介观尺度下海泡石矿粉射流研究与提纯分级装备设计

Aiming at the escalation and development of sepiolite ore resources industry in Hunan Province, the project focuses on equipment design for sepiolite powder purification and classification. It is well know that the current sepiolite powder purification and classification encounters the great difficulties of unclear theoretical explanation and high impurity contents in the crude sepiolite ore. Based on the physical properties of sepiolite, this project attempts to study the generic basic research between purification, fine classifying mechanism and operation parameters of sepiolite powder’s gas - solid jet, so as to design a kind of stable performance, high reliability sepiolite powder jet purification and classification equipment. Through experiments and simulations in mesoscopic scale of sepiolite powder jet, it is possible to reveal the basic characteristics of the jet flow field and the mechanism of Coanda Effect，to expand the design theory of purification and classification jet equipment, and to develop the new-type jet purification classification equipment. Furthermore, under different purification and classification operation parameters, this project addresses the theoretical issues of gas - solid jet of sepiolite powder in macro-scale and mesoscale, such as the particle dynamics and agglomeration dispersion effect of sepiolite ore superfine particles in the laminar flow, turbulence flow, Coanda Effect and graded area in the equipment. Finally, some sepiolite powder jet purification and classification experiments and application tests are conduct to verify and improve the equipment design. This project aims to build the fundamental theory, technical control methods, and industrial application rules. It is expected that the project achievements will improve the quality and efficiency of sepiolite superfine powder purification and classification, develop the powder purification and classification theory and technology for sepioliteore, and find wide and important industrial application.

本项目面向湖南地方经济需求，以储量丰富的海泡石产业升级发展为背景，针对海泡石提纯分级困难中的理论研究匮乏以及杂质含量高的特点，基于海泡石矿粉物理特性，提出开展海泡石矿粉射流提纯分级机理和工艺参数的共性基础研究，研发性能稳定、高效可靠的射流提纯分级装备。通过矿粉射流提纯分级实验、介观尺度上的理论建模和仿真分析，研究射流提纯分级装备气流场基本特征、附壁效应产生机理，发展射流提纯分级装备设计理论，并研发新型装备；进而在宏观和介观尺度上建模探讨不同工艺参数条件下，海泡石矿粉在装备内层流、湍流、附壁效应区以及分级区等气流场内的颗粒动力学行为和矿粉团聚分散效应，并通过实验研究和测试，验证和完善海泡石矿粉射流提纯分级装备设计，旨在建立海泡石矿粉射流提纯分级装备设计基本理论、工艺控制方法及工程应用规范，显著提高海泡石矿粉提纯分级质量和效率。本项目成果将促进本地区海泡石产业产品升级，具有重要的应用价值。

随着海泡石材料在石油、化工、冶金、建材和轻工等行业的广泛应用，其粉体提纯分级工艺质量是衡量与保证海泡石产品性能的关键因素。海泡石颗粒内部结构表现为细微、体质轻、多孔道晶体结构。工业生产中一般通过杂质沉降方法来分离提纯海泡石颗粒。该方式过程较为复杂，无法达到高效、低成本的工艺要求。本项目以射流分级技术为基础，通过理论建模，仿真分析与实验验证，发现并总结了附壁效应下不同粒径海泡石颗粒具有不同运动趋势的规律，提出了一种适用于介观尺度下海泡石颗粒射流分级提纯的研究方法，研制了海泡石矿粉提纯分级实验平台。主要完成内容如下：.（1）通过搭建海泡石颗粒物性参数和力学参数检测试验平台，研究了松装密度、动力粘度、泊松比和弹性模量等物性参数，为建立仿真分析数学模型提供数据支撑。.（2）结合数值模拟方法与计算流体力学、分子动力学、滑移粒子动力学等气固两相流分析方法，研究了气力输送和气固混合过程中海泡石颗粒的动力学特性和气相变化情况。结果表明：对气力输送和气固混合过程中管道内气固两相流进行模拟计算，可获得与分级装备关键设计参数密切相关的流场特征和颗粒轨迹。.（3）开展了介观尺度上射流分级中气流场基本特征、附壁效应产生机制研究。结果表明：海泡石颗粒附壁效应的强弱与康达块曲率、入口速度和出口压力等参数密切相关。.（4）利用欧拉-拉格朗日两种数学模型，构造了一个多气流场作用下，海泡石矿粉颗粒的复合力场模型，探究其颗粒运动学行为的非线性特征及其控制，并采用计算流体力学、离散元等方法对气流场下分级区域矿粉颗粒的动力学行为和流动特性开展研究。结果表明：海泡石颗粒经射流喷嘴水平进入分级区域后，在康达块表面受重力及附壁效应双重影响下，其运动轨迹会发生弯曲。不同粒径的颗粒由于惯性差异导致其轨迹弯曲曲率不一致，因此可直观有效得到不同粒径颗粒的分布状况。.（5）研制了一种适用于海泡石矿粉射流提纯分级的实验平台，完成了对气固混合装置（进料及气力输送）、辅助气流喷嘴组、康达块等关键部件的性能研究及优化设计。实验结果表明：所研制的原理样机针对海泡石矿粉的分级精度为10μm左右，分级效果显著。.综上所述，项目研究成果表明：射流分级平台具有分级精度高、速度快、控制灵活等特点。利用该平台进一步研发海泡石分级提纯装备，可满足海泡石工业应用的发展要求，为形成完整的海泡石制造产业链提供技术平台支撑。