УДК 622.7:519.711.2 Хохуля Михаил Степанович к.т.н., в.н.с. Фомин Александр Владимирович
реклама
УДК 622.7:519.711.2 Хохуля Михаил Степанович к.т.н., в.н.с. Фомин Александр Владимирович аспирант Горный институт Кольского научного центра РАН г. Апатиты ИЗУЧЕНИЕ СЕГРЕГАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ТОНКИХ ЧАСТИЦ В СЕПАРАТОРЕ С НАКЛОННЫМИ ПЛАСТИНАМИ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ THE RESEARCH OF SEGREGATIONAL SEPARATION OF FINE PARTICLES USING SEPARATOR WITH INCLINED PLATES BASED ON COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS METHODS При гравитационном обогащении сегрегационные процессы в отличие от гидравлического разделения происходят в движущейся среде при достаточно высоком содержании твердого (40-50%), когда силы взаимодействия между соприкасающимися частицами преобладают над гидравлическими. В результате переработки железных руд возникает проблема выделения гравитационными методами немагнитных фракций, представленных тонкозернистым материалом. В частности, выпуск гематитового концентрата из промпродукта основной магнитной сепарации на ОАО ,,Олкон” производится с использованием отсадочных машин, не обеспечивающих высокую степень извлечения тонких зерен рудных минералов, что отражается на низком (не более 40%) извлечении гематитового железа в концентрат. В этих аппаратах сегрегация протекает в таком гидродинамическом режиме, при котором тонкие частицы полезного компонента вместе с породными минералами взмучиваются и выносятся в верхние слои суспензии, что приводит к существенным потерям гематита с хвостами отсадки. Отмеченные недостатки являются результатом перемешивания наиболее мелких частиц в процессах их псевдоожижения, что приводит к пространственным флуктуациям частиц в камере отсадочной машины, вызванных неоднородностью структуры элементарных объемов взвеси. Неоднородность взвеси возрастает по мере увеличения степени ее разрыхления [1-3]. Данное обстоятельство вызывает необходимость совершенствования гравитационной технологии получения гематитового концентрата, основанной на использовании аппаратов с сегрегационным принципом разделения мелких фракций железной руды на основе совершенствования известных конструкций гидравлических сепараторов. 160 Наиболее благоприятным фактором для сегрегации материала в данном аппарате является возмущение, колебание не среды и не рабочей поверхности, а колебания собственно разделяемых частиц. Создание необходимых для этого условий обеспечит достижение самой эффективной и быстрой сегрегации частиц по размеру и плотности. Скорость расслаивания при сегрегации увеличивается с повышением крупности и разности в плотностях разделяемых частиц, интенсивности вибраций и уменьшением толщины слоя. Она зависит также от формы частиц [4]. Оптимизация данного процесса может быть достигнута созданием в различных частях сепаратора определенной плотности суспензии за счет изменения конструктивных и, как следствие, гидродинамических параметров сепаратора. Одним из основных направлений исследования и анализа процессов разделения минералов, способствующих разработке нового обогатительного оборудования, является компьютерное моделирование. Моделирование проводилось с применением методов вычислительной гидродинамики (CFD - Computational fluid dynamics), как наиболее эффективного инструмента для моделирования гетерогенных сред [5-7]. Для проверки выдвинутой идеи была разработана CFD - модель гидравлического сепаратора, геометрия которой приведена на рис 1. Рис. 1. Геометрия рабочей зоны гидравлического сепаратора с углом наклона пластин 70° Конструктивные решения, заложенные в гидравлический сепаратор, предусматривают использование в рабочей камере аппарата установленного пакета параллельных пластин, на рабочей поверхности 161 которых происходит сегрегационное разделение материала, как на гидравлические классы, так и по плотности частиц, что отличает его от известных промышленных сепараторов. Модель сепаратора состоит из 3 секций, две из которых представляют собой прямолинейные вертикальные участки и секцию с рядом параллельных наклонных пластин. Для разработки CFD-модели гидравлического сепаратора с наклонными пластинами использовался широко распространенный программный комплекс ANSYS Fluent, как один из мощных решателей для объектов, в которых протекают гидродинамические и обменные процессы, что особенно важно при моделировании процессов обогащения полезных ископаемых. В основу CFD-модели сепаратора заложены базовые уравнения гидродинамики, а именно уравнение неразрывности, которое выражает собой закон сохранения массы в элементарном объёме и уравнение сохранения импульса [8]. Для моделирования обогатительного процесса в сепараторе с наклонными вставками эту модель следует дополнить уравнениями, учитывающими турбулентность и многофазность. В качестве модели турбулентности использовалась k- модель. В данном случае уравнения движения среды преобразуется к виду, в котором добавлено влияние флуктуации средней скорости (в виде турбулентной кинетической энергии k) и процесса уменьшения этой флуктуации за счёт вязкости (диссипации ). В данной модели решается 2 дополнительных уравнения для транспорта кинетической энергии турбулентности и транспорта диссипации турбулентности [9]. Моделирование многофазных гранулированных потоков в ANSYS Fluent производилось при помощи двух моделей: Эйлеровой и модели дискретных элементов (Лагранжевой). Эйлерова модель позволяет моделировать поведение суспензии в рабочем объеме аппарата. Для многофазных систем типа жидкость-твердое для каждой фазы отдельно рассчитываются уравнения сохранения массы и импульса, в эти уравнения дополнительно вводится сила сопротивления между фазами, подъемная сила для вторичных фаз. Твердая фаза рассматривается как континуум [8]. В модели дискретных элементов используется другой подход, суспензия рассматривается как группа частиц. Для каждой частицы рассчитывается траектория движения на основе уравнения баланса сил, действующих на частицу. Для описания столкновения и трения частиц между собой и со стенками аппарата используется модель столкновения дискретных элементов (DEM collision model) [10]. Модель Эйлера позволяет оценить концентрацию частиц в рабочем объеме гидравлического сепаратора, скорости движения фаз в нем и другие параметры. С помощью модели дискретных элементов определяется выход частиц в легкую и тяжелую фракции аппарата. 162 Существуют различные численные методы решения системы дифференциальных уравнений, описывающих модели Эйлера и Лагранжа, в частности, в ANSYS Fluent используется метод конечных элементов. Для работы метода необходимо расчетную область разбить на ячейки, т.е. сгенерировать расчетную сетку. Сетка имеет неоднородный характер, размер ячеек меньше в области с наклонными пластинами, где необходима большая точность вычислений. Следующий этап построения модели в ANSYS Fluent – это задание параметров и условий модели. Он состоит в выборе типа модели, используемых материалов, задании многофазности, граничных и объемных условий. После задания параметров модели производится расчёт и анализ результатов вычислительного эксперимента. С созданной моделью сепаратора был проведен ряд вычислительных экспериментов, в ходе которых варьировался состав питания, скорость восходящего потока, геометрия аппарата. Численное моделирование процесса гидравлической сепарации осуществлялось на материале, состоящем из смеси частиц кварца и гематита. Использовалось 4 класса крупности, со средним диаметром частиц 0.1; 0.16; 0.2; 0.315 мм. Исходное питание подавалось в нижнюю часть модели аппарата. Результаты численного решения системы уравнений гидродинамики на различных этапах моделирования оценивались графическим способом. На вертикальных участках модели аппарата твердые частицы равномерно псевдоожижаются, образуя слои с высокими скоростями фильтрации жидкости. По мере того, как суспензия входит в зону наклонных каналов частицы с определенными физическими свойствами оседают на верхних внешних поверхностях пластин с образованием слоя осадка. Этот осадок соскальзывает по наклонной поверхности и переходит в нижнюю зону с пониженными скоростями фильтрации жидкости в нижнюю зону сепаратора с пониженными скоростями фильтрации жидкости. Часть частиц осаждается в зону разгрузки аппарата, а зерна, оставшиеся в суспензии, переносятся по каналам между наклонными пластинами в верхнюю часть аппарата, откуда транспортируются в приемник легкой фракции. Возвращенный осадок смешивается с суспензией в зоне псевдоожижения и возвращается в наклонный канал. Этот эффект рециркуляции является следствием взаимодействия частиц, находящихся между наклонными каналами и суспензией. Одной из наиболее важных характеристик процесса гидравлической сепарации является распределение скорости движения жидкости по высоте и сечению аппарата. На рис. 2 приведены графические результаты вычислительного эксперимента над созданной моделью гидравлического сепаратора, в котором осуществляется процесс разделения смеси сферических частиц гематита и кварца через 230 секунд после начала процесса, скорость 163 восходящего потока в нижней секции сепаратора составляла 0,065 м/с. Была выполнена оценка распределения скорости движения воды по сечению моделируемого объекта. В нижней секции аппарата, зона которой непосредственно примыкает к секции с наклонными пластинами средняя скорость составляет 0.09 м/с, в непосредственной близости от отверстий, в которые поступает вода, средняя скорость возрастает до 0.4 м/с. Во вставке с наклонными пластинами средняя скорость равна 0.12 м/с, а в зоне разгрузки легкой фракции модели сепаратора ее значение не превышает 0.09 м/с. Рис. 2. Графические результаты распределения скорости движения жидкости по сечению модели аппарата Созданная модель позволяет оценить также распределение частиц по классам крупности в аппарате. На рис. 3 представлено размерное распределение частиц кварца в объеме аппарата на момент времени 295 секунд с начала эксперимента. По характеру крупные частицы кварца (0.2 и 0.315 мм) остаются в нижней секции сепаратора; более мелкие (0.16 мм) попадают в область с наклонными каналами, затем перемещаются по пластинам преимущественно в зону псевдоожиженного слоя и лишь небольшая доля частиц попадает в легкую фракцию. В нее также поступает большая часть мелких частиц кварца размером 0.1 мм. 164 Рис. 3. Распределение отслеживаемых частиц кварца по крупности в рабочем объеме аппарата Для оценки адекватности модели результаты, полученные в ходе вычислительного эксперимента, были сравнены с результатами, полученными в ходе физического эксперимента (табл. 1). Он заключался в проведении технологических испытаний лабораторного экспериментального образца гидравлического сепаратора, конструкция которого повторяла его CFD-модель. Исходным питанием сепаратора являлась приготовленная искуственная смесь гематита и кварца крупностью -0.5+0.1 мм. Содержание гематита в ней составляло 31.7%. На рисунке 4 представлена гистограмма, которая позволяет оценить абсолютное отклонение данных, полученных в результате моделирования, от экспериментальных. Были расчитаны абсолютные погрешности по выходу и содежанию в каждом классе крупности. В среднем погрешность составляет 7-10%, что приемлемо для процессов гравитационного обогащения полезных ископаемых. 165 Таблица 1. Результаты физического эксперимента и численного моделирования процесса разделения искусственной смеси частиц гематита и кварца в сепараторе с наклонными пластинами Фракция Крупность легкая фракция +0.315 -0.315+0.2 -0.2+0.16 -0.16+0.1 Итого: +0.315 -0.315+0.2 -0.2+0.16 -0.16+0.1 Итого: тяжелая фракция Компьютерное моделирование Выход Содержание, % % гематит кварц Физический эксперимент Выход Содержание, % % гематит кварц 0.8 0 100 4.9 4.8 95.2 23.7 75.5 100 29.7 29.6 25.3 15.4 100 0 2.2 1.7 60.1 50.2 59.0 94.2 62.1 100 97.8 98.3 39.9 49.8 41.0 5.8 37.9 27.0 68.1 100 12.6 36.0 25.4 26.0 100 3.1 7.7 6.3 70.5 55.5 69.0 82.6 67.9 96.9 92.3 93.7 29.5 44.5 31.0 17.4 32.1 Рис. 4. Абсолютное отклонение данных, полученных в ходе моделирования, от экспериментальных Таким образом, CFD–моделирование дает близкие к экспериментальным результаты, что позволяет судить об адекватности разработанной модели реальному процессу. 166 Литература. 1. Тодес О.М., Бондарева А.К., Гринбаум М.Б. Движение и перемещение частиц твердой фазы в псевдоожиженном слое. // Химическая промышленность, 1966. − № 6. – С. 50-52. 2. Верхотуров М.В. Сепарация влажных материалов. – Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1987. – 136 с. 3. Верхотуров М.В. Гравитационные методы обогащения: учебник для вузов. – М.: МАКС Пресс, 2006. – 352 с. 4. Бейсеев О.Б., Бейсеев А.О., Шакирова Г.С., Байгожина Ж.М. Техноминералогические исследования руд нетрадиционных видов минеральных наполнителей типа асбестов, пригодных для производства био и экозащитных материалов специального назначения // Вестник КазНТУ, 2007. – №4. – С. 15-25. 5. Shukla S. K., Shukla P. and Ghosh P. Evaluation of numerical schemes for dispersed phase modeling of cyclone separators. // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2011. – Vol. 5. – No. 2. – pp. 235-246. 6. Leeuwner M. J., Eksteen J. J. Computational fluid dynamic modeling of two phase flow in hydrocyclone. // The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2008. – Vol. 108. – No. 4. – pp. 231-236. 7. Doroodchi E., Galvin K. P., Fletcher D. F. The influence of inclined plates on expansion behaviour of solid suspensions in a liquid fluidized bed — a computational fluid dynamics study. // Powder Technology, 2005. – Vol. 156. – No. 2. – pp. 1-7. 8. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Ч. I. — М.: Наука, 1987. – 464 с. 9. Launder B.E., Spalding D.B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. –London, England: Academic Press, 1972. 10. Cundall P.A., Strack O.D.L. A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies. // Geotechnique, 1979. – No. 29. – pp. 47-65. Аннотация. Рассматривается гравитационное разделение тонких частиц в сепараторе с восходящим потоком воды и системой параллельных наклонных пластин. Для исследования влияния сегрегационного эффекта на характер расширения твердой суспензии в псевдоожиженном слое использовались методы вычислительной гидродинамики. This paper is concerned with the gravity separation of fine particles in a reflux separator with a fluidized bed and the system of parallel inclined channels. Computational fluid dynamics (CFD) approach was employed to investigate the influence of the segregation effect on the expansion behavior of solids suspension in liquid fluidized bed. 167 Ключевые слова. сегрегация, вычислительная гидродинамика, численное моделирование, гравитационный процесс, гидравлический сепаратор, гематит, кварц segregation, computational fluid dynamics, numerical modeling, gravitational process, hydraulic separator, hematite, quartz 168
