中心锥式水力旋流器分离特性数值模拟研究.pdf

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1、NumericalsimulationofseparationcharacteristicsofcentralconeHydro-cycloneADissertationSubmittedtoShiheziUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringByZhangHeng(MechanicalManufacturingandAutomation)DissertationSupervisor:P

2、rof.WangWei-bingMay,2018I摘要电石渣是一种工业废弃物，在我国排放量巨大。其主要成分是Ca(OH)2，还含有少量的Al2O3、SiO2、Fe2O3等杂质。通过颗粒分级，提高电石渣中Ca(OH)2含量，用以代替石灰石作为生产电石的原料，实现电石渣资源循环利用。结合电石渣的理化特性与水力旋流器的分离特性，本文设计了一种适用于提纯电石渣的中心锥式水力旋流器，具体研究工作如下：（1）电石渣理化特性的检测。对电石渣的组成成分、粒径范围、不同粒径中Ca(OH)2含量进行测定，根据电石渣的理化特性，

3、确定粒径小于75μm的电石渣中Ca(OH)2的含量可满足代替石灰石生产电石的要求。（2）中心锥式水力旋流器的设计。为克服空气柱引起的溢流跑粗问题，保证电石渣分离精度，提出一种用于提纯电石渣的中心锥式水力旋流器。在静态水力旋流器内部同轴安装中心锥结构，利用中心锥结构占据空气柱位置使得流场更加稳定；中心锥下锥段对向上运动的内旋流有强迫分离的作用，使得卷入内旋流的粗大颗粒被迫向壁面运动回到外旋流，从底流口排出，起到提高分离精度的作用；中心锥上锥段的导流作用，减少了内部矿浆与中心锥下锥段碰撞引起的湍流。（3）中心锥

4、式水力旋流器结构参数的确定。由于水力旋流器分离电石渣时对电石渣有分散作用，若以小于75μm作为目标分离粒径对水力旋流器进行设计，很难保证内部杂质能够有效地被分离。为保证分离精度，以分离目标粒径为50μm作为水力旋流器的设计依据。根据最大切向速度轨迹法建立数学模型，确定水力旋流器柱段直径为50mm。在确定柱段直径的基础上，结合经验公式最终确定中心锥式水力旋流器的壳体结构参数为：D=50mm、a=25mm、b=15mm、Do=15mm、Du=8mm、H=85mm、L=20mm、θ=6°。利用Fluent分别对中

5、心锥式水力旋流器与静态水力旋流器提纯电石渣的内部流场进行数值模拟。利用中心复合试验设计结合仿真结果优化中心锥结构，根据响应曲面结果优化出的中心锥结构参数为中心锥位置A=10mm，中心锥上锥角角度θ2=45°，中心锥下锥角角度θ1=140°。（4）中心锥式水力旋流器分离特性的数值模拟与试验验证。利用Fluent设置相同的仿真条件，对比中心锥式水力旋流器与壳体结构参数相同的静态水力旋流器的流场进行数值模拟仿真，通过对比内部流场的压力分布、切向速度、湍动能、零轴速包络面、速度矢量以及DPM离散相模拟，验证中心锥式

6、水力旋流器的优越性；利用3D打印技术制作中心锥式水力旋流器，搭建试验平台，根据中心复合试验设计设计试验，试验验证中心锥式水力旋流器分离电石渣的效果。通过响应曲面法得到中心锥式水力旋流器的最佳操作参数：处理量Q=1.9m3/h，进料浓度为10%，试验结果为：溢流分离精度极限D95=54μm，分离效率为87.2%，分离精度系数为41.3%。关键词：电石渣；颗粒分级；中心锥式水力旋流器；数值模拟；中心复合试验设计IIAbstractCarbideslagisanindustrialwaste,whichhashu

7、geemissionsinChina.ItsmaincomponentisCa(OH)2,andalsocontainsasmallamountofimpuritiessuchasAl2O3,SiO2andFe2O3.TheCa(OH)2contentincarbideslagcanbeincreasedbyparticlefractionation,whichcanreplacelimestoneasmaterialforproducingcalciumcarbide,andtherecyclingofr

8、esourcescanberealized.Basedonthephysicalandchemicalcharacteristicsofcarbideslagandtheseparationcharacteristicsofhydro-cyclone,acentralconehydro-cyclonesuitableforpurifyingthecarbideslagisdesignedinthispaper.T