不同导流筒结构的调浆搅拌槽流场分析.pdf

2 0 1 4 年第6 期有色金属 选矿部分 7 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 5 ．0 1 9 不同导流筒结构的调浆搅拌槽流场分析 陈强，张建辉，董干国，王青芬 北京矿冶研究总院矿物n ．y - 科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 1 6 0 摘要导流筒是调浆搅拌槽的重要部件之一，首先分析了几种常见调浆搅拌槽的导流筒结构特点，运用C F D 数值分 析的方法分析了常见导流筒调浆搅拌槽的流场。针对目前调浆搅拌槽大型化的发展趋势，分别对适用于大流量工况的裙式导 流筒和B K 型导流筒的调浆搅拌槽结构以及流场特点进行了分析，为调浆搅拌槽的设计与优化提供决策依据。 关键词调浆搅拌槽；导流筒；C F D 模拟；大流量 中图分类号T D 4 6 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 4 0 6 - 0 0 7 5 - 0 5 F l o wF i e l dA n a l y s i so fS t i r r e dP u l p - M i x i n gT a n kw i t hD i f f e r e n tD r a f tT u b e s c j 皿WQ e 哪，7 _ 冱A N GJ i a n h u i ，D O N GG a n g u o ，W A N GQ i n g f e n S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ，B e i f i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B 嘟叼1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t D r a f tt u b ei so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nP u l p - M i x i n gt a n k ，t h i sp a p e ra n a l y s e s t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lk i n d so fc o n l l T l O nd r a f tt u b e sf i r s t l y ，u s i n gC F Dn u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o d st oa n a l y z et l l ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fP u l p M i 】【i n gt a n k w i t hc o m m o nd r a f tt u b e s ．F o rt h e c u r r e n td e v e l o p m e n tt r e n do fl a r g e - s c a l eP u l p - M i x i n gt a n k ，t h ep a p e ra n a l y s i st h es t r u c t u r ea n dt h ef l o w f i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fs k i r ta n dB Kd r a f tt u b ew h i c hi Ss u i t a b l ef o rl a r g ef l o w ．I tp r o v i d e sd e c i s i o n m a k i n g b a s i sf o rd e s i g na n do p f i m i z a t i o na b o u tP u l p M i x i n gt a n k ． K e yw o r d s p u l p - - m i x i n gt a n k ；d r a f tt u b e ；C F Ds i m u l a t i o n ；l a r g ef l o w 调浆搅拌槽是浮选工艺中重要的辅助设备之 一，在矿浆的悬浮和与药剂的混匀作业中扮演重要 角色，其搅拌效果将直接影响着后续的浮选流程。 随着我国国民经济的发展，对资源的需求量越来越 大，使矿产资源开发规模不断扩大，大型浮选设备 已经研制并应用成功，调浆搅拌槽作为浮选工艺中 主要的配套设备，大型化必将成为未来发展的主要 方向。 为使调浆搅拌槽具备比较好的搅拌效果，目前 很多调浆搅拌槽采用带有中心导流筒的结构方式。 这种具有特殊构造的搅拌槽最初是由巴秋卡槽发展 而来，自2 0 世纪7 0 年代以来，已被广泛应用在结 晶、选矿、污水处理等行业。其主要优势和特点是 1 可强迫更多的矿浆参与到循环当中，使搅 拌更加均匀； 2 由于导流筒的存在，搅拌强度增大，矿浆 循环流量也因此增大，混匀作业更加快速，在高黏 性流体以及高浓度固液悬浮体系中效果更加显著。 因此，为适应调浆搅拌槽大型化的发展趋势， 研究导流筒的结构以及导流筒对搅拌槽流场的影 响，对于改善调浆搅拌槽内部流场环境，优化搅拌 槽整体结构具有重要意义[ 1 - 9 ] 。 1 导流筒调浆搅拌槽结构 1 ．1 常见导流筒调浆搅拌槽 1 ．1 ．1 直筒型导流筒调浆搅拌槽 如图1 所示，此种导流筒结构相对比较简单， 导流筒为直筒式结构，上下端均为开放式，导流筒 的上端与槽顶、下端和槽底部均有一定的距离。导 流筒中心则安装轴流式叶轮。工作状态时，矿浆溢 收稿日期2 0 1 4 0 2 2 0修回日期2 0 1 4 - 0 9 2 4 作者简介陈强 1 9 8 2 一 ，男，山东临沂人，硕士，工程师，从事矿物加工设备研究及工程转化方面的研究。 万方数据 7 6 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第6 期 进矿口 出矿口 图1 直筒型导流筒搅拌槽结构简图 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mo fS t r a i g h td r a f tt u b e 流面高于循环筒上端，矿浆由循环筒上端吸入，下 端排出。 1 ．1 ．2 提升式导流筒调浆搅拌槽 该结构导流筒的典型特点是导流筒上端高于溢 流液面，进矿口布置在叶轮上方并直接插入导流筒 内部，叶轮则安装于循环桶下部外端 如图2 ， 同时在导流筒的外侧开有循环口，工作时，叶轮在 导流筒下端高速旋转，矿浆经循环口形成循环流， 达到矿浆搅拌的目的。 图2 提升式导流筒搅拌槽结构简图 F i g ．2 S t r u c t u r ed i a g r a mo f l i f t e dd r a f tt u b e 1 ．2 特殊结构形式导流简调浆搅拌槽 1 ．2 ．1 裙式导流筒调浆搅拌槽 裙式导流筒结构如图3 所示，导流筒上端设计 为喇叭式形状，下端整体设计为裤腿式形状，底部 出流区域设置为比较圆滑的圆环曲面形状，中心处 为圆形拱状，处于封堵状态，矿浆流按照设计的出 流通道由下端排出。长沙矿冶研究院C K 系列搅拌 槽导流筒采用这种结构。 图3 裙式导流简搅拌槽结构简图 F i g ．3 S t r u c t u r ed i a g r a mo fs k i r td r a f tt u b e 1 ．2 ．2 B K 型导流筒调浆搅拌槽 为了实现固相完全悬浮以及矿浆与药剂快速混 合均匀的目的，北京矿冶研究总院研制出了B K 型 导流筒。其结构如图4 所示，上部为直筒式结构， 工作时溢流面高于导流筒上部顶面。下部则设计为 锥形结构，在锥形结构的下端内侧圆周方向安装分 配板，锥形结构下端与槽底不接触并保持一定的距 离，分配板则将导流筒整体支起焊接在槽底上。 图4B K 导流筒搅拌槽结构简图 F i g ．4 S t r u c t u r ed i a g r a mo fB Kd r a f tt u b e 2 无导流筒调浆搅拌槽流场分析 根据无导流筒结构形式，针对直径4I l l 、高度 4m 的调浆搅拌槽建立三维模型，并使用g a m b i t 软 件进行网格划分，对无导流筒的调浆搅拌槽进行 C F D 流场模拟分析，其仿真流场结果如图5 和图6 所示。 从图5 速度梯度图、图6 矢量图可以看出，对 于没有导流筒的搅拌槽来说，其流场主要特点是 万方数据 2 0 1 4 年第6 期 陈强等不同导流筒结构的调浆搅拌槽流场分析 7 7 图5 无导流筒搅拌槽纵向截面速度梯度图 F i g ．5V e l o c i t yg r a d i e n tf i g u r eo fc r o s ss e c t i o n w i t h o u td r a f tt u b e 图6 无导流筒搅拌槽纵向截面速度矢量图 F i g ．6V e l o c i t yv e c t o rp i c t u r eo fC r o s ss e c t i o n w i t h o u td r a f tt u b e 1 其搅拌区主要集中在叶轮附近，矿浆由叶 轮底端排出，在槽壁的作用下，形成轴向上升流。 2 由于在叶轮附近没有有效的阻挡，径向流 则直接由叶轮区径向射出，径向流不能有效地转化 轴向流动，无法使更多的矿浆参与循环。 3 从图6 可以明显看出在叶轮区附近只形成 了局部短距离循环，因此，其循环上升距离较短。 无导流筒调浆搅拌槽内部流场简单，行程较 短，常应用在小型的调浆搅拌槽或药剂槽中。 3 常见导流筒调浆搅拌槽流场 根据常见导流筒结构形式，针对直径4m 、高 度4m 的调浆搅拌槽建立三维模型，并使用g a m b i t 软件进行网格划分，对常见导流筒的调浆搅拌槽进 行C F D 流场模拟分析，其仿真流场结果如下 3 ．1 直筒型导流简内流场 由图7 速度梯度图和图8 速度矢量图可以看 出，叶轮在导流筒内旋转形成一定的负压，产生一 定的泵吸作用，将矿浆由上端吸人，从下端排出。 叶轮旋转使矿浆在导流筒内形成径向流和轴向流， 部分径向流在导流筒壁的作用下改变流向并与轴向 图8 直筒型导流筒搅拌槽纵向截面速度矢量图 F i g ．8V e l o c i t yv e c t o rp i c t u r eo fC r o s ss e c t i o n a b o u tS t r a i g h td r a f tt u b e 流一起沿循环桶下端射出。这种结构可以强迫更多 的矿浆参与到循环中，使混合更加均匀。但是，如 果导流筒的下端离槽底的相对位置过大，导流筒下 端出流到达槽底底部时，已经无法满足矿浆颗粒悬 浮的条件，就会导致沉槽。如果距离过小，就会比 较容易堵塞循环通道，无法形成循环，最终会造成 沉槽。所以合适的离底距离是保证搅拌效果的重要 参数。同时，我们还发现在叶轮正下方的锥形区域 内存在矿浆停留区，如果该区域内的矿浆无法及时 地排出，也容易出现沉槽现象。 3 ．2 提升式导流筒搅拌槽流场 如图9 速度梯度图、图1 0 速度矢量图所示， 在叶轮的旋转作用下，叶轮附近形成负压区和高压 区，将导流筒内部矿浆抽吸到导流筒外侧，一部分 矿浆沿切向排出，形成径向流，在挡板和槽壁的作 用下，一部分径向流转变为轴向流与叶轮排出的轴 向流形成上升流，以达到矿浆提升的目的；另一方 面，在叶轮的旋转作用下矿浆经循环口形成局部循 环，以实现搅拌混匀的目的。但是此种结构导流筒 由于不能形成整体循环流，并且由于泵吸作用所形 万方数据 7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第6 期 广_ r 蕊 、I 1 I ◆‘一q i ，_ r ‘- 。】 | _l 一≤一． }』I * 燮j 蠢，J ㈦ 图9 提升式导流筒搅拌槽纵截面速度梯度图 F i g ．9V e l o c i t y g r a d i e n tf i g u r eo f r o s ss e c t i o n a b o u tl i f t e dd r a f tt u b e 图1 0 提升式导流筒搅拌槽速度矢量图 F i g ．1 0 V e l o c i t yv e c t o rp i c t m ‘eo fC r o s ss e c t i o n a b o u tl i f t e dd r a f tt u b e 成的矿浆提升在一定程度上也消耗了一部分的搅拌 能量。因此，其循环能力相对较弱。 总体来说，常见导流筒调浆搅拌槽能够实现强 制循环，提高循环量的作用，相比无导流筒调浆搅 拌槽循环行程变长，在中小型调浆搅拌槽中应用 广泛。 4 特殊结构形式导流筒调浆搅拌槽流场 根据裙式和B K 导流筒结构形式，针对直径 4I T I 、高度4I n 的调浆搅拌槽建立三维模型，并使 用g a m b i t 软件进行网格划分，对裙式和B K 导流筒 调浆搅拌槽进行C F D 流场模拟分析，其仿真流场 结果见图1 1 ～1 2 。 4 ．1 裙式导流筒搅拌槽流场 如图11 流场速度梯度图和图1 2 速度矢量流场 结构图所示，裙式导流筒搅拌槽流场结构与普通导 流筒搅拌槽相似。不同的是，由于导流筒下端圆形 拱状壁的阻挡，可以将直筒型导流筒所产生的下端 锥形停留区域避开，矿浆流只沿设计的圆滑环状出 口高速排出，在槽内按“w ”形流迹上下激烈循 馏} 啪 图11裙式导流筒搅拌槽纵向速度梯度图 F i g ．11V e l o c i t y g r a d i e n tf i g u r e o fc r o s ss e c t i o n a b o u ts k i r td r a f tt u b e 图12 裙式导流简搅拌槽纵向截面速度矢量图 F i g ．12V e l o c i t y v e c t o rp i c t u r eo fC r o s ss e c t i o n a b o u ts k i r td r a f tt u b e 环。此种结构的流场一方面减少非工作区域的功率 浪费，可以有效降低功耗；另一方面，由于出流口 的出流速度比较高，内压比较大，可以实现停车再 启动。但是，由于圆形拱状区域抬起位置比较高， 导致叶轮位置不可能太低，因此，在设计时拱起高 度以及叶轮高度需要重点考虑。 4 ．2 B K 型导流筒搅拌槽流场 对比无循环筒结构的流场图来看，在叶轮正下 方的锥形区域，矿浆流速相对比较低，矿物颗粒在 此锥形区域聚集，很容易形成沉槽现象。为解决沉 槽问题，北京矿冶研究总院研制了具有锥形结构的 B K 型导流筒，并在底端安装分配板。此种结构的 流场梯度图和速度矢量图如图1 3 ～1 4 所示。 由图1 3 和图1 4 可以看出，搅拌槽流场具有以 下特点 1 在叶轮的强力旋转作用下，叶轮旋转使矿 浆在导流筒内形成径向流和轴向流，部分径向流在 导流筒壁的强制作用下改变流向并与轴向流一起沿 循环桶下端射出； 2 由于导流筒下部锥形结构的导向作用，轴 万方数据 2 0 1 4 年第6 期陈强等不同导流筒结构的调浆搅拌槽流场分析7 9 图1 3B K 导流筒搅拌槽纵向切面速度梯度图 F i g ．1 3V e l o c i t yg r a d i e n tf i g u r eo fC I D S Ss e c t i o n a b o u tB Kd r a f tt u b e 图1 4B K 导流筒搅拌槽纵向截面速度矢量图 F i g ．1 4V e l o c i t yv e c t o rp i c t u r eo fC r o s ss e c t i o n a b o u tB Kd r a f tt u b e 向流沿锥向排出，排出更加顺畅； 3 在分配板的作用下，矿浆流沿槽体底面循 环排出，冲刷底部固体颗粒，防止沉槽。 B K 型导流筒和裙式导流筒搅拌槽流场比较合 理，上升行程大，底部循环无死角。最大程度上利 用了搅拌能量，具有大循环量，沉槽率低的特点。 在中小型以及大型调浆搅拌槽中均可使用。 因此，研究开发可以增加矿浆上升行程，提高 搅拌槽循环流量，降低底部沉槽机率的导流筒，将 是调浆搅拌槽大型化的重点发展方向之一。 5 结论 文章分析了不同导流筒调浆搅拌槽结构的特 点，利用数值分析的方法，针对直径4m 、高度 4m 的调浆搅拌槽，对其内部流场进行了模拟，研 究了无导流筒调浆搅拌槽、常见导流筒调浆搅拌槽 内以及特殊结构形式导流筒调浆搅拌槽流场特点， 得出以下结论 1 无导流筒调浆搅拌槽没有有效的强制结构， 存在大量的径向流，无法使更多的矿浆参与到轴向 流动中，即有效功率得不到充分利用，矿浆上升行 程较短，但由于制作简单，成本较小，在小型调浆 搅拌槽或药剂槽中较常用。 2 对于常见导流筒搅拌槽，导流筒对矿浆的流 动具备了一定的导向作用，循环量和循环行程均得 到了提高，但由于叶轮下方区域依旧存在锥形矿浆 滞留区，比较容易沉槽。在中小型调浆搅拌槽中应 用广泛。 3 对于裙式和B K 导流筒搅拌槽，两者采用不 同的特殊结构形式，既加强了轴向流动，可以使更 多的矿浆参与循环，具有循环量大、混合时间短、 上升行程大的特点，又可以防止沉槽，在满足中小 型调浆搅拌槽使用要求的同时，也可以应用在大型 调浆搅拌槽中。 参考文献 [ 1 ] 王立成．带导流筒搅拌槽中液一固一固三相流场的实验 与模拟研究[ D ] ．天津天津大学，2 0 1 0 l - 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