淘析流化床分选柱设计结构流场数值模拟

吴宏斌

(阳煤煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)

浮选利用矿物表面对气泡吸附性的差异,采用合适的气-液两相流实现不同矿物的分离，重选利用矿物密度的差异,借助合适的密度场(重液、上升密度流)实现不同矿物的分离。这两种分选方法已经广泛应用于矿物分选领域。淘析流化床分选柱旨在利用浮选对目的矿物的高选择性，从而拉开目标矿物与矸石的密度差异，人为干预提高矿物的可选性，实现矿物在重选环境(上升密度流)中的高精度分选。

FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，可用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。FLUENT软件的结构由前处理、求解器及后处理3大模块组成。软件的核心部分是Navier-Stockes方程组的求解模块。FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流[1].

本文利用计算流体力学软件FLUENT对淘析流化床分选柱进行了液相、气-液两相的数值模拟，以验证淘析流化床分选柱结构设计的预期构想，为下一步搭建试验平台进行实验室试验提供一定的理论依据。

1 淘析流化床分选柱设计构想及模拟方法

1.1 淘析流化床分选柱设计构想

淘析流化床分选柱主要由入料管、循环导流管、气泡流入口、稳流板、水流入口等组成，其设计结构见图1.其设计构想主要是通过水流入口经过稳流板提供稳定的上升密度流，气泡流[2]进入经过循环导流管导流使得导流管内上升密度流形成一个加速，从而循环导流管内部与外部形成压力差，使得上升密度流在循环导流管内完成气-液两相充分分散融合提供稳定的上升流的同时，循环导流管内外形成一个循环流。

图1 流态化浮选柱物理模型图

淘析流化床分选柱设计矿浆通过入料管进入分选柱，通过调整入料管深度使得入料进入气泡流与上升密度流相互剪切形成强湍流区，借助这个区域完成矿浆的分散、分层以及与气泡的碰撞矿化(同时进行着重选分选与浮选分选)，这个过程中没有被气泡捕捉或者分散不充分的矿物下沉至循环导流管区域，在循环流的作用下，再次被吸入至强湍流区进行二次分选[2-5].

通过对分选过程的描述可以看出，淘析流化床分选柱设计的重点是气泡流与上升密度流碰撞后是否形成了强湍流区，循环导流管的设计是否形成了循环流，分选柱的上部是否形成了稳定的上升气泡流[6].

1.2 模拟方法

通过计算流体力学软件FLUENT对上述问题进行验证。针对淘析流化床分选柱内流场特点(气-液两相形成的湍流过程)，假设气泡和流体为不可压缩的连续气、液混合相，选用Euler法以减小计算量，k-ε标准湍流模型，采用Gambit前处理软件对分选柱模型进行网格划分，网格数量约34万个.

2 淘析流化床分选柱流场模拟结果与分析

模拟条件：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，标准大气压101 325 Pa，进口速度为入口流速0.34 m/s，出口为标准压力出口。

2.1 气泡流与上升密度流碰撞是否形成强湍流区

混合相湍流度分布云图见图2.由图2可知，在气-液混合相相遇的区域上部湍流度较强，这将有利于目标矿物颗粒完成分散、分层以及与气泡的碰撞矿化。随着流体向精矿排放口运动，湍流度逐渐减弱，从而可以降低矿化颗粒的脱附概率。

图2 混合相湍流度分布云图

2.2 循环导流管的设计是否形成循环流

流体迹线分布图见图3.由图3可知，分选柱下部的顶水经稳流板稳流后，在循环导流管内与气泡流相遇，形成了循环导流管内的流体加速，使得流体分流后，一部分沿导流管外部向下形成外循环，另一部分向分选柱上部移动。由此可以看出，在循环导流管区域形成了循环流，循环流有助于目标矿物在循环流的作用下重新由循环导流管中心区域向上运动，实现目标矿物二次分选。

图3 流体迹线分布图

2.3 分选柱的上部是否形成了稳定的上升气泡流

水相速度矢量图见图4,气相体积分数分布云图见图5.由图4，5可知，形成上升气泡流经过强湍流区后速度逐渐趋于稳定，气体的分散趋于均匀，创造了有利于分选的流体力学环境，这将在分选柱上部形成均匀的气泡流，从而有利于在分选柱上部实现流态化，可保障分选过程的进行。

图4 水相速度矢量图

图5 气相体积分数分布云图

3 结 语

利用计算流体力学软件FLUENT对淘析流化床分选柱进行了气-液两相流的数值模拟，验证了淘析流化床分选柱结构设计的3个构想，即气泡流与上升密度流碰撞后形成了强湍流区、循环导流管的设计形成了循环流、分选柱的上部形成了稳定的上升气泡流,对下一步优化分选柱结构及搭建试验平台进行实验室试验提供了有力的理论支持。