【摘要】：以富含鉀的海水淡化母液制取氯化鉀是一種解決我國鉀鹽資源短缺的重要手段。其路線為母液蒸發(fā)濃縮、結(jié)晶得到光鹵石,再以光鹵石為原料制取氯化鉀。光鹵石冷分解-浮選法生產(chǎn)氯化鉀工藝不僅產(chǎn)品純度低,而且生產(chǎn)成本較高。與冷分解法相比,熱分解法能生產(chǎn)出粒徑更大的氯化鉀晶體,同時節(jié)約用水,具有良好的應用前景。本文采用計算流體力學(CFD)模擬技術(shù)對工業(yè)尺寸的兩段光鹵石真空蒸發(fā)DTB結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。首先使用結(jié)晶器的3D網(wǎng)格模型和單相流模擬技術(shù),討論了導流筒直徑、擋板長度以及攪拌速率對結(jié)晶器流場的影響;然后采用離散相模型(DPM)考察了光鹵石顆粒的運動軌跡;最后使用歐拉多相模型分析了不同條件下結(jié)晶器內(nèi)晶體顆粒的混合情況。CFD模擬結(jié)果確定了結(jié)晶器的較優(yōu)結(jié)構(gòu)與操作條件。在設(shè)計循環(huán)流量范圍內(nèi),與初始結(jié)構(gòu)相比,優(yōu)化結(jié)晶器能耗比原始結(jié)構(gòu)能耗下降超過45%以上,顆粒懸浮、沉降以及溢流效果得到較大改善。構(gòu)建了包含初始溫度、操作壓力、液位以及時間的經(jīng)驗閃蒸質(zhì)量模型。利用305組文獻純水閃蒸實驗數(shù)據(jù),并結(jié)合非線性優(yōu)化技術(shù)獲得該模型的7個參數(shù)。結(jié)果表明,新模型計算值的平均相對誤差約為9.35%,模型統(tǒng)計證明該模型具有良好的適定性;另外164組文獻數(shù)據(jù)的模型驗證結(jié)果顯示,新模型計算值與文獻值間的平均相對誤差約為15.5%;然而,在相同條件下,Fluent軟件中自帶蒸發(fā)-冷凝模型以及Gopalakrishna等提出的閃蒸模型的平均相對誤差分別約為29.2%和33.9%。顯然,本研究提出的新型閃蒸質(zhì)量模型更為準確、可靠�；谠撔滦湍Ｐ�,進一步獲得了用于閃蒸過程CFD模擬的動力學模型。分別建立兩段結(jié)晶器的2D網(wǎng)格模型,利用3D模擬流場信息和新型閃蒸動力學模型,編寫了2D模型槳區(qū)流動的UDF程序以及傳質(zhì)UDF程序,采用VOF多相流模型分別對結(jié)晶器中的閃蒸過程進行了瞬態(tài)模擬。結(jié)果表明,新的閃蒸動力學模型的模擬結(jié)果與Fluent軟件自帶蒸發(fā)-冷凝模型相比更接近真實的閃蒸過程。此外,對光鹵石熱分解結(jié)晶器的3D網(wǎng)格模型進行單相流與歐拉多相流模擬,分析了結(jié)晶器的流場與顆�；旌锨闆r。根據(jù)模擬結(jié)果,對結(jié)晶器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,并進一步進行了CFD模擬。結(jié)果表明,優(yōu)化后的結(jié)晶器混合良好,不僅避免了大顆粒的堆積現(xiàn)象,而且有利于大顆粒排料、清液溢流以及小顆粒懸浮和循環(huán)。本研究對于光鹵石和氯化鉀的結(jié)晶器設(shè)計以及過程操作具有重要的指導意義。
【圖文】：

繪制各溫度下 KCl-MgCl2-NaCl 干基相圖，，如圖1-1 所示。等溫蒸發(fā)結(jié)晶是通過蒸發(fā)濃縮的方式產(chǎn)生過飽和度，使溶質(zhì)最終以晶體形式析出[10,19-21]。若原料液組成如點 A，25°C 下等溫蒸發(fā)過程有以下階段：1)當液相飽和時，NaCl 首先析出，液相由點 A 移至點 B，固相組成為 NaCl；2)到達點 B后 KCl 開始析出，NaCl 與 KCl 開始共析，液相由點 B 移至點 C

進行熱分解階段前是否對光鹵石進行室溫分解除去氯化鎂。得到的產(chǎn)品純度很高但因為多了一道操作工藝而更復雜，全單，然而由于沒有除雜工序，產(chǎn)品質(zhì)量會比較差，但也可以高產(chǎn)品質(zhì)量。鹵石熱分解制備氯化鉀的熱力學原理生產(chǎn)的光鹵石中含有少量 NaCl，因而光鹵石加水的體系可∥Cl-、H2O 四元體系，即 KCl-MgCl2-NaCl 體系[17,18,30,31]。分析光鹵石熱分解制取氯化鉀的原理。假設(shè)原料組成如 M 加適量水至完全溶解，液相組成位于 P 點，當溫度降溫到 7此時 KCl 溶解度明顯減小，液相組成由 P 點向 P’點移動，，若保持溫度不變，當?shù)竭_ P’點后開始析出 NaCl；若溫度液相點繼續(xù)向 P’’點移動，固相持續(xù)析出 KCl[32]。由此可知速度和固相析出速度，可以使 NaCl 始終處于未飽和狀態(tài)，這的關(guān)鍵。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ131.13

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本文編號：2614747