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硝酸钾结晶器的数值模拟及结构优化研究

作　者: 李敏
导　师: 叶恒棣；刘克俭
学　校: 湘潭大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 蒸汽喷射器硝酸钾结晶器气液固三相流相变 UDF
分类号: TQ131.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 73次
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内容摘要

真空结晶器具有蒸发能力高、运行成本相对低廉,并且能在低压下进行连续操作等特点,因此真空结晶器广泛应用在化工、石油等多种不同行业的无机盐溶液的蒸发浓缩,也可以用在废液处理等方面。硝酸钾就是利用这种结晶器来进行真空冷却结晶工艺生产。根据对丹祥农资有限公司的调研结果以及参考文献资料得出,硝酸钾结晶器在真空冷却结晶时,由于硝酸钾结晶器的喷射器抽真空的作用而出现的溶液闪蒸飞溅现象以及硝酸钾微小颗粒在重力作用下沉积、堆栈而导致的结晶器内壁结垢,因此硝酸钾结晶器结晶效果的好坏,直接关系硝酸钾真空冷却结晶连续生产的能力。本文是针对硝酸钾结晶进行相关的研究的。硝酸钾真空冷却结晶时,需要通过蒸汽喷射器抽真空,以维持结晶器内的真空度,由此可见蒸汽喷射器是整个冷却结晶工艺的关键性部件之一。在设计资料手册上,喷嘴出口到混合室入口的距离X(见图3.2)是一个范围值,而这个值对喷射器的影响较大,因此对不同X的喷射器采用Fluent 6.3进行模拟计算,分析选取最佳X值。真空冷却结晶硝酸钾时,水溶液会出现闪蒸现象,这个过程涉及到了相变,因此将所研究的模型定性为气液固三相流,本文采用ANSYS 12.1中的Fluent模块模拟计算。在处理溶液中水分闪蒸相变时,利用了Fluent强大的二次开发功能,编写了UDF程序进行模拟计算。计算结果表明,在硝酸钾溶液的进口上方的结晶器内壁面上,固相体积分率相对于进口对面的内壁面多,并且在母液Ⅰ上方的壁面处,硝酸钾固相体积含率达到了0.7,这一模拟结果与丹祥农资有限公司的实际生产情况相吻合。对此,将原来的硝酸钾结晶器进行了结构优化改进,设置相同的工况参数和进出口边界条件,同样用Fluent模块对优化结构的结晶器进行数值模拟,模拟结果显示出母液Ⅰ排出口不会出现大块颗粒结晶,便于母液Ⅰ的排出。而且优化的硝酸钾结晶器在结构上减少了与溶液的接触面,从根源上减少了结垢现象。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 本课题的研究背景  9-10
  1.2 生产硝酸钾工艺  10-13
  1.3 目前生产硝酸钾瓶颈问题  13-14
  1.4 国内外的研究概况  14-17
  1.5 本文的主要研究内容  17-19
第2章硝酸钾结晶器流场的数值计算方法  19-25
  2.1 流场数值计算的基本控制方程  19-21
    2.1.1 质量守恒定律  19-20
    2.1.2 动量守恒定律  20
    2.1.3 能量守恒定律  20-21
  2.2 流场数值计算的求解方法  21-24
    2.2.1 求解计算过程  21
    2.2.2 守恒方程的离散化  21-22
    2.2.3 离散方程的求解法  22-23
    2.2.4 SIMPLE 算法  23-24
  2.3 本章小结  24-25
第3章硝酸钾结晶器的蒸汽喷射器的设计与CFD 分析  25-35
  3.1 硝酸钾结晶器的蒸汽喷射器的设计  25-27
    3.1.1 蒸汽喷射器的工作原理介绍  25-26
    3.1.2 蒸汽喷射增压器主要尺寸设计计算  26-27
    3.1.3 蒸汽喷射器几何尺寸  27
  3.2 硝酸钾结晶器的蒸汽喷射器的CFD 模型的建立  27-30
    3.2.1 物理模型及控制方程  27-28
    3.2.2 建立模型  28
    3.2.3 网格的划分  28-29
    3.2.4 计算的边界条件  29
    3.2.5 湍流模型的选取  29-30
  3.3 硝酸钾结晶器的蒸汽喷射器的计算模拟结果及分析  30-33
    3.3.1 计算分析讨论  30-33
    3.3.2 计算结果及其分析  33
  3.4 本章小结  33-35
第4章硝酸钾结晶器内气液固三相流的模拟  35-55
  4.1 硝酸钾结晶器计算模型的选取  36-39
  4.2 硝酸钾结晶器的CFD 模型的建立  39-47
    4.2.1 硝酸钾真空结晶的工况  39-40
    4.2.2 模型假设  40-42
    4.2.3 控制方程、物理网格模型及边界条件  42-44
    4.2.4 硝酸钾结晶器计算模拟结果及分析  44-47
  4.3 硝酸钾结晶器结构优化及模拟分析  47-54
    4.3.1 硝酸钾结晶器结构优化  47-49
    4.3.2 CFD 计算模型的建立  49-50
    4.3.3 计算结果及分析  50-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章总结与展望  55-57
  全文总结  55-56
  工作展望  56-57
参考文献  57-63
致谢  63-64
附录(攻读硕士学位期间发表的论文)  64

硝酸钾结晶器的数值模拟及结构优化研究

内容摘要

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