超細(xì)粉末重力沉降分級(jí)的計(jì)算機(jī)模擬分析

摘 要：為研究重力沉降方法對(duì)超細(xì)粉末的分級(jí)的可行性，理論探索重力沉降方法對(duì)超細(xì)粉末的分級(jí)效果和條件要求，文章以某公司提出的重力沉降收塵器為原型，在不同粉末粒徑、不同壓力的工況條件下通過計(jì)算流體力學(xué)模擬，得出在一定的粒徑和壓力情況下，可以得到一定的分級(jí)效果，但分級(jí)效率不高，大部分粉末隨氣體流出重力沉降器；通過增加進(jìn)風(fēng)口和進(jìn)一步優(yōu)化物理原型再次進(jìn)行模擬，可以得出重力沉降單級(jí)分級(jí)可以達(dá)到將大小直徑顆粒分開的效果，但要取得較好的分級(jí)結(jié)果需進(jìn)行多級(jí)分離，先進(jìn)行粗分，中小顆粒再進(jìn)一步單級(jí)分級(jí)，最終達(dá)到所需的分級(jí)效果。

關(guān)鍵詞：重力沉降；分級(jí)；CFD模擬；超細(xì)粉末

超微細(xì)粉末的分級(jí)是粉末材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，人們已研究出許多分級(jí)方法和相關(guān)設(shè)備[1-4]。其中，利用離心力對(duì)微細(xì)粉末的干法分級(jí)由于具有處理能力大、過程簡(jiǎn)單而倍受人們的關(guān)注[2-3]。目前，對(duì)于粒徑為微米級(jí)的超微細(xì)粉體的干法分級(jí)多采用內(nèi)帶轉(zhuǎn)動(dòng)部件的分級(jí)器，它利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生離心力場(chǎng)來強(qiáng)化分級(jí)過程進(jìn)行分級(jí)。但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、粉體對(duì)葉輪磨損較大，另外，還存在轉(zhuǎn)子對(duì)粉體污染等問題。

1 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在CFD（計(jì)算流體力學(xué)）軟件平臺(tái)上進(jìn)行[5]，建立全三維模型，利用歐拉多項(xiàng)流動(dòng)模塊進(jìn)行計(jì)算、分析。重力沉降分級(jí)本質(zhì)為連續(xù)的氣體相中有分散的固體顆粒，在隨氣體流動(dòng)的過程中進(jìn)行沉降。圖1為固體顆粒沉降過程示意圖。

（1）歐拉理論模型

q相的連續(xù)性方程為：

（1）

這里vq是q相的速度，■pq表示了從第p相到q相的質(zhì)量傳遞。從質(zhì)量守恒方程可得：

■pq=-■qq（2）

■pp=0（3）

q相的動(dòng)量方程為：

（4）

這里 是第q相的壓力應(yīng)變張量：

（5）

？滋qand？姿q是q相的剪切和體積粘度，■q是外部體積力，■lift，q是升力，■Vm，q是虛擬質(zhì)量力，■pq是相之間的相互作用力，p是所有相共享的壓力。

（2）物理和網(wǎng)絡(luò)模型

以某公司所有的重力沉降器為原型建立計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬使用的三維模型。重力沉降器外觀尺寸（長*寬*高）為3m*0.5m*1.2m；進(jìn)料口、進(jìn)風(fēng)口與出口尺寸分別為0.1m*0.2m、0.2m*0.2m與0.2m*0.2m。在建立模型的基礎(chǔ)上采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法產(chǎn)生網(wǎng)格系統(tǒng)，圖2為重力沉降器網(wǎng)格圖。

圖2 重力沉降器模

（3）計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬工況

將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬中的固體顆粒項(xiàng)按直徑大小分為1μm、3μm、7μm三等級(jí)，以1Kpa、3Kpa、5Kpa、5Kpa、10Kpa壓力為參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工況條件，進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。表1為計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬工況條件表。

表1 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬工況條件表

2 模擬結(jié)果分析

通過對(duì)表1一系列工況條件的模擬，除工況條件9和12外，其余工況條件下分級(jí)效果不明顯。以下給出了算例9數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

表2 算例9進(jìn)料口各直徑礦粉顆粒質(zhì)量分布

表2為算例9進(jìn)料口各直徑礦粉顆粒質(zhì)量分布情況，由表2看出在進(jìn)料口處直徑為1μm、3μm、7μm的礦粉顆粒相應(yīng)質(zhì)量流率為2.372Kg/s、4.744Kg/s、2.372Kg/s，單位時(shí)間進(jìn)入重力沉降器中礦粉顆粒質(zhì)量為9.488Kg。

表3為各個(gè)收集箱中礦粉顆粒質(zhì)量分布情況，由表3看出礦粉顆粒大部分沉積在3、5箱，而1、2、4箱中的礦粉顆粒質(zhì)量基本相同，但是很少。單位時(shí)間流入1、2、3、4、5收集箱中的質(zhì)量分別為0.053Kg、0.039Kg、0.359Kg、0.039Kg、0.161Kg，并且進(jìn)入重力沉降器礦粉顆粒大部分隨氣流跑出重力沉降器。

表3 各個(gè)收集箱中礦粉顆粒質(zhì)量分布

表4 三種礦粉顆粒在各箱質(zhì)量分布

表4分別給出了1μm、3μm、7μm在各個(gè)收集箱中的質(zhì)量分布情況，由表4中可以看出1μm礦粉顆粒大部分沉積在3、5箱中，而1、2、4箱分布很少。3μm、7μm在各個(gè)收集箱中的分布規(guī)律與1μm礦粉顆粒在各個(gè)收集箱中的分布規(guī)律類似。礦粉顆粒大量沉積在5箱中是因?yàn)橹亓Τ两灯髦械臍饬魉俣冗^快，所以大量礦粉顆粒被帶到5箱中沉積；同時(shí)從表4也可以知道在1、2、3、4、5箱中各中直徑礦粉顆粒質(zhì)量分布，從表中可以看出1、2、3、4、5箱中各個(gè)直徑礦粉顆粒分級(jí)較好，主要顆粒比例很高。但總的來說，重力沉降方法對(duì)超細(xì)粉末顆粒分級(jí)不完全。

3 優(yōu)化模型的模擬

原公司提供的重力沉降器對(duì)超細(xì)粉末顆粒分級(jí)效果不好，不可能對(duì)超細(xì)粉末顆粒完全分級(jí)，考慮設(shè)計(jì)可以單級(jí)分級(jí)的重力沉降器，通過對(duì)超細(xì)粉末顆粒逐次單級(jí)分級(jí)達(dá)到最后的完全分級(jí)。根據(jù)上述思想提出重力沉降器的優(yōu)化方案，進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析，討論其對(duì)粉末顆粒單級(jí)分級(jí)的有效性。（如圖3所示）

圖3 為優(yōu)化方案的模型示意圖

從圖3中可以看出，超細(xì)粉末進(jìn)入重力沉降器后從不同的出口（出口外接收集箱）中流出，達(dá)到分級(jí)的目的。其中進(jìn)料口氣體流速為5m/s，進(jìn)風(fēng)口1氣流流速為10m/s，進(jìn)風(fēng)口2氣流流速為20m/s。

表5為從進(jìn)料口進(jìn)入重力沉降器的不同直徑（1μm、3μm、7μm）的粉末顆粒質(zhì)量流率，可以看出3種進(jìn)入重力沉降器的粉末顆粒的質(zhì)量流率相同，都為3.56Kg/s。表6分別給出了出口1、出口2、出口3不同直徑的粉末顆粒的質(zhì)量流率，可以看出出口1、出口2的三種直徑的粉末顆粒仍然混合在一起，出口3中小直徑的超細(xì)粉末顆粒占絕對(duì)的多數(shù)，可以達(dá)到85.80%。可以得出：（1）重力沉降器單級(jí)分級(jí)的效率不高；（2）重力沉降器單級(jí)分級(jí)可以將大直徑顆粒與小直徑顆粒分級(jí)；（3）在出口3得到中小直徑礦粉顆粒占絕大多數(shù)，可以得出結(jié)論用重力沉降器對(duì)超細(xì)粉末顆粒進(jìn)行單級(jí)分級(jí)可以達(dá)到將大小直徑顆粒分開的效果，重力沉降器對(duì)超細(xì)粉末顆粒進(jìn)行單級(jí)分級(jí)可以先進(jìn)行粗分，中小顆粒要進(jìn)一步單級(jí)分級(jí)，最終達(dá)到完全分開。

表5 進(jìn)料口各直徑礦粉顆粒質(zhì)量分布

表6 不同出口粉末顆粒的質(zhì)量流率

4 結(jié)束語

利用重力沉降方法對(duì)超細(xì)粉末顆粒分級(jí)，經(jīng)過上述研究可得到以下結(jié)論：（1）利用重力沉降方法對(duì)超細(xì)粉末顆粒分級(jí)條件苛刻，但在控制好工況條件和選擇合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)下存在可行性，可將大直徑顆粒與小直徑顆粒分離；（2）利用重力沉降方法對(duì)超細(xì)粉末顆粒分級(jí)，單級(jí)分級(jí)的效率不高，對(duì)于小直徑顆粒分級(jí)需要提高其靈敏度；（3）利用重力沉降方法對(duì)超細(xì)粉末顆粒分級(jí)，要取得相對(duì)較好的分級(jí)結(jié)果，可進(jìn)行多級(jí)分離，先進(jìn)行粗分，中小顆粒要進(jìn)一步單級(jí)分級(jí)，最終達(dá)到完全分級(jí)。

參考文獻(xiàn)

[1]裴重華，李風(fēng)生，宋洪昌，等.超細(xì)粉體分級(jí)技術(shù)及進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，1994（5）：1-5+23.

[2]陶珍東，鄭少華.用旋風(fēng)分級(jí)器進(jìn)行微細(xì)分級(jí)的可行性[J].化工裝備技術(shù).1995，16（1）：14-16.

[3]陳剛.空氣分級(jí)機(jī)類型及性能[J].化工裝備技術(shù)，1993，14（6），23-30.

[4]李鳳生，劉宏英，裴重華.我國超細(xì)粉體技術(shù)研究中一些重要而急需解決的問題[J].化工進(jìn)展，1994（3）：46-49，15.

[5]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：124-125.

作者簡(jiǎn)介：禹松濤（1971-），男，河南鄭州人，高級(jí)工程師，西安建筑科技大學(xué)在讀研究生，現(xiàn)工作單位：金昌市金川公司羰化冶金廠。