CC BY
71
© В.Ф. Скороходов, М.С. Хохуля, В.В. Бирюков, 2011
УДК 519.711.2 : 622.7 : 622.341
В. Ф. Скороходов, М. С. Хохуля, В.В. Бирюков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Проведен анализ процесса осаждения модельных частиц сферической и пластинчатой формы (стеклянные шарики и алюминиевые круглые диски того же диаметра) в различных зонах гидравлического сепаратора.
Ключевые слова: вычислительная гидродинамика, гидравлический сепаратор, аналитическая модель.
С развитием научно-техничес-кого прогресса в обогащении полезных ископаемых осваиваются новейшие технологические процессы, новое высокопроизводительное и более эффективное оборудование, позволяющее вовлекать в переработку ранее считавшееся нерентабельным бедное и труднообога-тимое минеральное сырье и техногенные отходы производства. При создании новых образцов обогатительной техники возрастает роль компьютерного моделирования технологических процессов и аппаратов.
Большинство сред, встречающихся в природе и используемых в технике, не являются однородными и не могут быть отнесены к классу жидкостей, газов или твердых деформируемых тел. Это, так называемые, многофазные (гетерогенные) среды. Изучение процессов разделения минеральных комплексов, происходящих в многофазных средах: жид-кость-твердое, жидкость-газ и жидкость-газ-твердое, затрагивают вопросы, связанные с гидродинамикой потоков в зоне разделения используемого аппарата. Значительное влияние на гидродинамические характеристики потоков в рабо-
чих объемах обогатительных аппаратов оказывают их конструктивные особенности, определяющие соотношения удельных объемов и скоростей различных дисперсных фаз, а в отдельных случаях также и интенсивность их перемешивания. Изменение гидродинамической структуры потоков оказывает воздействие на характер движения фаз в аппарате и их кинетические особенности.
Математическое описание многофазной сплошной среды использует законы сохранения массы, импульса и энергии для каждой из фаз и смеси в целом, при этом используется интегральная или дифференциальная форма записи уравнений, в которых применяется понятие о многоскоростном континууме с взаимопроникающим движением составляющих. Многоскоростной континуум представляет собой совокупность N континуумов, каждый из которых относится к своей составляющей смеси и заполняет один и тот же объём, занятый смесью [1]. Для каждого из этих составляющих континуумов в каждом потоке определяются плотность, скорость, а также параметры турбулентности. Так,
при течении жидкости с твёрдыми, жидкими или газовыми частицами группы частиц различных размеров с разными физическими свойствами образуют многоскоростной континуум в соответствии с числом таких групп.
В последние годы интенсивно развиваются так называемые методы вычислительной гидродинамики - CFD (Computational Fluid Dynamics), основанные на современных компьютерных технологиях, новейших математических моделях процессов переноса, а также эффективных и высокоточных численных алгоритмах [2, 3]. Разработанные CFD-программы позволяют строить CFD-модели, которые являются физикоматематическим представлением исследуемого объекта и/или процесса, основанным на численном решении системы уравнений Эйлера и Навье-Стокса, реализованным в среде компьютерной программы.
Традиционная методология математического моделирования разработана академиком А.А. Самарским и выражается в виде триады: модель-алгоритм-программа. Под разработкой CFD-модели подразумевается процесс компьютерного представления таких составляющих, как геометрия исследуемого объекта, расчетной сетки рассматриваемой геометрии исследуемого объекта, граничных условий и физических свойств материалов исследуемого объекта, моделей турбулентности, а также параметров численного решения системы уравнений Эйлера и Навье-Стокса. Одним из наиболее широко применяемых программных комплексов, позволяющих создавать CFD модели течений, является пакет ANSYS CFD (FLUENT), включающий инструментарий для создания двухмерных и трехмерных расчетных областей геометрических моделей, сеточные генераторы, расчетные
модули и блоки обработки результатов расчетов.
Гидродинамическая структура потока суспензий в гравитационных аппаратах оказывает существенное влияние на процессы разделения [4]. Для оценки этого влияния необходимо знать распределение полей скоростей и объемных концентраций частиц по всему объему аппарата, что в большинстве, случаев является очень трудоемкой задачей.
Для анализа процесса осаждения модельных частиц сферической и пластинчатой формы (стеклянные шарики, диаметром 0,06; 0,08; 0,1 см, и алюминиевые круглые диски, того же диаметра, толщиной 0,024; 0,016; 0,013, с коэффициентом сферичности 0,79; 0,64; 0,54) в различных зонах гидравлического сепаратора была проведена серия вычислительных экспериментов. Выбор материала с такой характеристикой крупности обусловлен тем, что в среднем классе перерабатываемых слюдяных руд после проведения их предварительной ру-доподготовки присутствуют чешуйки слюды с примерно такими же значениями параметров.
На рис. 1, а представлена трехмерная компьютерная модель гидравлического сепаратора. Исходное питание, объемная концентрация твердого в котором составляла 24%, подавалось в верхнюю центральную часть модели аппарата. В ней был организован восходящий поток воды со скоростью 10 см/с. Выбор такой скорости обусловлен гарантированным получением в легкой фракции максимального количества дисков, гидравлическая крупность которых была меньше скорости восходящего потока. Результаты численного решения системы уравнений гидродинамики на различных этапах моделирования оценивались графическим способом. На рис. 1, б, в представлены результаты расчета ско-
Рис. 1. Результаты моделирования многофазной суспензии в гидравлическом сепараторе после 1,5 минут протекания процесса: а) компьютерная модель гидравлического сепаратора; б) распределение скоростей стесненного падения шариков различного диаметра; в) распределение скоростей стесненного падения дисков различного диаметра.
ростей падения шариков и дисков в зависимости от их распределения по высоте аппарата.
На основании полученных результатов установлено, что распределение концентраций и скоростей падения в средней части сечения модели аппарата заметно отличаются. У -компо-нента
скорости шариков всех размеров имеет отрицательные значения, т.е. шарики осаждаются. Совершенно другое поведение имеют диски, скорости которых положительны, что свидетельствует об их выносе в слив модели аппарата. Данные закономерности подтверждены практикой работы гидравлического сепаратора при разделении широкого класса слюдосодержащей руды крупностью -2+0,63 мм, когда за счет различия в форме и скорости чешуйки слюды эффективно выносились в слив сепаратора.
В случае повышения объемных концентрациях твердого в зоне разделения получаемые слюдяные концентраты содержали не более 90% полезного компонента при низком технологическом извлечении. Это вызвано повышенными скоростями стесненного падения частиц слюды, сравнимыми по величине со скоростями осаждения зерен породных минералов, что препятствовало их попаданию в концентратную фракцию.
Таким образом, рассмотренные режимы подтверждают адекватность созданной аналитической модели при разделении частиц различной формы в восходящем потоке воды в гидравлическом сепараторе.
В процессах обогащения тонкоизмель-ченных магнетитовых руд основным
б
в
стабилизирующее устройство Г
дополнительным основной соленоид соленоид
Рис. 2. а, б - геометрия моделируемого аппарата, в - дополнительный соленоид, выравнивающий магнитное поле аппарата, г - скорости течения жидкой фазы в модернизированном варианте МГ -сепаратора
разделительным процессом является магнитная сепарация. Однако при сепарации частиц с близкими физическими свойствами, а особенно при разделении раскрытых магнетитовых частиц и их сростков с кварцем, эффективность опе-
раций магнитной сепарации крайне низка.
Селективное выделение частиц с плотностями в пределах от 2500 до 5100 кг/м3, диаметрами менее 0.07-0.1 мм и относящихся к группам А и С по клас-
Рис. 3. Принципиальная схема аэратора конструкции Горного института КНЦ РАН
сификации Гелдарта [5,6], возможно только с применением оборудования, использующего не только магнитные, но и комбинации их с гравитационными, и другими массовыми силами. Действие подобных комбинированных массовых сил возможно в аппаратах с магнитно-грави-тационным принципом разделения [7], которые имеют широкий диапазон регулирования управляющих параметров. В программной среде ANSYS-FLUENT методами вычислительной гидродинамики создана аналитическая модель течения ферромагнитной суспензии в условиях восходящего закрученного водного потока в слабонеоднородном магнитном поле, создаваемом цилиндрическим соленоидом.
Поток многофазной среды описывался с использованием уравнений Эйлера. Для описания межфазных взаимодействий (жидкая фаза - твердая фаза) применялась модель Гидаспова.
Турбулентность многофазной среды описывалась в рамках k-ю модели. Магнитные объемные и межчастичные взаимодействия фаз моделировались с применением MHD - модуля магнитной гидродинамики комплекса FLUENT.
Созданная модель течения многофазной среды позволяет исследовать
магнитно-гравитационныи процесс разделения компонентов суспензии в трехмерной геометрии аппаратов различной конструкции. На рис. 2, а представлена конструкция аппарата, включающая цилиндроконический корпус с патрубками подачи исходной суспензии, промывной воды, вывода магнитной и немагнитной фракций и устройством закручивания восходящего потока. Селективность выделения узких фракций частиц обеспечивается постоянством скоростей восходящего водного потока и вращения суспензии внутри цилиндроконического корпуса разделительного аппарата. В ходе проведения вычислительных экспериментов над созданной моделью выявлено формирование прецессирующего вихря, меняющее скорости восходящего водного потока в широком диапазоне, что негативно сказывается на протекание процесса разделения.
С целью стабилизации скоростей восходящего водного потока и вращения суспензии внутри цилиндроконического корпуса МГС создан и исследован ряд моделей конструкций аппаратов. Помещение внутри корпуса дополнительного магнитного соленоида (рис. 2, в), создающего магнитное поле, силовые линии которого сонаправлены с силовыми линиями основного соленоида в пространстве разделения, сглаживает неоднородности напряженности магнитного поля в разделительном пространстве аппарата (уменьшает горизонтальные градиенты). Кроме того, размещение цилиндрического устройства (рис. 2, б) в пространстве между патрубком подачи и устройством формирования закрученного водного потока, приводит к прилипанию прецессирующего вихря к цилиндру и ликвидирует нежелательные пульсации скоростей и концентраций различных фракций в объеме разделительного аппарата (рис. 2, г). Результаты
Рис. 4. Распределение скоростей дисперсии в установившемся режиме на а - вертикальном, б - горизонтальных срезах рабочего пространства
проведенных вычислительных экспериментов над созданной моделью усовершенствованной конструкции аппарата подтверждают существенное снижение неоднородности параметров процесса.
Флотация, как основной метод в технологии обогащения минерального сырья, претерпевает в последнее десятилетие значительные изменения в концептуальных подходах как к организации процесса в аппарате, так и к созданию самих аппаратов [8]. Совершенствование флотационных машин осуществляется в направлении оптимизации передвижения пузырь--ков воздуха в объеме пульпы для повышения вероятности флотации труднообогатимых частиц. В обогатительной практике наряду с тра-дициионными механическими и пнев-моме-ханическими типами машин все более широкое распространение полу-
чают колонные флотационные машины, позволяющие радикально повысить управляемость процессом разделения.
Во флотационных колонных машинах вода или пульпа подвергается насыщению воздухом за счет эффекта эжекции или за счет подачи воздуха под давлением, создаваемым компрессором. Пнев-могидравлическая аэрация считается наиболее эффективным и перспективным способом воздухонасыщения жидкости.
Анализ результатов испытаний различных конструкций пневмогидравличе-ских аэраторов показал, что наряду с их несомненными достоинствами (простота конструкции, отсутствие движущихся механизмов, возможность регулирования дисперсности газовой фазы) они имеют и недостаток - невысокое значение соотношения расходов газа и жидкости, приводящее к сильному обводнению процесса флотации, что негативно влияет на технологические показатели разделения.
На рис. 3 приведена принципиальная схема нового аэратора. Его принцип действия заключается в следующем. В канал аэратора поступает жидкость, которая обжимается газом (воздухом), вследствие чего разгоняется и дробится на мельчайшие капли, образуя факел. Вокруг этого факела и за ним происходит полное перемешивание газа и жидкости и образование однородного двухфазного газожидкостного потока. Факел, расширяясь, поджимает к стенкам аэратора га-
зо-жидкостный поток, из-за чего в нем происходит испарение жидкости и увеличение скорости потока.
Динамическая модель работы устройства, созданная в программном комплексе ANSYS-FLUENT выявила ряд этапов образования воздушной дисперсии. В начале происходит столкновение высокоскорост-ной струи жидкости с жидкостью в рабочем объеме. Распределение объемной концентрации воздуха при этом является крайне неоднородным. Со временем при выравнивании дав-лений жидкой и газовой фаз происходит выравнивание концентраций фаз и формирование заданного профиля скоростей струи дисперсии (рис. 4, а, б).
Применение этой модели обеспечивает возможность прогнозирования следующих параметров процесса: глубина про-
1. Нигматулин, Р. Динамика многофазных сред / Р.И. Нигматулин // М.: Наука. Ч.1.1987. 464 с.
2. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер // В 2 х томах: Пер. с англ., М.: Мир, 1990. 1100 с.
3. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / К. Флетчер // В 2 х томах: Пер. с англ., М.: Мир, 1991. 1045 с.
4. Кизевальтер, Б Определение скорости свободного падения минеральных частиц пластинчатой формы в жидкой среде / Б.В. Кизевальтер, А.Ш. Гершенкоп, М.С. Хохуля // Обогащение руд. №3. 1982. С. 11-14.
никновения аэрирующей струи, размеры и форма факела пузырьков, количество эжектируемого воздуха и средний диаметр пузырьков.
Исследование результатов вычислительных экспериментов выявило возможность увеличения соотношение расходов газ-жид-кость с получением пузырьков одинакового размера и высокою степенью турбулентности в пристеночной области рабочего объема. Такое увеличение соотношения расходов приводит к более равномерному распределению газовой фазы по рабочему объему камеры и созданию во флотационной камере условий оптимальной аэрации с высокой дисперсностью воздушной фазы для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Rosensweig R.E. Magnetic stabilization of the state of uniform fluidization // Ind. Eng. Chem. Fundam. — 1979. — Vol. 18, N 3. — P. 260-269.
6. Rosensweig R Е. Fluidization: Hydrodynamic stabilization with a magnetic field // Science. — 1979. — Vol. 204. — P. 57-60.
7. Усачев, П.А.,. Магнитно-гравитационное обогащение руд / П.А Усачев, А.С. Опалев, Апатиты: КНЦ РАН, 1993. - 92с.
8. Черных, С.И. Создание флотационных машин пневматического типа и опыт их применения на обогатительных фабриках / C И. Черных // М.: ЦНИИцветмет зкономики и информации, 1995. ЕШ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------
Скороходов В.Ф. - доктор технических наук, зав. лаб. новых технологических процессов и аппаратов,
Хохуля М. С. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник,
Бирюков В.В. - научный сотрудник,
Горный институт КНЦ РАН, root@goi.kolasc.net.ru
