一種新型濃密機(jī)進(jìn)料井結(jié)構(gòu)的研究

譚　蔚，陳曉楠，汪　洋，朱國(guó)瑞

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

濃密機(jī)是一種連續(xù)工作的濃縮和澄清設(shè)備，主要用于濕式選礦作業(yè)中精、尾礦的脫水，也廣泛用于煤炭、鋼鐵、化工、建材、水源和污水處理等行業(yè)中含固料漿的濃縮和凈化[1-2]。進(jìn)料井是濃密機(jī)的重要工作部件，固液懸浮液首先進(jìn)入到濃密機(jī)的進(jìn)料井中，在進(jìn)料井中稀釋到最適宜濃度，耗散部分動(dòng)能，與絮凝劑充分混合，再?gòu)倪M(jìn)料井底部的各個(gè)方向進(jìn)入濃密機(jī)的主沉降區(qū)進(jìn)行沉降。進(jìn)料井中懸浮液的跡線分布、固相體積分?jǐn)?shù)分布和動(dòng)能耗散等直接關(guān)系到濃密機(jī)整體的固液分離效果，而這些特性都受到濃密機(jī)進(jìn)料井結(jié)構(gòu)的影響，因此一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的進(jìn)料井裝置對(duì)于濃密機(jī)的固液分離效率至關(guān)重要[3]。

傳統(tǒng)的濃密機(jī)進(jìn)料井為一圓筒型結(jié)構(gòu)，懸浮液從進(jìn)料井的上部中央給入，這樣勢(shì)必會(huì)在進(jìn)料井裝置附近形成噴流，使?jié)饷軝C(jī)中的懸浮液中心向周邊流速大，礦漿不能充分沉淀，而且已經(jīng)沉淀的物料也會(huì)受到新來(lái)物料的影響，降低固液分離的效率[4]。鑒于傳統(tǒng)進(jìn)料井的缺點(diǎn)，人們一直致力于研究新型的高效進(jìn)料井裝置。艾姆科(Emico)高效濃密機(jī)進(jìn)料井裝置在進(jìn)料井中加入了攪拌器，使得絮凝劑和礦漿能夠充分混合，絮凝效果好，但是也增加了能量消耗[5-6]。道爾(Dorr)高效濃密機(jī)的進(jìn)料井裝置將進(jìn)料分成方向相反的2股[6-7]，為物料和絮凝劑的有效混合提供有利條件。宋戰(zhàn)勝等[8]設(shè)計(jì)了一種新型的鐘型進(jìn)料井裝置，能夠有效耗散進(jìn)料的動(dòng)能，均勻布料。這些新型的進(jìn)料井裝置已經(jīng)用于濃密機(jī)的生產(chǎn)制造中，但是已經(jīng)投入生產(chǎn)的濃密機(jī)仍采用傳統(tǒng)的圓筒型進(jìn)料井結(jié)構(gòu)，固液分離效率低，所以有必要針對(duì)在用濃密機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)一種需在傳統(tǒng)進(jìn)料井結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造即可構(gòu)建成的新型進(jìn)料井結(jié)構(gòu)，以期在低投資成本條件下，實(shí)現(xiàn)濃密機(jī)的升級(jí)改造，提高分離效率。為此，本研究通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的濃密機(jī)進(jìn)料井結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，進(jìn)而提出一種新型的濃密機(jī)進(jìn)料井結(jié)構(gòu)，并采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究新型進(jìn)料井內(nèi)的跡線分布、出口平面固相體積分?jǐn)?shù)分布和速度分布，為新型進(jìn)料井的工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1　新型進(jìn)料井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型進(jìn)料井結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。進(jìn)料井由進(jìn)料井壁、進(jìn)料管、溢流槽、導(dǎo)流葉片、錐形導(dǎo)流板、稀釋口、絮凝劑添加管組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需改變傳統(tǒng)進(jìn)料井的進(jìn)料方向，在傳統(tǒng)進(jìn)料井上焊接溢流槽和導(dǎo)流葉片，并增設(shè)稀釋口即可。新型進(jìn)料井的井壁為圓筒形，下邊緣有1個(gè)環(huán)形水平外沿，進(jìn)料管水平切向進(jìn)料，與進(jìn)料井壁外側(cè)相連，進(jìn)料管口位于濃密機(jī)溢流液面之下，進(jìn)料管口下方設(shè)置有溢流槽。

圖1　新型進(jìn)料井剖面圖Fig.1　The structure of the novel thickener feedwell

溢流槽結(jié)構(gòu)如圖2a)所示，靠近進(jìn)料井壁面端為平板型，靠近進(jìn)料井中心端為弧形，分布在進(jìn)料管下方，進(jìn)料井壁內(nèi)側(cè)。在進(jìn)料井下出口處設(shè)置有錐形導(dǎo)流板，結(jié)構(gòu)如圖2b)所示，中心有一個(gè)120°的錐角，能夠改變礦漿流動(dòng)方向，防止礦漿對(duì)已沉積的物料進(jìn)行沖擊，其邊緣通過(guò)導(dǎo)流葉片與進(jìn)料井壁下邊緣的外沿相連，導(dǎo)流葉片均勻分布。

圖2　溢流槽和錐形導(dǎo)流板示意圖Fig.2　Schematic diagram of the bypass channel and the conic reflecting board

進(jìn)料井出口處的導(dǎo)流葉片的分布如圖3所示。

圖3　導(dǎo)流葉片分布圖Fig.3　Schematic diagram of the guide vanes

葉片間形成導(dǎo)流通道，懸浮液沿與半徑方向成45°的導(dǎo)流通道流出，延長(zhǎng)礦漿到達(dá)溢流堰時(shí)間，提高固液分離效率。在進(jìn)料井壁上均勻分布若干個(gè)稀釋口，每個(gè)稀釋口上半部分在濃密機(jī)溢流液面之上，下半部分在溢流液面之下沒入水中，實(shí)現(xiàn)礦漿的自動(dòng)稀釋。新型進(jìn)料井通過(guò)絮凝劑添加管多點(diǎn)加入絮凝劑，依靠懸浮液的湍流流動(dòng)和絮凝劑混合，不需要提供任何外動(dòng)力，節(jié)約能耗。

2　模型建立

2.1　幾何模型與網(wǎng)格劃分

采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬研究新型進(jìn)料井內(nèi)部流場(chǎng)及其出口平面速度分布。為了便于建模，對(duì)進(jìn)料井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化：1)由于絮凝劑添加管直徑較小，對(duì)濃密機(jī)中的流場(chǎng)分布影響較小，因此忽略進(jìn)料井內(nèi)的絮凝劑添加管；2)在進(jìn)料井壁上添加自動(dòng)稀釋口后，將加大模型的復(fù)雜程度，而且稀釋口的存在對(duì)進(jìn)料井內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)影響不大，所以將進(jìn)料井壁上的稀釋口忽略。

本研究將以進(jìn)料井旋轉(zhuǎn)軸為中心，直徑600 mm，高600 mm的圓柱形流體域作為研究對(duì)象，進(jìn)料井的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。采用Gambit建立新型進(jìn)料井模型和劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，采用大小為8 mm的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為135.6萬(wàn)個(gè)。圖4a)為新型進(jìn)料井的網(wǎng)格劃分圖(坐標(biāo)原點(diǎn)位于圓柱型流體區(qū)域的底面中心)，圖4b)為導(dǎo)流葉片所在平面網(wǎng)格質(zhì)量圖，由圖中可以看出，網(wǎng)格斜度小于0.5，網(wǎng)格質(zhì)量好，能夠滿足計(jì)算要求。

表1　新型進(jìn)料井結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1　Structural parameters of the novel thickener feedwell

圖4　新型進(jìn)料井的網(wǎng)格劃分圖Fig.4　The mesh of the novel thickener feedwell

2.2　物性參數(shù)

本研究以某銅精礦的水溶液為模擬物料，主要物性參數(shù)如表2所示，顆粒粒徑取體積平均粒徑23 μm(實(shí)際物料測(cè)試得到)。

表2　懸浮液物性參數(shù)

2.3　邊界條件與數(shù)值求解方法

進(jìn)料管入口設(shè)置為速度為0.6、0.8 和1.0 m/s的速度入口(velocity inlet)邊界，圓柱型壁面設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)邊界，其他面設(shè)置為壁面(wall)邊界。

進(jìn)料井內(nèi)為固液兩相，本研究采用Eulerian兩相流模型，各相有同一個(gè)壓力，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程對(duì)每一相求解。FLUENT軟件中的湍流模型主要有單方程(Spalart-Allmaras)模型、雙方程模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型)以及Reynolds應(yīng)力模型等。在本模型計(jì)算中，不涉及射流撞擊、分離流及二次流等復(fù)雜流動(dòng)，所以采用計(jì)算量適中，有較多數(shù)據(jù)積累和比較高的精度的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算[9-12]。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1　新型進(jìn)料井跡線分布

進(jìn)料速度分別為0.6、0.8和1.0 m/s時(shí)，新型濃密機(jī)進(jìn)料井中的跡線分布如圖5所示。

圖5　新型進(jìn)料井內(nèi)跡線分布圖Fig.5　Path line in novel thickener feedwell

由圖5可以看出，從進(jìn)料管流入新型進(jìn)料井的固液懸浮液，首先在溢流槽中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，消耗部分動(dòng)能后速度減小(跡線的顏色代表速度的大小)，從溢流槽的內(nèi)側(cè)邊緣溢流流下，然后在錐形導(dǎo)流板的作用下改變運(yùn)動(dòng)方向，從導(dǎo)流葉片間的導(dǎo)流通道流出，碰到導(dǎo)流葉片后，與半徑方向呈一定角度流出，然后從進(jìn)料井的各個(gè)方向流入濃密機(jī)的主沉降區(qū)，在重力作用下沉降。隨著進(jìn)料速度的增大，在溢流槽內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的固液懸浮液的高度增大，但在3種不同的進(jìn)料速度下，新型進(jìn)料井都能夠有效地耗散進(jìn)料的動(dòng)能，使懸浮液從進(jìn)料井底部的各個(gè)方向進(jìn)入濃密機(jī)的主沉降區(qū)進(jìn)行沉降。

3.2　固相體積分?jǐn)?shù)分布

為了研究新型進(jìn)料井出口平面固相體積分?jǐn)?shù)的分布，選取如圖6所示的進(jìn)料井出口平面上(z=235 mm)的4條直線為研究對(duì)象，圖7為進(jìn)料速度分別為0.6、0.8和1.0 m/s時(shí)進(jìn)料井出口平面4條直線上的固相體積分?jǐn)?shù)的分布。

圖6　進(jìn)料井出口平面俯視圖Fig.6　The top view of feedwell exit plane

圖7　新型進(jìn)料井內(nèi)固相顆粒體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig.7　Solid volume fraction in novel thickener feedwell

隨著進(jìn)料速度的增大，進(jìn)料井出口平面上的固相體積分?jǐn)?shù)增大，但增大幅度較小。在3種不同的進(jìn)料速度下，新型進(jìn)料井都能夠均勻分布物料，進(jìn)料井出口平面上的固相體積分?jǐn)?shù)都呈中心對(duì)稱分布。

3.3　新型進(jìn)料井出口平面速度分布

為了研究新型濃密機(jī)進(jìn)料井出口平面的速度分布，取進(jìn)料井出口平面(z=235 mm)上的水的速度矢量局部放大圖，如圖8所示。

圖8　新型進(jìn)料井出口平面速度分布局部放大圖Fig.8　Velocity distribution in the novel thickener feedwell exit

由圖8可以看出，由進(jìn)料井流向濃密機(jī)主沉降區(qū)的固液懸浮液沿水平方向從進(jìn)料井內(nèi)部向外流出，流動(dòng)速度較小，在碰到導(dǎo)流葉片之后，改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，與半徑方向呈一定夾角流出，一方面降低了固液懸浮液的流出速度，另一方面又延長(zhǎng)了固液懸浮液到達(dá)溢流堰的時(shí)間，使得固相顆粒有更多的時(shí)間沉降，溢流液更澄清，加強(qiáng)固液分離效果。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)濃密機(jī)進(jìn)料井進(jìn)行改造，提出了一種新型的濃密機(jī)進(jìn)料井結(jié)構(gòu)，并采用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究在不同進(jìn)料速度下其內(nèi)部的跡線分布，出口平面固相體積分?jǐn)?shù)分布和速度分布，驗(yàn)證了新型進(jìn)料井的優(yōu)越性，得到如下結(jié)論：

1)新型進(jìn)料井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需改變傳統(tǒng)進(jìn)料井的進(jìn)料方向，在傳統(tǒng)進(jìn)料井上焊接溢流槽和導(dǎo)流葉片，并增設(shè)稀釋口即可，投資成本低。

2)在不同的進(jìn)料速度下，新型進(jìn)料井都能夠有效耗散進(jìn)料的動(dòng)能，均勻分布物料，使懸浮液從進(jìn)料井底部的各個(gè)方向進(jìn)入濃密機(jī)的主沉降區(qū)進(jìn)行沉降。

3)新型進(jìn)料井的錐形導(dǎo)流板能夠改變礦漿流動(dòng)方向，防止礦漿對(duì)已沉積的物料進(jìn)行沖擊，導(dǎo)流葉片間形成導(dǎo)流通道，懸浮液經(jīng)過(guò)導(dǎo)流通道與徑向呈一定夾角流向溢流堰，增加了固體顆粒的沉降時(shí)間，使溢流液更澄清，提高了固液分離效果。

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