水力旋流器是利用离心力场强化多相流分离的有效分离设备,它具有结构简单、无转动部件、分离效率高和易于自动化控制等优点,广泛应用于选矿、化工、生物等众多工业领域。在矿物加工领域,水力旋流器常用于分级、浓缩、脱泥和澄清等作业环节。虽然旋流器结构简单,但是内部流场十分复杂。分析旋流器内部流场及颗粒运动的规律,掌握旋流器结构参数、操作因素和物料因素对旋流器分级效率的影响,是旋流器开发与应用的关键。为了降低煤泥分级的粒度下限,本文研究了水力旋流器超细分级机理。利用该技术,并与煤泥离心重选、离心脱水技术相结合,可形成全新的煤泥离心重选工艺。在阅读相关文献之后,首先分析水力旋流器内水相流场运动,然后分析煤泥颗粒在水相流场中的跟随性规律,最后分析了煤泥颗粒在水力旋流器内径向运动规律和轴向运动规律。通过Krebs水力旋流器(φ100mm)煤泥超细分级试验,确定操作因素和物料因素对水力旋流器性能的影响。试验得出,Krebs水力旋流器的最佳操作因素和物料因素为:入料压力0.04MPa、冲洗水压为0.015MPa、入料浓度为10%。最后利用Design-Expert软件中的Box-Behnken响应曲面功能设计正交试验,得到水力旋流器的陡度指数、汉考克综合效率、分级粒度和底流中-0.045mm超细物料含量的数学模型。借助计算流体力学(CFD)技术,对试验所用的φ100mm Krebs水力旋流器进行测量并建模,确定模拟所需的计算模型、初始条件和边界条件,计算选择的模型为VOF+RSM+DPM。将CFD模拟结果与试验结果进行了比较,发现试验研究与CFD模拟所得的结果吻合度较好,这说明CFD模拟所设置的参数是可信的,Fluent软件计算结果的可靠性高。试验所用的Krebs水力旋流器虽然能够满足煤泥超细分级的需要,但是其直径小,处理能力低,与当前选煤厂的规模及其煤泥水量不匹配。与此同时,试验所用的Krebs水力旋流器在工作时需要冲洗水,这既会增加系统复杂度和能耗,也会降低旋流器底流浓度,不利于煤泥离心重选的入料。故作者根据Krebs模拟所得的初始条件、边界条件以及计算模型,以选煤厂中常用的φ500大直径水力旋流器为研究对象,模拟研究旋流器结构参数、操作因素和物料因素对水力旋流器分级性能和分级粒度的影响,发现以下规律:(1)增加溢流管直径,会导致水力旋流器分级效率和总压降的同步下降,其中总压降的降幅更大。(2)增加溢流管插入深度,会导致水力旋流器总压降的快速上升,但对水力旋流器分级效率的影响不大。(3)增加底流管直径,会提高水力旋流器的分级效率,降低水力旋流器的总压降,同时也会增加水量比,降低底流浓度。(4)增加水力旋流器圆柱段的高度,会降低水力旋流器的总压降,对水力旋流器分级效率而言会先下降后增加。(5)增加水力旋流器锥角,会降低水力旋流器的分级效率,增加水力旋流器的总压降。(6)提高水力旋流器的入料速度,会提高水力旋流器的分级效率,增加水力旋流器的总压降,而且总压降的增长幅度较大。(7)在物料浓度较低时,物料浓度对水力旋流器的分级效率、分级粒度和总压降的影响不显著。根据轨道平衡法和零速包络面,推导出水力旋流器分离粒度计算式,分析了旋流器结构参数和操作因素对其分级性能的影响。通过借鉴借鉴Krebs水力旋流器的结构设计,结合对大直径水力旋流器的研究成果,提出了新型水力旋流器超细分级设备概念模型。该新型水力旋流器特色如下:(1)提出环形给料概念,环形给料既能降低旋流器的能耗,也能对煤泥水进行预先沉降,降低短路流对旋流器分级造成的不利影响。(2)旋流器圆锥段采用小锥角设计,降低旋流器的分级粒度。(3)大锥底设计,利用旋流器小锥角与底流口大锥底结合面处的拐点,强化湍流清洗的正面作用,增加旋流器底流中微细颗粒的逃逸几率,提高旋流器的分级精度。(4)与煤用水力旋流器相比,新型水力旋流器不占用额外有效空间,后期更换旋流器时对生产系统影响较小。通过CFD模拟,发现新型水力旋流器在分级性能和分级粒度上效果更佳。本论文有图91幅,表45个,参考文献183篇。