CFD技术在湿法冶金中的应用及发展方向

张 强，谢红艳,2,3，张亚晴，李恺峰，金会心,2

(1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.共伴生有色金属资源加压湿法冶金技术国家重点实验室，云南 昆明 650503)

湿法冶金一般是指利用某种化学试剂与矿石等原料中的某种成分发生反应，将有用金属元素以离子形式转入溶液，其他成分留在渣中，实现有用金属元素的分离；进入溶液中的金属元素经过一系列工序处理后得到金属[1]。反应过程主要在液相中发生，而且大都在密闭的搅拌釜内进行。搅拌釜内转动的搅拌桨和静止的挡板之间相互作用使得反应过程中液体的混合程度、反应速率、反应物分布等一系列参数以“黑匣子”形式存在，不可直视，而这些恰恰是反映混合浸出过程的重要参数。

随着科学技术的发展，密闭搅拌釜内的反应状况可借助激光多普勒测速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV)、计算机自动放射性粒子追踪技术(CARPT)、电阻层析成像技术(ERT)等进行探测，能较为准确地确定某种特定条件下的流场速度和某些固体粒子速度图像。但这些技术有很大的局限性，某些特定场合下的测定还处在起步阶段，并不能很好适应湿法冶金领域复杂的反应过程。如LDV在固体质量分数比较低时测得的数据较为可靠，但固体质量分数大于10.6%时，所测得数据与实际数据相差很大[2]，且测定条件较为苛刻。计算机流体力学(CFD)技术的出现恰巧弥补了这一缺点。CFD技术利用流体力学、传热学、冶金反应工程学等多学科交叉模拟实际反应过程中难以检测和控制的环节，避免了传统的基于半经验、半理论方法[3-5]对搅拌釜内多相流的预测缺陷，可节约成本、时间，以较小的代价达到优化反应设备、控制最佳反应过程的目的[6-8]，在湿法冶金领域有较好的应用前景。

1 CFD技术简介

1.1 CFD技术基本原理

CFD技术是理论分析、试验测定之后的一种研究手段，是对这两种试验方法的弥补，三者对于流体流动问题的研究组成一个完整的研究体系[9]。CFD技术随着计算机技术的发展而更为活跃，因其具有针对不同问题可采用不同模型的灵活特点而广受关注。CFD技术主要是利用计算机将实际的流体问题转为数学模型，然后通过对数学模型中的动量、能量、质量守恒方程进行求解，以模拟实际生产过程中难以检测和控制的反应过程，之后再对求解后的模型进行验证和修改，直到与实际所测得结果相吻合。

1.2 CFD的结构及分类

一个完整的CFD工作过程主要由前处理、求解、后处理3大部分构成，其对应的设备有前处理器、求解器、后处理器。各设备的功能如图1所示。在整个CFD工作过程中，对于所建立的几何模型划分网格需要整个工作一半以上的时间。网格的划分决定模型的误差程度。一般来说，单元网格数量越多，计算精确度越高，计算量越大；但网格数有时过于密集会使建立数学方程在计算过程中舍入误差增大，计算精度反而降低：所以需在划分网格中找到合适的平衡点。网格类型及划分原则见表1。

图1 CFD的工作流程及各设备功能

表1 网格类型及划分原则

1.3 CFD处理搅拌区域的几种方法

搅拌釜内流体流动形状由釜壁、挡板、搅拌桨围成，其形状随时间变化而变化，这种复杂且变化的形状导致对搅拌区域的处理较复杂。目前，对于搅拌釜区域的数值模拟方法主要有“黑箱”模型法(IBC)、内外迭代法(IO)、多重参考系法(MRF)、滑移网格法(SM)[10]等。几种方法的特点见表2。

表2 CFD处理搅拌区域的数值模拟方法的特点

2 CFD技术在搅拌釜模拟中的应用

目前，CFD技术在搅拌过程中的应用已有较多研究。湿法冶金过程中，对于固液相搅拌釜来说，固相粒子如何分散与液相的流动形式有密切关系。反应特征时间小于混合时间时[13]，混合程度对反应效率影响较大，固液两相之间的力主要是虚拟质量力和黏性力。

大多数固液相的模拟过程均是把固体粒子看作一种流体，认为固体和液体相互均散，采用欧拉双流体模型进行模拟。

Wadnerkar等[14]运用EE(欧拉-欧拉)和EE-KTGF(欧拉-颗粒动力学理论)法分别结合H-G、Gibilaro、Di FeLice、Rong、S&B、M.B、Cello、Tenneti等[15-22]阻力公式模拟固体质量分数为5.2%、10.6%、20%、40%的固液两相，并与Guida等[23]得出的试验数据对比。结果表明在模拟固液两相时，EE-KTGF法比EE法更接近实际值，主要原因在于EE法对于固液两相相互作用只考虑了阻力形式，当固体浓度提高时，并未考虑颗粒与颗粒之间的相互作用。在高固体浓度条件下，S&B的阻力公式与EE-KTGF结合的模拟值与实际更为接近。Angélique等[24]采用EE法模拟微生物生长环境的固液两相，模拟中通过在固相动量方程引入固体压力项，考虑颗粒与颗粒之间的作用。对EE法中固液相之间的相互作用采用文献[25-26]所提及模型进行修正，同时运用光衰减技术进行试验得出数据验证模拟结果。光衰减技术测得搅拌釜静止时固体粒子分为3个区域：透明层(αS=0)、分散层(αS;bulk≤αS)、填充层(αS;bed=αS;max)，与模拟结果相一致。Shao T.等[27]运用CFD-DEM(颗粒碰撞模型)结合方式，粒子-粒子之间的相互作用采用牛顿力学，液体-粒子之间的作用通过相间交换考虑，得出单个颗粒在1 000 r/min搅拌速度下的旋转角速度在(0～1×105) r/min。将这种旋转作用考虑到粒子与粒子之间的碰撞，得出搅拌釜中轴向固含率与实际值更加接近。史书舟等[28]采用EE与不同曳力模型组合，分析气固液相中固含率轴向分布的影响，气液之间采用DBS(气液双气泡模型)、液固之间分别采用Gidaspow[29]、Brucato[30]等修正的Gidaspow曳力模型和Schiller-Naumann曳力模型[31进行分析。由于粒径小于587 μm，气体对固体的相间作用可忽略，由此得出：在大粒径、较低表观气速下，Schiller-Naumann曳力模型的预测结果与实际结果较为吻合；较高表观气速下，3种预测结果基本相同，且3种液固模型对气含率的预测结果基本相同；在小粒径条件下，气液DBS、液固3种模型预测值与试验值较为吻合，且结果基本相同。陈佳等[32]用EE法分别与标准的Schiller-Naumann曳力模型和Brucato-Tsuchiya模型[30]结合模拟气液两相的运动状态，所得搅拌功率、总气含率分布、气相分布与实际结果对比，吻合性较好。王晓赞等[33]在模拟中发现，均匀的曳力模型，如Wen C.Y.等[26]在模拟较为离散的粒子时，由于粒子生成的方式随机，导致模拟结果有误差；其采用EMMS-DP[34]与MP-PIC[35]结合模型，对Horio提升管、Li and Kwauk提升管进行气固模拟，结果表明，改进后的曳力模型能更好模拟出管内离散粒子上稀下浓的现象[36-37]。

针对液固、气液之间模拟研究的较多，而CFD技术与实际相结合的研究较少。Kumar等[38]采用EE法与k-ε模型、光穿透模型，模拟在通气条件下搅拌速度、微生物颗粒在明暗两区域的交叉频率对微生物的影响。该模拟中由于微生物颗粒直径小于液体最小旋涡，即颗粒对液体的影响可忽略，得到微生物生长最大允许切应力。在搅拌釜高搅拌速度下，液体中的颗粒由于惯性随液体做环形运动，导致混合效率降低。He W.P.等[39]在Kumar等[38]研究基础上采用EE与k-ε模型、MRF模型，研究了絮凝体在剪切速率10、30、70 s-1下的运动状况，考察搅拌釜内挡板宽度对絮凝体生长的影响，在低剪切速率下，挡板宽度为0.1倍搅拌釜直径时，可获得最大湍动能，最有效打破周期循环，消除循环死区；在高剪切速率下，挡板宽度对湍流影响基本消除。Duan X.X.等[40]采用CFD技术与DQMOM-IEM模型[41]结合模拟氢氧化钠与盐酸、氢氧化钠与氯乙酸乙酯二阶并行竞争反应，得出搅拌速度越高、进料时间越长，副产物生成越少，越有利于反应发生的结论，对实际生产有一定指导意义。

3 CFD技术在湿法冶金中的应用研究方向

计算机技术的发展为CFD模拟技术提供了更好的条件，使工作量大效率低的问题得到有效解决；数学模型的快速收敛特点也使CFD计算工作量大幅减少，使更多的模拟变成现实。对于CFD技术在湿法冶金中的应用研究方向有以下3方面：

1) 在固液相模拟中，大部分模拟均在低固体浓度下进行，主要原因是高固体浓度下的模拟缺乏试验数据验证，且在高固体浓度模拟过程中，粒子与粒子之间的相互作用、粒子与流体之间的相互作用还没有相对准确的模型借鉴，导致高固体浓度下的模拟研究较少，需加强对高固体模拟方向的研究。

2) 目前大部分模拟主要是针对液-固、气-液等两相，而在湿法冶金过程中难免会有第三相存在，这是导致目前模拟误差存在的原因之一，有待进一步研究。

3) 对于气-液、液-固等模拟仅仅反映不同相的速度场、温度场及相的分布状态，得出其最优分布状态下的操作条件，但得出的条件对于湿法冶金反应过程并非最优，探索化学反应模型与CFD技术相结合具有重要意义，是今后CFD技术在湿法冶金中运用的一个潜在研究方向。