超細粉末重力沉降分級的計算機模擬分析

摘 要：為研究重力沉降方法對超細粉末的分級的可行性，理論探索重力沉降方法對超細粉末的分級效果和條件要求，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算流體力學模擬，得出在一定的粒徑和壓力情況下，可以得到一定的分級效果，但分級效率不高，大部分粉末隨氣體流出重力沉降器；通過增加進風口和進一步優化物理原型再次進行模擬，可以得出重力沉降單級分級可以達到將大小直徑顆粒分開的效果，但要取得較好的分級結果需進行多級分離，先進行粗分，中小顆粒再進一步單級分級，最終達到所需的分級效果。

關鍵詞：重力沉降；分級；CFD模擬；超細粉末

超微細粉末的分級是粉末材料領域的研究熱點之一，人們已研究出許多分級方法和相關設備[1-4]。其中，利用離心力對微細粉末的干法分級由于具有處理能力大、過程簡單而倍受人們的關注[2-3]。目前，對于粒徑為微米級的超微細粉體的干法分級多采用內帶轉動部件的分級器，它利用高速旋轉的轉子產生離心力場來強化分級過程進行分級。但其設備結構復雜、造價高、粉體對葉輪磨損較大，另外，還存在轉子對粉體污染等問題。

1 計算機數值模擬

計算機數值模擬在CFD（計算流體力學）軟件平臺上進行[5]，建立全三維模型，利用歐拉多項流動模塊進行計算、分析。重力沉降分級本質為連續的氣體相中有分散的固體顆粒，在隨氣體流動的過程中進行沉降。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相的質量傳遞。從質量守恒方程可得：

■pq=-■qq（2）

■pp=0（3）

q相的動量方程為：

（4）

這里 是第q相的壓力應變張量：

（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）物理和網絡模型

以某公司所有的重力沉降器為原型建立計算機數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；進料口、進風口與出口尺寸分別為0.1m*0.2m、0.2m*0.2m與0.2m*0.2m。在建立模型的基礎上采用非結構化網格生成方法產生網格系統，圖2為重力沉降器網格圖。

圖2 重力沉降器模

（3）計算機數值模擬工況

將計算機數值模擬中的固體顆粒項按直徑大小分為1μm、3μm、7μm三等級，以1Kpa、3Kpa、5Kpa、5Kpa、10Kpa壓力為參數設計相應的工況條件，進行計算機數值模擬。表1為計算機數值模擬工況條件表。

表1 計算機數值模擬工況條件表

2 模擬結果分析

通過對表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效果不明顯。以下給出了算例9數值模擬計算結果。

表2 算例9進料口各直徑礦粉顆粒質量分布

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

表3為各個收集箱中礦粉顆粒質量分布情況，由表3看出礦粉顆粒大部分沉積在3、5箱，而1、2、4箱中的礦粉顆粒質量基本相同，但是很少。單位時間流入1、2、3、4、5收集箱中的質量分別為0.053Kg、0.039Kg、0.359Kg、0.039Kg、0.161Kg，并且進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 各個收集箱中礦粉顆粒質量分布

表4 三種礦粉顆粒在各箱質量分布

表4分別給出了1μm、3μm、7μm在各個收集箱中的質量分布情況，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在各個收集箱中的分布規律與1μm礦粉顆粒在各個收集箱中的分布規律類似。礦粉顆粒大量沉積在5箱中是因為重力沉降器中的氣流速度過快，所以大量礦粉顆粒被帶到5箱中沉積；同時從表4也可以知道在1、2、3、4、5箱中各中直徑礦粉顆粒質量分布，從表中可以看出1、2、3、4、5箱中各個直徑礦粉顆粒分級較好，主要顆粒比例很高。但總的來說，重力沉降方法對超細粉末顆粒分級不完全。

3 優化模型的模擬

原公司提供的重力沉降器對超細粉末顆粒分級效果不好，不可能對超細粉末顆粒完全分級，考慮設計可以單級分級的重力沉降器，通過對超細粉末顆粒逐次單級分級達到最后的完全分級。根據上述思想提出重力沉降器的優化方案，進行計算機數值模擬，并對得到的結果進行分析，討論其對粉末顆粒單級分級的有效性。（如圖3所示）

圖3 為優化方案的模型示意圖

從圖3中可以看出，超細粉末進入重力沉降器后從不同的出口（出口外接收集箱）中流出，達到分級的目的。其中進料口氣體流速為5m/s，進風口1氣流流速為10m/s，進風口2氣流流速為20m/s。

表5為從進料口進入重力沉降器的不同直徑（1μm、3μm、7μm）的粉末顆粒質量流率，可以看出3種進入重力沉降器的粉末顆粒的質量流率相同，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中小直徑的超細粉末顆粒占絕對的多數，可以達到85.80%。可以得出：（1）重力沉降器單級分級的效率不高；（2）重力沉降器單級分級可以將大直徑顆粒與小直徑顆粒分級；（3）在出口3得到中小直徑礦粉顆粒占絕大多數，可以得出結論用重力沉降器對超細粉末顆粒進行單級分級可以達到將大小直徑顆粒分開的效果，重力沉降器對超細粉末顆粒進行單級分級可以先進行粗分，中小顆粒要進一步單級分級，最終達到完全分開。

表5 進料口各直徑礦粉顆粒質量分布

表6 不同出口粉末顆粒的質量流率

4 結束語

利用重力沉降方法對超細粉末顆粒分級，經過上述研究可得到以下結論：（1）利用重力沉降方法對超細粉末顆粒分級條件苛刻，但在控制好工況條件和選擇合理的設備結構下存在可行性，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超細粉末顆粒分級，單級分級的效率不高，對于小直徑顆粒分級需要提高其靈敏度；（3）利用重力沉降方法對超細粉末顆粒分級，要取得相對較好的分級結果，可進行多級分離，先進行粗分，中小顆粒要進一步單級分級，最終達到完全分級。

參考文獻

[1]裴重華，李風生，宋洪昌，等.超細粉體分級技術及進展[J].化工進展，1994（5）：1-5+23.

[2]陶珍東，鄭少華.用旋風分級器進行微細分級的可行性[J].化工裝備技術.1995，16（1）：14-16.

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

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

[5]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：124-125.

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