水力分选设备搅拌器的优化设计论文(PDF 107页).pdf

分类号 U DC 密级 编号 十 初大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 煮冬杰 分选迭备挝搓器鲺倦倦选盐 学科 专业 壁物加王王程 研究生姓名 黄 鹏 导师姓名及 专业技术职务 王毓华 教一攮 硕士学位论文 i I I I III I I II I II II I I IIIl Y 1915 9 7 5 密级 水力分选设备搅拌器的优化设计 T h e o p t i m a ld e s i g n o nt h ea g i t a t o ro fH y d r a u l i c S e p a r a t i n gE q u i p m e n t 作者姓名 学科专业 二级学院 指导教师 黄鹏 矿物加工工程 资源加工与生物工程学院 王毓华教授 答辩委员会主席跚 中南大学 2 0 1 1 年5 月 原创性声明 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 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单位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 作者签名 莲日期 生年 月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 日期 盟年 氤乙日 摘要 针对我国铝土矿资源特点 设计了一种适合铝土矿选择性絮凝预 分选脱硅的水力分选设备 为了进一步提高设备的分选性能 对其中 的关键部件一搅拌器进行优化设计 利用计算流体力学软件F L U E N T 对水力分选设备中的流场进行 了模拟分析 考察了工艺参数和搅拌器结构参数对设备分选性能的影 响 模拟结果表明 最佳的工艺参数为搅拌速度5 0 r p m 给料速度 2 2 5 m l m i n 搅拌器位于Z 2 c m 处 五种搅拌器在最佳的结构参数条 件下的分选效率顺序为 耙式 板框I I 式 后掠式 板框I 式 推进 式 耙式搅拌器最佳的结构参数为 叶臂长度3 6 c m 叶臂数量4 齿高度1 0 c m 利用自制的搅拌器 考察了工艺参数 搅拌速度 耙式搅拌器结 构参数 叶臂长度 叶臂倾角 齿高度 对分选效果的影响 在其它工 艺参数相同的条件下 当搅拌速度5 0 r p m 时 可以达到最佳的分选效 果 此时 精矿铝硅比提高了1 4 3 氧化铝的回收率为6 7 6 1 在 最佳工艺参数条件下 叶臂长度和齿高度的增加有利于提高设备的分 选效率 而叶臂倾角的增加则降低了设备的分选效率 实际矿石实验 与数值模拟的结果得到了很好的吻合 验证了F L U E N T 数值模拟指 导搅拌器设计的可行性 通过对水力分选设备中的颗粒进行受力分析 揭示了设备中流体 的流动特性和固体颗粒的运动规律 有利于深入认识设备的分选机 理 根据功率常数与平衡时间的关系 得出了搅拌器直径 桨叶宽度 与搅拌槽径的关系式 为搅拌器的优化设计提供了重要的理论依据 关键词铝土矿 水力分选 搅拌器 F L U E N T 数值模拟 设计 A BS T R A C T A c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so fb a u x i t er e s o u r c e si nC h i n a an e w t y p e o fh y d r a u l i cs e p a r a t i n ge q u i p m e n tw a sm a d ef o rt h er e m o v a lo fs i l i c a t e s f r o mb a u x i t eb ys e l e c t i v ef l o c c u l a t i o n I no r d e rt oi m p r o v et h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo fh y d r a u l i cs e p a r a t i n ge q u i p m e n t t h ek e yc o m p o n e n to ft h e h y d r a u l i cs e p a r a t i n ge q u i p m e n t a g i t a t o r w a sd e s i g n e do p t i m a l l y T h ef l o wf i e l di n s i d et h ee q u i p m e n tw a ss i m u l a t e db yF L U E N T a C F D c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e T h e e f f e c t so fs t r u c t u r a la n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h es e p a r a t i n ge f f i c i e n c y o fe q u i p m e n tw e r es y s t e m a t i cs t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s t p r o c e s sp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s t h ea n g u l a rv e l o c i t yo f 50 r p m f e e d i n gv e l o c i t yo f2 2 5 m l m i na n dt h ea g i t a t o rl o c a t i o no fZ 2 c m T h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ff i v et y p ea g i t a t o r su n d e rt h eb e s ts t r u c t u r e p a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e da sf o l l o w s r a k et y p e p l a t e f r a m et y p eI I s w e e pt y p e p a R e f r a m et y p eI p r o p e l l e rt y p e R a k et y p ea g i t a t o ri s a c c o r d e dw i t ht h es t i r r e dt a n kw e l l a n dt h eb e s ts e p a r a t i n ge f f i c i e n c yw a s o b t a i n e dw h e nt h ea r n ll e n g t hi s3 6 c m b l a d en u m b e ri s4a n dt o o t hd e p t h i s1 0 c m T h ei n f l u e n c e so fp r o c e s sp a r a m e t e r s a n g u l a rv e l o c i t yo fa g i t a t o r a n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fr a k et y p ea g i t a t o r a r ml e n g t h a r l T li n c l i n e a n g l ea n dt o o t hd e p t h o nt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw e r ea l s os t u d i e db y u s i n gt h es e l f m a d ea g i t a t o r s T h eA 1 2 0 3 8 i 0 2o f c o n c e n t r a t ei n c r e a s e sb y 1 4 3a n dt h eA 1 2 0 3r e c o v e r yi s6 7 61 w h i l et h ea n g u l a rv e l o c i t yo f a g i t a t o ri s5 0 r p mu n d e rt h es a m ep r o c e s sp a r a m e t e r s B a s e do nt h e o p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ei n c r e a s eo fa r ml e n g t ha n dt o o t hd e p t h a r eg o o df o rb a u x i t es e p a r a t i o n b u tt h ei n c r e a s eo fa r mi n c l i n ea n g l eh a s r e v e r s ee 仃e c to nt h es e p a r a t i o no fb a u x i t e T h er e s u l t so fo r es e p a r a t i o n e x p e r i m e n t sa c c o r d e dw i t ht h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e l la n d t h e s ec o n f i r mt h ep o s s i b i l i t yb yu s i n gF L U E N Tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r t h ed e s i g no fa g i t a t o r s A c c o r d i n g t ot h ea n a l y z i n go ft h ef o r c e sa c t i n go np a r t i c l ei n s i d et h e h y d r a u l i cs e p a r a t o r t h ef l u i dp r o p e r t i e sa n dp a r t i c l em o t i o n sw e r ea l s o r e v e a l e d I ti sh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h es e p a r a t i o np r i n c i p l eo fh y d r a u l i c s e p a r a t i n ge q u i p m e n t B a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o w e r n u m b e r a n de q u i l i b r i u mt i m e t h ee x p r e s s i o nf o rt h er e l a t i o na m o n ga g i t a t o r d i a m e t e r b l a d ew i d t ha n ds t i r r e d t a n k d i a m e t e ri sd e t e r m i n e d T h e e x p r e s s i o np r e s e n t sg o o db a s i sf o rt h eo p t i m a ld e s i g no fa g i t a t o r K E YW O R D S b a u x i t e h y d r a u l i cs e p a r a t i o n a g i t a t o r F L U E N T n u m e r i c a ls i m u l a t i o n d e s i g n I D 目录 摘要 I A B S T R A C T I I 第一章文献综述 1 1 1 铝土矿资源特点及铝土矿脱硅的研究进展 l 1 1 1 我国铝土矿资源特点 1 1 1 2 铝土矿脱硅的研究进展 2 1 2 选择性絮凝在选矿方面的研究 4 1 2 1 选择性絮凝的基本原理 4 1 2 2 选择性絮凝药剂的研究进展 4 1 2 3 选择性絮凝工艺的研究进展 5 1 2 4 选择性絮凝设备的研究进展 5 1 3 搅拌器的研究进展 8 1 3 1 搅拌器及流场的研究发展现状 8 1 3 2 新型搅拌器发展方向 9 1 4 C F D 在搅拌流场中的研究进展 9 1 4 1 C F D 软件简介 9 1 4 2 搅拌器流场的模拟进展 1 0 1 5 本课题研究的内容及意义 1 2 第二章数值模拟结果与分析 1 3 2 1 研究方法 1 3 2 1 1 流体动力学控制方程 1 3 2 1 2 几何模型 1 4 2 1 3 网格划分 1 6 2 1 4 求解方法 17 2 1 5 计算体系 1 9 2 2 C F D 模拟结果分析 2 2 2 2 1 工艺参数模拟结果分析 2 2 2 2 2 结构参数模拟结果分析 2 8 2 3 搅拌器模拟结果对比分析 6 3 2 4 本章小结 6 4 第三章实际矿石试验 6 6 3 1 试验准备及研究方法 6 6 I V 3 1 1 矿样 6 6 3 1 2 试验药剂与材料 6 9 3 1 3 试验设备 6 9 3 1 4 试验流程 6 9 3 2 实验结果分析 7 0 3 2 1 设备平衡时间实验 7 0 3 2 2 搅拌速度实验 7 2 3 2 3 叶臂长度实验 7 3 3 2 4 叶臂倾角实验 7 3 3 2 5 齿高度实验 7 4 3 3 本章小结 7 5 第四章流场中颗粒受力与运动分析 7 6 4 1 颗粒在搅拌流场中受力分析 7 6 4 1 1 颗粒轴向受力分析 7 7 4 1 2 颗粒径向受力分析 7 8 4 1 3 颗粒切向受力分析 7 9 4 2 颗粒动力学研究 7 9 4 2 1 颗粒轴向运动分析 7 9 4 2 2 颗粒径向运动分析 7 9 4 2 3 颗粒切向运动分析 8 0 4 2 4 颗粒运动分析 8 1 4 3 搅拌器关键参数的表达 8 1 4 3 1 搅拌器直径 8 2 4 3 2 搅拌器桨叶宽度 8 3 4 4 本章小结 8 3 第五章结论 8 4 参考文献 8 5 致谢 9 2 攻读学位期间主要的研究成果 9 3 V 硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 铝的用途十分广泛 由于铝及其合金具有相对密度小 导热性好 易于机械 加工等许多优良的性能 因此被用在机械加工和航空航天等国民经济的重要领 域 铝土矿是生产金属铝的最佳原料 l 2 它是一种以水合铝石为主要成分的复 杂矿石 其主要化学组成为A 1 2 0 3 S i 0 2 F e 2 0 3 T i 0 2 少量的C a O M g O K 2 0 等氧化物 微量的镓 锗 磷 铬等元素 其应用主要在金属和非金属两个方面 p J 金属方面的应用主要是生产铝 也是最主要的应用领域 此外 铝土矿中伴 生的金属元素如镓 钒等也有很高的利用价值 铝土矿的非金属用途主要是作耐 火材料 研磨材料 化学制品及高铝水泥的原料 1 1 铝土矿资源特点及铝土矿脱硅的研究进展 1 1 1 我国铝土矿资源特点 我国是世界上铝土矿资源较为丰富的国家p J 保有基础储量居世界第九位 储量居世界第十一位 主要分布在山西 河南 广西 贵州4 省区 4 其资源储 量占全国的9 0 2 6 其中山西占3 5 9 河南占2 0 6 广西占1 8 3 7 贵州占 1 5 3 9 其它地区的总量仅占全国的9 7 4 我国铝土矿资源有如下特点 1 资源储量不容乐观 5 据2 0 0 5 年国土资源部 统计资料显示 中国铝土矿的保有储量为5 2 3 亿t 仅占世界总量的2 3 但年 开采量却占世界开采总量的8 开采消耗大于探明储量增速 资源短缺明显 铝行业发展面临巨大挑战 2 质量偏低 以中低品位级为主1 6 铝硅比 1 0 7 1 0 4 7 4 的资源储量分别占保有储量的3 9 2 6 1 5 9 5 和7 5 中国 7 0 铝土矿的铝硅比大约在4 一6 之间 其溶出性差而导致生产成本较高 3 沉积 型主要以高岭土 一水硬铝石 D K 型为主 约占9 8 属于高铝 高硅 低铁难 溶的矿石 铝硅比偏低 溶出性能差 冶炼成本相对较高 堆积型主要为三水铝 石 高铝 低硅 高铁 易溶的高品位铝土矿 此外 我国铝土矿中矿物种类多 组成复杂 且铝硅矿物嵌布粒度细r 主 要脉石矿物有含硅矿物 如高岭石 叶腊石 伊利石 石英 绿泥石等 含铁矿 物为赤铁矿 褐铁矿 水赤铁矿等 含钛矿物为锐钛矿 金红石等 导致了磨矿 容易过粉碎 8 能耗高 次生矿泥量大 产物脱水困难 对选矿产生消极的影响 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 2 铝土矿脱硅的研究进展 铝土矿是炼铝的主要矿石 首先要从铝土矿提取氧化铝 一般用烧结法或拜 尔法 9 J 然后再从氧化铝中提取电解铝 最后才是铝锭 氧化铝的生产主要是铝 硅的分离 即脱硅 硅是铝冶炼中最有害的杂质 l 它一方面会造b 茈N a 2 0 和A 1 2 0 3 的损失 污染氢氧化铝 降低产品质量 另一方面生成的钠硅渣结疤 使设备传 热系数降低 溶出过程能耗增加 设备维护难度加大 目前世界上采用拜尔法生 产的氧化铝约占9 0 因为该工艺的直接能耗与间接能耗都比烧结法和联合法 低 但拜尔法生产氧化铝要求铝土矿原料的铝硅比在8 以上 然而 我国7 0 以 上的铝土矿是一水硬铝石型铝土矿 矿石铝硅比在7 以下l l l J 这样的生产原料不 能经济地满足拜尔法生产氧化铝的要求 所以 在我国要采用能耗较低的拜尔法 生产工艺 就必须对铝土矿进行预脱硅处理 提高其铝硅比 以满足该生产工艺 对原料的要求 1 物理选矿脱硅 物理选矿脱硅是以天然矿物形态除去含硅矿物 1 2 达到降低铝土矿矿石中 S i 0 2 含量的目的 物理脱硅可依据分选方法不同分为 洗矿 筛分 浮选法和选 择性絮凝法等 此外 在正浮选的基础上 将载体和旋流器引入到脱硅工艺中 也是比较有潜力的脱硅方法之一 浮选脱硅是依据矿物之间表面性质的差异 1 3 J 以实现有用矿物与脉石矿物分离的方法 可分为正浮选脱硅和反浮选脱硅 正浮选脱硅 正浮选脱硅的实质就是抑制铝硅酸盐脉石矿物E 1 4 用阴离子 型捕收剂浮选一水硬铝石 国内针对铝土矿正浮选的脱硅工艺主要有北京矿冶研 究总院提出的扫选尾矿分级再磨流程 l5 1 中南工业大学提出的选择性聚团浮选 工艺 脂肪酸及皂类 磺酸盐类和异羟肟酸类是其常用的捕收剂 l6 1 目前一些 新型捕收剂主要是螯合捕收剂和中南大学开发的K L 和R L 捕收剂 但是正浮选存 在以下缺点 1 7 精矿上浮量大 粒度细 导致脱硅过程中药剂用量大 精矿中 药剂残余量高 精矿脱水困难等对后续拜尔法溶出工艺产生负面影响 尾矿浓度 低 给尾矿的综合利用和处理带来困难 反浮选脱硅 铝土矿反浮选铝硅分离是抑制一水硬铝石 浮选铝硅酸盐矿物 1 8 1 9 目前 对反浮选脱硅进行了大量的试验研究 在理论和浮选药剂方面取得 了很大的进展 通常 铝土矿中硅矿物的含量远低于铝矿物的含量 依据浮少抑 多的原则 反浮选是具有发展前途的方法 阳离子捕收剂是铝土矿反浮选脱硅的 主要捕收剂1 2 主要有胺类 直链烷基胺类 多胺类 醚胺类 叔胺类 酰胺类 甲萘胺和季铵盐等 砒啶类捕收剂 阴离子反浮选的捕收剂为脂肪酸盐等 反 浮选脱硅技术的要点 2 l J 硅酸盐矿物的强化捕收 一水硬铝石的选择性抑制 高岭石的强化捕收及其与一水硬铝石的选择性分离 强化硬质高岭石的捕收 矿 2 硕士学位论文第一章文献综述 泥的选择性分散等 铝土矿反浮选的深入研究主要集中在以下几个方面 铝土矿主要矿物的晶体 结构和表面化学研究 2 2 J 以期找出影响矿物可浮性内在因素 指导矿物分离工 作 新型药剂以及药剂作用机理研究 2 3 浮选药剂的研究集中在铝硅酸盐矿物 的强捕收剂和一水硬铝石抑制剂的合成及作用机理的研究上 反浮选体系分散与 凝聚的研究 分散与凝聚是将铝土矿磨到一定的细度后 利用含铝矿物和含硅矿 物的理化性质差异 选择合适的分散剂和絮凝剂 使矿浆中的各种矿物发生选择 性的絮凝与分散 选择性磨矿研刭8 我国铝土矿主要是一水硬铝石型 含硅矿 物主要是高岭石 伊利石 叶腊石等 这两类矿物在相同外力的作用下粉碎时 不同矿物的粒级分布存在明显的差异 这是铝土矿中铝 硅矿物选择性磨矿的基 础 相对于正浮选流程 1 1 1 反浮选脱硅工艺只需脱除含量较少的含硅矿物 可以 保持选矿流程的相对稳定 磨矿粒度可以适当放粗 减小了磨矿过程中的大量能 量消耗 选择性磨矿可以得到粗粒级 一水硬铝石 和细粒级 硅酸盐矿物 的混合 物 可以经济地满足反浮选工艺和氧化铝工业生产的要求 2 化学选矿脱硅 化学选矿脱硅是在一定的温度下1 2 4 通过化学反应分解矿石中的含硅矿物 主要是高岭石 然后用苛性钠溶液对焙烧产物进行溶出处理 其中S i 0 2 优先溶 出 进入液相 铝矿物仍留在固体中 然后通过固液分离等方法便可达到脱硅的 目的 化学选矿脱硅不仅能完全回收一水硬铝石中的A 1 2 0 3 2 5 而且还能回收铝硅 酸盐矿物中的灿2 0 3 此外 由于矿石经过高温焙烧处理 其中大部分有害杂质 被除去 有利于后续的溶出作业 特别是对于呈微细粒嵌布或脉石矿物以细小集 合体与一水硬铝石紧密镶嵌的铝土矿来说 由于相互之间的赋存状态十分复杂 难于采用物理方法进行选别 因此采用化学选矿来实现其铝硅分离的优势就更加 明显 目前 研究较为深入的化学选矿脱硅法有焙烧 氢氧化钠溶出脱硅法和氢氧 化钠直接溶出 分选脱硅法 适宜的焙烧设备的选择 合理的焙烧制度的设计 优化的焙烧流程的制定 将是化学选矿脱硅方法得到有效利用的关键 3 生物选矿脱硅 生物选矿脱硅是利用某些微生物或微生物的代谢产物与铝土矿相互作用 发 生氧化 还原 溶解 吸附等反应分解硅酸盐和铝硅酸盐矿物 2 6 如细菌可以 将一个高岭土分子破坏为氧化铝和二氧化硅 从而使二氧化硅转化为可溶物 而 氧化铝不溶得以分离 但目前来说 生物法脱硅尚存在反应速度慢 2 7 微生物 硕士学位论文第一章文献综述 的选择难 条件要求苛刻等缺点 应用于生产的难度较大 1 2 选择性絮凝在选矿方面的研究 在选矿生产实践中 细粒矿物的回收是一个亟待解决的问题 2 引 2 0 岬的微 细粒难于用常规的选矿方法进行有效处理 而实际生产过程中往往将这部分难选 的矿粒脱除废弃 造成了大量的金属损失 选择性絮凝是从伴生的脉石矿物中分 选出微细粒有用矿物的重要分选方法之一 2 9 1 它己被用作一种主要的选矿方法 或是作为其它分选工艺中的一种辅助方法 1 2 1 选择性絮凝的基本原理 选择性絮凝就是利用絮凝剂对固液体系中不同性质颗粒的吸附能力不同 3 们 选择性地絮凝目标颗粒而保留非目标颗粒分散的一种方法 选择性絮凝的 关键就在于絮凝剂对不同性质固相颗粒的选择能力 或称选择性 的强弱 即絮凝 剂对不同性质颗粒吸附能力的差别的大小 絮凝剂对固液体系中不同性质颗粒的 吸附能力的差别越明显1 3 l 啦J 絮凝剂的选择性越强 差别越小 选择性越差 选择性絮凝一般分为四个步骤 2 8 1 微细颗粒的分散 2 絮凝剂选择性地 吸附在目标颗粒上 并形成絮团 3 低剪切速率下机械搅拌使絮团长大 4 用 合适的方法分离絮团 1 2 2 选择性絮凝药剂的研究进展 在选择性絮凝工艺的研究中 寻找和开发高效的絮凝剂和分散剂是提高分选 效率的关键 应用高效的絮凝剂在超细粒煤的分选 3 引 铝土矿选择性絮凝脱硅 3 5 1 高岭土的除杂 3 6 J 等方面得到了广泛的应用 无机絮凝剂 3 7 J 主要包括铝盐絮凝剂 铁盐絮凝剂 硅酸盐絮凝剂及其它 复合絮凝剂 无机高分子絮凝剂具有投药量少 沉降速度快 颗粒密实 除浊色 效果好等优点 而聚铁类絮凝剂还具有价格低 p H 适用范围宽等优点 有机高分子絮凝剂F 7 主要是季胺盐类 聚丙烯酰胺类以及聚胺盐类等 还包括甲壳素衍生物 木质素衍生物 植物胺类 淀粉类衍生物 聚多糖类和植 物胶改性产物等天然高分子絮凝剂 有机高分子絮凝剂在矿物分选中应用最多 例如淀粉对黑色矿物有良好的絮凝特性 可用于长石中黑色矿物的分选 聚丙烯 酸钠可以与一水硬铝石矿物表面产生很好的化学吸附和高分子桥链形成的氢键 p 引 加速其在矿浆中的沉降 从而有效地分选一水硬铝石和铝硅酸盐矿物 微生物絮凝剂是指由微生物自身产生的 具有高效絮凝作用的天然高分子物 4 硕士学位论文 第一章文献综述 质 3 9 1 主要包括三类 直接利用微生物细胞的絮凝剂 某些细菌 霉菌 放线菌 和酵母 4 0 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂 葡聚糖 甘露聚糖 蛋白质和N 乙酰葡萄糖胺等 利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂 细菌的荚膜和粘液质 微 生物絮凝剂由于其高效 安全 无二次污染等特点 在发酵工业 医药工业 矿 物分选 4 1 1 废水处理中有着广泛的应用前景 1 2 3 选择性絮凝工艺的研究进展 选择性絮凝工艺在微细粒铁矿的分选中得到了广泛的研究 现己应用到铝土 矿脱硅 细粒煤的提纯等各个领域 一水硬铝石型铝土矿在硬度 晶体特性和表 面性质方面的差异非常有利于采用选择性絮凝的方法进行脱硅 目前 根据微细 矿粒团聚机理不同 4 2 选择性絮凝大体又可分为 高分子絮凝 疏水絮凝及磁 复合絮凝 高分子絮凝工艺 通过高分子聚合物的架桥作用 4 2 高分子絮凝剂有大量 活性官能团 它可以吸附大量的固体粒子 通过桥联作用把它们连接在一起 构 成疏松多孔的大絮团 疏水絮凝工艺 疏水絮凝是基于矿物颗粒表面选择性疏水化而成团的一种行 为 疏水聚团分选工艺的一个基本特征 4 2 J 是需要较长时间的中等或强烈搅拌 强湍流条件赋予矿粒足够大的动能 以克服粒间排斥能垒 并增大团聚率 在搅 拌过程中加入乳化非极性油来强化絮团 磁复合絮凝 指在高分子絮凝 疏水絮凝的基础上 添加磁种并置于外界磁 场中 以强化絮凝作用 同时又保持较高的选择性 复合聚团分选工艺是近年来发展起来的一种微细粒分选新工艺 4 3 1 复合聚 团是指将两种或两种以上的聚团方法叠加在一起而进行的强化团聚过程 当被分 选的矿物颗粒是单一性质差异较小时 复合聚团可使聚团作用增强 同时又保持 较高的选择性 1 2 4 选择性絮凝设备的研究进展 虽然选择性絮凝能够得到较富集的目标颗粒 3 0 但是絮凝和夹杂的影响使 得获得非常纯净的目标颗粒比较困难 所以借助于机械外力打碎絮团再进行选择 性絮凝是非常有必要的 此外 低剪切速率的机械搅拌有利于絮团的长大 因此 可以利用高效的絮凝设备促进矿物颗粒的分散 絮凝以至最终实现分选 在矿物及其它原料加工过程中 分级是不可缺少的一个主要作业m 包括 磨矿回路的分级 选别前的分级 矿泥处理前及尾矿处置前的分级等 随着我国 矿石的贫 细 杂现象日益严重 磨矿细度也随之提高 对微细粒矿物进行预先 5 硕士学位论文第一章文献综述 分级 分选 不仅可以预先得到部分合格物料 而且可以减小矿泥对后续作业的 影响 根据作用力的不同 可分为重力分级设备 离心力分级设备和复合力分级 设备 重力分级设备 国内广泛使用的重力分级设备主要有浓密机 水力分级箱 f 4 5 1 筛板式槽形分级机 分泥斗以及机械分级机等 重力分级设备由于其运行 平稳 操作简单 技术成熟等优点在选矿方面得到了广泛应用 目前较为先进的 是倾斜板分级设备 4 6 J 将斜板单元结构有序地布置于箱体内 增大了有效分级 面积 改善矿浆在其中的流动分布状态 实现高效沉降分级 离心力分级设备 目前应用较多的离心力水力分级设备主要有水力旋流器 离心分级机 螺旋溜槽等 其中水力旋流器作为一种高效的浓缩分级设备1 4 它具有处理量大 体积小 效率高 操作简单 性能稳定等优点 被广泛应用各 种工业领域 开展了较为深入的研究 主要集中以下几个方面 4 8 1 1 通过C F D 方法模拟水力旋流器内流场中的速度和压力分布 分析和预测旋流器中流场变化 规律 为后续的结构优化提供依据 2 结构及操作参数对旋流器流场及分离性 能的影响 3 对旋流器分离理论模型的研究 复合力分级设备 利用被分选矿物性质上的差异 4 9 对矿浆施加两种或两 种以上的外加力场 使目的矿物和非目的矿物颗粒所受的总作用力的大小和方向 有较大的不同 从而造成他们在运动路线或运动速度上有大的差别 实现矿物的 分选有很大的发展前景 目前见诸报道的重力分选 分级 设备有浓缩机 磁力水 力旋流器 多重力选矿机 离心重力选矿机等 1 浓缩机 传统 耙式 浓缩机 耙式浓缩机结构由浓缩池 耙架 传动机构 给料装置 和卸料装置组成 浓缩机工作时先把矿浆给入池中的中心受料筒 5 0 1 然后再向 四周辐射 矿浆中的固体颗粒逐渐浓缩沉降到底部 并由刮板刮入池底中心的圆 锥形卸料斗中 再用砂泵排出 深锥浓缩机 深锥浓缩机是一种用于处理各种煤泥水的浓缩澄清装置 5 引 其特点是锥形浓缩池的高度大于直径 和传统的耙式浓缩机相比 具有利用深锥 的自然压力 处理能力大 可获得高质量的溢流和底流 占地面积小等优点 倾斜板浓缩机 在浓缩机内 5 3 1 加装倾斜板是以重力分离原理为基础 缩 短颗粒沉降距离 增加了浓缩机的沉降面积 这样不但提高了浓缩设备的处理能 力 提高浓缩效率 而且缩小设备的体积 减少设备的基建投资 国外许多中心 传动式浓缩机均加设倾斜板来提高其浓缩效率 新型高效浓缩机 高效浓缩机是一种新型高效设备 5 1 1 其结构与普通耙式 浓缩机相似 主要区别在于入料方式不同 普通浓缩机入料是从池中心直接给入 6 率偏低 尚需进一步完善 4 离心重力选矿机 矿物混合物迎着上升水流方向给入槽内E 5 6 轻颗粒被水流带出通道外 形 7 剂 涂料 选矿等工业领域 它的原理涉及流体力学 传热 传质及化学反应等 多种过程 而搅拌器作为其中的重要部件之一 则提供搅拌过程所需要的能量和 适宜的流动状态 一般情况下 搅拌主要应用于以下几个方面 5 9 均相液体混 合 液液分散 固液悬浮 气液混合 化学反应 传质 传热等 1 3 1 搅拌器及流场的研究发展现状 工业上使用的搅拌器很多 矧 根据其产生的流态可分为 轴流型 局部剪切 作用强烈 功率因数偏高 径流型 能耗低 剪切性能温和 循环量大 混流型 以 轴向流为主 少部分径向流 等 按照其结构可分为 桨式搅拌器 推进式搅拌 器 涡轮式搅拌器 框式和锚式搅拌器等 目前对搅拌器及其流场的研究集中在以下几个方面 1 运用流场测试技术研究搅拌槽内部流体的动力学特性和流场特征 激光 多普勒测试技术 粒子图像测速技术能精确测量搅拌槽流场的内部信息 6 反 应内部流场的流动情况 但测试设备昂贵 而且用于测试的槽 流体和搅拌器都 有严格的要求 使这些技术的应用有一定的局限性 2 新型搅拌器的开发 由于搅拌目的多样性1 6 2 1 混合反应的复杂性和搅拌 混合技术还存在的问题 一些搅拌器存在搅拌效率低下 能耗高 运行稳定性差 所以 开发新型高效的搅拌器势在必行 利用两种或多种搅拌器的优势 采用合 8 硕士学位论文第一章文献综述 适的方式进行组合 设计组合形式的搅拌设备是一种切实可行的方案 3 运用计算流体动力学 C F D 软件研究流场的基本规律 C F D 软件可以帮助 预测各种搅拌桨型的流场分布 6 3 1 计算搅拌功耗 混合速率及混合效率等 减 少搅拌桨研制过程中不必要的实验 此外畔 应用C F D 研究搅拌器形成的流场并 结合实验研究 即可在短时间内完成搅拌器的设计 优化及放大 缩短了研究周 期 减少了研究成本 4 电子过程断层成像技术 E P T E P T 是多相流体系的非接触式的实时检测 和可视化技术 可以测量不透明介质的流场 5 智能化专家系统 搅拌设备设计专家系统从搅拌叶轮的选型 过程设计 机械设计和经济分析评价 到最终机械绘图的全过程都给出了智能化的计算机辅 助设计 1 3 2 新型搅拌器发展方向 搅拌器作为搅拌混合设备中的重要部件之一 它提供了搅拌过程所需要的能 量和适宜的流动状态 因而 对它进行合理的设计是达到高效 节能的搅拌效果 和生产要求的关键要素 目前国内外许多公司和研究机构 都致力于新型高效节能型搅拌桨的研究开 发 日本住友重机 6 5 1 三菱重工等公司开发了最大叶片式 泛能式和叶片组合 式等搅拌桨 美国 曲缸1 i I l 公司开发了A 3 1 0 和A 3 1 5 叶轮系列 还有德国E k a t o 公 司研制的I n t e m o i n g 桨 法国R c b i n 公司的H P M 轴流桨等 这些精心设计的桨叶针 对特定的工艺要求和搅拌目的 以期达到最佳的节能效果和搅拌效果 国内新型搅拌桨的研制开发起步较晚 现阶段研制工作主要集中在 6 5 1 对传统的桨型结构的优化和开发 2 注重对搅拌桨流场研究 通过从国外引进 或自编的软件 对搅拌桨流场进行模拟或图象处理 研究搅拌桨的流场特点和动 力学特性 为新型桨的设计和工业放大提供了有力的参考 新型搅拌器的发展方向 6 6 新型桨的设计由经验设计向理论设计方向发展 搅拌桨的性能研究由宏观研究向微观研究方向发展 搅拌桨的结构由单一化向优 化组合方向发展 目前主要开发了新型轴向流叶轮 新型宽黏度域搅拌叶轮和适 用于高黏物系和超高黏物系的搅拌设备 1 4 C F D 在搅拌流场中的研究进展 1 4 1C F D 软件简介 C F D C o I n p m a t i o I 试F l u i dD y n 锄i c s 软件是计算流体力学软件的简称 6 7 是 9 硕士学位论文 第一章文献综述 2 0 世纪6 0 年代起伴随着计算机技术迅速崛起的学科 它是建立在经典流体动力学 与数值计算方法基础之上 通过计算机数值计算和图像显示的方法 在时间和空 间上定量描述流场的数值解 从而达到对物理问题研究的目的 尽管计算方法并 不能完全取代实际实验 但对其依赖明显降低 通过数值模拟 可以充分认识流 场流动的基本规律 从而进行优化设计 大幅度减少了实验室实验的工作量 在 降低设计成本 6 8 缩短开发周期及提高自主开发能力等方面 计算流体力学都 可以起到重要的作用 实验方法将逐步退化为验证并确立计算流体力学正确性与 可靠性的一种手段 由于C F D 软件功能的强大 6 9 在航天航空 环境污染 生物医学 电子技术 等各个领域得到了广泛的应用 较为常用的有P h o e n i c s C F X 和F L U E N T P h o e n i c s 软件包是流行较早的商业化模拟软件 6 9 1 自推广以来 在中国高校 和研究单位得到了很好应用 其特点是模型简单 运算速度快 适应能力强 尤 其适用于单相模拟和管道流动计算 C F X 软件是C F D 领域的重要软件平台之一 6 9 1 在欧洲使用广泛 该软件主要 由3 部分组成B u i l d S o l v e r 和A n a l y s e B u i l d 主要是要求操作者建立问题的几何 模型 并可以实现与C A D 建立接口 S o l v e r 主要是建立模拟程序 在给定边界条 件下 求解方程 A n a l y s e 是后处理分析 对计算结果进行各种图形 表格和色 彩图形处理 F L U E N T 软件是目前国内外使用最多 最流行的C F D 商业软件之一 7 0 7 2 1 用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动 由于采用了多种求解方法 和多重网格加速收敛技术 因而F L U E N T 能达到最佳的收敛速度和求解精度 因此在流体力学 固体燃烧 组分反应等方面得到了广泛的应用 1 4 2 搅拌器流场的模拟进展 目前 搅拌过程的研究尚未形成系统的理论体系r 7 3 J 主要依靠一些经验的 手段和大量的实际实验 因此 对搅拌反应器的优化设计需要建立更加可靠有效 的放大准则 计算流体力学 C F D 方法正是适应这种需求而快速发展起来的一种 新的研究 设计工具 应用数值模拟软件求解描述过程局部性能的控制方程组 可以准确而直观地描绘出搅拌反应器内部的混合过程及流动状况 并对宏观流 场 时均速度及湍动性能进行分析 实现搅拌器的优化设计 在对搅拌设备进行模拟时 一个关键的问题就是解决运动的搅拌器和静止的 槽体之间的相互作用 很多学者为此提出了不同的模型方法 7 4 J 黑箱 模型法 大涡模拟法 多重参考系法 内外迭代法 滑移网格法 多重参考系法 7 5 比较 适合预测桨叶与槽体相互作用较弱的体系 因此在无挡板和槽体长径比较大的搅 1 0 硕士学位论文第一章文献综述 拌体系得到了广泛的应用 随着计算机硬件水平的不断提高 应用模拟软件的性能不断完善 用C F D 的 方法来研究搅拌槽内的流动有着无可比拟的优势 目前 在研究搅拌槽内的流体 流动方面 C F D 的最新进展主要体现在以下几方面 1 从结构化网格向非结构化网格的转移 在C F D 研究中 6 7 几何模型的构 建及前期的网格划分是很重要的 对于复杂的C F D 问题 生成网格花费的时间往 往大于C F D 计算所消耗的时间 随着人们对求解精度的要求不断提高 7 6 划分简 单的几何结构网格不能满足实际问题研究的需要 必须对各种复杂结构的网格划 分进行研究 而非结构化网格舍去了结构化网格节点的结构性限制 易于控制网 格单元的大小 形状及网格点的位置 因此比结构化网格具有更大的灵活性 尤 其对复杂边界的流场计算问题特别有效 因此是近年来主要的研究方向之一 2 雷诺平均法 R A N S 向大涡模拟 L E S 直接模拟 D N S 方向发展 雷诺平 均法不直接求解瞬时的N a v i e r S t o k e s 方程 6 7 不仅避免了D N S 方法计算量大的问 题 而且对工程的实际应用可以取得很好的效果 因此是目前应用最广泛的湍流 数值模拟方法 但是雷诺平均法 R A N S 对桨叶区域的湍动性能和尾涡的发展的 预测存在缺陷 7 引 所以研究者开始尝试用其他的方法用于搅拌罐内三维流动场 的研究 其中 大涡模拟是研究的一个前沿领域 大涡模拟是用瞬时N a v i e r S t o k e s 方程直接模拟湍流中的大尺度涡 7 9 可以模 拟湍流发展过程的一些细节 并可以用到较高R e y n o l d s 数和复杂的流动几何结 构 但是要得到可靠的计算结果需要足够小的网格尺寸来划分大小涡 所以计算 量很大 另外 研究者还提出了L E S 瓜A N S 耦合方法 8 0 1 这种方法比大涡模拟和 雷诺平均法适应性更强 对复杂不可压缩流动模拟更准确 直接数值模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内直接求解瞬时N a v i e r S t o k e s 方程 8 1 1 对湍流流动无任何的简化与近似 可以得到详细的微观流动湍流信息 对准确建立宏观的流动规律具有重要的意义 但此方法对计算机性能要求较高 目前只适用于对R e y n o l d s 数较低 且几何边界比较简单的湍流流动进行计算 因 此在实际的工程问题上应用很少 随着千万亿次超级计算机的研制成功 将这种 方法应用于实际工程计算成为可能 3 C F D 方法对搅拌槽内的流体流动进行数值模拟研究已取得了长足的进 步 主要针对单相搅拌槽内流体流动的数值模拟 7 7 1 多相流动的数值模拟对搅 拌反应器内多相体系流动场的研究还很缺乏 实际的搅拌操作中涉及到的大多都 是多相体系 因此研究分散相的加入和相间作用力对模拟结果的准确性起着关键 性的作用 随着计算技术的发展 对搅拌槽内多相湍流流动进行数值模拟得到了 快速发展 研究重点主要集中在分散相和连续相的相互作用 合理的湍流模型 1 2 硕士学位论文 第二章模拟结果与分析 第二章数值模拟结果与分析 计算流体力学软件广泛用在流场分析 流场计算 流场预测 固体燃烧 污 染物扩散等各个方面 通过C F D 软件包F L U E N T 可以直观的显示水力分选设 备内搅拌器运行过程中的流场流动现象 进而分析流场产生的机理 为实验提供 指导 缩短了研发周期 节省实验成本 本章以设计的搅拌器为研究对象 通过 计算流体力学软件F L U E N T 来定性的研究不同搅拌器的流场中 工艺参数和搅 拌器结构参数对铝硅矿物分选的影响 从而为水力分选设备中搅拌器的优化设计 提供指导 2 1 研究方法 2 1 1 流体动力学控制方程 水力分选设备中流体流动要受到物理守恒定律的支配 基本的守恒定律包括 7 J 质量 动量 能量守恒定律 对于所有的流体流动 F L U E N T 都必须求解 质量和动量守恒方程 对于包括热传导或可压缩性的流体流动 需要求解能量守 恒的附加方程 对于包括组分混合和反应的流动 需要求解组分守恒方程 当流 体流动状态是湍流时 还要求解附加的湍流运动方程 本文对水力分选设备中的流场假设为不可压缩牛顿型流体 其控制方程为 N a v i c r S t o k e s 方程 使用笛卡尔坐标系 速度矢量u 在x y z 方向的分量为甜 v w p 密度 f 时间 r 为广义扩散系数 方程的表达式可表示为 1 质量守恒方程 流体流动都必须满足质量守恒定律 按照这个定律 可以得出质量守恒方程 为 挈 昙渤 S m 西 苏二 2 1 该方程是质量守恒方程的基本形式 适用于可压流动和不可压流动 源项 是从分散的二级相中加入到连续相的质量 对于连续方程 0 2 动量守恒方程 了a p u d i v p u u d i v g r a d 罢 鼠 掣 d i v p v u d i v g r a d v i a p s 2 2 动量守恒方程的 标准r s 模型可 切流的传播速率 分选设备中的流 场模拟选用标准K 占模型 警 掣 竽 掣 昙 r 鬈 导 r 雾 昙 r 型 9 z 一 a 丁 反 却 瑟 苏 况 却 巩 瑟 其中 s 琏恻 q 2 鸬C 考 c 唰3 u j l 瓦 9 u 2 5 对于湍动能方程 S G 胆 对于湍动耗散率方程 S