基于FLUENT软件的热压氧化高压釜流场数值模拟

吴国玉 郑晔 徐文清 邢志军 鲁玉春 毛文元

摘要：为研究难处理金精矿在热压氧化高压釜内部的氧化预处理效果，运用FLUENT软件对难处理金精矿在高压釜内部的流场进行模拟仿真，利用GAMBIT建立流场实体物理模型，采用标准湍流模型及多重参考系法处理搅拌桨区，并分析了矿浆在高压釜内部速度场、压力场、温度场等的分布状态和流动规律。结果表明：數值模拟计算域所选模型能较准确地预测矿浆在高压釜内部的速度场、压力场、密度场及温度场分布;矿浆、氧气在机械搅拌作用下，在高压釜内部混合均匀，难处理金精矿可以得到充分的氧化预处理。

关键词：高压釜;难处理金精矿;模拟仿真;湍流模型;多重参考系法

中图分类号：TD9文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2020）10-0060-04doi：10.11792/hj20201012

引 言

目前，难处理金矿石[1-3]预处理技术主要包括焙烧氧化、热压氧化、生物氧化等[4]。相比其他预处理方法，热压氧化法具有矿石适应性强、反应速率快、无烟气污染等特点[5-6]。难处理金精矿经热压氧化预处理后，金浸出率可提高至约90 %。在热压氧化过程中，高压釜是该工艺的核心装备[7-8]。高压釜内部流体流动和混合过程复杂，了解矿浆在高压釜内部的速度、压力及温度分布，对冶金反应过程工艺参数控制具有十分重要的意义，同时有助于提高矿浆氧化预处理的反应效率。

由于高压釜运行时釜体封闭，采用传统物理方法无法直观获得高压釜内部矿浆流体特性，增加了深入研究高压釜内部流场分布状况的难度。高压釜内部流体介质的动力学特性是影响化学反应的关键，其研究方法主要有数值模拟、解析计算和试验方法。随着计算流体动力学（CFD）技术的不断成熟，CFD已经成为研究高压釜内部流体动力学特性的重要方法[9-11]。一般情况下，采用加热搅拌的方法可加速矿浆氧化反应过程，因流体流动越充分，湍流程度越强，流动死角越少，越有利于反应的进行，故研究高压釜内部流场的变化规律，对难处理金精矿热压氧化工艺改进具有重要意义。本文以难处理金精矿热压氧化卧式高压釜为研究对象，采用计算流体动力学方法，针对传递过程及反应性能特点，使用模拟软件求解方程组，从而准确、直观地模拟出高压釜内部矿浆的压力场、温度场、矿浆的混合过程及流动状态，为难处理金精矿热压氧化预处理工艺工业化应用提供技术支持。

1 数学模型与模型建立

1.1 控制方程

本文主要研究高压釜内部矿浆流动和传热过程，对高压釜进行数学建模，建立控制方程，满足文献[12]中的质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程和能量守恒方程。控制方程[13]为：

t（ρ）+xi（ρvi）=xiΓxi+S（1）

式中：ρ为流体密度（g/cm3）;t为单位时间（s）;为传递变量;xi为传递方向，i为方向;vi为速度分量（m/s）;Γ为扩散系数，Γ=μe/Sc，μe为有效黏度（Pa·s），Sc为Schmidt准数;S为单位体积源项。

1.2 湍流模型

高压釜内部的矿浆流场以湍流为主，本文使用标准κ-ε模型和RNKκ-ε湍流模型对高压釜内部矿浆流场进行数值模拟[14-15]。

1.3 模型建立

利用计算机数值模拟搅拌反应器的难点是搅拌桨的转动区域，釜壁、搅拌桨、搅拌轴、挡板等围出的流动域随时间变化。为此，许多研究者提出“黑箱”模型（IBC）[16]、内外迭代（IO）[17]、多重参考系（MRF）[18]、滑动网格（SG）[19]等方法。本文选用MRF法处理桨叶区域，该区域流体随桨叶转动，桨外区域采用静止坐标系，该方法的优点是对整体流场的稳态数值模拟计算量小。2 数值模拟

2.1 物理模型

在CFD软件中，FLUENT软件是目前使用最多、最流行的商业软件之一;它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，可以模拟化学反应与燃烧、传热与相变、多相流、旋转机械等复杂机理的流动问题。GAMBIT是FLUENT分析的一部分，负责创建模型和网格划分。采用GAMBIT建立三维实体模型，计算所采用高压釜为圆柱形，釜长1.60 m，釜直径0.50 m，内部挡板高0.35 m，每个隔室设有机械搅拌桨，离槽底0.15 m，搅拌转速700 r/min;氧气从高压釜搅拌桨位置引入各个室腔，借助搅拌桨叶轮弥散到矿浆中。高压釜物理模型见图1。

2.2 边界条件

难处理金精矿在高压釜内部的流动模型属于不可压缩流动，根据已建立的物理模型，选择速度入口（inlet）、自由出流（outflow）、固定壁面（wall）为边界条件。

2.3 网格划分

通过GAMBIT对已建立的物理模型进行网格划分。搅拌桨区域采用四面体的非结构化网格，桨外区域采用六面体的非结构化网格，对壁面附近进行加密处理，满足y+=30。根据多重参考系法，搅拌桨区域采用旋转坐标系，该区域流体随桨叶转动;桨外区域采用静止坐标系，高压釜壁取固定壁面条件。高压釜网格划分见图2。

3 数值模拟及仿真结果与分析

3.1 数值模拟条件

数值模拟采用的工况条件：入口为矿浆速度进口，流速0.1 m/s，温度450 K，均匀来流速度垂直于入口截面，氧气进口速度0.5 m/s，釜内恒定温度500 K;出口为矿浆压力出口，流体恒定压力3.0 MPa，温度500 K;釜内壁面设为无滑移条件。选择RNKκ-ε湍流模型，计算对流项的离散采用二阶迎风格式，压力速度耦合方式采用SIMPLE格式，靠近壁面区域采用标准壁面处理;启动能量方程Energy Equation;启用组分输运与化学反应模型（transport & reaction），湍动方式为涡耗散布型（eddy-dissipation）;由于高压釜内部矿物发生氧化反应，有放热现象，会使各组分的比热随温度而发生变化，因此要改变氧气、水蒸气的比热;FLUENT软件内设分段多项式，选择默认设置;各项收敛残差精度设为10-3，使收敛时连续性及速度精度均达到10-5。在此条件下，对高压釜内部矿浆流动分布情况进行数值模拟。

3.2 结果分析

3.2.1 矿浆速度场、压力场和氧气场分布

难处理金精矿在高压釜内部的矿浆速度场、压力场和氧气场分布云图见图3。

从图3-a）可以看出：在3个桨叶区域附近，矿浆流动速度较快，然后向外不断扩散，速度较大的区域集中于反应器外径附近，而臨近搅拌杆和釜腔的区域速度则较慢，且存在“死区”，“死区”内的矿浆流动速度较慢，显然会影响釜内矿浆的搅拌效果;这与试验现象相符，说明模拟结果很好地再现了高压釜内部矿浆流体的分布状况。

从图3-b）可以看出：其可以很好地观察高压釜内部气体的压力分布;高压釜内部流场的压力分布整体比较均匀，各位置所受压力比较稳定，压力较大的区域集中于高压釜矿浆进口的第一个隔室及高压釜釜壁。压力变化比较明显的区域出现在桨叶附近，这是压力差最大的区域。在高压条件下，黄铁矿、毒砂等矿物与氧发生一系列反应，矿物结构发生变化，使被包裹的金暴露出来。

从图3-c）可以看出：随着矿浆、氧气不断流入高压釜内部，在充分机械搅拌的作用下，矿浆、氧气在高压釜内部均匀混合，并有助于难处理金精矿进行充分的氧化预处理反应，使被包裹的金解离，从而有利于提高金回收率。

3.2.2 矿浆密度场和温度场分布

难处理金精矿在高压釜内部的矿浆密度场和温度场分布云图见图4。

从图4-a）可以看出：高压釜内部中间的2个隔室矿浆密度偏高;这是由于搅拌转速不够大，矿浆在釜内没有均匀分布，加之矿浆流速过慢，导致其不能及时流入下一隔室内与氧气发生氧化反应。

从图4-b）可以看出：高压釜内部后2个隔室温度偏高;分析原因是，当釜体内部达到一定温度后，矿浆与氧气接触发生氧化反应，矿物自身将发生放热反应并释放出热量，导致釜体局部温度偏高。

4 结 论

1）采用FLUENT软件对难处理金精矿在高压釜内部的流场进行模拟仿真表明，矿浆、氧气在釜内分布均匀，矿浆可以与氧气充分接触;热压氧化预处理工艺可以打开矿物包裹，提高金回收率。

2）矿浆流动速度较大的区域出现在3个桨叶区域，碰撞釜体后形成大小不同的涡流，并产生液体流动“死区”;最大压力出现在釜顶和釜底，而压差最大的区域则是桨叶附近。研究结果与相关经验基本吻合，可为难处理金精矿热压氧化预处理工艺优化提供有价值的参考。

[参 考 文 献]

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Numerical simulation of flow field of pressure oxidation autoclave based on FLUENT

Wu Guoyu1，2，Zheng Ye2，Xu Wenqing3，Xing Zhijun2，Lu Yuchun2，Mao Wenyuan4

（1.China National Gold Group Co.，Ltd.; 2.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

3.Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.;

4.Faculty of Chemical Engineering，Kunming University of Science and Technology）

Abstract：In order to study the pressure preoxidation effect of refractory gold concentrates inside the pressure oxidation autoclave.The FLUENT software is used to simulate the flow field of refractory gold concentrates in pressure oxidation autoclave.GAMBIT is used to set up physical model of the flow field entity.Standard turbulence model and multiple reference frames are used to deal with the slurry stirring zone，and analyze the velocity filed，pressure field and temperature field distribution and flow rules of the slurry inside the autoclave.The results show that the model selected in the numerical simulation domain can accurately predict the velocity field，pressure field，density field and temperature field distribution of the slurry inside the autoclave.The slurry and oxygen are mixed evenly in the autoclave under the action of the mechanical stirring.The refractory gold concentrates can be fully preoxidized.

Keywords：autoclave;refractory gold concentrate;simulate;turbulence model;multiple reference frames