第七届选矿设备及自动化学术会议贵州大学李龙江

1、汇报人：李龙江（副教授）学 校：贵 州 大 学实验室：喀斯特地区矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室基于TRIZ理论的连续吸附解析装置开发第七届全国选矿设备及自动化技术学术会议一研究背景三基于CFD的设备优化二基于吸附解析的装置设计目录一、研究背景及意义优良的设计优良的设计工业设计工业设计功能技术功能技术生产技术生产技术“好机器”的构成要素 什么是“好的机器” ？“好的机器”的评价标准是什么？优良的技术优良的技术 （并非一定是高技术并非一定是高技术）优良的产品功能高度的人机协调关系1 1、设备开发背景当代好机器 当前创新产品或系统应该满足的要求： 1

2、1、设备开发背景当代好机器的创意要素 当代好机器设计概念的发展（1）以技术为主体的产品设计-产品化设计；（2）以市场为主体的产品设计-商品化设计；（3）以环境为主体的产品设计-生态化设计。1 1、设备开发背景当代好机器的三化设计 以工业产品为对象，综合社会学、市场学、经济学、创造学、生理学、心理学、工程技术、美学、生态学及系统论等学科知识与成果，对产品所进行系统的文化整合设计。 设计适应市场模式的好产品，必须改变传统思维模式，引入TRIZ创新方法。好机器的设计要求 最伟大的发明是发明了发明方法。那是打破了旧文明基础的真正新事物。 英国数学家及哲学家 艾尔弗雷德.诺思.怀特里德2. TRIZ理论

3、背景2.1何为TRIZ:发明问题解决理论 上世纪40年代，前苏联科学家阿奇舒勒带领他的团队开始了一项伟大的研究，希望找到发明创造的方法。在研究了250万份发明专利后，得出一个惊人的结论：人们解决技术问题的方法很多是重复的。阿奇舒勒一共总结出40种最常用的方法，并起名为40个创新原理。根里奇根里奇 阿奇舒勒阿奇舒勒G. S. Altshuller G. S. Altshuller （192619261998 1998 ）2. TRIZ理论背景2.1何为TRIZ通过对大量专利的分析，阿奇舒勒得出了以下三条发现：通过对大量专利的分析，阿奇舒勒得出了以下三条发现：1. 类似的问题与解在不同的工业及科学

4、领域交替出现。 创新的规律性2. 技术系统进化的模式在不同的工程及科学领域交替出现。 他山之石，可以攻玉3. 创新所依据的科学原理往往属于其他领域。 拓宽思路、打破思维定势 以上三条即为以上三条即为TRIZTRIZ的核心思想的核心思想2. TRIZ理论背景2.2 TRIZ的理论体系 谋略技巧方法2. TRIZ理论背景2.2 TRIZ的理论体系 谋略技巧方法TRIZTRIZ的创造性思维：的创造性思维：系统思维多屏幕法、智能小人法、金鱼法、尺度-时间-成本算子3、吸附解析设备研究背景2000200220042006200820102012201420160204060801001201401601

5、80200 papers publishedtime/a papers published1990199520002005201020152020025050075010001250 papers publishedyears (a) papers published吸附解析发表论文篇数变化曲线3、吸附解析设备研究背景01002003004005006007008009001000110012001300 Hpatentscategories patentsCWTMEIMaHy19951998200120042007201020132016010020030040050060070080090

6、0100011001200 patentstime (a) patents中国专利年发表量变化情况统计 中国吸附装置专利所属类别与数量统计吸附解析装置研究背景0101活性炭再生吸附装置0202旋转式废水脱色0303卧式解析装置0404活性焦移动解析吸附仓的活性炭层中直接安装折线型的加热管进行解吸。主要特点解析装置内部放置加药盘，使药剂与吸附剂充分接触。主要特点内部用于搅拌的叶片的添加是其创新点主要特点仓室之间使用隔热材料，冷却管路和加热管路之间通过交换器连接，从而实现余热利用主要特点研究目的1 12 23 3在TRIZ指导下吸附解析装置设计设备初步设计内容吸附解吸仓计算设计AB旋转阀门设计管路

7、选型设计CD外围设备设计整体设计C吸附解吸仓计算设计初始计算壁厚厚度附加量计算用厚度值修正负偏差厚度最终值计算CbabaPb 3)(4 3aPt222221CCCCbabaPb 3)(4 3aPt2222最终厚度取10mm钢板吸附解吸仓计算设计法兰颈部主体仓体进口管道溢流口支撑基本属性基本属性数值数值钢板厚度10mm管道直径25mm钢板材质1032碳素钢支撑材质3030角钢体积0.91m3旋转阀门设计-TRIZ理论ARIZ71分析矛盾矩阵分析问题选择精确地定义问题分析阶段概念的初步分析ARIZ71实施阶段增加法兰装置壳体上增加一个开口电机和齿轮需要设置支座实施阶段改进方案接下一页矛盾矩阵优化的

8、是系统的可制作性，恶化特性是系统的复杂程度。11分割原则26复制原则27替代原则矛盾矩阵弱化的参数是制造精度，想强化的参数是可靠性。21分割原则11预先应急原则32变色原则矛盾矩阵弱化的条件是物体的体积。需要优化的是密封的可靠性。32抽取原则35改变物体性质24中介物原则加入润滑油阀门整体设计25W电机电机机架联轴器法兰盘组合件叶片组合件阀门壳体压片橡胶片油封座式轴承橡胶垫片叶片橡胶圈O型环压片电路系统设计最小系统电路传感器电路电机驱动电路手动模式自动模式一键关机吸附仓阀门电机吸附仓阀门电机12屏幕自动手动用户名密码登录管路系统设计测定固液比管路管径初选确定流体基本参数压力降校核500mm烧杯

9、中装满固体颗粒加水至500mm刻度线称量总重量，称量杯中水质量4 法校核结果dd=18.81W0.5-0.5-0.524DWueDR De7 .182lg2-74. 11RD2p2iDLLCg12）（ZZPH2u2122vuP）（i15. 1PPPPVH吸附仓管路系统设计管道序号初选管径流速/(m/s)雷诺数相对粘度摩擦因子阻力压力降/Pa静压力降/Pa加速度压力降/Pa总压力降/Pa吸附部分4-2251.5419040.00080.02414045.199969.54112517410.646-1251.49416240.00080.02413274.47264.61110.055436.4

10、91-2251.5419040.00080.02413220.97003704.114-510 7.64854090.0020.0071942597.261612.129184.884403.2830.353911.050.0020.00833103.571612.161.252043.463-210250.055615530.00080.041227.446137201.5515811.35123456解吸仓管路系统设计管道序号初选管径 流速/(m/s)雷诺数 相对粘度 摩擦因子阻力压力降/Pa静压力降/Pa加速度压力降/Pa总压力降/Pa解吸部分1-2163536370.001250.00

11、725204.251528.84500129187510356.07450026013.947-8162916776.35645008192.3568-9167391.250450013674.949-101611947.554796812345678910提升机解吸仓筛子蠕动泵筛上筛下废液仓氢氧化钠蠕动泵架子及筛子设计操作平台和护栏梯子筛子振动电机橡胶垫片挡板筛子壳体筛网弹簧底座提升设备及配电柜设计槽体电机轴座式轴承联轴器链条配电柜水仓整体设计水仓配电柜操作平台吸附仓阀门装置提升机料仓解吸仓楼梯蠕动泵筛子基于有限元分析的优化设计Solid

12、Works simulation Xpress应力应变分析添加夹具添加力设置材料运行得到结果SsX吸附、解吸仓应力应变分析参数参数数值数值形状形状安全系数273.65方形安全系数72.5743圆形最大应力和应变位置SsX方形料仓应力应变分析安全系数880.164378.781953.08支架及其他设施应力应变分析Fluent和EDEM模拟前提假设装满颗粒的吸附仓和解吸仓为多孔介质结构。ONE介质材料简化为粉煤灰。THREE粘性阻力和惯性阻力符合Fluent经验公式。TWO壁面粗糙度对内部流体流态影响较小，壁面设置为光滑壁面。FIVEEDEM的颗粒材料为石墨，壁面材料为1023碳素钢板。SEVE

13、NEDEM所有模拟基于赫兹-梅德林模型。SIX吸附仓和解吸仓的上下开口假设为封闭平面，不考虑阀门转动对流体影响。FOUREDEM颗粒模拟过程中不考虑流体流动对颗粒运动状态的影响。EIGHT吸附仓流体流态Fluent模拟0.069m/s0.5m/s吸附仓流体流态Fluent模拟解吸仓壁面加热温度分布Fluent模拟解吸仓柱形加热器加热温度分布Fluent模拟加热管解吸仓柱形加热器加热温度分布Fluent模拟Fluent和EDEM模拟前提空隙率对于流体流态的影响Edem模拟计算空隙率Fluent模拟计算惯性阻力系数和粘度阻力系数序号颗粒大小/mm堆满时间/s堆密度/g/cm表观密度/g/cm空隙率

14、15.51.32361.532.650.4229.50.28371.692.650.36313.50.11652.082.650.21序号颗粒大小/mm空隙率1/alfC15.50.422.310104981.729.50.361.510105053.8313.50.215.5101022115.8速度、压力曲线-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9-0.0010.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.009 Velocity (m s-1)Y (m) 5.5 9.5 13.5-0.25-0.20-0.15-0.

15、10-0.050.000.050.100.150.200.25-0.0010.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006 Velocity (m s-1)X (m) 5.5 9.5 13.5-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.25200000400000600000800000100000012000001400000 Pressure (Pa)X (m) 5.5 9.5 13.5惯性阻力和粘性阻力系数0.200.250.300.350.400.4520004000600080001000012000140001

16、600018000200002200024000 C2Void Ratio C20.200.250.300.350.400.45100000002000000030000000400000005000000060000000 1/alfVoid Ratio 1/alf空隙率对于解吸仓温度传递影响-0.35-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.10250300350400450500550600650 Temperature (K)X (m) 5.5 9.5 13.5-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.430035

17、0400450500550 Temperature (K)Y (m) 5.5 9.5 13.50.450.360.21吸附仓加料过程颗粒模拟-0.250.000.250.500.751.001.25-1000100200300400500600 Total Force (N)Time (s) Total Force吸附仓加料过程颗粒模拟阀门加料过程颗粒模拟0.00.51.01.52.0-10010203040506070 Total Force (N)Time (s) Total ForceABS树脂碳钢板树脂筛子筛分过程过程颗粒模拟吸附剂颗粒发生飞溅无盖板筛子0.68s和1.02s筛分情况0

18、.68s（左）和1.02s（右）颗粒成份变化结论1.设备初始设计方形吸附仓符合实验需求，设备的上出口需要使用2510mm的渐缩管以使得液体流速达到标准推荐流速。2.在进口流量为0.6kg/s时，仓内流速缓慢，并且仓内流体存在横向速度，可使得流体与吸附剂充分接触。3.入料时，由于进出口存在，少量物料会从进出口漏出，需要在进出口加4目20目筛网。4.圆形矿仓的受力状态在同等条件下更好，因此工业生产应尽可能选择圆形仓。5.解吸仓应该考虑在内部设置螺旋形加热管，其加热效果好于柱形和外壁面加热。同等条件下，圆形仓的加热效果好于方形仓。6.颗粒大小对内部流态影响不显著，但当颗粒直径减小或增加到一定程度对内部压力大小影响显著，因此需要选