發(fā)布時間：2018-01-01 15:23

  本文關(guān)鍵詞：基于顆粒運(yùn)動行為調(diào)控的旋流器分離過程研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　出處：《華東理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 水力旋流器 數(shù)值模擬 受力分析 分離機(jī)制 分級精度 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘要】：水力旋流器是利用離心力場實(shí)現(xiàn)多相體系高效分離的單元設(shè)備,結(jié)構(gòu)非常簡單,但內(nèi)部多相流場卻十分復(fù)雜。旋流器分離機(jī)制與多相流體運(yùn)動行為密切相關(guān),深入研究兩者之間的影響規(guī)律有利于調(diào)控分離過程和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文以數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試為研究方法,全面探索了旋流器內(nèi)部氣液固多相運(yùn)動規(guī)律、顆粒相分離特性與運(yùn)動行為和高精度顆粒分級影響機(jī)制。通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法建立了準(zhǔn)確描述旋流器內(nèi)多相流動的數(shù)學(xué)模型。在時均納維斯托克斯(N-S)方程之上,采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)預(yù)測各向異性的液相湍流流場；采用流體體積分率模型(VOF)捕捉氣相瞬時變化特性；采用拉格朗日顆粒追蹤模型(DPM)描述顆粒相的運(yùn)動行為。將計(jì)算得到的液相速度分布、空氣柱半徑和顆粒相分離效率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,證明了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用所建立的數(shù)學(xué)模型,以分離效率、受力狀態(tài)和運(yùn)動軌跡為研究內(nèi)容全面探討了顆粒相的分離機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：流體曳力、壓力梯度力和離心力的共同作用控制顆粒的運(yùn)動。對于不同粒徑顆粒的分離機(jī)制,單位質(zhì)量顆粒所受徑向流體曳力起決定性作用,而離心力和徑向壓力梯度力基本保持不變。隨著顆粒粒徑的增大,流體曳力呈指數(shù)降低,離心力和壓力梯度力的控制作用增強(qiáng),表現(xiàn)為分離效率的提高。在溢流離開的顆粒中,較大比例的顆粒運(yùn)動時間較短,會快速運(yùn)動至溢流管下端即進(jìn)入內(nèi)旋流。對于底流離開的顆粒,隨著粒徑的增加,顆粒會以更快的旋轉(zhuǎn)速度,較為清晰的軌跡進(jìn)入外旋流。研究還考察了顆粒密度、料液粘度、進(jìn)料流量、進(jìn)料方式和分流比對顆粒相分離特性與運(yùn)動行為的影響。采用系統(tǒng)的分級精度評價指標(biāo),以粗細(xì)顆粒精確分級為分離目標(biāo)進(jìn)行了旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究表明：無量綱進(jìn)口直徑(Di/Dc)、無量綱溢流管直徑(Do/Dc)、無量綱錐段長度(Lz/Dc)和無量綱底流管直徑(Du/Dc)對于分級精度的影響最為顯著。分級精度隨著無量綱進(jìn)口直徑的增加逐漸提高,但是無量綱進(jìn)口直徑超過臨界值(Di/Dc=0.35)后,由于短路流現(xiàn)象的加劇,粗顆粒底流回收效率的急劇降低會引起分級精度的下降。分級精度隨著無量綱溢流管直徑的增加先增大后減小,分流比的降低引起細(xì)顆粒溢流分離效率的提高,切向速度的減小則導(dǎo)致粗顆粒底流回收效率的降低。隨著無量綱錐段長度的增加,分級精度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,分流比的增大造成細(xì)顆粒溢流分離效率的降低,而停留時間的延長引起粗顆粒底流回收效率的提高。分級精度隨著無量綱底流管直徑的增加逐漸減小,由于分流比的大幅提高引起細(xì)顆粒溢流分離效率的顯著減小,導(dǎo)致分級精度的降低。最終,顆粒精確分級的旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化范圍為：Di/Dc=0.20～030、 Do/Dc=0.35～0.60、Lz/Dc=1.25～2.00和Du/Dc=0.05～0.15。通過響應(yīng)曲面方法進(jìn)行高精度旋流器設(shè)計(jì),結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無量綱溢流管直徑是影響分級精度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),其次為無量綱錐段長度,無量綱進(jìn)口直徑和無量綱底流管直徑的影響最弱。并且,無量綱溢流管直徑與無量綱錐段長度之間相互作用的影響最為顯著。優(yōu)化旋流器幾何結(jié)構(gòu)為Di/Dc=0.20、Do/Dc=0.35、L2/Dc=1.67和Du/Dc=0.10,模擬所得的細(xì)顆粒溢流分離效率和粗顆粒底流回收效率分別為89.9%和96.7%。高精度旋流器分級性能測試數(shù)據(jù)表明：對于酸解尾渣體系,細(xì)顆粒溢流分離效率可達(dá)96.0%,粗顆粒底流回收效率為69.7%。通過工藝運(yùn)行發(fā)現(xiàn),底流回收顆粒中含有較少的細(xì)顆粒泥渣,無需二次溢流漂洗；減緩了“溢流跑粗”導(dǎo)致的過多鈦礦損失,二氧化鈦回收率可達(dá)51.0%。
[Abstract]:Hydrocyclone is the use of centrifugal force field to achieve multi phase system of efficient separation unit, the structure is very simple, but the internal multiphase flow is very complex. The cyclone separation mechanism and multiphase fluid motion behavior is closely related to an in-depth study of the law between the beneficial to control the separation process and optimize the structure design method in this paper. By numerical simulation and experimental test, a comprehensive exploration of the internal gas-liquid cyclone solid multiphase motion, particle phase separation characteristics and influence mechanism of motor behavior and high precision particles. Using computational fluid dynamics (CFD) method to establish an accurate mathematical model to describe the hydrocyclone of multiphase flow in the time averaged Navier Stokes (. N-S) equation, the Reynolds stress model (RSM) to predict the anisotropy of liquid phase turbulent flow; rate model using volume of fluid (VOF) characteristics of gas phase transient capture Lagrange; using particle tracking model (DPM) to describe the motion of particles. The calculated velocity distribution of liquid phase, air cylinder radius and particle separation efficiency is compared with experimental data, proved the accuracy and reliability of the mathematical model. Using the model, the separation efficiency, stress state and motion track as the research content comprehensively discusses the separation mechanism of particles. The results showed that the fluid drag force, interaction control particle pressure gradient force and the centrifugal force of the movement. The separation mechanism of different size particles, per unit mass of particles by radial fluid drag force plays a decisive role, and the centrifugal force and radial pressure gradient force remained the same. With the increase of particle size, fluid drag force decrease exponentially, enhance the control effect of centrifugal force and pressure gradient force, the performance for the separation efficiency. In the overflow left The particles in the particle movement, a large proportion of the time is short, quick movement to the bottom of the overflow pipe into the inner vortex. For bottom left particles, with increasing particle size, particle will spin faster, more clear trajectory to the outer vortex. The study also investigated the particle density, liquid viscosity. The feeding flow characteristics and movement behavior of feeding mode and diversion ratio on the particle phase separation. The classification accuracy evaluation index system, to the precise classification particle structure of hydrocyclone is optimized for separation of the target. The study shows that the dimensionless inlet diameter (Di/Dc), dimensionless overflow pipe diameter (Do/Dc). The dimensionless cone length (Lz/Dc) and the dimensionless underflow pipe diameter (Du/Dc) influence on the classification accuracy is the most significant. The classification accuracy increased with the dimensionless inlet diameter, but the dimensionless inlet diameter exceeds the critical Value (Di/Dc=0.35), because of the short circuit flow phenomenon intensified dramatically reduces the recovery efficiency of coarse particles underflow can decrease the classification accuracy. The classification accuracy with increasing dimensionless overflow pipe diameter increases first and then decreases, the decrease of the diversion ratio of fine particle overflow separation efficiency, the tangential velocity decreases, which leads to the decrease of coarse underflow recovery efficiency. With the increase of dimensionless cone length, the accuracy of classification was first increased and then decreased, the increasing of split ratio caused the reduction of fine particle overflow separation efficiency, and prolong the residence time caused by coarse underflow recovery efficiency increased. The classification accuracy decreases with the increase of dimensionless bottom flow pipe diameter because of the greatly increased, the split ratio caused by fine particles significantly reduced the overflow separation efficiency, reduce the accuracy of classification. Finally, the structure of swirler and particle accurate classification Range: Di/Dc=0.20 ~ 030, Do/Dc=0.35 ~ 0.60, Lz/Dc=1.25 ~ 2 and Du/Dc=0.05 ~ 0.15. by response surface method, high precision cyclone results showed that the dimensionless diameter of the overflow pipe is the key structural parameters of the classification accuracy, followed by the dimensionless cone length. The influence of dimensionless inlet diameter and dimensionless bottom the diameter of the tube. The weakest and the dimensionless overflow pipe interaction between the diameter and the dimensionless cone length is the most significant. The geometric structure of hydrocyclone optimization for Di/Dc=0.20, Do/Dc=0.35, L2/Dc=1.67 and Du/Dc=0.10, the simulation results of fine particles and coarse particle separation efficiency overflow underflow recovery rate was 89.9% and the high precision 96.7%. cyclone classification performance test data show that for the solution of acid slag system, overflow fine particle separation efficiency can reach to 96%, coarse underflow recovery efficiency is 69.7%. through. The art of operation found that fine particle sludge contains less particles in underflow recovery, without two overflow rinsing; slow down the "overflow coarse" caused by excessive loss of titanium, titanium dioxide recovery rate can reach 51.0%.

【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH122

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本文編號：1365074