浮选脱墨槽中浆料流动特性对脱墨效果的影响.pdf

研究论文 中浆料流动特性对脱墨效果的影响 摘要对脱墨浆在主动进气式 浮选脱墨槽 中的流动特性及不 同流动状态时的脱墨效果进行 了研究 。 研究结果表 明，脱墨浆悬浮液的流动具有分 区域特性 ，浆流、气流是造成这种分区域性流动的直接原 因， 不同流动状态条件下的脱墨效果及脱墨效果的稳定性不同。当浆流流速为3 ．2 m ／ s 、 空气比率为2 5 ％ 时 ，脱墨浆的可浮选性较好 ；当浆流流速为3 ．2 m／ s 、空气 比率为3 5 ％时 ，脱 墨效果最佳。 关键词 浮选脱墨 ；脱墨浆 ；流动特性 中图分类号 T S 7 4 4 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 5 0 8 X 2 0 0 7 0 9 0 0 0 5 0 4 作者简 介 李 擘女士， 在 废纸的浮选脱墨过程 实验所用装置为白 行研制的主动进气式浮选脱墨 读博士 研究生； 研究方向 主要是指油墨颗粒与空气 槽，容积 3 5 L ，主要部分包括槽体、充气装置、浆 制浆造纸机械与装备。 泡碰撞 、吸附，以及油墨 路循环系统等，其结构如图 1 所示。其中，槽体为有 颗粒． 空气泡复合体去除的过程，与浮选条件之间有 直接的关系。浮选脱墨条件包括工艺条件和流体动力 学条件两方面 ] 。浮选脱墨工艺条件包括浮选浆浓、 温度、p H 值、表面活性剂和化学品的选择及用量等， 对浮选脱墨主要产生物理 、化学和物理化学的影响 ， 以往对浮选脱墨的研究主要集中在此方面；而流体动 力学条件是指浮选气泡的大小和数量、脱墨浆中油墨 粒子的大小和数量、充气时的空气比率、浆料在浮选 槽中的湍流强度以及空气泡在浮选槽 中的滞留时间 等，主要对脱墨浆的流动状态产生影响，进而对浮选 脱墨的效果产生影响，目前一些研究结果[ 2 - 3 ] 证 明流动 状态是浮选脱墨过程 中的关键 因素 ，对脱墨效果有重 要影响，但更为深人的浮选脱墨流体动力学研究还比 较少。 研究表明【4 ] ，不同形式的浮选设备会有不同的流 动特性。 本实验在一种主动进气式浮选脱墨槽 中进行 ， 对浆流和气流作用下的脱墨浆流动特性进行研究，并 就不同的流动状态对脱墨效果的影响作了分析 ，为浮 选脱墨流体动力学条件的确定、设备的设计等提供参 考 1 实验 1 ． 1 实验原料 某纸厂碎解后的废纸浆，浓度 2 1 -3 ％，废纸配比 为 9 0 ％进 口废杂志纸和 1 0 ％办公废纸。 1 ． 2 实验装置 中国造纸2 0 0 7年第 2 6 卷第 9期 机玻璃材料， 可以清晰地观察到槽内浆料的运动情况。 墨进汞 { ＼ ＼ 1 一槽体2 一充气装置3 一浆路循环系统 图1 浮选脱墨槽结构示意图 1 ． 3 实验方法 1 ． 3 ． 1 浮选 浮选条件为 浆浓 1 ． 2 ％，温度 1 9 ℃，浆流速 2 ． 5 、 3 ．2 、5 ． 1 m ／ s ；为便于分析，气流的流速值均换算为空 气比率 即空气与脱墨浆的体积百分比 ，本实验的 空气比率分别为 2 5 ％、 3 0 ％、 3 5 ％ 在该类型装置中， 随着空气比率的提高，气流流速和气量都相应增加， 但气泡尺寸的范围基本不变 。其中，浆流速和空气 比率的取值是在大量前期实验研究 [5 - 6 ] 的基础上确定 的，以保证脱墨浆的流动状态在均匀流动的范围内从 缓到急的变化，同时不会出现浆料剧烈翻滚或流动产 生死点的情况，从而使实验更为有效、合理。 浮选、原浆取样、浮选时，每 2 m i n 取 1 次样， 收稿日 期2 0 0 7 0 5 - 1 5 修改稿 本课题为广东省科技研究攻关项目 项 目 编号 2 0 0 5 A 3 0 3 0 3 0 0 2 。 维普资讯 研究论文 总浮选时间为 1 0 mi n 。 1 ．3 ． 2 脱墨浆油墨粒子浓度 [7 ] 及白度测定 原浆、 各时段取的浆和充分洗涤后的浆抄成浆片， 定量约 1 7 0 g ／ m ，干燥后用 T e c h n i d y n e E R I C 9 5 0仪 器测定油墨粒子浓度。浆片白度用 Y Q． Z ． 4 8 A白度仪 测定。 1 ． 3 ． 3 脱墨效果的评价 以理论脱墨效率 [ 7 ] 为评价脱 墨效果的主要指标 ， 白度增值作为参考指标， 综合评价脱墨效果。 E 堡 二 E 1 00 ％ C B C 1 式中， 理论脱墨效率 C R 浮选开始时总油墨粒子浓度 浮选结束时总油墨粒子浓度 c -_一浮选结束时残余油墨粒子浓度 2 结果与分析 2 ． 1 理论脱墨效率及白度增值 表 1 为不同流动状态下的理论脱 墨效率及 白度增 值。 表1理论脱墨效率及白度增值 由表 1可以看 出，废纸浆在不同流动状态下的脱 墨效果各不相 同，脱 墨效果 随浮选动力学条件 的改 变呈现出一定的规律性。当浆流流速为2 ． 5 m ／ s 和 5 ． 1 m ／ s 时，理论脱 墨效率随空气 比率的增加而减小；当 浆流流速为 3 ．2 m ／ s 时，理论脱墨效率随空气比率的 增加而增大。而 白度增值在浆流流速为 3 ． 2 m／ s 和 5 ． 1 m ／ s 时，随空气比率的增加而增高；在浆流流速为2 ．5 r n ／ s 时，随空气比率的增加而降低。 2 ．2 浆流流速和气流流速的影响 2 ． 2 ． 1 浆流流速和气流流速对流动状态的影响 实验用的浮选装置为主动进气式浮选槽，其充气 装置在圆柱形槽体的底部，气流通过充气装置向上进 入槽内，而进浆管则在充气装置的上方，浆流以由上 而向下的方式进人槽内，因此浆、 气以对流方式混合。 此外，由于脱墨浆中含气体、液体、纤维和油墨颗粒 等多相物质，产生的流动已不是简单的气、水两相 流，而属于复杂的多相流，其各相间存在的随机可变 6 相界面致使脱墨浆的流形多种多样 [ 8 ] ，加之添加了表 面活性剂等化学药品，流动状况就更为复杂瞬变，目 前很难完全从多相流的角度测定和分析。但经过反复 的实验研究发现，槽内的流动状况存在一定的规律和 特点当只有浆流或只有气流作用时，分别只影响槽 体底部和液面附近的浆料；而当浆流和气流同时作用 时， 槽体内浆料从上往下可分为 4 个区域泡沫层、 气流作用区、过渡区和浆流作用区，即浮选脱墨过程 的流动存在多区域特性 ，其典型状态见图 2 。 泡沫层 气流作用区 过渡区 浆流作 佣 区 图2 多区域流动状态示意图 在该浮选槽中，浆流是产生流动的最主要因素， 是影响槽内整体流动性的主因，而气流则是通过气泡 的运动在一定程度上影响已有浆料的流动，是次因。 浆流的作用区域在槽体的底部位置， 浆流流速增大时， 浆流作用区变大 ，同时浆料的湍流强度也加强，透过 有机玻璃槽体，可以观察到该区域中的纤维运动更加 急促， 靠近底部区域的大部分纤维随浆流做向下运动， 而其上区域的纤维则随浆流在一定范围内向上运动； 气流的作用 区域主要在液面附近，对泡沫层 的影响尤 为突出，当气流加大 即空气比率增高 时，泡沫层 迅速变厚，同时液面以下的浆流运动范围也变大并向 下延展。此外，处于中间位置的过渡区随着浆流作用 区和气流作用区的变化而呈相反的变化当上、下作 用区的湍流强度增大时 ，过渡 区的区域变小 ，但湍流 强度加强； 反之，过渡区变大，湍流强度减弱。 当浆 流流速为 2 ． 5 m／ s 、空气 比率为 2 5 ％时，整 个槽体内的浆料流动较缓且刚好无流动死点出现，各 区域 内的浆流也都 比较平稳。随着空气 比率的提高 ， 泡沫层变厚 ，气流作用 区变大 ，过渡区变小 ，浆料流 动加快 ，而浆流作用区则没有太大变化 ；空气 比率达 3 5 ％时，液面刚好能保持在平稳范围内。浆流流速为 3 ．2 m ／ s 、空气比率从 2 5 ％升至 3 5 ％时，槽体内的浆 料流动较为急促，但整体流动较为平稳，液面没有产 Ch i n aP． 1p ＆ Pa pe r V o 1 ． 2 6 , No ． 2 0 0 7 维普资讯 研究论文 生翻滚现象，浆流作用区范围较前有所增加。浆流流 速为 5 ． 1 m ／ s 、空气比率依次变化时，槽体内的浆料流 动非常急促， 整体流动不再平稳， 偶有翻滚现象产生， 尤其是空气比 率达 3 5 ％时，液面变得极不稳定，且不 时冲开泡沫层。 2 ．2 ．2 流动状况对脱墨效果的影响 将表 1 结果结合脱墨浆相应的流动状况发现，当 槽体内浆料的整体流动较快且较平稳时， 脱墨效果较 好；当浆料的整体流动过于急促且不稳定时，脱墨效 果要差于前者；当浆料的整体流动平稳但过于平缓时， 脱墨效果要差于前两者。即脱墨浆的流动状况不同使 相应的脱墨效果也不同，脱墨浆流动特性与脱墨效果 间存在必然的联系，这是该类型脱墨槽有别于其他类 型脱墨槽的特点所在。 图 3 是不同浆流流速及不同空气 比率条件下时间 对残余油墨粒子浓度的影响。比较图 3 的 a 、 b 、 c 图可以看出，浆流流速不同，对应不同空气比率 的曲线随时间的波动程度不 同，即浆料的流动状况不 但对最终 的脱墨效果有影响，而且对脱墨效果的稳定 性也有影响。当浆流流速为 3 ．2 m ／ s 时，浆料的整体 流动快、均匀且平稳，不同空气比率时的油墨去除情 况也呈现平稳趋势，即如图3 b 所示，3 条曲线相互 间无波动平稳向下 ；而浆 流流速为 2 ． 5 m／ s 和 5 ． 1 m／ s 时，曲线间有波动，特别是后者，曲线间的这种波动 尤为剧烈，说明浆料流动过缓或过急至不平稳时，油 墨的去除不稳定，在一定的时间内具有不确定性。而 且这种不稳定的油墨去除隋况还会影响去除的油墨粒 子尺寸范围，由表 1 可 以看到，浆流流速 5 ． 1 m／ s时 的脱墨效率和白度增值变化出现不一致，就证明了这 一 点 ，同时也说明了白度值作为检测指标的不足，及 仅适宜作参考指标使用的原因。 2 ． 2 ． 3 浆流流速和气流流速对脱墨效果的影响 1 蠢 酾 是 『 吕 酾 起 现有的研究认为 【 3 ] ，浮选脱墨动力学过程是一级 动力学过程，用一个最简单动力学公式来表达，如式 f 2 、 、d Np ／ d F 一 一 f 、、 二 式中， 和 Ⅳ h 分别为单位体积内油墨粒子数和 气泡数； z zz X o X b 为单位时间和单位体积内油墨 粒子和气泡碰撞的次数 ；P 。 、P 、P 。 分别为油墨粒子 和气泡的碰撞几率、吸附几率和稳定几率。 上式中的z X b P 。 P aP 。 表示脱墨浆在一定时间内 的相对可浮选性，通常设其等于 z Ⅳ b P 。Jp ， 称之为浮选速率常数。在一定的假设条件下经过推 导 [3 ] ，可得浮选速率常数与理论脱墨效率之间的关 系 ，如式 3 1 E I e x p 3 式中， E为理论脱墨效率， 为空气 比率 ％ ， 为浮选速率常数 。 依 据式 3 ，可 以得出实验 中各种流动状态下对 应的浮选速率常数，见表 2 。 表2 浮选速率常数 从表 2 可以看出，当空气比率相同时，3 ．2 m ／ s 浆 流流速时的浮选速率常数较之其他流速时要高，这说 明槽内的浆流在平稳流动状态下的流速越高，相应的 脱墨浆可浮选性就越好，流速过高使得槽内浆流不平 稳时的可浮选性 比平稳但低流速时的要好 ，比平稳但 高流速时的要差，这说明浆流流速是影响油墨粒子和 气泡的碰撞、吸附、稳定等几率的重要因素，流速高 翌 点 酾 黑 a 浆流流速2 5 m／ s b 浆流流速3 ． 2 m／ s c 浆流流速5 ． 1 m／ s N3 不同浆流流速及不同空气比率条件下浮选时间对残余油墨粒子浓度的影响 中国 造纸2 0 0 7 年第 2 6 卷第 9 期 维普资讯 研究论文 比流速低时的浮选几率大，流速高且流动平稳时比流 速高但流动不平稳时的浮选几率要大。由表 2 可以看 出，当浆流流速一定，空气比率逐渐加大时，即气流 流速增大时，浮选速率常数随之都相应变小，变化的 趋势较为稳定 ，这表明无论槽 内浆料流动平稳与否 ， 气流流速都会对油墨粒子和气泡的碰撞 、吸附、 稳定 等几率产生相反作用。因此，在该类型的脱墨槽中， 浆流流速作为浆、气混合的主要动力，对浮选脱墨过 程有一定的促进作用，而气流流速则是浆、气混合的 阻力，对浮选脱墨过程有消弱作用，但气流流速变化 的同时气量也变化，使得最终的脱墨效果与浮选速率 常数存在如式 3 所表示的大致关系。 3 结论 3 ． 1 主动进气式浮选脱墨槽 中， 流动存在多区域特性 ， 即槽内的浆料流动分为 4 个 区域 泡沫层 、气流作用 区 、过渡区和浆流作用区。这种多 区域性的浆气流动 状态是该类型浮选槽的特点之一 ，有别于其他形式 的 浮选槽 。 3 ． 2 主动进气式浮选脱墨槽 中，不同浆流流速和气流 流速条件下所对应的流动状态不同，由此而得到的脱 墨效果和脱墨效果的稳定性也不同 ，流动状况与脱 墨 效果及其稳定性之间存在直接的联系。 3 ．3 主动进气浮选脱墨槽中，浆流对油墨粒子与气泡 问的碰撞 、吸附和稳定有促进作用 ，是浮选脱墨过程 的积极因素；而气流则通过气泡的上升对浆 、气悬浮 液的流动产生一定作用，对油墨粒子和气泡间的碰撞、 吸附和稳定有消弱作用，但最终的脱墨效果则是两者 综合作用的结果。本装置中，当浆流流速为 3 ．2 m ／ s 、 空气 比率 3 5 ％时 ，脱墨效果最佳。 3 ．4 在该类型的脱墨槽中，理想脱墨效果的首要前提 是流动的平稳性，其次是在此范围内浆气悬浮液的高 速流动。 参考文献 [ 1 ] 陈嘉翔． 浮选脱墨流体动力学的基本过程及主要参数[ J ] ． 中国造 纸， 2 0 0 5 ， 2 4f 2 4 4 f 2 】 F e l i x C a r r a s c o ， Ma r i a An g e l s P e l a c h， P e r e Mu t j e ． De i n k i n g o f h i g h q u a l i t y o f f s e t p a p e r s i n fl ue n c e o f c o n s i s t e n c y , a g i t a t i o n s p e e d ， a n d a i r fl o w r a t e i n t h e fl o t a t i o n s t a g e [ J ] ． T a p p i J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 8 2 3 l 2 5 [ 3 ] S a in t Ama n d F r a n c o i s J u l i e n ． H y d r o d y n a mi c s o f d e i n k i n g F lo t a t i o n [ J ] ． 1 n t ． J ． Mi n e r ． P r o c e s s ． ， 1 9 9 9 ， 5 6 1 2 7 7 [ 4 ] 陈嘉翔 浮选槽结构特征对浮选脱墨流体动力学的影响[ J ] ． 中国造 纸， 2 0 0 5 ， 2 4 3 4 6 [ 5 ] L i B o ， Ch e n Ke f u ， L i Ro n g g a n g ， e t a 1 ． S t u d y o f t h e E ffic i e n c y o f F l o t a t i o n De i n k i n g U s i n g A Ne w T y p e o f F lo a t a t i o n Ce l l [ C] ． 3 r d t h e I n t e rn a t i o n a l S y mp o s i u m o n Eme r g i n g T e c h n o l o g i e s o f P u l p ma k i n g ． Gu a n g z h o u C h i n a ， 2 0 0 6 [ 6 ] L i R o n g g a n g ， C h e n Ke f u ， L i Bo ， e t a 1 ． O p t i mi z a t i o n o f F l o t a t i o n P a r a me t e r s i n De i n k i n g o f ONP a n d O MG [ C 】 ． 3 r d t h e I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i um o n Em e r g i n g T e c h n o l o g i e s o f P o l p m a k i n g． Gu a n g z h o u C h i n a ， 2 0 0 6 [ 7 ] A l t a f H B s a t a ， 詹怀字， 王双飞， 等． O N P ／ O MP 脱墨生产线脱墨效率 的分析[ J ] ． 中国造纸， 2 0 0 2 ， 2 1 4 1 3 [ 8 】 李 海青． 多相流测试技术现状及趋势[ A] ／ ／ 李海青， 乔 贺堂． 多相流 检测技术进展[ M] ． 北京 石油工业出版社， 1 9 9 6 T h e I n fl u e n c e o f F l o w Ch a r a c t e r i s t i c s o n F l o t a t i o n De i n k i n g Effi c i e n c y i n a De i n k i n g Ce l l L I B 0 L I R o n g g a n g L I J u n C HE N Qi f e n g C HE N Ke f u S t a t e K e y L a b o f P u l p a n d P a p e r E n g i n e e r i n g G u a n g d o n g P u b l i c L a b o f P a p e r T e c h n o l o g y a n d E q u i p me n t ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Gu a n g z h o u ， G u a n g d o n g P r o v i n c e ， 5 1 0 6 4 0 *E ma i l b o b o l e e 0 2 0 1 6 3 ． c o r n Ab s t r a c t F l o w c h a r a c t e r i s t i c s o f DI P a n d r e l a t e d fl o t a t i o n e ffic i e n c i e s we r e i n v e s t i g a t e d i n a fl o t a t i o n d e i n k i n g c e l l wh e r e a n a e r a t i o n s y s t e m wi t h p r e s s u r i z e d a i r s u p p l y wa s i n s t a l le d ． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e fl o w s t a t e o f t h e p u l p h a s t h e p r o p e r t y o f r e g i o n a l d i s t r i b u t i o n ． Th e fl o ws o f s t o c k a n d a i r a r e t h e d i r e c t c a u s e o f t h i s k i n d o f fl o w c h a r a c t e r i s t i c s ． T h e r e f o r e ， fl o t a t i o n e f fi c i e n c y a n d t h e s t a b i l i t y o f fl o t a t i o n e ffic i e n c y a r e d i ffe r e n t f r o m d i ff e r e n t fl o w s t a t e s ． T h e r e i s a r e l a t i v e g o o d fl o a t a b i l i t y wh e n p u l p fl o w r e a c h e s 3 ． 2 m／ s a n d a i r r a t i o i s 2 5 ％． Th e b e s t fl o t a t i o n e ffic i e n c y i s a c h i e v e d wh e n p u l p fl o w k e e p s 3 ． 2 m／ s a n d a i r r a t i o r e a c h e s 3 5 ％ ． K e y W O r d s fl o t t i o n d e i n k i n g ； D I P ； fl o w c h a r a c t e r i s t i c s f 责任编辑常 青 Ch i n aP u lp＆ P a p e r V o 1 ． 2 6 , No ． 9 J 2 0 0 7 维普资讯