雙錐旋流器內流場與顆粒運動模擬及其工業(yè)應用研究.pdf

1、水力旋流器是借助離心力場實現(xiàn)加速分離的高效通用設備，已被廣泛應用在石油、化工、礦業(yè)、食品、造紙等眾多領域。降低能耗與分離下限是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對固液分離水力旋流器提出的更高要求，也是水力旋流器的重點發(fā)展方向之一。研究水力旋流器內多相流的流動行為，分析水力旋流器參數(shù)對其分離性能的影響規(guī)律，將為水力旋流器的優(yōu)化設計提供科學依據(jù)，促進固液分離工程的發(fā)展。
　　本文以雙錐固液水力旋流器為研究對象，利用計算流體動力學（CFD）工具，模擬了雙錐旋

2、流器內多相流流場，分析了其流場特性，討論了顆粒的流動行為，結合試驗設計考察了雙錐旋流器結構參數(shù)對其分離性能的影響，實現(xiàn)了雙錐旋流器在凡口鉛鋅礦分級尾砂制備與單一高品位硫精礦生產中的應用。
　　在時均化的納維-斯托克斯方程基礎上，應用雷諾應力湍流模型（RSM）、流體體積（VOF）多相流模型及混合（Mixture）多相流模型對直徑100mm雙錐30°（上錐體錐角）-10°（下錐體錐角）旋流器及單錐10°旋流器內液-氣流場、液-氣-固流

3、場進行了數(shù)值模擬分析，并將模擬結果與實驗室清水試驗及分離試驗進行了對比。結果顯示，數(shù)值計算結果與試驗結果具有較好的吻合性，證明了所選擇的CFD數(shù)學模型的準確性及模擬的可靠性。
　　對雙錐30°-10°旋流器與單錐10°旋流器內的流場參數(shù)進行了對比研究，結果表明：旋流器錐體結構變化不影響流場參數(shù)的分布規(guī)律。在進料速度相同的情況下，雙錐30°-10°旋流器內切向速度明顯高于單錐10°旋流器，單錐10°旋流器內空氣柱頻繁的徑向擾動使得兩

4、種旋流器內流體的徑向速度大小相差不大，這種流場特性使得雙錐旋流器可以達到降低分離粒度的效果。
　　通過研究顆粒進入旋流器到形成穩(wěn)定多相流場的過程中不同粒度顆粒在溢流與底流中的質量流率隨時間的變化關系及不同瞬時時刻顆粒在旋流器內的體積分布特點，分析了旋流器內基于粒徑大小的顆粒流動特性。結果表明：顆粒粒度越小，進入溢流管中所需要的時間越短；接近中位徑粒度的顆粒在旋流器出口達到穩(wěn)定質量流率所需的時間比其他粒度顆粒都要長；穩(wěn)定狀態(tài)下多相流

5、流場中各粒度顆粒的分布特點是：顆粒粒度越細，越趨向于較均勻地分布于整個旋流器內，隨著粒度的逐漸增大，在柱體及大錐體區(qū)域顆粒分布逐漸偏離旋流器中心并形成濃度偏析，粗顆粒緊貼在旋流器內壁呈“聚集態(tài)”的螺旋流動；旋流器內循環(huán)流中由于細顆粒的不斷進入會造成一定程度上的顆粒累積，并形成一個環(huán)形的具有濃度梯度的高濃度區(qū)域，停止向旋流器內供入顆粒相，通過研究顆粒相從旋流器內流失的過程可以發(fā)現(xiàn)，動態(tài)循環(huán)流中不同粒度大小的顆粒具有不同的“逃逸”走向，細顆

6、粒主要隨溢流排出，隨著粒度的變大，顆粒既能從溢流中排出也能從底流中排出，粒度進一步增大，顆粒只從底流中排出；模擬結果還表明：顆粒相是被連續(xù)相的徑向流動夾帶至溢流管中而形成的短路流；顆粒粒度越細，越快形成短路流，粒度越粗，越不會形成短路流及循環(huán)流。
　　利用基于Yates算法的試驗設計及CFD模擬，討論了雙錐旋流柱體高度、大錐體錐角、小錐體錐角、錐體接口直徑等結構參數(shù)對分離粒度及能耗的影響。方差分析結果表明，對于雙錐旋流器的分離粒度

7、，影響的顯著性順序為：小錐段角度>上下錐段接口直徑>大錐段錐角>柱體高度；對于旋流器內壓力降，影響顯著性順序為：柱體高度>上下錐段接口直徑>小錐段錐角>大錐段錐角，其中錐體角度對壓力降、分離粒度是正影響，錐體接口直徑與柱體高度對壓力降及分離粒度是負影響。通過回歸分析擬合了試驗范圍內旋流器分離粒度與壓力降隨結構參數(shù)變化的回歸方程，相關系數(shù)分別為0.9918及0.9900。在所研究的雙錐旋流器結構參數(shù)范圍內，下錐段錐角10°，大錐段錐角30

8、°，上、下錐段接口直徑φ/D=0.7（D為旋流器直徑），柱體高度H/D=2時，可以在較低的能耗下獲得較小的分離粒度。
　　設計了應用于凡口鉛鋅礦分級尾砂制備的雙錐旋流器，工業(yè)應用結果表明，柱體直徑相同的雙錐旋流器相比于原單錐旋流器能有效降低分離粒度，明顯提高了分級尾砂的產率。在凡口鉛鋅礦回收單一高品位硫精礦的重浮聯(lián)合工藝設計中，根據(jù)實驗室試驗及數(shù)值模擬計算，選擇雙錐旋流器作為凡口鉛鋅礦高品位硫精礦生產的重選設備，可優(yōu)先從粗硫精礦中