双排料型旋流器数值模拟和试验研究

刘培坤,周 振,张悦刊,杨兴华,倪 芬

(山东科技大学，山东青岛 266590)

试验研究

双排料型旋流器数值模拟和试验研究

刘培坤,周 振,张悦刊,杨兴华,倪 芬

(山东科技大学，山东青岛 266590)

提出并设计了一种φ50mm双排料型旋流器，旨在解决传统旋流器底流夹细问题。利用流体分析软件FLUENT对单排料型和双排料型旋流器内部颗粒分布进行了数值模拟，并进行了对比试验研究。模拟分析发现双排料型旋流器在靠近底流口处，细颗粒体积分数明显降低，经底流口排出的细颗粒减少，有效降低了旋流器底流中细颗粒含量。采用石英砂进行实验室试验，结果表明φ50mm双排料型较单排料旋流器底流中-5μm颗粒含量降低了55.7%，陡度指数提高了64.7%，底流夹细明显降低，分离精度得到提高。

双排料型旋流器；数值模拟；试验研究；分离精度

1 前言

水力旋流器是一种在工业生产中广泛应用的固液分离设备，在工作时物料以切线方式给入旋流器，并在其内形成强大的离心力场，物料在旋转流场作用下迅速完成分离作业，底流、溢流产物分别从底流口、溢流管排出[1,2]。然而，底流夹细现象一直是旋流器应用中普遍存在的问题，造成这一问题的主要原因是细颗粒在液体中具有跟随性，总有一部分微细颗粒随着液体分配到底流中，此外空气柱的不稳定使得旋流器内部流场扰动强烈，改变了旋流器内部颗粒运动轨迹，使本已分离好的颗粒运动方向发生改变，从而造成了底流夹细、溢流跑粗现象，使旋流器分离精度降低[3]。

为了解决上述问题，国内外专家提出了不同的解决方案，R Sripriya等提出在旋流器内插入中心固棒，以消除水力旋流器内空气柱，来减少底流夹细[4]；J Dueck等提出在旋流器锥段注入清水，使已经沉积在旋流器壁面上的细颗粒再次进入内旋流，从而减少进入底流的细颗粒含量，但使底流浓度降低[5]；安连锁等提出通过优化排口比来减少底流夹细现象，但降低幅度不明显[6]。这些技术方案均虽可在一定程度上减少底流夹细，但其精度均有待于提高，并且结构复杂。

本文提出一种双排料型旋流器，通过改变旋流器底流口的结构，以减少底流中液体流量，降低空气柱对旋流器内部流场的扰动，从而达到降低底流中细颗粒含量和提高分离精度的目的。为深入研究双排料型旋流器的内部流场特性和分离性能，本文采用数值模拟和试验的方法对单排料型旋流器和双排料型旋流器进行对比分析。结果表明，双排料型旋流器有效地解决了底流夹细问题，大幅提高了旋流器分离精度。

2 旋流器的结构

旋流器结构如图1所示。

(a) 双排料型旋流器 (b) 单排料型旋流器

图1 旋流器结构示意

所设计的双排料型旋流器结构如图1(a)所示，与单排料型旋流器(图1(b))相比，其底流口为2个且开于底流管侧壁，出口方向与旋流器外旋流方向相同，两底流口截面之和与单排料型旋流器底流口截面积相等。由于双排料型旋流器底流口在底流管侧壁沿切线方向布置，底流排出方向与浓度较高的外旋流方向一致，降低了底流排出时所受阻力，使外旋流中的粗颗粒由切向底流口顺畅排出，大部分细颗粒聚集于旋流器芯部，更易于进入内旋流，从而降低底流中的颗粒夹细，有利于分级效率的提高。同时底流口锥顶封闭，阻止了空气由底流口直接进入旋流器内部，降低了空气导入对内旋流的影响。旋流器主体结构参数如表1所示。

表1 旋流器结构参数 mm

3 2种旋流器的数值模拟及结果分析

3.1 几何模型和网格划分

利用UG三维建模软件以底流口中心为坐标原点，建立φ50mm单排料型旋流器和双排料型旋流器流体域的三维模型，采用ICEM网格划分软件，利用四面体网格生成技术对其进行网格划分，如图2所示。单排料型旋流器共264631个网格单元，双排料型旋流器共285733个网格单元。

(a) 单排料型旋流器网格

(b) 双排料型旋流器网格

3.2 边界条件设置

为了对比分析2种旋流器的分离性能，采用FLUENT 14.5软件对其进行固-液两相模拟计算。对旋流器内部湍流流场进行模拟，固液混合物料选用Mixture混合模型，湍流模型选用雷诺应力模型，通过离散相DPM模型获得颗粒运动轨迹；给料口边界条件设为velocity-inlet，速度值设为 6.24m/s，颗粒密度为2650 kg/m3，给料体积浓度为3.6%，其粒径分布见表2。溢流口和底流口均为pressure-outlet，压力为标准大气压，壁面采用标准壁面函数，选用SIMPLE压力-速度耦合方式，压力离散格式为PRESTO，动量方程采用QUICK格式。

表2 入料粒度分布

3.3 模拟结果分析

为便于对比底流管结构变化对旋流器流场的影响，选取轴截面(X=0)和锥段Z=50mm与Z=25横截面进行分析，其特征线位置如图3所示。

(a) 双排料型 (b) 单排料型

图3 旋流器特征线位置

3.3.1 细颗粒分布对比

旋流器内部颗粒分布能有效反应出旋流器分离性能，选取旋流器内1μm与5μm两种微细颗粒作为分析对象，对比两旋流器底流夹细情况。

图4为2种旋流器在Z=50mm与Z=25mm截面上1μm与5μm颗粒体积分数对比。从图中可以发现，颗粒的体积分布总体沿中心对称分布，双排料型旋流器靠近底流口截面上1μm与5μm颗粒的体积分数明显小于单排料型旋流器，这使进入双排料型旋流器底流管内的细颗粒大幅减少，有效减少了底流夹细。同时可以发现，双排料型旋流器芯部细颗粒体积分数含量较高，此处属内旋流器区域，使得细颗粒更易进入溢流，经溢流管排出，有利于减少底流中细颗粒含量。

3.3.2 细颗粒运动轨迹对比

通过旋流器内颗粒运动轨迹可直观看出经旋流器分离后的颗粒去向，在一定程度上反应了旋流器的分离性能。

(a)Z=50截面,1μm颗粒 (b)Z=50截面,5μm颗粒

(c) Z=25截面,1μm颗粒

(d)Z=25截面,5μm颗粒

图4 单排料型和双排料型旋流器颗粒体积分数对比

2种旋流器颗粒运动轨迹如图5所示。2条轨迹线分别为2种旋流器内5μm颗粒运动轨迹。对比发现，双排料型旋流器靠近底流口部分5μm颗粒轨迹线明显少于单排料型旋流器，这表明经双排料型旋流器底流口排出的5μm颗粒少于单排料型旋流器，减少了旋流器底流夹细。

(a) 单排料型

(b) 双排料型

4 试验研究

4.1 试验装置及试验方法

以石英砂为试验原料，对双排料型旋流器和单排料型旋流器进行分离性能试验研究。给料浓度为8.6%，入口压力为0.10MPa，颗粒密度为2650 kg/m3。

所用试验系统如图6所示，主要由渣浆泵、旋流器、搅拌桶、阀门、压力表以及管路系统等组成。当系统运行时，物料首先在搅拌桶内混合均匀，然后通过渣浆泵升压进入旋流器，分离产物分别从溢流管、底流口排出，回到搅拌桶内形成一个闭路循环系统。截取溢流、底流产物，进行抽滤-烘干-称重，获得相应数据。

图6 试验系统示意

采用对比试验法，用φ50mm旋流器安装2种不同结构底流口，分析其底流产率与底流夹细情况。

4.2 试验结果及分析

试验结果如表3所示，在相同给料压力下，双排料型旋流器较单排料型旋流器溢流浓度变化不大，底流浓度由30.46%升高至47.65%，其相对增幅为56.43%，底流产率降低幅度为22.79%，处理量增大2.52%，分股比(底流与溢流体积流量之比)减少43.68%。

表3 单双排料旋流器试验结果对比

用BT9300-S激光粒度仪检测产物粒度组成，结果见图7。图8为根据检测结果计算并绘制的2种类型旋流器级效率曲线，可以看出，单排料型旋流器分离粒度d50=27.5μm，双排料型旋流器分离粒度d50=32.5μm，分离粒度增大。与单排料型旋流器相比,双排料型旋流器底流中-1μm颗粒的回收率从2.52%减小到1.11%，-5μm颗粒的回收率从12.58%减小到5.57%。细颗粒在底流中的含量降低幅度达55.7%，有效地减少了底流中细颗粒的含量。

图7 给料产物粒度分布

图8 2种类型旋流器级效率曲线

旋流器的分离精度一般用级效率曲线的陡度指数SI表示，SI值越大表示旋流器的分离精度越高，分离效果越好[7～9]。

式中d25——级效率曲线上分配率25%对应的颗粒粒度，μm

d75——级效率曲线上分配率75%对应的颗粒粒度，μm

由图8级效率曲线可知，单排料型旋流器d75=64μm，d25=10.8μm，其陡度指数SI=0.17，双排料型旋流器d75=68μm，d25=19μm，其陡度指数SI=0.28。提高幅度为64.7%，因此双排料型旋流器的分离精度得到大幅度提高。

5 结论

(1)双排料型旋流器靠近底流口截面上1μm与5μm颗粒的体积分数明显小于单排料型旋流器，同时，经双排料型旋流器底流口排出的细颗粒减少，这使进入双排料型旋流器底流的细颗粒大幅减少，有效减少了底流夹细。

(2)相同工况下，双排料较单排料型旋流器相比，分离粒度增大，底流浓度增加56.4%，底流产率减少22.8%，分股比降低43.7%，底流中-5μm细颗粒的含量降低幅度达55.7%。

(3)由于双排型料旋流器底流口直径减少，排料浓度大幅度提高，易发生堵塞，特别是进料含有大颗粒和高压力的工况，下一步应研究结构、操作参数对其性能的影响。

[1] 刘培坤,姜兰越,杨兴华,等.抛物线型旋流器分离特性的数值模拟和试验研究[J].流体机械，2015,43(10):1-6.

[2] 王志斌,陈文梅,褚良银,等.旋流器流场的数值模拟及对流场特性的分析[J].四川大学学报，2006,38(3): 59-64.

[3] 曹晓娟，顾伯勤.旋流器内空气柱形成与发展及其对分离的影响[J].流体机械，2009,37(1)：28-33.

[4] Sripriya R,Kaulaskar M D,Chakraborty,et al. Studies on the performance of a hydrocyclone and modeling for flow characterization in presence and absence of air core[J].Chemical Engineering Science，2007,62(22):6391-6402.

[5] Dueck J,Pikushchak E,Minkov L,et al. Mechanism of hydrocyclone separation with water injection[J].Minerals Engineering.2010,23:289-294.

[6] 安连锁,杨阳,刘春阳,等.湿法烟气脱硫中石膏旋流器底流夹细的试验研究[J].动力工程学报，2014,34(3):236-240.

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Numerical Simulation and Experimental Study on Dual Output Hydrocyclone

LIU Pei-kun,ZHOU Zhen,ZHANG Yue-kan,YANG Xing-hua,NI Fen

(Shandong University of Science Technology,Qingdao 266590,China)

Aφ50mm dual output type hydrocyclone is to be put forward and designed,aiming at solving the problem of single output type hydrocyclone underflow easy to clip fine particles,Using the fluid analysis software FLUENT to simulate the internal particles distribution and comparative analysis of the single output type and dual output type hydrocyclone,then,the related experiments have been carried out. Through simulation analysis,we find near the bottom of dual output cyclone's,fine particle volume fraction is decreased obviously,and it has been reduced by underflow discharge.Use Quartz sand laboratory test results show that theφ50mm dual output type hydrocyclone’s -5μm particles has been reduced 55.7%，The sharpness index has been increased 64.7%，So the underflow fine clipping phenomenon has been improved，the separation accuracy of the hyrocyclone is Increased.

dual output hydrocyclone；numerical simulation；experimental research；separation accuracy

1005-0329(2017)03-0001-05

2016-08-11

2016-09-14

国家自然科学基金资助项目(21276145)；山东省科技发展计划资助项目(2014GSF116016);山东省自然科学基金项目(ZR2016EEM37)

TH138.8;TD98

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.001

刘培坤(1971-)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：固液分离技术与装备，通讯地址：266590 山东青岛经济技术区开发前湾港路579号山东科技大学机电学院226，E-mail:lpk710128@163.com。