基于湍流场特性的调浆过程强化机理研究

发布时间：2020-11-01 00:29

　　 随着矿产资源的日益贫、杂、细化,浮选作为微细粒难选矿物分选的有效方法,在工业生产中得到广泛应用。调浆作业作为矿物浮选的预处理环节,其在强化颗粒及药剂分散、促进颗粒与药剂间作用、改善颗粒表界面特性等方面起着重要作用。近年来针对浮选调浆过程的研究主要集中在调浆装置内流场特性研究及其结构优化设计方面,但从流场微观特征参量角度开展的研究相对较少。因此,论文以湍流场微观特征参量为切入点,深入探究搅拌槽内湍流场的能量耗散尺度分布规律及其强化调浆过程的作用机制,进一步丰富流体强化调浆过程的应用基础研究,为调浆过程强化设计提供理论指导,具有重要理论价值和工程意义。基于单相流数值计算,分析了不同型式湍流场下搅拌槽内流体湍流涡耗散微尺度的空间分布特性,结果表明提高叶轮旋转速度能够降低槽内流体的湍流涡耗散微尺度,同时随着r/R的提高槽内湍流涡耗散微尺度逐渐增大;槽内湍流场型式决定湍流涡耗散微尺度在轴向高度及径向位置上的演变行为,复合型湍流场下在r/R=1.07时槽内流体湍流涡耗散微尺度最小值为8.58μm;进一步分析了不同湍流场型式下搅拌槽特征区域内湍流涡耗散微尺度的分布规律,并构建了轴向型和径向型湍流场下特征区域内不同高度位置处湍流涡耗散微尺度沿径向分布的数学模型。依托欧拉两相流数值计算,探究了湍流场作用下不同粒径固相颗粒体积分数的分布特性,明晰了不同型式湍流场对细粒颗粒悬浮均匀度的强化作用规律,即轴向型湍流场径向型湍流场复合型湍流场;分析了不同型式湍流场作用下固相颗粒对搅拌槽内流体湍流涡耗散微尺度的影响行为,结果表明轴向型湍流场中随着叶轮旋转速度的提高,固相颗粒对湍流涡耗散微尺度在轴向高度上的影响范围减小,而径向型及复合型湍流场中固相颗粒显著增大了叶轮区域外流体的湍流涡耗散微尺度;通过试验测试了搅拌槽内的矿浆浓度分布,并借助神经网络分别确定了轴向型、径向型及复合型湍流场下的2×8×1、2×6×1及2×8×1矿浆浓度预测模型。以湍流强化调浆体系内颗粒聚团的变化规律为切入点,验证了径向型及复合型湍流场作用下颗粒间聚团行为的三个阶段:聚团形成、聚团破裂及再次聚团阶段;探究了不同型式湍流场作用下调浆体系内矿浆的矿化行为,即复合型湍流场内矿浆的矿化程度最高;基于原子力显微镜从微观层面分析了不同型式湍流场调浆作用后石英颗粒间的相互作用力,结果表明湍流场型式显著影响颗粒间的分离距离及粘附力,间接揭示了湍流场特性对石英颗粒与药剂间吸附性能的影响规律。基于湍流场作用下的搅拌槽体系,确定了湍流涡量与湍流能量耗散率间存在的对应关系;基于搅拌槽内颗粒在轴向方向上的受力分析,建立了微元控制体内矿浆均质性分布的控制方程,探究了搅拌槽内固相颗粒悬浮分散性能与湍流涡耗散微尺度及湍流强度间的作用关系,即湍流涡耗散微尺度对不同粒径颗粒离底悬浮的作用程度不同,且高湍流强度是槽内固相颗粒均匀分布的必要不充分条件;以湍流场中颗粒跟随性、颗粒间碰撞概率、颗粒间聚团形成及聚团破裂机制为研究切入点,推导出湍流场中颗粒间的聚团概率方程。选取粉煤灰为试验样品,研究了不同型式湍流场作用下粉煤灰调浆的界面效应;粉煤灰调浆-浮选试验研究结果表明,轴向型湍流场作用下的粉煤灰累积未燃炭回收率明显小于径向型及复合型湍流场,且在调浆速度1500 rpm时复合型湍流场作用下的粉煤灰浮选速率常数值最大为0.0862 s~(-1),同时尾灰烧失量最低为2.33%,验证了湍流场型式对浮选粉煤灰浮选动力学及脱炭性能影响的差异性;显著性分析表明复合型湍流场下调浆速度显著影响粉煤灰浮选的炭脱除率及尾灰烧失量;基于上述研究,提出调浆体系中流体湍流强度及湍流涡耗散区间的均衡适配是实现调浆过程强化的关键。该论文有图180幅,表38个,参考文献185篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TD923
【部分图文】：

博士学位论文2分离区、矿化运输区和混合区[1]。在混合区内，气流被旋转的叶轮切割、分散成小气泡，与悬浮的矿浆颗粒发生紊流碰撞；而在分离区和矿化运输区，气泡靠自身浮力向上运动，矿物颗粒则主要依靠自身重力向下运动，颗粒和气泡间发生层流碰撞；矿粒与气泡发生碰撞后，表面疏水性强的颗粒粘附在气泡表面，并随着气泡上浮至矿浆液面形成泡沫区，此区域收集到的泡沫产品即为精矿，而表面亲水性强的颗粒则留在槽中成为尾矿。图1-1浮选槽内分区意图Figure1-1Thesubareasinflotationcell常规使用的搅拌式浮选机自身带有一定的搅拌作用，可以保持浮选槽内固相颗粒的悬浮和运动，对前期调浆工艺的作用有所忽视。但是，浮选槽内较高的湍流运动有利于微细颗粒间的聚团行为及促进颗粒与浮选药剂间相互作用，而过度的紊流条件对于浮选槽内部矿浆稳定性、矿化颗粒与气泡间的黏附行为具有不利的影响，这两种相互矛盾的流体条件在浮选机中不易同时实现，因此在利用浮选机进行细粒矿物分选的浮选工艺流程中，需重视矿浆预处理的过程强化作用。矿浆的预调浆处理有利于降低浮选槽内的湍流程度，提供一个相对稳态的泡沫分选环境，对提高浮选效果、优化能量消耗具有一定的意义。1.2.2.2浮选柱浮选柱也是一类细粒、微细粒矿物分离设备。实际选矿生产中，相比于浮选机，浮选柱具有工艺流程简单、分选效率高等特点，在细粒、微细粒矿物浮选分离中广泛应用。以我国自主研制的旋流-静态微泡浮选柱为例，主要包含浮选段、旋流段、管流矿化段等，如图1-2所示[2,3]。设备上部为柱浮选段，依靠逆流碰撞矿化的浮选原理实现细粒矿物的分离；与柱浮选段下部相连的是旋流分选段，是分选柱的主体结构，包括按密度的重力分离及在旋流力场背景下的旋流浮选；管流矿化段

1绪论3到重力影响而向下运动的矿物颗粒在下降过程中与自由上浮的气泡间发生碰撞，疏水性矿物粘附在气泡表面，并随着气泡上浮至泡沫层，成为精矿产品。图1-2旋流-静态微泡浮选柱示意图Figure1-2Theschematicdiagramofcyclonic-staticmicro-bubbleflotationcolumn由于浮选柱自身无搅拌装置，仅依靠外部充气作为系统的动力源，柱体内部流体湍流度较低；且由于柱体长度有限，部分颗粒在重力作用下很快下沉至尾矿区，颗粒与浮选药剂间相互作用不充分，颗粒矿化程度低；因此，浮选前矿浆预处理在柱式分选系统中的作用愈发必要。1.2.3浮选调浆必要性由于细粒矿物表面具有较高的反应活性，在浮选过程中易发生凝聚现象，从而造成脉石矿物目的矿物泡沫产品中的夹带，降低了矿物颗粒与浮选药剂间的相互作用，对目的矿物表面性质产生影响，造成浮选效率偏低；而对细粒矿物浮选前的调浆则能够提供用于克服颗粒间相互作用能垒的强烈湍流场作用力，从而促进药剂与颗粒间的有效作用，提高细粒矿物的高效浮选回收，因此浮选前的高效调浆是矿物浮选分离的基础[4]。调浆作为矿浆入浮前的预处理作业，在浮选工艺流程中具有重要地位，尤其在使用浮选柱的浮选工艺中。浮选调浆过程是一个多组分多尺度的复杂调浆体系，其实质反映的是搅拌槽内的湍流场强化作用，在高剪切条件下提供较高的搅拌能，基于湍流涡效应实现流体剪切、调浆体系内动量传递及质量传递，促进矿物颗粒和药剂之间的相互作用，以实现浮选过程中矿物有效分离。调浆环境为复杂的相间作用环境，依托流体强化开展搅拌槽内多组分混合过程研究，对含有浮选药剂的矿物颗粒溶液体系进行分析，探究湍流场对槽内流体的强制对流扩散、矿物颗粒悬浮分散性能及均质化分布、矿物颗粒表面性能对湍流场型式的响应

1绪论5图1-3搅拌桶结构示意图（1-搅拌结构,2-循环套筒,3-桶体,4-搅拌叶轮）Figure1-3Theschematicdiagramofstirredtank(1-stirredstructure,2-circulationsleeve,3-tank,4-impeller)1.3.3专利搅拌设备由于浮选理论和矿浆预处理理论的进一步发展，出现了一批新型专利搅拌设备[10~13]。中国矿业大学研制了一种强制混合调浆设备（如图1-4），槽内运动部件由高速剪切组合叶轮和混合搅拌叶轮组成，两段多层组合叶轮的安装方式实现了高剪切和强制搅拌流的协同作用[14]。西安科技大学研制了多段强制混合调浆设备（如图1-5），该搅拌槽体内部增设了包含一级叶轮、二级叶轮和三级叶轮的多级叶轮结构，由循环导流筒和静态导叶组成的静态导叶装置，及由汇集筒和引流管组成的引流汇集机构[15]。中国矿业大学（北京）研发了一种双轴强制剪切调浆装置（如图1-6），该装置内壁设有挡板的调浆桶，侧壁装有出料缓冲箱；两根搅拌轴上分别配备双层高剪切组合叶轮，且叶轮安装高度不同，构建了双层叶轮双轴搅拌构型，能够同时实现桶内矿浆在水平和垂直两个方向上的强剪切对流碰撞[16]。长沙矿冶研究院研制了一种适用于多相高浓度浆体的搅拌装置（如图1-7），其主体部件搅拌轮包括安装于搅拌轴底部以实现产生轴向流为主的下层搅拌叶轮，以及安装于下搅拌叶轮上方的以实现产生轴向及径向双向流的上搅拌叶轮，能够实现高浓度矿浆的强烈搅拌及均匀弥散[17]。
【参考文献】

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本文编号：2864745