超细粉末重力沉降分级的计算机模拟分析

摘 要：为研究重力沉降方法对超细粉末的分级的可行性，理论探索重力沉降方法对超细粉末的分级效果和条件要求，文章以某公司提出的重力沉降收尘器为原型，在不同粉末粒径、不同压力的工况条件下通过计算流体力学模拟，得出在一定的粒径和压力情况下，可以得到一定的分级效果，但分级效率不高，大部分粉末随气体流出重力沉降器；通过增加进风口和进一步优化物理原型再次进行模拟，可以得出重力沉降单级分级可以达到将大小直径颗粒分开的效果，但要取得较好的分级结果需进行多级分离，先进行粗分，中小颗粒再进一步单级分级，最终达到所需的分级效果。

关键词：重力沉降；分级；CFD模拟；超细粉末

超微细粉末的分级是粉末材料领域的研究热点之一，人们已研究出许多分级方法和相关设备[1-4]。其中，利用离心力对微细粉末的干法分级由于具有处理能力大、过程简单而倍受人们的关注[2-3]。目前，对于粒径为微米级的超微细粉体的干法分级多采用内带转动部件的分级器，它利用高速旋转的转子产生离心力场来强化分级过程进行分级。但其设备结构复杂、造价高、粉体对叶轮磨损较大，另外，还存在转子对粉体污染等问题。

1 计算机数值模拟

计算机数值模拟在CFD（计算流体力学）软件平台上进行[5]，建立全三维模型，利用欧拉多项流动模块进行计算、分析。重力沉降分级本质为连续的气体相中有分散的固体颗粒，在随气体流动的过程中进行沉降。图1为固体颗粒沉降过程示意图。

（1）欧拉理论模型

q相的连续性方程为：

（1）

这里vq是q相的速度，■pq表示了从第p相到q相的质量传递。从质量守恒方程可得：

■pq=-■qq（2）

■pp=0（3）

q相的动量方程为：

（4）

这里 是第q相的压力应变张量：

（5）

？滋qand？姿q是q相的剪切和体积粘度，■q是外部体积力，■lift，q是升力，■Vm，q是虚拟质量力，■pq是相之间的相互作用力，p是所有相共享的压力。

（2）物理和网络模型

以某公司所有的重力沉降器为原型建立计算机数值模拟使用的三维模型。重力沉降器外观尺寸（长*宽*高）为3m*0.5m*1.2m；进料口、进风口与出口尺寸分别为0.1m*0.2m、0.2m*0.2m与0.2m*0.2m。在建立模型的基础上采用非结构化网格生成方法产生网格系统，图2为重力沉降器网格图。

图2 重力沉降器模

（3）计算机数值模拟工况

将计算机数值模拟中的固体颗粒项按直径大小分为1μm、3μm、7μm三等级，以1Kpa、3Kpa、5Kpa、5Kpa、10Kpa压力为参数设计相应的工况条件，进行计算机数值模拟。表1为计算机数值模拟工况条件表。

表1 计算机数值模拟工况条件表

2 模拟结果分析

通过对表1一系列工况条件的模拟，除工况条件9和12外，其余工况条件下分级效果不明显。以下给出了算例9数值模拟计算结果。

表2 算例9进料口各直径矿粉颗粒质量分布

表2为算例9进料口各直径矿粉颗粒质量分布情况，由表2看出在进料口处直径为1μm、3μm、7μm的矿粉颗粒相应质量流率为2.372Kg/s、4.744Kg/s、2.372Kg/s，单位时间进入重力沉降器中矿粉颗粒质量为9.488Kg。

表3为各个收集箱中矿粉颗粒质量分布情况，由表3看出矿粉颗粒大部分沉积在3、5箱，而1、2、4箱中的矿粉颗粒质量基本相同，但是很少。单位时间流入1、2、3、4、5收集箱中的质量分别为0.053Kg、0.039Kg、0.359Kg、0.039Kg、0.161Kg，并且进入重力沉降器矿粉颗粒大部分随气流跑出重力沉降器。

表3 各个收集箱中矿粉颗粒质量分布

表4 三种矿粉颗粒在各箱质量分布

表4分别给出了1μm、3μm、7μm在各个收集箱中的质量分布情况，由表4中可以看出1μm矿粉颗粒大部分沉积在3、5箱中，而1、2、4箱分布很少。3μm、7μm在各个收集箱中的分布规律与1μm矿粉颗粒在各个收集箱中的分布规律类似。矿粉颗粒大量沉积在5箱中是因为重力沉降器中的气流速度过快，所以大量矿粉颗粒被带到5箱中沉积；同时从表4也可以知道在1、2、3、4、5箱中各中直径矿粉颗粒质量分布，从表中可以看出1、2、3、4、5箱中各个直径矿粉颗粒分级较好，主要颗粒比例很高。但总的来说，重力沉降方法对超细粉末颗粒分级不完全。

3 优化模型的模拟

原公司提供的重力沉降器對超细粉末颗粒分级效果不好，不可能对超细粉末颗粒完全分级，考虑设计可以单级分级的重力沉降器，通过对超细粉末颗粒逐次单级分级达到最后的完全分级。根据上述思想提出重力沉降器的优化方案，进行计算机数值模拟，并对得到的结果进行分析，讨论其对粉末颗粒单级分级的有效性。（如图3所示）

图3 为优化方案的模型示意图

从图3中可以看出，超细粉末进入重力沉降器后从不同的出口（出口外接收集箱）中流出，达到分级的目的。其中进料口气体流速为5m/s，进风口1气流流速为10m/s，进风口2气流流速为20m/s。

表5为从进料口进入重力沉降器的不同直径（1μm、3μm、7μm）的粉末颗粒质量流率，可以看出3种进入重力沉降器的粉末颗粒的质量流率相同，都为3.56Kg/s。表6分别给出了出口1、出口2、出口3不同直径的粉末颗粒的质量流率，可以看出出口1、出口2的三种直径的粉末颗粒仍然混合在一起，出口3中小直径的超细粉末颗粒占绝对的多数，可以达到85.80%。可以得出：（1）重力沉降器单级分级的效率不高；（2）重力沉降器单级分级可以将大直径颗粒与小直径颗粒分级；（3）在出口3得到中小直径矿粉颗粒占绝大多数，可以得出结论用重力沉降器对超细粉末颗粒进行单级分级可以达到将大小直径颗粒分开的效果，重力沉降器对超细粉末颗粒进行单级分级可以先进行粗分，中小颗粒要进一步单级分级，最终达到完全分开。

表5 进料口各直径矿粉颗粒质量分布

表6 不同出口粉末颗粒的质量流率

4 结束语

利用重力沉降方法对超细粉末颗粒分级，经过上述研究可得到以下结论：（1）利用重力沉降方法对超细粉末颗粒分级条件苛刻，但在控制好工况条件和选择合理的设备结构下存在可行性，可将大直径颗粒与小直径颗粒分离；（2）利用重力沉降方法对超细粉末颗粒分级，单级分级的效率不高，对于小直径颗粒分级需要提高其灵敏度；（3）利用重力沉降方法对超细粉末颗粒分级，要取得相对较好的分级结果，可进行多级分离，先进行粗分，中小颗粒要进一步单级分级，最终达到完全分级。

参考文献

[1]裴重华，李风生，宋洪昌，等.超细粉体分级技术及进展[J].化工进展，1994（5）：1-5+23.

[2]陶珍东，郑少华.用旋风分级器进行微细分级的可行性[J].化工装备技术.1995，16（1）：14-16.

[3]陈刚.空气分级机类型及性能[J].化工装备技术，1993，14（6），23-30.

[4]李凤生，刘宏英，裴重华.我国超细粉体技术研究中一些重要而急需解决的问题[J].化工进展，1994（3）：46-49，15.

[5]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：124-125.

作者简介：禹松涛（1971-），男，河南郑州人，高级工程师，西安建筑科技大学在读研究生，现工作单位：金昌市金川公司羰化冶金厂。