淘析流化床分選柱設計結構流場數值模擬

吳宏斌

(陽煤煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

浮選利用礦物表面對氣泡吸附性的差異,采用合適的氣-液兩相流實現不同礦物的分離，重選利用礦物密度的差異,借助合適的密度場(重液、上升密度流)實現不同礦物的分離。這兩種分選方法已經廣泛應用于礦物分選領域。淘析流化床分選柱旨在利用浮選對目的礦物的高選擇性，從而拉開目標礦物與矸石的密度差異，人為干預提高礦物的可選性，實現礦物在重選環境(上升密度流)中的高精度分選。

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，可用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。FLUENT軟件的結構由前處理、求解器及后處理3大模塊組成。軟件的核心部分是Navier-Stockes方程組的求解模塊。FLUENT軟件包含豐富而先進的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流[1].

本文利用計算流體力學軟件FLUENT對淘析流化床分選柱進行了液相、氣-液兩相的數值模擬，以驗證淘析流化床分選柱結構設計的預期構想，為下一步搭建試驗平臺進行實驗室試驗提供一定的理論依據。

1 淘析流化床分選柱設計構想及模擬方法

1.1 淘析流化床分選柱設計構想

淘析流化床分選柱主要由入料管、循環導流管、氣泡流入口、穩流板、水流入口等組成，其設計結構見圖1.其設計構想主要是通過水流入口經過穩流板提供穩定的上升密度流，氣泡流[2]進入經過循環導流管導流使得導流管內上升密度流形成一個加速，從而循環導流管內部與外部形成壓力差，使得上升密度流在循環導流管內完成氣-液兩相充分分散融合提供穩定的上升流的同時，循環導流管內外形成一個循環流。

圖1 流態化浮選柱物理模型圖

淘析流化床分選柱設計礦漿通過入料管進入分選柱，通過調整入料管深度使得入料進入氣泡流與上升密度流相互剪切形成強湍流區，借助這個區域完成礦漿的分散、分層以及與氣泡的碰撞礦化(同時進行著重選分選與浮選分選)，這個過程中沒有被氣泡捕捉或者分散不充分的礦物下沉至循環導流管區域，在循環流的作用下，再次被吸入至強湍流區進行二次分選[2-5].

通過對分選過程的描述可以看出，淘析流化床分選柱設計的重點是氣泡流與上升密度流碰撞后是否形成了強湍流區，循環導流管的設計是否形成了循環流，分選柱的上部是否形成了穩定的上升氣泡流[6].

1.2 模擬方法

通過計算流體力學軟件FLUENT對上述問題進行驗證。針對淘析流化床分選柱內流場特點(氣-液兩相形成的湍流過程)，假設氣泡和流體為不可壓縮的連續氣、液混合相，選用Euler法以減小計算量，k-ε標準湍流模型，采用Gambit前處理軟件對分選柱模型進行網格劃分，網格數量約34萬個.

2 淘析流化床分選柱流場模擬結果與分析

模擬條件：水的密度1 000 kg/m3、黏度0.001 003 kg/m-s，重力加速度9.8 m/s2，標準大氣壓101 325 Pa，進口速度為入口流速0.34 m/s，出口為標準壓力出口。

2.1 氣泡流與上升密度流碰撞是否形成強湍流區

混合相湍流度分布云圖見圖2.由圖2可知，在氣-液混合相相遇的區域上部湍流度較強，這將有利于目標礦物顆粒完成分散、分層以及與氣泡的碰撞礦化。隨著流體向精礦排放口運動，湍流度逐漸減弱，從而可以降低礦化顆粒的脫附概率。

圖2 混合相湍流度分布云圖

2.2 循環導流管的設計是否形成循環流

流體跡線分布圖見圖3.由圖3可知，分選柱下部的頂水經穩流板穩流后，在循環導流管內與氣泡流相遇，形成了循環導流管內的流體加速，使得流體分流后，一部分沿導流管外部向下形成外循環，另一部分向分選柱上部移動。由此可以看出，在循環導流管區域形成了循環流，循環流有助于目標礦物在循環流的作用下重新由循環導流管中心區域向上運動，實現目標礦物二次分選。

圖3 流體跡線分布圖

2.3 分選柱的上部是否形成了穩定的上升氣泡流

水相速度矢量圖見圖4,氣相體積分數分布云圖見圖5.由圖4，5可知，形成上升氣泡流經過強湍流區后速度逐漸趨于穩定，氣體的分散趨于均勻，創造了有利于分選的流體力學環境，這將在分選柱上部形成均勻的氣泡流，從而有利于在分選柱上部實現流態化，可保障分選過程的進行。

圖4 水相速度矢量圖

圖5 氣相體積分數分布云圖

3 結 語

利用計算流體力學軟件FLUENT對淘析流化床分選柱進行了氣-液兩相流的數值模擬，驗證了淘析流化床分選柱結構設計的3個構想，即氣泡流與上升密度流碰撞后形成了強湍流區、循環導流管的設計形成了循環流、分選柱的上部形成了穩定的上升氣泡流,對下一步優化分選柱結構及搭建試驗平臺進行實驗室試驗提供了有力的理論支持。