弧形溢流管对旋流器分离性能的影响_胥聪聪.pdf

弧形溢流管对旋流器分离性能的影响 胥聪聪张悦刊刘培坤杨兴华姜兰越 （山东科技大学机械电子工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要针对目前运行的旋流器存在短路流导致溢流跑粗的问题， 提出了一种弧形溢流管旋流器， 并进行了 数值模拟和试验研究。模拟结果表明， 利用溢流管的弧形结构将溢流口底端的过渡区域外移， 实现过渡区域流体 切线速度的提升， 从而增加离心强度， 将短路流引导至外旋流重新参与分离， 达到抑制溢流跑粗的效果。试验结果 表明， 相同排口比下， 弧形溢流管旋流器溢流-25 μm粒级含量和综合分级效率均高于直线形溢流管旋流器； 试验 用弧形溢流管旋流器在排口比为0.33时抑制旋流器溢流跑粗的效果最好， 对应的溢流浓度为4.72， 溢流-25 μm 粒级含量为98.37， -25 μm计的综合分级效率为78.92， 高于直线形溢流管旋流器对应情况下的4.25、 96.86 和73.51。 关键词旋流器短路流弧形溢流管综合分级效率 中图分类号TD454文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-142-05 DOI10.19614/ki.jsks.201905023 Effect of Arc Overflow Pipe on Separation Perance of Cyclone Xu CongcongZhang YuekanLiu PeikunYang XinghuaJiang Lanyue2 （College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590， China） AbstractAiming at the problem of the heavy particles passing through the overflow outlet because of short-circuit flow, which is existed in the current running cyclone, a cyclone with a arc overflow pipe was proposed , and the numerical simula- tion and experimental research were carried out. The simulation results show that the arc structure of the overflow pipe can be used to move outward the transitional region at the bottom of the overflow hole, improve the tangential velocity of the fluid in this area, thus increasing the centrifugal strength , guiding the short-circuit flow to the external swirling flow to participate in the separation again, which helps to achieve the aim of reducing coarse particles mixed in the overflow. The experimental re- sults show that under the same outlet ratio, the content of -25 μm particles in the overflow and the comprehensive classifica- tion efficiency for the arc overflow pipe cyclone are higher than those of the linear type overflow pipe cyclone. The best inhibi- tory effect of arc overflow pipe cyclone occurs when the outlet ratio is 0.33, and the corresponding overflow concentration is 4.72, the content of -25 μm particles in the overflow is 98.37, and the comprehensive classification efficiency of -25 μm particles is 78.92. These inds are higher than those of the linear type overflow cyclone, which are 4.25, 96.86 and 73.51 respectively. KeywordsCyclone， Short-circuit flow， Arc overflow pipe， Comprehensive classification efficiency 收稿日期2019-04-12 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） 。 作者简介胥聪聪 （1993） ， 男， 硕士研究生。通讯作者张悦刊 （1970） ， 男， 副教授， 博士。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 水力旋流器是一种简单易维护的机械分离设 备， 具有占地面积小、 处理能力强、 分离范围广等优 点， 广泛应用于分级、 分选、 脱泥、 浓缩等作业 ［1］。目 前的旋流器在工作时， 给入旋流器的两相流体中有 一部分会沿着顶盖和溢流管外壁向下运动， 与器壁 的摩擦会使运动速度下降， 到达溢流管底部位置时 离心力不足会造成颗粒未经分离而直接从溢流管流 出， 专业上称之为短路流。短路流的存在直接导致 溢流跑粗， 影响分级效率和后续作业产品质量。 为抑制短路流造成的溢流跑粗问题， 国内外学者 从旋流器结构上进行了研究与探索。刘培坤等 ［2］针 对短路流导致溢流跑粗的问题， 提出过锥形溢流管旋 流器概念， 并进行了数值模拟和试验研究， 结果表明， 锥形溢流管对短路流具有导向作用， 使其远离溢流口 142 ChaoXing 并直接进入外旋流， 重新参与分离过程， 从而提高分 离效率。安连锁等 ［3］针对短路流引发的溢流跑粗问 题， 设计了带有环形峰结构的溢流管， 结果表明， 环峰 式溢流管对消除短路流、 缓解溢流跑粗问题具有一定 的改善作用。刘一旦等 ［4］采用数值模拟方法研究了 旋流器溢流管直径对分离性能的影响， 得出适当改变 溢流管直径可以抑制短路流， 使得分离空间内切向速 度增大， 增强颗粒的分离效果。Jiang Lanyue等 ［5］针对 旋流器溢流管外壁存在循环流和短路流的问题， 提出 了几种新型溢流管结构方案， 并采用CFD数值模拟计 算的方法进行了研究。Y. Wakizono等 ［6］通过试验和 CFD模拟， 研究了旋风分离器溢流管上部附环对颗粒 收集效率的影响； Ghodrat等 ［7］研究了变径溢流管结 构， 均在一定程度上减少了短路流。 为揭示弧形溢流管对短路流的抑制作用， 对一 种弧形溢流管旋流器的内部流场、 分离特性进行了 研究， 并进行了数值模拟和分离试验。 1溢流管的结构及旋流器内流体的流动 为减小短路流对旋流器分离精度的影响， 将溢 流管改成渐扩式弧形溢流管， 其结构如图1所示， 弧 形溢流管弧段直径增大， 溢流管外壁与旋流器柱体 段的断面面积减小， 流体经过该区域时流速加快。 流体切线速度增大会产生更强的离心力， 有利于粗 颗粒向外旋流流动， 减少粗颗粒进入溢流的机会； 流 体轴向速度增大一方面使得流体快速向下运动， 有 助于减少短路流， 另一方面， 水力旋流器的主分离过 程是在溢流管以下的主分离区完成， 而溢流管所在 的预分离区分离作用甚小， 弧形溢流管结构与直线 形溢流管结构相比， 底部弧段结构减小了颗粒在预 分离区的停留时间， 有利于增强颗粒在主分离区的 分离作用。 旋流器正常工作状态下， 以一定压力从进料口 切向进入柱体段的矿浆在旋流器腔体内分别形成内 旋流、 外旋流、 循环流、 短路流等 ［8-10］。图2 （a） 为直线 形溢流管旋流器内流体的流动情况示意， 当短路流 到达溢流管底端时较容易受到即将进入溢流管的内 旋流的 “引导” 而直接进入溢流管， 其中夹杂的粗颗 粒会造成溢流跑粗， 进而影响溢流产物的品质 ［11-12］。 图2 （b） 为弧形溢流管旋流器内流体的流动情况示 意， 当矿浆沿溢流管外壁向下运动到达弧线段时， 在 弧形溢流管的导向作用下作远离旋流器轴线的运 动， 并形成导向流， 同时因弧线段处的断面面积减 小、 矿浆流速加快， 原本有可能进入溢流管的粗颗粒 会产生足够的离心力进入到外旋流重新参与分离。 因此， 理论上弧形溢流管旋流器可在一定程度上限 制溢流跑粗问题。 2弧形溢流管旋流器流场数值模拟研究 2. 1结构参数与网格划分 为了研究弧形溢流管对旋流器流场中短路流的 抑制效果， 分别设计了装配直线形溢流管和弧形溢流 管的ϕ50 mm旋流器 （进料口尺寸为20 mm10 mm） ， 其结构参数见图3。以旋流器底流口中心为原点， 建 立笛卡尔直角坐标系， X轴指向进料口来料方向， Z轴 指向溢流管方向， 用Soliworks软件建立2种旋流器的 流体域， 将三维模型导入到ICEM CFD软件进行网格 划分， 2种旋流器均含有约160 000个网格， 见图4。 2. 2边界条件设置 网格划分完成后导入Fluent 14.5软件模拟计算， 以水为介质， 采用雷诺应力模型 （RSM） 进行数值模 拟。进料口设置为速度入口， 速度为5.26 m/s； 溢流 口和底流口的边界条件均为压力出口， 出口压力为 一个大气压。采用标准壁面函数， 压力-速度耦合方 式采用SIMPLE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， 以进出口 胥聪聪等 弧形溢流管对旋流器分离性能的影响2019年第5期 143 ChaoXing 各相流量的时均平衡作为计算收敛的判据。 2. 3结果分析 2. 3. 1溢流管周围速度矢量分布 图5 （a） 为直线形溢流管附近的速度矢量分布示 意， 通过图中标识的位置， 可清晰地观察到贴近溢流 管外壁的流体沿着溢流管外壁旋转向下， 受摩擦力 的作用速度减缓， 到达溢流管底端后随内旋流直接 进入溢流管， 这部分未经旋流器有效分离、 夹杂着粗 颗粒的流体成为溢流产物的一部分， 必然影响溢流 产物的品质。图5 （b） 为弧形溢流管附近的速度矢量 分布示意， A区域的速度矢量箭头显示， 流体沿溢流 管外壁的直线段向下运动到弧线段后， 受断面面积 减小、 弧线段的导向作用， 作远离旋流器轴线的旋转 向下运动， 到B区域后， 由于溢流管直径变大， 原本进 入溢流管的短路流将绕过弧形溢流管底端面直接进 入到外旋流重新参与分离。 2. 3. 2切线速度比较 图6分别为截面高度Z为235、 205 mm处的切线 速度对比结果。Z为235 mm对应溢流管的底部位 置， 从图6 （a） 可看出， 2种溢流管在该高度的平面不 同径向位置与切线速度的关系曲线形状大致相同， 但是弧形溢流管旋流器与直线形溢流管旋流器相 比， 相同切线速度的径向位置发生了明显的外移， 产 生这种现象的原因是弧形溢流管的下端直径变大， 该位置处流体的过渡区域外移。弧形溢流管旋流器 的最大切线速度虽较直线形略微减小， 但对应的高 速区域却明显变大， 高速区域变大将使流体沿径向 产生较大切应力和离心力的区域变大， 增强旋流器 的分离作用。在分离过程中， 因弧形溢流管旋流器 在溢流管底端存在较大离心力的断面面积更大， 弧 形溢流管未能完全抑制住的短路流中的粗颗粒在经 过该区域时将会在离心力的作用下向器壁方向运 动， 进入到循环流中， 这与图5 （b） 中的速度矢量分布 结论吻合 图5 （b） 中B区域的流体先向轴心方向运 动， 经过过渡区域时在离心力的作用下向外流动进 入外旋流中重新参与分离。从图6 （b） 可看出， 在2种 溢流管的Z205 mm处， 二者切线速度分布趋势基本 一致， 直线形和弧形溢流管旋流器的最大切线速度 分别为10.74 m/s和11.58 m/s， 弧形溢流管使最大切 线速度提升了7.8， 说明弧形溢流管结构能够提高 流体的切线速度。根据离心强度计算公式， 直线形 和弧形溢流管旋流器旋转半径为8 mm处的离心强度 分别为1 471.0、 1 710.4， 弧形溢流管旋流器的离心强 度明显较高， 对应的分离粒度必然更细， 有利于控制 “溢流跑粗” ， 改善分离效果。 金属矿山2019年第5期总第515期 144 ChaoXing 3试验研究 3. 1试验装置及试验方法 旋流器试验系统示意见图7， 主要由搅拌桶、 渣 浆泵、 管道、 压力计和旋流器 （ϕ50 mm直线形溢流管 旋流器和弧形溢流管旋流器） 组成。试验过程中， 浓 度为10的石英砂 （密度为2 650 kg/m3） 矿浆在搅拌 桶中搅拌均匀后， 通过渣浆泵给入旋流器， 给料压力 0.14 MPa， 进入旋流器的物料经过分离作用后分别由 溢流口和底流口返回搅拌桶， 形成一个循环系统。 所用物料为石英砂， 粒度见表1。 3. 2试验结果分析 试验研究了2种旋流器在不同排口比 （沉砂口与 溢流口的面积比） 情况下溢流和底流的浓度见图8， 粒度见表2。 由图8可看出， 随着排口比的增大， 两旋流器的 底流和溢流浓度整体都呈下降趋势； 同一排口比情 况下， 弧形溢流管旋流器的溢流浓度均高于直线形 溢流管旋流器， 当排口比由0.33提高至0.60， 溢流浓 度提高的幅度由大变小再变大； 同一排口比情况下， 弧形溢流管旋流器的底流浓度相比于直线形溢流管 旋流器的底流浓度先高后低， 转折点在排口比约为 0.45。 表2为不同溢流管旋流器在不同排口比下产品 的粒度与综合分级效率。 由表2可看出， 随着排口比增大， 溢流-25 μm粒 级含量下降， 综合分级效率降低； 同一排口比下， 弧 形溢流管旋流器溢流-25 μm粒级含量和综合分级效 率均高于直线形溢流管旋流器。综合考虑， 确定弧 形溢流管旋流器在排口比为0.323时抑制旋流器溢 流跑粗的效果最好。 4结论 （1） 利用溢流管的弧形结构将溢流口底端的过 渡区域外移， 实现过渡区域流体切线速度的提升， 从 而增加离心强度， 将短路流引导至外旋流重新参与 分离， 达到抑制溢流跑粗的效果。 （2） 排口比增大， 2种溢流管旋流器溢流-25 μm 粒级含量均下降， 综合分级效率均降低； 相同排口比 胥聪聪等 弧形溢流管对旋流器分离性能的影响2019年第5期 145 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ 下， 弧形溢流管旋流器溢流-25 μm粒级含量和综合 分级效率均高于直线形溢流管旋流器； 试验用弧形 溢流管旋流器在排口比为0.33时抑制旋流器溢流跑 粗的效果最好， 对应的溢流浓度为4.72， 溢流-25 μm粒级含量为98.37， -25 μm计的综合分级效率 为78.92， 高于直线形溢流管旋流器对应情况下的 4.25、 96.86和73.51。 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. Pang Xueshi.Hydraulic Cyclone Technology and Application［M］ . Beijing China Petrochemical Press， 2011. 刘培坤， 姜兰越， 杨兴华， 等.锥形溢流管旋流器分离性能研究 ［J］ .中国矿业， 2016 （6） 129-132. Liu Peikun， Jiang Lanyue， Yang Xinghua， et al.Study on separation perance of conical overflow tube cyclone［J］ .China Mining Magazine， 2016 （6） 129-132. 安连锁， 李志强， 沈国清， 等.环峰式石膏旋流器的分离特性研究 ［J］ .电站系统工程， 2014 （6） 33-35. An Liansuo，Li Zhiqiang，Shen Guoqing，et al. Study on separa- tion characteristics of circumferential gypsum cyclone［J］ . Power System Engineering， 2014 （6） 33-35. 刘一旦.新型除砂器压力调节与分离效率的研究 ［D］ .西安西安 石油大学， 2018. Liu Dan. Research on Pressure Regulation and Separation Efficien- cy of New Type of Sand Remover［D］ . Xian Xian Petroleum Uni- versity， 2018. Jiang Lanyue， Liu Peikun， Yang Xinghua ， et al. Short-circuit flow in hydrocyclones with arc-shaped vortex finders ［J］ . Chemical Engi- neering Technology， 2018 （9） 1783-1792. 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