基于CFD的浓密机给料井停留时间分布模拟.pdf

7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第5 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s 儿1 6 7 1 ．9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．惦．0 1 7 基于C F D 的浓密机给料井停留时间分布模拟 李世凯，陈东，韩登峰，张明 北京矿冶研究总院矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 1 6 0 摘要采用c F x 软件对浓密机给料井内的流体流动进行模拟，附加无反应组分输运方程研究流体停留时间分布 肿 ，并考察了操作参数和结构的变化对R T D 的影响。结果表明，随着给料流量的逐渐增大，给料井内的死区会减少，混合 流与柱塞流会逐渐增多。此外，隔板安装高度的变大与过流面积的减少都会减少给料井内的死区区域，提高给料井的利用 效率。 关键词c F D ；停留时间；给料井；多釜串联模型；隔室模型 中图分类号T D 4 6 2 ．5文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 0 5 枷7 4 旬5 C F DS i m l l l a t i o no fR e s i d e n c eT i m eD i s t 订b u t i o ni nF e e d w e l l s us h 派B i ，C H E N GD 0 n g ，H A ND e n 醇n g ．z H A N GM i 鸭 5 掘f e 蠡巧如6 0 m ≠o 砂Q 厂 抬n c e 伽，d 死c n o Z 9 9 y 矿且“聊m fP r o c 黜s i n g ，B e 彬增＆珊m ZR 船e 口r ￡危 觚疵眦e 矿胞n 孵口n d 胁t o Z f n r { 缈，曰e 彬n gJ D D J 『6 D ，铂讥o A b s t r a c t C F Dw a sa p p l i e dt oc o n d u c tn u m e r i c a ls i H m l a t i o no nt h en o w6 e l di nf e e d w e l l s ．7 1 1 1 eR T D r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n i nt h er e a c t o rw a ss t u d i e db yu s i n gs p e c i e st r a n s p o r te q u a t i o n 试t hn or e a c t i o n ．E 丑 e c t so f o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n ds t l l l c t u r es i z e so nR T D w e r ei n V e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n gt h ef e e d i n gn o w c a J lr e d u c et h ed e a dz o n ea n di n e r e a s i n gt h ep l u gn o wa n dc o m p l e t em i x i n gf l o w ．A n di ti sf o u n dt h a ti n c r e a s i n gt h e i n s t a l l a t i o nh e i g h to fc l 印b o a r d sa n dd e c I ．e a s i n gt } l en o wa I ．e ac a nr e d u c et h ed e a dz o n ea n di n c r e a s et h eu t i l i z a t i o n e m c i e n c yo ff e e d w e l l ． K e yw o r d s C F D ；r e s i d e n c et i m e ；f e e d w e U ；t a n k s i ns e r i e sm o d e l ；c o m p a r t m e n tm o d e l 浓密机是在矿冶、环保、冶金、化工等多个领域 广泛应用的一种固液分离设备⋯。而给料井则是在 其中提高浓缩效率的关键部件之一，在浓密机中有 着重要的研究地位拉J 。浓密机中的给料井是矿浆和 絮凝剂进行混合的重要场所，而且由于浓密机一般 会进行切向射流给料，流速较大，为了给矿物颗粒在 沉降槽中提供稳定的沉降环境，需要给料井对矿浆 起到耗散动能的作用∞J 。 对浓密机的给料井进行合理的结构设计可以相 应地提高矿浆在井中的平均停留时间，增大絮凝反 应发生的概率，提高矿物颗粒的沉降效率。而且在 给料井中不同的结构参数会改变井内的流场分布规 律。通过对给料井进行停留时间分布的研究，可以 定量地分析给料井内的流动规律，比较全混流、柱塞 流、死区的所占比例对结构进行优化H 引。 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 5 7 4 0 3 5 收稿日期2 0 1 7 _ 0 2 _ 2 1修回日期2 0 1 7 旬7 - 2 7 作者简介李世凯 1 9 9 2 一 ，男，天津武清人，硕士研究生。 1 计算模型与模拟方法 1 ．1 几何模型与网格划分 采用直径5m 的浓密机作为研究对象，见图1 。 给料井直径为10 0 0m m ，高为12 5 0m m ，井中安装 有四块螺旋隔板与五块导流板对流场进行约束。具 体几何结构如下图2 。 浓密机的整机结构较为复杂，其给料井内才在 较多的曲面和不规则平面，因此进行结构化六面体 网格划分较为困难。而非结构网格没有规则的拓扑 结构，也没有层的概念，网格节点分布较为随意，具 有很强的灵活性，所以对于较为复杂的给料井几何 结构进行四面体网格划分。如图3 ，主要取液面以下 的区域作为计算域，将浓密机进行分块网格划分，对 于曲面较多的给料井、给料管结构进行非结构网格 划分，同时对物理梯度较大的结构敏感区域进行局 万方数据 2 0 1 7 年第5 期李世凯等基于C F D 的浓密机给料井停留时间分布模拟7 5 进料管 给料井 匿 鬻| 一j |醛|窭垫 鬻 | j 一一，／ 譬” ＼ ／／“ 鬻藩一。／ 獬／ ≤、蛳。赣江／。。 图1 整机几何结构 F i g ．1 G e o m e t r ym o d e lo ft h i c k e n e r 图2 给料井几何结构 F i g ．2 G e o m e t r i cm o d e lo ff e e d w e l l s 喇嫩l l I l I 媾嘲骥骥燃骥删 甏羞；毪。i 二羹蠡∞I l 毫_ l 图3 浓密机网格 F i g ．3 M e s h e dm o d e lo ft h i c k e n e r 部加密，保证计算精度。而对给料井以下的槽体区 域，由于结构相对简单，左右对称，所以进行结构化 网格划分，减少计算所占内存。其中结构化网格质 量大于O ．5 ，非结构化网格质量大于0 ．3 5 。其次，对 网格个数进行无关敏感性测试，发现网格个数大于 1 2 9 万时，对结果的影响小于3 ％。 1 ．2 数值求解与边界条件 标准南一占模型因为具有良好的经济型、稳定性 和湍流计算精度而被广泛地应用于工程应用中哺] 。 而且与雷诺应力模型相比，标准乃一占湍流模型能够 更好地符合试验结果。具体方程如下 湍流动能方程 南方程 掣 掣 毒[ 肛 等，瑟∽ G 6 a ￡ a 戈，a 戈，L 、，冉。r r ．7a zJ 4“ 一p s y 0 S ＆ 1 耗散方程 占方程 掣 掣 熹[ c 肛a ￡a z ia 石iL 、， 詈 G t c 。。G s 一c z ∥} ．s 。 等，毒】 G - s 盯FC l 戈J 。 式中G 。。、c 。和c ，。一经验常数，c 。。 G 2 。 1 ．9 2 ，C 3 。 0 ．0 9 ； 2 1 ．4 4 ． 盯。、盯。一湍动能．j } 和耗散率8 对应的P r a n d t l 数，盯％ 1 ．O ，盯。 1 ．3 ； J s 。、5 。一用户定义源项，可根据不同情况定； p 。一湍流涡粘系数，地 P Q 后2 如； G 。一由于浮力而引起的湍动能五的产生项； ％一可压湍流中脉动扩张项； G 。一由于速度梯度引起的应力源项，G 。 一p M ’i “’j a “／掀。 ，经过模化后得G 。 肛；．s 2 ，其中，5 ；归西，5 。 警 孚 - 巾E 巾J 进料入口与底流出口的边界条件设置参考工业 浓缩机的实际情况，都设置为速度边界条件。溢流 口设置为压力出口 p r e s s l r eo u t l e t 。其稳态计算结 果中设置两个浓度监测点，计算至浓度变化稳定为 止，变化误差小于5 ％，计算步数为80 0 0 左右“ o 。 1 ．3 停留时间分布模拟与评价方法 1 ．3 ．1 R T D 数值模拟 基于c F x 计算软件，对给料流体进行染色示踪， 其中示踪剂具有与被示踪相相同的物理性质，不会 发生其他的物理化学反应，对主流体的流场分布不 会造成影响，同时在给料井出口处监测示踪剂的浓 度，得到停留时间分布曲线。示踪剂的添加方式采 用脉冲注入法，如图4 所示，间隔时间为0 ．1s ，示踪 剂浓度为c 。，即 ◆ 万方数据 7 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第5 期 ∞， ％0 二 图4 示踪剂注入曲线 F i g ．4 S k e t c hm 印o ft r a c e ri n j e c t i o n ⋯给料井内物料的流动空间区域进行模化[ 5J 。给料井 V7 内区域可由活塞流动区域圪、混合流动区域％以及 死区区域K 所组成。 短路 1 ．3 ．2 流动模型评价方法 因为给料井的结构和物理尺寸差异巨大，所以 示踪剂在不同的给料井内的停留时间分布也差异巨 大。所以为了能够将不同结构的给料井进行比较， 需要将时间和停留时间分布函数进行无量纲化，具 体转化方式如下 口上 t m E p E ￡ t 。 一 劈 D 日2 丁 ‘m 4 5 6 式中，无因次时间为O ，无因次停留时间分布密 度为E p ，上述两个参数仍然具有归一化的性质。 停留时间分布密度为E t ，平均停留时间为￡。。 文中主要采用单参数模型对给料井的停留时间 分布曲线进行拟合。一般单参数模型分为两种，即 轴向混合模型 A x i a lD i s p e r s i o nM o d e l 和多釜串联 模型 T a n k s - I ns e d e sM o d e l 。通过比较得知1 1 s M 模型的相关拟合系数更高，所以本研究中主要采用 T I S M 模型进行拟合运算。其基本原理是将流场假 设为膨个相等体积的全混流模型串联起来，用来描 述整体流场的目的。1 r I s M 模型的E 口 曲线近似 为刚 M 器加 7 无因次方差矿；和模型参数肘之间的关系为 盯；击 8 盯口2 面 L 芍J 在r I ’I S M 模型中，当模型参数M 1 时，此时的 流动状况为全混流，随着肘的增大，流动状况则逐渐 接近于活塞流哺J 。 1 ．3 ．3 隔室模型评价方法 给料井内同时存在旋转混合流动、死区以及短 路现象，在此借助隔室模型 c o m p a n m e n tM o d e l ，对 图5 流动抽象模型 F i g ．5 T h ea b s t I a c tm o d e lo fn o wf i e l d 若给料井内的总体积y 1 ，则存在 y 匕 k 亿 9 屹毕， 1 0 圪 l 一 1 1 0 m k y K K 1 2 如 匕 k 1 3 其中，9 面。表示示踪剂响应最早出现的无因次最 小响应时间；p 一为示踪剂浓度峰值出现的无因次 时间，为最大响应时间；t 。为理论平均停留时间；t 为 实际平均停留时间；‘田为空间有效利用效率。 2 结果分析 2 ．1 进料流量对流场的影响 给料井内矿浆的理论停留时间为给料井的容积 与进料流量的比值。因此，进料流量的改变必然会 改变矿浆在给料井内的停留时间。一般认为矿浆停 留时间是给料井内絮凝剂可以发生反应的最长理论 时间，所以进料流量的改变也会对絮凝剂的反应有 重要影响。同时，在选矿厂的实际生产中，选矿厂会 因为生产任务的变化存在周期性的减产、停产或者 提产等，生产过程中的矿浆流量也在不停的变化。 因此，研究进料流量对给料井内流场的影响具有重 要的意义。 万方数据 2 0 1 7 年第5 期李世凯等基于c F D 的浓密机给料井停留时间分布模拟 7 7 从表1 中可以看出，模型参数并没有随着流量 的增大产生明显的改变，流场结构没有明显变化。 当进料流速为．o ．8 瑚／s 时，似的值为2 ．8 8 1o 。同样 的，当进料流速为3 n ∥8 时，M 的值为2 ．9 0 25 。因此 对于T I s M 模型，肘的值基本保持不变，稳定在2 ．8 9 表2 7 I ’a b l e2 左右，近似可以认为是2 ．8 9 个全混流动釜。总体上 看，耵S M 模型的拟合相关系数R 2 在不同流量下均 大于0 ．9 3 ，可以认为T I s M 模型对给料井内的流动分 布有着比较准确的描述。 不同流速下的无因次停留时间曲线特征参数 P a r i 珊e t e l l so ft h ed i m e n s i o I l l e s sr e s i d e n c et i m ec u r v e so fd i f 玷I e n tn o wr a 土e s 从表3 中可以看出，当进料流速不断增大时，给 料井内流体的平均停留时间逐渐减少，由4 0s 左右 减少至1 1s 左右，这与实际情况相符合。对于活塞 流所占的体积，当给料流速提高时，基本保持在3 0 ％ 左右，但是会略有提高，从2 9 ．9 7 ％提高到了 3 2 ．2 3 ％。对于死区所占的体积，会随着给料流速的 提高略有降低，从l O ．3 6 ％减少至7 ．3 4 ％。对于混 合区所占的体积，给料流速的变化对其影响不大，基 本保持在5 9 ．5 ％左右。对于给料井内的有效流动体 积的大小，会随着流速的提高略有提升，但是变化不 大。由此可见，给料流速的增大会使死区的体积逐 渐减少，转化为活塞流的体积，从而增大有效流动区 域的体积，使给料井内的体积利用率提高。而且从 表3 中可知，给料井的有效流动体积小于给料井的 总容积，这是因为切向给入的流体流入给料井内后 受到切向惯性力和重力等力的相互作用主要以曲面 抛物线的形式运动，因此中上部区域会出现部分死 区，没有发挥功效，影响给料井的作用效果。 2 ．2 隔板高度对流场的影响 对于安装有环型挡流板的给料井可以通过调节 环形挡流板的安装高度来调节给料井的流场状态， 从而促进絮凝反应发生，加速絮凝体沉降。而且通 过研究表明，螺旋隔板的安装位置对给料井内的囤 相分散和矿浆的轴向释能存在影响。 表3螺旋隔板不同离底高度下T I S M 模型参数 T a b l e3 M o d e lp a r a m e t e r so fd i f f e r e n ti n s t a l l a t i o n h e i 曲to fc l a p b o a r d s M R 2 1 ．9 4 8l2 ．8 7 792 ．9 2 49 O ．9 1 l6O ．8 8 340 ．9 5 00 表四中，当螺旋隔板的离底高度变化时，会对给 料井内的混合程度产生较大影响。采用T I S M 模型 进行拟合，其M 的值都会随着离底高度的增加而逐 渐增大。当离底高度为6 0 0m m 时，R T D 拟合模型参 数的M 的值为2 ．9 2 49 ，可以认为是给料井内近似为 2 ．9 2 个串联工作的全混流动釜。 万方数据 7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第5 期 表4螺旋隔板不同离底高度下的无因次停留时间曲线特征参数 T a b l e4P a m m e t e r So ft h ed i m e n s i o n l e s sr e s i d e n c et i m ec u n r e so fd i 由6 e r e n ti n s t a l l a t i o nh e i g h to fc l a p b o a 耐s 表5 中可以看出随着螺旋隔板安装高度的提 高，平均停留时间t 均和曲线峰值的对应的臼。。也相 应的升高，进一步表明了给料井中短路情况随着隔 板安装高度的升高得到了改善。对于活塞流所占的 体积，隔板安装高度的提高会增加其所占的体积，当 安装高度从4 0 0m m 变为6 0 0m m 时，其体积增加了 7 ％左右。对于死区所占的体积，隔板的安装高度的． 提高会相应的减少死区的体积，当安装高度从4 0 0 m m 变为6 0 0m m 时，其体积减少了1 1 ％左右。对于 混合区所占的体积，隔板的安装高度的提高会相应 的增加其体积，当安装高度从4 0 0m m 变为6 0 0m m 时，其体积增加了4 ％左右。因此可以得出结论，随 着隔板安装高度的提高，死区所占的体积逐渐减少， 会相应的转化为活塞流和混合流所占的体积，增大 给料井容积的有效利用效率，如表中可知∈。仃逐渐变 大提高了1 1 ％左右。结合流场进一步分析可知，隔 板高度的提高会相应的减少因为切向惯性力、重力 和沿程阻力等力的作用而产生的中上部死区的体 积，使一部分流体可以扩散到上部增加有效流动。 表6 T a b l e6 有利于絮凝体的分散，增加其捕捉效率，有利于絮凝 体的成型。 2 ．3 螺旋隔板上的孔状过流面积对流场的影响 开孔面积的大小会改变矿浆从不同位置流出给 料井状态。因此改变孔状过流面积的大小必然会对 给料井内的流场产生影响。 表5不同隔板过流面积下1 r I S M 模型参数 T a b l e5M o d e lp a m m e t e r s0 fd i f k r e n tf l o wa r e a 表6 中，1 1 S M 曲线的拟合结果中M 的值有先升 高在降低的趋势，可见过流面积的变化对给料井内 的混合程度有一定影响，流场的结构发生了变化。 当过流面积为3 2 6 5 6 m m 2 时，M 的值最大，为 3 ．9 3 7 3 ，近似认为是3 ．9 3 7 3 个串联工作的全混流动 釜。 不同过流面积下的无因次停留时间曲线特征参数 P a r a m e t e r so ft h ed i m e n s i o n l e s sr e s i d e n c et i m ec u r y e so fd i f k r e mn o 州。a r e a 从表6 中可知，平均停留时间随着过流面积的 减少而逐渐增加，但是变化不大，最大值与最小值只 相差O ．7s 。对于活塞流所占的体积，随着过流面积 的减少，其所占的体积先增大然后减小，但是变化范 围不大。对于死区所占的的体积，随着过流面积的 减少，死区所占的体积也在逐渐减少，说明隔板上部 给料井区域的死区体积在逐渐减少，有利于死区逐 渐转化成为混合流。随着过流面积的减少，混合流 所占体积逐渐增多，最大值与最小值之间相差了 7 ％。因此可以得出结论，随着过流面积的减少，死 区所占的体积逐渐减少，会相应的转化为混合流所 占的体积，增大给料井容积的有效利用效率，如表中 可知‘。茁逐渐变大提高了7 ％左右。 3结论 1 当给料流量增大时，给料井内的死区体积逐 渐减少，转化成为给料井内韵活塞流所占的体积。 下转第8 8 页 万方数据 8 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第5 期 4结论 1 合成n ，0 9 最佳工艺条件为摩尔配料比R G 5 R G 6 R 磁 l l 1 ．0 5 、催化剂用量1 ．5 ％、反应温度 8 0 ℃、反应时间6 ．5h 。 2 R G 5 和R G 6 与R 也配比、催化剂用量、反应 温度及反应时间是影响合成新型无毒铜铅分离有机 抑制剂F Y 0 9 反应的主要因素，n D 9 的抑制性能会 随着这些因素的变化而发生变化。 3 使用n 叼9 作为抑制剂对广西某铜铅锌多金 属硫化矿的铜铅混合精矿进行抑铅浮铜分离试验， 获得铜品位2 3 ．8 5 ％、铜回收率9 2 ．9 0 ％、含铅 4 ．9 2 ％的铜精矿及铅品位6 1 ．2 8 ％、铅回收率 9 8 ．7 8 ％、含铜O ．2 8 ％的铅精矿，选别指标优于重铬 酸钾 C M C 作为抑制剂的指标。F Y 0 9 可代替重铬 酸钾 C M C 作为铜铅分离铅矿物的抑制剂，实现了 铜铅分离无铬工艺，绿色选矿。 参考文献 [ 1 ] 刘润清，孙伟，胡岳华．铜铅分离有机抑制剂F c L S 的研 究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 ，2 9 3 2 9 - 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