射流浮选柱气泡发生器及其充气性能的研究.pdf

第3 2 卷第8 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 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 V 0 1 ．3 2N o ．6 N o v ．2 0 0 3 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 3 0 60 6 1 50 5 射流浮选柱气泡发生器及其充气性能的研究 徐志强1 ，皇甫京华1 ，曾鸣1 ，刘炯天2 ，张荣曾 1 中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要根据射流泵原理设计了一种浮选柱气泡发生器，并对其充气性能进行了试验，研究了气泡 发生器结果参数、流体压力、负压与柱内含气率的关系；探讨了浮选过程中浮选药剂浓度、矿浆浓 度变化对舍气率的影响．结果表明气泡发生器的射流面积比对舍气率有较大影响，最佳面积比 为6 ～1 0 ；合气率随压力增高而增加，压力升到一定程度后，含气率趋于平稳；当气泡发生器吸气 室负压达到一定数值后，含气率也将趋于饱和；随起泡剂用量加大，含气率呈上升趋势；随矿浆浓 度的增加，含气率则呈下降趋势．研究结果为射流浮选柱气泡发生器的设计和结构优化提供了依 据． 关键词浮选柱；射流；气泡发生器 中图分类号；T D4 5 6文献标识码A 气泡发生器是浮选柱的重要部件，由于它的结 构直接左右浮选柱内含气率的多少以及气泡的尺 寸和分布，所以对浮选柱的分选效果有重要影响． 气泡发生器的种类繁多，如按供气方式划分，可粗 略分为自吸气式和压气式两种．这两种气泡发生器 各有优缺点，自吸气气泡发生器的能耗较高，压气 气泡发生器则需要一套供气系统．本研究拟设计一 个自吸气气泡发生器以在实验室双射流浮选柱上 对其充气性能进行试验研究“’2 ] ． 1 气泡发生器的结构设计 为了使气泡发生器具有较好的性能以满足浮 选过程的需要，根据液气射流泵的原理[ “4 1 设计了 一种气泡发生器，其结构如图1 所示． 接进气阀 喀给料管 图1 气泡发生器结构示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po tb u b b l eg e n e r a t o rs t r u c t u r e 原矿浆经第～一喷嘴形成射流从喷口d ，高速喷 人混合室，并直接射向直径为d 。的孔板而进入混 合室．高速射流卷吸周围介质带入混合室，同时在 吸气室造成一定程度的负压，使外界的介质可源源 不断地吸人．混合室的人口所以采用孔板而不采用 喷嘴的原因是流体通过7 L 口突然扩大时，气体会受 到强烈的撕裂作用，可以进一步强化气体与矿浆的 混合作用，更利于被吸人介质的分散． 根据动量守恒定律，可以导出吸人量与喷射量 之间的关系．将吸气室取作控制体，其中物质在流 动方向所受的外力只有室壁面的摩擦力，可忽略不 计．从外界吸人介质的动量必远小于射流的动量， 也可忽略不计．若射流量为Q 。，速度为“，，射流流 体的密度为P ，喷口面积为A 。．自孔1 3 排出的流体， 包括吸入的介质 也可以是矿浆 量Q 。及Q 。，它们 的流速为“。，混合射流的截面为A ．根据动量守恒 原理有 即 P Q l “1 一P Q l “2 p o Q 2 u 2 ， 触。一阻。 P 讹鲁． 1 在这里将混合射流的断面流速度近似地取为 均匀分布，当孔口与射流直径相差不很大时是可行 的．否则，计算所得吸入量将偏大． 收藕日期；2 0 0 3 0 2 2 2 基金项目国家“九五”洁净煤攻关项目 9 3 2 1 5 - 0 1 0 4 0 3 作者简介棣志强 1 9 6 5 ，男，安徽省磅山县人，中国矿业大学副教授，工学博士，从事矿物加工方面的研究 习L 堕 塑曜翅 万方数据 中国矿业大学学报 第3 2 卷 鲁一卫P o f 生u 2 一，】． Q ，一1 』‘ 因A 2 “2 一A l “l Q z ， 得 薏 A _ A s 是． 将式 3 代入式 2 有 Q 2Pr 月。o 。／O 、 Q m F 酊习 2 后转而下降，不同流体压力下的最优面积比基本相 同，在所做的压力范围内，最佳面积比为6 ～1 0 ．第 一喷嘴直径和孔板直径的最佳值分别为 3 d 1 2 4m m 和d 2 1 2m r l l ． 取a 一会，卢一芸，e 一警代入上式则有 e ；卢卜1 最J ， 即￡2 p 1 ￡一口 “1 0 。 4 e 一警 生≤耻， 5 其中B f l 1 ，c ⋯p a1 ． 式 4 可改写为 №若 学E 1 ． 6 当喷射流体为水或矿浆，吸人介质为空气时， 卢很大，一胪可忽略不计，即 卢 1 ／卢一1 ．此时有 a ≈s { 1 ，￡ 等≈n 1 ． 7 吣l 通常，射流泵的e 值在0 ．7 ～1 ．2 之间．在本文 设计的气泡发生器设计中，取￡一1 ，d 。／d ． 1 ．4 ． 实验室浮选柱矿浆流量为8 ．3 3 ～ 1 0 ．5I ，／m i n ，初步选择喷嘴出口直径为d 1 4m m ， 相当射流速度为1 1 ．0 6 ～1 3 ．9 2m ／s ．第二喷嘴直 径选d 严8m i l l ．进一步的结构将通过改变两个喷 嘴的尺寸用实验确定． 为了研究射流泵的结构参数以及操作参数对 含气率的影响，试验中采用了精密压力表对流体压 力进行测试，用精密真空表测量吸气室的负压，用 空气流量计测量空气的吸入量．试验采用 Q G B 2 5 ．2 ／2 型螺杆泵给料，其压头为o ～1 ．2M P a ， 最大流量为1 ．4 7m 3 ／h ． 2 含气率的影响因素 2 ．1 射流泵面积比 射流泵的目的是吸人空气，并将空气劈成气 泡，从而在下导管中形成泡沫流．因为射流泵的喉 管与喷嘴的面积比直接影响空气的吸人量，本文采 用变换喷嘴的大小和档板的孔径进行吸气量试验． 图2 给出了射流泵面积比对含气率的影响关系． 由图2 可见，含气率随面积比增加到一定程度 5 4 荭 铂4 2 3 8 4r a m 5 m m l 5n u n 5 m m 3579l l 面积比 图2含气率与射流泵面积比的关系 F i g ．2 R e l a t i o nB e t w e e na i rr a t ea n da r e ar a t i oo fj e tp u m p 2 ．2 压力 采用4m l r l 喷嘴，在不同流体压力下对含气率 进行了测试，如图3 所示．结果表明含气率随压力 增高而增加，且开始上升较快，待压力升到一定程 度后，含气率趋于平稳． 5 4 芝5 3 筘乱 扣5 l 5 0 图3 古气率与流体压力间的关系 F i g ．3 T h er e l a t i o nb e t w e e na i rr a t ea n df l u i dp r e s s u r e 2 ．3 液体表观流速 液体表观流速与含气率间的关系类似于压力 与含气率间的关系，如图4 所示．试验采用的是 4 m i l l 喷嘴，档板孔径为1 0m m ，下导管长 16 5 0t r i m ，浸入深度为3 0 0m m ． 液体表观流速较低时，含气率增加很快，当液 体流速达到一定数值后，再加大液体流速对含气率 的提高并不明显，这说明含气率已趋于饱和．所以， 在射流泵结构参数固定的条件下，到了一定的流速 后，靠增加流速或增加能量来提高含气率，效果已 不好． 5 4 芝5 3 攀5 2 如5 1 ，0 81 01 21 41 6 表观流速／ m s 。1 图4 液体表观流速及压力与含气率问的关系 F i g ．4 R e l a t i o nb e t w e e na i rr a t ea n da p p a r e n t v e l o c i t yo fl i q u i d ]j 万方数据 第6 期徐志强等射流浮选柱气泡发生器及其充气性能的研究 2 ．4 吸气室负压及下导管浸入深度 在F 导管长度不变 16 5 0m m ，喷嘴为4r t l m 的条件下，进行了吸气室负压、下导管浸入深度对 含气率的影响试验，如图5 所示．当吸气室负压达 到一定数值后，含气率也将趋于饱和，这是因为射 流泵液气两相质点间的相互交换、混合存在饱和态 现象．而浸入深度增加则有利于含气率的提高．浮 选柱的静压平衡方程为 P v 户l 、 户z A p s 户a ⋯ 式中p ，为吸气室负雎；P n 为下导管内液柱产生的 静水压头；P 为管经扩张引起的动力学压头损失； A 为射流泵及F 导管内的沿程管壁摩擦阻力损 失；P ，为下导管浸入外部柱体液面下深度产生的 静压压头；p 。，。为柱外大气压． 若F 导管长度不变，P 。增加，为了维持压力平 衡，则P ，增加．所以吸气量增加． 善 ＼ * 旷 赴 图5 吸气室负压、下导管浸人深度与古气率的关系 F i g ．5 R e l a t i o nb e t w e e na i rr a t ea n ds u c t i o np r e s s u r eo f i n d u c t i o nc h a m b e ra n di n v a d e dd e p t ho fd o w n e o m e r 2 ．5 起泡剂浓度 采用6m r n 喷嘴，在同定下导管长度、缦人深 度以及出口压力的条件下，在水中加人起泡剂，不 同起泡剂用量下的含气率变化情况如图6 所示．随 起泡剂用量加大，含气率呈上升趋势．这是因为添 加起泡剂后，使得液气界面的表面张力显著降低， 同时，由于表面活性剂定向排列在液气界面，在气 泡表面形成一层水化膜而阻止了气泡的兼并，使得 空气更易弥散成小气泡，大大提高了气泡在液相中 的稳定性． w f 起泡女咐1 04 图6 含气率与起泡剂浓度间的关系 F i g ．6 R e [ a t [ o nb e t w e e na i rr a t ea n df r o t h e rc o n s i s t e n c y 2 ．6 矿浆质量浓度 固定试验条件同上，用煤配成不同浓度的矿 浆 由图7 可知随矿浆浓度的增加，含气率呈下降 趋势．因为随矿浆浓度的提高，沿程阻力损失增加， 流速相应降低，从而直接导致吸气量减少． 5 4 5 2 善 描_ 扩4 8 如4 6 051 01 52 02 53 0 “煤 ／％ 图7 含气率与矿浆质量浓度间的关系 F i g ．7 T h er e l a t i o nb e t w e e na i rr a t ea n dt h e c o n t e n to fc o a l 3 含气率与相关参数的经验关系 为了研究含气率与气泡发生器结构参数及主 要操作参数间的关系，下面采用非线性逐步回归的 方法建立它们之间的经验关系 各参数见表1 ． 表1 气泡发生器各参数实测值 T a b l e1M e a s u r e dv a l u eo fb u b b l eg e n e r a t o rp a r a m e t e r 霉＼哥矿舡 万方数据 中国矿业大学学报第3 2 卷 回归过程省略，其结果如下 因子H ，回归系数B 一2 ．5 5 06 4 ； 因子L ，回归系数上} 一0 ．0 4 56 2 87 ； 因子扩，回归系数B 一0 ．1 6 12 2 9 ； 因子H 2 ，回归系数B 一0 ．0 2 95 6 75 ； 因子m 3 ，回归系数B 一0 ．0 0 40 9 712 ； 常数项B 。一1 0 3 ．8 4 4 ，复相关系数R 0 ．9 2 67 3 2 ，标准差一0 ．9 9 82 8 7 ； 回归方程F 值一3 4 ．0 6 9 ，F 0 ．0 5 2 ．5 5 8 ； 回归方程 币 1 0 3 ．8 4 4 2 ．5 5 1 H0 ．0 4 6 工 0 ．1 6 1 v 2 0 ．0 3 0 H 2 0 ．0 0 4 m 3 ， 表2 为回归误差，从回归的结果可以看出含 气率主要与矿浆的射流速度、喷嘴与档板孔的面积 比、人料管的插入深度和喷嘴至档板间的距离有 关．人料管的插入深度在工业浮选柱中基本固定， 实际应用时，主要应注意矿浆射流速度、喷嘴与档 板孔的面积比和喷嘴至档板间的距离三个因素的 影响． 表2 回归误差 T a b l e2 R e g r e s s i o ne r r o r 实测预测误差／蹦实测预测误差／蹦 3 9 9 4 03 91 7 60 ．7 6 43 4 ．7 2 03 6 ．6 4 71 ．9 2 7 4 0 ．3 9 04 0 6 7 10 ．2 8 l3 7 ．5 2 03 7 ．3 6 60 ．1 5 4 4 2 ．9 7 04 2 ．4 0 005 7 03 9 ．4 6 03 8 ．2 0 212 5 8 4 3 ．3 4 04 43 4 6 10 0 64 0 ．9 0 03 9 ．1 4 217 5 8 4 5 ．7 0 04 6 ．4 8 2O ．7 8 23 9 ．2 7 03 83 3 60 ．9 3 4 3 6 ．3 2 03 6 ．9 2 5一O 6 0 54 0 ．1 9 04 0 0 6 501 2 5 4 0 9 4 04 l0 0 60 0 6 64 2 ．15 04 2 ．0 1 10 ．1 3 9 3 1 ．9 0 03 1 ．4 4 90 ．4 5 l4 315 04 4 ．1 4 60 ．9 9 6 3 4 ．5 5 03 3 ．3 9 51 ．1 6 54 6 ．6 5 04 6 ．1 4 80 ．5 0 2 3 5 ．9 4 03 5 ．5 3 t0 ．4 0 94 7 ．5 8 04 8 ．2 8 3 0 ．7 0 3 5 1 ．5 1 05 0 1 4 81 ．3 6 23 8 ．4 1 03 8 ．1 4 0 02 7 0 5 2 ．8 3 05 43 6 61 ．5 3 6 3 94 6 03 9 ．8 7 00 ．4 1 0 4 8 ．6 4 04 8 ．1 6 10 ．4 7 94 0 ．9 0 04 1 ．8 1 6 0 ．9 1 6 5 3 ．2 4 05 3 ．3 5 00 ．1 1 03 58 4 03 7 ．1 6 6 1 ．3 2 6 2 5 ．7 2 02 7 2 5 11 ，5 3 】4 1 ．6 2 04 0 ，3 9 01 ，2 3 0 2 7 ．6 7 02 8 ．1 9 10 ．5 2 14 2 ．7 5 04 2 ．3 3 6 04 1 4 2 9 ．2 1 02 9 ．2 1 6 00 0 6 4 5 ．2 1 0 4 4 ．4 7 20 ．7 3 8 绝对误差的平均值一0 ．7 4 8 3 4 气泡发生器在实验室射流浮选柱上的试 验 我们在实验室直径为1 5 0m m 的双射流浮选 柱进行了试验，其典型的试验条件如表3 所示． 表3 实验富浮选柱典型试验条件 T a b l e3M o d e le x p e r i m e n tc o n d i t i o no f l a b o r a t o r yf l o t a t i o nc o l u m n 由表可见单纯依靠人料泵的充气量显然不 足，当循环量达到人料量的3 ．1 倍时，浮选柱中的 总充气量可达2 ．5 1m 3 ／h ，已为人料矿浆量的5 倍．这一充气量相当于中等充气量的浮选机的水 平，已可以满足浮选过程的需要．说明我们所设计 的气泡发生器是成功的． 5 结论 根据射流泵原理，设计了一种浮选柱气泡发生 器，对这种气泡发生器的实验研究表明 1 气泡发生器射流面积比对含气率有较大影 响，不同流体压力下的最优面积比基本相同，在所 做的压力范围内，最佳面积比为6 ～1 0 ． 2 含气率随压力增高而增加，但压力升到一 定程度后，含气率趋于平稳． 3 当气泡发生器吸气室负压达到一定数值 后，含气率也将趋于饱和． 4 随起泡剂用量加大，含气率呈上升趋势；而 随矿浆浓度的增加，含气率则呈下降趋势． 5 得出了含气率与操作参数间的经验关系 式． 参考文献 [ 1 3X uzQ ，H u a n g f uJH ，Z h a n gRz ．T h eH y d r o e l e c t r i c s i m u l a t i o no ff l o t a t i o nc o l u m n 口] ．J o u r n a lo fC o a l S c i e n c e ＆E n g i n e e r i n g C h i n a ，1 9 9 9 ，5 2 9 19 4 ． [ 2 ] 皇甫京华．射流浮选柱结构设计及流场数值模拟的 研究[ D ] ．北京中国矿业大学化学与环境工程学 院，1 9 9 8 ． [ 3 ] 张远君，王慧玉，张振鹏，两相流体动力学[ M ] ．北 京北京航空学院出版社，1 9 8 7 ．2 35 2 ． [ 4 ] 陆宏圻．射流泵技术的理论及应用[ M ] ．北京；水力 电力出版社，1 9 8 9 ． 万方数据 第6 期徐志强等射流浮选柱气泡发生器及其充气性能的研究 R e s e a r c ho nB u b b l eC e n e r a t o ro fJ e tF l o t a t i o nC o l u m na n dI t s A e r a t i n gP e r f o r m a n c e X UZ h i q i a n 9 1 ，H U A N G F UJ i n g h u a l ，Z E N GM i n 9 1 ，L U IJ o n g t i a n 2 ，Z H A N GR o n g z e n 9 1 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．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 U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t Ab u b b l eg e n e r a t o rf o rf l o t a t i o nc o l u m nw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fj e tp u m pa n di t s a e r a t i n gp e r f o r m a n c eh a sb e e ne x p e r i m e n t e di nt h ep a p e r ．T h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro f b u b b l eg e n e r a t o r ，t h ef l u i d p r e s s u r e ，s u c t i o np r e s s u r ea n da i rv o i d sw e r er e s e a r c h e d ．T h ei n f l u e n e eo f f l o t a t i o nr e a g e n ta n dp u l pc o n c e n t r a t i o no na i rv o i d sw a sd i s c u s s e d ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h eb u b b l e g e n e r a t o rj e t t i n ga r e ar a t i oh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo na i rv o i d sw i t ht h eb e s tr a t i ob e i n g6 1 0 ．T h ea i r v o i d si n c r e a s ew i t ht h ef l u i dp r e s s u r ea n di tw i l lb e c o m es t a b l ew h e nt h ef l u i dp r e s s u r ei su pt oac e r t a i nv a l u e A n dt h ea i rv o i d sw i l lr e a c hs a t u r a t i o nw h i l et h es u c t i o np r e s s u r ei su pt oac o n s t a n t ．i ta l s oi n c r e a s e sw i t ht 1 1 e i n c r e a s eo ff r o t b e rb u ti n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp u l pc o n c e n t r a t i o n ．T h e s ep r o v i d eac r i t e r i o nf o ri e t b u b b l eg e n e r a t o rd e s i g na n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ． K e yw o r d s f l o t a t i o nc o l u m n ；j e t ；b u b b l eg e n e r a l o r 责任编辑李成俊 首届煤炭工业建设高产高效矿井校企合作会议 在我校隆重召开 为贯彻落实“三个代表”的重要思想，大幅度提高煤炭工业生产力整体水平，加强产学研紧密合作，促 进科研成果尽快转化为生产力，加快新时期高产高效矿井向更高水平迈进，为我校科研人员、教师搭建科 研平台，由中国煤炭工业协会和中国矿业大学共同主办的首届煤炭工业建设高产高效矿井校企合作会议 1 0 月8 日一1 0 日在我校隆重召开．来自中国煤炭工业协会、各产煤省、重点产煤地、县煤炭工业管理部门 人员、各集团、各矿务局、各生产煤矿的领导和专家2 6 0 余人参加此次盛会． 大会由缪协兴副校长主持，王悦汉校长到会并致辞，中国煤炭工业协会常务副会长乌荣康发表讲话， 罗承选书记参加了欢迎宴会并祝词．钱鸣高院士做了题为“煤矿绿色开采技术”的专题报告，俞启香等有关 院系1 0 位教授做专题发言．与会代表参观了矿大高产高效新技术成果展览，就当前建设高产高效矿井急 需解决的特殊条件下的煤炭开采工艺与技术、支护新技术、防灭火技术、瓦斯防治技术、地质保障系统、洗 煤技术、信息化、自动化矿井技术、矿区生态与环保技术、“三下”采煤等技术难题，与我校专家、学者展开交 流与合作洽谈，当场签订科技合作项目4 个，近百个项目达成了合作意向． 中国矿业大学科技与产业处焦险峰 万方数据