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搅拌调浆过程强化及多段强制混合机理研究

李振  
【摘要】: 近年逐步兴起的“过程强化”的技术理念对当今选矿技术的发展提出了更高的要求,其宗旨是在充分认定选矿自身“过程工业”性质的基础上,强调“过程”的调控对选矿的重要意义。目前大多数研究工作者关注点更多的放在分选的主体单元调控因素,如高效复合药剂、强化式的矿化条件、复合式的分选环境等等,关于整个分选过程的源头——调浆环节,还未有深入开展研究工作。尤其是针对矿石“贫、杂、难”的特性,为实现有效解离,矿物往往以细粒、微细粒的尺度进入浮选作业段,在药剂分散所创造的化学条件下,相应的流场产生的机械特性应与之匹配。作为矿物分选整个过程工业的出发点,调浆的强化成为研究的焦点之一。 针对目前关于搅拌调浆作业的研究中相关基础理论研究的报道较少的问题,本论文从一般性研究的角度入手,通过考察不同搅拌机制作用下的流场型式及作用过程的功率耗散量PV、混合时间? m情况,以功率准数N P、混合时间数N?以及表征循环、剪切性能的特性参数作为评价标准,汇总了叶片型式、折叶角度、叶片数以及附件型式对混合性能的影响规律,并提出相应混合效率的评价标准。 通过固-液两相试验来模拟实际调浆过程,根据不同搅拌机制作用下物料在槽内的分布规律,总结累积浓度方差、区间浓度方差、离底悬浮能力、不良混合区以及有效作用范围等参数及概念来表征物料的悬浮特性。指出流场轴向作用是决定物料悬浮状态的关键。物料要实现“有效”悬浮,不但要突破离底悬浮这一基本状态,而且对应流场要有足够的轴向作用实现物料主体范围内的循环。各区域之间的物料不断更新、传递,才能实现搅拌体系较高的作用效率。 利用流体力学软件FLUENT对不同搅拌机制作用下的流场进行了数值模拟:不论是轴流式流场还是径流式流场,不添加挡板时,流场中主要作用的流型为切向速度产生的环流;槽顶部无一例外均形成弱混合区,对应搅拌机制的有效作用范围。轴流式叶轮主要产生轴向射流,以切向速度、轴向速度为主,整体循环能力较强;径流式叶轮主要产生水平射流,能够配合挡板产生显著的剪切作用,由于叶轮排出流几乎不存在轴向速度作用,从而产生循环区速度能量相对不足的现象。 在对表征搅拌槽流场特征参数的推导中推导出二次流循环特性数和二次流循环系数。从混合时间的角度对混合过程作进一步解析,指出混合过程主要包括宏观混合与微观混合。以搅拌槽内矿物颗粒的受力分析为出发点,推导出搅拌槽物料分散概率方程。从紊流扩散的角度分析了药剂在搅拌槽内的扩散过程及与矿物的作用过程,指出流体剪切力可以为药剂与颗粒发生碰撞以及药剂与矿物颗粒提供一定的能量,从而改善调浆效果。以搅拌叶轮力与力矩平衡的基本方程为出发点,推导表征搅拌槽内能耗分配的效率参数?。在进一步推导功率准数与流量准数理论计算式的基础上,得出搅拌槽内循环/剪切定量比。 依据二次流循环的特点来进行流场优化设计,构建以轴流式叶轮与径流式叶轮共同作用的双叶轮作用体系。双叶轮构型在成功融合强循环与强剪切作用机制的同时,初步形成了以“双段”为特征的搅拌作用机制:即高效强力循环混合与高剪切搅拌的双段组合方式,为开发出新型高效改性调浆装置提供了实践基础。利用数值模拟的手段对双叶轮最佳基础构型进行流场分析:双叶轮基础构型的流场显示,两种型式叶轮作用下各自在循环与剪切方面的优势特性实现耦合。优化构型“基础构型+Draft-tube”在此基础上,使得“双段”的作用特征更为明晰。 为进一步实现双叶轮搅拌机制作用下剪切性能的缓存提升,借鉴化工过程中静态混合器的作用原理,在“基础构型+Draft-tube”的构型基础上进行了以静态导叶添加为主的优化设计。通过解析相位速度场,得到了静态导叶混合区的涡流发展历程。并由此形成了以“多段”、“强制”为特征的新型混合装置:“多段”即高效强力混合、静态导叶剪切混合以及高剪切叶轮搅拌的多段组合方式;“强制”即指导料锥的添加强制入料进入流场循环路径以及静态导叶混合单元的局部强制对流混合作用。 通过混合特性、物料悬浮特性验证了“多段、强制”混合装置混合性能的高效性。并选取云南昆阳矿区高镁胶磷矿开展分选试验。通过与普通搅拌槽作用效果对比证明,“多段、强制”混合装置的调浆效果均优于普通搅拌槽,尤以“正切”构型的作用效果更明显:在精矿中MgO品位有效降低至0.80%以下的前提下,相对于普通搅拌槽P2O5回收率提高了4.84个百分点。以“正切”构型作为“多段、强制”混合装置的应用代表,与普通搅拌槽相比,其调浆过程中减少药剂的调浆时间对相应分选指标的影响较小。通过对普通搅拌槽与“正切”构型调浆后分选得到的精矿产品进行粒级回收率的分析表明,采用“正切”构型调浆,各粒级矿物中的P2O5回收率与MgO脱除率均有所提高。“多段、强制”混合装置在其流场中实现高效循环的基础上,充分构建了强剪切作用机制,这是其对微细粒物料实现调浆强化的根本原因。 从混合特性参数与悬浮能力参数综合分析,以“多段、强制”为特征的优化设计构型在实现快速混合、槽内物料有效悬浮以及调浆效果方面相对于普通搅拌槽存在较为明显的优势。本研究设计的“多段、强制”混合装置成功的实现了对传统调浆效果的强化。


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