組合型溢流管旋流器分離性能研究

劉培坤，石智豪，姜蘭越，楊廣坤，劉培禮，霍 行

（1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590；2.青島海洋新材料科技有限公司，山東青島 266101）

0 引言

水力旋流器是一種利用離心力場(chǎng)將不同粒度或密度的物料實(shí)現(xiàn)分級(jí)或分選的設(shè)備［1-2］，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小和處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤炭、環(huán)保、醫(yī)藥、石油、環(huán)保等行業(yè)領(lǐng)域［3-4］。常規(guī)旋流器在生產(chǎn)實(shí)踐中由于短路流的影響常伴隨溢流跑粗現(xiàn)象，粗細(xì)顆?；祀s降低了溢流產(chǎn)品的品質(zhì)，直接影響旋流器分離性能［5-6］。

為減少短路流造成溢流跑粗問題，提升旋流器分離性能，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)旋流器溢流管結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)，劉琳等［7］提出了一種溢流循環(huán)水力旋流器，研究發(fā)現(xiàn)溢流循環(huán)結(jié)構(gòu)能夠改善水力旋流器內(nèi)部的短路流以及循環(huán)流現(xiàn)象，提高分離效率。VAKAMALLA等［8］提出了一種帶錐角的溢流管旋流器，研究發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)圓柱形溢流管，錐角溢流管能減少溢流跑粗，增加分離時(shí)間，有利于提高切向速度，提高分離精度。HWANG等［9］研究了多種溢流管結(jié)構(gòu)對(duì)于顆粒分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)在溢流管底部安裝錐形凸臺(tái)能夠提高對(duì)于小顆粒的分離效率，模擬結(jié)果表明對(duì)于10 μm以下的顆粒，倒錐形凸臺(tái)溢流管的分離效率比圓柱形溢流管高出10%。MURTHY等［10］對(duì)不同溢流管直徑的旋流器進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明隨溢流管直徑減小，切向速度升高，最大切向速度軌跡線內(nèi)遷，小粒徑顆粒分離性能較好。因此，對(duì)溢流管結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的改造，可以在一定程度上提高分離性能，改善短路流造成的溢流跑粗問題。

作者此前提出了一種溢流帽式旋流器［11］，發(fā)現(xiàn)在溢流管頂部增設(shè)溢流帽結(jié)構(gòu)，可以減小旋流器內(nèi)空氣柱直徑和軸向速度，增加了顆粒在旋流器內(nèi)的分離時(shí)間，有利于改善溢流跑粗，提高了分離效率。為進(jìn)一步改善短路流，作者在溢流帽式旋流器的基礎(chǔ)上對(duì)其溢流管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，提出了一種組合型溢流管旋流器，即在常規(guī)旋流器溢流管頂部增設(shè)溢流帽，并在溢流管底部增設(shè)錐形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)部分短路流進(jìn)入外旋流繼續(xù)進(jìn)行分離，改善溢流跑粗現(xiàn)象；溢流帽結(jié)構(gòu)的存在阻礙了溢流進(jìn)入旋流器內(nèi)部的空氣強(qiáng)度，可以起到減小旋流器內(nèi)空氣柱直徑，溢流帽出口設(shè)計(jì)與進(jìn)料口旋向相同，具有導(dǎo)流作用，可以降低物料的運(yùn)行阻力。從而增大有效分離空間，提高處理量，降低能耗，以達(dá)到改善旋流器分離性能的目的。

為進(jìn)一步消減短路流造成溢流跑粗，提高分離效率，本文提出了一種組合型溢流管旋流器，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法對(duì)其進(jìn)行了深入研究，探索了包括切向速度、軸向速度、短路流和顆粒分布在內(nèi)的流場(chǎng)特性與分離性能。

1 幾何模型構(gòu)建及模擬方法

1.1 幾何模型構(gòu)建

表1 旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parameters of the hydrocyclone

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of the hydrocyclone

1.2 模擬方法及設(shè)置

采用ICEM軟件對(duì)旋流器流體域進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后確定網(wǎng)格數(shù)在10W左右時(shí)能夠滿足計(jì)算要求，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 旋流器網(wǎng)格劃分Fig.2 Hydrocyclone meshing

通過FLUENT軟件對(duì)兩種旋流器進(jìn)行模擬計(jì)算，使用RSM和VOF模型模擬液-氣兩相流場(chǎng)，捕捉空氣柱的形態(tài)，主相設(shè)置為水，次相為空氣［12-13］。進(jìn)料口設(shè)置為速度入口，速度大小為5.26 m/s，溢流口和底流口的邊界條件設(shè)置為壓力出口，設(shè)置空氣回流比為1，求解控制參數(shù)選擇壓力-速度耦合SIMPLEC數(shù)值算法，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。待空氣柱穩(wěn)定后，改用Mixture模型，加入密度為2 650 kg/m3的石英砂固相顆粒，進(jìn)料中總固相顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.97%，固相總體積分?jǐn)?shù)為6.23%，顆粒粒徑分布見表2。

表2 顆粒粒徑分布Tab.2 Particle size distribution

2 數(shù)值模擬研究

為了便于對(duì)比分析，以底流口為坐標(biāo)原點(diǎn)，溢流口方向?yàn)閆軸正方向，選取錐段位置（Z1=80 mm）、柱錐交界面位置（Z2=180 mm）、柱段位置（Z3=230 mm）為特征截面，特征截面位置選取如圖3所示。

圖3 特征截面位置示意Fig.3 Schematic diagram of characteristic section position

2.1 切向速度分析

圖4示出常規(guī)旋流器和組合型溢流管旋流器在Z1，Z2和Z3截面處的切向速度分布曲線。由圖可知，改變溢流管結(jié)構(gòu)并沒有影響旋流器內(nèi)部切向速度分布規(guī)律，切向速度呈中心對(duì)稱分布，從壁面到軸心逐漸減小，切向速度逐漸增大，在強(qiáng)制渦和自由渦交界處切向速度達(dá)到最大值。隨著截面位置的降低，切向速度不斷減小，這是由于流體本身具有黏性，物料在向下運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)與器壁產(chǎn)生摩擦，部分能量被消耗，導(dǎo)致切向速度降低。組合型溢流管旋流器在柱段和錐段區(qū)域的切向速度均高于常規(guī)旋流器，尤其是在溢流管下部區(qū)域，切向速度最大值提高了13.71%，離心場(chǎng)強(qiáng)度增大，而高離心強(qiáng)度區(qū)域能夠促使短路流體分離，減少溢流跑粗和提高的分離效率［5，14］。

圖4 不同截面處切向速度對(duì)比Fig.4 Comparison of tangential velocity at different sections

2.2 軸向速度分析

圖5示出2種旋流器在Z1，Z2和Z3截面處軸向速度分布曲線。由圖可知，2種旋流器內(nèi)部的軸向速度分布規(guī)律相似，都沿中心軸對(duì)稱分布。在壁面附近外旋流的軸向速度為負(fù)值，流體由上向下從底流口排出；而在空氣柱附近內(nèi)旋流的軸向速度為正值，流體由下向上從溢流口排出［14］。組合型溢流管旋流器外旋流軸向速度絕對(duì)值小于常規(guī)旋流器，使得流體向下運(yùn)動(dòng)速度較慢，延長了顆粒在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間，顆粒能夠充分得到分離，減小外旋流中粗顆粒進(jìn)入內(nèi)旋流的概率，改善溢流跑粗現(xiàn)象；內(nèi)旋流中軸向速度大于常規(guī)旋流器，旋流器中心軸軸向速度數(shù)值越大，越有利于加快流場(chǎng)穩(wěn)定速度［16］。

圖5 不同截面處軸向速度對(duì)比Fig.5 Comparison of axial velocity at different sections

2.3 短路流分析

圖6示出2種旋流器內(nèi)X=0平面流線。從圖中可以看出，相比于常規(guī)旋流器，組合型溢流管旋流器短路流流量減小，部分短路流在錐形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)引導(dǎo)下進(jìn)入外旋流重新進(jìn)行分離。這是由于短路流在向下運(yùn)動(dòng)過程中，與錐形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，部分流體由周向運(yùn)動(dòng)變?yōu)閺较蜻\(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡被強(qiáng)制改變。因此，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)能夠降低短路流產(chǎn)生的幾率，削弱了因短路流存在導(dǎo)致的溢流跑粗現(xiàn)象，能夠進(jìn)一步提高旋流器分離精度。

圖6 旋流器內(nèi)X=0平面流線Fig.6 Streamline diagram of the hydrocyclone at plane X=0

2.4 顆粒分布

圖7示出10 μm顆粒在旋流器中分布云圖。由圖可知，10 μm顆粒主要分布在錐段區(qū)域；在內(nèi)旋流中，組合型溢流管旋流器顆粒的體積分?jǐn)?shù)含量大于常規(guī)旋流器，且多聚集在其柱段，表明細(xì)顆粒更容易通過內(nèi)旋流中向上運(yùn)動(dòng)由溢流口排出，溢流中細(xì)顆粒含量增加，溢流跑粗現(xiàn)象將得到改善；在底流口附近，10 μm的顆粒含量明顯減小，底流夾細(xì)現(xiàn)象也會(huì)減弱。

圖7 10 μm顆粒分布云圖Fig.7 Distribution nephogram of 10 μm particles

由圖8可以看出，30 μm的粗顆粒在2種旋流器內(nèi)分布規(guī)律一致，主要集中在錐段外壁附近，錐段底部體積分?jǐn)?shù)含量最高。在錐段底部和底流口，組合型溢流管旋流器30 μm的顆粒含量明顯高于常規(guī)旋流器，說明更多的粗顆粒會(huì)通過外旋流進(jìn)入底流口，而相應(yīng)的溢流中粗顆粒含量將會(huì)減少，溢流跑粗現(xiàn)象能得到改善。

圖8 30 μm顆粒分布云圖Fig.8 Distribution nephogram of 30 μm particles

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)裝置和方法

為進(jìn)一步探究組合型溢流管旋流的分離性能，對(duì)組合型溢流管旋流器與常規(guī)旋流器分離性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由旋流器、壓力表、攪拌器和離心泵等組成。試驗(yàn)進(jìn)料濃度為10%，進(jìn)料壓力為0.10 MPa，由離心泵將料漿打入旋流器進(jìn)行分離，從溢流和底流排出的物料返回?cái)嚢杵鳎纬梢粋€(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)。待試驗(yàn)系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行后，同步接取進(jìn)料、溢流和底流3種物料進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.9 Schematic diagram of experimental system

3.2 分離性能分析

分離效率、分級(jí)效率和分離粒度是評(píng)價(jià)旋流器分離性能的重要指標(biāo)。分離效率和分級(jí)效率是衡量旋流器分離過程完善程度的技術(shù)指標(biāo)，分離粒度是旋流器分離過程的質(zhì)量指標(biāo)。

3.2.1 分離效率

對(duì)于旋流器而言，分離效率Et作為一個(gè)量效率，通常指底流固相產(chǎn)率，即底流固相質(zhì)量流率與進(jìn)料固相質(zhì)量流率之比，固相質(zhì)量流率指所有不同粒度的固相顆粒的質(zhì)量流率。

2種類型旋流器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。由表可知，在相同的進(jìn)料濃度和進(jìn)料壓力的情況下，相比于常規(guī)旋流器，組合型溢流管旋流器的溢流濃度略有降低，底流濃度由45.56%提高到47.28%，底流固相產(chǎn)率由87.30%增加到88.50%，相應(yīng)的溢流固相產(chǎn)率有所降低。底流固相產(chǎn)率的增加，說明組合型溢流管結(jié)構(gòu)能夠提高旋流器的分離效率。

表3 2種類型旋流器的試驗(yàn)對(duì)比Tab.3 Test comparison of two types of hydrocyclones

3.2.2 分級(jí)效率

分級(jí)效率G（ds）為在單位時(shí)間內(nèi)，某一特定粒級(jí)顆粒底流中回收含量與該粒級(jí)在進(jìn)料中含量的比值，也稱為該粒級(jí)的底流回收率。每個(gè)顆粒粒級(jí)的粒徑與相應(yīng)的分級(jí)效率值繪成的曲線為分級(jí)效率曲線，公式如下：

式中 ds——某一特定顆粒粒徑，μm；

fu（ds）—— 粒徑為 ds的顆粒在底流中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

fi（ds）—— 粒徑為ds的顆粒在進(jìn)料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

分離粒度d50表示分級(jí)效率曲線上對(duì)應(yīng)分離效率為50%時(shí)的顆粒粒徑，即表示為該粒徑的顆粒在底流和溢流排出的概率都為50%，小于d50的顆粒在溢流口排出，大于d50的顆粒在底流口排出。旋流器分離精度SI是用d25和d75的比值，SI越大，旋流器分離精度越高，分離效果越好，其表達(dá)式為：

式中 d25—— 分級(jí)效率曲線上底流回收率為

25%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑，μm；

d75—— 分級(jí)效率曲線上底流回收率為75%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑，μm。

圖10示出2種旋流器分級(jí)效率曲線對(duì)比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，分級(jí)效率是粒徑的函數(shù)，相比于常規(guī)旋流器，組合型溢流管旋流器的分級(jí)效率曲線更陡，說明分離出的分級(jí)顆粒尺寸更加集中，試驗(yàn)達(dá)到的分級(jí)效果更好，旋流器的分離精度更高；組合型溢流管旋流器對(duì)小于10 μm細(xì)顆粒底流回收率降低，底流中細(xì)顆粒含量減少；而對(duì)大于30 μm粗顆粒底流回收率增加，底流中粗顆粒含量增加，相應(yīng)的溢流中粗顆粒含量減少，溢流跑粗現(xiàn)象得到了改善。

圖10 分級(jí)效率曲線Fig.10 Classification efficiency curve

2種旋流器分級(jí)效率和分離精度見表4。分離精度能準(zhǔn)確反映旋流器分級(jí)效率曲線上主線段的特性。由表可知，組合型溢流管旋流器分離精度SI從0.28增大到0.45，表明其分離精度更好。原因在于切向速度提高，離心力增強(qiáng)，外旋流軸向速度減小，分離更加充分，錐形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)能引導(dǎo)一部分短路流進(jìn)入外旋流重新進(jìn)行分離，改善了溢流跑粗現(xiàn)象，提高了分離精度。

表4 旋流器分離粒度和分離精度Tab.4 Separation particle size and separation accuracy of hydrocyclone

3.2.3 顆粒分布

顆粒累積含量表示大于或小于某一粒徑顆粒的占比。圖11示出2種旋流器產(chǎn)物粒度對(duì)比曲線。由圖可知，相比于常規(guī)旋流器，組合型溢流管旋流器溢流顆粒累積含量曲線上移，底流顆粒累積含量曲線下移，表明其具有更好的分離效果。組合型溢流管旋流器底流中小于10 μm的細(xì)顆粒含量由23.29%減少至19.11%，溢流中大于30 μm的粗顆粒含量由9.08%減少至2.76%，溢流中粗顆粒含量減少，說明錐形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)能引導(dǎo)部分短路流重新進(jìn)行分離，分離效果更好，有效地改善了溢流跑粗現(xiàn)象。

圖11 旋流器產(chǎn)物粒度對(duì)比Fig.11 Comparison of particle sizes of the hydrocyclone

4 結(jié)論

（1）組合型溢流管旋流器和常規(guī)旋流器數(shù)值模擬結(jié)果表明，組合型溢流管結(jié)構(gòu)能夠提高旋流器的切向速度和內(nèi)旋流軸向速度，增強(qiáng)了離心場(chǎng)強(qiáng)度，使得顆粒分離更加充分；組合型溢流管結(jié)構(gòu)能夠遏制短路流的產(chǎn)生，削弱了因短路流存在導(dǎo)致的溢流跑粗現(xiàn)象。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于常規(guī)旋流器，組合型溢流管旋流器的底流固相產(chǎn)率得到提升，分離精度SI提高了0.17，底流中小于10 μm的細(xì)顆粒含量減少了4.18個(gè)百分點(diǎn)，溢流中大于30 μm粗顆粒含量減少了6.32個(gè)百分點(diǎn)，溢流跑粗現(xiàn)象改善效果明顯。