宋 穎 張悅刊 趙洪濤 姜志華

(1.山東科技大學機械電子工程學院,山東 青島 266590;2.丹東東方測控技術股份有限公司,遼寧 丹東 118002)

旋流器是一種常見的固-液、液-液、氣-液分離設備,其結構簡單、操作靈活、占地面積小、操作和維護成本低,被廣泛用于工業(yè)分離,如石油化工、煤炭和礦物分離[1-4]。然而,由于旋流器內部流場非常復雜,加之分離的顆粒密度和尺寸不同,導致旋流器內部產生湍流、短路流、二次流等不同的流態(tài)形式,造成一些顆粒在溢流和底流處出現(xiàn)錯置的現(xiàn)象[5-7]。

進料體作為旋流器進料通道,其結構形狀和配置參數會對分離效率、壓降和流場穩(wěn)定性產生影響[8-10]。進料體結構的不合理導致流體在流動過程中的動能損失較大,產生顆粒錯置的現(xiàn)象,直接影響分離效率[11-12]。國內外的許多學者在進料體截面形狀和尺寸上進行研究,并獲得了較多的優(yōu)化結果。例如ROCHA[13]對圓形以及方形和矩形進料管進行了數值模擬以及試驗驗證,結果表明,非圓形進料管道對歐拉數的影響較小,特別是方形進料管底流流量比和歐拉數分別增加了7.6%和12.5%,分離效率顯著提高。王振興[14]通過對圓形、矩形、三角形和等腰梯形幾種不同入口形式的旋流器進行數值模擬,得出對于矩形入口,隨著長寬比的增大,壓降是先降低再升高;入口形狀對粒徑大于2.5 μm粒子的分級效率影響不大,當粒徑小于2.5 μm時,分級效率由高到低分別為梯形、矩形、圓形。楊興華等[15]對漸擴進料體旋流器內部的流場特征進行了探究,發(fā)現(xiàn)漸擴形進料體旋流器有利于減少短路流、提高分離效率。

為了進一步深入研究進料體對分離性能的影響,本文提出一種新型蝸殼式進料體旋流器,采用數值模擬和試驗相結合的方法研究了蝸殼的截面形狀對旋流器分離性能的影響,并對比分析了旋流器內部壓力、湍流強度、湍流黏度及分級效率的變化規(guī)律。

1 幾何模型構建及模擬方法

1.1 幾何模型構建

本文提出了一種蝸殼式進料體旋流器,在保證進料口截面面積相等的前提下,以渦狀線為驅動路徑,通過改變進料口的截面尺寸來漸縮成圓形、豎橢圓和橫橢圓3種截面蝸殼進料體。使用Solid Works軟件進行建模,蝸殼式進料體旋流器的基本尺寸基于Hsieh[16]直徑75 mm的旋流器數據,僅對進料體截面形狀做出修改,其余結構尺寸均相同。75 mm旋流器結構形式如圖1所示,結構參數見表1。新型蝸殼式進料體旋流器結構形式如圖2所示,結構參數見表2。截面形狀與尺寸如圖3所示。

表2 蝸殼式進料體旋流器的結構參數Table 2 Structure parameters of the volute inlet hydrocyclone

圖1 旋流器的幾何結構模型Fig.1 The geometric structure model of the hydrocyclone

圖2 蝸殼式進料體旋流器模型Fig.2 The model of the volute inlet hydrocyclone

圖3 截面形狀與尺寸Fig.3 Cross section shape and size

為方便起見,后文中以75CH(Conventional Hydrocyclone)代表傳統(tǒng)切向進料體結構,以R-R(Round)、R-VE(Vertical Ellipse)和R-HE(Horizontal Ellipse)分別代表圓形、豎橢圓形和橫橢圓形截面的蝸殼式進料體結構。

1.2 模擬方法及邊界條件

本文使用Fluent Meshing進行了非結構化網格的劃分,在進料口、溢流口和底流口設置網格加密,添加5層邊界層,設置邊界層為8面體網格,內部為6面體網格,網格數量在20萬左右。經過網格質量改進后,網格的最小正交質量大于0.3,最大偏度小于0.7,新型蝸殼式進料體旋流器網格劃分如圖4所示。

圖4 旋流器流體域網格劃分Fig.4 Hydrocyclone fluid domain mesh division

選用雷諾應力模型(RSM)和Mixture模型進行模擬計算,入口邊界條件選擇為速度入口,速度為2.28 m/s。出口邊界條件均設置為壓力出口,出口壓力設置為標準大氣壓。壁面采用無滑移邊界條件。由于石英砂顆粒的粒度均勻,硬度大,試驗過程中不易被打碎,粒度穩(wěn)定且來源廣泛,模擬和試驗均采用密度為2 650 kg/m3的石英砂,平均粒徑的計算公式如式(1),具體粒徑分布見表3。

表3 進料粒度分布Table 3 Particle size distribution of inlet

式中,Δpi為i級物料質量占總質量的百分數,%;di為i級物料的算術平均粒徑,μm。為了探究蝸殼式進料體旋流器對粒度范圍較大的顆粒分離效果的影響,選用了平均粒徑為1～100 μm的石英砂顆粒。

2 數值模擬研究

為便于分析不同截面形狀的旋流器內部的流場變化,以旋流器底流口為坐標原點,溢流口的方向為Z軸正向,截取錐段截面Z1=110 mm和Z2=170 mm,柱段Z3=215 mm作為特征截面,位置如圖5所示。

2.1 壓力分布

流體進入旋流器后,壓力能轉化為動能,成為旋流分離的主要動力源。不同截面形狀的4種旋流器在Z=110 mm、Z=170 mm和Z=215 mm截面的壓力分布如圖6所示?？梢钥闯?壓力沿徑向從壁面往中心逐漸減小,且越接近中心處壓力急劇減小的程度越大。其中R-R型旋流器壓力驟降最為顯著,減少的壓力能轉化為動能,使旋流器內顆粒的沉降速度加快,提高了旋流器的分離效率。同時由圖6還可以發(fā)現(xiàn),在Z=110 mm和Z=215 mm截面處,旋流器軸心位置壓力變?yōu)樨撝?外界的空氣進入到旋流器內部形成空氣柱。

圖6 不同特征截面壓力分布曲線Fig.6 Pressure distribution curves in different feature sections

2.2 壓力梯度

圖7為4種旋流器在不同截面處的壓力梯度分布曲線。

圖7 不同特征截面壓力梯度分布曲線Fig.7 Curve of the pressure gradient distribution in different feature sections

由圖7可知,柱段區(qū)域,由器壁到軸心,旋流器的壓力梯度先增大后減小,軸心處因空氣柱的存在,壓力梯度接近于零,錐段和柱段的壓力梯度變化趨勢基本一致,從器壁到軸心,壓力梯度先減小后增大再減小,軸心處壓力梯度接近于零。R-R型和R-HE型旋流器的壓力梯度明顯大于75CH型和R-VE型旋流器,其中R-R型旋流器壓力梯度最大,有利于細微顆粒的徑向遷移,減少外旋流區(qū)域中的細顆粒含量,提高旋流器的分離精度。

旋流器中的壓力降一般是指進料口與溢流口之間的壓力差,在滿足有效壓力能的前提下,壓降越小,能耗越小。不同截面形狀的蝸殼式進料體旋流器的壓降如圖8所示。

圖8 不同旋流器下的溢流壓降Fig.8 Overflow pressure drop under different cyclone

從圖8可以看出R-R型旋流器壓降最小,進料口和溢流口之間的壓力差最小,能量損失最小。相對于R-VE型和R-HE型旋流器,R-R型旋流器的截面較規(guī)則,流體流入時分布更均勻,壓力能更多地轉化為動能,減少了壓力損失。

2.3 湍流強度

湍流強度表示速度波動的均方根與平均速度之比,理想旋流器應該在保證充足動能的前提下盡量減小湍流強度,以達到降低能耗和穩(wěn)定流場的作用。圖9顯示了不同截面形狀的進料體在Z=265 mm處的湍流強度分布。

圖9 Z=265 mm處的湍流強度分布Fig.9 Turbulence intensity distribution at Z=265 mm

由于蝸殼結構的漸縮性,使得蝸殼對內部流體的加速和導向作用顯著。蝸殼式進料體壁面附近的區(qū)域湍流強度相較于75CH型旋流器均有不同程度的減小。R-HE型在進料體處的湍流強度較大,這是由于橫橢圓式進料,橢圓與柱段存在橫向交界,內部高速旋轉的流體和進料的流體之間互相干擾,增加錯位粒子的數量,造成內部流場紊亂。相對于75CH型旋流器,R-VE型旋流器湍流強度有一定程度的降低,但降低的區(qū)域只在豎橢圓中心區(qū)域,整體湍流強度降低程度小于R-R型旋流器。R-R型旋流器的湍流強度分布較為規(guī)則,可以有效減少粗顆粒在壁面處的相互擠壓和碰撞,有利于流場的穩(wěn)定。

2.4 湍流黏度

湍流黏度會導致流體相鄰界面處的速度不同。湍流黏度越大,表明流體中分子間的摩擦力越大,相鄰界面處的速度差也越大,不僅消耗能量,而且造成粒子間的劇烈碰撞,從而改變粒子的運動軌跡,增加錯位粒子的數量。在Z=265 mm、Z=240 mm、Z=215 mm、Z=150 mm、Z=90 mm、Z=10 mm和Z=0 mm截面上的湍流黏度分布如圖10所示。

圖10 湍流黏度的空間分布Fig.10 Spatial distribution of the turbulent flow viscosity

圖10可以看出,3種入口截面形狀的旋流器湍流黏度隨著徑向位置的增大逐漸減小。與75CH型旋流器相比,3種截面形狀的蝸殼式進料體旋流器的湍流黏度都有明顯減小,其中R-R型旋流器的湍流黏度最小,流體間分子的摩擦力減小,可以有效減少渦流的產生,使內部流場更加穩(wěn)定,有助于顆粒分離性能的提升。

2.5 分級效率

分級效率是評估旋流器分離性能的一個關鍵參數,代表了不同顆粒在底流中的回收率。圖11為蝸殼型旋流器與傳統(tǒng)旋流器的分級效率曲線對比?？梢钥闯?R-R型旋流器的細顆粒在底流中的回收率最小,更多的細顆粒進入內旋流,從溢流口排出;粗顆粒在底流中的回收率最大,更多的粗顆粒進入外旋流從底流口排出。

圖11 分級效率曲線Fig.11 Grading efficiency curve

根據分級效率曲線的線型可以觀察到,R-R型旋流器曲線最陡,陡度越大表明分級精度越高。分離粒度是指底流中的回收率為50%時對應的顆粒粒徑,4種旋流器的分離性能指標如表4所示。由表4可以看出,相對于75CH型旋流器,R-R型旋流器的分離粒度由42.73 μm降低到了39.4 μm。陡度指數反映分級精度,用d25/d75表示,從表4可以看出,R-R型旋流器的陡度指數最大,為0.44,分級精度最高。

表4 分級效率相關評價指標Table 4 Evaluation index related to grading efficiency

3 試驗研究

數值試驗結果表明,R-R型旋流器具有較好的流場穩(wěn)定性和分離性能。為進一步驗證蝸殼式進料體旋流器的分離性能,對蝸殼式進料體旋流器與常規(guī)入口旋流器進行對比試驗。試驗系統(tǒng)主要由旋流器、壓力表、攪拌器、料筒和離心泵等組成。試驗物料為石英砂,進料濃度為13%,進料壓力為0.1 MPa,由離心泵將料漿打入旋流器進行分離,從溢流口和底流口排出的物料返回料筒,形成閉路循環(huán)系統(tǒng)。待試驗系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行后,同步接取進料、溢流和底流3種物料進行檢測。試驗系統(tǒng)和試驗裝置如圖12所示。

圖12 試驗系統(tǒng)Fig.12 Test system diagram

常規(guī)切向式進料體旋流器和新型蝸殼式進料體旋流器的試驗數據對比結果如表5所示。由表5可知,在相同進料條件下,相比于常規(guī)切向式進料體旋流器,蝸殼式進料體旋流器的溢流濃度略有降低,蝸殼式進料體旋流器的底流濃度比切向進口旋流器增加了4.99%,底流固相產率增加了3.28%。

表5 試驗數據對比Table 5 Comparison of test data

圖13為切向式進料體旋流器和新型蝸殼式進料體旋流器的分級效率曲線。相比于常規(guī)旋流器,蝸殼式進料體旋流器對小于10 μm的細顆粒在底流中的回收率較小,而對大于40 μm的粗顆粒在底流中的回收率較大,說明底流中細顆粒含量相對切向旋流器較少,一定程度上改善了底流夾細現(xiàn)象;相應的,溢流中粗顆粒含量減少,溢流跑粗現(xiàn)象也得到了一定程度的改善。

圖13 分級效率曲線Fig.13 Grading efficiency curve

4 結 論

(1)相對于其他截面形狀的蝸殼式進料體旋流器,R-R型旋流器的靜壓和壓力梯度最大,有利于細顆粒的徑向遷移,減少外旋流區(qū)域中的細顆粒含量,可以有效提高分離精度。

(2)R-R型旋流器湍流強度最小、壓降最小,表明在3種不同截面進料體旋流器中,R-R型旋流器內部流場最為穩(wěn)定,且能耗最低。

(3)蝸殼式進料體旋流器的底流濃度比切向進口旋流器增加了4.99%,底流固相產率增加了3.28%,陡度指數增加了25.7%。研究結果可為旋流器進料體結構優(yōu)化提供技術參考。