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真空制盐蒸发器中蒸发室流体力学分析及其对固体悬浮的影响
王学魁,武首香,沙作良
(天津市海洋化学与资源重点实验室,天津科技大学,天津 3000457)
摘要:蒸发室的流体动力学状态对蒸发结晶过程具有重要的影响。本文使用计算流体力学(CFD)的方法,对在真空制盐中常用的两种蒸发时结构的流体力学状态进行分模拟分析, 探讨不同的操作参数队蒸发室内流体力学状态的影响,以及对不同粒径悬浮状态的影响, 从而分析其对蒸发结晶过程的影响。
关键词: 计算流体力学; 两相流; 蒸发; 结晶
Fluid Dynamic and Its Effect on Solid Suspension in Evaporation Chamber of Evaporation Crystallizer of Salt Production
WU Shou-xiang,WANG Xue-kui,SHA Zhuo-liang,TANG Na
(Tianjin Key Laboratory of “Marine chemistry and resources”, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300450, China)
Abstract: Fluid dynamics in evaporation chamber have strongly effects on the evaporation crystallization process. In this work, the fluid dynamics in two types of evaporation chamber were simulated putational fluid dynamics method. The effect of the operation conditions on the fluid dynamics in evaporation chamber have been studied, and the effect of the fluid dynamics on the solid suspension and the evaporation crystallization process were analyzed.
Key words: CFD simulation;two-phase flow;evaporation;crystallization

作为一种传统技术,多效蒸发被广泛使用在制盐、制糖、以及许多化工产品的生产中。多年来,在蒸发技术的研究中主要以增强过程的传热效率,提高系统的热利用率为目标,以降低消耗和提高设备的利用率。然而,对蒸发器中的重要部分-蒸发室很少有人注意到其结构、操作方式及其流体动力学状态对蒸发过程的影响。另一方面,蒸发过程的最主要目的之一是去除溶剂,使溶液到达过饱和,溶质以晶体的形式析出。因此蒸发室除具有汽液分离作用之外,更重要的是对晶体产品的质量控制,晶体产品的粒度分布起着重要的作用。同时,如果产品粒度控制不好,会影响产品的质量,引起过程消耗过高等问题。根据我国真空盐生产中广泛使用的强制循环蒸发器中的蒸发室结构,使用计算流体力学(CFD)的方法,探讨蒸发室内的流体动力学状态,从而分析其对固体悬浮状态的影响,为研究结晶过程奠定基础,同时分析流体动力学状态对汽液分离和传热效果的影响,为改善蒸发室结构和操作提供理论依据。
在最近的几年内,不同的作者针对蒸发结晶器设计以及结晶器中不同位置的固体密度分布进行了不同的研究。周全[1]根据不同进料方式下垂直蒸发室断面速度分布,分析了结晶过程,并比较了不同进料方式、不同蒸发结晶结构NaCl晶体产品的粒径分布,结果认为逆循环轴向进料带育晶器的蒸发结晶装置能有效地生产不同粒度的NaCl晶体。魏宗胜[2]讨论了蒸发器设计的技术关键,并根据切向进料方式下蒸发室不同高度横截面上固相浓度分布情况,结合轴向进料正、反循环时晶体粒度分布和短路温差损失,改进了蒸发结晶器的设计。然而,前者的研究都很难获得在整个容器中的有价值的固体悬浮密度分布值和流场分布信息。计算流体力学(CFD),作为一种研究手段被广泛的应用于过程分析和设备结构的改造[3-6]。CFD模拟可节约时间和成本,具有传统试验方法不可比拟的优势。其所预测的结果能直观地显示出三维空间内的流体信息和过程参数分布,这对于指导设备的设计和优化结晶操作具有非常重要的意义。
本研究使用ANSYS CFD 软件,模拟蒸发结晶器中的正循环径向进料和切向进料方式、不同循环速度下蒸发室的颗粒悬浮密度和流场情况。

CFD使用有限体积法求解描述流体流动过程中的动量