Matte–slag interaction simulation in the flash smelting settler using coupled CFD-DEM

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-02-16
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
69 + app. 57
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 36/2024
Abstract
The flash smelting process is a major copper production method. However, a closed furnace with high temperatures makes physical observations of matte settling through the slag physically impossible and, thus, computer simulations are needed to study settling. Previously, settling simulations have been made using computational fluid dynamics (CFD). In this project, a new method of using coupled CFD-DEM (discrete element method) was developed and used to study copper matte droplets in a flash smelting settler. Traditionally, CFD-DEM is a fluid and solid particle simulation method; however, by simulating soft spheres and creating user-defined submodels for coalescence and reaction kinetics, liquid matte droplets settling through a slag layer could be studied. Due to the impossibility of observing a high-temperature process in situ, a room temperature physical model was needed to validate the chosen simulation method. Plastic spheres were fed into an oil bath, in which their settling was filmed and compared to simulation results of the same system. Both the experiments and the simulation produced a channeling flow, where drag from the settling spheres pulls the flow of droplets into a narrow channel, accelerating the settling velocity significantly. However, at the bottom of the oil, the flow turns sideways and then up, forming a vortex ring around the channel, which may entrain slowly settling objects. Several matte–slag simulations were made with CFD-DEM, utilizing either the coalescence model or the combined coalescence and reaction kinetics model. Channeling flow, similar to the sphere–oil experiment and simulation, occurred with every matte–slag simulation. The flow caused the matte droplets to settle through the slag significantly faster than predicted by Stoke's law. The coalescence and reaction kinetics models further accelerated the matte droplets as coalescence increased the size of the droplets while reaction kinetics caused copper to concentrate in the droplets as iron and sulfur were removed, which increased droplet density. The coalescence rate was increased by the channeling flow as it caused the droplets to enter a narrower channel, causing an increased number of collisions and, thus, coalescence.

Liekkisulatus on merkittävä kuparinvalmistusmenetelmä. Uunin sisällä kuonakerroksen läpi laskeutuvia kuparikivipisaroita on kuitenkin mahdotonta tarkastella korkean lämmön ja uunin suljetun rakenteen vuoksi. Tästä syystä uunissa tapahtuvia ilmiöitä on tutkittu numeerisen virtausdynamiikan (computational fluid dynamics, CFD) avulla. Tässä tutkimuksessa kytkettyä CFD-DEM (discrete element method, DEM) menetelmää käytettiin simuloimaan sulia kuparikivipisaroita liekkisulatusuunin alauunissa. Perinteisesti DEM on ollut kiinteiden partikkelien mallinnusmenetelmä. Sulia pisaroita saatiin kuitenkin tutkittua simuloimalla niitä pehmeinä palloina, joiden kanssa käytettiin tässä työssä kehitettyjä alimalleja pisaroiden yhdistymisen ja reaktiokinetiikan vaikutusten kuvaamiseksi. Koska korkealämpötilaprosessia oli mahdotonta havainnoida suoraan, menetelmän validoimiseksi kehitettiin fyysinen malli käyttäen öljyä ja muovipalloja. Pallot syötettiin öljyyn, jonka läpi laskeutuessa ne kuvattiin. Vastaava malli myös simuloitiin, johon kuvattuja tuloksia voitiin verrata. Sekä kokeessa että simulaatiossa näkyi kanavoituvaa virtausta. Virtauksessa pallojen luoma vastus loi imun, joka veti viereisiä palloja lähemmäs, jolloin syötetyt pallot muodostivat kanavan öljyn läpi. Muodostunut kanava nopeutti pallojen laskeutumista merkittävästi. Öljyn pohjalla kuitenkin muodostunut virtaus kääntyi kohti laitoja ja siitä ylöspäin, mikä kykenee kuljettamaan hitaammin laskeutuvia pisaroita ja siten ne voivat jäädä öljykerrokseen. Jokaisessa CFD-DEM:llä lasketussa simulaatiossa havaittiin samanlainen kanavoitumisilmiö, joka sai kivipisarat laskeutumaan kuonan läpi merkittävästi nopeammin kuin Stokesin lailla lasketun laskeutumisnopeuden mukaan. Yhdistymis- ja reaktiokinetiikkamallit nopeuttivat laskeutumista entisestään, sillä yhdistyminen kasvattaa pisaroiden kokoa ja reaktiokinetiikka aiheuttaa pisaran tiheyden kasvua. Tiheys nousee, kun raudan ja rikin poistuessa pisaran kuparipitoisuus kasvaa. Kanavoituminen myös lisäsi pisaroiden yhdistymismäärää tuomalla pisarat lähemmäs toisiaan, jolloin ne törmäilivät ja myöskin yhdistyivät enemmän.
Description
Supervising professor
Jokilaakso, Ari, Prof. Emeritus, Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Thesis advisor
Jokilaakso, Ari, Prof. Emeritus, Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
Keywords
computational methods, copper, droplets, laskennalliset menetelmät, kupari, pisarat
Other note
Parts
Citation