[发明专利]一种基于CFD的重金属废水硫化沉淀反应器优化方法

权利要求书

1.一种基于CFD的重金属废水硫化沉淀反应器优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据硫化沉淀反应器的基本尺寸参数，建立硫化沉淀反应器流体计算域的几何模型；

2)确定模型的控制方程，在综合考虑模型精度和计算成本后选用k-ε湍流模型进行模拟计算反应器内流场分布；

3)定义几何模型的边界条件与初始值；

4)对几何模型进行网格划分；

5)进行数值仿真计算，利用多物理场耦合求解模型的流场与反应物质浓度分布，得到设定条件下硫化沉淀反应器的流场速度矢量图、各物质浓度分布图、流线分布图以及出水中离子浓度随时间变化数据；

6)根据步骤5)所得模拟结果，进行反应器特征分析，并通过更改步骤1)中的基本尺寸参数和/或步骤3)中的边界条件与初始值进行优化，重复步骤1)至步骤6)，直至得到最优的硫化沉淀反应器设计方案，此处所指最优设计方案为在上述步骤中，在不同反应器结构与边界条件设置下进行模拟计算时，所得到反应器出水中重金属离子浓度与硫化物浓度计算结果最低时所对应的方案。

2.根据权利要求1所述的基于CFD的重金属废水硫化沉淀反应器优化方法，其特征在于，步骤3)中边界条件与初始值的设定包括：

流场边界条件与初始值的设定：进出口边界位置、流入速度、流出速度和压力与重力条件；

化学反应场的边界条件和初始值的设定：包括反应器整体区域物质浓度设定、各物质扩散系数设定、流入反应器物质浓度设定和重金属离子与硫化物化学反应速率的自定义函数设置。

3.根据权利要求2所述的基于CFD的重金属废水硫化沉淀反应器优化方法，其特征在于：步骤5)中更改的参数包括：硫化沉淀反应器的基本形状尺寸、进出口位置、进出口尺寸、进出口形状、重金属废水初始浓度与流入速度、硫化钠溶液初始浓度与流入速度。

4.根据权利要求1所述的基于CFD的重金属废水硫化沉淀反应器优化方法，其特征在于，网格划分采用四面体网格划分，并进行网格独立性检验。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于CFD的重金属废水硫化沉淀反应器优化方法，其特征在于：步骤2)中，根据化学传递场与流场选择控制方程，为了模拟反应器结构对传质效果的影响，在模型中耦合了化学反应动力学、传质和流体流动，求解速度场和浓度分布，反应器内部流动特征经雷诺数计算为湍流，结合传质方程，确定对重金属硫化沉淀反应器模型的主要控制方程组如下所示：

物质通量矢量方程表示为：

式中，D_i为扩散系数(m²/s)，c_i为物质的浓度(mol/m³)，u为流体流场内速度矢量(m/s)；

物料的平衡方程为：

其中，为拉普拉斯算子，R_i表示物质反应速率(mol/m³·s)，在重金属废水硫化沉淀过程中，重金属离子的硫化沉淀反应为本方法所主要考虑的反应过程，反应速率R_i由式(3)描述：

式中k₁为反应速率常数，由实验测得,为金属离子浓度(mol/m³),为硫化物浓度(mol/m³)

本模型中将反应器内流体视为不可压缩牛顿流体，湍流的连续性方程和动量方程分别由方程(4)，式(5)表示：

式中，ρ是混合流体的密度，μ是动态黏度，u是流体的速度矢量，p是压力，+是单位张量，F是作用在流体上的单位体积力，μ_T为湍流粘度,k为湍流动能；

对于反应器中的湍流流动，选用k-ε湍流模型进行模拟，模型中引入了两个因变量：湍流动能k和湍流耗散率ε，方程(5)中湍流粘度μ_T在k-ε湍流模型中有湍流动能和湍流耗散率所决定(式(6))：

k-ε湍流模型中的湍流动能k和湍流耗散率ε由分别由式(7)，式(8)进行控制：

式中σ_C,σ_ε,C_μ,C_ε1,和C_ε2均为模型常数,其值分别为1.0,1.3,0.09,和1.44,湍流能的生成项P_k由式(9)定义；