【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(guó)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(shí)節(jié)約用水,具有良好的應(yīng)用前景。本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬技術(shù)對(duì)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(jìn)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(dǎo)流筒直徑、擋板長(zhǎng)度以及攪拌速率對(duì)結(jié)晶器流場(chǎng)的影響;然后采用離散相模型(DPM)考察了光鹵石顆粒的運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)間的經(jīng)驗(yàn)閃蒸質(zhì)量模型。利用305組文獻(xiàn)純水閃蒸實(shí)驗(yàn)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(gè)參數(shù)。結(jié)果表明,新模型計(jì)算值的平均相對(duì)誤差約為9.35%,模型統(tǒng)計(jì)證明該模型具有良好的適定性;另外164組文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的模型驗(yàn)證結(jié)果顯示,新模型計(jì)算值與文獻(xiàn)值間的平均相對(duì)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(duì)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(zhǔn)確、可靠�；谠撔滦湍Ｐ�,進(jìn)一步獲得了用于閃蒸過程CFD模擬的動(dòng)力學(xué)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(chǎng)信息和新型閃蒸動(dòng)力學(xué)模型,編寫了2D模型槳區(qū)流動(dòng)的UDF程序以及傳質(zhì)UDF程序,采用VOF多相流模型分別對(duì)結(jié)晶器中的閃蒸過程進(jìn)行了瞬態(tài)模擬。結(jié)果表明,新的閃蒸動(dòng)力學(xué)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(shí)的閃蒸過程。此外,對(duì)光鹵石熱分解結(jié)晶器的3D網(wǎng)格模型進(jìn)行單相流與歐拉多相流模擬,分析了結(jié)晶器的流場(chǎng)與顆�；旌锨闆r。根據(jù)模擬結(jié)果,對(duì)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,并進(jìn)一步進(jìn)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(duì)于光鹵石和氯化鉀的結(jié)晶器設(shè)計(jì)以及過程操作具有重要的指導(dǎo)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(diǎn) A，25°C 下等溫蒸發(fā)過程有以下階段：1)當(dāng)液相飽和時(shí)，NaCl 首先析出，液相由點(diǎn) A 移至點(diǎn) B，固相組成為 NaCl；2)到達(dá)點(diǎn) B后 KCl 開始析出，NaCl 與 KCl 開始共析，液相由點(diǎn) B 移至點(diǎn) C

進(jìn)行熱分解階段前是否對(duì)光鹵石進(jìn)行室溫分解除去氯化鎂。得到的產(chǎn)品純度很高但因?yàn)槎嗔艘坏啦僮鞴に嚩鼜?fù)雜，全單，然而由于沒有除雜工序，產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)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(xué)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(diǎn)，當(dāng)溫度降溫到 7此時(shí) KCl 溶解度明顯減小，液相組成由 P 點(diǎn)向 P’點(diǎn)移動(dòng)，，若保持溫度不變，當(dāng)?shù)竭_(dá) P’點(diǎn)后開始析出 NaCl；若溫度液相點(diǎn)繼續(xù)向 P’’點(diǎn)移動(dòng)，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(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ131.13

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本文編號(hào)：2614747