CN110075562A - 一种结晶器的澄清结构的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结晶器的澄清结构的设计方法；本发明依据溢流量、沉降目标粒度、结晶溶液密度、颗粒密度、溶液黏度以及结晶器主体结构，采用颗粒沉降公式，确定结晶器的澄清区的溢流口直径、澄清区宽度、澄清区几何形状以及几何尺寸。最后使用Fluent软件对设计的结晶器澄清区结构对目标粒度粒子的沉降和分布情况进行欧拉多相数值模拟，并依据CFD软件中的Plots工具以及excel软件分析了目标粒度粒子在有效澄清区的分布情况。本发明提供的结晶器澄清区结构设计方法具有良好效果。最终达到获得更大的晶体产品粒度和更为集中的产品粒度分布。
Description
技术领域
本发明涉及水溶液或黏度与水溶液相近的溶液体系结晶过程中的结晶器的结构设计，特别涉及一种结晶器的澄清结构的设计方法。
背景技术
结晶器作为医药、材料以及化肥等行业的重要生产设备，其结构好坏不仅严重影响产品质量，同时也关系到生产能耗成本，因此，结晶器结构优化一直是工业结晶器研究的重要工作。目前，结晶器的流体力学研究通常有三种途径：理论流体力学方法，实验流体力学方法和计算流体力学(CFD)方法。理论流体力学由于是通过严格的数学分析，得到流场的数学解，然而，实际上可以得到数学解的情况是非常少的，因此，理论流体力学方法在实际的复杂流场中是无法使用的。实验流体力学方法由于是通过实验测定实际情况下的流场情况，因此得到的信息直观可靠，对于设备设计和过程放大可以提供直接的资料。实验流体力学得到的大量经验关系式在工业生产中发挥了巨大作用，因此，实验流体力学研究是搅拌设备设计研究不可缺少的。但要得到一个搅拌釜中的流场信息需要进行大量繁琐的实验工作，需要大量的人力、物力投入。随着计算机技术以及数值方法和理论的不断发展、完善，计算流体力学(CFD)方法目前得到长足发展和广泛运用。计算流体力学(CFD)方法在化工、汽车、航空、冶金和气象等行业均得到越来越多的应用。
工业结晶过程中由于晶体粒子的停留时间不同，导致晶体粒度大小不同，影响粒度分布的集中度以及产品粒度。为此，工业结晶器生产过程中往往需要大颗粒晶体产品沉降，随后排料、过滤、干燥获得产品，而细小晶体则需要溢流、再溶解，随后溶液返回结晶器进行结晶，这样可以获得粒度更大、更均匀的晶体产品。为了达到上述目的，许多结晶器如光卤石结晶器、氯化钠结晶器、联碱结晶器以及VC结晶器等往往需要澄清结构。
目前，虽然有关澄清设备已有一些专利，但大多属于水处理行业，如“一种水处理澄清装置”(CN201410381058.5)、“尾水尾矿水澄清新方法”(CN90108405.0)、“一种重辅絮凝澄清装置及方法”(CN201610115039.7)和“一种旋流式高效澄清池”(CN201520425194.X)等。这些设备和方法对于结晶器往往是不合适的，因为结晶器还需要结晶区以保证晶体成核和生长。目前，工业结晶器的澄清结构和几何尺寸大多凭感觉或经验进行设计，因此，其澄清效果往往无法达到较佳状态。为此，本发明提出一种关于结晶器澄清结构的设计方法，实现大粒度产品沉降而一定粒度的小粒子外排的目的。
发明内容
本发明的目的是为水溶液或溶液黏度与水溶液相近的溶液结晶的结晶器澄清结构提供一种设计方法，利用该方法可以提升结晶产品粒度及其粒度分布质量。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
一种结晶器澄清结构的设计方法；包括以下步骤：
第一步、确定结晶器的澄清区溶液的外排口直径：
依据HGT20570.6-95标准，对于水溶液或粘度与水溶液类似的液体其速度(u0)范围为1.5～2.0m/s；因此，依据流速和溶液外排流量(Q，m3/h)，采用公式(1)计算外排口直径(d0，mm)：
d0＝18.81Q0.5u0 -0.5 (1)
由于钢材管道直径通常有标准值范围，因此计算的外排管道直径(d0，mm)需要按照就近原则规整为合适的钢材管道直径d1(mm)，并用公式(2)核算其对应的流速(u1，m/s)：
如果核算速度(u1，m/s)满足水溶液在管道中的速度范围，则设计合理，否则需要重新设计，直至设计的最终速度满足水溶液在管道中的流速范围为止；
第二步、确定结晶器的澄清区的宽度(L，mm)。
依据沉降目标粒度大小(d，m)、溶液密度(ρl，kg/m3)、颗粒密度(ρs，kg/m3)和溶液粘度(μ，Pa.s)，按照层流(Re<1)条件下的粒子沉降公式计算沉降速率(us，m/s)：
其中，g为重力加速度(＝9.81m/s2)；随后，检验粒子运动的雷诺数是否满足层流条件(Re<1)；如果满足Re<1，则计算合理；如果1<Re<1000，则颗粒沉降速度重新采用过渡流(1<Re<1000)条件下的沉降公式计算：
并依据获得的速度(us)再次核算粒子运动雷诺数(Re)，判断是否满足1<Re<1000，直至计算的颗粒沉降运动雷诺数(Re)数值范围与粒子沉降公式对应的雷诺数(Re)范围一致为止。由于结晶过程中溢流粒子粒度往往属于微米级，因此，颗粒沉降雷诺数Re<1000范围的层流沉降公式和过渡流沉降公式完全能够满足设计要求。因此，该计算过程不会涉及湍流状态下的粒子沉降公式问题。
然后，依据澄清区外排流量以及沉降速率(us)，按照下式计算澄清区的理论横截面积(A)：
由于流场的不均匀性，为了确保该粒度的粒子不被澄清区溶液外排带出，本发明取前面层流条件或过渡流条件下的粒子沉降公式理论计算获得的横截面积的2倍值来确定澄清区横截面积的设计值。该取值方法考虑了速度场变异系数范围为0～1之间，横截面积扩大到沉降公式计算获得的理论横截面积2倍值可以保证颗粒不会被溢流带出，同时又避免了横截面积倍数取值过大而耗费过多的材料和费用。因此，取沉降公式计算横截面积的2倍值为较佳状态。随后依据结晶器的结晶区域半径(R，m)按照下面的公式计算出澄清区环隙宽度(L，mm)：
第三步、确定结晶器澄清区环隙的几何尺寸：
把澄清区环隙入口的宽度缩小至第二步计算宽度(L)的1/5(即澄清区环隙入口宽度为L/5)，相应地澄清区入口处的结晶区的有效半径(R′，m)则扩大为：
这样，澄清区入口环隙的纵向剖面呈梯形，其上底长度为L/5，下底长度为L；为了减少澄清区入口流场对澄清区的流场干扰，依据管道流动发展均匀性规则，本发明中该梯形高度(H1，mm)设计为主澄清区宽度的6倍值，也即澄清区入口处的水力学半径的30倍值，即有：
H1＝6L (8)
本发明中有效澄清区的纵向剖面图采用矩形结构，其宽度为L。有效长度(H2，mm)设计时考虑到溢流口流动对流场的干扰，主澄清区的高度(H2，mm)要足够，以减少出料流动对澄清区粒子流动均匀性的影响，故依据我们大量的流体力学模拟计算结果设计为：
H2＝40d1 (9)
为了澄清区溶液外排口管道的工程安装和物料的外排需要，实际该矩形长度(H3，mm)还需增加：
H3＝150+0.5d1 (10)
澄清区的总高度(H，mm)为：
H＝H1+H2+H3 (11)。
对于上述结晶器澄清区结构设计效果，可以采用CFD数值模拟实验进行验证，验证步骤如下：
首先，依据结晶器几何尺寸以及第一步至第三步确定的结晶器澄清区结构尺寸，建立结晶器完整的三维几何模型；
然后，利用Gambit前处理软件，对4.1)中的结晶器几何模型进行网格划分，得到网格文件；
随后，将前面获得的结晶器网格文件导入计算流体力学软件Fluent中，选择欧拉多相模型，设置溶液和颗粒性质、求解条件和边界条件，在结晶器生产设置搅拌速度下对颗粒混合进行稳态模拟；
最后，依据数值模拟实验结果，利用Fluent软件中的Plots工具导出矩形有效澄清区中的垂线段上目标粒度粒子的体积分数，分析目标粒度颗粒在主澄清区的分布高度。由于在粒子沉降设计计算过程中已经考虑了保险系数，即粒子沉降横截面积为粒子沉降公式理论计算值的2倍，而且对澄清区入口形状和高度以及主澄清区的高度进行了充分设计，确保了粒子不会被流体溢流所带出。
所述的结晶器澄清区结构的顶部与结晶器液面平齐。
所述的目标粒度澄清效果分析方法为：在以澄清区溶液外排口中心对应的垂直线为结晶器的平分面，随后在该垂直剖面上的2个有效矩形澄清环隙区域分别等距建立4条垂直线段，利用Fluent软件中的Plots工具读出垂直线段上的目标粒度颗粒的体积分数与高度数据，然后采用excel软件打开这些数据，并作图，进一步确定所有垂线段上目标粒度颗粒体积分数均为0时对应的高度。如前所述，本设计方法在粒子沉降横截面积、澄清区入口形状和高度以及主澄清区高度与外流管道直径关系等方面充分考虑了粒子的澄清效果或流场干扰问题，因此，依据该方法设计的澄清装置必定会确保目标粒子不会被溢流带出，即可以保证粒子的澄清效果。
本发明依据溢流量、沉降目标粒度、结晶溶液密度、颗粒密度、溶液黏度以及结晶器主体结构，采用颗粒沉降公式，确定结晶器的澄清区的溢流口直径、澄清区宽度、澄清区几何形状以及几何尺寸。最后使用Fluent软件对设计的结晶器澄清区结构对目标粒度粒子的沉降和分布情况进行欧拉多相数值模拟，并依据CFD软件中的Plots工具以及excel软件分析了目标粒度粒子在有效澄清区的分布情况。结果表明，可以更准确、可靠地设计出工业结晶器的澄清区的几何结构和尺寸，确保结晶器澄清区溢流出细小晶体粒子而沉降大粒度晶体产品。该发明提供的结晶器澄清区结构设计方法具有良好效果。
附图说明
图1结晶器澄清区环隙纵向剖面示意图；
图2实施例1结晶器网格化效果图；
图3实施例1澄清区环隙的垂直线段分布位置示意图；
图4实施例1中垂直线段Line 1～4上颗粒体积分数随高度变化图；
图5实施例1中垂直线段Line 5～8上颗粒体积分数随高度变化图。
具体实施方式
实施例1：
已知工业结晶器主体半径为1m，结晶器底部为椭球形，长半径为约1m，短半径为0.5m，结晶器有效总高度为2.5m，搅拌桨半径为0.8m，桨叶为四叶平直斜桨，桨叶倾斜45度，桨叶宽50mm、厚度为10mm，双层搅拌桨，下桨距离结晶器底部0.8mm，两桨间距为1.0m，搅拌速度为15rpm；溶液密度为1000kg/m3，颗粒密度为2680kg/m3，溶液黏度为0.001Pa.s。物料进料流量约4m3/h，进料口直径28mm，结晶器出料口直径20mm；澄清区溶液采用离心泵外排，外排流量为2m3/h，要求50um的粒子不被外排时带出；该结晶器的澄清区设计步骤如下：
第一步：确定结晶器澄清区溶液的外排口直径。
依据结晶溶液体系，选择外排速度为1.8m/s(水溶液或黏度与水溶液相近的溶液，其溶液被泵吸入后外排时流动速度范围为1.5～2.0m/s)，随后按照公式(1)计算如下：
d0＝18.81Q0.5u1 -0.5
＝18.81×20.5×1.8-0.5
＝19.82mm
规整后外排口直径(d1)确定为20mm(依据管道直径就近管道直径标准值原则选取)，随后按照公式(2)核算实际流速：
实际的结晶器澄清区溶液外排口的流速为1.769m/s，符合水溶液被泵吸入后外排时的速度范围(1.5～2.0m/s)的要求。该澄清区溶液外排口直径(d1)设计为20mm是合理的。
第二步：确定结晶器的澄清区的宽度。
依据目标粒度(d)为50um以及设计提供的溶液密度(ρl，kg/m3)、颗粒密度(ρs，kg/m3)和溶液粘度(μ，Pa.s)，首先采用层流状态下的粒子沉降公式：
计算出该目标粒度粒子的沉降速度为0.00229m/s，该粒子的运动雷诺数(Re)为：
核算的粒子沉降雷诺数(Re＝0.307)小于1，属于层流流动，满足沉降速度计算公式，计算的粒子沉降速率是合理的。随后采用下面公式计算澄清区的理论横截面积(A)：
放大2倍后的实际澄清区横截面积为0.4852m2。依据结晶器主体半径为1m和澄清区环隙宽度公式：
规整后澄清区环隙宽度为75mm。
第三步：确定结晶器澄清区环隙的几何尺寸。
依据第二步计算结果，澄清区入口处的结晶区有效半径(R′，m)为：
澄清区入口环隙的纵向剖面呈梯形，其上底长度15mm(＝75/5mm)，下底长度为75mm(L＝75mm)。澄清区入口环隙梯形的高度(H1，mm)为：
H1＝6L
＝6×75
＝450mm
依据前面的计算结果，有效矩形澄清区的宽度为75mm，其有效高度(H2，mm)为：
H2＝40×d1
＝40×20
＝800mm
为了便于澄清区溶液外排管道安装需要的附加高度(H3，mm)为：
H3＝150+0.5×d1
＝150+0.5×20
＝160mm
澄清区的总高度(H，mm)为：
H＝H1+H2+H3
＝450+800+160
＝1410mm
澄清区顶部与结晶器的液面平齐。
按照上述方法设计结晶器澄清区结构如图1所示：
溶液结晶器(1)的澄清装置(6)的垂直剖面由直角梯形入口区(6-1)和矩形主澄清区(6-2)和物料外排管(6-3)构成；澄清装置顶部(6-4)与结晶器(1)中的液面(3)平齐。
澄清装置(6)的矩形主澄清区(6-2)的宽度(L2)由目标粒度的粒子沉降速度确定的理论横截面积的2倍值计算获得；矩形主澄清区(6-2)的高度包括的有效高度(H2)和外延高度(H3)；有效高度(H1)从物料外排管(6-3)的中心线(6-3-1)算起，向下直至矩形主澄清区(6-2)与直角梯形入口区(6-1)的连接处对应的水平位置，外延高度(H3)从物料外排管(6-3)的中心线(6-3-1)算起，向上直至澄清装置顶部(6-4)的水平线；矩形主澄清区(6-2)的有效高度(H2)为40倍物料外排管(6-3)直径；矩形主澄清区(6-2)的外延高度(H3)为150mm+0.5倍物料外排管(6-3)直径。
所述的澄清装置(6)的直角梯形入口区(6-1)与结晶器(1)相连通的通道宽度(L1)为矩形主澄清区(6-2)的宽度(L2)的1/5，直角梯形入口区(6-1)的高度(H1)为矩形主澄清区(6-2)的宽度(L2)的6倍。
CFD数值实验模拟确定目标粒度粒子的澄清效果。
首先依据结晶器几何尺寸以及第一步至第三步确定的结晶器澄清区结构尺寸，建立结晶器的完整三维几何模型；
利用Gambit前处理软件，对4.1)中的结晶器几何模型进行网格划分，得到网格文件，结晶器网格化效果如图2所示；
将结晶器网格文件导入计算流体力学软件Fluent中，选择欧拉多相模型，设置溶液和颗粒性质(目标沉降粒度为50um)、求解条件和边界条件，在结晶器生产设置搅拌速度下对颗粒混合进行稳态模拟；
依据数值模拟结果，以澄清区溶液外排口中心对应的垂直线为结晶器的平分面，随后在2个对应澄清区的有效环隙区域分别等距建立4条垂直线段，即8条垂线段(如图3所示)，线段坐标分别为：
Line 1：y＝0mm，x＝-1060mm，z＝1540～2500mm；
Line 2：y＝0mm，x＝-1045mm，z＝1540～2500mm；
Line 3：y＝0mm，x＝-1030mm，z＝1540～2500mm；
Line 4：y＝0mm，x＝-1015mm，z＝1540～2500mm；
Line 5：y＝0mm，x＝1015mm，z＝1540～2500mm；
Line 6：y＝0mm，x＝1030mm，z＝1540～2500mm；
Line 7：y＝0mm，x＝1045mm，z＝1540～2500mm；
Line 8：y＝0mm，x＝1060mm，z＝1540～2500mm；
利用Fluent软件中的Plots工具导出这8条垂线上目标粒度粒子的体积分数随线段高度的变化数据。然后采用excel软件打开这些数据，并按照颗粒体积分数随高度变化作图(如图4和图5所示)。可见当高度达到1.9m时，Line 1～4和Line 5～8线段上的目标粒度粒子的体积分数均为0，而1.9m高度远小于澄清区溶液外排口的最低位置高度2.33m。CFD模拟结果分析证明，该澄清区结构设计满足目标粒度(50um)粒子的澄清要求。
本发明公开和提出了结晶器澄清区结构设计方法简单、高效。本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变某些参数即可实现。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (2)
1.一种结晶器澄清结构的设计方法；其特征是包括以下步骤：
1)、确定结晶器的澄清区溶液的外排口直径：
依据HGT20570.6-95标准，对于水溶液或粘度与水溶液类似的液体其速度(u0)范围为1.5～2.0m/s；因此，依据流速和溶液外排流量(Q，m3/h)，采用公式(1)计算外排口直径(d0，mm)：
d0＝18.81Q0.5u0 -0.5 (1)
由于钢材管道直径通常有标准值范围，因此计算的外排管道直径(d0，mm)需要按照就近原则规整为合适的钢材管道直径d1(mm)，并用公式(2)核算其对应的流速(u1，m/s)：
如果核算速度(u1，m/s)满足水溶液在管道中的速度范围，则设计合理，否则需要重新设计，直至设计的最终速度满足水溶液在管道中的流速范围为止；
2)、确定结晶器的澄清区的宽度(L，mm)：
依据沉降目标粒度大小(d，m)、溶液密度(ρl，kg/m3)、颗粒密度(ρs，kg/m3)和溶液粘度(μ，Pa.s)，按照层流(Re<1)条件下的粒子沉降公式计算沉降速率(us，m/s)：
其中，g为重力加速度(＝9.81m/s2)；随后，检验粒子运动的雷诺数是否满足层流条件(Re<1)；如果满足Re<1，则计算合理；如果1<Re<1000，则颗粒沉降速度重新采用过渡流(1<Re<1000)条件下的沉降公式计算：
并依据获得的速度(us)再次核算粒子运动雷诺数(Re)，判断是否满足1<Re<1000，直至计算的颗粒沉降运动雷诺数(Re)数值范围与粒子沉降公式对应的雷诺数(Re)范围一致为止；
然后，依据澄清区外排流量以及沉降速率(us)，按照下式计算澄清区的理论横截面积(A)：
本发明取前面层流条件或过渡流条件下的粒子沉降公式理论计算获得的横截面积的2倍值来确定澄清区横截面积的设计值；随后依据结晶器的结晶区域半径(R，m)按照下面的公式计算出澄清区环隙宽度(L，mm)：
3)、确定结晶器澄清区环隙的几何尺寸：
把澄清区环隙入口的宽度缩小至第二步计算宽度(L)的1/5，相应地澄清区入口处的结晶区的有效半径(R′，m)则扩大为：
澄清区入口环隙的纵向剖面呈梯形，其上底长度为L/5，下底长度为L；梯形高度(H1，mm)设计为主澄清区宽度的6倍值，即：
H1＝6L (8)
有效澄清区的纵向剖面图采用矩形结构，其宽度为L；有效长度(H2，mm)设计为：
H2＝40d1 (9)
澄清区溶液外排口管道的实际矩形长度(H3，mm)为：
H3＝150+0.5d1 (10)
澄清区的总高度(H，mm)为：
H＝H1+H2+H3 (11)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的结晶器澄清区结构的顶部与结晶器液面平齐。
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