双溢流管旋流器分离性能的数值模拟与试验研究

针对普通溢流管旋流器难以得到细粒径、窄粒级产品等难题,提出一种双溢流管旋流器,利用CFD数值模拟软件,对比分析普通旋流器和双溢流管旋流器内部流场和分离性能。模拟结果表明:双溢流管旋流器内流体的切向速度增大,轴向速度和径向速度减小,分离得到的内溢流产品明显细于普通溢流。试验结果表明,对中位粒径为39.8μm的进料,经双溢流管旋流器一次分级后得到中位粒径分别为61μm、16μm和24μm的3种窄粒级产品,针对-45μm颗粒,双溢流管旋流器的综合分级效率较普通旋流器提高了1.26%,分级效果更好。     

新型旋流器在再磨分级系统的应用实践

新型旋流器采用蜗壳预分级进料体和锥形溢流管两项新结构,使颗粒在进料腔体内实现了从外到内、由粗至细的排列,增大了粗、细颗粒分别进入底流和溢流的几率,有效提高了分级效率。在金堆城钼业百花岭选矿厂再磨分级工艺段的应用实践中表明：在同等作业条件下,相比普通旋流器,新型旋流器的分级溢流产品-0.038 mm粒级含量提高0.25个百分点,分级效率提高2.63个百分点。     

新型旋流器在再磨分级系统的应用实践

新型旋流器采用蜗壳预分级进料体和锥形溢流管两项新结构,使颗粒在进料腔体内实现了从外到内、由粗至细的排列,增大了粗、细颗粒分别进入底流和溢流的几率,有效提高了分级效率。在金堆城钼业百花岭选矿厂再磨分级工艺段的应用实践中表明：在同等作业条件下,相比普通旋流器,新型旋流器的分级溢流产品-0.038 mm粒级含量提高0.25个百分点,分级效率提高2.63个百分点。     

结构参数对双溢流旋流器内空气柱性能的影响

传统旋流器一次分级只能得到溢流和底流两种产品,造成产品粒级范围太过宽泛,达不到精细分级的要求。本文提出了一种具有双溢流管结构的多产品旋流器,建立了流场模型,利用流体力学多相流理论,对旋流器内部流场进行了数值模拟,得到了内外双溢流流场分布特点,获取了流场和空气柱的形成、发展演化过程。对底流口、溢流口结构参数对旋流器内空气柱性能的影响进行了仿真分析,结果表明:旋流器内空气柱直径随着底流口和溢流口直径的增大而增大,当内溢流管直径小于底流口直径时,空气柱较为紊乱。研究结果对分析空气柱影响涡旋运动及优化旋流器结构参数奠定了理论基础。     

对称双进口旋流器流场特征及分离性能

传统单进口旋流器存在流场不稳定、分离精度低等问题。创新旋流器结构、优化流场性能、提高分离 精度是当前旋流器应用的迫切需求。为了解决传统单进口旋流器对流场冲击大而引起的流场波动不稳定问题，提 出了一种对称双进口旋流器结构型式。采用数值模拟方法，通过 RSM 湍流模型、VOF 和 Mixture 多相流模型，对两 种进口结构的旋流器流场特征及分离性能进行了对比研究，结果表明：对称双进口旋流器的零速包络面和旋流流 场更加均匀，可以为颗粒迁移运动创造更加稳定的分级、分选条件；对称双进口旋流器流场静压、湍动能、轴向速度 和切向速度比传统旋流器均有不同程度的提高，其中对分离起主导作用的切向速度最大值提高了 16.90%，有效增 大了离心强度，强化了分离效果；入口速度为 7.5 m/s 时，10 μm 微细颗粒溢流分级效率较传统结构提高了 4.82 个百 分点，15 μm 微细颗粒溢流分级效率较传统结构提高了 11.34 个百分点。研究结果对丰富旋流器结构型式，进一步 提高旋流分离性能具有一定的指导意义。     

旋流器底流口直管段长度对分离性能的影响研究

底流口直管段是旋流器的重要部件,为了探明底流口直管段长度对旋流器分离性能的影响规律,采用数值模拟和试验方法,对比研究了底流口直管段不同插入深度对旋流器压力场、速度场、湍动能的影响 。模拟结果表明：随着直管段插入深度绝对值的增加,流场静压力、切向速度、湍动能均有不同程度增大,可以有效增大离心强度,强化分离效果,而径向速度随着直管段插入深度绝对值的增加有所减小,径向速度 的减小有利于分级精度的提高;试验结果表明：进料压力为0.1 MPa、进料浓度为10%、进料中位粒径为16.75 μm时,随着底流口直管段长度由0 mm增加到80 mm,底流浓缩倍数由4.61倍提高到6.48倍,底流产品中位 粒径由49.32 μm增大到65.88 μm,溢流产品中位粒径由8.57 μm增加到21.16 μm,溢流产品细度变大,分离粒度增大,综合分级效率较传统旋流器提高了13.85个百分点。     

锥形溢流管旋流器分离性能研究

针对旋流器运行过程中易产生短路流导致溢流跑粗的问题,提出一种锥形溢流管旋流器,并进行了数值模拟和试验研究。模拟结果表明,锥形溢流管对短路流具有导向作用,使其远离溢流口并直接进入外旋流参与分离过程,从而提高分离效率。试验结果表明,与传统圆柱溢流管相比,锥形溢流管旋流器的底流产率升高,-38μm颗粒的分级质效率从34.23%提高到43.02%,分级量效率从35.17%提高到44.19%。并且随溢流管外壁锥角的减小,溢流浓度降低,底流浓度升高,底流产率增大,-75μm颗粒分级质效率和量效率都有所提高。     

分级旋流器分选作用与分选旋流器分级作用试验研究

为考查颗粒粒度与密度对旋流器分级、分选的影响,采用20°锥角的分级旋流器与130°锥角的分选旋流器对＜3 mm粒级的煤泥进行了分离试验,对其产品进行筛分及分粒级浮沉,得到了不同粒度、密度颗粒在旋流器产品中的分配规律。结果表明：20°锥角旋流器以分级为主,但对各粒级均存在一定的分选作用,其中对＜0.125 mm粒级分选作用最强,这是导致溢流低灰精煤跑粗及底流细泥夹带的根源;130°锥角旋流器以分选为主,对较低密度颗粒不存在分级作用,随密度的增大,分级作用开始显现,对高密度颗粒存在明显的分级作用,这是导致溢流高灰细泥污染的根源。     

弧形溢流管对旋流器分离性能的影响

针对目前运行的旋流器存在短路流导致溢流跑粗的问题,提出了一种弧形溢流管旋流器,并进行了数值模拟和试验研究。模拟结果表明,利用溢流管的弧形结构将溢流口底端的过渡区域外移,实现过渡区域流体切线速度的提升,从而增加离心强度,将短路流引导至外旋流重新参与分离,达到抑制溢流跑粗的效果。试验结果表明,相同排口比下,弧形溢流管旋流器溢流-25 μm粒级含量和综合分级效率均高于直线形溢流管旋流器;试验用弧形溢流管旋流器在排口比为0.33时抑制旋流器溢流跑粗的效果最好,对应的溢流浓度为4.72%,溢流-25 μm粒级含量为98.37%,-25 μm计的综合分级效率为78.92%,高于直线形溢流管旋流器对应情况下的4.25%、96.86%和73.51%。     

新型双溢流水力旋流器分级试验研究

为了解决传统水力分级旋流器结构缺陷导致的短路流污染产品的问题,设计了一种新型双溢流水力旋流器,并搭建了试验平台。试验结果表明,双溢流水力旋流器的结构设计实现了双溢流、产出三种粒度级物料的设计目标,在入料0.045 mm粒级含量为62.25%的条件下,内溢流产物均0.045 mm,外溢流产物中0.045 mm粒级89.23%,底流产物中0.045 mm粒级25.24%。     

平底结构对水力旋流器流场特性及分离性能影响

基于数值模拟对比了渐缩平底旋流器与复合锥角旋流器流场特性以探究平底结构对水力旋流器流场的影响。数值试验结果表明：两种水力旋流器压强分布和切向速度分布基本一致,而空气柱附近压强梯度存在差异;渐缩平底旋流器溢流管下方湍流强度较低而底流口附近则相反;渐缩平底旋流器柱-锥交界面的空气柱附近轴向速度较高,导致其分流比较低。实验室旋流分离试验表明：平底结构能有有效抑制溢流跑粗和底流夹细现象,显著提高分级效率,改善水力旋流器分离性能。     

筛孔型溢流管旋流器分离性能研究

旋流器在分离过程中由于短路流的存在造成溢流跑粗现象，针对此问题提出一种筛孔型溢流管旋流器，并进行数值模拟和试验研究。结果表明：与圆柱型溢流管相比，筛孔型溢流管结构可延长颗粒在旋流器内的分离时间，使短路流重新进入外旋流进行充分分离，减少溢流跑粗现象。对比试验结果表明，与圆柱型溢流管旋流器相比较，采用筛孔型溢流管分离效率显著提高，-25 μm分级质效率由47.59%提高到58.00%，分级量效率由48.74%提高到60.08%，溢流产物更细，粗颗粒减少，溢流跑粗现象得到有效改善；随着溢流管开孔率增大，溢流产率提高，溢流和底流产品粒度均有变粗的趋势。     

铜山口铜矿水力旋流器数值优化试验研究

为提高大冶有色铜山口铜矿选矿厂FX500水力旋流器的分级精度、降低底流夹细量,通过数值模拟方法系统考察了旋流器结构参数和操作参数对旋流器分离性能的影响,结果表明：①适当增加入口流速、降低给矿浓度,可从整体上降低底流夹细量和溢流跑粗量;②适当增大柱段高度和小锥锥角,可进一步降低底流夹细量;③适当增大沉砂口上锥角角度,对底流中的微细粒级有洗涤作用,能进一步降低底流夹细量;④现场对比试验证实,旋流器结构优化后底流-75 μm粒级夹细率下降了1.78个百分点。研究结果为铜山口铜矿水力旋流器的优化与改造提供了技术支撑。     

铜山口铜矿水力旋流器数值优化试验研究

为提高大冶有色铜山口铜矿选矿厂FX500水力旋流器的分级精度、降低底流夹细量，通过数值模拟方法系统考察了旋流器结构参数和操作参数对旋流器分离性能的影响，结果表明：①适当增加入口流速、降低给矿浓度，可从整体上降低底流夹细量和溢流跑粗量；②适当增大柱段高度和小锥锥角，可进一步降低底流夹细量；③适当增大沉砂口上锥角角度，对底流中的微细粒级有洗涤作用，能进一步降低底流夹细量；④现场对比试验证实，旋流器结构优化后底流-75 μm粒级夹细率下降了1.78个百分点。研究结果为铜山口铜矿水力旋流器的优化与改造提供了技术支撑。     

重介质旋流器分选过程的离散分析与数值模拟

重介质旋流器广泛应用于煤炭分选,分选过程十分复杂,试验测试研究重介质旋流器内部流场和颗粒运动特性费时费力,成本较高。随着数值计算技术的发展,国内外学者应用数值模拟方法研究旋流器内部的多相流流场。采用计算流体力学(CFD)与离散分析方法(DEM)耦合技术对重介质旋流器的分选过程进行数值模拟研究,为重介质旋流器的结构参数和操作参数的优化提供了一种新途径。用Fluent软件研究了旋流器内部悬浮液速度场、密度场、压力梯度场和黏度场,用EDEM软件研究了旋流分选过程中的煤粒运动行为及分选效果的评价。研究结果表明:悬浮液压力分布和压力梯度分布径向基本对称,溢流口和底流口处压力值最低。器壁沿径向形成了压力梯度,差值逐渐增大,空气柱边界处压力梯度最大;不同尺度的煤粒在旋流器内部的停留时间不同,相同密度的煤粒,粒度越小,停留时间越长。溢流中排出煤粒在旋流器中的停留时间明显长于从底流口排出的煤粒。溢流口排出的煤粒,密度越大,停留时间越长,底流口排出的煤粒,密度越大,停留时间越短。不同的旋流器结构参数对分选的影响程度不尽相同,其中溢流管直径的影响最为显著,溢流管直径超过500 mm时,不能形成完整的空气柱,无法分选。溢流管直径为300 mm时,分选效果较好;溢流管插入深度显著影响分选精度,插入深度为160 mm时,分选密度增大,细小高密度的煤颗粒将错配进入溢流,溢流管插入深度为320～800 mm时,分选密度接近悬浮液密度,分选指标E_p=0. 084～0. 100,分选效果较好。底流口直径对旋流器选精度影响较大,当底流口直径为272和306 mm时,分选密度与悬浮液密度接近,E_p值小于0.1,分选效果较好。圆柱段长度对于分选密度影响不明显。     

Higher kaolin recovery with a water-injection cyclone

In kaolin classification, the final product is isolated from the overflow of a 50 mm hydrocyclone with an underflow containing fine sand and residual kaolin. For a higher kaolin recovery, the underflow is usually further treated using a washing cyclone. This paper presents a new development in fine sand washing using water injection in the conical section of the classifying cyclone. This washing results in a 45-50% reduction of the kaolin fraction (<10 μm) in the underflow. Thus, water injection into the classifying cyclone leads to a separation comparable to downstream washing.     

Mechanism of hydrocyclone separation with water injection

In hydrocyclones, the particle separation efficiency is limited by the suspended fine particles, which are discharged with the coarse product in the underflow. It is well known that injecting water in the conical part of the cyclone reduces the fine particle fraction in the underflow.This paper presents a mathematical model that simulates the water injection in the conical component. The model accounts for the fluid flow and the particle motion. The stationary concentration distributions result from superpositioning the turbulent particle diffusion and particle settling. Particle interaction, due to hindered settling caused by increased density and viscosity of the suspension, and fine particle entrainment by settling coarse particles are included in the model. Water injection in the conical part of the hydrocyclone is performed to reduce fine particle discharge in the underflow. This added water transports the fine particles of the sediment to the center, where they are directed to the overflow. The model demonstrates the impact of the injection rate, injection velocity, and injection location on the shape of the partition curve. Under optimal conditions, the so-called “fish hook” of the curve is reduced without changing the cut size. The simulations are compared with experimental data of a 50-mm cyclone.