雙排料型旋流器數(shù)值模擬和試驗研究

劉培坤,周 振,張悅刊,楊興華,倪 芬

(山東科技大學(xué)，山東青島 266590)

試驗研究

雙排料型旋流器數(shù)值模擬和試驗研究

劉培坤,周 振,張悅刊,楊興華,倪 芬

(山東科技大學(xué)，山東青島 266590)

提出并設(shè)計了一種φ50mm雙排料型旋流器，旨在解決傳統(tǒng)旋流器底流夾細問題。利用流體分析軟件FLUENT對單排料型和雙排料型旋流器內(nèi)部顆粒分布進行了數(shù)值模擬，并進行了對比試驗研究。模擬分析發(fā)現(xiàn)雙排料型旋流器在靠近底流口處，細顆粒體積分數(shù)明顯降低，經(jīng)底流口排出的細顆粒減少，有效降低了旋流器底流中細顆粒含量。采用石英砂進行實驗室試驗，結(jié)果表明φ50mm雙排料型較單排料旋流器底流中-5μm顆粒含量降低了55.7%，陡度指數(shù)提高了64.7%，底流夾細明顯降低，分離精度得到提高。

雙排料型旋流器；數(shù)值模擬；試驗研究；分離精度

1 前言

水力旋流器是一種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的固液分離設(shè)備，在工作時物料以切線方式給入旋流器，并在其內(nèi)形成強大的離心力場，物料在旋轉(zhuǎn)流場作用下迅速完成分離作業(yè)，底流、溢流產(chǎn)物分別從底流口、溢流管排出[1,2]。然而，底流夾細現(xiàn)象一直是旋流器應(yīng)用中普遍存在的問題，造成這一問題的主要原因是細顆粒在液體中具有跟隨性，總有一部分微細顆粒隨著液體分配到底流中，此外空氣柱的不穩(wěn)定使得旋流器內(nèi)部流場擾動強烈，改變了旋流器內(nèi)部顆粒運動軌跡，使本已分離好的顆粒運動方向發(fā)生改變，從而造成了底流夾細、溢流跑粗現(xiàn)象，使旋流器分離精度降低[3]。

為了解決上述問題，國內(nèi)外專家提出了不同的解決方案，R Sripriya等提出在旋流器內(nèi)插入中心固棒，以消除水力旋流器內(nèi)空氣柱，來減少底流夾細[4]；J Dueck等提出在旋流器錐段注入清水，使已經(jīng)沉積在旋流器壁面上的細顆粒再次進入內(nèi)旋流，從而減少進入底流的細顆粒含量，但使底流濃度降低[5]；安連鎖等提出通過優(yōu)化排口比來減少底流夾細現(xiàn)象，但降低幅度不明顯[6]。這些技術(shù)方案均雖可在一定程度上減少底流夾細，但其精度均有待于提高，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

本文提出一種雙排料型旋流器，通過改變旋流器底流口的結(jié)構(gòu)，以減少底流中液體流量，降低空氣柱對旋流器內(nèi)部流場的擾動，從而達到降低底流中細顆粒含量和提高分離精度的目的。為深入研究雙排料型旋流器的內(nèi)部流場特性和分離性能，本文采用數(shù)值模擬和試驗的方法對單排料型旋流器和雙排料型旋流器進行對比分析。結(jié)果表明，雙排料型旋流器有效地解決了底流夾細問題，大幅提高了旋流器分離精度。

2 旋流器的結(jié)構(gòu)

旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 雙排料型旋流器 (b) 單排料型旋流器

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意

所設(shè)計的雙排料型旋流器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，與單排料型旋流器(圖1(b))相比，其底流口為2個且開于底流管側(cè)壁，出口方向與旋流器外旋流方向相同，兩底流口截面之和與單排料型旋流器底流口截面積相等。由于雙排料型旋流器底流口在底流管側(cè)壁沿切線方向布置，底流排出方向與濃度較高的外旋流方向一致，降低了底流排出時所受阻力，使外旋流中的粗顆粒由切向底流口順暢排出，大部分細顆粒聚集于旋流器芯部，更易于進入內(nèi)旋流，從而降低底流中的顆粒夾細，有利于分級效率的提高。同時底流口錐頂封閉，阻止了空氣由底流口直接進入旋流器內(nèi)部，降低了空氣導(dǎo)入對內(nèi)旋流的影響。旋流器主體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

3 2種旋流器的數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

利用UG三維建模軟件以底流口中心為坐標原點，建立φ50mm單排料型旋流器和雙排料型旋流器流體域的三維模型，采用ICEM網(wǎng)格劃分軟件，利用四面體網(wǎng)格生成技術(shù)對其進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。單排料型旋流器共264631個網(wǎng)格單元，雙排料型旋流器共285733個網(wǎng)格單元。

(a) 單排料型旋流器網(wǎng)格

(b) 雙排料型旋流器網(wǎng)格

3.2 邊界條件設(shè)置

為了對比分析2種旋流器的分離性能，采用FLUENT 14.5軟件對其進行固-液兩相模擬計算。對旋流器內(nèi)部湍流流場進行模擬，固液混合物料選用Mixture混合模型，湍流模型選用雷諾應(yīng)力模型，通過離散相DPM模型獲得顆粒運動軌跡；給料口邊界條件設(shè)為velocity-inlet，速度值設(shè)為 6.24m/s，顆粒密度為2650 kg/m3，給料體積濃度為3.6%，其粒徑分布見表2。溢流口和底流口均為pressure-outlet，壓力為標準大氣壓，壁面采用標準壁面函數(shù)，選用SIMPLE壓力-速度耦合方式，壓力離散格式為PRESTO，動量方程采用QUICK格式。

表2 入料粒度分布

3.3 模擬結(jié)果分析

為便于對比底流管結(jié)構(gòu)變化對旋流器流場的影響，選取軸截面(X=0)和錐段Z=50mm與Z=25橫截面進行分析，其特征線位置如圖3所示。

(a) 雙排料型 (b) 單排料型

圖3 旋流器特征線位置

3.3.1 細顆粒分布對比

旋流器內(nèi)部顆粒分布能有效反應(yīng)出旋流器分離性能，選取旋流器內(nèi)1μm與5μm兩種微細顆粒作為分析對象，對比兩旋流器底流夾細情況。

圖4為2種旋流器在Z=50mm與Z=25mm截面上1μm與5μm顆粒體積分數(shù)對比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，顆粒的體積分布總體沿中心對稱分布，雙排料型旋流器靠近底流口截面上1μm與5μm顆粒的體積分數(shù)明顯小于單排料型旋流器，這使進入雙排料型旋流器底流管內(nèi)的細顆粒大幅減少，有效減少了底流夾細。同時可以發(fā)現(xiàn)，雙排料型旋流器芯部細顆粒體積分數(shù)含量較高，此處屬內(nèi)旋流器區(qū)域，使得細顆粒更易進入溢流，經(jīng)溢流管排出，有利于減少底流中細顆粒含量。

3.3.2 細顆粒運動軌跡對比

通過旋流器內(nèi)顆粒運動軌跡可直觀看出經(jīng)旋流器分離后的顆粒去向，在一定程度上反應(yīng)了旋流器的分離性能。

(a)Z=50截面,1μm顆粒 (b)Z=50截面,5μm顆粒

(c) Z=25截面,1μm顆粒

(d)Z=25截面,5μm顆粒

圖4 單排料型和雙排料型旋流器顆粒體積分數(shù)對比

2種旋流器顆粒運動軌跡如圖5所示。2條軌跡線分別為2種旋流器內(nèi)5μm顆粒運動軌跡。對比發(fā)現(xiàn)，雙排料型旋流器靠近底流口部分5μm顆粒軌跡線明顯少于單排料型旋流器，這表明經(jīng)雙排料型旋流器底流口排出的5μm顆粒少于單排料型旋流器，減少了旋流器底流夾細。

(a) 單排料型

(b) 雙排料型

4 試驗研究

4.1 試驗裝置及試驗方法

以石英砂為試驗原料，對雙排料型旋流器和單排料型旋流器進行分離性能試驗研究。給料濃度為8.6%，入口壓力為0.10MPa，顆粒密度為2650 kg/m3。

所用試驗系統(tǒng)如圖6所示，主要由渣漿泵、旋流器、攪拌桶、閥門、壓力表以及管路系統(tǒng)等組成。當系統(tǒng)運行時，物料首先在攪拌桶內(nèi)混合均勻，然后通過渣漿泵升壓進入旋流器，分離產(chǎn)物分別從溢流管、底流口排出，回到攪拌桶內(nèi)形成一個閉路循環(huán)系統(tǒng)。截取溢流、底流產(chǎn)物，進行抽濾-烘干-稱重，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖6 試驗系統(tǒng)示意

采用對比試驗法，用φ50mm旋流器安裝2種不同結(jié)構(gòu)底流口，分析其底流產(chǎn)率與底流夾細情況。

4.2 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果如表3所示，在相同給料壓力下，雙排料型旋流器較單排料型旋流器溢流濃度變化不大，底流濃度由30.46%升高至47.65%，其相對增幅為56.43%，底流產(chǎn)率降低幅度為22.79%，處理量增大2.52%，分股比(底流與溢流體積流量之比)減少43.68%。

表3 單雙排料旋流器試驗結(jié)果對比

用BT9300-S激光粒度儀檢測產(chǎn)物粒度組成，結(jié)果見圖7。圖8為根據(jù)檢測結(jié)果計算并繪制的2種類型旋流器級效率曲線，可以看出，單排料型旋流器分離粒度d50=27.5μm，雙排料型旋流器分離粒度d50=32.5μm，分離粒度增大。與單排料型旋流器相比,雙排料型旋流器底流中-1μm顆粒的回收率從2.52%減小到1.11%，-5μm顆粒的回收率從12.58%減小到5.57%。細顆粒在底流中的含量降低幅度達55.7%，有效地減少了底流中細顆粒的含量。

圖7 給料產(chǎn)物粒度分布

圖8 2種類型旋流器級效率曲線

旋流器的分離精度一般用級效率曲線的陡度指數(shù)SI表示，SI值越大表示旋流器的分離精度越高，分離效果越好[7～9]。

式中d25——級效率曲線上分配率25%對應(yīng)的顆粒粒度，μm

d75——級效率曲線上分配率75%對應(yīng)的顆粒粒度，μm

由圖8級效率曲線可知，單排料型旋流器d75=64μm，d25=10.8μm，其陡度指數(shù)SI=0.17，雙排料型旋流器d75=68μm，d25=19μm，其陡度指數(shù)SI=0.28。提高幅度為64.7%，因此雙排料型旋流器的分離精度得到大幅度提高。

5 結(jié)論

(1)雙排料型旋流器靠近底流口截面上1μm與5μm顆粒的體積分數(shù)明顯小于單排料型旋流器，同時，經(jīng)雙排料型旋流器底流口排出的細顆粒減少，這使進入雙排料型旋流器底流的細顆粒大幅減少，有效減少了底流夾細。

(2)相同工況下，雙排料較單排料型旋流器相比，分離粒度增大，底流濃度增加56.4%，底流產(chǎn)率減少22.8%，分股比降低43.7%，底流中-5μm細顆粒的含量降低幅度達55.7%。

(3)由于雙排型料旋流器底流口直徑減少，排料濃度大幅度提高，易發(fā)生堵塞，特別是進料含有大顆粒和高壓力的工況，下一步應(yīng)研究結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)對其性能的影響。

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Numerical Simulation and Experimental Study on Dual Output Hydrocyclone

LIU Pei-kun,ZHOU Zhen,ZHANG Yue-kan,YANG Xing-hua,NI Fen

(Shandong University of Science Technology,Qingdao 266590,China)

Aφ50mm dual output type hydrocyclone is to be put forward and designed,aiming at solving the problem of single output type hydrocyclone underflow easy to clip fine particles,Using the fluid analysis software FLUENT to simulate the internal particles distribution and comparative analysis of the single output type and dual output type hydrocyclone,then,the related experiments have been carried out. Through simulation analysis,we find near the bottom of dual output cyclone's,fine particle volume fraction is decreased obviously,and it has been reduced by underflow discharge.Use Quartz sand laboratory test results show that theφ50mm dual output type hydrocyclone’s -5μm particles has been reduced 55.7%，The sharpness index has been increased 64.7%，So the underflow fine clipping phenomenon has been improved，the separation accuracy of the hyrocyclone is Increased.

dual output hydrocyclone；numerical simulation；experimental research；separation accuracy

1005-0329(2017)03-0001-05

2016-08-11

2016-09-14

國家自然科學(xué)基金資助項目(21276145)；山東省科技發(fā)展計劃資助項目(2014GSF116016);山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2016EEM37)

TH138.8;TD98

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.001

劉培坤(1971-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：固液分離技術(shù)與裝備，通訊地址：266590 山東青島經(jīng)濟技術(shù)區(qū)開發(fā)前灣港路579號山東科技大學(xué)機電學(xué)院226，E-mail:lpk710128@163.com。