孫占朋，孫國剛，楊曉楠，顏深

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豎直渦旋向?qū)εP輪式分級(jí)機(jī)流場及性能影響

孫占朋1，孫國剛2，楊曉楠1，顏深1

（1中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程學(xué)院，北京102249；2中國石油大學(xué)(北京)過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

采用數(shù)值模擬方法對(duì)臥輪式分級(jí)機(jī)內(nèi)氣相流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，重點(diǎn)考察了豎直渦旋向?qū)Ψ旨?jí)機(jī)內(nèi)全流場的影響。模擬結(jié)果表明，分級(jí)機(jī)錐體段以旋轉(zhuǎn)上升的豎直渦為主流型，豎直渦旋向?qū)Ψ旨?jí)室內(nèi)流型有重要影響。根據(jù)右手定則，豎直渦旋向與轉(zhuǎn)籠旋向滿足象限Ⅰ和Ⅲ時(shí)，分級(jí)室內(nèi)形成兩股旋向相反的水平渦，局部出現(xiàn)二次渦流，轉(zhuǎn)籠外緣氣流切向速度接近為0；豎直渦旋向與轉(zhuǎn)籠旋向滿足象限Ⅱ或Ⅳ時(shí)，分級(jí)室內(nèi)流場分布一致性較好，轉(zhuǎn)籠外緣及葉片間速度分布比較均勻且波動(dòng)較小。以流化催化裂化（FCC）催化劑為分級(jí)物料，處于象限Ⅳ的分級(jí)機(jī)其分級(jí)粒徑平均減少5.3mm，分級(jí)精度平均提高7.5%；以粉煤灰為物料，分級(jí)粒徑平均減少2.2mm，分級(jí)精度平均提高8.4%，粉料分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。研究結(jié)果對(duì)臥輪式分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。

粉體技術(shù)；臥輪式分級(jí)機(jī)；數(shù)值模擬；豎直渦旋向；流場特性；粒度分布

渦輪分級(jí)機(jī)作為第三代高效氣流分級(jí)機(jī)，廣泛應(yīng)用于礦物、食品、建材及化工等行業(yè)[1]。圖1是一種典型的臥輪式分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)籠水平安裝，空氣從下部進(jìn)氣口切向進(jìn)入并在錐段形成旋轉(zhuǎn)上升的豎直渦，上部分級(jí)室內(nèi)氣流在水平轉(zhuǎn)籠帶動(dòng)下形成水平渦，這兩種渦流構(gòu)成了臥輪分級(jí)機(jī)的總體流場。研究流場分布特點(diǎn)對(duì)分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及分級(jí)機(jī)理的解釋都有重要作用，XU等[2]通過數(shù)值模擬研究了臥輪式分級(jí)機(jī)的直葉片及后彎葉片對(duì)葉片間隙內(nèi)流場的影響；黨棟等[3]分析了轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)籠內(nèi)部流場分布的影響，加料速度對(duì)分級(jí)機(jī)內(nèi)壓力、湍動(dòng)能和速度分布有顯著影響[4]；TONEVA等[5-6]研究了氣流分級(jí)磨中上部水平轉(zhuǎn)籠附近的氣流流動(dòng)及顆粒運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速對(duì)下部粉磨段內(nèi)流場幾乎沒有影響，還有部分學(xué)者通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)來優(yōu)化分級(jí)機(jī)內(nèi)流場分布，進(jìn)而提高分級(jí)性 能[7-11]；盡管前人對(duì)臥輪式分級(jí)機(jī)內(nèi)流場特性進(jìn)行了一些研究，但關(guān)于臥輪分級(jí)機(jī)內(nèi)豎直渦、水平渦分布及其相互作用規(guī)律還未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法對(duì)臥輪式分級(jí)機(jī)內(nèi)氣相流動(dòng)特點(diǎn)及分級(jí)性能進(jìn)行分析，重點(diǎn)考察了豎直渦旋向?qū)Ψ旨?jí)機(jī)內(nèi)全流場的影響，以其為臥輪式分級(jí)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

臥輪式分級(jí)機(jī)模型如圖1所示，轉(zhuǎn)籠外緣直徑95mm，內(nèi)緣直徑75mm，葉片數(shù)量為40，厚度為2mm，葉片徑向均布安裝在轉(zhuǎn)籠圓周上，進(jìn)氣口尺寸：寬′高=66mm′60mm。

通過改變進(jìn)氣口方位來控制豎直渦旋向，如圖2所示。根據(jù)右手定則，轉(zhuǎn)籠繞軸正向旋轉(zhuǎn)，對(duì)A型分級(jí)機(jī)而言，氣體經(jīng)切向進(jìn)氣口后繞軸負(fù)向旋轉(zhuǎn)；在B型分級(jí)機(jī)中，氣流繞軸正方向旋轉(zhuǎn)。便于說明，如圖2(b)所示，（+，–）代表A型分級(jí)機(jī)，（+，+）代表B型分級(jí)機(jī)。前期試算過程中發(fā)現(xiàn)處于象限Ⅰ和Ⅲ（Ⅱ和Ⅳ）內(nèi)的分級(jí)機(jī)其流場分布有相似的特征，限于篇幅，本文給出了兩種代表結(jié)構(gòu)。

臥輪式分級(jí)機(jī)模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，忽略加料口，采用四面體與六面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法，考慮到葉片間隙較小，對(duì)轉(zhuǎn)籠區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以提高計(jì)算精度。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過40萬時(shí)，進(jìn)出口壓差變化小于1%，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算精度影響較小，最終確定全計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)為403200。

1.2 條件設(shè)置

忽略固體顆粒對(duì)氣流的影響，本文主要研究氣相的流動(dòng)規(guī)律。考慮到分級(jí)機(jī)中氣體的溫升很小，流速較低，將流體介質(zhì)定義為不可壓縮氣體。湍流模型選用RNG-雙方程模型，該模型適用于模擬渦輪分級(jí)機(jī)內(nèi)的強(qiáng)旋流、高應(yīng)變率流動(dòng)[12-14]，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。采用SIMPLEC算法來解決速度與壓力的耦合問題。轉(zhuǎn)籠內(nèi)外表面及與其相鄰區(qū)域的接觸面定義為交界面（interface）。轉(zhuǎn)籠區(qū)域設(shè)置為運(yùn)動(dòng)參考系（MRF），同時(shí)定義軸為其旋轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速設(shè)為1200r/min。進(jìn)氣口設(shè)定為速度入口邊界，氣速設(shè)為14m/s；排氣管出口適當(dāng)加長并按充分發(fā)展管流 處理。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 分級(jí)機(jī)內(nèi)的總體流型特征

渦輪式分級(jí)機(jī)內(nèi)的不均勻速度場、二次渦流會(huì)引起分級(jí)力場的波動(dòng)，造成分級(jí)粒徑變化，分級(jí)精度下降。分級(jí)中要獲得粒度分布較窄的產(chǎn)品，主要是創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定、均勻及強(qiáng)有力的分級(jí)力場，從而達(dá)到精確分級(jí)的目的。

圖4給出了臥輪式分級(jí)機(jī)內(nèi)流線的三維視圖及錐體段的速度矢量圖。可以看出，氣流從切向進(jìn)氣口進(jìn)入分級(jí)機(jī)后旋轉(zhuǎn)上升，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至分級(jí)室后，在水平轉(zhuǎn)籠及排氣管的作用下，豎直旋流被破壞，分級(jí)室頂部出現(xiàn)二次渦流?？傮w上，分級(jí)機(jī)錐體段以豎直渦為主流型，進(jìn)氣口方位改變后，豎直渦旋向改變，分級(jí)室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)比較紊亂。

圖5進(jìn)一步給出了分級(jí)室縱截面上的氣體流線分布。從圖5中看出，氣流繞轉(zhuǎn)籠形成不規(guī)則的水平渦流，需要注意的是，A型分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)籠外區(qū)域（B區(qū)）氣流與轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)籠內(nèi)外區(qū)域的流型一致；而B型分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)籠外區(qū)域（B區(qū)）氣流與轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)籠內(nèi)外區(qū)域形成兩股旋向相反的水平渦，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)造成了分級(jí)室內(nèi)流場不均勻，一方面降低了粗顆粒在轉(zhuǎn)籠附近所受的離心力，加劇了粗顆粒的跑損，影響分級(jí)粒徑和細(xì)產(chǎn)品的品質(zhì)；另一方面不同旋向氣流交匯形成二次渦流，增加了流場擾動(dòng)，加劇細(xì)顆粒的返混，影響分級(jí)精度。結(jié)果表明，豎直渦旋向?qū)Ψ旨?jí)室內(nèi)流型有重要影響，通過控制錐段豎直渦旋向可使分級(jí)室內(nèi)水平渦運(yùn)動(dòng)方向一致，從而改善流場分布，提高分級(jí)精度。

2.2 分級(jí)室內(nèi)的速度分布

超細(xì)粉體離心分級(jí)中，切向速度的大小直接影響顆粒所受離心力的大小。分級(jí)室內(nèi)切向速度分布如圖6所示。A型分級(jí)機(jī)分級(jí)室內(nèi)切向速度均為正值；B型分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)籠內(nèi)切向速度為正值，而其外部大部分區(qū)域則為負(fù)值，轉(zhuǎn)籠邊緣處的切向速度大小接近0，表明分級(jí)室內(nèi)氣流在進(jìn)入轉(zhuǎn)籠葉片間隙過程中，切向速度逐漸減小，轉(zhuǎn)籠外緣附近的分級(jí)力場被削弱，這就造成較大粒徑的顆粒在轉(zhuǎn)籠外緣處所受的離心力很小，粗顆粒進(jìn)入轉(zhuǎn)籠內(nèi)部的概率增大，分級(jí)效率降低。從圖6中還可以看出，切向速度最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)籠內(nèi)部，其值約為轉(zhuǎn)籠外緣速度的1.5倍，轉(zhuǎn)籠內(nèi)部切向速度分布呈現(xiàn)不對(duì)稱的“蘭金渦”，即切向速度從轉(zhuǎn)籠內(nèi)緣到中心先增加后減小，表明轉(zhuǎn)籠內(nèi)部殘余旋流強(qiáng)度很大，造成了較大的能量損失。

圖7為轉(zhuǎn)籠外直徑為100mm圓柱面上的軸向速度分布云圖。從圖7中看出，B型分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)籠外表面軸向速度波動(dòng)較大，軸向速度值在–7.5～2.6m/s之間變化；A型分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)籠外表面軸向速度分布比較均勻，大部分區(qū)域內(nèi)的速度值接近0。軸向速度的存在會(huì)導(dǎo)致氣流速度波動(dòng)，這對(duì)保持流場穩(wěn)定不利，影響分級(jí)精度。

圖8為轉(zhuǎn)籠葉片間氣流徑向速度分布云圖，負(fù)號(hào)代表氣體流向轉(zhuǎn)籠中心。從圖8中看出，A型分級(jí)機(jī)葉片間徑向速度在–2～1m/s變化，速度分布比較均勻；B型分級(jí)機(jī)葉片間存在較大的速度梯度，最大徑向速度值達(dá)到4m/s，這會(huì)造成顆粒在流場中運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，易使大顆粒被氣流拽入轉(zhuǎn)籠內(nèi)部，收集為細(xì)粉，影響分級(jí)效果。

3 試驗(yàn)分析

根據(jù)以上模擬和分析，以流化催化裂化（FCC）催化劑和粉煤灰為物料進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)，物料粒度分布如表1所示，粉煤灰中細(xì)顆粒（＜5mm）含量較高。試驗(yàn)裝置及流程見文獻(xiàn)[10]，轉(zhuǎn)籠由電機(jī)帶動(dòng)，并通過變頻器來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，分級(jí)機(jī)的入口氣速由皮托管測量并通過閥門調(diào)節(jié)。試驗(yàn)中轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速設(shè)定為1200r/min，入口氣速分別調(diào)節(jié)為6m/s、10m/s、14m/s、18m/s，加料濃度為0.15kg/m3。利用BT-9300S型激光粒度分析儀分別對(duì)原料及分級(jí)后收集下來的粗粉進(jìn)行采樣、粒徑測定，計(jì)算得出部分分級(jí)效率曲線，選取分級(jí)粒徑50、分級(jí)精度指數(shù)為分級(jí)機(jī)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中，分級(jí)精度指數(shù)定義為部分分級(jí)效率為25%和75%的顆粒粒徑之比，結(jié)果列于表2。分級(jí)精度指數(shù)值越大，部分分級(jí)效率曲線越陡峭，表明分級(jí)機(jī)的分級(jí)精度越高。

表1 分級(jí)物料的粒徑分布

表2 分級(jí)粒徑和分級(jí)精度指數(shù)（K）的對(duì)比

圖9給出了A型和B型分級(jí)機(jī)的粗粉產(chǎn)率變化曲線。轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速相同的條件下，入口氣速從6m/s增加到18m/s的過程中，顆粒受到的氣流曳力逐漸增加，較大的顆粒隨氣流進(jìn)入細(xì)粉，粗粉產(chǎn)率基本呈線性下降趨勢。與B型分級(jí)機(jī)對(duì)比，分級(jí)物料為FCC催化劑時(shí)，A型分級(jí)機(jī)的粗粉產(chǎn)率平均增加11.4%；分級(jí)物料為粉煤灰時(shí)，A型分級(jí)機(jī)的粗粉產(chǎn)率平均增加9.5%，這表明在相同的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和入口氣速條件下，A型分級(jí)機(jī)內(nèi)離心力場較強(qiáng)，相同粒徑的顆粒受到的離心力大，粗顆粒在較大的離心力作用下能夠被迅速地甩向邊壁而收集，這與模擬結(jié)果（圖6）所示的A型分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)籠外部氣流切向速度較大這一結(jié)論相吻合。

從表2可以看出，隨著入口氣速的增加，分級(jí)粒徑逐漸增加，分級(jí)精度指數(shù)先增大后減小；與轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速（1200r/min）相匹配的入口氣速為10m/s，此時(shí)分級(jí)機(jī)的分級(jí)精度最高。與B型分級(jí)機(jī)對(duì)比，分級(jí)物料為FCC催化劑時(shí)，A型分級(jí)機(jī)的分級(jí)粒徑平均減少5.3mm，分級(jí)精度平均提高7.5%；分級(jí)物料為粉煤灰時(shí)，A型分級(jí)機(jī)的分級(jí)粒徑平均減少2.2mm，分級(jí)精度平均提高8.4%。可見，豎直渦旋向與轉(zhuǎn)籠旋向滿足象限Ⅱ或Ⅳ時(shí)，臥輪式分級(jí)機(jī)內(nèi)豎直渦與水平渦的匹配比較合理，分級(jí)區(qū)氣流切向速度大，分級(jí)力場較強(qiáng)，徑向和軸向速度分布也比較均勻，分級(jí)機(jī)的分級(jí)精度更高。另外，由于FCC催化劑和粉煤灰的粒徑分布及密度的不同，臥輪式分級(jí)機(jī)的分級(jí)粒徑及分級(jí)精度有所差異，粉煤灰原料中細(xì)顆粒含量相對(duì)較高，分級(jí)過程中顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重，從而造成分級(jí)機(jī)對(duì)粉煤灰的分級(jí)精度較差。

4結(jié)論

采用RNG-湍流模型對(duì)臥輪式分級(jí)機(jī)內(nèi)全流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了豎直渦旋向?qū)Ψ旨?jí)機(jī)內(nèi)流場影響，得到以下結(jié)論。

（1）臥輪式分級(jí)機(jī)錐體段以旋轉(zhuǎn)上升的豎直渦為主流型，分級(jí)室內(nèi)流場呈現(xiàn)不規(guī)則的水平渦，轉(zhuǎn)籠內(nèi)部的氣流切向速度分布呈現(xiàn)非對(duì)稱“蘭金渦”。

（2）豎直渦旋向?qū)Ψ旨?jí)室內(nèi)流型有重要影響，一旦豎直渦旋向與轉(zhuǎn)籠旋向匹配不合理，分級(jí)室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)兩股旋向相反的水平旋流，這會(huì)削弱分級(jí)力場強(qiáng)度，加劇顆粒返混。通過改變進(jìn)氣口方位來控制豎直渦旋向可優(yōu)化流場分布，提高分級(jí)機(jī)的分級(jí)性能。

（3）FCC催化劑和粉煤灰分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果表明：豎直渦旋向和轉(zhuǎn)籠旋向滿足象限Ⅱ或Ⅳ條件時(shí)，臥輪式分級(jí)機(jī)的粗粉收率高，分級(jí)粒徑小，分級(jí)精度高。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

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Effect of vertical vortex direction on flow field and performance of horizontal turbo air classifier

SUN Zhanpeng1，SUN Guogang2，YANG Xiaonan1，YAN Shen1

（1School of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration and Separation，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Flow field characteristics in horizontal turbo air classifier were investigated by numerical simulation. Effects of swirling direction of the vertical vortex were taken into account. The simulated results showed that，an upwind vertical vortex is the dominant flow in conical part of the classifier，and the vertical vortex direction has a significant influence on flow pattern inside the classifying chamber. By controlling the vertical vortex direction，the flow field distribution can be greatly improved. For the classifiers in quadrantPor IV according to the right-hand rule，the flow field inside the classifying chamber was evenly distributed. Cut sizes of the classifier are decreased by 5.3mm for FCC catalysts and 2.2mm for fly ash while the classification accuracies are increased by 7.5% and 8.4%，respectively. The powder classification experiments well validate the simulation results. Those results could provide guidance to the design of horizontal turbo air classifier.

powder technology；horizontal turbo air classifier；numerical simulation；vertical vortex direction；flow field characteristics；particle size distribution

TQ051.8

A

1000–6613（2017）06–2045–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.011

2016-11-04；

2016-11-24。

國家自然科學(xué)基金（21276274）及國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2014CB744304）項(xiàng)目。

孫占朋（1989—），男，博士研究生，研究方向?yàn)轭w粒分級(jí)和氣固分離技術(shù)。E-mail：zhanpengsunbj@126.com。聯(lián)系人：孫國剛，教授，博士，研究方向?yàn)闅夤谭蛛x、顆粒分選和煙氣脫硫脫硝技術(shù)。E-mail：ggsunbj@163.com。