充填式浮选柱中径向返混及流速分布对浮选效果影响的研究.docx

1、化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS充填式浮选柱中径向返混及流速分布对浮选效果影响的研究周鹃曾爱武余国琮（天津大学化工学院化学工程国家重点联合实验室，天津，300072）摘要建立了充填式浮选柱的二维混合模型，并对该模型进行了数值法求解，探讨了径向返混系数和轴向气、液流速沿径向的分布对充填式浮选柱捕集区的回收率的影响。结果表明，增大径向返混系数有助于提高回收率；轴向气、液流速沿径向的分布越均匀越好；气速的不均匀分布将对回收率造成较大影响。分析结果对提高充填式浮选柱的浮选效果具有一定的理论指导意义。关键词充填式浮选柱，径向返混，流速分布中图分类号TD

2、456文献标识码A引言充填式浮选柱是1988年由杨锦隆教授（美国）结合传统式浮选柱和化工精偕过程首先研制成功的，现在已广泛应用于各类矿物浮选及废水处理等领域中。一些学者对充填式浮选柱内的返混特性进行了实验研究231,并对其一维混合模型进行了理论研究，得到了一维混合特性与回收率之间的关系。但到目前为止还没有文献报道过充填式浮选柱的二维混合特性对回收率的影响。本文将从二维混合模型出发，对径向返混及流速分布对回收率的影响进行理论分析与研究。1二维混合模型的建立对图1所示微元体进行粒子衡算，忽略径向流速，则在稳态条件下可得到模型（1）5】：Fig.1SchematicofParticlesBalanc

3、einUnit卷-中务（斜+七C=0=_E5Ek（1）|C（z,r）|t=0=Co=0边界条件为：drr=03C（z,r）_n万r=S一。Cg（z）|z=H=0式中H为浮选柱捕集区高度。2模型的求解及结果分析2.1模型求解对于模型（1）,本文采用差分法进行求解，格式采用PR交替方向隐格式（ADI格式）。计算过程中假设以下最为已知：轴向平均液流速团=0.012m/s,轴向平均气速ug=0.01m/s,轴向返混系数Dz=0.003m2/s,初始平均浓度=1kg/nA浮选柱捕集区的高径比如=2.6。为了讨论方便，这里假设初始浓度分布均匀，轴向气、液速沿径向的分布都是以纵轴为对称轴的抛物线型分布，方程

4、如下：联系人及第一作者周蒲，男，26岁，硕士。基金项目国家自然科学基金资助（No.29806012）。U=-aQr2+c(2)其中厂N0,系数。0决定了抛物线的开口大小，即速度分布的均匀性值越大则分布越不均匀，而c值则决定了轴心处速度的大小。式(2)反映的是一般圆管内通常所假设的流速分布情况,因为充填式浮选柱捕集区内速度分布的状况比较复杂，还没有文献报道过，所以这里假设以下4种分布情况(如图2所示)来进行定性的分析。本文在计算时30取0、0.2和0.5。将持续下去，会在更大程度上影响回收率。但当径向存在返混现象时，大浓度的流体会返混至小浓度的流体中，即与小气速相遇的液相流股中的粒子会混合至与大

5、气速相遇的液相流股中，而大气速有利分布情况三分布情况.液速分布&速分布分布情况二液速分布气速均布于提高回收率，所以，随着径向返混程度的加大,越来越多的粒子会因为从与小气速相遇的液相流股混合至与大气速相遇的液相流股中而提高其被捕集的数量，从而增大了整体的回收率。(2)分布情况二(液速有分布，气速均布)同理，可以得到分布情况二的变化曲线，如图3(a)、(b)中的曲线“分布二”所示。可以看到,随着径向返混系数的增大，回收率R也是逐渐增大的。原因与分布情况一类似，由于液速越大,回收率越低，被捕集的粒子数越少，也就是说,分布情况四液速均布气速均布在气速相同的条件下，液速大的那股流体中的粒子浓度相对较高，

6、当径向存在返混现象时，大浓度的流体与小浓度流体就会发生混合，即大液速的流股中的粒子混合至小液速流股中，而小液速有利于提高回收率，所以，随着径向返混程度的加大，回收率会因为大液速流股中的粒子混合至小液速流股中89Fig.2AxialGasandLiquidVelocityDistribution由于捕集速率常数与气速、气泡直径和捕集效率有关，而捕集效率又与多种因素有关，所以它的计算比较繁琐。文献6详细讨论了捕集速率常数的算法，根据该算法，在物系等条件一定时，可将捕集速率常数看做只是气速的函数，并假设其关联式为：kc=0.5u-5(3)于是根据以上各式就可以计算出各情况下相应的回收率。2.2结果分

7、析2.2.1回收率随径向返混程度的变化(1)分布情况一(气速有分布，液速均布)根据上述方法可以分别计算出当=0.2和0.5时回收率随径向返混系数的变化曲线，如图3(a)、(b)中的曲线“分布一”所示。可以看到，随着径向返混系数D,的增大，回收率R是逐渐增大的。这是因为径向返混有拉平径向浓度分布的作用，而初始浓度分布是均匀的，所以刚进入柱内的流体产生的浓度梯度是由于气速分布不均造成的,由于么8“*5,因而，气速越大，被捕集的粒子数越多，即与大气速相遇的那股液相流体中的粒子浓度相对较小，如果没有径向返混，这种浓度分布598.8585.88.,788888M回56&8/*分布三：气液速都有分布/分布

8、二：气速均布，液速分布分布-：液速均布，气速分布分布四：气液速都均布88.600.00050.0010.00150.002Dr/m2-s-1(a)a0=0.289.50.00258988.58887.58786.586r分布三：气液速都有分布分布二：气速均布，液速分布!分布一：液速均布，.气速分布分布四：气液速都均布85.500.0010.0020.0030.004Dt/m2-s*(b)ao=0.5Fig.3CurvesoiRecoveryvsRadialEXspersionCoefficient0(b)QK.003m：/sFig.4CurvesofReco

9、veryvsVelocityDistribution而得到提高。(3) 分布情况三(液速、气速都有分布)此情况下的变化曲线如图3(a)、(b)中曲线“分布三”所示。变化趋势与前两种情况一样。由于这种情况中气液速的分布形式对回收率造成的影响效果恰好相反，有一定的相互“抵消作用”，所以这种情况较为复杂，但该曲线的总体变化趋势与其他曲线还是一致的。(4) 分布情况四(液速均布，气速也均布)这时，回收率与径向返混系数无关，如图3(a)、(b)中曲线“分布四”所示。通过对以上4种情况的分析可以看到，液相流速的不均匀分布对回收率造成的影响最小(曲线“分布二，而气速的影响最大(曲线“分布一”)，而且径向返混

10、越小，流速的不均匀分布造成的回收率下降的趋势越明显。由图3(a)和(b)的比较还可以看到，流速分布得越不均匀，回收率的值越小，且随径向返混系数的变化趋势越明显，例如，对于“分布一”，当a0=0.2时，从0变化到0.0005n?/s,回收率变化了0.25%;当qo=O.5时，从0变化到0.0005m2/s,则回收率变化了2.38%。从以上分析可知，气体分布器的设计卜分重要，一定要尽量使气体分布均匀才能提高回收率;另外，要尽量增大径向返混，使径向浓度混合均匀。2.2.2回收率随气液速分布均匀程度的变化当Dr值分别为0.00005和0.003m2/s时可以得到各种分布情况下回收率随值的变化曲线见图4

11、(a)、(b)0可以看到，随着go值的增大，即气、液流速分布不均匀程度的加大，回收率呈减小的趋势，旦减小的速率越来越大。例如图4(a)中的曲线“分布一”，印从0变到0.1,回收率降低了0.058%,而当从0.3变到0.4时，回收率降低了0.59%。从图中还可以清楚地看到，“分布四”(即气、液速都均匀分布)的回收率最高，而且气速的不均匀分布对回收率造成的影响要大于液速的不均匀分布。通过比较两图可以看到，径向返混系数越大,回收率随流速分布的不均匀程度变化的越慢。例如，对于“分布一”,当Dr=0.00005m2/s时，0从0.3变到0.4,回收率降低了0.59%；而当Dr=0.003m2/s时，知从

12、变到0.4,回收率降低了0.24%o所以，从这个角度来看，增大径向返混可以削弱流速不均匀分布的不利影响。但从实验结果来看，浮选柱的径向返混系数一般小于10一3,因而流体流动的不均匀性不可忽视。(a)Dr.OOOOSms(a)Dr.OOOOSms89.18988.988.888.788.688.588.488.388.288.13结论(1) 从二维模型中气、液速分布情况的分析对比中可以看到，轴向气、液速沿径向分布得越均匀越好。(2) 不论哪种分布情况，增大径向返混系数都有利于提高回收率，所以，当流速的不均匀分布无法避免时，应当尽量增大径向返混，这将是一个改进设备结构的主要方向。(3) 气速的不均

13、匀分布对回收率影响很大，所以气体分布器一定要保证良好的气速分布C(4) 通过以上分析，可以从以下几个方面来解释为什么充填式浮选柱的浮选效果要优于开式浮选柱(内部没有填料的浮选柱)：(a)充填式浮选柱内的填料使得轴向气、液流速沿径向的分布比开式柱内的流速分布更加均匀,所以，充填式浮选柱的回收率高。(b)另外，因为空塔的径向返混系数比充填式浮选柱要小，所以充填式浮选柱的回收率要高于开式浮选柱。符号说明c一液相中的粒子浓度，kg/m3Co-初始浓度，kg/m3Co-初始平均浓度，kg/m3Cg气相中的粒子浓度，kg/m3D-浮选柱的直径，mD-液相轴向返混系数，m2/sD-一液相轴向返混系数，m2/

14、sdb气泡直径，mEk捕集效率H-浮选柱的捕集区高度，mAc一捕集速率常数，sT虹一浮选柱捕集区的高径比r径向距离，mR-回收率，s-浮选柱的横截面积，n?气相轴向流速，m/s心一气相轴向主体平均流速，m/sux液相轴向有效流速，m/s液相轴向平均有效流速，m/sz轴向距离，mReferences1 ZhouKun（周鹃），ZengAiwu（曾爱武），WangShuying（王树槌）.ChemicalEngineering（C/iina）（化学工程），2001,29（6）:5760LiDinghuo（李定或），DingYigang（丁一刚），WuYuanxin（吴元欣）.TheChinesej

15、ournalofNonferrousMetals（中国有色金属学报），1995,5（1）：182 LiDinghuo（李定或），DingYigang（T刚），WuYuanxin（吴元欣）.TheChineseJournalofNonferrousMetals（中国有色金属学报），1995,5（2）：31-37.3 LiuZhen（刘振），ZhouKun（周鸥），ZengAiwu（曾爱武）.C.Proceedingsofthe11NationalConferenceonChemicalEngineering-NCCE*2002（第十一届全国化学工程科技报告会论文集），Xiangtan,2002,

16、207-210ZhouKun（周明）.StudyontheHydrodynamicsofPackedFlotationColumns*D.Tianjin:TianjinUniveristy,20024 FinchJA,DobbyGS.ColumnFlotationM.Oxford：Pergamon,1990StudyontheEffectofRadialMixingandVelocityDistributiononthePerformanceofPackedFlotationColumnsZeng,ZhouKun,YuGuocong（StateKeyI-aboratoryofChemicalE

17、ngineering,Tianjin,300072）AbstractAtwo-dimensionmixingmodelwasbuiltforpackedflotationcolumnsandthenumericalsolutiontothemodelwasobtained.Thentheeffectsoftheradialdispersioncoefficientandtheradialdistributionofaxialliquidorgasvelocityontheflotationrecoverywereexplored.Theconclusionisthatincreasingtheradialdispersioncoefficientcanimprovetherecovery.Itisalsocanbeseenthatthe