筛板充填浮选柱浮选流体的速度场分布.pdf

第3 s 卷第5 囊孛国矿她大学学报V o l 。3 6N o 。5 2 0 0 7 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 7 文章续罨1 0 G O 1 9 S 垂 2 0 0 0 s 0 5 7 8 一G 4 筛板充填浮选柱浮选流体的速度场分布 刘炯天1 ’2 ，张 敏3 ，刘焕彬3 ，正永田1 ，陈嘉翔3 1 ．牵嚣矿盈大学拖工学院，江苏徐翔2 2 1 1 1 6 ；2 。东麓大学资源与主本王程学浣，辽宁凌稿1 1 0 0 0 4 l 3 ．华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验宣，广东广州5 1 0 6 4 0 摘要秀了研究充填簿板对旋流一静态微沲浮逸挺分选段流露琢境酌影嚷，分别曩l 激光耨度测逮 仅 L D V 和计算流体力学软件 F L U E N T 对分选段的流俸速度场分布进行测试与模拟，结果表 明，轴向速度在0 ．1 8 ～0 ．4 1m ／s 之问，径向速度在一0 ．0 6 ～0 ．0 8m ／s 之间．与柱分选段无充填 婧况选行对比，簿板减弱了漉侉切巅流动速度的5 0 ％～6 0 ％，改善了流露争气沲砖经向弥散芩 均匀状态，且使轴向速度分布更趋于均匀，降低了P e 准数，促进了浮选流体的“塞流”环境．最后， 推导出在筛板充填浮选柱单相流体中单个气泡的运动速度。 关键调充填；渗选拄；戆钣；速度场 中图分类号T D9 2 2 ；T Q0 2 1文献标识码A V e l o c i t yF i e l dD i s t r i b u t i o no fF l o t a t i o nF l u i d i nt h eS i e v e d F l o t a t i o nC o l u m n L I UJ i o n g - t i a n l ”，Z H A N GM i n 3 ，L l UH u a n b i n 3 ， W A N GY o n g t i a n l 。C H E NJ i a - x i a n 9 3 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 。S e h o o lo fR e s o u r c ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ， S h e n y a n g ，L i a o n i n g1 1 0 0 0 4 ，C h i n a3 ．S t a t eK e yL a bo fP u l pa n dP a p e rE n g i n e e r i n g ， S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 。G u a n g z h o u ，G u a n g d o n g5 1 0 6 4 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eL a s e rD o p p l e rV e l o c i t y L D V a n dc o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e F L U E N T w e r ei n t r o d u c e dt ot e s ta n ds i m u l a t et h ef l u i df i e l di no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c e so f p a c k i n gs c r e e np l a t e so nf l u i de n v i r o n m e n to ft h ep a c k e d s e p a r a t i o nz o n eo fc y c l o n i cs t a t i cm i - c r o - b u b b l ec o l u m nf l o t a t i o n 。T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea x i a lv e l o c i t yw a si nt h er a n g eo f0 ．1 8 ～O 。4 1m ／s ，a n dt h er a d i a Iv e l o c i t yw a si nt h er a n g eo f 一0 ．0 6 ～O ．0 8m ／s ．C o m p a r i n gw i t h n o n ‘p a c k i n gc o l u m n s ，t h et a n g e n t i a lv e l o c i t yw a sw e a k e n e d5 0 ％～6 0 ％b yp a c k i n gs c r e e n p l a t e s ．T h en o n - h o m o g e n e o u sr a d i a ld i s p e r s i o no ff l u i da n db u b b l e sw a si m p r o v e d ．T h ea x i a l v e l o c i t yw a sm u c hh o m o g e n o u s l yd i s t r i b u t e db yi n t r o d u c i n gp a c k i n g ，i nt h em e a n t i m e ，t h ec r i - t e r i aP ew a sr e d u c e da n dp l u gf l o we n v i r o n m e n tw a sr e i n f o r c e d ．F i n a l l y ，f o rp a c k e dc o l u m n f l o t a t i o nt h ev e l o c i t yo fs i n g l eb u b b l ei np a c k e d s e p a r a t i o nz o n ew a sd e r i v e ds i n g l ep h a s ef l u i d a s s u m p t i o n ． K e yw o r d s p a c k i n g ；c o l u m nf l o t a t i o n ；s c r e e np l a t e s ；v e l o c i t yf i e l d 收稿日期2 0 0 7 一O l 一2 5 基金项曩黧家杰出专簪辩学基金磺霆 5 0 4 2 5 4 1 4 作者蓠奔髑煽天 1 9 6 3 - ，男，挺南省南麓索入，教授，博士生等繇，扶事矿耪绷工方面的棼f 究． E ．姗m { s e e t l i t 1 2 6 ．c o m T e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 9 7 6 万方数据 第5 期刘炯天等筛板充填浮选柱浮选流体的速度场分布 5 7 9 流体运动所产生的速度场研究主要是通过实 验和数值模拟方面获得的．目前有两种最先进的流 速测试方法能精确地测出流体中粒子的流速[ 1 ] 一 种是粒子动态分析仪 p a r t i c l ed y n a m i c sa n a l y z e r s y s t e m ，P D A ，另一种是粒子图象测速技术 p a r t i - c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，P I V ．这两种方法均是采用 激光测速的基本原理[ 2 ] ，即依靠运动微粒散射光与 照射光之间光波的多普勒频移来获得速度参数信 息．L D V 技术 激光多普勒测速技术 与P D A 原理 一样，惟一区别是P D A 可以测量出粒子粒径的大 小，而L D V 不能．L D V 实现了非接触测量，因而不 对流场造成任何干扰，且可以同时测量三维速度的 各分量，具有线性好，空间分辨率高和快速动态响 应等特点，已日益成为流体测量中的主要测试手 段．在数值模拟方面，主要应用计算流体力学 C F D c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s 软件进行模 拟．常用的C F D 软件有F L U E N T ，C F X ，S T A R C D ，P H O E N I C S 等． 本文基于前期研究结果[ 3 ‘5 ] ，运用L D V 和 F L U E N T 软件两种手段，从微观角度分析充填结 构对浮选柱流体流场的改善，并从理论上进一步证 明充填筛板对改善柱浮选环境的作用． 1 L D V 测试筛板充填浮选柱的速度场 1 ．1 L D V 光路布置 图1 为L D V 实测光路布置图．自由坐标架为 自由度位移系统，可根据测量点自由移动激光．浮 选柱由透明的有机玻璃制成，为了减少浮选柱曲壁 对激光的折射影响，柱外套了一个有机玻璃制成的 方水盒或称光学补偿盒． 氦氖激光电源 难 黼 激光管目 咪 矾学芝 勃 ＼浮选柱I 』面磊蕊 图1L D V 光路布置 F i g ．1 L D V l i g h tp a t ha r r a n g e m e n t 板5 板4 板3 板2 板1 - 0l 00 ．10 ．2 速度／ m s ．‘ a 中心轴线上 板5 板4 板3 板2 板1 1 ．2 测试点分布 浮选柱尺寸20 0 0m m 1 0 0m m ，给料量3 3 0 m L ／m i n ，尾矿量2 0 0m L ／m i n ．系统见图2 ． 精 泵 图2浮选柱系统 F i g ．2 C o l u m nf l o t a t i o ns y s t e m 为了加强浮选流体反射光的强度，流体中加入 了聚苯乙烯 或碳化硅 作为示踪剂．同时，为了保 证测量结果的精确性，循环过程不输入气体，即在 单相流体 水 中测试．测试从射流口上面第一块筛 板开始，共测试5 块筛板，依次编号板1 ，板2 ，板 3 ，板4 ，板5 ；每块筛板径向测试5 个点，分布在射 流口所在半径；每点间隔1m i n 测试一组，每组测 试点数3 0 0 ，取1 0 组平均值．径向 通道1 水平方 向 取中心点、距离中心点1 0 ，2 0 ，3 0 和4 0m m 处； 轴向 通道2 垂直方向 取点分别在近筛板处 筛板 上部 ，在不影响激光测试情况下，尽量靠近筛板， 形成一个网络状的测试布置． 分别在循环量为4 0 0 ，5 0 0 和6 6 0L ／h 时测试 轴向、径向的速度分布规律及循环量． 1 ．3结果与分析 1 轴向速度分布 轴向是气泡上升和液体下降的路线，因此轴向 速度分布反映停留时间的大小，也即矿化程度情 况．而筛板的作用是可以改变气泡和液体的运行轨 迹，从而延长停留时间，加强矿化度．图3 是浮选柱 同一半径、不同筛板位置上的轴向速度分布曲线． ．o ．2 ．0 ．10 0 ．10 ．2 速度／ m s ．1 伪 距中心轴线2 0m 处 图3轴向速度分布 F i g ．3 A x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 板5 板4 板3 板2 板1 - o ．2 0 ．100 ．10 ．2 速度／ m - s ‘‘ c 距中心轴线4 0m 处 万方数据 5 8 0中国矿业大学学报 第3 6 卷 从图3 可以知道，筛板充填浮选柱的轴向速度 分布范围是一o ．2 ～o ．2m ／s ，与循环量大小成正比 关系，射流附近变化最大；随轴向高度增加，速度稍 微减小，方向由正变负． 2 径向速度分布 图4 是不同循环量下筛板充填浮选柱筛板位 置处的径向速度分布曲线． 0 ．1 0 0 ．0 8 f0 ．0 6 自O ．0 4 蠢0 ．0 2 蚓0 ．0 ．0 2 ．0 ．0 4 ．0 ．0 6 01 02 03 04 05 0 柱半径／m a 循环量0 - 4 0 0L ／h ， ’妒 g 型 蜊 F i g ．4 2 筛板充填浮选柱的速度场模拟 径向速度测试位置在有射流口的浮选柱一侧， 范围为一o ．0 6 ～o ．0 8m ／s ；同样在射流附近变化最 大，靠近柱壁处，速度略减小；射流E l 对侧速度大小 应略小，但总体变化趋势应该相同；板五处速度反 而降低，说明此处已基本是泡沫区，速度滞缓；循环 量增大使径向速度偏大；与文献[ 6 3 的结果对比发 现，筛板的加入明显减小径向速度大小． 薹匿萋．鬻 柱半径／m b 循环量0 5 0 0L ／h 图4径向速度分布 01 02 03 04 05 0 柱半径／m c 循环量 2 6 0 0L ／h R a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 内，因此模拟结果具有可信性． 由于L D V 只测出了轴向和径向速度分布，基 于旋流一静态微泡浮选柱浮选段高紊流和柱式短流 程特点，我们更希望通过筛板充填减小切向紊流 度，同时也使轴向速度分布度趋于均匀．因此通过 F L U E N T 软件模拟来分析切向速度． 应用多孔介质模型模拟单相流在三维方向的 流动，即循环时无气体输入，但适当加大了射流入 口流量，以减小模拟与实际的数据误差． F L U E N T 模拟的条件设定见表1 ． ‘表1边界条件的设定 T a b l e1 V e r g es e t u p 已知边界条件设定名称设定类型初始值 图5 ，6 分别模拟在有、无筛板充填情况下轴 向、切向速度大小的对比．图7 a ，7 b 分别是筛板充 填时第3 块筛板处速度矢量图和无筛板充填时第 4 块筛板处速度矢量图． 鼍 琶 瑙 匿 暴 筛板数 图5轴向速度对比效果 F i g ．5 A x i a lv e l o c i t yc o m p a r i s o n 模拟计算轴向速度范围是0 ．1 8 ～0 ．4 1m ／s 不考虑速度方向 ，与测试比较，误差在允许范围 j 四 籁 韶 雹 剖 捌 庭 蠡 筛板数 图6 切向速度对比效果 F i g ．6T a n g e n t i a lv e l o c i t yc o m p a r i s o n 图7速厦矢量图 F i g ．7V e l o c i t yv e c t o r s 速度矢量图5 ～7 明显表明，筛板的加入可减 弱浮选柱内流体切向流动的5 0 ％～6 0 ％，同时在 第1 筛板至第3 筛板处，也即旋流最强处，轴向速 度也得到降低；图7 b 无充填筛板的情况下，在第4 筛板位置处，仍然有明显的旋流；图7 a 加了充填筛 板后，第3 块筛板处，就基本不存在旋流了．从速度- 矢量图同时观察到，轴向速度大小分布更趋于均 匀，说明筛板也加强了流体的横向平均分配． 3 气泡速度 不管是激光测试还是F L U E N T 计算，我们都 是在单相流体下得到的结果，浮选过程中气泡的流 m。嵩|l l l L 万方数据 第5 麓裁炯天等；簿板充填浮选棱渗选漉俸酶逮囊绣分带 5 8 1 态才是关键的问题．但是对于单个气泡我们无法追 踪或精确测量，单相流体逡动与气泡运动谯总体上 是一致约，交亿趋势也应该是一样的，下蕊通过“泡 沫流动理论”推测单个气泡速度的计算方法。 气相相对于液相 矿浆 的滑动速度U 轴为 U s , 一} 士坩兰， 1 式中歹。，歹t 翻≮分别为表观气逮溺E 速翻含气率； 士分别代表逆流与并流，浮选柱的两相流为逆流。 滑动速度是相对系统而言的．对气体一矿浆系统[ 7 ] ， 可用式 2 淡示如下 u 敏 甓衔删， ∞ 式中d “为气泡直径；风t ，f 。b 分别为矿浆和气泡密 度；F 为气相动能因子；肛。l 为矿浆黏度； R e b 。一d b U 雄p , 1 1 - - e g ， 3 a 弘毒l F 1 一￡g 一 1 一￡。 一1 ， 3 b m 一仁4 ．4 5 1 8 d b ／d 。 ] R e 一0 ’1 3 c 1 R e b 2 0 0 ， 辨 4 4 5 R e ≯’1 2 0 0 R e b 5 0 0 ， 3 d R e h d b U b l D s ， 3 e ∥s i 式中U “为单个气泡的瞬时上升速度 可假定￡。一 0 ，逶过式 2 计算 ；蠢。隽浮选挂壹径。 首先我们估算单个气泡的雷诺数R e “．由文献 [ 3 ] 测试统计结果知道，气泡直径最大为1 ．6m m ， 2 0 ℃时水的黏度为1 ．0 0 5M P a s ，密度为9 9 8 。2 k g ／m s 激光测试结果又知道，流体速度最大在0 。6 m ／s 假定为气泡速度 ，则在清水系统巾R e t 一 0 ．9 5 35 ，此值远远小于2 0 0 ，因此基本W 以判定 R e b 在1 R e b 2 0 0 内，即m 取值由式 3 c 确定． 筛板产生滕降，同样也会对气泡速度产生阻力，设 定蔫扳阻力透子隽邑露泼求出攀拿气沲在单稽流 体中瞬时速度的表达式 U b 1 一亭 l K - e b , U s l ． 4 吼冈 联合式 1 ， 2 ， 3 a ， 3 b ， 3 c 可求蹬穗关 的所有参数．式 莲 提供了流体流动孛气漶壹径、浮 选柱宣径、气体表观速度、液体表观速度、气含率、 筛板结构参数等之间的信息关系，为筛板充填浮选 柱放大设计提供理论基础． 4 结论 1 从速度分布的角度论述筛板在浮选柱充填 巾的器爆，分别震激光测试与F 毛U E N T 模拟的方 法计算筛板充填浮选柱内拟单糯流条件下速度的 大小和分布．L D V 测试轴向速度为一0 ．2 ～0 ．2 m ／s ，F L U E N T 软件计算为0 ．1 8 ．- ．．- 0 ．4 1m ／s ． 2 测试与模拟的速度矢爨圈均表明，筛板的 加入大大减弱浮选柱内流体酶切向流动，轴肉速度 也有所减小，即降低了彼克列准数，从而促进了浮 选段流体的“塞流”；同时轴向速度的分布趋予均 匀，说明筛板也加强了流体整体均布度，改善了浮 选环境，提高7 浮选效果。 3 通过泡沫流滑动理论，推导出筛板充壤情 况下浮选柱浮选段单个气泡速度的表达式，为浮选 环境调整提供依据． 参考文献 [ 1 ] 朱友益，张强，王化军，等．P D A 测试浮选械液一 气两相流中气泡的流速分布[ J ] ．北京科技大学学 报，1 9 9 9 ，2 1 2 4 - 7 ． Z 珏UY o u - y i 。Z 疆A X GQ i a n g ，W A N GH u a - j u n ，娥 a 1 ．B u b b l ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nl i q u i d - g a st w o - p h a s ef l o wo ff l o t a t i o nc o l u m nu s i n gP D Av e l o c i m e t e r [ J ] ．J o u r n a lo fU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，1 9 9 9 。2 1 2 4 - 7 。 ￡2 ] 沈熊编。激燹多酱赣溺逮蓑零及应建[ 酝] 。蔻裘清 华大学出版教，2 0 0 4 1 8 9 - 2 3 4 ． [ 3 ] 张敏，刘炯必．筛板充填浮选柱的气泡行为及其影 响因素[ J ] ．巾国矿业大学学报，2 0 0 5 ，3 4 6 7 6 6 7 6 9 。 Z H A N GM i n 。搬UJ i o n g - t i a n 。B u b b l eb e h a v i o r sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h es i e v e d - f l o t a t i o nc o l u m n [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g Y ，2 0 0 5 ，3 4 6 7 6 6 7 6 9 ． [ | 耋3 L I U jT ，Z 拱A N GA 4 ，l JYF ，e ta l 。R e s e a r c ho n p r e s s u r ed r o pp e r f o r m a n c eo ft h ep a c k i n g - f l o t a t i o n c o l u m n [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y 。2 0 0 6 ，1 6 4 3 8 9 3 9 2 ． [ 5 3 刘炯天．旋流～静态微泡浮选棱及洁净煤制备研究 [ 躜。嚣京审嚣矿盈大学诧学专嚣境工程学院， 1 9 9 8 ；3 2 - 3 8 。 [ 6 ] 周晓华．浮选柱的旋流分选机理与矿物分选燕践 [ D ] ．徐州；巾国矿业大学化工学院，2 0 0 5 4 1 - 5 8 ． [ 7 ] 邱冠周。颗皴闻籀互作用与细靛滓选[ M ] ．长沙。中 零工鲎夫学黧版柱，1 9 9 3 5 3 5 8 。 责任编辑骆振福 万方数据