張寧寧,周長(zhǎng)春, 閆小康(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 徐州,221116;2.國(guó)家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心,江蘇 徐州,221116)
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基于 Fluent 的快浮嵌入式浮選柱給料方式數(shù)值研究
張寧寧1,2,周長(zhǎng)春1,2, 閆小康1,2
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇徐州,221116;2.國(guó)家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心,江蘇 徐州,221116)
摘要:基于微細(xì)粒鋁土礦浮選的速度快、泡沫量大等特點(diǎn),提出在旋流?靜態(tài)微泡浮選柱上部嵌入快速浮選單元。為了研究嵌入式快浮單元下的給料方式對(duì)浮選柱內(nèi)部流場(chǎng)的影響,利用計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)給料以及2種快浮單元給料結(jié)構(gòu)下的浮選柱內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明:3 種給料方式下的柱體內(nèi)流線雖有差異,但均能滿足浮選柱對(duì)物料分選的基本要求;對(duì)于3種不同的給料方式,浮選柱旋流段的旋渦強(qiáng)度基本相同,在同一徑向位置上切向速度的最大差值在0.1m/s以內(nèi),說明給料方式對(duì)浮選柱內(nèi)部流場(chǎng)影響較??;與其他2種給料方式相比,快浮單元環(huán)形給料下的浮選柱入料段湍流強(qiáng)度低,湍動(dòng)能主要集中在 0~0.05 m2/s2,柱分選段軸向速度主要集中在?0.15~0.15 m/s,軸向速度沿徑向分布較其他2種均勻,對(duì)礦物的分選以及二次富集更有利。
關(guān)鍵詞:旋流?靜態(tài)微泡浮選柱;快速浮選單元;Fluent;數(shù)值模擬;給料方式
我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富,但是多數(shù)礦石日漸貧雜,礦物分選變得越來越困難。以鋁土礦為例,我國(guó)鋁土礦資源以一水硬鋁石型為主,鋁硅比低,主要礦物嵌布粒度細(xì),易泥化,分選難度大[1?2],因此研究和開發(fā)微細(xì)尺度下的鋁土礦高效分選設(shè)備及技術(shù)迫在眉睫。浮選柱由于柱體較高、泡沫的升浮距離較長(zhǎng)、產(chǎn)生的氣泡微小等特點(diǎn),適合微細(xì)粒難浮礦物的分選。旋流?靜態(tài)微泡浮選柱(FCSMC)[3?4]是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的一種新型浮選柱,由于獨(dú)特的設(shè)計(jì)和對(duì)物料強(qiáng)化的礦化方式,它在微細(xì)粒礦物分選方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于煤炭、非金屬礦和金屬礦等領(lǐng)域,取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[5?8]。但是,鋁土礦浮選的富集比低、泡沫量大、產(chǎn)率高,高產(chǎn)率要求浮選時(shí)間短,易浮礦物盡可能在分選過程的初始階段通過快浮機(jī)制盡早浮出,而旋流?靜態(tài)微泡浮選柱的分選壓力卻主要集中在其分選過程后半段的柱體下部旋流及微泡分選中,因而它對(duì)于鋁土礦分選的過程設(shè)計(jì)是不科學(xué)的,可能會(huì)引起有價(jià)礦物在旋流分選和管流礦化段的回收不充分而流失于尾礦中。浮選機(jī)由于泡沫的升浮距離較短、氣泡較大等特點(diǎn),適合粗顆粒易浮礦物的分選?;谝陨戏治?,提出在旋流?靜態(tài)微泡浮選柱上部嵌入類似浮選機(jī)的快速浮選單元,它的主要特點(diǎn)是礦漿通過速度快,可以將其中的易浮組分盡快浮出,減小后續(xù)柱體分選的礦漿量[9],提高有用礦物的回收率。給料的均勻度會(huì)影響浮選柱柱體內(nèi)的礦漿流態(tài)及分選效果??焖俑∵x單元的嵌入改變了傳統(tǒng)旋流?靜態(tài)微泡浮選柱原有的給料方式,它在完成回收易浮礦粒的同時(shí),還要將選后的尾礦以底流形式排放到浮選柱中,實(shí)現(xiàn)柱式分選的給料。本文作者設(shè)計(jì) 2種形式的快速浮選單元尾礦排料裝置,利用計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件分別對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)給料以及2種快浮單元給料結(jié)構(gòu)下的浮選柱內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比分析浮選柱中主要分選部位的旋渦強(qiáng)度、湍流動(dòng)能以及流體速度等參數(shù),研究嵌入式快浮單元下的給料方式對(duì)浮選柱內(nèi)部流場(chǎng)的影響,得出較優(yōu)的快速浮選單元排料方式。
快速浮選單元基本結(jié)構(gòu)圖[9]和快浮嵌入式旋流?靜態(tài)微泡浮選柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖分別如圖1和圖2所示??旄∏度胧礁∵x柱將浮選機(jī)(快速浮選單元)和浮選柱 2種設(shè)備相結(jié)合,既可以發(fā)揮出浮選機(jī)對(duì)粗顆粒浮選的優(yōu)勢(shì),將大量的易浮粗顆粒礦物快速浮出,又可以充分發(fā)揮出浮選柱對(duì)微細(xì)顆粒浮選的優(yōu)勢(shì),強(qiáng)化微細(xì)粒難選礦物的回收。
本文設(shè)計(jì) 2種快速浮選單元尾礦排料裝置:一種為均勻布置在快浮單元底部的24根小管排料方式,如圖3所示;另一種為布置在快浮單元底部的三環(huán)排料方式,如圖4所示。2 種排料裝置將快浮單元的尾礦給入浮選柱中。
圖1 快速浮選單元基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of fast flotation unit
圖2快浮嵌入式旋流?靜態(tài)微泡浮選柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2Basic structure ofCyclonic?static micro bubble flotation with embedded fast flotation unit
圖3 快浮單元小管式尾礦排料結(jié)構(gòu)Fig.3 Tubular tailings discharge device of fast floating unit
圖4快浮單元三環(huán)式尾礦排料結(jié)構(gòu)Fig.4Ring tailings discharge device of fast floating unit
圖5所示為工業(yè)浮選柱傘形給料結(jié)構(gòu)。本文以直徑×高為4 m×8 m工業(yè)旋流?靜態(tài)微泡浮選柱為研究對(duì)象,借助于流體動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件 Fluent,對(duì)2種快浮排料方式下的浮選柱內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬,并與工業(yè)浮選柱原有的傘形給料方式(見圖 5)下的柱體內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比,分析快浮排料對(duì)柱體內(nèi)流場(chǎng)的影響,為快浮單元的尾礦排放裝置的模型優(yōu)化提供理論依據(jù)。
圖5 工業(yè)浮選柱傘形給料結(jié)構(gòu)Fig.5 Umbellate feeding device of industrial flotationColumn
2.1模擬假設(shè)
浮選過程是個(gè)非常復(fù)雜的三相流運(yùn)動(dòng)問題,考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力及三相流模型構(gòu)造的復(fù)雜性等實(shí)際情況,對(duì)模型作如下簡(jiǎn)化:1)流體假定為單相流,即液相;2)計(jì)算流體不可壓縮;3)整個(gè)模擬過程為等溫流動(dòng),無熱量的傳遞;4)精礦排出量與尾礦排出量之和等于給料量。
2.2湍流數(shù)值計(jì)算模型
本研究選用基于雷諾平均理論的 RNG k?ε 湍流模型[10]進(jìn)行模擬,該模型具有良好的收斂性。通過求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流方程來獲得三維速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。Fluent提供的控制方程如下:
連續(xù)性方程為
動(dòng)量方程(Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程)為
湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程(k方程)為
湍流動(dòng)能耗散輸運(yùn)方程(ε方程)為
其中:
t 為時(shí)間,s;u為速度,m/s,下標(biāo)i和j取1,2或3,分別表示在x,y或z方向上的分量;ρ 為流體密度,kg/m3;k為單位質(zhì)量的湍流動(dòng)能,m2/s2;ε 為單位質(zhì)量的湍流動(dòng)能耗散率,J/(kg?s3/m);μ 為動(dòng)力黏度,Pa?s;Gk為由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,m2/s2;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,m2/s2;σk和σε分別是k方程和 ε 方程的湍流普朗特?cái)?shù),均取1.39;C1ε和C2ε均為常量,分別取1.42和1.68;Cμ=0.084 5;η0=4.377;β=0.012。
2.3邊界條件和初始條件
邊界條件:所有壁面上施加無滑移邊界條件,即壁面上所有的軸向和徑向速度均取0 m/s;柱分選段采用多孔介質(zhì)模型。
初始條件:對(duì)于直徑×高為4 m×8 m工業(yè)浮選柱,入選礦漿密度為1250 kg/m3,礦漿溫度為30℃,入料量(快浮單元尾礦排料量)為160 m3/h,精礦量為32 m3/h,循環(huán)入料流速為1.219 61m/s,循環(huán)礦漿抽出流速為?1.219 61m/s,尾礦流速為?94.93 mm/s。
2.4模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分
為了準(zhǔn)確模擬出 FCSMC 浮選柱在工業(yè)傘形給料以及快浮單元小管給料與環(huán)形給料狀態(tài)下的內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài),選用三維模型,其幾何體采用三維機(jī)械制圖軟件UG NX6.0構(gòu)建,用Fluent前處理軟件Gambit來劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格類型主要采用四面體和六面體,最終劃分出的3種給料方式下的浮選柱(局部)網(wǎng)格如圖6所示,網(wǎng)格總數(shù)分別為1300 206,1 309 348和1273147。
圖6 浮選柱(局部)網(wǎng)格圖Fig.6 Grid graph ofColumn flotation(local)
使用SIMPLE算法對(duì)壓力、速度耦合求解,二階迎風(fēng)差分格式離散控制方程。
3.1整體效果分析
礦漿通過入料裝置給入柱體后,首先經(jīng)過柱分選單元,柱分選的靜態(tài)分選環(huán)境能夠保證得到高品位的泡沫產(chǎn)品和相對(duì)難選的柱選中礦;隨后的旋流分選段由于存在離心力場(chǎng),使流體紊流度相對(duì)較高,從而能夠?qū)χx中礦進(jìn)一步分選,并將其中易浮礦物返回柱分選段(向上流動(dòng)),其下部則得到更難選的旋流中礦(向下流動(dòng))。圖7所示為3種給料方式下的浮選柱軸截面流線圖,從圖7可見:3 種給料方式下的柱體內(nèi)流線雖然有差別,但其流體流動(dòng)均符合上述的浮選柱分選過程,均可滿足浮選柱對(duì)物料分選的基本要求。
圖7 浮選柱縱剖面流線圖Fig.7 Stream traces of lengthwise section
3.2對(duì)入料段的影響
在入料段主要完成礦化氣泡與礦漿的分離,入料段以上為泡沫層,入料段相對(duì)穩(wěn)定的靜態(tài)環(huán)境有利于支撐與穩(wěn)定泡沫層,強(qiáng)化二次富集作用[11]。因此在入料段相對(duì)較低的湍流強(qiáng)度是必要的。
圖 8和圖9 所示分別為 3種給料方式下的浮選柱入料段橫截面湍流強(qiáng)度等值線云圖和湍動(dòng)能徑向分布。由圖8和圖 9可見:快浮單元環(huán)形給料下的入料段湍動(dòng)能主要集中在0~0.05 m2/s2,明顯低于工業(yè)傘形給料和快浮單元小管給料下的入料段湍動(dòng)能,故環(huán)形給料對(duì)泡沫層的富集及穩(wěn)定更有利。
圖8 入料段湍流強(qiáng)度等值線云圖Fig.8 Contour plot of turbulence intensity in feeding segment
圖9 入料段湍動(dòng)能徑向分布Fig.9 Radial distribution of turbulent kinetic energy in feeding segment
圖10 柱選段軸向速度等值線云圖Fig.10 Contour plot of axial velocity inColumn sorting segment
3.3對(duì)柱選段的影響
氣泡與礦粒的碰撞、黏附主要發(fā)生在柱分選段,為了增大黏附概率,要求柱分選段要有相對(duì)靜態(tài)的環(huán)境,強(qiáng)化料流的質(zhì)量、能量交換[11]。介質(zhì)填充能有效降低柱分選段受旋流段的強(qiáng)旋流影響[11?14],因此在模擬過程中考慮柱分選段的介質(zhì)填充。
圖10 和圖11所示分別為3 種給料方式下的浮選柱柱選段橫截面軸向速度等值線云圖和軸向速度的徑向分布。由圖10 和圖11可以看出:快浮單元環(huán)形給料下的柱選段軸向速度主要集中在?0.15~0.15 m/s,其絕對(duì)值明顯低于其他兩種,且快浮單元環(huán)形給料下的柱選段軸向速度沿徑向分布較其他2種均勻,營(yíng)造了相對(duì)靜態(tài)的分選環(huán)境,有利于礦粒與氣泡的碰撞及黏附。
圖11 柱選段軸向速度徑向分布Fig.11 Radial distribution of axial velocity inColumn sorting segment
3.4對(duì)旋流段的影響
FCSMC 浮選柱的旋流分選段強(qiáng)化浮選的機(jī)理[15?16]為:1)旋流力場(chǎng)降低了浮選下限;2)旋流力場(chǎng)提高了礦化效率;3)旋流力場(chǎng)提高了浮選速度。旋流段是微細(xì)物料強(qiáng)化分選回收的有效機(jī)制,是整個(gè)浮選柱的主要?jiǎng)恿碓?,因此旋流段要有足夠的旋渦強(qiáng)度和離心強(qiáng)度。離心強(qiáng)度用Z表示[16]:
式中:g為重力加速度,m/s2;v為旋流結(jié)構(gòu)的切向入料速度,m/s;r 為旋流結(jié)構(gòu)的半徑,m。當(dāng)旋流半徑一定時(shí),切向速度越大,離心強(qiáng)度越強(qiáng)。
圖12和圖13 所示分別為3 種給料方式下的浮選柱旋流段的旋渦強(qiáng)度和切向速度的徑向分布。由圖12可以看出:3 種給料方式下的旋流段旋渦強(qiáng)度沿徑向的分布曲線基本吻合;由圖13可以看出:3種給料方式下的旋流段切向速度在同一徑向位置上的最大差值在 0.1m/s 以內(nèi),再由式(5)得到3種給料方式下的旋流段離心強(qiáng)度差別極小,說明浮選柱的給料方式對(duì)旋流段的流場(chǎng)影響不大。
圖12旋流段旋渦強(qiáng)度分布Fig.12Radial distribution of vorticity of swirl segment
圖13 旋流段切向速度分布Fig.13 Radial distribution of tangential velocity in swirl segment
1)在整體上看,設(shè)計(jì)的2種快浮單元給料方式下的柱體內(nèi)流線與工業(yè)傳統(tǒng)的傘形給料方式下的柱體內(nèi)流線雖有差異,但均可滿足浮選柱對(duì)礦物分選的基本要求。
2)從局部看,快浮單元環(huán)形給料下的入料段湍流動(dòng)能主要集中在0~0.05 m2/s2,湍流強(qiáng)度明顯低于其他2種;柱選段軸向速度主要集中在?0.15~0.15 m/s,其絕對(duì)值明顯低于其他2 種,且沿徑向分布較其他2種均勻,故環(huán)形給料對(duì)礦物的分選以及二次富集更有利;3 種給料方式下的旋流段旋渦強(qiáng)度沿徑向的分布曲線基本吻合,切向速度在同一徑向位置上的最大差值在0.1m/s以內(nèi),即離心強(qiáng)度差別極小,說明給料方式對(duì)浮選柱旋流段的流場(chǎng)影響不大。
3)實(shí)現(xiàn)了對(duì)3種不同給料結(jié)構(gòu)下的浮選柱柱體內(nèi)流體力學(xué)狀況的預(yù)測(cè)及對(duì)比分析,為快浮單元的尾礦排料結(jié)構(gòu)以及旋流-靜態(tài)微泡浮選柱的入料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ),對(duì)鋁土礦等高細(xì)泥含量礦石的分選設(shè)備及技術(shù)的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。
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(編輯 羅金花)
Numerical research on feed mode of flotationColumn embedded with fast flotation unit based on Fluent
ZHANG Ningning1,2,ZHOUChangchun1,2, YAN Xiaokang1,2
(1.School ofChemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China? 2.National Engineering ResearchCenter ofCoal Preparation & Purification,Xuzhou 221116,China)
Abstract:Based onCharacteristics of fast speed and large amount of foam in flotation of micro-fine bauxite,a fast flotation unit embedded in theCyclone-static micro bubble flotationColumn was proposed.In order to study the effects of feeding methods on flow field in flotationColumn embedded with fast floating units,Fluent,aComputational fluid dynamics software,was used to simulate the internal flow field structure of flotationColumn with different feeding forms,including a traditional industry feeding form as well as two feeding forms under fast floating unit.The results show that all the formsCould meet the basic requirements of flotationColumn for sorting materials,in spite of the difference of flow lines in theColumn.For three feeding methods,the vortex intensities of swirl segment inColumn are basically the same,and the maximum difference among the tangential velocities at the same radial position is within 0.1m/s,which illustrates that feeding methods have little influence on the flow field in flotationColumn.For the feed method of ring device,the turbulent kinetic energy of feeding segment and the axial velocity of theColumn sorting segment are mainlyConcentrated in the range of 0?0.05 m2/s2and ?0.15?0.15 m/s,respectively.In addition,axial velocity distributed in theradial direction is more stable than those when using the other two methods in theColumn sorting segment.Therefore,compared with the other methods,the ring feed device of fast floating unit is more beneficial for mineral sorting and secondary enrichment.
Key words:Cyclone-static micro bubble flotationColumn?fast flotation unit? Fluent?numerical simulation?feeding mode
中圖分類號(hào):TD923.7
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672?7207(2016)01?0001?07
DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.001
收稿日期:2015?01?08;修回日期:2015?03?10
基金項(xiàng)目(Foundation item):國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174205);新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0962);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011QNB09,2014QNB16)(Project(51174205)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(NCET-12-0962)supported by the Program for NewCentury Excellent Talent in University? Project(2011QNB09,2014QNB16)supported by the Fundamental Research Funds for theCentral Universities)
通信作者:周長(zhǎng)春,教授,博士生導(dǎo)師,從事鋁土礦選礦工藝、設(shè)備等研究;E-mail:Cczhoucumt@126.com