車(chē)中俊，趙立新，2，葛怡清

（1 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離是指外加磁場(chǎng)對(duì)磁性或帶電介質(zhì)的作用，直接將磁性或帶電介質(zhì)與非磁性介質(zhì)分離，或者利用磁性介質(zhì)在磁場(chǎng)中的受力運(yùn)動(dòng)，間接促進(jìn)非磁性介質(zhì)高效分離的技術(shù)。其磁場(chǎng)是由金屬材料內(nèi)的正負(fù)電荷按一定規(guī)律排布形成或者是感應(yīng)線圈通電后形成的感應(yīng)磁場(chǎng)，在實(shí)際工業(yè)中主要用于將固體磁性介質(zhì)從高黏度或難分離的流體等介質(zhì)中分離。傳統(tǒng)的固體雜質(zhì)分離設(shè)備的分離性能與其使用年限、結(jié)構(gòu)參數(shù)等有關(guān)，其分離能力具有一定的局限性，外加磁場(chǎng)能增強(qiáng)對(duì)磁性固體的吸引力，改變液滴的表面張力，從一定程度上可以提高設(shè)備分離效率。磁分離技術(shù)根據(jù)其處理介質(zhì)類(lèi)型和分離方法可簡(jiǎn)要概括為圖1，如今該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)選煤、顆粒除雜、污水凈化、結(jié)晶提純等各個(gè)領(lǐng)域。在多相分離領(lǐng)域，磁場(chǎng)往往與電場(chǎng)、流場(chǎng)等其他物理化學(xué)場(chǎng)耦合作用來(lái)強(qiáng)化對(duì)某一介質(zhì)的分離提純能力，目前就磁場(chǎng)分離多相介質(zhì)的發(fā)展可以概括為固體磁性顆粒與非磁性顆粒分離、氣體與固體磁性顆粒分離、固體磁性顆粒與液體分離等，具有代表性的磁場(chǎng)輔助分離設(shè)備有磁選機(jī)、氣-固分離旋流器、磁盤(pán)分離器等。為了提高氣、液、固等多相介質(zhì)的分離性能，本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外有關(guān)磁場(chǎng)強(qiáng)化分離技術(shù)的研究，總結(jié)出磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法，為磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的數(shù)值模擬和試驗(yàn)提供借鑒。

圖1 磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法及類(lèi)別

1 磁場(chǎng)輔助固-固分離

磁場(chǎng)應(yīng)用于固體分離是指多相介質(zhì)中具有一定導(dǎo)磁性的固體材料在磁場(chǎng)作用下被磁化，受磁場(chǎng)力作用從多相介質(zhì)中分離的過(guò)程。其處理對(duì)象為具有不同導(dǎo)磁性能的固體混合物，具有代表性的研究設(shè)備是磁選機(jī)與渦電流分選機(jī)。

1.1 磁選機(jī)與渦電流分選機(jī)

磁選機(jī)是一種依靠電磁鐵或永磁鐵產(chǎn)生的高強(qiáng)度、高梯度磁場(chǎng)處理混有導(dǎo)磁性和非導(dǎo)磁性固體的設(shè)備。磁選機(jī)按照其工況分為干式和濕式兩種，干式磁選機(jī)能適應(yīng)缺水礦區(qū)的礦物分選，其成本低且分離效果與傳統(tǒng)的濕式磁選機(jī)幾乎相同，已經(jīng)漸漸取代傳統(tǒng)濕式磁選機(jī)，濕式磁選機(jī)可以避免磁性顆粒與非磁性顆粒運(yùn)動(dòng)相互干擾，相比于干式磁選機(jī)無(wú)需較大的磁場(chǎng)梯度，水的清洗可以減少磁性顆粒對(duì)磁選機(jī)筒體的磨損。磁選機(jī)按照其處理的物料形式分為兩種，一種是磁性與非磁性固體顆粒，該物料可采用永磁磁選機(jī)進(jìn)行分選，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示；另一種是非磁性金屬顆粒，如銅、鋁、鉛等，而這種物料不具有磁性，通常采用渦電流分選機(jī)進(jìn)行分選，渦電流分選機(jī)工作原理如圖3所示，磁性相對(duì)的磁極交替排列在滾筒內(nèi)壁，金屬物料以一定速度經(jīng)過(guò)交變磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從而形成環(huán)狀電流，由于物料電阻屬性不同，其不同物料產(chǎn)生的電磁力也不同，該設(shè)備利用這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非鐵金屬的分選。磁選機(jī)按照磁性元件種類(lèi)分為永磁和電磁兩種，電磁鐵需要持續(xù)供電產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)并且具有一定安全隱患，而永磁鐵不需使用供電裝置也能產(chǎn)生同等強(qiáng)度的磁場(chǎng)，當(dāng)前干式永磁磁選機(jī)在非金屬礦業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

圖2 磁選機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[28]

圖3 渦電流分選機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖[23]

1.2 操作參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了深入了解磁選機(jī)與渦電流分選機(jī)分選效果的影響因素，提高其分選能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。根據(jù)其研究方向可分為操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。如Tripathy等和Zhang等等基于響應(yīng)曲面法優(yōu)化磁選機(jī)操作參數(shù)，其中Tripathy 等重點(diǎn)優(yōu)化了赤鐵礦微?；厥詹僮鲄?shù)為磁場(chǎng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率，Zhang 等側(cè)重于優(yōu)化物料參數(shù)如進(jìn)給粒徑、微波處理時(shí)間，兩者得出的結(jié)論均為磁場(chǎng)強(qiáng)度是分離過(guò)程中最重要的影響因素。除此之外，黃俊瑋等優(yōu)化設(shè)計(jì)了新型干式磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)，使磁場(chǎng)分布集中于一側(cè)，提高了磁場(chǎng)強(qiáng)度并降低了能量損耗，Norrgran 等在鼓式永磁分離器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了軸式磁選機(jī)，降低尺寸過(guò)大的球磨床碎片對(duì)流程的磨損程度。試驗(yàn)研究多采用干式永磁磁選機(jī)優(yōu)化對(duì)應(yīng)工況下的操作參數(shù)，其中關(guān)于進(jìn)給量、顆粒尺寸、滾筒傾角等參數(shù)優(yōu)化相對(duì)較少，主要優(yōu)化的參數(shù)為磁場(chǎng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速，如Lungu等在傳統(tǒng)的臥式渦電流分選機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上依次設(shè)計(jì)出立式、轉(zhuǎn)鼓式、兩步連續(xù)分離式渦電流分選機(jī)，試驗(yàn)重點(diǎn)研究了轉(zhuǎn)速對(duì)分選效果的影響，發(fā)現(xiàn)銅鉛物料分選時(shí)最佳轉(zhuǎn)速由4000r/min 逐步降低至3000r/min，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能耗與成本較低，分選效果和傳統(tǒng)分選器相比相差無(wú)幾。根據(jù)以上研究?jī)?nèi)容，可以得出磁場(chǎng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速是影響固-固分選效果的主要因素。

2 磁場(chǎng)輔助氣-固分離

氣-固混合現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)中頻頻出現(xiàn)，屬于一種多相混合介質(zhì)。磁場(chǎng)輔助氣-固分離是指依靠外加磁場(chǎng)作用于具有導(dǎo)磁性的固體顆粒來(lái)改變磁性顆粒的受力和排布方式，進(jìn)而改變氣-固混合相的流化態(tài)，使其變得容易分離，如今氣-固分離被廣泛應(yīng)用于礦物分選等領(lǐng)域，具有代表性的研究設(shè)備為氣-固旋流器和氣-固磁流化床等。

2.1 氣-固旋流器

氣-固旋流器是一種依靠離心力實(shí)現(xiàn)氣體和固體分離的設(shè)備。磁性固體顆?？赏ㄟ^(guò)外加磁場(chǎng)對(duì)磁性顆粒作用，增強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)速度以提高分離效率。由于該設(shè)備處理的含氣條件有限，可作為二級(jí)分離器與其他氣-固分離器，如干式永磁磁選機(jī)串聯(lián)共用實(shí)現(xiàn)多級(jí)分離。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣-固旋流器的操作參數(shù)和磁場(chǎng)與旋流器的相對(duì)位置做了以下研究，如Zhang等在氣-固旋流器內(nèi)部即溢流管和壁面處增設(shè)多組電暈線，利用通電后產(chǎn)生的電磁場(chǎng)增強(qiáng)對(duì)細(xì)小顆粒的吸引力從而降低其隨氣體逃逸的概率。Siadaty等設(shè)計(jì)了一種外加磁場(chǎng)源的氣-固旋流器，針對(duì)含固體濃度為0.03%的氣-固分離，采用歐拉拉格朗日模型對(duì)固體顆粒追蹤，基于響應(yīng)曲面法對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、水平、垂直方向距離等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Safikhani等則在Siadaty等基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型氣-固柱狀分離旋流器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，增加了鐵、鎳、聚苯乙烯三種不同導(dǎo)磁性顆粒的分離特性模擬和試驗(yàn)分析。二者的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于3T時(shí)，4μm以上鐵磁顆粒能100%分離，Siadaty 等通過(guò)敏感度分析得出磁場(chǎng)位置距離溢流口中心的軸向距離是分離性能的關(guān)鍵因素，而Safikhani等通過(guò)試驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)得出磁場(chǎng)位置距離溢流口中心的水平距離相比于軸向距離對(duì)分離性能的影響程度更大。

圖4 柱狀氣-固分離旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[10]

2.2 氣-固磁流化床

磁流化床是一種外加磁場(chǎng)作用流化態(tài)介質(zhì)用于混合相分離的設(shè)備，流化態(tài)介質(zhì)為氣體和固體的流化床為氣-固流化床。該設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5 所示，磁流化床狀態(tài)如圖6所示。其工作原理：磁場(chǎng)作用于床體內(nèi)部的磁性顆粒，改變了磁性顆粒間的相互作用力，使不穩(wěn)定的磁性固體顆粒受磁場(chǎng)作用后穩(wěn)定排布，從而實(shí)現(xiàn)固體與氣體分離，因此顆粒的流化態(tài)是氣-固分離的關(guān)鍵因素，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響流化床內(nèi)顆粒流動(dòng)狀態(tài)因素做了大量試驗(yàn)研究。如Fabich等通過(guò)超短回波磁力共振成像觀察到不同粒徑氣泡的聚結(jié)和坍縮現(xiàn)象，Sornchamni等重點(diǎn)研究了鐵磁顆粒在磁流化床內(nèi)的受力情況，其受力分析如圖7所示，并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施加磁場(chǎng)能使流化態(tài)更穩(wěn)定，Hristov 等在此基礎(chǔ)上對(duì)顆粒的流化態(tài)做了深入研究，通過(guò)對(duì)比有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)流化床顆粒的運(yùn)動(dòng)特性發(fā)現(xiàn)顆粒流化態(tài)在變化的磁場(chǎng)和氣體流速中表現(xiàn)為固定態(tài)、流動(dòng)態(tài)、鼓泡態(tài)，其中適當(dāng)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度可以減緩流化床的膨脹速率并降低系統(tǒng)的壓力損失。

圖5 磁場(chǎng)流化床的基本結(jié)構(gòu)[32]

圖6 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁場(chǎng)流化床狀態(tài)[32]

圖7 鐵磁顆粒在流化床內(nèi)的受力平衡圖[39]

在實(shí)際應(yīng)用中，氣體與固體流態(tài)化時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，阻礙氣體與固體的充分接觸，無(wú)法滿足工業(yè)實(shí)際作業(yè)需求，一些學(xué)者對(duì)去除氣-固流化床內(nèi)的氣泡做了大量研究。歸柯庭等通過(guò)理論與試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鐵磁顆粒在磁場(chǎng)的作用下引起固相容積密度變化從而產(chǎn)生應(yīng)力差使固體顆粒向氣泡中心移動(dòng)直至消除氣泡。王之肖等研究了磁流化床煙氣脫硫的機(jī)理，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比不同磁場(chǎng)大小對(duì)脫硫效率的影響，發(fā)現(xiàn)鐵磁顆粒在酸化條件下利用其自身的鐵離子氧化性增強(qiáng)了對(duì)亞硫酸根離子的氧化能力，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象從而減弱了對(duì)硫的氧化和抑制氣泡產(chǎn)生的能力使脫硫效率增勢(shì)減緩，一定程度上提高了硫的去除效率。

3 磁場(chǎng)輔助固-液分離

固-液混合現(xiàn)象在我國(guó)重工業(yè)發(fā)展中比較常見(jiàn)，傳統(tǒng)的固-液分離法，如離心分離法、重力沉降法、吸附、過(guò)濾等方法能實(shí)現(xiàn)大部分的固-液分離，但僅僅依靠密度差分離存在一定局限性，為了最大限度提高固-液分離設(shè)備分離效率，利用磁場(chǎng)輔助固-液分離是很有必要的，例如重金屬水溶液的處理方法一般采用添加化學(xué)藥劑調(diào)整酸堿度的方法去除金屬離子，對(duì)于部分金屬離子，如鉛離子、鉻離子等采用磁性顆粒吸附和絮凝作用可以大大提高其去除率。如Oka等采用脈沖磁場(chǎng)法和低溫冷卻電磁鐵兩種方法開(kāi)展重金屬離子吸附試驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)如圖8所示，其工作原理：含鐵離子污水流經(jīng)凈化管道，管道在兩極脈沖磁場(chǎng)作用下通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使污水中的含鐵離子雜質(zhì)與鋼球緊密吸附，完成吸附后磁場(chǎng)消退，鐵離子污染物受到壓縮空氣擠壓被排出。當(dāng)前具有代表性的磁場(chǎng)強(qiáng)化固-液分離方法為離心分離法和吸附法，與之對(duì)應(yīng)的設(shè)備主要是固-液旋流器和磁盤(pán)分離器。

圖8 分離原理簡(jiǎn)圖[53]

3.1 固-液旋流器

固-液旋流器和氣-固旋流器作用原理類(lèi)似，都是利用離心力和磁場(chǎng)輔助作用分離固體與其他流體的設(shè)備，目前該設(shè)備已經(jīng)在礦業(yè)開(kāi)采方面廣泛應(yīng)用。由于通過(guò)離心分離不同密度的礦物和礦漿具有一定局限性，而大部分煤礦成分為鐵磁性物質(zhì)，具有一定的導(dǎo)磁性，引入磁場(chǎng)來(lái)協(xié)助旋流器分選礦物是很有必要的。為了最大程度提高礦物分選能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)固-液旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和礦物分選影響因素做了大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究（見(jiàn)表1）。

表1 固-液旋流器在施加磁場(chǎng)前后的參數(shù)對(duì)比

早在1963 年，Троцчкцǔ 等開(kāi)展了磁場(chǎng)旋流器和普通旋流器處理礦漿的試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)流程如圖9所示，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度能提高沉砂效果，為磁場(chǎng)強(qiáng)化固-液分離旋流器研究奠定基礎(chǔ)。后來(lái)，人們研究了磁極對(duì)數(shù)對(duì)分選效果的影響。如1983年，Watson等在旋流腔附近設(shè)置一對(duì)異性電磁鐵。1985年，F(xiàn)ricker等在溢流管附近設(shè)計(jì)U形電磁鐵，該結(jié)構(gòu)將鐵芯深入溢流管，使得磁極作用間距變小產(chǎn)生更均勻的強(qiáng)磁場(chǎng)，但其作用的旋流腔區(qū)域比較局限。1990 年，Shen 等在Watson 和Fricker 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將原來(lái)的1 對(duì)磁極增加至8 對(duì)，并等間距布置在旋流腔附近，試驗(yàn)結(jié)果表明磁極對(duì)數(shù)越多，磁場(chǎng)能更均勻分布于整個(gè)旋流腔，后來(lái)郭娜娜等模擬了溢流段兩對(duì)電磁鐵的磁場(chǎng)分布，得到了與Shen 等相同的結(jié)論，并研究了磁場(chǎng)在溢流段的徑向分布規(guī)律。

圖9 磁力旋流器試驗(yàn)流程[62]

固-液旋流器在選礦領(lǐng)域中應(yīng)用較多，為了找到影響磁場(chǎng)強(qiáng)化固-液旋流器分選效果的主要因素，最大程度提高分選效果，學(xué)者開(kāi)始對(duì)磁場(chǎng)作用位置，如入口、旋流腔、錐段、底流段等展開(kāi)大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。1993年，為了提高普通水力旋流器對(duì)固相顆粒的分離效率，褚良銀等提出磁力水力旋流器的概念并介紹了其工作原理，后來(lái)Freeman 等嘗試在切向入口外圍設(shè)置永磁鐵，由于磁鐵對(duì)鐵磁顆粒的吸引使進(jìn)入旋流腔內(nèi)部的大部分顆粒貼壁移動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)分離，少量未貼壁顆粒在離心力作用下也甩至邊壁面，提高了底流產(chǎn)率；王拴連及金喬分別在溢流口及底流段施加磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的施加都能從一定程度上增強(qiáng)固-液旋流器分選能力，磁場(chǎng)作用于底流段相比于溢流段可以產(chǎn)生更好的分選效果。

結(jié)合前人研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)是強(qiáng)化固-液旋流器分離能力的主要因素，而磁系的結(jié)構(gòu)直接影響磁場(chǎng)在旋流器內(nèi)部的分布，因此學(xué)者們對(duì)磁系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也做了大量研究。樊盼盼等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比單一線圈和組合線圈對(duì)底流段磁鐵礦的分選效果，發(fā)現(xiàn)組合線圈比單一線圈在徑向上產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，精煤受到徑向磁場(chǎng)力作用聚集效果明顯；線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)受到匝數(shù)和電流限制無(wú)法得到可控范圍的磁場(chǎng)，在線圈基礎(chǔ)上添加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。如付雙成等在線圈基礎(chǔ)上增加鐵芯和鐵管，研究無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)、線圈包裹鐵管、線圈包裹鐵芯時(shí)的磁場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)比發(fā)現(xiàn)包裹鐵芯的磁系可以產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)，王拴連等模擬了磁極厚度對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著磁極厚度增加而增加，精礦回收率大大提高。

綜合學(xué)者們對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)化固-液旋流器分選做的試驗(yàn)研究，結(jié)果均表明適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度都能提高對(duì)旋流器礦渣分選效果，而過(guò)小的磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)法提高分選效果，過(guò)大的磁場(chǎng)強(qiáng)度不僅不能提高分選效果，反而會(huì)造成礦渣過(guò)度團(tuán)聚，導(dǎo)致其堵塞出口，使分選效果下降。

3.2 磁盤(pán)分離器

磁盤(pán)分離器也是一種利用磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性顆粒的吸附力實(shí)現(xiàn)鐵磁性與非鐵磁性物料分離的設(shè)備，目前該設(shè)備已經(jīng)在污水處理方面得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)向礦漿里投入磁性種子、混凝劑實(shí)施新的礦井水處理工藝以及磁盤(pán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)都能提高固體及金屬雜質(zhì)的去除效果。如徐少華等針對(duì)鉛鋅礦產(chǎn)污水，采用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化磁盤(pán)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的磁盤(pán)大大提高了對(duì)固體懸浮物及金屬離子的吸附能力，其中鉛離子的去除能力達(dá)到94.1%，其結(jié)構(gòu)如圖10所示，攜帶雜質(zhì)的磁性絮狀物在流經(jīng)過(guò)流通道時(shí)，途徑磁盤(pán)區(qū)域被吸附于磁盤(pán)表面，隨后磁盤(pán)在電機(jī)控制下旋轉(zhuǎn)，將磁性絮狀物甩至卸渣區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)固-液分離。燕婧等綜合考慮設(shè)備的成本和處理能力，結(jié)合超導(dǎo)磁盤(pán)設(shè)計(jì)了新的污水處理工藝，即向礦漿投入磁性種子，增強(qiáng)其混凝作用，實(shí)現(xiàn)高效分離，礦井水污染物排放量減少了95%。

圖10 磁盤(pán)分離機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[67]

4 磁場(chǎng)輔助液-液分離

液-液混合相是石油化工行業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)廢水中比較常見(jiàn)的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為油水混合物等，許多學(xué)者在現(xiàn)有的分離方法基礎(chǔ)上，嘗試引入磁場(chǎng)來(lái)提高其分離效率。對(duì)于油水混合物，根據(jù)磁場(chǎng)作用對(duì)象分別采用的處理方法主要分為兩種，一種是化學(xué)方法，即向混合液中投入磁性種子，通過(guò)施加磁性顆粒使得油滴包裹磁粉形成磁性油團(tuán)并在磁場(chǎng)作用下與水相分離，如王利平等將鐵磁顆粒用油酸處理后使其表面形成親油基團(tuán)，攪拌過(guò)程中增強(qiáng)了其與油滴的吸附能力；劉琳與張志柳分別采用模擬和試驗(yàn)的研究方法發(fā)現(xiàn)磁粉與油滴的“碰撞”“攜帶”行為增大小油滴聚結(jié)成大油核的概率。另一種是物理方法，即向混合液中投入電解質(zhì)形成金屬離子水溶液，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下受電磁力與油相分離，如張慶范等針對(duì)海上薄油問(wèn)題利用不同導(dǎo)電性流體在電磁場(chǎng)的作用下受力分層的原理，對(duì)通電油水混合物施加與其運(yùn)動(dòng)方向垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，帶電的水相流體受磁場(chǎng)力作用與油相分層后進(jìn)入油水分離箱做進(jìn)一步處理實(shí)現(xiàn)油水分離；邊江等為了研究電磁場(chǎng)對(duì)乳化油的分離特性在張慶范等試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上增加了靜態(tài)試驗(yàn)，得到了磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與油水分離變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的同時(shí)施加能顯著提高油水分離效果。

5 有關(guān)磁場(chǎng)的數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)水平的提高，有限元分析軟件的處理能力和分析水平也隨之增強(qiáng)，利用計(jì)算機(jī)分析復(fù)雜的耦合現(xiàn)象能為實(shí)驗(yàn)提供參考，計(jì)算機(jī)分析是研究磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離是通過(guò)引入磁場(chǎng)提高混合介質(zhì)分離效率的技術(shù)，相比于一般的分離方法，磁場(chǎng)的引入增加了分析難度。為了提高模擬的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁場(chǎng)與其他物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬做了大量嘗試。為了深入了解磁場(chǎng)的發(fā)生和磁場(chǎng)與其他物理場(chǎng)或多相耦合的原理，為磁場(chǎng)強(qiáng)化油水分離數(shù)值模擬提供依據(jù)，本文將數(shù)值模擬研究概括為磁系磁場(chǎng)分布、磁場(chǎng)與磁粉顆粒耦合、磁場(chǎng)與流場(chǎng)耦合三個(gè)方面的內(nèi)容（見(jiàn)表2）。目前用來(lái)模擬磁場(chǎng)分布和流體流動(dòng)特性的代表性模擬軟件有ANSYS、COMSOL等。

表2 磁場(chǎng)數(shù)值模擬方法對(duì)比

5.1 磁系磁場(chǎng)分布數(shù)值模擬

1998年，Watson等通過(guò)計(jì)算機(jī)編程模擬超導(dǎo)盤(pán)式永磁鐵的磁場(chǎng)沿軸向和徑向的分布規(guī)律，田歡歡則推導(dǎo)了直角三角形線圈的磁場(chǎng)分布規(guī)律，將該規(guī)律以代碼的形式通過(guò)MATLAB 模擬得到了與實(shí)際磁場(chǎng)分布較為接近的結(jié)果。后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)水平的提高，基于Maxwell 規(guī)律的磁場(chǎng)模擬軟件得到廣泛應(yīng)用。研究者在煤礦分選行業(yè)采用ANSYS 軟件模擬磁系磁場(chǎng)分布規(guī)律，樊盼盼等及郭娜娜等模擬了環(huán)形電磁鐵在固-液旋流器各部位磁場(chǎng)強(qiáng)弱的磁場(chǎng)分布，研究了電磁線圈匝數(shù)、電流大小對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，根據(jù)模擬和試驗(yàn)結(jié)果得到了最優(yōu)固-液旋流器操作參數(shù)，Ren 等模擬了橫截面為正三角形、六邊形、八邊形、十二邊形、圓形的磁媒介的分布情況如圖11，發(fā)現(xiàn)棱角越小的磁媒介能產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)梯度與磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有研究，熊平等模擬了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下導(dǎo)磁材料納米鐵的磁場(chǎng)分布規(guī)律，在不直接觸碰病灶的情況下，采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)移動(dòng)具有導(dǎo)磁性能的靶向藥物，即控制磁場(chǎng)大小和方向從而間接控制藥物的位置實(shí)現(xiàn)精確治療效果，具有重大的醫(yī)學(xué)研究意義。

圖11 不同形狀磁媒介的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布[83]

5.2 磁場(chǎng)作用于顆粒的數(shù)值模擬

磁性顆粒在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡分析相比磁場(chǎng)分布模擬得考慮其運(yùn)動(dòng)位置的受力情況，比較常用的軟件為多物理場(chǎng)分析軟件COMSOL 以及有限元分析軟件ANSYS。目前通過(guò)ANSYS 軟件直接模擬磁性顆粒在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)特性是難以實(shí)現(xiàn)的，采用自編程方式實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)與磁粉顆粒作用的研究相對(duì)較多。如劉琳采用自定義函數(shù)方法，定義磁粉顆粒的受力和場(chǎng)的關(guān)系，模擬出磁粉顆粒在油水分離旋流器中“攜帶”“碰撞”的運(yùn)動(dòng)特性；王發(fā)輝提取磁性顆粒的位置坐標(biāo)并代入定義好的磁力公式，模擬了磁性顆粒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)和多磁介質(zhì)情況下的運(yùn)動(dòng)軌跡；也有研究者推導(dǎo)了磁場(chǎng)規(guī)律的表達(dá)式并將其導(dǎo)入軟件模擬其實(shí)際的工況，如磁性納米顆粒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)特性及磁流體在導(dǎo)線通電后的相互作用規(guī)律等。王彪將顆粒相磁場(chǎng)力模型嵌入MFIX開(kāi)源代碼中，建立了離散軟球模型，模擬得出了鐵磁顆粒在磁流化床中的運(yùn)動(dòng)特性；Dvorsky 等分析了亞微米級(jí)球形鐵磁顆粒間的磁力，模擬了鐵磁顆粒在外加磁場(chǎng)管道流中顆粒的磁場(chǎng)分布，為鐵磁顆粒受力的理論研究提供了基礎(chǔ)。

相比于ANSYS，COMSOL 自帶的多物理場(chǎng)耦合功能使其操作簡(jiǎn)易，模擬結(jié)果更為精確。如李強(qiáng)等采用COMSOL 多場(chǎng)耦合軟件模擬了磁性納米顆粒流體受磁場(chǎng)作用的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)磁性納米顆粒在流經(jīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大的區(qū)域時(shí)會(huì)出現(xiàn)絮流現(xiàn)象。Zhang 等為了研究磁場(chǎng)對(duì)塑料混合物中磁性顆粒在順磁溶液中的分離效果，用四種不同材質(zhì)的塑料顆粒替代混合物，對(duì)顆粒進(jìn)行受力分析，并使用COMSOL 軟件分步計(jì)算各個(gè)物理場(chǎng)，模擬了磁場(chǎng)分布和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬軌跡十分相近，驗(yàn)證了受力分析和模擬的準(zhǔn)確性。王鵬凱采用同樣的方法模擬對(duì)比了有無(wú)磁場(chǎng)的旋流器內(nèi)磁性顆粒在磁力旋流器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)正交法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了電磁線圈位置、底流口直徑、進(jìn)口壓力、磁場(chǎng)強(qiáng)度等操作參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電磁線圈距離底流口100mm 處、底流口直徑為8mm、電流為2A、進(jìn)口壓力為0.18MPa 時(shí)具有最大的回收率，磁種子的回收率最大可達(dá)98.1%，較普通旋流器提高了37%。

Eshaghi 等根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置建立對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)力顆粒追蹤公式，模擬了正方體、間隔正方體和外層鍍鎳間隔正方體三種不同永磁體的磁場(chǎng)力分布和粒徑為0.2～7μm微粒與鐵磁流體在T形管內(nèi)的運(yùn)移軌跡，其模擬結(jié)果如圖12 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在微粒發(fā)射的5s 內(nèi)，不同粒徑大小的微粒受磁場(chǎng)力和流體阻力共同作用，逐漸發(fā)生偏移并最后分別從兩個(gè)不同出口流出，模擬結(jié)果表明管道內(nèi)粒徑大于7μm和粒徑小于0.5μm 的顆粒能實(shí)現(xiàn)100%分離，分離效率與磁場(chǎng)力和雙入口的速度比有關(guān)。王芝偉等為了簡(jiǎn)化模擬，將磁力視為定值，對(duì)在重介質(zhì)旋流器中流動(dòng)的磁性顆粒進(jìn)行受力分析并建立微分方程，得出了磁粉顆粒在單方向的位移曲線。Sandulyak 等基于傳統(tǒng)力學(xué)方法對(duì)鐵磁顆粒在磁場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析，得出顆粒在永磁體磁場(chǎng)速度隨各物性參數(shù)的變化規(guī)律。Rogers 等使用MATLAB軟件模擬粒徑為50～400nm的FeO磁性顆粒的移動(dòng)軌跡和受磁場(chǎng)力規(guī)律，對(duì)比模擬流量為0.25mL/min 和50mL/min 時(shí)顆粒粒徑的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)低流速回收的顆粒粒徑較高速時(shí)更小，該模擬考慮流體內(nèi)磁性顆粒之間的作用力和磁場(chǎng)力，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖12 顆粒在T形管內(nèi)隨時(shí)間變化的粒徑分布[96]

5.3 磁場(chǎng)與流場(chǎng)耦合數(shù)值模擬

黃祺洲結(jié)合MATLAB、ANSYS 軟件，將ANSYS 磁場(chǎng)模擬結(jié)果的文件通過(guò)MATLAB 格式轉(zhuǎn)換為mag文件類(lèi)型，再導(dǎo)入FLUENT里磁流體力學(xué)（magnetic hydrodynamics，MHD）模塊實(shí)現(xiàn)電磁攪拌器內(nèi)部磁場(chǎng)對(duì)金屬熔體流動(dòng)特性的模擬，其金屬熔體受到攪拌磁場(chǎng)作用后的速度流線如圖13所示，可以看出金屬熔體的速度流線呈圓環(huán)形，具有明顯的梯度變化，說(shuō)明該模擬方法能有效地反映磁場(chǎng)與磁性流體之間的相互作用。李茂旺等研究了電磁攪拌器作用下結(jié)晶器內(nèi)部流場(chǎng)和磁場(chǎng)分布情況，將ANSYS 中MAXWELL 模擬的小方坯磁場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至ANSYS FLUENT 軟件里的MHD 模塊的動(dòng)量方程，采用有限體積法求解Navier-Stokes方程實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合模擬。徐婷等采用CFX軟件的MHD 模塊進(jìn)行磁場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合計(jì)算，模擬鋼水在中間包內(nèi)部有無(wú)磁場(chǎng)條件下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；楊光等同樣采用FLUENT軟件模擬了金屬熔體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的流動(dòng)特性；蔣文明等設(shè)計(jì)一種電磁場(chǎng)油水分離裝置，并針對(duì)該裝置建立模型，調(diào)用FLUENT 軟件內(nèi)UDF 自定義函數(shù)功能施加電磁場(chǎng)，研究電流密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)電水溶液分離效率的影響。

圖13 金屬熔體受磁場(chǎng)作用速度流線圖[100]

6 結(jié)語(yǔ)

磁場(chǎng)作為一種外加力場(chǎng)，常常與重力場(chǎng)、電場(chǎng)等物理場(chǎng)耦合以促進(jìn)非均相介質(zhì)分離，如今在處理含磁性雜質(zhì)的污水凈化、選礦、磁性顆粒除雜等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。非均相介質(zhì)的分離僅僅靠一種力場(chǎng)會(huì)存在局限性，通過(guò)磁場(chǎng)輔助強(qiáng)化，可以為改善處理效果發(fā)揮作用。為充分發(fā)揮磁場(chǎng)對(duì)多相介質(zhì)分離的優(yōu)勢(shì)，在今后的研究中，仍存在以下問(wèn)題待解決。

（1）為體現(xiàn)磁場(chǎng)與流場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬的可靠性，需深入開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)研究。

（2）磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的性能與磁場(chǎng)分布、設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，應(yīng)綜合考慮磁系磁場(chǎng)分布、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及操作參數(shù)等因素。

（3）非磁性流體多相介質(zhì)的分離具有一定難度，可采用外部施加磁場(chǎng)并輔助投加磁性介質(zhì)的方法，利用磁性介質(zhì)受磁場(chǎng)力作用間接促進(jìn)非磁性介質(zhì)的高效分離。

（4）磁場(chǎng)強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法在許多行業(yè)都有涉及，應(yīng)深入開(kāi)展理論研究，為試驗(yàn)和模擬分析提供依據(jù)。