淘析流化床分選柱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)流場(chǎng)數(shù)值模擬

吳宏斌

(陽煤煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

浮選利用礦物表面對(duì)氣泡吸附性的差異,采用合適的氣-液兩相流實(shí)現(xiàn)不同礦物的分離，重選利用礦物密度的差異,借助合適的密度場(chǎng)(重液、上升密度流)實(shí)現(xiàn)不同礦物的分離。這兩種分選方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦物分選領(lǐng)域。淘析流化床分選柱旨在利用浮選對(duì)目的礦物的高選擇性，從而拉開目標(biāo)礦物與矸石的密度差異，人為干預(yù)提高礦物的可選性，實(shí)現(xiàn)礦物在重選環(huán)境(上升密度流)中的高精度分選。

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，可用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。FLUENT軟件的結(jié)構(gòu)由前處理、求解器及后處理3大模塊組成。軟件的核心部分是Navier-Stockes方程組的求解模塊。FLUENT軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流[1].

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)淘析流化床分選柱進(jìn)行了液相、氣-液兩相的數(shù)值模擬，以驗(yàn)證淘析流化床分選柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的預(yù)期構(gòu)想，為下一步搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)提供一定的理論依據(jù)。

1 淘析流化床分選柱設(shè)計(jì)構(gòu)想及模擬方法

1.1 淘析流化床分選柱設(shè)計(jì)構(gòu)想

淘析流化床分選柱主要由入料管、循環(huán)導(dǎo)流管、氣泡流入口、穩(wěn)流板、水流入口等組成，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1.其設(shè)計(jì)構(gòu)想主要是通過水流入口經(jīng)過穩(wěn)流板提供穩(wěn)定的上升密度流，氣泡流[2]進(jìn)入經(jīng)過循環(huán)導(dǎo)流管導(dǎo)流使得導(dǎo)流管內(nèi)上升密度流形成一個(gè)加速，從而循環(huán)導(dǎo)流管內(nèi)部與外部形成壓力差，使得上升密度流在循環(huán)導(dǎo)流管內(nèi)完成氣-液兩相充分分散融合提供穩(wěn)定的上升流的同時(shí)，循環(huán)導(dǎo)流管內(nèi)外形成一個(gè)循環(huán)流。

圖1 流態(tài)化浮選柱物理模型圖

淘析流化床分選柱設(shè)計(jì)礦漿通過入料管進(jìn)入分選柱，通過調(diào)整入料管深度使得入料進(jìn)入氣泡流與上升密度流相互剪切形成強(qiáng)湍流區(qū)，借助這個(gè)區(qū)域完成礦漿的分散、分層以及與氣泡的碰撞礦化(同時(shí)進(jìn)行著重選分選與浮選分選)，這個(gè)過程中沒有被氣泡捕捉或者分散不充分的礦物下沉至循環(huán)導(dǎo)流管區(qū)域，在循環(huán)流的作用下，再次被吸入至強(qiáng)湍流區(qū)進(jìn)行二次分選[2-5].

通過對(duì)分選過程的描述可以看出，淘析流化床分選柱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是氣泡流與上升密度流碰撞后是否形成了強(qiáng)湍流區(qū)，循環(huán)導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)是否形成了循環(huán)流，分選柱的上部是否形成了穩(wěn)定的上升氣泡流[6].

1.2 模擬方法

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)上述問題進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)淘析流化床分選柱內(nèi)流場(chǎng)特點(diǎn)(氣-液兩相形成的湍流過程)，假設(shè)氣泡和流體為不可壓縮的連續(xù)氣、液混合相，選用Euler法以減小計(jì)算量，k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，采用Gambit前處理軟件對(duì)分選柱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量約34萬個(gè).

2 淘析流化床分選柱流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

模擬條件：水的密度1 000 kg/m3、黏度0.001 003 kg/m-s，重力加速度9.8 m/s2，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa，進(jìn)口速度為入口流速0.34 m/s，出口為標(biāo)準(zhǔn)壓力出口。

2.1 氣泡流與上升密度流碰撞是否形成強(qiáng)湍流區(qū)

混合相湍流度分布云圖見圖2.由圖2可知，在氣-液混合相相遇的區(qū)域上部湍流度較強(qiáng)，這將有利于目標(biāo)礦物顆粒完成分散、分層以及與氣泡的碰撞礦化。隨著流體向精礦排放口運(yùn)動(dòng)，湍流度逐漸減弱，從而可以降低礦化顆粒的脫附概率。

圖2 混合相湍流度分布云圖

2.2 循環(huán)導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)是否形成循環(huán)流

流體跡線分布圖見圖3.由圖3可知，分選柱下部的頂水經(jīng)穩(wěn)流板穩(wěn)流后，在循環(huán)導(dǎo)流管內(nèi)與氣泡流相遇，形成了循環(huán)導(dǎo)流管內(nèi)的流體加速，使得流體分流后，一部分沿導(dǎo)流管外部向下形成外循環(huán)，另一部分向分選柱上部移動(dòng)。由此可以看出，在循環(huán)導(dǎo)流管區(qū)域形成了循環(huán)流，循環(huán)流有助于目標(biāo)礦物在循環(huán)流的作用下重新由循環(huán)導(dǎo)流管中心區(qū)域向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)礦物二次分選。

圖3 流體跡線分布圖

2.3 分選柱的上部是否形成了穩(wěn)定的上升氣泡流

水相速度矢量圖見圖4,氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖見圖5.由圖4，5可知，形成上升氣泡流經(jīng)過強(qiáng)湍流區(qū)后速度逐漸趨于穩(wěn)定，氣體的分散趨于均勻，創(chuàng)造了有利于分選的流體力學(xué)環(huán)境，這將在分選柱上部形成均勻的氣泡流，從而有利于在分選柱上部實(shí)現(xiàn)流態(tài)化，可保障分選過程的進(jìn)行。

圖4 水相速度矢量圖

圖5 氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

3 結(jié) 語

利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)淘析流化床分選柱進(jìn)行了氣-液兩相流的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了淘析流化床分選柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3個(gè)構(gòu)想，即氣泡流與上升密度流碰撞后形成了強(qiáng)湍流區(qū)、循環(huán)導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)形成了循環(huán)流、分選柱的上部形成了穩(wěn)定的上升氣泡流,對(duì)下一步優(yōu)化分選柱結(jié)構(gòu)及搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)提供了有力的理論支持。