填充沸石的大型离子交换柱内流场模拟

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-0250

化工进展 ›› 2019, Vol. 38 ›› Issue (11): 4831-4837.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2019-0250

填充沸石的大型离子交换柱内流场模拟

郭小甫^1,²(),袁俊生^1,²(),赵颖颖^1,²,李非^1,²,纪志永^1,²

1. 河北工业大学化工学院，天津300130
2. 海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心，天津300130

收稿日期:2019-02-22 出版日期:2019-11-05 发布日期:2019-11-05
通讯作者: 袁俊生
作者简介:郭小甫（1982—），女，硕士，研究方向为海水化学资源利用。E-mail：guoxiaofu@hebut.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划(2016YFB0600504);福建省产业技术联合创新项目(闽发改投资[2015]489号);河北省青年科学基金(B2017202246)

Flow field simulation of large ion exchange column filled with zeolite

Xiaofu GUO^1,²(),Junsheng YUAN^1,²(),Yingying ZHAO^1,²,Fei LI^1,²,Zhiyong JI^1,²

1. School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
2. Engineering Research Center of Seawater Utilization of Ministry of Education, Tianjin 300130, China

Received:2019-02-22 Online:2019-11-05 Published:2019-11-05
Contact: Junsheng YUAN

摘要/Abstract

摘要：

针对沸石法海水富钾工程化放大中的关键问题，采用Fluent中多孔介质模型对填充沸石的大型离子交换柱内流场进行了模拟研究。主要考察了沸石的孔隙率和颗粒直径、海水进口速度、沸石柱长径比以及柱内形成的沸石层凹坑等条件对离子交换柱内流体流动的影响，结果发现：孔隙率和颗粒直径直接关系到沸石层内流体的速度分布，海水进口速度、沸石柱长径比等条件对沸石层内的流体流动并无显著影响；而在孔隙率和颗粒直径确定的条件下，由于海水冲击形成的凹坑对沸石层内流体影响较大，会在凹坑两侧形成滞留区，进而影响沸石对海水中钾的吸附。根据模拟结果优化了填充材料、设备结构以及工艺等参数，为沸石法海水富钾关键装备进一步扩大规模提供了理论支撑。

关键词: 沸石, 多孔介质, 离子交换柱, 流场, 模拟

Abstract:

Aiming at the key problems in the engineering enlargement of technology for seawater potassium extraction by zeolite, the flow field in the large ion-exchange columns filled with zeolite was simulated by Fluent software with the porous medium model. The influence factors on flow field were studied, including porosity, particle diameter, inlet velocity, length-to-diameter ratio, the pit formed by seawater, and so on. The results showed that the porosity and particle diameter are directly related to the velocity distribution of the fluid in the zeolite layer, while the inlet velocity, length-to-diameter ratio and other conditions have no significant effect on the fluid flow. In addition, under the condition of constant porosity and particle diameter, the pit impacted by seawater has a great influence on the fluid in the zeolite layer by forming retention zones on both sides of the pit, which will affect the adsorption of zeolite for potassium in the seawater. Finally, according to the simulation results, the filling materials, equipment structure and process parameters were optimized. This study provides a theoretical support for the further enlargement of the seawater potassium extraction technology.

Key words: zeolite, porous media, ion exchange column, flow field, simulation

中图分类号:

TQ115

郭小甫,袁俊生,赵颖颖,李非,纪志永. 填充沸石的大型离子交换柱内流场模拟[J]. 化工进展, 2019, 38(11): 4831-4837.

Xiaofu GUO,Junsheng YUAN,Yingying ZHAO,Fei LI,Zhiyong JI. Flow field simulation of large ion exchange column filled with zeolite[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(11): 4831-4837.

图/表 11

图1 离子交换柱模型a—?450mm×500mm; b—(?450mm+?8000mm)×2900mm;c—?8000mm×1500mm; d—?8000mm×4000mm

图2 网格局部

表1 不同网格数下计算出的压降值

网格数/个	z=0处p/Pa	z=5.5m处p/Pa	Δp/Pa	变化率/%
15476	3004.40	3966.05	961.65	—
111677	2718.71	3692.46	973.73	1.25
282111	2476.55	3452.18	975.63	0.19

图3 不同孔隙率下z方向中心速度分布

图4 不同孔隙度下z方向中心压力分布

图5 不同颗粒直径的沸石层入口处的速度云图

图6 不同入口速度下渐扩段流体速度云图

图7 沸石柱中心z向（-4～10m）处压力分布和速度分布

图8 不同长径比下沸石柱内x向z=4m处和z向沸石柱中心压力及速度分布

图9 形成凹坑的沸石柱几何模型

图10 形成凹坑后的沸石层内压力及速度分布情况

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Flow field simulation of large ion exchange column filled with zeolite

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