鐵尾礦分級水力旋流器的數(shù)值仿真

李 亮，王守信，司炎飛 (太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024)

鐵尾礦是采礦企業(yè)在一定技術(shù)經(jīng)濟條件下排出的“廢棄物”，尾礦庫占地面積大，而且極具安全隱患，另外在尾礦庫中富含的選礦藥劑尾礦的水滲透到地下，對環(huán)境、地下水也會造成極大的污染。因此選礦尾礦處理是擺在礦山生產(chǎn)者面前的一大問題。為了更好的解決尾礦庫在安全方面及環(huán)境保護方面的問題，為尾礦干式堆存的設(shè)計及安全管理提供相關(guān)的技術(shù)對策措施，尾礦干式堆存工藝就孕育而生。

針對某礦山排放的鐵尾礦顆粒分布情況，可以把尾礦進行分級處理，然后把它制成膏體，水力旋流器是一種用途廣泛的分離，分級設(shè)備，它不單是作為固-液分離的設(shè)備，同時亦能完成液-液分離、氣-液分離或者固-液-氣分離等操作，所以，水力旋流器是一種通用設(shè)備。由于旋流分離技術(shù)具有分離效率高、操作方便、工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備體積小、重量輕、占地少、無運動部件及使用壽命長，易于實現(xiàn)連續(xù)化操作及自動控制等優(yōu)點。在國內(nèi)、國外的化工、石油、礦山、水處理、粉末工程、金屬加工、食品、環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且應(yīng)用范圍還在擴大。

1 水力旋流器的結(jié)構(gòu)和工作原理

按照Bradly[1]的定義，水力旋流器是一種利用液體壓力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的裝置，使各相不同密度的流體進行分離的設(shè)備，一般其結(jié)構(gòu)較長，主要是由筒體，錐段，和底流管，溢流管和一到兩個入口組成。水力旋流器內(nèi)固液分離過程是基于離心沉降的原理。混合液沿著切向加壓進料進入水力旋流器內(nèi)部而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，由于固液兩相存在密度差，在離心力作用下，重相介質(zhì)向邊壁移動，形成外旋流，而輕相介質(zhì)則被向中心遷移，形成內(nèi)旋流。重相介質(zhì)沿軸線向下運動，經(jīng)由底流口排出，輕相介質(zhì)沿軸線向上運動，經(jīng)由溢流口排出[2]。而在本文中因為鐵尾礦大顆粒的質(zhì)量比小顆粒的質(zhì)量大，故鐵尾礦大顆粒從底流口排出，小顆粒從溢流口排出，從而實現(xiàn)了鐵尾礦大小顆粒的有效分離。

本論文選用的鐵尾礦是山西某鐵礦的尾礦，該廠的尾礦主要由粘土、石英、長石等非金屬礦物組成，密度2.74 t/m3.尾礦粒度分析結(jié)果如表1.

表1 鐵尾礦的粒度分析的結(jié)果

從鐵尾礦的粒度分析的結(jié)果可以看出，該廠鐵尾礦中-0.074 mm的含量為93.42%，-0.038 mm含量為82.77%，表明尾礦的整體粒度偏細。由于旋流器分離出來的鐵尾礦小顆粒是用來制作膏體，而膏體最低要求為必須有15%以上的小于0.02 mm級別的顆粒，才能顯示其流動性并保持有足夠的成膠體狀態(tài)的水，才能形成一種不離析的混合體。根據(jù)膏體的這個特點，結(jié)合旋流器和分離粒度之間的關(guān)系圖[3]，由圖可以看出直徑為75 mm旋流器的分離粒度范圍為0.01 mm～0.025 mm，剛好符合滿足顆粒制作膏體的要求，故本文選擇的旋流器的直徑為75 mm，而旋流器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)采用的是Hsien[4]實驗所所使用的結(jié)構(gòu)參數(shù)，故旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

表2 水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 水力旋流器網(wǎng)格生成

本數(shù)值模擬計算選取水力旋流器的三維模型作為計算區(qū)域，由于雷諾應(yīng)力模型(RSM)對網(wǎng)格的質(zhì)量要求較高，故使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格即六面體網(wǎng)格，而為了保證旋流器能夠使用六面體網(wǎng)格劃分，故對旋流器劃分網(wǎng)格進行分塊劃分，水力旋流器的網(wǎng)格劃分如下圖所示：

圖1 水力旋流器的網(wǎng)格

3 水力旋流器內(nèi)流場的數(shù)值模型的選取

旋流器內(nèi)的湍流模型選擇用于各向異性的RSM模型，這是由于雷諾應(yīng)力模型(RSM)徹底擺脫了各向同性的渦黏假設(shè)，并且對流線極度彎曲、漩渦強烈的三維流動很適合，因此采用RSM模型對旋流器內(nèi)部強旋流流場進行模擬應(yīng)該是首選方法[5]。鐵尾礦和水的兩相流采用MIXTURE模型，壓力-速度耦合算法采用SIMPLE，壓力插補格式選取PRESTO，離散格式采用精度較高的QUICK格式。

4 水力旋流器數(shù)值模擬分析

旋流器的邊界條件為：鐵尾礦顆粒的體積分數(shù)為20%，進口條件為速度入口，水相的速度為4.63 m/s，湍流強度為I=4.04%，溢流口和底流口都采用自由流出口條件，分流比為0.3，計算中假定底流口水封，沒有空氣柱存在。

4.1 混合液流體軌跡

圖2 混合液流體軌跡

圖2所示為鐵尾礦和水的混合液體軌跡線，從圖中可以清楚地看到流體的雙螺旋運動即，且在旋流器的進口處和溢流口處附近紊流現(xiàn)象比較嚴重，大部分的混合液中從溢流口流出，少部分混合液經(jīng)外旋流從底流口流出。鐵尾礦通過旋流器這種工作過程之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)大小鐵尾礦顆粒的分離。

4.2 混合液壓力分布

圖3 x=0截面壓力分布圖

圖3是水和鐵尾礦顆粒組成的混合液壓力截面分布圖，由圖可以看出，等壓線與軸線基本平行，在柱體區(qū)和錐體區(qū)的同一位置上，壓力都隨半徑的減小而減小，在軸心附近，混合液的壓力值最小，產(chǎn)生的能量損失也就較大，由于底流口密封所以就在軸心附近形成了一個水柱。作者認為由于壓力的變化與離心力相平衡，因而旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了較大的徑向壓降。而圖4中，可以看出，壓力分布的軸對稱性不是很好，這是由于進口是單進口，而導(dǎo)致了流場的不對稱，且外旋流壓強較高，內(nèi)旋流壓強較低。

圖4 截面不同位置處壓力徑向分布

4.3 鐵尾礦混合液速度分布

圖5 各個截面上切向速度的分布

圖6 各個截面上徑向速度的分布

從圖5可知，水力旋流器內(nèi)部的鐵尾礦混合液切向速度幾乎是對稱分布的，呈典型的Rankine渦分布[6]，并且在軸心處切向速度的速度梯度最大，越靠近器壁處，切向速度越小，這是由器壁的阻力和摩擦力導(dǎo)致的，從圖6徑向速度的分布可以看出，有一部分流體的徑向速度在軸心處小于0，這是因為鐵尾礦大顆粒所受的離心力較大，運動到器壁，經(jīng)外旋流到達底流口，還有一部分流體是負值，是因為鐵尾礦小顆粒所受離心力較小，使它不能運動到器壁，這些顆粒就經(jīng)由內(nèi)旋流向上運動，軸心的位置處的徑向速度的速度梯度也是最大的，這也說明了在軸心的位置，一部分流體由外旋流變?yōu)閮?nèi)旋流，從溢流口流出，進而實現(xiàn)了大小顆粒的分離，從器壁到軸心這段距離，徑向速度與半徑成正比，半徑越大，徑向速度越大。

4.4 鐵尾礦顆粒的濃度分布

圖7～圖10是x=0界面處各鐵尾礦顆粒大小的濃度分布。

圖7～圖10是中心截面x=0上的鐵尾礦顆粒相的體積分數(shù)分布云圖，從整體分布來看，大部分的鐵尾礦顆粒相主要集中于旋流器器壁附近，其中以器壁處的鐵尾礦顆粒相的體積分數(shù)為最高，與之形成鮮明對比的是，在軸心處顆粒相的分布很少，幾乎沒有。顆粒相體積分數(shù)分布幾何軸線在總體上呈對稱分布現(xiàn)象。

圖7顆粒d=19μm的濃度分布圖8顆粒d=38μm的濃度分布

Fig.7Thevolumefractionofparticled=19μmFig.8Thevolumefractionofparticled=38μm

圖9顆粒d=74μm的濃度分布圖10顆粒d=150μm的濃度分布

Fig.9Thevolumefractionofparticled=74μmFig.10Thevolumefractionofparticled=150μm

而對于各個縱向截面而言，從圖7～圖10可以看出，隨著顆粒粒徑的增大，粒子逐漸往器壁附近運動，而旋流器軸心附近的顆粒越來越少，取而代之的是液體水，因為顆粒的粒徑越大，顆粒所到的離心力越大，顆粒就越往器壁運動，軸心附近的顆粒就越少，濃度特別低，這非常符合旋流器的運動規(guī)律。

5 結(jié)論

本文采用RSM模型和多相流mixture模型對旋流器內(nèi)鐵尾礦顆粒的運動規(guī)律進行了數(shù)值模擬，在水力旋流器內(nèi)部，壓力分布幾乎是軸對稱性的，并且在柱體和錐體空間處，壓力隨著半徑的減小而減小，由于軸向處壓力值較小，所以就形成了水柱，同時，通過分析水力旋流器內(nèi)部鐵尾礦不同顆粒大小的濃度分布得出，隨著鐵尾礦顆粒直徑的增大，顆粒的離心力越大，顆粒在壁面處的濃度越高，說明旋流器對大顆粒鐵尾礦的分離效果較好，本文只是對水力旋流器內(nèi)的運動規(guī)律進行了模擬，應(yīng)用到鐵尾礦分級時，它的性能并不一定時最好的，為了得到旋流器最佳的性能，需要進一步對影響旋流器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，操作參數(shù)以及物性參數(shù)進行數(shù)值模擬，以得到旋流器的最佳工作性能。

參考文獻：

[1] Bradley D.Hydro-cyclone[M].London：Permamon Press，1965.

[2] 褚良銀，陳文梅.水力旋流器結(jié)構(gòu)與分離性能研究(五)[J].化工裝備技術(shù)，1999，20(2)：16-18.

[3] Hsien K T，Rajamni R K.Mathematical model of the hydrocyclone based on physica of fliud flow[J].A IChE Journa，1991，37(5)：735-745.

[4] 龐學(xué)詩.水力旋流器理論與應(yīng)用[M].中南大學(xué)出版社，2005.

[5] 蘇勁，袁智.水力旋流器細粒分離效率優(yōu)化與數(shù)值模擬[J].機械工程學(xué)報，2011，47(20)：183-190.

[6] 徐繼潤，羅茜.水力旋流器流場理論[M].北京：科學(xué)出版社，1998.