結晶過程多相流多尺度耦合模型的驗證與應用.pdf

1、工業(yè)結晶過程通常當晶體處在懸浮狀態(tài)時發(fā)生，液體流動狀況、晶體懸浮狀況等流體動力學特征和結晶動力學因素一起影響晶體產品品質。研究證明，在連續(xù)結晶器的同一液體流場下，大小不一的晶體在結晶器內各處懸浮密度不等，所以，器內各處晶體粒徑分布(crystal size distribution，CSD)不一，且產品粒徑主要取決于排料點的CSD。所以，研究連續(xù)結晶器內不同位置的CSD，可為結晶過程控制和結晶器設計提供參考數(shù)據。
　　在結晶過程早

2、期的研究中，大部分研究工作采用的是MSMPR模型，且沒有考慮結晶器內的流體動力學因素，導致研究結果與實際工業(yè)結晶過程有很大差異。為了減小此差異，必須考察流體動力學與結晶動力學的共同作用。但由于器內晶體的非線性流動、不均勻分布及流體流動狀態(tài)不一，無法通過試驗得到準確的晶體懸浮密度分布情況。計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)被廣泛應用于結晶過程流體研究中，可作為研究結晶過程中液相流場和固相懸浮狀

3、態(tài)的有力工具。本課題組依據結晶器內晶體的多尺度分布特點，建立了結晶過程多相流多尺度耦合模型。本文驗證并應用了該模型。
　　本文使用的Oslo結晶器為普遍在結晶過程中使用的結晶器，研究結論如下:
　　1.采用ANSYS14.5模擬了Oslo結晶器內的流體動力學狀態(tài)，考察了不同循環(huán)速率下不同液體流場的不同粒徑晶粒分布情況;并根據設定的分區(qū)考察了不同區(qū)域的晶體粒徑分布，據此分析Oslo結晶器產品粒徑分布與流動狀態(tài)之間的關系。通過對

4、結晶器不同區(qū)域的粒徑分布研究，證實了在適宜的循環(huán)液進口流速下，在結晶區(qū)域可實現(xiàn)穩(wěn)定的晶體粒徑分布。循環(huán)速率與要求晶體粒徑直接相關。同時，變徑區(qū)域可實現(xiàn)晶體的粒徑分級，控制循環(huán)液體中的晶體粒徑和晶體懸浮密度。研究結果為結晶過程提供理論與工程設計依據。
　　2.優(yōu)化已建立的多尺度耦合模型，并將其應用于Oslo結晶器。借助計算流體力學軟件，模擬了器內流場，得到的相關信息即為微觀尺度模擬結果。根據晶體懸浮密度分布情況，對Oslo結晶器合理

5、分區(qū)。對已建立的介觀尺度模型的物料衡算和粒數(shù)衡算方程進行相應的修改，推導出本模擬條件下的Oslo結晶器介觀尺度模型。得到了應用于Oslo結晶器的結晶過程多相流多尺度耦合模型。
　　3.利用Oslo結晶器的結晶過程多相流多尺度耦合模型，對KCl連續(xù)冷卻結晶過程進行仿真模擬，驗證了模型。分別考察了不同循環(huán)入口流速和不同進料晶體體積分數(shù)情況下的有關流場、晶體懸浮狀態(tài)和溶液過飽和度的分布信息。由模擬結果可知，在結晶器結構等其他條件不變的情

6、況下:循環(huán)流速對流場分布的影響較大，進而影響到晶體的分布及晶體的結晶過程;循環(huán)流速對溶液過飽和度分布的均勻性有一定的影響，隨著循環(huán)流速的增大，溶液過飽和度分布趨于均勻;無論循環(huán)流速大小，結晶器內各區(qū)域晶體平均懸浮密度和溶液過飽和度均隨著其在結晶器內區(qū)域位置的增高而減小;各個區(qū)域晶體平均懸浮密度與過飽和度的總體分布情況在大部分區(qū)域變化趨勢相同。隨著進料晶體體積分數(shù)增大，器內晶體增多;迸料晶體體積分數(shù)對過飽和度分布均勻性有一定程度影響。根據