KYFⅡ-40浮选机中气泡与矿浆流动特性的数值模拟研究.pdf

中图分类号I 旦垒鱼 U D C6 2 0 硕士学位论文 学校代码 Q 至3 三 密级公开 K Y F I I 一4 0 浮选机中气泡与矿浆 流动特性的数值模拟研究 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fB u b b l ea n d P u l pF l o wF e a t u r e s i nK Y FI I 一4 0F l o t a t i o nM a c h i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 刘涛 动力工程及工程热物理 热能工程 能源科学与工程学院 彭小奇教授 论文答辩日期幽竺 釜．垒沙答辩委员会主席 中南大学 二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 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 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名拂日期拙芊年彤乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名Ⅱ 嘿胖4 月号日 导师签名 日期巡年』月乡日 乏多 万方数据 中南大学硕士论文摘要 K Y F I I ．4 0 浮选机中气泡与矿浆流动特性的数值模拟研究 摘要在矿物浮选过程中，浮选机内的气泡速度、气含率和气泡尺寸 分布直接影响矿物浮选效率和生产质量。为此，本文在分析总结泡沫 浮选和多相流的研究现状的基础上，运用数值模拟方法研究了浮选机 中气泡与矿浆的流动特性，主要研究工作和结论如下 1 、针对现有的数值仿真模型难以获取浮选矿浆中的气泡尺寸分 布的现状，综合运用计算流体力学和群体平衡理论，提出用群体平衡 模型 P B M 描述浮选气泡尺寸及其变化，并使之与E u l e r 模型耦合， 应用于浮选机内气液两相流运动的数值模拟。采用L u o L e h r 破碎模 型描述气泡破碎过程，采用修正的P r i n c e B l a n c h 聚并模型描述气泡 聚并过程。应用实际数据进行的模拟结果表明，本文建立的 E u l e r P B M 耦合模型能正确模拟浮选机中流体的流动特性。 2 、分别使用E u l e r 模型和E u l e r - P B M 耦合模型对某氧化铝厂的 K Y FI I ．4 0 浮选机内的气泡与矿浆流动过程进行了数值模拟，模拟结 果表明E u l e r ．P B M 耦合模型对浮选机内的流场特征、气含率等数值 模拟结果更贴近实际生产情况，并可用于描述气泡尺寸分布及其变 化。 3 、采用单因素法考察了不同充气速度和不同搅拌速度对K Y FI I 一4 0 浮选机内气相运动特征、气含率和气泡尺寸分布的影响，由此发 现当保持搅拌速度不变时，随着充气速度的增加，浮选槽内气相速 度紊乱程度加剧，气含率增加，气泡平均尺寸先增大再逐渐减小；当 保持充气速度一定时，随着搅拌速度的增加，浮选槽内气相紊流强度 加大，空气分散度增高，但气泡的平均尺寸逐渐减小。 4 、通过对不同充气速度和不同搅拌速度对K Y FI I 一4 0 浮选机气 相运动特性的考察发现，当充气速度为8 m ／s 、搅拌速度保持在 1 3 6 r ／m i n 时，矿浆的气相速度矢量、气含率和气泡尺寸分布均较目前 额定工况下有所改善。因此，为使K Y FI I 一4 0 浮选机处于优化生产状 态，应将其充气速度设定为8 m ／s ，搅拌速度设定为1 3 6 r ／m i n ，以提高 浮选生产效率和矿物资源回收率，降低单位产品能耗。 图6 1 幅，表2 个，参考文献7 8 篇。 关键词泡沫浮选，多相流，群体平衡模型，聚并与破碎，数值模拟 分类号T D 4 5 6 万方数据 中南大学硕士论文A b s t r a c t N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fB u b b l ea n d P u l pF l o wF e a t u r e s i nK Y FI I ．4 0F l o t a t i o nM a c h i n e A b s t r a c t I nt h ep r o c e s so f m i n e r a lf l o t a t i o n ，b u b b l ev e l o c i t y , g a sh o l d u p a n db u b b l es i z ed i s t r i b u t i o ni nf l o t a t i o nc e l la f f e c tt h ef l o t a t i o ne f f i c i e n c y d i r e c t l y ．T h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so ff r o t hf l o t a t i o na n d m u l t i p h a s ef l o w , a p p l i e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt os t u d yt h e b u b b l ea n dp u l pf l o wf e a t u r e si nf l o t a t i o nc e l l ．M a j o rr e s e a r c hw o r ka n d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w e d 1 、I nv i e wo ft h ee x i s t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l ，i ti sd i f f i c u l t t oo b t a i nt h ef l o t a t i o nb u b b l es i z ed i s t r i b u t i o n ．P o p u l a t i o nb a l a n c em o d e l i sp u tf o r w a r dt od e s c r i b ef l o t a t i o nb u b b l es i z ea n di t sc h a n g e s ，c o u p l e d w i t hE u l e rm o d e la n da p p l i e dt on u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg a sa n dl i q u i d t w op h a s ef l o wm o v e m e n ti nf l o t a t i o nc e l l ．E u l e r P B M p o p u l a t i o n b a l a n c em o d e l m o d e la d o p t sL u o L e h rb r e a k i n gm o d e lt od e s c r i b et h e b r o k e np r o c e s so fb u b b l e ，a n dm o d i f i e sP r i n c e B l a n c hc o a l e s c e n c e m o d e lt od e s c r i b et h ec o a l e s c e n c ep r o c e s so fb u b b l e ．T h er e s u l to f s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta p p l i e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a t E u l e r - P B Mc o u p l i n gm o d e lc a ns i m u l a t eb u b b l ea n dp u l pi nf l o t a t i o n m a c h i n ef l o wf e a t u r e sc o r r e c t l y ． 2 、T h i sp a p e ra p p l i e dE u l e rm o d e la n dE u l e r P B Mc o u p l i n gm o d e l i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb u b b l ea n dp u l pf l o wp r o c e s si nK Y FI I 一4 0 f l o t a t i o nm a c h i n eo faa l u m i n ap l a n to nt h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o ni nh a n d r e s p e c t i v e l y ．T h er e s u l to fE u l e r - P B Mc o u p l i n gm o d e ln u m e r i c a l s i m u l a t i o ns u c ha sf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n dg a sh o l d u pa r ec l o s e rt o r e a l i t y ．I na d d i t i o n ，E u l e r - P B Mc o u p l i n gm o d e lc o u l dd e s c r i b eb u b b l e s i z ea n di t sc h a n g ep r o c e s s ，a n dp r e d i c tt h ed i s t r i b u t i o no fb u b b l es i z e ． 3 、S i n g l ef a c t o rm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt oi n v e s t i g a t ef i v ea e r a t i o n s p e e da n df i v es t i r r i n gs p e e d ．T h ec h a n g eo fa i rv e l o c i t yf e a t u r e s ，g a s h o l d u pa n db u b b l es i z ed i s t r i b u t i o ni nK Y FI I ．4 0f l o t a t i o nc e l l ．T h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ，k e e p i n gt h es t i r r i n gs p e e di sc o n s t a n t ，w i t ht h e i n c r e a s eo fa e r a t i o ns p e e d ，t h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yo ff l o t a t i o nc e l li s a g g r a v a t e d ，w h i l eg a sh o l d u pi si n c r e a s e d ，b u b b l es i z ei sg r o w i n gl a r g e r f i r s t l y , a n dt h e nb e c o m e ss m a l l e r ．K e e p i n gt h ea e r a t i o ns p e e di sc o n s t a n t ， w i t ht h ei n c r e a s eo fs t i r r i n gs p e e d ，t h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yo ff l o t a t i o n I I 万方数据 中南大学硕士论文 A b s t r a c t c e l li sa g g r a v a t e d ，a i rd i s p e r s i o ni sg e t t i n gb e t t e ra n db e t t e r , b u b b l es i z e d e c r e a s e sg r a d u a l l y ． 4 、T h ea i rv e l o c i t yf e a t u r e s ，g a sh o l d u pa n db u b b l es i z ed i s t r i b u t i o n i nK Y FI I 一4 0f l o t a t i o nm a c h i n ea r ei n v e s t i g a t e df o rm es i t u a t i o no f8 m ／s a e r a t i o ns p e e da n d136 r ／m i ns t i r r i n gs p e e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e r t h et h o s ec o n d i t i o n s ，a i rv e l o c i t yf e a t u r e s ，g a sh o l d u pa n db u b b l es i z e d i s t r i b u t i o ni nK Y FI I 一4 0f l o t a t i o nc e l la r ea l li m p r o v e dc o m p a r e dt ot h e k e p tr a t e dc o n d i t i o n ．T h eb e s tp a r a m e t e r so fK Y FI I ．4 0f l o t a t i o nm a c h i n e a r et a k e nt ob et h ea e r a t i o n s p e e do f8 m ／sa n dt h es t i r r i n gs p e e do f 136 r ／m i nr e s p e c t i v e l y ． F i g u r e s61 ，T a b l e s2 ，R e f e r e n c e s7 8 ． K e y w o r d s f r o t hf l o t a t i o n ；m u l t i p h a s ef l o w ；p o p u l a t i o nb a l a n c em o d e l ； c o a l e s c e n c ea n db r e a k i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 4 5 6 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一Ⅳ 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 浮选生产概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 机械式浮选机及其工作原理简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 浮选泡沫特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 泡沫浮选研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 多相流研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．5 本文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 浮选机气液两相流运动特征数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 多相流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3I 埘Gk 一占湍流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1O 2 ．4 相间作用力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．5 连续表面力模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．6 群体平衡模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．6 ．1 群体平衡方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．6 ．2 气泡聚并模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．6 ．3 气泡破碎模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．7 多重参考坐标法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．8E u l e r - P B M 耦合模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．9 模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．1 0 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3K Y FI I ．4 0 浮选机气液两相流数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．1K Y FI I ．4 0 浮选机的几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 基于E u l e r 模型的K Y FI I ．4 0 浮选机两相流数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．3 基于E u l e r - P B M 耦合模型的K Y FI I ．4 0 浮选机两相流数值模拟⋯⋯⋯2 2 3 ．4 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 ．1 流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 ．2 气含率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 T V 万方数据 中南大学硕士学位论文目录 3 ．4 ．3 气泡尺寸分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 操作参数对浮选气液两相流运动特性影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．1 影响泡沫浮选的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 充气速度对浮选的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 ．1 气相流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．2 气含率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．3 气泡尺寸分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．3 搅拌速度对浮选的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．1 气相流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．2 气含率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．3 气泡尺寸分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 浮选工艺操作参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 ．1 流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．4 ．2 气含率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．4 ．3 气泡尺寸分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 V 万方数据 中南大学硕士论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题背景与意义 矿产资源是关系国计民生的重要物质基础，提高矿产资源的回收率和利用水 平是国家“十二五”计划的明确要求。自然界所蕴藏的矿产资源绝大多数需要经 过选矿加工后才能利用，在常用的选矿方法中，泡沫浮选是应用最为广泛的。泡 沫浮选是根据不同矿物的表面性质，从矿石中分选目的矿物的方法。 随着富矿资源的日益消耗，人们越来越重视贫矿资源的分选技术，一百多年 来，浮选设备逐步大型化、系统化、多样化和自动化，广泛应用于造纸、医药、 冶金、环保、医药、农业、食品等行业【l 2 J 。 二十世纪初，随着富矿资源的不断减少，贫矿资源的利用越来越受到重视。 为了提高贫瘠矿石品位，矿物浮选被明确提出。现代浮选由埃尔默提出的混合油 浮选法开始，之后，浮选便得到迅速的发展。1 9 1 3 年，C a l l o w 发明了充气式浮 选机，T o w n e 和F l i n n 发明了充气式浮选柱【3 J 。二次世界大战结束后，充气搅拌 式浮选机己在全世界推广。 我国对浮选工艺研究比较迟，直到1 9 5 2 年才开始仿造前苏联生产第一台浮 选机，上世纪7 0 年代才开始研发各种型号的浮选机。1 9 8 1 年，成功研制生产了 J J F 型浮选机【4 】，之后陆续研发了数十种不同型号的浮选机以及浮选柱等设备， 以适应不同矿石的浮选要求。 图l 一1 某氧化铝厂浮选车间 万方数据 中南大学硕士论文1 绪论 大型、高效和专门化是浮选机的主要发展方向。由于浮选是一个非常复杂的 气一液一固物理化学反应过程，气泡矿化机理以及各相之间的耦合关系复杂，无法 精确测量和计算浮选机内部多相流场。因此，对于浮选机内流场的认识大多仍停 留在定性分析阶段，其主要研究方法仍然是进行大量物理试验，研究时间及人力 和物力成本相对较高。近年来，计算机软硬件的迅速发展促进了计算流体力学的 发展，使得大规模复杂计算成为可能。计算流体力学方法具有不需样机、不需辅 助设备、不需重复试验，计算结果清晰，参数信息全面等诸多优点，故借助计算 机进行数值模拟试验已逐渐与理论计算和实验研究一并成为科学研究不可或缺 的有效手段。 我国铝土矿资源丰富，现己探明的储量大约有2 3 亿吨，为我国氧化铝工业发 展提供了重要物质保斟5 1 。但是我国铝土矿资源大多为铝硅比 A ／S 比较低的一 水硬铝石一一高岭石型铝土矿，虽然经过几十年的发展，我国氧化铝工业，不论 是产品质量、生产工艺还是装备水平都己取得了明显的进步，但与世界先进水平 相比，在产品质量、生产成本和能耗方面仍然有很大的差距【6 ，7 J 。 如何在提高产量的同时，缩小我国与世界发达国家在氧化铝生产能耗、成本 等方面的差距，己成为氧化铝工业必须解决的一个重要问题。在氧化铝生产过程 中，人们主要是采用拜耳法，拜耳法生产工艺流程少，产品质量高，现今全世界 氧化铝生产，有9 0 ％是采用拜耳法。但拜耳法需要的矿石品位较高，A ／S 比要求 大于6 ，而我国铝土矿品位普遍较低，因此提高矿石品位显得尤为重要，泡沫浮 选技术作为提高矿石品位的有效方法因此得到广泛应用。 本文的研究对象是由北京矿冶研究总院研究设计并在某氧化铝厂运行的 K Y FI I ．4 0 型浮选机，研究重点是分析总结其气液两相流运动特征、气含率和气 泡尺寸分布规律，以寻求浮选生产过程的优化工艺参数。 1 ．2 浮选生产概述 1 ．2 ．1 机械式浮选机及其工作原理简介 浮选机是矿物分选过程中最主要的设备之一。一般由多槽串联组成，分为粗 选槽、精选槽和扫选槽。槽内由下至上分别分为混合区、分离区和泡沫区，如图 1 ．2 所示。浮选过程中的充气和搅拌，气泡与矿粒的粘附，气泡上升并形成泡沫 层被刮出或溢流出等过程均在浮选槽内进行。 万方数据 中南大学硕士论文 1 绪论 溉 苷三 ～一‘一．一一二．一 图1 ．2 浮选机结构示意图 图1 ．3 浮选机流体流动趋势图 浮选机内流体流动趋势如图1 ．3 所示。浮选机运行时，转子旋转，矿浆从入 口处进入浮选槽内。由转子下端吸入至叶片之间，同时，快速旋转的转子叶片将 鼓入的空气分割成大量微小的气泡。矿浆与气泡在混合区充分混合，目的矿物黏 附在气泡上，矿化气泡主要是做旋转运动，在浮力作用下，从转子上半周斜向上 推出，由定子稳流和定向后进入分离区。在分离区，矿化气泡稳定上升，随着静 水压力降低，漩涡运动变弱，浮选气泡逐渐变大，气泡缓慢上升，脉石颗粒在这 一区域从气泡上脱落，同时，目的矿物再次与气泡碰撞、粘附，起到二次富集作 用。气泡上升至泡沫区后，矿化气泡累积形成泡沫层，气泡逐渐停止上浮，气泡 聚并增加，聚并过程中液膜破裂形成的液体可以携带泡沫层中亲水性强的脉石矿 粒，最后，泡沫由刮板扫出，进入下一步工作流程，矿浆再次回到混合区进行循 环。浮选机在工作时可能因为操作不当导致液面不稳定，矿浆流动受阻，矿物分 选不完全，质量差等问题。所以很有必要研究总结浮选机内气泡与矿浆的运动特 征、气含率和气泡尺寸等性质，依此寻找改进生产过程的途径。 万方数据 中南大学硕士论文 1 绪论 1 ．2 ．2 浮选泡沫特性 泡沫浮选的基本原理是通过浮选机内大量微小的气泡和矿物颗粒碰撞、黏 附，形成矿化气泡，上升至泡沫层后被收集。浮选泡沫是指浮选机内大量微小的 气泡所组成的集合体。气泡是内部充满空气、外表覆盖非常薄的水化膜的单个泡 沫。气泡很不稳定，气泡间仅以一层薄薄的水化膜隔开，该水化膜可能会因气泡 间压力不同或表面张力等原因破裂，引起气泡破碎或聚并现象。气相和液相构成 的是两相泡沫，浮选泡沫是由气相、液相和固相构成的三相泡沫。 三个气泡组成的泡沫结构是最稳定的结构。人们将气泡之间所形成的交界称 为P l a t e a u 交界泡[ 8 1 ，如图1 - 4 所示，此时紧挨着的三个气泡圆心连线组成等边三 角形，以这种形式组成的气泡最稳定。 图1 4 浮选泡沫排列示意图 浮选机生成具有合适尺寸的泡沫，是提高浮选设备功效和选矿指标的重要途 径。矿粒粘附于气泡上形成矿化气泡的过程分为接触、粘着两个步骤。气泡尺寸 是浮选的重要表观特征之一，直接影响浮选效果。当气泡直径小时，气泡与矿粒 接触的机会增多，形成矿化气泡几率增加，有利于提高浮选产量。但是，如果气 泡尺寸太小，其上浮的速度也会很小，甚至可能下沉，达不到浮选的目的。当气 泡直径太大时，气泡总比表面积小，携带的矿粒总数少，而且大气泡不稳定，容 易破灭。所以，浮选气泡太大或太小，都会影响浮选效率和质量，每种不同的矿 物都存在对应的最佳气泡直径。 一直以来，浮选过程基本是依靠人工肉眼观察浮选槽泡沫层气泡的大小、颜 色、数量等表观特征来判别浮选生产操作是否得当。这种单纯依靠人工肉眼观察 泡沫表观特征进行现场操作的浮选生产方式主观性强、误差大、效率低，无法实 现对浮选过程的客观评价，易造成浮选生产过程指标波动频繁、矿物原料流失大、 能耗严重。因此，研究分析浮选机内气泡运动及其尺寸分布规律，通过调节操作 参数获取尺寸分布对优化生产操作，提高生产产量和质量很有意义。 万方数据 中南大学硕士论文 1 绪论 1 ．3 泡沫浮选研究现状 二十世纪中后期，泡沫浮选在全世界得到推广，全世界每年有将近2 0 亿吨 矿石用浮选方法处理，现在浮选几乎可用于处理各种金属矿和非金属矿，也广泛 应用于处理炉渣、废料和环境污水等。 松田光明考察了矿浆P H 值、硫化过程以及电子元件粉碎时间对从电子元件 中浮选回收镍的影响【9 】。曾克文采用示踪粒子测试技术对包钢选矿浮选槽颗粒速 度进行了测定，获取了整个浮选槽的颗粒速度分布[ 10 1 。陈家庆研究了国外主流 的海上油田含油污水旋流气浮处理设备【1 1 】。王红新通过实验，考察了充气量和循 环量对旋流．静态微泡浮选柱气含率的影响[ 1 2 ] 。J u a nY i a n a t o s 采用R T D 测试技术 测量W e m c o1 3 0 m 3 自吸气浮选机内不同处的气含率【l 3 1 。周开军提出了一种基于 机器视觉的浮选泡沫颜色、尺寸测量方法和采用面积重构改进变换为分水岭变换 提供标识【14 | 。A h m e d 通过清水实验观察了浮选柱内气泡尺寸的变化及分布【1 5 】。 G i r g i n 利用高速摄像仪考察了D e n v e r 自吸气浮选机内气泡尺寸随转子转速的变 化规律【l6 | 。A m i n i 通过实验观测了浮选槽结构和湍流强度对浮选气泡分布的影响 【l 7 l 。Y i x i a n gL i a o 提出了一种新的气泡聚并和破碎模型，同时对竖直管道气液两 相流气泡尺寸进行了实验测试【l 引。D e g l o n 提出一个新的用于统计浮选速率常数 和浮选泡沫表面区域通量的模型，同时还提出了一种预测浮选槽内气泡尺寸分布 的方法【I 蚰1 | 。G r a u 对O K 实验室型浮选机进行实验，测量了两个浮选机同一个 位置气泡的尺寸【2 2 , 2 3 】。 由于浮选机槽体庞大，可视性差，气泡与矿浆运动复杂多样，用实验或测量 的方法了解其内部流场特征、气含率和气泡尺寸等信息，成本较高，耗费人力和 时间，因此，目前人们大都用数值模拟方法对浮选机进行研究分析。王刚运用 F L U E N T 软件对机械搅拌式浮选机的三种不同转子模型进行数值模拟，获得了相 应的速度场和压力场【2 4 | 。T i t i n e n 研究了O K 型浮选机流体状态与浮选机结构的 关系【25 | 。S c h w a r z 应用C F X 软件M U S I G 模型分析了D e n v e r 型浮选机多相流的 运动特性和矿粒与气泡的碰撞和黏附过程，建立了矿粒与气泡碰撞和黏附模型 [ 2 6 - 2 8 】。M i t r e 分析了泡沫柱内的气泡聚并和破碎的地规律例。卞宁应用计算流体 力学方法对K Y F ．1 6 0 型浮选机槽内的空气分散度进行了数值模拟【30 1 。沈政昌针 对K Y F ．3 2 0 m 3 充气搅拌式浮选机，应用C F D 方法建立了能预测浮选槽内气液两 相流的数学模型【3 1 1 。刘春艳运用F L U E N T 计算软件模拟了X J M ．S 8 型浮选机的 流场特性，分析了浮选机内的流场速度、紊流强度等特征参数的分布状态及其变 化规律【3 2 ] 。喻明军利用F l u e n t 软件对实验室型X F D ．6 3 浮选机内部流场进行了数 值模拟，分析了充气量、浮选机转速及浮选槽深度对空气分散度的影响[ 33 1 。韩 万方数据 中南大学硕士论文 1 绪论 伟、唐堕研究了选别镍矿采用的J F C ．1 5 0 型浮选机的内部气液固三相流动特性， 以寻求浮选机工作参数与流场特性以及浮选动力学参数之间的关系‘3 4 , 3 5 】。 1 ．4 多相流研究现状 多相流是指存在可移动的分界面的多种物质形成的流动。多相流根据混合流 体的种类，一般可以分为气液、液固和气固两相流和气液固三相流，多相流被广 泛应用于能源动力、低温制冷、航空航天、环保等工业中。 1 8 7 7 年，B o u s s i n e s q 系统研究了明渠水流中泥沙的沉积和运送；1 9 1 0 年， M a l l o c k 分析了声波在泡沫中传播强度的衰减【36 l 。二十世纪4 0 年代开始，学者 们有意识地总结遇到的各种多组分流动现象并开始用多相流的观点进行分析和 研究。1 9 4 3 年，苏联首次将两相流这个名词刊登在学术期刊上。随后，关于多 相流的论文频繁出现，Y o n gL i 运用C F D ．V O F ．D P M 方法模拟了流化床气液固三 相气泡与颗粒的行为【37 | 。B a l t u s s e n 对水槽中气液固三相流直接进行了数值模拟 【38 | 。M e k a l aS i v a i a h 分析了气液固三相接触器中气体携带固体的携带率[ 3 9 】。 F a r z p o u r m a c h i a n i 采用欧拉．拉格朗日方法对气泡柱气液两相流进行了数值仿真 一U | 。S h u n g oN a t s u i 采用粒子追踪法分析了气液两相流中气泡的变化【4 1 1 。B o u n g W o o kL e e 分析了气液搅拌槽中气含率以及流体的运动特性【4 2 1 。S iH u a n g 对自吸 式离心泵中的气液两相流进行了瞬态数值模拟【4 3 】。I v a nZ a d r a z i l 采用激光统计学 方法描述了一个实验室型气液环状流装置内两相的运动特征m 】。A y a t i 用P I V 方 法测试了对一个水平管内气液两相流的速度[ 4 5 1 。P a t e l 定量测试了微通道管内气 液两相流边界的特征【4 6 | 。F a c h u nL i a n g 采用环式分配仪实现了气液搅拌槽内气体 和液体的平均分配【47 l 。 近三十多年来，我国气液两相流的研究工作也非常活跃，取得了非常多的成 果。2 0 0 1 年，林宗虎等人总结了最近6 年多相流在流化床、各种换热器、多相 流泵、液力输送等工程中的应用【4 8 1 。白博峰建立了特定流型的识别法则，采用 学习矢量量化的模式作为未知流型的分类器，获得了气水油多相流流型在线识别 技术，并研制出了流型识别系统[ 4 9 1 。闫红杰构建了氯酸钠溶液晶种分解过程的 多流体模型，研发了晶种分解过程多相流的数值模拟系统[ 5 0 ] 。毛成建立了浮选 过程目的矿粒在气泡和液相中的输运方程，获得了C P T 浮选柱中矿粒在气液两 相中稳定的浓度场分布【5 1 I 。徐璞采用C F D ．P B M 耦合模型对鼓泡塔内咪唑类离子 和空气两相流进行了数值模拟【5 2 1 。刘殿伟通过试验对水平管道内气．水．油三相流 流场随流动参数的变化进行了研究[ 5 3 1 。李伟利用y ．C T 测试技术测得R u s h t o n 气 液搅拌釜3 ／4 截面处空气含量分布图像，并与数值模拟结果进行了比较[ 5 4 1 。王强 对水平管内气液两相流的压差波动信号进行了分析，将小波分析、希尔伯特一黄 万方数据 中南大学硕士论文 1 绪论 变换和神经网络技术应用于大流型识别中[ 5 5 1 。邢兰昌用