《Powder Technology》：A numerical investigation spiral-walled, multi-outlet cyclone for enhanced solid-solid separation
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一种新型旋流分离器设计通过螺旋壁和多出口系统提升锂离子电池回收中多组分物料的分离效率，数值模拟显示其压力降低76%，湍动能减少45%，在单粒子、高负载及多分散物料工况下均实现高纯度分离。
Aragaw Tadie Alamnia、Muluken Zegeye Getie、Muluken Temesgen Tigabu、Bimrew Tamrat Admasu
埃塞俄比亚巴希尔达尔大学巴希尔达尔理工学院机械与工业工程学院
摘要
传统的旋风分离器主要适用于气固分离，并且在分类具有相似尺寸但密度不同的多分散固体混合物时性能较低，而这在回收和矿物加工过程中是一个关键挑战。为了解决这一限制，提出了一种新的旋风分离器设计，该设计采用了螺旋壁和多出口收集系统。螺旋壁限制了湍流流动，保持了旋转涡旋的稳定性，使湍流动能降低了45%。通过大涡模拟（LES）与拉格朗日离散相模型（DPM）结合，评估了这种设计在锂离子电池组件（LiFePO?、Al、Cu、Fe）分离中的应用效果。在三种操作条件下获得了最佳分离效率：(i) 单颗粒、低负载情况下，75.8%的Fe和77.6%的Cu被分离到粗出口，同时LiFePO?的纯度达到95.1%；(ii) 单分散、高负载情况下，74.3%的Fe和79.4%的Cu被分离到粗出口；(iii) 多分散、高负载情况下，71.7%的Fe和76.9%的Cu被分离到粗出口。此外，与传统设计相比，这种混合旋风分离器的压力降降低了76%，静态压力范围也减少了64%。无论负载如何变化，LiFePO?始终集中在中间流中，纯度在66.4%到69.7%之间。这种设计使旋风分离器成为高效、精确且环保的连续分类器。
引言
由于旋风分离器设计简单、操作方便且维护成本低，几十年来它们一直是许多领域气固分离的主要工具[1,2]。多年来，人们进行了大量的实验和计算流体动力学（CFD）研究，以改进旋风分离器的设计和效率，使其适用于粉尘分离和空气过滤等应用[3,4]。随着全球范围内循环经济范式的推广和资源回收的需求增加，迫切需要能够在高颗粒负载和尺寸异质性条件下有效处理多组分固体流的分离器。这类应用在锂离子电池回收、矿物分离以及高纯度要求的粉末加工等领域得到了广泛应用[5][6][7]。
在离心场中的固固分离过程中，主要难点在于如何将尺寸或密度略有不同的多分散混合物分类为不同的组分。由于负载增加，颗粒间的竞争以及离心场中的湍流混合会降低分离效率[8,9]。当颗粒-流体动量耦合显著时，这些效应会进一步加剧，导致分离性能比理想化的低负载条件更差。传统旋风分离器在这方面存在固有局限性，因为它们的二元分离原理（由一个零垂直速度轨迹LZVV描述）不适用于含有两个以上可分离组分的混合物[10][11][12][13][14][15]。因此，在锂离子电池正极和金属导电材料中常见的不同密度但尺寸相同的颗粒会在收集区附近重新混合，导致产品尺寸分布广泛且纯度大幅下降[16,17]。
以往的研究尝试通过几何形状的改进来解决这些问题。使用螺旋插件或导向叶片可以减少涡旋核心的不稳定性以及颗粒的不必要停留时间[18,19,25]，从而在单颗粒尺寸或低负载条件下提高分离效率。多出口技术则试图在颗粒重新混合之前拦截已分离的颗粒层，以在有限空间内最大化分离效果[20,21,23]，但其性能往往容易受到颗粒负载和出口相互作用引起的流动扰动的影响。目前，这些新兴技术大多仍独立开发。带有螺旋壁的旋风分离器通常保留二元出口配置，从而阻碍了多组分的同时提取；而未经内部流动改性的多出口技术则会产生流动扰动，且无法完全抑制涡旋核心的不稳定性[24,26,31]。
基于此，本研究提出了一种带有螺旋壁的多出口旋风分离器设计，并通过计算方法对其进行了验证。该设计将连续的螺旋壁特性与旋风筒体相结合，并增加了五个分级提取出口。螺旋壁有助于控制流体动力学的不对称性，抑制反向流动和湍流动能[12]。同时，多出口设计利用稳定的流体场，通过上述设计精确地进行粗、中、细组分的分离。与以往的研究不同，本研究的性能评估涵盖了逐渐真实的颗粒负载和尺寸分布情况，以评估理想化和实际应用中的分离效率。本研究的主要创新在于成功展示了这种设计的协同效应，有效将旋风分离器转变为多级分类装置。
本研究使用经过严格验证的高保真模拟工具——大涡模拟（LES）与拉格朗日离散相模型（DPM），评估了这种混合旋风分离器在三种不同条件下的分离性能：(i) 单颗粒、低负载、单向耦合；(ii) 单分散颗粒、高负载、双向耦合；(iii) 多分散颗粒、高负载、双向耦合。研究结果表明，该设计改进了循环流动、降低了压力降，减少了再进入现象，并提高了分离组分的纯度和质量。此外，还明确了不同条件下的分离效率下降机制，证明了基于先进模拟工具的集成设计的优越性，为未来的资源回收技术提供了可能。
模拟方法概述
本研究采用了一个高度详细的计算模型，比较了四种不同旋风分离器的分离能力：(1) 标准单出口旋风参考设计；(2) 带有螺旋壁的旋风设计；(3) 多出口旋风设计；(4) 结合了螺旋壁和多出口设计的新混合设计。比较计算模型的目的是识别并综合各种流动因素的单独和累积影响。
流场分析
旋风分离器的分离效率和能量需求取决于其内部几何结构[70.72]。本研究重点分析了四种设计产生的流场：传统参考案例、带有螺旋壁的旋风分离器、多出口旋风分离器以及混合螺旋壁和多出口旋风分离器。研究关注静态压力分布和速度的重要组分，以解释每种几何结构的变化及其组合效果。
结论
本研究提出了一种新的旋风分离器，通过结合连续的螺旋壁和分级多出口系统，克服了传统旋风分离器在气固分离中的固有局限性。该设计将湍流混合流转化为稳定的分层旋转运动，实现了精确的基于密度的分类。
螺旋壁降低了湍流动能45%，消除了涡旋核心的进动现象，并抑制了反向流动，同时将总压力降降低了76%，静态压力也有所下降。
作者贡献声明
Aragaw Tadie Alamnia：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、正式分析。
Muluken Zegeye Getie：初稿撰写、验证、监督、方法论设计。
Muluken Temesgen Tigabu：初稿撰写、可视化、监督、软件开发。
Bimrew Tamrat Admasu：审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论设计。
未引用参考文献
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利益冲突声明
[作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。]
