复合曲锥对旋流器分离性能的影响_许慧林.pdf

收稿日期2020-02-25 基金项目山东省自然科学基金项目 （编号 ZR2016EEM37） ， 山东省重点研发计划项目 （编号 2017GSF216004） 。 作者简介许慧林 （1994） ， 男， 硕士研究生。通讯作者刘培坤 （1971） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 复合曲锥对旋流器分离性能的影响 许慧林刘培坤杨兴华张悦刊姜兰越 1 （山东科技大学机械电子工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要常规旋流器锥段为直线型锥或单一曲线型锥， 在生产中伴有不同程度的底流夹细和溢流跑粗， 分离 精度有待提高。综合2种曲线锥各自的特征和优点， 提出了一种复合曲锥旋流器， 其上锥段向轴心内凹， 下锥段由 轴心向外凸。采用数值模拟的方法对比分析了直线型锥和复合曲锥旋流器流场及分离性能的变化， 发现随着曲率 指数n由1增加到3， 在上锥段切向速度和外旋流轴向速度增加， 在下锥段切向速度和外旋流轴向速度降低， 促进 了密度层更合理的分布， 分离粒度由19.38 μm增加到24.91 μm， 分离精度由0.517提高到0.649， 其中5 μm颗粒的底 流回收率由6.98降低到2.40， 改进效果明显。 关键词旋流器复合曲锥分离精度分离粒度 中图分类号TD921.5文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-184-06 DOI10.19614/ki.jsks.202003027 Effect of Composite Curved Conical Section on Separation Perance of Hydrocyclone Xu HuilinLiu PeikunYang XinghuaZhang YuekanJiang Lanyue2 （College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China） AbstractThe conical section of conventional hydrocyclone is straight cone or single curve cone，which is accompa- nied by different degrees of underflow fineness and overflow run coarse. The separation accuracy needs to be improved. Based on the characteristics and advantages of two kinds of curved cones，a composite curved cone hydrocyclone is proposed. The upper conical section is concave to the axle center and the lower conical section is convex from the axle center to the outside. The flow field and separation perance of different hydrocyclones are compared and analyzed by numerical simulation. It is found that with the increase of curvature index n from 1 to 3， the tangential velocity and outer swirl axial velocity in the up- per concial section increase，and the tangential velocity and outer swirl axial velocity in the lower concial section decrease， which promotes the more reasonable distribution of density layer. The separation particle size increases from 19.38 μm to 24.91 μm，and the separation precision increases from 0.517 to 0.649. The underflow recovery of 5 μm particles was reduced from 6.98 to 2.40， and the improvement effect was obvious. KeywordsHydrocyclone， Composite curved conical section， Separation accuracy， Separation particle size Series No. 525 March 2020 水力旋流器作为常规的分选分级设备， 在选矿、 化工等领域具有广泛的应用。常规旋流器在生产实 践中常伴有底流夹细和溢流跑粗现象， 产品中颗粒 粗细混杂， 导致其分离精度不高， 分离效率还有待提 高 ［1-3］。 锥段作为旋流器的主要分离区域， 其边界轮廓 对旋流器的分离性能有着极大的影响 ［4］。Abdul 等 ［5］、 Vega等［6］分别设计了向轴心内凹的锥体结构， 相较于直线型锥体， 其分离空间减小， 离心强度增 高， 提高了溢流产品品质， 但是这种锥体结构对流体 下行阻力较小， 分流比增加， 因此常伴有底流夹细现 象。Ye等 ［7］在研究中指出， 旋流器下锥段空间狭小 会引起各相分离的恶化， 此类结构更适用于对溢流 粒度控制严格的工况。与之相反， 刘培坤等 ［8］、 Ghod- rat等 ［9］研究了由轴心向外凸的锥体结构， 该结构对 流体的下行阻力增大， 细微颗粒难以进入底流， 提高 了底流产品品质， 但分离空间的增大， 离心强度有所 降低， 溢流跑粗现象加剧， 分离精度有待提高。 机电与自动化 184 ChaoXing 基于以上研究成果， 本文提出一种复合曲锥旋 流器， 将锥段分为上、 下两部分， 其上锥段向轴心内 凹， 旨在提高离心强度， 实现粗细颗粒高强度的预分 级， 保证溢流产品合格； 下锥段由轴心向外凸， 旨在 增大流体下行阻力， 迫使外旋流中夹杂的少量细颗 粒上迁至溢流， 减少底流夹细。通过上、 下锥段对流 体的综合作用， 达到提高分离精度和分级效率的目 的。为了验证复合曲锥旋流器的分离性能， 本文采 用数值模拟的方法， 与常规旋流器对比， 分析了其速 度场、 密度场和分离性能的变化规律。 1几何模型构建与模拟方法 1. 1几何模型构建 设计的具有复合曲锥旋流器与常规直线型锥旋 流器的结构对比如图1所示。复合曲锥是将常规直 线型锥分为上下两部分， 上锥段向轴心内凹， 下锥段 由轴心向外凸， 呈现中心对称。复合曲锥的曲率由 指数n控制 当n1时， 为直线型锥； 当n＞1时， 为曲 线型锥。n越大曲率越大。本次模拟以φ50 mm旋流 器为研究对象， 其结构参数如表1所示。 1. 2数值模拟方法 采用ICEM对模型进行六面体网格划分， 经网格 无关性检验后确定旋流器网格数量在20万左右， 图2 为 n1 和 n3 时的网格划分。随后导入 Fluent进行 固-液两相流模拟计算， 选用雷诺应力模型 （RSM） 和 Mixture模型， 进料口设置为速度入口， 速度大小为5 m/s， 溢流口和底流口的边界条件均为压力出口。添 加的颗粒相密度为 2 800 kg/m， 总体积分数为 5.60， 质量浓度为 14.24， 各相分布如表 2 所示。 采用标准壁面函数， 压力-速度耦合方式采用 SIM- PLE算法， 压力离散格式为 PRESTO， 其他控制方程 的离散格式均采用QUICK格式。计算以进口与出口 各相流量的时均平衡作为计算收敛的判据 ［10-11］。 注 数值模拟计算时， 使用 “计算粒径” 代表该粒级。 1. 3模拟验证 为验证模拟结果的可靠性， 采用实验室试验的 2020年第3期许慧林等 复合曲锥对旋流器分离性能的影响 185 ChaoXing 方法， 对比同工况下φ50 mm旋流器的分级效率， 数 值模拟与试验结果基本吻合 （图3） ， 说明本研究选择 的模型和边界条件的设置满足精度和可靠性要求。 2模拟结果分析 为了便于分析内部流场的变化， 截取4个特征截 面， 分别为旋流器轴截面 （X0） 、 上锥段1/2处横截面 （Z1） 、 上锥段和下锥段交界面 （Z2） 、 下锥段1/2处横截 面 （Z3） ， 其特征位置如图4所示。 2. 1切向速度 图5为轴截面 （X0） 处切向速度云图。 从图5可以看出， 随着曲率指数n的增加， 上锥 段分离空间逐渐减小， 下锥段分离空间逐渐增大， 切 向速度大于8.667 m/s的区域轴向上逐渐缩减至上锥 段区域， 但其横向分布区域相对增加。通过这种锥 段设计， 提高了上锥段的离心强度， 实现了粗细颗粒 的短时间、 高强度预分离， 避免了因单一使用外凸型 锥体时， 离心强度不足， 部分粗大颗粒上迁至溢流造 成的溢流产品劣化； 下锥段流体的切向速度降低， 离 心强度降低， 使粗大颗粒动能有所降低， 会促进密度 层的径向延展， 为 “淘洗” 细微颗粒、 减少底流夹细创 造了条件。另外， 受益于上锥段的影响， 最大切向速 度区域聚拢于柱段区域及溢流管下表面， 该位置容 易发生短路流 ［12-14］， 高离心强度区域可以使短路流体 得以分离， 进一步降低了溢流跑粗。 2. 2轴向速度 图6分别给出了在Z1、 Z2和Z3截面处的轴向速度 分布。速度值为负， 表示流体在该区域形成外旋流， 螺旋向下运动至底流口排出； 速度值为正， 表示流体 在该区域形成内旋流， 螺旋向上至溢流口排出 ［15-18］。 在截面Z1处， 复合曲锥的外旋流轴向速度高于常规直 线锥旋流器， 流体下行阻力较小， 符合内凹型锥体的 速度分布规律； 在Z3处， 复合曲锥的外旋流轴向速度 小于常规直线锥旋流器， 流体下行阻力增大， 粗大颗 粒可以克服阻力沉降至底流， 但夹杂的少量细微颗粒 难以克服阻力， 会形成基于密度的轴向分层 ［19-20］。又 因为内旋流轴向速度提高， 有利于悬浮的细微颗粒回 金属矿山2020年第3期总第525期 186 ChaoXing 迁至溢流， 减少了底流夹细， 但同时也会使一些中位径颗粒也发生迁移， 使得分离粒度升高。 2. 3密度分布 图7为密度分布云图。常规直线型锥旋流器密 度分布为径向分层， 高密度层分布在下锥段， 紧贴锥 段壁面的位置， 低密度层直通底流口， 高外旋流轴向 速度使得夹杂的细微颗粒快速从底流口排出， 造成 底流夹细。随着曲率指数n的增加， 密度层会因切向 速度的减小、 下行阻力的增大， 发生了径向和轴向的 延伸， 高密度层由贴合锥体壁面变为悬浮层， 使得细 微颗粒难以穿透高密度层， 迫于流体阻力回迁至内 旋流中， 减少了底流夹细。可以推断， 指数n越大， 减 少底流夹细的效果越明显， 但是中位径颗粒伴随细 微颗粒迁移到溢流的可能性越大， 使得分离粒度也 会增加。 2. 4分级效率 5种锥型的分级效率曲线如图8所示。随着曲率 指数n的增加， 底流夹细现象明显改善， 如n1时， 5 μm颗粒底流回收率为6.98； n3时， 5 μm颗粒底流 回收率降到了2.40。另外， 通过营造上锥段高强度 离心力场， 溢流产品品质并未发生恶化， 如 n1时， 45 μm颗粒底流回收率为99.51； n3时， 45 μm颗粒 底流回收率略有降低， 为98.81。 分离粒度d50和分离精度SI经计算后汇总于表3， 其中分离精度定义为 SId25/d75， SI越大， 分离精度越 高。随着曲率指数n的增加， 分离精度由0.517提高 到 0.649； 分离粒度由 19.38 μm升高到 24.91 μm。因 此该锥段结构的设计对提升分离精度， 减少底流夹 细是行之有效的， 在生产应用中应当综合考虑分离 粒度和分离精度的要求， 选取合适的曲率指数。 3结论 提出了一种具有复合曲锥的旋流器， 其上锥段 向轴心内凹， 下锥段由轴心向外凸， 利用CFD技术模 拟了旋流器的内部流场。 （1） 通过对比常规直线型锥旋流器， 复合曲锥旋 流器在柱段出现高离心强度区域， 有利于减小短路 流； 在上锥段切向速度提高， 分布区域相对横向拓 2020年第3期许慧林等 复合曲锥对旋流器分离性能的影响 187 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 展， 有利于提高分离精度， 控制溢流品质； 在下锥段 切向速度降低， 有利于形成高密度悬浮层， 为细微颗 粒的淘洗、 迁移创造了条件。 （2） 在复合曲锥的上锥段区域， 外旋流轴向速度 增大， 内旋流轴向速度与常规直线型锥段相近； 在下 锥段区域， 外旋流轴向速度减小， 内旋流轴向速度增 大， 结合高密度悬浮层的形成， 有效地减少了底流夹 细。 （3） 比较了5种曲率指数下的分离精度和分离粒 度的变化， 发现随着曲率指数n的增加， 分离粒度由 19.38 μm增加到24.91 μm， 分离精度由0.517提高到 0.649， 底 流 中 5 μm 颗 粒 回 收 率 由 6.98 降 低 到 2.4， 改进效果明显。 参 考 文 献 庞学诗. 水力旋流器技术与应用 ［M］ . 北京 中国石化出版社， 2011 46-72. 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