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中图分类号 坠9 2 3论文编号 学科分类号 垒垒Q 垒Q 2 Q 密级公珏 安徽理工大学 I I III II II I III II I III I Y 3 7 4 8 7 41 博士学位论文 射流一搅拌耦合式浮选 引射吸气机理及气体弥散特性研究 作者姓名莹查理 专业名称芷物加工王程 研究方向芷物加工理诠皇王茎 导师姓名塞全这教拯 导师单位塞徽堡王太堂 答辩委员会主席塞尘左塾援 论文答辩日期2 0 2 0 年0 5 月3 1 日 安徽理工大学研究生处 2 0 2 0 年0 5 月31 日 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni nM i n e r a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n g I n je c t i o nS u c t i o nM e c h a n i s m a n dG a s D i s p e r s i o n C h a r a c t e r i s t i c so f J e t - S t i r r i n gC o u p l i n gF l o t a t i o n C a n d i d a t e H a nY o u l i S u p e r v i s o r Z h uJ i n b o M a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gS c h o o l A n H u i U 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 N o ．16 8 ，T a i f e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外． 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀墨王太茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所敛的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名 霾裁迎年彳月皿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀壅三太堂有僳留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞筮堡王盘鲎。学校有权保留并向匿家有关部f ．] 或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阌。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据瘁进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 导师签名 砑礁签字目期．Ⅻ刃年口‘月吐髫 氓 签字目鬏蝴年移f 月晓露 万方数据 摘要 摘要 浮选是处理微细煤泥分选的有效方法，而浮选设备是浮选工艺的重要载体， 浮选设备的研发一直是矿物加工行业内的重点课题。本论文耦合传统浮选机的工 作原理优点和结构特点提出一种射流一搅拌耦合式浮选。耦合式浮选吸气机理及气 体弥散特性的研究为新型浮选设备的研发提供理论基础支撑。 本论文系统研究了射流一搅拌耦合式浮选装置 J S 的工作原理和气体弥散机 制，基于流体力学原理完成了浮选设备系统的结构设计和优化。探讨了J S 浮选机 内气泡粒径多级细化、气泡多级矿化机制及流场工作模式。表明射流一搅拌耦合 式浮选装置实现浮选吸气要求，易于生成适宜的气泡尺寸，浮选作业流场均匀度 较高。以引射吸气原理设计了双余弦自吸气喷嘴，以高能量转化率为原则采用非 淹没方式布置喷嘴结构；双余弦自吸气喷嘴结构的吸气性能试验结果表明采用 非淹没方式布置喷嘴能够满足吸气能力的要求，喷嘴的工作参数 入料压力、气 液比等 、结构参数 喷嘴距、截面比等 是影响吸气量、喷嘴内负压、射流能量 转化效率、浮选效果的关键因素；采用射流理论分析了J S 浮选设备的吸气机理， 建立了双余弦自吸气喷嘴的结构选型数学模型，射流吸气能力受射流边界层厚度 2 e 与喷嘴出口直径D 参数间数学关系的影响。试验结果表明在统一喷嘴距条件 下，双余弦自吸气喷嘴吸气量、负压值及叶轮转速随入料压力的增加逐渐增加， 吸气量与负压呈正线性关系；低入料压力、小喷嘴距条件下，2 e D ，喷嘴吸气能力逐渐增强，喷嘴内负 压环境改善；在高入料压力、大喷嘴距条件下，2 e D ，负压区被水介质占据， 吸气区内气相空间体积被压缩，双余弦白吸气喷嘴吸气能力骤降。喷嘴距为2 0 r a i n 、截面比定为d ／D 0 ．8 5 7 ～1 时的吸气量增幅范围较大，即线性斜率最大。建立 了入料压力与喷嘴距的函数关系，L 5 6 ．1 6 1 7 0 9 1 ．3 6 P 3 。9 2 ，指导喷嘴的结构选型 和模型放大，具有理论及现实指导意义。 基于优化的结构参数建立J S 浮选机的高速摄像气泡采集分析系统，研究了起 泡剂浓度，入料压力，吸气量和取样高度对三种耦合结构内气泡尺寸分布的影响 规律。结果表明三重强化耦合结构对气泡粒径分布和气泡微细化具有明显的优 势。随甲基异丁基甲醇 M I B C 浓度的增加，气泡S a u t e r 直径逐渐减少，当M I B C 浓度达到临界兼并浓度时，气泡尺寸稳定在0 ．31I l l l T I 左右，比传统浮选机产生的 气泡尺寸小，表明J S 浮选产生了适宜尺度的气泡。如M I B C 浓度为1 3 ．0 1m m o l ／L 时，中间气泡直径为0 ．3 2 m m ，含量3 3 ．7 3 ％。气泡S a u t e r 直径随入料压力的增加 万方数据 安徽理工大学博士学位论文 而线性下降，反之随吸气量和取样高度的增加而线性增加，与起泡剂浓度无关。 采用压差法研究了三种耦合结构内的气含率分布，考察了三种耦合结构内的 气含率分布差异及工作参数的影响，设计多因素试验考察工作参数的显著性差异， 揭示了气含率分散机制和气体弥散状态的转变，评价J S 浮选设备的气体弥散性 能。不管搅拌叶轮存在与否，随M I B C 浓度、入料压力、吸气量和取样高度的增 加气含率均增加；在没有搅拌叶轮的情况下，随着M I B C 浓度的增加直至临界兼 并浓度，气含率显著增加，达到临界兼并浓度之上，在每个入料压力下气含率基 本上保持不变；单喷嘴与双耦合结构内的最大气含率均小于2 4 ％，而三重强化耦 合结构内最大气含率约为6 5 ％，即由于搅拌叶轮的作用，气含率增加了4 0 ％，表 明三重强化耦合结构对于改善气含率分布具有显著的影响。气含率因素影响显著 性试验结果表明入料压力 起泡剂浓度 吸气量。转速的增加会逐渐改善气体弥 散状态，促进气泡的微细化和分散度。流体数值模拟结果分析也表明J S 浮选机 内的流场分布更有利于药剂的分散、碰撞和矿化，揭示了上部入料槽的结构实现 了预调浆的设计目的。运用数值模拟方法研究三种耦合结构内的流体动力学参数 和流场分布，近叶轮区域动力学参数分析结果表明近叶轮区域伴随着剧烈的能 量交换和损耗，益于气体弥散度的提高，验证J S 浮选设备设计的科学性和结构有 效性。 通过煤泥浮选试验考察J S 浮选设备对不同浓度矿浆的实际浮选效率和不同 粒径煤泥的捕收能力，与试验室X F D 一1 ．5 设备进行浮选速率试验比较，验证J S 浮选设备的实际浮选效果。煤泥浮选试验结果表明，J S 浮选机对小于0 ．2 5m m 细 粒煤泥有良好的分选能力，每个粒级精煤回收率达到7 0 ％“ - - 8 0 ％；能够适应高浓 度的煤泥浮选试验，浮选完善指标均高于5 0 ％，可燃体回收率达到7 6 ％“ - - 8 7 ％；浮 选速度验证试验结果表明，J S 浮选机实际分选效果要优于试验室X F D ．1 ．5 浮选机， 实现设备节能降耗、提质增效及简化工艺流程的目的。 图【6 9 】；表【2 5 】；参【2 1 0 ] 关键词煤泥浮选射流一搅拌耦合；双余弦自吸气喷嘴；吸气机理；气体弥散 分类号T D 9 2 3 ．I I ． 万方数据 A b s 仃a c t A bs t r a c t F r o t hf l o t a t i o ni sa ne f f e c t i v em e t h o dt os e p a r a t ef i n ec o a ls l i m e ，a n df l o t a t i o n m a c h i n ei sa n i m p o r t a n t c a r r i e ri nf r o t hf l o t a t i o np r o c e s s ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ff l o t a t i o ne q u i p m e n th a sa l w a y sb e e nak e ys u b j e c ti nt h em i n e r a l p r o c e s s i n gi n d u s t r y ．Aje t s t i r r i n gc o u p l i n gf l o t a t i o ni sp r o p o s e db a s e d o nt h ew o r k i n g p r i n c i p l ea d v a n t a g e sa n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a lf l o t a t i o nm a c h i n e si n t h i sp a p e r ．T h er e s e a r c ho nt h es u c t i o nm e c h a n i s ma n dg a sd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o u p l e df l o t a t i o np r o v i d e st h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ed e v e l o p m e n to fn e wf l o t a t i o n e q u l p m e n t ． T h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dg a sd i s p e r s i o nm e c h a n i s mo ft h eje ts u c t i o n s t i r r i n g c o u p l e df l o t a t i o nd e v i c e J S a r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d i nt h i st h e s i s ，a n dt h es t r u c t u r a l d e s i g na n do p t i m i z a t i o no f t h ef l o t a t i o ne q u i p m e n ts y s t e ma r ec o m p l e t e db a s e do nt h e p r i n c i p l eo ff l u i dm e c h a n i c s ．T h em u l t i s t a g er e f i n e m e n to fb u b b l es i z e ，m u l t i s t a g e m i n e r a l i z a t i o nm e c h a n i s ma n df l o wf i e l dw o r k i n gm o d ei nJ Sf l o t a t i o nm a c h i n ew e r e d i s c u s s e d ．I ts h o w st h a tt h eJ Sf l o t a t i o nm a c h i n eC a no b t a i nal a r g e rs u c t i o nv o l u m e ，a u n i f o r mb u b b l ep a r t i c l es i z e ，a n dag a s l i q u i d - s o l i dt h r e e p h a s ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n a tal o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e rs p e e d ．T h ed o u b l ec o s i n es e l f - a s p i r a t e d n o z z l ei sd e s i g n e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe j e c t i o ns u c t i o n ，t h en o z z l es t r u c t u r ei s a r r a n g e di nan o n s u b m e r g e dm a n n e rb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh i g he n e r g yc o n v e r s i o n r a t e ．T h et e s tr e s u l t so ft h es u c t i o np e r f o r m a n c eo ft h ed o u b l ec o s i n es e l f - a s p i r a t e d n o z z l es t r u c t u r es h o wt h a tt h en o z z l e sC a nb ea r r a n g e di nan o n s u b m e r g e dm a n n e rt o m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es u c t i o nc a p a c i t y ；t h ew o r k i n gp a r a m e t e r s f e e d i n g p r e s s u r e ，g a s l i q u i dr a t i o ，e t c ． a n d s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s c r o s s s e c t i o nr a t i o ，e t c ． o f t h en o z z l ea r et h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h es u c t i o nv o l u m e ，t h en e g a t i v ep r e s s u r ei nt h e n o z z l e ，t h ee n e r g yc o n v e r s i o no ft h ej e t ，a n dt h ef l o t a t i o ne f f e c t ．T h ej e tm e c h a n i s m w a su s e dt o a n a l y z et h es u c t i o nm e c h a n i s mo f t h eJ Sf l o t a t i o nd e v i c e ，a n da m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h es t r u c t u r es e l e c t i o no ft h ed o u b l ec o s i n es e l f - a s p i r a t e d n o z z l ew a se s t a b l i s h e d ．T h ej e ts u c t i o nc a p a c i t yi sa f f e c t e db yt h em a t h e m a t i c a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ej e tb o u n d a r yl a y e rt h i c k n e s s2 ea n dt h en o z z l eo u t l e td i a m e t e r D p a r a m e t e r ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u c t i o nv o l u m e ，t h en e g a t i v ep r e s s u r et h et h e d o u b l ec o s i n es e l f - a s p i r a t e dn o z z l ea n dt h ei m p e l l e rs p e e do fg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t h 万方数据 安徽理工大学博士学位论文 t h ei n c r e a s eo ft h ef e e d i n gp r e s s u r eu n d e rt h es a m en o z z l ed i s t a n c ec o n d i t i o n ；t h e r ei sa p o s i t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n s p i r a t o r yc a p a c i t ya n dn e g a t i v ep r e s s u r e ．U n d e r t h ec o n d i t i o no fl o wf e e d i n g p r e s s u r ea n ds m a l ln o z z l ed i s t a n c e ，2 e D ，t h es u c t i o nc a p a c i t y g r a d u a l l yi n c r e a s e d ，t h en e g a t i v ep r e s s u r e e n v i r o n m e n to ft h en o z z l ei si m p r o v e d ；u n d e rt h ec o n d i t i o no f h i g hf e e d i n gp r e s s u r e a n dl a r g en o z z l ed i s t a n c e ，2 e D ，t h en e g a t i v ep r e s s u r ez o n ei s o c c u p i e db yw a t e r m e d i u m ，t h eg a sp h a s es p a c ev o l u m eo fs u c t i o nz o n ei s c o m p r e s s e d ，t h es u c t i o n c a p a c i t yo ft h ed o u b l ec o s i n es e l f - a s p i r a t e dn o z z l ed r o p ss h a r p ly ．W h e nt h en o z z l e d i s t a n c ei s2 0m ma n dt h ec r o s ss e c t i o nr a t i o d ／Di s 0 ．8 5 7 ～1 ，t h ei n c r e a s er a n g eo f i n s p i r a t i o n si sl a r g e r ，t h el i n e a rs l o p ei st h el a r g e s t ．T h ef u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef e e d i n gp r e s s u r ea n dt h en o z z l ed i s t a n c ei se s t a b l i s h e d ，L 5 6 ．1 6 1 7 0 9 1 ．3 6 P 3 9 2 ． w h i c hg u i d e st h es t r u c t u r es e l e c t i o na n dm o d e le n l a r g e m e n to ft h en o z z l ea n dh a s t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ． B a s e do nt h e o p t i m i z e d s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s ，ah i g h s p e e dc a m e r ab u b b l e a c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mf o rJ Sf l o t a t i o nm a c h i n ew a se s t a b l i s h e d ．T h ee f f e c t so f f r o t h e rc o n c e n t r a t i o n ，f e e d i n gp r e s s u r e ，s u c t i o nv o l u m ea n ds a m p l i n gh e i g h to nt h e b u b b l es i z ed i s t r i b u t i o ni nt h et h r e ec o u p l i n gs t r u c t u r e sw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h et r i p l er e i n f o r c e dc o u p l i n gs t r u c t u r eh a so b v i o u sa d v a n t a g e sf o rb u b b l es i z e d i s t r i b u t i o na n db u b b l em i n i a t u r i z a t i o n ．W i t ht h ei n c r e a s eo ft h eM I B Cc o n c e n 仃a t i o n ． t h eS a u t e rm e a nd i a m e t e rd e c r e a s e su n t i lt h ec r i t i c a lc o a l e s c e n c ec o n c e n 仃a t i o n ．a b o v e w h i c ht h eS a u t e rm e a nd i a m e t e ri sc o n s t a n t ．t h eb u b b l es i z ei ss t a b l ea ta b o u t 0 ．31m m ． w h i c hi ss m a l l e rt h a nt h eb u b b l es i z ep r o d u c e db yt h et r a d i t i o n a lf l o t a t i o nm a c h i n e ， i n d i c a t i n gt h a tJ Sh a sg e n e r a t e db u b b l e so fas u i t a b l es i z e ．F o re x a m p l e ．w h e nt h e M I B Cc o n c e n t r a t i o ni s13 ．01 m m o l ／L ，t h ei n t e r m e d i a t eb u b b l ed i a m e t e ri sO ．3 2 m m a n dt h ec o n t e n ti s3 3 ．7 3 ％．T h eS a u t e rm e a nd i a m e t e r l i n e a r l yd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n go ff e e d i n gp r e s s u r e sa n dc o n v e r s e l yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gs u c t i o n c a p a c i t i e sa n ds a m p l i n gl o c a t i o nh e i g h t s ，i n d e p e n d e n to ft h ef r o t h e rc o n c e n t r a t i o n ． T h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t h o dw a su s e dt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o no f g a sh o l d u p i nt h et h r e ec o u p l e ds t r u c t u r e s ．T h ed i f f e r e n c e si nt h ea i rh o l d u pd i s t r i b u t i o na n dt h e i n f l u e n c eo fw o r k i n gp a r a m e t e r si nt h et h r e ec o u p l i n gs t r u c t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e d ，a m u l t i - f a c t o rt e s tw a sd e s i g n e dt Oe x a m i n et h es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e si n w o r k i n g I V 万方数据 A b s t r a c t p a r a m e t e r sa n d t h em e c h a n i s mo fg a sd i s p e r s i o na n dg a sd i s p e r s i o ns t a t et r a n s i t i o nw a s r e v e a l e d ，t h eg a sd i s p e r s i o np e r f o r m a n c eo fJ Sf l o t a t i o ne q u i p m e n tw a s e v a l u a t e d ．T h e g a sh o l d u pi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ei nt h eM I B Cc o n c e n t r a t i o n ，f e e d i n gp r e s s u r e ， g a sf l o wr a t e ，a n dw a t e rd e p t h ，r e g a r d l e s so ft h es t i r r i n gi m p e l l e r ．T h ei n c r e a s ei n t h e g a sh o l d u pw a sp a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n tw i t ht h ei n c r e a s ei nt h eM I B C c o n c e n t r a t i o ni n t h ea b s e n c eo ft h es t i r r i n gi m p e l l e ru n t i lt h ec r i t i c a lc o a l e s c e n c ec o n c e n t r a t i o n ，a b o v e w h i c ht h eg a s h o l d u p r e m a i n e dl a r g e l yc o n s t a n ta te a c hf e e d i n gp r e s s u r e ．T h e m a x i m u mg a sh o l d u pi nt h es i n g l e n o z z l ea n dd o u b l e c o u p l i n gs t r u c t u r e si sl e s st h a n 2 4 ％，w h i l et h em a x i m u ma i rh o l d u pi sa b o u t6 5 ％i nt h et r i p l er e i n f o r c e dc o u p l i n g s t r u c t u r e ，t h ea i rh o l d u ph a si n c r e a s e db y4 0 ％d u e t ot h ea c t i o no ft h es t i r r i n gi m p e l l e r ， i n d i c a t i n gt h a t t h ev i p l er e i n f o r c e dc o u p l i n gs t r u c t u r eh a sas i g n i f i c a n te f f e c to n i m p r o v i n gt h eg a sh o l d u pd i s t r i b u t i o n ．T h es i g n i f i c a n tt e s tr e s u l t so ft h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so fg a sh o l d u ps h o wt h a t t h ef e e d i n gp r e s s u r e t h ef r o t h e rc o n c e n t r a t i o n t h e s u c t i o nv o l u m e ．T h ei n c r e a s eo ft h er o t a t i o ns p e e dw i l lg r a d u a l l yi m p r o v et h eg a s d i s p e r s i o ns t a t e ，a n dp r o m o t et h em i n i a t u r i z a t i o na n dd i s p e r s i o no ft h eb u b b l e s ．T h e f l u i dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt 1 1 a tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l di nJS f l o t a t i o nm a c h i n ei sm o r ec o n d u c i v et ot h ed i s p e r s i o n ，c o l l i s i o na n dm i n e r a l i z a t i o no f a g e n t s ，r e v e a l i n gt h a tt h es t r u c t u r eo f t h eu p p e rf e e dt a n ka c h i e v e st h ed e s i g np u r p o s e o fp r e m i x i n gs l u r r y ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e d t o s t u d yt h e h y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r sa n df l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h et h r e ec o u p l i n gs t r u c t u r e s ， t h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h ed y n a m i cp a r a m e t e r so ft h en e a ri m p e l l e rr e g i o ns h o wt h a t t h e n e a ri m p e l l e rr e g i o ni sa c c o m p a n i e db yi n t e n s ee n e r g ye x c h a n g ea n dl o s s ，w h i c hi s b e n e f i c i a lt ot h ei m p r o v e m e n to fg a sd i s p e r s i o n ，w h i c hv e r i f i e dt h es c i e n t i f i c i t ya n d s t r u c t u r a lv a l i d i t yo ft h eJ Sf l o t a t i o ne q u i p m e n td e s i g n ． T h ea c t u a lf l o t a t i o ne f f i c i e n c yo f J Sf l o t a t i o ne q u i p m e n t f o rd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fp u l pa n dt h ec a p t u r ec a p a c i t yo fc o a ls l u r r yo fd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e s w e r ec o m p a r e dt h r o u g ht h es l i m ef l o t a t i o nt e s t ，t h ef l o t a t i o nr a t et e s tw a sc o m p a r e d w i t ht h el a b o r a t o r yX F D 一1 ．5e q u i p m
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