充气式自吸浆浮选机流体动力学数值仿真研究.pdf

2 0 1 7 年增刊有色金属 选矿部分 1 2 7 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 7 ．z 1 ．0 2 7 充气式自吸浆浮选机流体动力学数值仿真研究 王志国，张明，樊学赛，陈飞飞，韩登峰 北京市高效节能矿冶装备工程技术研究中心，矿物加工科学与技术 国家重点实验室，北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要充气式自吸浆浮选机的叶轮在循环槽内矿浆、分散空气的同时还需自吸中矿。因此，充气式自吸浆内部流动更 为复杂，保证良好的分选性能更为困难。本文应用计算流体力学方法研究了不同工况下充气式自吸浆浮选机流体动力学性 能。研究表明，自吸中矿并未破坏浮选机的循环流场结构。上、下叶片的负压是形成浮选机双重作用的关键。基于C F D 研究 量化了浮选机的中矿抽吸能力和循环能力。气体在叶轮负压区积聚导致了吸浆能力、循环能力的减弱。本文的研究为充气 式自吸浆浮选机的放大和优化奠定了基础。 关键词浮选机；C F D 模拟；流场分析；气液作用 中图分类号T D 4 5 6 ；T D 9 2 3文献标识码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 1 2 7 - 0 5 R e s e a r c ho nF l u i dD y n a m i c sP e r f o r m a n c e so fA i rF o r c e d P u l pI n d u c e d F l o t a t i o nC e l lU s i n gN u m e r i c a lS i m u l a t i o n W A N GZ h i g u o ，Z H A N G 胧增，F A NX u e s a i ，C H E Nr e i f e i ，H A ND e n g f e n g B e i f i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro nE f f i c i e n ta n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nE q u i p m e n to fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， 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 彬n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t e o fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei m p e l l e ro fa i rf o r c e d p u l pi n d u c e df l o t a t i o nc e l lw o u l dn o to n l yc i r c u l a t ep u l p ．d i s p e r s e da i r b u b b l e s ，b u ta l s op u m pm i d d l i n gw h i c hc o m e sf r o mo t h e rf l o t a t i o nb a n k s ．I ti sm e a n st h a tt h ef l o wm e c h a n i s mo fa i r f o r c e d p u l pi n d u c e df l o t a t i o nc e l ls u c ha sp u m pp e r f o r m a n c e sa n da i ra c c u m u l a t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e dt h a n c o m m o na i rf o r c e df l o t a t i o nc e l l s ．I nt h i sp a p e r ，t h ef l u i dd y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h ef l o t a t i o nc e l lw a sa n a l y z e da t d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n su s i n gC F Ds i m u l a t i o n ．I ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep u m p i n gm i d d l i n gd o e s n ’tc h a n g e t h ef l o wp a t t e r n ．I ti sc r i t i c a lf a c t o r st h a tt h en e g a t i v ep r e s s u r e sa r ef o r m e dn e a rt h eb o t h t o pb l a d e sa n db o t t o m b l a d e sw h i c hm a k et h ea i rf o r c e d p u l pi n d u c e df l o t a t i o nc e l lw i t hd o u b l ef u n c t i o n s ．T h ec i r c u l a t i n gc a p a c i t ya n d m i d d l i n gp u m p i n gc a p a c i t ya r eq u a n t i t a t i v eb yC F Ds i m u l a t i o n ．A n dt h eg a sa c c u m u l a t i o na tt h en e g a t i v ez o n eo f i m p e l l e r c a u s et h e d e c l i n i n go fc i r c u l a t i n gv o l u m ea n dm i d d l i n gp u m p i n g ．T h es t u d yw o u l db eh e l p f u lf o r o p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds c a l e u p ． K e yw o r d s C F Ds i m u l a t i o n ；f l o t a t i o nc e l l ；g a sa c c u m u l a t i o n ；m i d d l i n gp u m p i n g ． 浮选机是实现浮选过程的关键设备。浮选机主 要分为充气式浮选机和自吸气浮选机⋯。充气式浮 选机的气量可根据矿物特点或工艺要求调整，但浮 选流程中需要配置鼓风机提供低压空气。自吸气浮 选机因为能够自吸空气而不必配置鼓风机，使得工 艺流程简化。能耗方面，相对充气式浮选机和鼓风 机的总功耗一般较低。但是，自吸气浮选机吸气量 固定，当选矿厂因原矿性质波动，工艺药剂制度调整 需要气量随之调整时，设备的适应性差。2o 。 浮选设备在实现矿物提纯的过程中，一般由3 ～ 4 台浮选机组成一个浮选作业，多个浮选作业组成浮 选流程一。为实现作业之间矿浆的流动，通常充气 式浮选机和自吸气浮选机作业之间都需要配置一定 高差以保证矿浆流动M 1 。同时，作业间中矿产品需 要通过泵输送到指定流程。上述配置方式通常被称 为阶梯配置。一般，使用阶梯配置的浮选流程，设备 基础、厂房高度、泵送系统等基建投资较大，特别是 矿物选别流程复杂时，上述问题更为突出。 基金项目国家自然科学基金面上项目资助 5 1 6 4 1 4 1 0 2 收稿日期2 0 1 7 旬8 _ 2 8 作者简介张明 1 9 8 6 一 ，男，贵州遵义人，硕士，高级工程师，主要从事浮选设备设计、优化等方面研究。 万方数据 1 2 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 为解决上述问题，北京矿冶研究总院沈政昌等 人∞发明了充气式自吸浆浮选机。该浮选机仍采用 外加充气方式，具备了常规充气式浮选机可根据选 矿实际需要调整充气量。另一方面，充气式白吸浆 浮选机能够自吸浮选流程的给矿和中矿，浮选流程 就无需采用阶梯高差的方式实现流程内矿浆流动， 也无需泵送系统来输送中矿产品。由于充气式自吸 浆浮选机使得所有浮选设备可在同一平面上，因此 称为水平配置。6 l 。水平配置方式使得流程配置简 化，基建成本降低。 综上，充气式自吸浆浮选是实现浮选机水平配 置的关键。由于充气式自吸浆浮选在实现浮选过程 的同时还需具备泵吸给矿、中矿，因此，其槽内浮选 流体动力学环境比常规充气式浮选机更为复杂。本 文采用计算流体力学方法研究充气式自吸浆浮选机 的流态，量化浮选机的吸浆能力、循环能力，揭示槽 内气液分散特性及其对动力学性能的影响，为充气 式自吸浆浮选机的优化和放大奠定基础。 1 充气式自吸浆浮选机 1 ．1 物理模型 充气式自吸浆浮选机如图l 所示，主要由主轴、 叶轮、定子、中心筒、中心管、给矿管或中矿管、槽体 组成。浮选机的的有效容积为0 ．2m 3 ，叶轮直径2 5 0 m m ，定子外径4 1 0m m ，叶轮转速4 5 0r ／m i n ，槽体直 径7 0 0m m ，高度5 3 0m m ，主要结构参数见表1 。 一 1 “- 、 7 ] ；j ～壁三警 簇 蹩 1 1 心书’ ⋯c 卜L 、琦3{ 三轴； 4，矗阪；5 - - I I I 轮6 一定J 7 晰f 本；8 绘旷管7 中矿管 图1充气式自吸浆浮选机 F i g ．1 A i rf o r c e d p u l p - i n d u c e df l o t a t i o nc e l l 1 ．2 数值模型 本文运用计算流体力学方法 C o m p u t a t i o n a l F l u i dD y n a m i c s ，C F D 对0 ．2n 1 3 充气式自吸浆浮选 机进行了数值仿真研究。采用四面体网格和分体网 格方法对充气式自吸浆浮选机进行网格化，如图2 。 浮选机采用多重坐标参考系方法解决叶轮的旋转问 题。因此，浮选机网格有动域叶轮区、静域定子含槽 体区和静域吸浆管区三部分组成，相关之间用交界 面连接，网格总数2 4 0 万个，质量控制在0 ．3 5 以上。 表1充气式自吸浆浮选机结构参数 T a b l e1T h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa i rf o r c e d p u l p - i n d u c e df l o t a t i o nc e l l 有效容积0．2 m 3 槽体 叶轮 定子 叶轮转速 中7 0 0m m 5 3 0m m 中2 5 0m m 中4 0 0m m 2 5 0r ／r a i n 轮网格 h 定子网格 图2 充气式吸气浆浮选机关键结构网格 F i g ．2 T h em e s ho fa i rf o r c e d p u l p - i n d u c e df l o t a t i o nc e l l 多相流仿真方法选用欧拉一欧拉法，水为连续 流体相，气泡为离散流体相，雷诺平均连续性方程和 动量方程为式1 和式2 。 孚 V ． r 洲。， 0 1 竿 V r 。 p 。E ，。。u 。 一r 。V p 。 V 。r 以毋 VU 。 VU s 7 F 。 r d 9 。g 2 相间作用力 F d 是多相流数值研究的关键问 出 万方数据 2 0 1 7 年增刊王志国等充气式自吸浆浮选机流体动力学数值仿真研究 1 2 9 题之一。本文主要考虑曳力、提升力，湍流耗散力和 壁面润滑力。曳力选用I s h i i 模型，提升力则选用 t o r m i y a 模型，壁面润滑力选用F r a n k 模型，湍流耗散 力选用L o p e 模型。 合理的边界条件对于提高仿真预测结果的准确 性非常关键。由于充气式自吸浆浮选机边界流动较 为复杂，难以准确界定。槽体顶部选用d e g a s s i n g 边 界，仅允许离散相流体气泡溢出，对于连续相水则视 为壁面。进浆管人口边界和顶部出口选用o p e n i n g 边界，其流动根据数值计算结果确定。矿浆出口则 选用压力出口边界，其余为壁面。 2 结果与讨论 E 。一 ～一一一～。- ，～。- ⋯一～’ 口I ％’ 巴。⋯ 图3单相无抽吸中矿时流态 F i g ．3 F l o wf i l e dw i t h o u ts u c t i o nu n d e rs i n g l ep h a s e 图4 单相抽吸中矿时流态 F i g ．4 F l o wf i l e dw i t hs u c t i o nu n d e rs i n g l ep h a s e 相对于一般的充气式浮选机，叶轮的是充气式 自吸浆浮选机具有双重作用的关键。如图5 为充气 式自吸浆浮选机的叶轮结构及负压分布。叶轮由 上、下叶片组成，中间由隔板隔开。不论上叶片还是 下叶片．叶片的背浆而均产牛了较大范围的负压区 ∥； 叶片 图5充气式自吸浆浮选机叶轮负压分布 F i g ．5N e g a t i v ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fi m p e l l e r 因此，在负压驱动力的作用下，下部叶片循环槽 内矿浆，上部叶片则实现抽吸中矿。理论上，在低压 充气的环境中形成负压抽吸是矛盾的。而自吸浆浮 选机通过一系列的工程设计实现了低压充气路径和 _ 簿蝥，～，～，誓≯ 厂- “∞∞∞∞“似机“Ⅱ 嚣l}黧竺{lm i 2 ‘7 9 ，I 2 2 器髫譬■■■■■■●●m 万方数据 1 3 0 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 中矿抽吸路径的相对隔离，从而解决了充气式浮选 机抽吸中矿。 图6 揭示了有无中矿抽吸时，定子环中截面内 的轴向流动分布情况。二者的流动形态是相似的， 仅局部速度有一定差异。表2 则对比分析了有无抽 吸中矿时，主要的动力学性能参数。可以看出，叶轮 循环量的变化不大。这对于保持充气式自吸浆浮选 机在不同工况下的性能稳定非常重要。从数据可以 看出，充气式自吸浆浮选机中矿泵吸效应未对浮选 机内的流体动力学流态产生显著影响，但运行功耗 相对增加较大，提高了约1 5 ％。 吸浆 图6 定子环中截面内的轴向流动分布 F i g ．6 A x i a lf l o wd i s t r i b u t i o ni nt h e s e c t i o no ft h es t a t o rr i n g 表2 吸浆对流体动力学性能的影响 T a b l e2T h ei n f l u e n c eo fs u c t i o no nf l u i dd y n a m i c s 2 ．2 气液两相下充气式自吸浆浮选机的特征流动 不论是充气式浮选机给入低压空气，还是自吸 气浮选机卷吸空气，空气对浮选设备的循环能力、功 耗等流体动力学性能以及对碰撞矿化等分选性能的 影响都是非常显著的。而充气式自吸浆浮选机兼具 充气速率可调和抽吸中矿优势，空气作用机制变得 更为复杂。 2 ．2 ．1 吸浆对气液分散的影响 图7 为表观充气速率1 ．5 4c m ／s 时吸浆对浮选 机气液分散性能的影响。从气含率分布云图看，气 体从叶轮甩出，在上升过程中逐步分散，能在浮选槽 内均匀分散。由于中矿管的存在，少量气体在中矿 管底部积聚。吸浆并未对气液分散产生显著影响， 仅是局部的气含率出现波动。 I ；辫 - 7 ‰∞ ●，㈣’ _ ’“⋯ _ 勰 图7 气含率分布云图 表观充气速率1 ．5 4c m ／s F i g ．7G a s - l i q u i dd i s p e r s i o ni nc l o u dp i c t u r e s u p e r f i c i a lv e l o c i t y1 ．5 4c m ／s 中心管内的液面明显低于浮选槽内液位，这说 明叶轮的抽吸能力使得部分空气抽吸进入中心管。 充气式自吸浆浮选机能够实现抽吸矿浆而不卷吸分 散空气，这是与白吸气浮选机的不同。一般情况下， 自吸气浮选机的中心管内空气卷吸涡流大，一部分 甚至大部分叶片的根部都在空气漩涡中，才能实现 空气在浮选机中的分散。由于充气式自吸浆浮选机 中心管内空气涡流适度，叶片产生的负压驱动力满 足了自吸中矿的需要，又不会引起大量空气卷吸进 入浮选机。 2 ．2 ．2 叶轮叶片气相积聚 空气进入浮选机后设备的循环能力和功耗等流 体动力学性能参数会恶化，不利于浮选分选。本文 从叶轮叶片气相积聚来分析流体动力学性能下降的 原因。图8 为表观充气速率为1 ．5 4c m ／s 时，叶轮叶 片的气体积聚情况。可以看到，在下叶片的背压面 容易形成气体积聚，主要是该区负压梯度较大。由 于叶轮叶片是动力部件，叶片附近有部分空间被空 O 一叠多 嘲嘲棚。 ㈣黼㈣。 聊 耻■■■■■■■■Ⅷ 唧■■■■■■■■_ 万方数据 2 0 1 7 年增刊王志国等充气式自吸浆浮选机流体动力学数值仿真研究 1 3 1 气占据，叶轮叶片的做功减少，设备功耗降低，循环 能力、中矿抽吸能力均会随之降低。 图8 叶轮叶片气相积聚 表观充气速率1 ．5 4c m ／s F i g ．8 G a sa c c u m u l a t i o nn e a rt h ei m p e l l e rb l a d e s s u p e r f i c i a lv e l o c i t y1 ．5 4c m ／s 3 结论与展望 浮选机水平配置可以简化浮选流程配置，降低 建设成本，具有显著的技术经济优势。充气式自吸 浆浮选是实现浮选机水平配置的关键。该浮选机的 双重功能使得其内部流动混合更为复杂，保证良好 的分选性能更为困难。因此，本文采用计算流体力 学方法研究充气式自吸浆浮选机不同工况下的流态 特征，量化浮选机的吸浆能力和循环能力。揭示了 空气对浮选机性能的影响。研究加深了对充气式自 吸浆浮选流体动力学性能的理解，为设备的优化和 放大奠定基础。 充气式自吸浆浮选机具有循环流场结构，抽吸 中矿未破坏槽内的流体动力学状态，奠定了优异分 选性能的基础。 叶轮上、下叶片处产生的负压驱动力是充气式 自吸浆浮选机抽吸中矿、循环矿浆的动力。 空气在叶轮负压区的积聚是浮选机循环能力、 吸浆能力减弱的原因，优化叶轮区的气体积聚对于 改善浮选机的动力学性能非常关键。 致谢 本研究得到天津超算中心天河一l 的支持。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌，卢世杰，杨丽君．K Y F 系列大型浮选机的研制开 发与应用[ J ] ．有色金属，2 0 0 8 ，6 0 4 1 1 5 1 1 9 ． 『2 ] F A Y E DH ，R A G A BS ．N u m e r i c a lS i m u l a t i o n so fT w o P h a s e F l o wi naS e l f - A e r a t e dF l o t a t i o nM a c h i n e a n dK i n e t i c s M o d e l i n g [ J ] ．M i n e r a l s ，2 0 1 5 ，5 2 1 6 4 ．1 8 8 ． [ 3 ] 张建一，李晓峰，杨丽君，等．3 2 0m 3 充气机械搅拌式浮选 机工业试验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 1 增刊1 1 8 1 1 8 3 [ 4 ] S H IS ，Z H A N GM ，F A NX ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a l a n d c o m p u t a t i o n a la n a l y s i s o ft h ei m p e l l e ra n g l ei naf l o t a t i o n c e l lb yP I Va n dC F D [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM i n e r a l P r o c e s s i n g ，2 0 1 5 ，1 4 2 ，2 - 9 ． [ 5 ] 沈政昌．X C F l l 浮选机及X C F I I ／K Y F I ／浮选机联合机组 的发展与实践[ J ] ．有色设备，2 0 0 7 2 4 ．7 ． [ 6 ] 沈政昌，刘振春．X C F 自吸浆充气机械搅拌式浮选机 [ J ] ．矿冶，1 9 9 6 ，5 4 4 1 - 4 5 ． 万方数据