颗粒特性对水力旋流器分离效率的影响

颗粒特性对水力旋流器分离效率的影响。朱佳奇杨茉耿丽萍孙佳明(上海理工大学动力工程学院，上海200093)摘要：本文研究不同颗粒特性对水力旋流器分离效率的影响，采用了简化的多相流多流体模型以及雷诺应力湍流模型，应用Fluent软件对水力旋流器内液一固多相流动进行了数值模拟。采用压力出口条件，分析比较了不同颗粒特性下分离效率的变化规律。数值结果表明，随着颗粒密度的增大，在同种结构的水力旋流器中分离粒径减小、分离效率下降。颗粒浓度不同或粒径分布不均匀时的分离效率差别很小。关键词：水力旋流器；颗粒密度；分离效率l前言水力旋流器是一种量大面广的通用机械，广泛应用于化工工业、电力工业、选矿工业、石油工业等重要的国民经济基础行业中。比如，用于高炉煤气洗涤水系统产生的大量高炉污泥的回收利用方面』3；在电厂湿法脱硫装置中，对于石膏浆液的分离处理r2j。虽然水力旋流器优点众多，但是其内部压力特性及流场内的流动分离机理至今仍不明确。近年来，国内外对水力旋流器从机理到结构的研究愈来愈广泛。从结构的研究改进来说，Schneider．M，NeesseIs]认为原有的控制底流管旋流器适合大尺度水力旋流器，而对小尺度水力旋流器的分离效果不理想，所以发展了一种新型的控制系统。周先桃、陈文梅等r4一提出了增加螺纹管来消除短路流从而提高分离效率的方法。刘晓敏、檀润华∞]等则得到了旋流器单体的双入口结构理想形式为反涡线、大小锥段为圆弧过渡的结果。在旋流器巾颗粒和介质流动机理的研究巾，袁惠新、张新周拍j通过对旋流器内多相流的分析，研究了旋流聚集的机理；MukherjeeAK，SripriyaR[7]针对入口压力对浓介质旋流器的流量影响进行了研究。苗青、袁惠新_8]则研究了水力旋流器的溢流口直径和压力降对空气柱直径的影响。M．G．Lagutkin，D．A．Baranov，s[9]等则研究了径向速度对水力旋流器的影响。V．0．YablonskiiEl0]对非牛顿流体在水力旋流器中的流动情况进行了分析。另外，对水力旋流器的计算机模拟也有广泛的研究，韦鲁滨，罗科华：11]等建*通讯联系人．E-mail：cgml226@163．conl立了水力旋流器数学模型库，开发了水力旋流器分离仿真软件，以实例展示了软件可有效地进行水力旋流器的选型设计和工艺性能预测。He等[i2．1s]使用柱坐标和曲线网格系统，经过对k一￡模型的修正，较好地模拟了旋流器内部三维流场。舒朝晖、刘根凡r1乱用MonteCarlo方法研究了油水分离旋流器的分离效率。综上可以发现水力旋流器虽然得到了广泛的研究，但颗粒特性的变化对分离效率的影响的研究却不多见。考虑到实际工程巾旋流器应用广泛，被分离颗粒的特性也各不相同，冈此本文研究了不同颗粒密度的变化、不同颗粒粒径分布以及不同进料浓度对水力旋流器分离效率的影响。2模型描述由于本文研究的颗粒特性变化很大，故采用在工业中应用最为广泛的长锥型水力旋流器(其锥角一般小于20。)。其外形结构见图1，具体参数见表1。本文采用雷诺应力模型和一种简化的多流体模型，其具体的处理方法已在文献[1]巾详细描述，在此不作赘述。表l水力旋流器结构参数组别尺寸／mm旋流器直径75．0溢流管直径25．0底流管直径12．5圆柱段筒体长度75．0圆锥段筒体长度188．0颗粒特性对水力旋流器分离效率的影响·93·图1水力旋流器模型几何结构简图3数值计算采用SIMPLE方法，对水力旋流器内部多相流动进行数值模拟，具体边界条件如下。1．人口边界AB简化成流体从基圆周围各处均匀流人，入口速度由质量守恒条件给出：径向速度Wi．一磊4Qi．切向速度，Vi．=翥2．出口边界GD，PF以往多处理为给定分流比的局部单向化出口条件，但在工矿企业中，往往不知道具体的分流比，所以本文采用压力出口边界条件。3．空气柱GE采用类似于自由面的“刚盖近似法”处理，即定义其为表面切应力等于零的“固体壁面”。4．旋流器壁面认为壁面不可渗透，符合无滑移条件。4计算结果与分析4．1颗粒密度变化对水力旋流器分离效率的影响将进料的颗粒按照粒径大小分成11组，分别为：1弘m、5p．m、10p．m、15p．m、20p．m、25vtm、30肛m、40弘m、60／zm、80肛m、100vtm。每组颗粒相进口体积含量为0．01％。对密度为1200--6000kg／m3的颗粒材料，进行了数值模拟，图2为各密度下颗粒的分离曲线，其中分离粒径与密度之间的关系如图3所示，随着密度的增加，旋流器分离粒径呈指数型减小并无限接近于某常数。薹蔷颗孝茳粒径／Ilm图2颗粒粒径一回收率图按照文献中通常的定义，回收率一底流中的同相流量／进料中的固体流量。按照数值计算结果(图2、图3)，颗粒密度增加后回收率接近100％的颗粒范围增大，也就是说，在选用旋流器时，要充分考虑所要分离