脚内两相流场模拟

2.1 盐脚的结构

盐脚的结构形式主要有多种，文章针对图2所示的结构进行CFD模拟研究。

2.2 盐脚模型结构

图3为盐脚模型简化结构图，进出口管均被简化为进出口，忽略支撑结构，其中盐脚筒体、导流筒、进出口等结构完全按照实际尺寸绘制。盐脚的直径为1 800 mm，总高度为7 528 mm，盐脚内部设有一个带弓形封头的导流筒。导流筒的直径为900 mm，直段高度为800 mm，弓形封头的高度为225 mm，导流筒内设有淘洗液入口，淘洗液入口直径为100 mm，淘洗液入口距离封头顶部的距离为445 mm，在盐脚底部设置盐浆出口，盐浆出口直径为100 mm，出口距盐脚底部2 228 mm。

2.3 模拟参数与条件

2.3.1 物性参数

假设液相为连续相，氯化钠晶体作为分散相。对于分散相的黏度仅为一个概念值，不对流场产生影响，两相的物理性质如表1 所示。

表1 两相的物性参数

2.3.2 边界条件

模拟计算中涉及的主要独立变量的边界条件：

(1)淘洗卤水入口定义为velocity-inlet，且只有液相；

(2)在盐脚单相流模拟过程中定义两个出口，其中上出口定义为pressure-outlet，压力为一个大气压；下出口定义为velocity-inlet，且只有液相，速度为负数则表示为出口；

(3)导流筒壁面定义为interface，连接导流筒内外网格区域的接触面定义为interior；

(4)其余的壁面定义为无滑移光滑壁面wall；

(5)给定盐脚内初始氯化钠体积分数为30 %。

2.3.3 模拟控制条件

运用基于压力的Fluent三维稳态求解器进行模拟，湍流模型选用标准k-ε模型，壁面函数选用标准壁面函数；多相流模型选择Euler-Euler模型，多相流湍流模型选择Mixture模型，曳力模型选择Schiller Naumann模型；压力速度耦合项使用Phase Coupled SIMPLE算法，压力方程采用PRESTO!方法离散，体积分数方程选用First Order Upwind方法离散，其他变量选用Second Order Upwind方法离散。所有方程迭代残差设置小于10-4。迭代步数设置成10 000步。

2.4 盐脚模拟结果与讨论

2.4.1 晶体粒径的影响

在导流筒直径为900 mm，选取了5种不同粒径的氯化钠作为变量，分别为0.15 mm、0.35 mm、0.55 mm、0.75 mm和0.95 mm。图4为不同粒径的氯化钠晶体在盐脚内的轴向分布情况。

研究表明，导流筒内晶体分布几乎为零；当晶体粒径为0.15 mm时，其在盐脚内的悬浮效果最好，几乎全部悬浮在盐脚内，只有极少部分沉积在盐脚底部，随着晶体粒径的增大，越来越多的晶体沉积在盐脚底部，靠近底部出口的晶体体积分数也越来越小，且当晶体粒径为0.95 mm时，盐浆出口附近晶体的体积分数几乎为零，晶体几乎全部沉积在底部。

2.4.2 进料体积流量的影响

在导流筒直径为900 mm，晶体粒径设置为0.15 mm情况下，选取三种不同淘洗卤水进料体积流量作为变量，分别为50 m3/h、60 m3/h、70 m3/h。图5为不同淘洗液进料体积流量下晶体体积分数分布情况。

研究表明，淘洗液进料体积流量越大，晶体在盐脚内的分布越广，堆积在盐脚底部的晶体也越少。导流筒内的晶体积分数几乎等于零，在导流筒顶部局部的晶体体积分数大于其附近的晶体体积分数，这是由于导流筒顶部的拱形结构导致液相流过时候产生了边界层分离现象，产生了漩涡，晶体随漩涡运动，导致局部增浓现象。

3 结论

1)在其他参数不变的情况下，改变淘洗卤水进料体积流量，通过比较分析得到，当淘洗卤水进料体积流量为70 m3/h时，排出盐浆的氯化钠的粒径大于0.15 mm。

2)氯化钠晶体在盐脚中的分布主要集中在导流筒以外的区域。晶体粒径越大、淘洗卤水进料体积流量越小，氯化钠颗粒分布区域越小。