蝸殼式進(jìn)料體旋流器截面形狀對(duì)分離性能的影響

宋 穎 張悅刊 趙洪濤 姜志華

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,山東 青島 266590;2.丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司,遼寧 丹東 118002)

旋流器是一種常見(jiàn)的固-液、液-液、氣-液分離設(shè)備,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、占地面積小、操作和維護(hù)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(nèi)部流場(chǎng)非常復(fù)雜,加之分離的顆粒密度和尺寸不同,導(dǎo)致旋流器內(nèi)部產(chǎn)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(cuò)置的現(xiàn)象[5-7]。

進(jìn)料體作為旋流器進(jìn)料通道,其結(jié)構(gòu)形狀和配置參數(shù)會(huì)對(duì)分離效率、壓降和流場(chǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[8-10]。進(jìn)料體結(jié)構(gòu)的不合理導(dǎo)致流體在流動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能損失較大,產(chǎn)生顆粒錯(cuò)置的現(xiàn)象,直接影響分離效率[11-12]。國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者在進(jìn)料體截面形狀和尺寸上進(jìn)行研究,并獲得了較多的優(yōu)化結(jié)果。例如ROCHA[13]對(duì)圓形以及方形和矩形進(jìn)料管進(jìn)行了數(shù)值模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,非圓形進(jìn)料管道對(duì)歐拉數(shù)的影響較小,特別是方形進(jìn)料管底流流量比和歐拉數(shù)分別增加了7.6%和12.5%,分離效率顯著提高。王振興[14]通過(guò)對(duì)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(jìn)行數(shù)值模擬,得出對(duì)于矩形入口,隨著長(zhǎng)寬比的增大,壓降是先降低再升高;入口形狀對(duì)粒徑大于2.5 μm粒子的分級(jí)效率影響不大,當(dāng)粒徑小于2.5 μm時(shí),分級(jí)效率由高到低分別為梯形、矩形、圓形。楊興華等[15]對(duì)漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)特征進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)漸擴(kuò)形進(jìn)料體旋流器有利于減少短路流、提高分離效率。

為了進(jìn)一步深入研究進(jìn)料體對(duì)分離性能的影響,本文提出一種新型蝸殼式進(jìn)料體旋流器,采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了蝸殼的截面形狀對(duì)旋流器分離性能的影響,并對(duì)比分析了旋流器內(nèi)部壓力、湍流強(qiáng)度、湍流黏度及分級(jí)效率的變化規(guī)律。

1 幾何模型構(gòu)建及模擬方法

1.1 幾何模型構(gòu)建

本文提出了一種蝸殼式進(jìn)料體旋流器,在保證進(jìn)料口截面面積相等的前提下,以渦狀線(xiàn)為驅(qū)動(dòng)路徑,通過(guò)改變進(jìn)料口的截面尺寸來(lái)漸縮成圓形、豎橢圓和橫橢圓3種截面蝸殼進(jìn)料體。使用Solid Works軟件進(jìn)行建模,蝸殼式進(jìn)料體旋流器的基本尺寸基于Hsieh[16]直徑75 mm的旋流器數(shù)據(jù),僅對(duì)進(jìn)料體截面形狀做出修改,其余結(jié)構(gòu)尺寸均相同。75 mm旋流器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。新型蝸殼式進(jìn)料體旋流器結(jié)構(gòu)形式如圖2所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。截面形狀與尺寸如圖3所示。

表2 蝸殼式進(jìn)料體旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of the volute inlet hydrocyclone

圖1 旋流器的幾何結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The geometric structure model of the hydrocyclone

圖2 蝸殼式進(jìn)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(jiàn),后文中以75CH(Conventional Hydrocyclone)代表傳統(tǒng)切向進(jìn)料體結(jié)構(gòu),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(jìn)料體結(jié)構(gòu)。

1.2 模擬方法及邊界條件

本文使用Fluent Meshing進(jìn)行了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分,在進(jìn)料口、溢流口和底流口設(shè)置網(wǎng)格加密,添加5層邊界層,設(shè)置邊界層為8面體網(wǎng)格,內(nèi)部為6面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量在20萬(wàn)左右。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量改進(jìn)后,網(wǎng)格的最小正交質(zhì)量大于0.3,最大偏度小于0.7,新型蝸殼式進(jìn)料體旋流器網(wǎng)格劃分如圖4所示。

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

選用雷諾應(yīng)力模型(RSM)和Mixture模型進(jìn)行模擬計(jì)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(shè)置為壓力出口,出口壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。壁面采用無(wú)滑移邊界條件。由于石英砂顆粒的粒度均勻,硬度大,試驗(yàn)過(guò)程中不易被打碎,粒度穩(wěn)定且來(lái)源廣泛,模擬和試驗(yàn)均采用密度為2 650 kg/m3的石英砂,平均粒徑的計(jì)算公式如式(1),具體粒徑分布見(jiàn)表3。

表3 進(jìn)料粒度分布Table 3 Particle size distribution of inlet

式中,Δpi為i級(jí)物料質(zhì)量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),%;di為i級(jí)物料的算術(shù)平均粒徑,μm。為了探究蝸殼式進(jìn)料體旋流器對(duì)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(shù)值模擬研究

為便于分析不同截面形狀的旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)變化,以旋流器底流口為坐標(biāo)原點(diǎn),溢流口的方向?yàn)閆軸正向,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(jìn)入旋流器后,壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,成為旋流分離的主要?jiǎng)恿υ?。不同截面形狀?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(zhuǎn)化為動(dòng)能,使旋流器內(nèi)顆粒的沉降速度加快,提高了旋流器的分離效率。同時(shí)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?fù)值,外界的空氣進(jìn)入到旋流器內(nèi)部形成空氣柱。

圖6 不同特征截面壓力分布曲線(xiàn)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(xiàn)。

圖7 不同特征截面壓力梯度分布曲線(xiàn)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(shì)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(xì)微顆粒的徑向遷移,減少外旋流區(qū)域中的細(xì)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(jìn)料口與溢流口之間的壓力差,在滿(mǎn)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(jìn)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(jìn)料口和溢流口之間的壓力差最小,能量損失最小。相對(duì)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(shí)分布更均勻,壓力能更多地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,減少了壓力損失。

2.3 湍流強(qiáng)度

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

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

由于蝸殼結(jié)構(gòu)的漸縮性,使得蝸殼對(duì)內(nèi)部流體的加速和導(dǎo)向作用顯著。蝸殼式進(jìn)料體壁面附近的區(qū)域湍流強(qiáng)度相較于75CH型旋流器均有不同程度的減小。R-HE型在進(jìn)料體處的湍流強(qiáng)度較大,這是由于橫橢圓式進(jìn)料,橢圓與柱段存在橫向交界,內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的流體和進(jìn)料的流體之間互相干擾,增加錯(cuò)位粒子的數(shù)量,造成內(nèi)部流場(chǎng)紊亂。相對(duì)于75CH型旋流器,R-VE型旋流器湍流強(qiáng)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(qiáng)度降低程度小于R-R型旋流器。R-R型旋流器的湍流強(qiáng)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(chǎng)的穩(wěn)定。

2.4 湍流黏度

湍流黏度會(huì)導(dǎo)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(yùn)動(dòng)軌跡,增加錯(cuò)位粒子的數(shù)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(jìn)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(chǎn)生,使內(nèi)部流場(chǎng)更加穩(wěn)定,有助于顆粒分離性能的提升。

2.5 分級(jí)效率

分級(jí)效率是評(píng)估旋流器分離性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),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(jí)效率曲線(xiàn)對(duì)比。可以看出,R-R型旋流器的細(xì)顆粒在底流中的回收率最小,更多的細(xì)顆粒進(jìn)入內(nèi)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(jìn)入外旋流從底流口排出。

圖11 分級(jí)效率曲線(xiàn)Fig.11 Grading efficiency curve

根據(jù)分級(jí)效率曲線(xiàn)的線(xiàn)型可以觀察到,R-R型旋流器曲線(xiàn)最陡,陡度越大表明分級(jí)精度越高。分離粒度是指底流中的回收率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑,4種旋流器的分離性能指標(biāo)如表4所示。由表4可以看出,相對(duì)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(shù)反映分級(jí)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(shù)最大,為0.44,分級(jí)精度最高。

表4 分級(jí)效率相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 4 Evaluation index related to grading efficiency

3 試驗(yàn)研究

數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,R-R型旋流器具有較好的流場(chǎng)穩(wěn)定性和分離性能。為進(jìn)一步驗(yàn)證蝸殼式進(jìn)料體旋流器的分離性能,對(duì)蝸殼式進(jìn)料體旋流器與常規(guī)入口旋流器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)物料為石英砂,進(jìn)料濃度為13%,進(jìn)料壓力為0.1 MPa,由離心泵將料漿打入旋流器進(jìn)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(yàn)系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行后,同步接取進(jìn)料、溢流和底流3種物料進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)裝置如圖12所示。

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

常規(guī)切向式進(jìn)料體旋流器和新型蝸殼式進(jìn)料體旋流器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表5所示。由表5可知,在相同進(jìn)料條件下,相比于常規(guī)切向式進(jìn)料體旋流器,蝸殼式進(jìn)料體旋流器的溢流濃度略有降低,蝸殼式進(jìn)料體旋流器的底流濃度比切向進(jìn)口旋流器增加了4.99%,底流固相產(chǎn)率增加了3.28%。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 5 Comparison of test data

圖13為切向式進(jìn)料體旋流器和新型蝸殼式進(jìn)料體旋流器的分級(jí)效率曲線(xiàn)。相比于常規(guī)旋流器,蝸殼式進(jìn)料體旋流器對(duì)小于10 μm的細(xì)顆粒在底流中的回收率較小,而對(duì)大于40 μm的粗顆粒在底流中的回收率較大,說(shuō)明底流中細(xì)顆粒含量相對(duì)切向旋流器較少,一定程度上改善了底流夾細(xì)現(xiàn)象;相應(yīng)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(jí)效率曲線(xiàn)Fig.13 Grading efficiency curve

4 結(jié) 論

(1)相對(duì)于其他截面形狀的蝸殼式進(jìn)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(xì)顆粒的徑向遷移,減少外旋流區(qū)域中的細(xì)顆粒含量,可以有效提高分離精度。

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

(3)蝸殼式進(jìn)料體旋流器的底流濃度比切向進(jìn)口旋流器增加了4.99%,底流固相產(chǎn)率增加了3.28%,陡度指數(shù)增加了25.7%。研究結(jié)果可為旋流器進(jìn)料體結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)參考。