碳化硅微粒的水力溢流分级过程的数值模拟
随着现代工业对碳化硅颗粒的要求朝着小粒径、窄粒级的方向发展,工业上对分级机的要求也越来越高。水力溢流分级机是目前碳化硅颗粒分级普遍采用的湿法分级设备,对其进行研究,弄清它的工作原理和设备参数及操作参数对分级机分级效果的影响规律,对优化分级机的结构,提高分级效率具有重要的意义。
本文采用数值模拟的方法,利用Fluent软件对碳化硅颗粒在连续进料型、半连续进料型和带内溢流的这三种水力溢流分级机内的分级过程进行了模拟,得到了分级机内的流场信息以及设备参数和操作参数对分级性能的影响规律,为分级机的结构优化提供了一定的理论依据。
1.采用κ-ω模型模拟连续进料型水力溢流分级机内液相流场,用VOF模型模拟溢流面,用拉格朗日随机轨道模型预测颗粒的分级情况。应用建立的模型模拟了碳化硅颗粒(粒径范围在0.5-100μm)在筒径为1.8m的连续进料型水力溢流分级机内的分级过程,并计算考察了连续进料型水力溢流分级机的筒径、圆柱部分高度、圆锥部分高度和进口水流速度对分级过程的影响规律,获得结论如下:
(1)计算得到了分级机内液相流场的分布规律以及颗粒在分级机内的运动规律,发现流体在分级机内存在严重的回流现象,颗粒在分级机内的运动过程包括上升流和溢流两个阶段,颗粒的分级主要发生在溢流段。
(2)结果证明增大筒径和降低进口流速有利于颗粒的沉降,分割粒径减小;分割粒径随圆柱部分高度和圆锥部分高度变化很小,可以忽略。
(3)利用Stokes理论和模拟结果,推导了连续进料型水力溢流分级机的分割粒径的计算公式,并对公式进行因次分析,得到了计算切割粒径的无因次方程:[dp50/d]2=14.22×Frin/Rein·ρl/ρs-ρl·[d/D]2
同时利用Plitt效率曲线模型和模拟结果,计算了不同条件下参数m的值。发现m值随着圆柱部分直径、圆柱部分高度、圆锥部分高度和进口速度值的增大先增加后减小,这说明以上四个变量都存在最优值使分级精度最高。
2.采用κ-ω和Mixture模型模拟了碳化硅颗粒(粒径范围为2.47-17.75μm)在筒径均为1.8m的半连续进料型水力溢流分级机和带内溢流水力溢流分级机内的分级过程,计算了这两种分级机不同分级时间下沉降颗粒和溢流颗粒的粒径分布情况,另外还考察了水流量、筒径和锥角对半连续进料型水力溢流分级机的分级性能的影响规律,得到结论如下:
(1)计算得到了不同粒径颗粒在这两种分级机内的体积分率时空分布规律,发现颗粒在内溢流型水力分级机溢流段的径向分布较外溢流型水力分级机均匀。
(2)增大水流量和减小筒径,能够减少分级所需时间,但是都会造成沉降颗粒和溢流颗粒的粒径分布变宽,而且沉降颗粒回收率变小;锥角越小,处理量越大,得到的沉降颗粒以及溢流颗粒的粒径分布越窄,但是所需分级时间越长;增加内溢流锥,能大大减少分级所需时间,但是分级效果变差。
水力溢流分级机;碳化硅颗粒;Fluent软件;数值模拟;湿法分级
中国海洋大学
硕士
化学工程
胡仰栋
2011
中文
TQ163.4;TQ051.894
84
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）