充填式浮選柱中徑向返混及流速分布對浮選效果影響的研究.docx

1、化工進(jìn)展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS充填式浮選柱中徑向返混及流速分布對浮選效果影響的研究周鵑曾愛武余國琮（天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，天津，300072）摘要建立了充填式浮選柱的二維混合模型，并對該模型進(jìn)行了數(shù)值法求解，探討了徑向返混系數(shù)和軸向氣、液流速沿徑向的分布對充填式浮選柱捕集區(qū)的回收率的影響。結(jié)果表明，增大徑向返混系數(shù)有助于提高回收率；軸向氣、液流速沿徑向的分布越均勻越好；氣速的不均勻分布將對回收率造成較大影響。分析結(jié)果對提高充填式浮選柱的浮選效果具有一定的理論指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞充填式浮選柱，徑向返混，流速分布中圖分類號TD

2、456文獻(xiàn)標(biāo)識碼A引言充填式浮選柱是1988年由楊錦隆教授（美國）結(jié)合傳統(tǒng)式浮選柱和化工精偕過程首先研制成功的，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各類礦物浮選及廢水處理等領(lǐng)域中。一些學(xué)者對充填式浮選柱內(nèi)的返混特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究231,并對其一維混合模型進(jìn)行了理論研究，得到了一維混合特性與回收率之間的關(guān)系。但到目前為止還沒有文獻(xiàn)報道過充填式浮選柱的二維混合特性對回收率的影響。本文將從二維混合模型出發(fā)，對徑向返混及流速分布對回收率的影響進(jìn)行理論分析與研究。1二維混合模型的建立對圖1所示微元體進(jìn)行粒子衡算，忽略徑向流速，則在穩(wěn)態(tài)條件下可得到模型（1）5】：Fig.1SchematicofParticlesBalanc

3、einUnit卷-中務(wù)（斜+七C=0=_E5Ek（1）|C（z,r）|t=0=Co=0邊界條件為：drr=03C（z,r）_n萬r=S一。Cg（z）|z=H=0式中H為浮選柱捕集區(qū)高度。2模型的求解及結(jié)果分析2.1模型求解對于模型（1）,本文采用差分法進(jìn)行求解，格式采用PR交替方向隱格式（ADI格式）。計(jì)算過程中假設(shè)以下最為已知：軸向平均液流速團(tuán)=0.012m/s,軸向平均氣速ug=0.01m/s,軸向返混系數(shù)Dz=0.003m2/s,初始平均濃度=1kg/nA浮選柱捕集區(qū)的高徑比如=2.6。為了討論方便，這里假設(shè)初始濃度分布均勻，軸向氣、液速沿徑向的分布都是以縱軸為對稱軸的拋物線型分布，方程

4、如下：聯(lián)系人及第一作者周蒲，男，26歲，碩士?；痦?xiàng)目國家自然科學(xué)基金資助（No.29806012）。U=-aQr2+c(2)其中廠N0,系數(shù)。0決定了拋物線的開口大小，即速度分布的均勻性值越大則分布越不均勻，而c值則決定了軸心處速度的大小。式(2)反映的是一般圓管內(nèi)通常所假設(shè)的流速分布情況,因?yàn)槌涮钍礁∵x柱捕集區(qū)內(nèi)速度分布的狀況比較復(fù)雜，還沒有文獻(xiàn)報道過，所以這里假設(shè)以下4種分布情況(如圖2所示)來進(jìn)行定性的分析。本文在計(jì)算時30取0、0.2和0.5。將持續(xù)下去，會在更大程度上影響回收率。但當(dāng)徑向存在返混現(xiàn)象時，大濃度的流體會返混至小濃度的流體中，即與小氣速相遇的液相流股中的粒子會混合至與大

5、氣速相遇的液相流股中，而大氣速有利分布情況三分布情況.液速分布&速分布分布情況二液速分布?xì)馑倬加谔岣呋厥章?，所以，隨著徑向返混程度的加大,越來越多的粒子會因?yàn)閺呐c小氣速相遇的液相流股混合至與大氣速相遇的液相流股中而提高其被捕集的數(shù)量，從而增大了整體的回收率。(2)分布情況二(液速有分布，氣速均布)同理，可以得到分布情況二的變化曲線，如圖3(a)、(b)中的曲線“分布二”所示。可以看到,隨著徑向返混系數(shù)的增大，回收率R也是逐漸增大的。原因與分布情況一類似，由于液速越大,回收率越低，被捕集的粒子數(shù)越少，也就是說,分布情況四液速均布?xì)馑倬荚跉馑傧嗤臈l件下，液速大的那股流體中的粒子濃度相對較高，

6、當(dāng)徑向存在返混現(xiàn)象時，大濃度的流體與小濃度流體就會發(fā)生混合，即大液速的流股中的粒子混合至小液速流股中，而小液速有利于提高回收率，所以，隨著徑向返混程度的加大，回收率會因?yàn)榇笠核倭鞴芍械牧Ｗ踊旌现列∫核倭鞴芍?9Fig.2AxialGasandLiquidVelocityDistribution由于捕集速率常數(shù)與氣速、氣泡直徑和捕集效率有關(guān)，而捕集效率又與多種因素有關(guān)，所以它的計(jì)算比較繁瑣。文獻(xiàn)6詳細(xì)討論了捕集速率常數(shù)的算法，根據(jù)該算法，在物系等條件一定時，可將捕集速率常數(shù)看做只是氣速的函數(shù)，并假設(shè)其關(guān)聯(lián)式為：kc=0.5u-5(3)于是根據(jù)以上各式就可以計(jì)算出各情況下相應(yīng)的回收率。2.2結(jié)果分

7、析2.2.1回收率隨徑向返混程度的變化(1)分布情況一(氣速有分布，液速均布)根據(jù)上述方法可以分別計(jì)算出當(dāng)=0.2和0.5時回收率隨徑向返混系數(shù)的變化曲線，如圖3(a)、(b)中的曲線“分布一”所示。可以看到，隨著徑向返混系數(shù)D,的增大，回收率R是逐漸增大的。這是因?yàn)閺较蚍祷煊欣綇较驖舛确植嫉淖饔?，而初始濃度分布是均勻的，所以剛進(jìn)入柱內(nèi)的流體產(chǎn)生的濃度梯度是由于氣速分布不均造成的,由于么8“*5,因而，氣速越大，被捕集的粒子數(shù)越多，即與大氣速相遇的那股液相流體中的粒子濃度相對較小，如果沒有徑向返混，這種濃度分布598.8585.88.,788888M回56&8/*分布三：氣液速都有分布/分布

8、二：氣速均布，液速分布分布-：液速均布，氣速分布分布四：氣液速都均布88.600.00050.0010.00150.002Dr/m2-s-1(a)a0=0.289.50.00258988.58887.58786.586r分布三：氣液速都有分布分布二：氣速均布，液速分布!分布一：液速均布，.氣速分布分布四：氣液速都均布85.500.0010.0020.0030.004Dt/m2-s*(b)ao=0.5Fig.3CurvesoiRecoveryvsRadialEXspersionCoefficient0(b)QK.003m：/sFig.4CurvesofReco

9、veryvsVelocityDistribution而得到提高。(3) 分布情況三(液速、氣速都有分布)此情況下的變化曲線如圖3(a)、(b)中曲線“分布三”所示。變化趨勢與前兩種情況一樣。由于這種情況中氣液速的分布形式對回收率造成的影響效果恰好相反，有一定的相互“抵消作用”，所以這種情況較為復(fù)雜，但該曲線的總體變化趨勢與其他曲線還是一致的。(4) 分布情況四(液速均布，氣速也均布)這時，回收率與徑向返混系數(shù)無關(guān)，如圖3(a)、(b)中曲線“分布四”所示。通過對以上4種情況的分析可以看到，液相流速的不均勻分布對回收率造成的影響最小(曲線“分布二，而氣速的影響最大(曲線“分布一”)，而且徑向返混

10、越小，流速的不均勻分布造成的回收率下降的趨勢越明顯。由圖3(a)和(b)的比較還可以看到，流速分布得越不均勻，回收率的值越小，且隨徑向返混系數(shù)的變化趨勢越明顯，例如，對于“分布一”，當(dāng)a0=0.2時，從0變化到0.0005n?/s,回收率變化了0.25%;當(dāng)qo=O.5時，從0變化到0.0005m2/s,則回收率變化了2.38%。從以上分析可知，氣體分布器的設(shè)計(jì)卜分重要，一定要盡量使氣體分布均勻才能提高回收率;另外，要盡量增大徑向返混，使徑向濃度混合均勻。2.2.2回收率隨氣液速分布均勻程度的變化當(dāng)Dr值分別為0.00005和0.003m2/s時可以得到各種分布情況下回收率隨值的變化曲線見圖4

11、(a)、(b)0可以看到，隨著go值的增大，即氣、液流速分布不均勻程度的加大，回收率呈減小的趨勢，旦減小的速率越來越大。例如圖4(a)中的曲線“分布一”，印從0變到0.1,回收率降低了0.058%,而當(dāng)從0.3變到0.4時，回收率降低了0.59%。從圖中還可以清楚地看到，“分布四”(即氣、液速都均勻分布)的回收率最高，而且氣速的不均勻分布對回收率造成的影響要大于液速的不均勻分布。通過比較兩圖可以看到，徑向返混系數(shù)越大,回收率隨流速分布的不均勻程度變化的越慢。例如，對于“分布一”,當(dāng)Dr=0.00005m2/s時，0從0.3變到0.4,回收率降低了0.59%；而當(dāng)Dr=0.003m2/s時，知從

12、變到0.4,回收率降低了0.24%o所以，從這個角度來看，增大徑向返混可以削弱流速不均勻分布的不利影響。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，浮選柱的徑向返混系數(shù)一般小于10一3,因而流體流動的不均勻性不可忽視。(a)Dr.OOOOSms(a)Dr.OOOOSms89.18988.988.888.788.688.588.488.388.288.13結(jié)論(1) 從二維模型中氣、液速分布情況的分析對比中可以看到，軸向氣、液速沿徑向分布得越均勻越好。(2) 不論哪種分布情況，增大徑向返混系數(shù)都有利于提高回收率，所以，當(dāng)流速的不均勻分布無法避免時，應(yīng)當(dāng)盡量增大徑向返混，這將是一個改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的主要方向。(3) 氣速的不均

13、勻分布對回收率影響很大，所以氣體分布器一定要保證良好的氣速分布C(4) 通過以上分析，可以從以下幾個方面來解釋為什么充填式浮選柱的浮選效果要優(yōu)于開式浮選柱(內(nèi)部沒有填料的浮選柱)：(a)充填式浮選柱內(nèi)的填料使得軸向氣、液流速沿徑向的分布比開式柱內(nèi)的流速分布更加均勻,所以，充填式浮選柱的回收率高。(b)另外，因?yàn)榭账膹较蚍祷煜禂?shù)比充填式浮選柱要小，所以充填式浮選柱的回收率要高于開式浮選柱。符號說明c一液相中的粒子濃度，kg/m3Co-初始濃度，kg/m3Co-初始平均濃度，kg/m3Cg氣相中的粒子濃度，kg/m3D-浮選柱的直徑，mD-液相軸向返混系數(shù)，m2/sD-一液相軸向返混系數(shù)，m2/

14、sdb氣泡直徑，mEk捕集效率H-浮選柱的捕集區(qū)高度，mAc一捕集速率常數(shù)，sT虹一浮選柱捕集區(qū)的高徑比r徑向距離，mR-回收率，s-浮選柱的橫截面積，n?氣相軸向流速，m/s心一氣相軸向主體平均流速，m/sux液相軸向有效流速，m/s液相軸向平均有效流速，m/sz軸向距離，mReferences1 ZhouKun（周鵑），ZengAiwu（曾愛武），WangShuying（王樹槌）.ChemicalEngineering（C/iina）（化學(xué)工程），2001,29（6）:5760LiDinghuo（李定或），DingYigang（丁一剛），WuYuanxin（吳元欣）.TheChinesej

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