磁力旋流澄清器性能及分离机理研究

发布时间：2020-08-27 09:33

【摘要】：针对矿井水中悬浮物含量高、粒度细、比重轻、沉降速度慢等特性,本文采用管道混合器与磁力旋流澄清器组合处理矿井水,研发了一种磁力旋流澄清器,在离心力场、重力场和磁场强化分离的基础上,获得了快速生长的高强度磁絮体,加速了沉降分离,提高矿井水处理效率,可以实现矿井水井下直接处理,可创造良好的经济和环境效益。本文采用理论分析、数值模拟和试验测试三措并举,深入研究了磁力旋流澄清器内磁絮体的生长、受力及运动行为,探讨了多物理场耦合下分离性能影响规律,获得了优化参数,揭示了磁力旋流澄清器的沉降分离机理,对丰富旋转流分离理论及工程设计具有重要的指导意义。首先,通过理论分析建立磁力旋流澄清器内流体运动方程,考虑磁种和磁场对絮凝效果的影响,对磁絮体在复合力场下进行了受力分析,得出磁絮体的粒度、速度分布规律;在传统絮凝动力学方程的基础上,建立了磁力旋流澄清器内磁絮体的絮凝动力学数学模型;并结合斜板沉降机理,得到了锥盘处颗粒空间规律性分布,完善了磁絮体的絮凝生长和沉降分离理论。其次,根据建立的流场数学模型,对其内部流场进行数值模拟,全面分析了锥盘参数、进口速度和结构参数对流场中速度、湍动能和湍动能耗散率的影响规律,探讨了剪切力、离心力和流体曳力对絮凝沉降影响,得到了适当增大进口速度、增加深度和筒体高度、减少锥盘间距均可以提高磁絮体的沉降分离性能,但当参数过大或过小时会降低矿井水处理效果。最终得到优化参数为:进口速度2.31m/s、锥盘间距20mm、插入深度400mm、筒体高度600mm。再次,通过建立磁力旋流澄清器内磁场数学模型,得到磁感应强度分布规律,结合流场数学模型,通过Comsol Multiphysics软件中的流场模块、磁场模块和流体粒子追踪模块,对颗粒在流场、磁场和重力场等复合力场下的运动轨迹进行多物理场耦合分析,得到了流场内颗粒的分布规律、受力大小和颗粒数量,并探讨了锥盘、磁场以及磁场感应强度大小对颗粒分离效率的影响。结果表明:设置锥盘和磁场时,可以使粒度大于60μm的颗粒完全沉降,减小溢流的颗粒数量,提高分离性能;随着磁场强度增大,颗粒受到沿器壁向外和向下的磁力增大,当磁化强度达到200000A/m时,粒度大于30μm的颗粒完全沉降,使磁力旋流澄清器分离性能进一步提高。然后,搭建了磁絮凝矿井水处理试验台并进行系统试验,分析了不同工况下磁力旋流澄清器内不同位置磁絮体粒度分形维数、剪切破碎性能和沉降性能,探讨了锥盘材料对锥盘处絮凝分离的影响,研究了底流排出流量大小对溢流和底流磁絮体沉降性能影响规律,得出在使用硅钢片锥盘时,进口速度为2.31m/s、磁场大小为0.6A、底流流量为300mL/min时,磁絮体沉降分离性能最佳。最后,通过试验研究了磁力旋流澄清器处理量、磁场强度、进口速度等操作参数以及插入深度、锥盘间距和筒体高度等结构参数对絮凝沉降的影响,并对其内3个截面、5个取样点的ss去除率、浊度去除率和8种不同粒径的颗粒数变化规律进行研究,优化了磁力旋流澄清器内最佳结构参数和操作参数,当处理量为0.6m3/h时,ss去除率为96.33%,浊度去除率为87.11%,颗粒数为9908 个/mL。在理论及试验研究的基础上,设计开发了 15m3/h矿井水处理系统,对某矿矿井水进行了中试试验研究,出水ss小于50mg/L,ss去除率达到90%,底流浓度为80000mg/L。工业运行结果表明磁力旋流澄清器可以处理矿井水并实现煤泥的回收,为矿井水高效处理系统的设计及模拟放大提供了理论基础。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD74
【图文】：

进磁絮体的絮凝碰撞，增加使磁絮体在复合力场和锥盘的的絮凝机理和复合力场下磁论，并根据磁絮体运动规律工艺中存在占地面积大、处道混合器＋磁力旋流澄清器组潜水栗送入管道混合器，并在（ＰＡＭ）混合絮凝，在混合絮，使生成的磁絮体因包含磁道混合器具有占地面积小、磁絮体，随着粒径变大磁絮

Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｓｗｉｒｌ邋ｃｌａｒｉｆｉｅｒ逡逑磁力旋流澄清器主要起磁絮体的絮凝成长和分离沉淀作用，包括机械结构逡逑和磁场结构，如图２．２所示，其工作过程可分为４部分描述：逡逑（１）

在磁力旋流澄清器内壁，此时继续增大磁场强度将不会进一步提高磁絮体分离逡逑效率。磁絮体是否被吸附在磁力旋流澄清器内壁与磁絮体径向合力、轴向合力逡逑以及内壁摩擦系数有关，其受力图如图２．３所示。逡逑／逡逑Ｆ，邋Ｆｊ；ｘ邋Ｆｄｘ逡逑Ｓ，＇厂逡逑＾邋＇＇Ｆｊｙ逡逑，〖尸捇．逡逑＇，Ｇ逡逑图２．３磁絮体受力图逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｆｏｒｃｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｌｏｅ逡逑平衡公式如下式所示：逡逑Ｆｍｙ邋＋Ｇ￣Ｆｆｙ￣Ｆｄｙ＾逦＋Ｆｃ￣ＦＪｘ￣Ｆｄｘ）逦（２．４）逡逑式中Ｆｆｆｉｘ－Ｘ方向磁力，Ｎ；邋Ｆｊｇｙ－ｙ方向磁力，Ｎ；逦方向浮力，Ｎ；邋Ｆ＾－ｙ逡逑方向浮力，Ｎ；匕－ｘ方向曳流阻力，Ｎ；邋Ｆ＾－ｙ方向曳流阻力，Ｎ；巧－离心力，逡逑Ｎ；邋Ｇ－重力，Ｎ；邋／ｖ摩擦系数。逡逑根据计算和之前章节数值模拟结果得到

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本文编号：2805928