錐形溢流管旋流器分離性能研究

劉培坤，姜蘭越，楊興華，張悅刊，徐慶芝

(山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590)

錐形溢流管旋流器分離性能研究

劉培坤，姜蘭越，楊興華，張悅刊，徐慶芝

(山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590)

摘要：針對旋流器運行過程中易產(chǎn)生短路流導致溢流跑粗的問題，提出一種錐形溢流管旋流器，并進行了數(shù)值模擬和試驗研究。模擬結(jié)果表明，錐形溢流管對短路流具有導向作用，使其遠離溢流口并直接進入外旋流參與分離過程，從而提高分離效率。試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)圓柱溢流管相比，錐形溢流管旋流器的底流產(chǎn)率升高，-38μm顆粒的分級質(zhì)效率從34.23%提高到43.02%，分級量效率從35.17%提高到44.19%。并且隨溢流管外壁錐角的減小，溢流濃度降低，底流濃度升高，底流產(chǎn)率增大，-75μm顆粒分級質(zhì)效率和量效率都有所提高。

關(guān)鍵詞：錐形溢流管；短路流；分級；效率

水力旋流器是利用離心沉降原理進行有效分離的設備，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、處理量大、分離效率高等優(yōu)點，被廣泛應用于分級、脫泥、濃縮、澄清和選別等作業(yè)[1]。在實際生產(chǎn)過程中，由于短路流和循環(huán)流的存在，一部分礦漿未經(jīng)分離作用直接進入溢流產(chǎn)物，造成溢流跑粗，嚴重影響了分離效果，導致分離效率降低[2-3]。

為緩解短路流的不良影響，國內(nèi)外許多學者針對短路流產(chǎn)生區(qū)域，從多方面進行了探索和研究。褚良銀等[4]發(fā)明了一種具有環(huán)齒形外壁的溢流管結(jié)構(gòu)，周先桃等[5]提出一種螺旋溢流管，徐繼潤[6]提出了具有厚壁溢流管的水力旋流器，B.Wang等[7]提出一種傘狀溢流管，K-J.Hwang等[8]提出一種錐形頂蓋旋流器。這些研究都在一定程度上抑制了短路流的產(chǎn)生，但分離精度仍然有待提高，并且結(jié)構(gòu)復雜實施困難，難以徹底解決問題。

為進一步改善短路流的不良影響，提高旋流器的分離精度，本文提出了一種錐形溢流管旋流器，并通過數(shù)值模擬和試驗研究，深入研究其流場狀態(tài)和分離性能。

1分級機理

圖1為傳統(tǒng)圓柱溢流管旋流器的流動示意圖，溢流管外壁為圓柱形。當?shù)V漿以一定的速度進入旋流器，在柱體段內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場。礦漿中大顆粒在離心力場的作用下克服流體阻力向邊壁運動，同時在后續(xù)流體的推動作用下向下旋轉(zhuǎn)運動，形成外旋流，從底流口排出。小顆粒向中心軸線方向運動，并在軸線中心形成一向上運動的內(nèi)旋流，由溢流口排出。但是，在旋流器頂蓋處，一部分給礦由于器壁的摩擦阻力作用，先向上再沿頂蓋下表面向內(nèi)，又沿溢流管外壁向下運動，最后同內(nèi)旋流匯合由溢流管排出，形成短路流。由于短路流直接進入溢流，未經(jīng)分離作用，因而降低了分離效率。

圖1　傳統(tǒng)圓柱溢流管旋流器內(nèi)流體流動示意圖

圖2　錐形溢流管旋流器內(nèi)流體流動示意圖

根據(jù)短路流的形成原理，在保持溢流管內(nèi)徑不變的情況下，將溢流管外壁改成漸擴錐形，如圖2所示。錐形溢流管下端口壁厚較大，不僅起到厚壁溢流管的作用，同時錐形溢流管外壁對流體可產(chǎn)生導向作用。物料由進料口切向進入旋流器以后，一部分礦漿沿頂蓋向內(nèi)運動，在到達錐形溢流管外壁后，在其導向作用下遠離溢流口，重新進入外旋流，并在離心力場的作用下迅速完成分離過程，從而改善了旋流器分離性能。

2模擬研究

為對比研究圓柱溢流管和錐形溢流管旋流器的流場，設計Φ150mm圓柱溢流管和錐形溢流管旋流器，兩種旋流器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)相同，其差別僅是溢流管外壁形狀不同，具體參數(shù)見表1。并利用SolidWorks軟件建立三維模型，采用ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，采用Fluent 14.5對兩種旋流器進行數(shù)值模擬。

表1　旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)

以水為介質(zhì)進行單相模擬，進料口設置為速度入口，速度值為5.5m/s，溢流口和底流口均為壓力出口，壓力為標準大氣壓。湍流模型采用雷諾應力模型(RSM)，壓力-速度耦合方式為SIMPLE，壓力離散格式為PRESTO，其他控制方程的離散格式均采用QUICK格式。

如圖3所示為圓柱溢流管周圍的流體速度矢量分布，從A處可以清晰地看到，一部分流體由于器壁的摩擦阻力作用沿著溢流管外壁向下運動，到達溢流管底端后直接進入溢流口成為溢流產(chǎn)物，這部分流體就是所謂的短路流。而圖4為錐形溢流管周圍的流體速度矢量分布，在B處可以看到在溢流管外壁處仍然有一部分流體沿溢流管外壁向下運動，但在錐形溢流管外壁的導向作用下，流體向遠離溢流管的方向運動，在溢流管底端，錐形溢流管下端面較大，起到厚壁溢流管的作用。這樣原本應直接進入溢流管的流體就會繞過錐形溢流管的下端面進入溢流管與柱體段之間的分離區(qū)域，重新參與分離過程，抑制了短路流的形成。

圖3　圓柱溢流管周圍速度矢量分布

圖4　錐形溢流管周圍速度矢量分布

圖5　圓柱溢流管與錐形溢流管下端截面徑向速度對比

此外，由于徑向速度梯度決定離心力場的強度，直接影響分離效果，因此有必要對圓柱溢流管和錐形溢流管下端截面處的徑向速度進行對比，如圖5所示。為從圖5中可以看到，采用錐形溢流管后，徑向速度明顯增加，該截面處徑向速度并不是嚴格對稱分布的，這是由于該截面離進料口較近受單側(cè)給料擾動造成的。

3試驗研究

3.1圓柱溢流管與錐形溢流管旋流器分離性能對比

為進一步探究錐形溢流管旋流器的分離性能，加工Φ150mm圓柱溢流管旋流器和錐形溢流管旋流器進行試驗研究，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與表1相同。試驗所用物料為石英砂，其粒度組成見表2，粒徑主要集中在0～150μm之間，整體粒度較細，其中-38μm顆粒含量為34.34%，-75μm顆粒含量為75.37%。在給料濃度為22.7%，給料壓力為0.08MPa的情況下，分別對圓柱溢流管旋流器和錐形溢流管旋流器進行試驗，試驗結(jié)果見表3。

表2　石英砂粒度組成

表3　圓柱溢流管和錐形溢流管試驗結(jié)果對比/%

試驗結(jié)果表明，與圓柱型溢流管相比，錐形溢流管旋流器的溢流濃度從4.5%減小到4.4%，底流濃度從72.7%減小到72.3%，底流產(chǎn)率從85.5%升高到85.8%。從分級效率來看，-38μm顆粒的分級質(zhì)效率從34.23%提高到43.02%，分級量效率從35.17%提高到44.19%，均有大幅增加。

對試驗產(chǎn)物粒度進行篩分分析，其結(jié)果見表4。與圓柱型溢流管相比，錐形溢流管旋流器溢流中-10μm顆粒含量從37.9%升高到39.8%，-38μm顆粒含量從95.1%升高到95.2%，且+75μm顆粒從0.1%減少到0，溢流中細顆粒增多，粗顆粒減少，溢流跑粗得到改善。錐形溢流管底流中-10μm顆粒含量從1.2%降低到1.0%，-38μm顆粒含量從25.5%減少到22.8%，且+75μm顆粒從28%提高到29.5%，底流中細顆粒減少，粗顆粒增多，底流夾細現(xiàn)象減少。由此可見，采用錐形溢流管后旋流器的分離效率得到有效的提高。

3.2溢流管外壁錐角對分離性能的影響

為進一步研究溢流管外壁錐角對旋流器分離性能的影響，以石英砂為原料進行試驗，其中-45μm顆粒含量為37.2%，-75μm顆粒含量為52%，整體粒度較粗。在給料濃度為14.91%，給料壓力為0.1MPa的情況下，分別進行溢流管外壁錐角5°、11°、17°的試驗研究，試驗結(jié)果見表5。

表4　圓柱溢流管和錐形溢流管產(chǎn)物粒度組成/%

表5　不同溢流管外壁錐形角試驗結(jié)果/%

結(jié)果表明，隨溢流管外壁錐角增加，溢流濃度從6.35%升高到6.73%，底流濃度從51.47%減小到48.62%，底流產(chǎn)率從65.49%減小到63.68%。錐形角增大，-75μm顆粒分級質(zhì)效率從65.57%減小到60.52%，分級量效率從67.29%減小到63.94%。這是因為隨錐形角過大，溢流管外壁對流體的導向作用增強，對柱體段的流場沖擊力增大，易造成流場紊亂，降低分級效率。同時，由于錐形角增大，溢流管下端面外壁與柱體段內(nèi)壁之間的距離減少，限制了流體的向下運動，使流體在錐形溢流管外壁與柱體段之間形成循環(huán)流，導致分離效率降低。

4結(jié)論

1)Φ150mm圓柱溢流管和錐形溢流管旋流器的數(shù)值模擬結(jié)果表明，錐形溢流管可以起到厚壁溢流管的作用，其外壁對流體具有導向作用，可以有效消減短路流，提高徑向速度。

2)圓柱溢流管與錐形溢流管旋流器對比試驗結(jié)果表明，采用錐形溢流管后，分離效率明顯提高，-38μm顆粒的分級質(zhì)效率從34.23%提高到43.02%，分級量效率從35.17%提高到44.19%。產(chǎn)物粒度分析表明溢流跑粗和底流夾細現(xiàn)象得到明顯改善。

3)錐形溢流管旋流器隨溢流管外壁錐形角的減小，溢流濃度降低，底流濃度升高，底流產(chǎn)率增大，溢流-75μm顆粒含量增多，底流-75μm顆粒含量減少，-75μm顆粒分級質(zhì)效率和量效率都增大。

參考文獻

[1]龐學詩.水力旋流器技術(shù)與應用[M].北京：中國石化出版社，2010：46-72.

[2]張悅刊，劉培坤，楊興華，等.基于CFD的泥漿凈化旋流器湍流流場數(shù)值模擬[J].流體機械，2014，42(6)：26-32.

[3]安連鎖，李志強，沈國清，等.環(huán)峰式石膏旋流器的分離特性研究[J].電站系統(tǒng)工程，2014，30(6)：33-38.

[4]禇良銀，羅茜.高分離精度的水力旋流器的開發(fā)[J].流體機械，1994，22(6)：3-6.

[5]周先桃，陳文梅，雷明光，等.水力旋流器短路流消除辦法[J].石油化工設備，2003，32(5)：4-6.

[6]徐繼潤，羅茜.水力旋流器流場理論[M].北京：科學出版社，1998.

[7]B.Wang，A.B.Yu.Numerical study of the gas-liquid-solid flow in hydrocyclones with different configuration of vortex finder[J].Chemical Engineering Journal，2008，135：33-42.

[8]Kuo-Jen Hwanga，Ya-Wen Hwanga，Hideto Yoshidab，et al.Improvement of particle separation efficiency by installing conical top-plate in hydrocyclone[J].Powder Technology，2012，232：41-48.

Study on separation performance of a hydrocyclone with conical overflow pipe

LIU Pei-kun，JIANG Lan-yue，YANG Xing-hua，ZHANG Yue-kan，XU Qing-zhi

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:In order to decrease the coarse particles in the overflow caused by the short circuit flow during the operation of a hydrocyclone，we designed a kind of hydrocyclone with conical overflow pipe，then the numerical simulation and experimental study were carried out.The simulated results show that the conical overflow pipe plays a guiding role for the short circuit flow，which can be deviated from the overflow port and enters the outer swirl to participate in the separation process directly，therefore the separation efficiency can be improved.The experimental results demonstrate that，compared with the cylindrical overflow pipe，the hydrocyclone with conical overflow pipe possesses higher bottom productive rate.The classification efficiency of -38 μm particles increases from 34.23% to 43.02% by quality and from 35.17% to 44.19% by quantity.With the decrease of the cone angle of the conical overflow pipe，the overflow concentration decreases，the underflow concentration and the productive rate increase，the classification efficiency of the -75 μm particles increases accordingly.

Key words：conical overflow pipe；short circuit flow；classification；efficiency

收稿日期：2015-12-03

基金項目：國家自然科學基金項目“基于Y型溢流管結(jié)構(gòu)的疏浚旋流器分離機理研究”資助(編號：21276145)；山東省科技發(fā)展計劃項目“全重選法赤泥選鐵關(guān)鍵技術(shù)及設備研究”資助(編號：2014GGB019G3)；山東科技大學人才引進科研啟動基金項目“疏浚底泥重金屬旋流分選機理與數(shù)值模擬研究” 資助(編號：2015RCJJ030)

作者簡介：劉培坤(1971-)，男，教授，主要研究方向為固液分離技術(shù)與裝備。E-mail：lpk710128@163.com。

中圖分類號：TD98

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0129-04