MODEL RESEARCH BASED ON LIQUID/SOLID TWO PHANSE FLOWS IN METALLURGY STIRRED TUBULAR REACTOR

Ø 46 Ø 8 Vol.46 No.8 2010 8 µ Ø 1004 1008 Ú ACTA METALLURGICA SINICA Aug. 2010 pp.1004 1008 ÆÙ ± /» à Á  À (ß ¼ Ö ², Ò ËÀ ËÚ Ð, ÇÓ 110819) ÅÊ Å ÑÆ«º, Î Æ«ß/ ÑÐÕ Ê, ¾ Õ Å º Ñ µ µô, Ñ Á±Í. Á Ð, ßÆ«Ã È, ÑÏ, ±³Í¼ÑÐÛº, ¼Æ«150 r/min, Ñ Ð 1.58 m/s; Æ«150 È 250 r/min, Ê, Ô (25 r/min) È (50 r/min) ³Ì Ê; ¼ Å 2% È 7.5%, 5 È 8 r/min. ß,, Æ«, Å Đ TG249 ¹ºÜ A ¹ Û 0412 1961(2010)08 1004 05 MODEL RESEARCH BASED ON LIQUID/SOLID TWO PHANSE FLOWS IN METALLURGY STIRRED TUBULAR REACTOR ZHAO Qiuyue, ZHANG Ting an, CAO Xiaochang, LIU Yan, JIANG Xiaoli Key Laboratory of Ecological Utilization of Multi metal Intergrown Ores of Ministry of Education, School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819 Correspondent:ZHANG Ting an, professor, Tel: (024)8687715, E-mail: zta2000@16.net Supported by Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (No.20050145029) and Science and Technology Talents Fund for Excellent Youth of Liaoning Province (No.2005221012) Manuscript received 2009 12 04, in revised form 2010 05 17 ABSTRACT The computational fluid dynamics (CFD) method was used to research the velocity and concentration fields in the multiphase flow tubular stirred reactor. A mathematical model of liquid/solid two phase flow was established and the simulated results obtained by using this model are in better agreement with the experimental ones. The results show that the maximum velocity of solid liquid phase flow is 1.58 m/s when the rotation speed is 150 r/min and there is no flow dead zone in the tubular stirred reactor because that turbulent flow is strengthened by the stirring action. Radial mixture is better when the rotation speeds are 150 and 250 r/min than when the rotation speeds are 25 and 50 r/min, a proper rotation speed is need to obtain the prefered mixture. The critical impeller speeds are 5 and 8 r/min when the solid concentration are 2% and 7.5%, respectively. KEY WORDS metallurgy, tubular reactor, stir, simulation ³ÆÅ, À Al Ð Õ Al 2 O Í ÉÙÓØ. ½ Al 2 O Í Ã É, ÃÅ Ì, ½ É ÂÕ «, Ç, ÉÁ Í Ã Ð ²Î [1]. ³, [2] Ë Å Í Ð * ¹ ÒÁ² Û 20050145029 È Ï Ø ½ 2005221012  : 2009 12 04, : 2010 05 17 Ô :,, 1978 Ì, Å, ² DOI: 10.724/SP.J.107.2009.00811 ÃÆ, Æ T ËÜ Ð«Ò Æ. ½ Ð Æ / Ò Å º, ÒÝ Ä ÆÐÒ«, È ÆÐ, ÃÈ Û ½Ò«É, Ò«± Ò«º. «Ê, ÆË Æ / Ò Ð Ë ÕÉ»Á ÌÕ. Æ Ð ËÃ Ã Æ Á ÐÏ Ë É Á Ð Ë 2».» [,4], Ï Ëà ŠÆÎ Õ, Ë Ð Å, «Ê, ½» Á Ð Ë Ð Õ

Ø 8 µµñ : Ö Å Þ/ ÐĐ ¹ 1005»Ï Á Ð Ë. ² [5 8] л Â, É Ëà ÐÆ Đν ºÐ Õ, Ë ĐÐ Ò Â,  º. «Ê, Õ Æ Ò Õ Ë ²ÎÖ. Khopkar Ó [9] à ½ Õ «««½ÐÜ, Yamazaki Ó [10] Ù Ï «Ò ² Î, Ö «/ Æ Ï ËÃ.» É Ð Ü Æ ²Î, ²ÄÕÐÆË Æ / ÒлÀÂ. Õ½» [11] Ð Å, ÆË Æ É ¹ Î Ðɼ ( ¾ºÐ Ç Õ Ë Ó) ²ÎÖ, ± Ò Â Õ,» Æ Ð ¾Ò ɼÉÒ., ½ Ð Æ Ò Õ Ë ÂÐÕ, ²Ð µ³æë Æ ÌÕ. 1 ²¾ ¼ ² Eulerian Eulerian ÜÐ Ò«Ë [12], Ï Ô Æ / ÒÐ Å. «ÚÐ Ð É. t (φ iρ i ) + (φ i ρ i u i ) = 0 (1) t (φ lρ l u l ) + (φ l ρ l u l )u l = φ l p + τ l + È φ l ρ l g + K sl ( u s u l ) (2) t (φ sρ s u s ) + (φ s ρ s u s ) u s = φ s p p s + τ s + φ s ρ s g + K sl ( u l u s ) () Ü. ½³ ËÉ, Ð ÆÊ ÇÐ Æ, Õ Ò«Ê Ð«Æ, Ó Ò«ĐÐ Đ, ²Ò«ÆÙ Ä. «Ê, ³ ˽ Ò / ÒÐÖ «É Å ÐÆ. Ò«ËÐ Ü, ½ Ü Â Ð Á, ²Õ ÐÅ: (1) Æ, Î Ð Đ, Ò É Å«2 ÊÒ«; (2) 2 ÊÒ«Ò ¼ Ð Å ; () Ò«Ó Ò ; (4) Ð Æ Ð Ðµ «; (5) É Ò«. 2 Ú Å² «ÄÐÆË Æ, É Ü T Ë, Ü Đ Åß 90 ½ Ï, 16 Ü. Ü ÐÕ, ½Ì² Æ Ëл,. Æ Ð ÌÕÁÏ 1. Ü ¹½Ð ¾É Ö : Ü 1 10 kg/m, 1.005 10 Pa s, Ò 1.8 m /h; Ü 2.5 10 kg/m, 0.1 mm, «Ò Ö 2% É 7.5%; Ð 25, 50, 150, 250 É 50 r/min. Í FLUENT ÆÐ ÆÊ Gambit Ï Ë±Í Ø, ½ «Ì ½, Æ» É»,» Ö ½, ³» Ò«Đ Ü ;» µ Ö ½. ± º,» Õ» Ý ß«Ð º, «Â 2( ½ Рк ) [12]. ÏÉ Þ, ÇË ß (Wall); Æ (Inlet) Æ Ò ; Ã Æ (Outlet) à ; Þ µ ß. Í CFD FLUENT 6. Ð «Ò Å È, ³» Ò Ü ÐÆÊ ß É, φ i «Ò Ö; ρ i Ü, kg/m ; u i Ð, m/s; τ i Æ, Pa s; i l É s, É ; p, Pa; K sl «Ö; t Đ, s; g Ì Ð, m/s 2. Eulerian Ë Ö «ĐÐ, ¹ ÕÕ Ð Ð Ò¹, Ü ÐÅ / Đ Æ ÉÙ, É Ð, É, ĐÐ Õ Ã É Õ ½ ÐÝ ÅÜ. Ò«ËÐ Ü Ô «ĐÐ Õ Á. ³ Ë ¾ß Ó Æ É ÐÄ, ± ÐÐÆ ÆÊ ÉÒ«, ² Ë 1 Fig.1 Structure chart of a new tubular reactor (unit: mm) 2 Õ Å ¹ Fig.2 Schematic of grids used for simulating the tubular stirred reactor

m a 1006 M r. > jy1 r l x ~_ Wen Yu S, _ T 4 >1 (MRF) M N R x l _^ /, n n~ z n~, FM GlQ{B } fyts l SIMPLE ~, P E. b, B l5< k [ : 10. t 46 7 [1] ( 8) 1 ^} # 4 Q 50 r/min l 5, Æ l Reynolds r :1 10 G, N 2 nb..1 } d K b&gn_ 1.8 m /h 5, ^ } 150 r/min Z, ( lq B b Æ QNSB b Æ, q 8 Æ l >}?. a A = K, Q B b Æ, n N : nb, n~ Dk }J, RZ-N l Y B. b A = K, NS `L l B b Æ, l q, n ~G 6, fs#d, #`b> Qu. N SB b Æ ( b) 8 Æ ( c) l }?>z, v~nsbb Æ ($ jb 8 Æ fsl x, & NSBb Æ k x:, * 1 W G, R, l :,Xq 8 Æ, =gns Bb Æ C N. S} [HG =, ( CYln } ~7+ u lq B b Æ ln n}, n}l + quzn~ Dl `A #`n~ NC lq7 QNKG. 4 ^} 150 r/min Z CFD lwd {Q,DQP {l}?. A, </ ^>n >}? ( 4a) `>n > }? ( 4b) 1-fG>', S} [HM=, ^>niilm[} 1.58 m/s, " E `>n l 1.46 m/s I+. R, n S x K 25, 50, 150, 250 6 ' $ [14], 4 150 r/min, P Aa MR\Æ Aa pæ 7 k > [14] Fig. Velocity fields in the traditional tubular reactor (150 r/min, 1.8 m /h flow) (a), the tubular stirred reactor (150 r/min, 1.8 m /h flow) (b) and tank stirred reactor (9 r/min)[14] (c) Y CFD k =m _=mkvc zp+cpo zk > Fig.4 Flow fields of liquid phase at axial (left) and vertical (right) section in two phases flow (a) and single phase flow (b) simulated by CFD at 150 r/min

Ø 8 µµñ : Ö Å Þ/ ÐĐ ¹ 1007 Ã, ½ Æ ÆÐÐ Đ Ü ÄÐ, Ð, «Ï²³Ò«ÐÐ, ½ ²³Æ ĐÃ, ±½ÐÞ Å ¹Æ½ Ð Ó, Ë Ð»Õ ÆË Æ Å Ð..2 ÐÞ 5 «2% Ы½½ Ð Æ ÉĐ Ä Ð «Ò Ö., Ð 25 r/min, Ð À, º, ÏÉÈ» ν; Ð 50 r/min, Öº Ü, ÉÈÆ Ä ; Ð 150 É 250 r/min, Æ Þ, ² Ù ³, Ê Æ»,, Ô ¼ «, ÉÈ Â; Ð 50 r/min, Æ ÐÝ Ö Î, ³» ƽ Ü ²³, Ê ½ Ï» ÎÂ, Ð Í ÐÈÈ, Ò«½» Ã Ò ÐÇ, / Ð Ë Í. «ÊÆ ¾ Ð Ð ÄÈÈ Æ Ëбß. 6 150 r/min Ð Æ Ï ß «Ò  [12] Ð. Ã, Ä, Æ Ò«½Ï ÀÉ Æ ÒÐ Ü, ³ Ü ÆË Æ ÎÀ,» Æ Ü», ÒÂÕ. Æ Ë, Ú ½ÊÃ É ÌÕÕ. «Ð Ò Ð ÛÄ ³Ë, Æ Ð, ½ Ã³Ï ÐÐ ËÐ, Ð ß, ÒÉ Æ Ý, «Ðν̲ Æ ÆÐ Ë, ½ «É, Ù» «, ÂÖ «Ë ÕÐ Volume fraction 0.40 0.5 0.0 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Rotation speed 25 r/min 50 r/min 150 r/min 250 r/min 50 r/min 0.00-0.10-0.05 0.00 0.05 0.10 Distance, m 5 ³ Æ«È Ã ÅÑ Õ ( Å 2%) Fig.5 Radial solid phase volume fraction at different rotation speeds in the middle of the tubular stirred reactor (solid concentration 2%) Đ Ò.. ½ ³ ÆË Æ ½ / «½ Ð, вÎ. 7 «Ü Ð Ð Ñ ««Ò Öм. Ã, Ñ «Ò ÖÀ 0.52, «2% «½ Рн 5 r/min Ó, «7.5% «½ Рн 8 r/min Ó, Ð 5 É 8 r/min, Æ Æ ¾. н 50 r/min, Æ Ð «Ñ «Ò Ö Î¹, ½ «ÀÐ «2% «½, Î, Ú Ê,  Þ, «ÈÈ Õ, º Ð Ò«Ü Ý ÆÀ Ò, «Õ, ÊÈÈ ÐÕ ½. «Ê, ÐÐ ¾Õ, 5 ÐÜ Â. 6 ³ Æ«µ Ô Ñ Á [12] Fig.6 Simulated (left) and tracer experimental [12] (right) f max 0.6 0.5 0.4 0. 0.2 0.1 concentration distributions at different times (rotation speed 150 r/min) (5, 0.52) (8, 0.52) Solid concentration 2% 7.5% 0 50 100 150 200 250 00 50 400 Rotation speed, r/min 7 ³ Ð ÅÑ Õ Fig.7 Curves of maximum solid volume fraction (f max) vs rotation speed

1008 Ñ Ø 46» Â, ÆË Æ É Æ Ò É Æ ÐÄ Ð Ü, Ð Ë ÉÆÉ ÂÐ. 4 (1) ÆËØ «Ò Æ», Ï Æ Ð / Ò Ö Ë, Ö «Ð» Æ Ò ÐÐ Õ Ð, É Ð Ò Â ³Ë Æ. (2) ÄÐ Æ É Æ Ò ² Î½Ò Ü», ½ Ð 150 r/min, Ò ÐÑ Ð 1.58 m/s. () Ð 150 É 250 r/min, Ë, ½ «2% É 7.5%, Ð 5 É 8 r/min. Õ Ð (25 r/min) É Ð (50 r/min) Í Ë. Ý ¹º [1] Yuan H J, Huang F, Li Q Q, Xiang Y, Yuan Y. J Guizhou Ind Univ, 2002; 1: 16 (,, ˳³, Ô,. ;Û. 2002; 1: 16) [2] Zhang T A, Zhao Q Y, Dou Z H, Liu Y, He J C. China Pat, ZL 2005100478., 2005 (,, ĐÀÌ, 2005100478., 2005), ÍÚ. È Ì, ZL [] Baldyga J, Pohorecki R. Chem Eng, 1995; 58: 18 [4] Kasat G R, Khopkar A R, Ranade V V, Pandit A B. Chem Eng Sci, 2008; 6: 877 [5] Kraume M. Chem Eng Technol, 1992; 15: 1 [6] Harrop K L, Spanfelner W H, Jahoda M, Otomo N, Etchells A W, Bujalski W, Nienow A W. Récents Progrés génie procédés, 1997; 52: 41 [7] Bujalski W, Takenaka K, Paolini S, Jahoda M, Paglianti A, Takahashi K, Nienow A W, Etchells A W. Chem Eng Res Des, 1999; 77: 241 [8] Michelletti M, Nikiforaki L, Lee K C, Yianneskis M. Ind Eng Chem Res, 200; 42: 626 [9] Khopkar A R, Kasat G R, Pandit A B, Ranade V V. Ind Eng Chem Res, 2006; 45: 4416 [10] Yamazaki H, Tojo K, Miyanami K. Powder Technol, 1986; 48: 205 [11] Zhao Q Y. PhD Thesis, Northeastern University, Shenyang, 2008 (. ² ±. ÈÔ, 2008) [12] Drew D A. Ann Rew Fluid Meth, 198; 15: 261 [1] Wen C Y, Yu Y H. Chem Eng Prog Symp Ser, 1966; 62: 100 [14] Chen T, Wu D Z, Du H X, Wang L Q, Li Z F. J Eng Thermophs, 2010; 1: 271 (,,, Ƴ, ËÀ. ¾ É, 2010; 1: 271)