赤泥分離沉降槽中心桶內(nèi)流體流動(dòng)的水模型實(shí)驗(yàn)研究

周天，李茂，廖沙，周孑民

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赤泥分離沉降槽中心桶內(nèi)流體流動(dòng)的水模型實(shí)驗(yàn)研究

周天1, 2，李茂1，廖沙1，周孑民1

(1. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

以相似原理為基礎(chǔ)，搭建1:20比例尺的沉降槽水模型實(shí)驗(yàn)槽，采用有限個(gè)數(shù)顆粒示蹤法，以停留時(shí)間分布(RTD)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)沉降槽中心桶內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到穩(wěn)態(tài)下中心桶內(nèi)流場(chǎng)分布以及不同工況下中心桶內(nèi)流體的停留時(shí)間分布。分別運(yùn)用2種不同的非理想流動(dòng)模型，并采用矩計(jì)算和非線(xiàn)性回歸的計(jì)算方法來(lái)描述中心桶內(nèi)流體流動(dòng)的混合程度。研究結(jié)果表明: 沉降槽中心桶內(nèi)的流體呈旋轉(zhuǎn)混合流動(dòng)，且桶內(nèi)存在流體流速相對(duì)緩慢的“死區(qū)”和“短路”的現(xiàn)象。流量在0.20~0.30 L/s范圍時(shí)，增大流量，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)減少7.7%；徑高比在1.60~0.75范圍時(shí)，減小徑高比，死區(qū)體積分?jǐn)?shù)可減少15.9%，較小的死區(qū)體積有助于提升中心桶內(nèi)物料混合的均勻性。沉降槽中心桶內(nèi)混合程度較大，且混合程度隨進(jìn)料流量的增加以及中心桶徑高比的減小而增大。

沉降槽；中心桶；停留時(shí)間分布；非理想流動(dòng)模型

赤泥沉降分離槽是拜耳法氧化鋁生產(chǎn)固液分離工序中的重要設(shè)備之一，中心下料桶(中心桶)則是赤泥分離沉降槽的核心部分。中心桶起著耗散溶出礦漿湍動(dòng)能，促進(jìn)絮凝劑與赤泥顆?；旌系戎匾饔谩Ｔ趯?shí)際生產(chǎn)操作中，沉降槽的沉降分離效果不好，產(chǎn)能不高，不僅直接影響固液分離效率，而且還會(huì)影響整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)的產(chǎn)出率，導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)鋁的需求量不斷增大，但氧化鋁礦石的品位卻不斷降低，赤泥等雜質(zhì)的增多，使得赤泥沉降分離已成為制約氧化鋁產(chǎn)能提升的瓶頸之一[1?2]，因此，研究沉降槽中心桶內(nèi)流場(chǎng)形態(tài)和優(yōu)化中心桶結(jié)構(gòu)已成為兩大熱點(diǎn)課題。White等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法對(duì)中心桶內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明在中心桶內(nèi)裝設(shè)環(huán)形擋板可增加桶內(nèi)流體停留時(shí)間，促進(jìn)絮凝劑與赤泥顆粒的混合。Peloquin等[4?5]對(duì)沉降槽進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，得到了中心桶內(nèi)流體流場(chǎng)分布，認(rèn)為進(jìn)料流量和中心桶的尺寸對(duì)桶內(nèi)流場(chǎng)有著重要影響。Kahane等[6]建立了沉降槽中心桶的計(jì)算流體力學(xué)模型，通過(guò)鋰離子脈沖示蹤法的水模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算模型的有效性。Majid等[7]采用群體平衡模型(PBM)，通過(guò)數(shù)值仿真的方法研究了沉降槽中心桶內(nèi)流體的停留時(shí)間分布，結(jié)果表明，進(jìn)料流量對(duì)停留時(shí)間有一定的影響，并且中心桶內(nèi)流體流動(dòng)接近于全混流。國(guó)內(nèi)外學(xué)者公開(kāi)發(fā)表的沉降槽中心桶的研究成果大多采用CFD仿真計(jì)算方法，而在沉降槽中心桶內(nèi)流體流場(chǎng)和停留時(shí)間分布(RTD)的實(shí)驗(yàn)研究上，尚無(wú)詳細(xì)的公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道[8?9]。另一方面，由于沉降槽中心桶內(nèi)流場(chǎng)屬液固兩相流體系，采用液相流體為示蹤劑的沉降槽中心桶的研究方法不能完整反映赤泥顆粒在中心桶內(nèi)的停留時(shí)間分布及其混合行為[10]。在此，本文作者以某氧化鋁廠赤泥分離沉降槽為原型，按照1:20的尺寸比例建立水模型實(shí)驗(yàn)槽。采用微小顆粒示蹤的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)沉降槽中心桶內(nèi)流體的流動(dòng)行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以停留時(shí)間分布(RTD)[11]為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析比較了進(jìn)料流量和中心桶徑高比對(duì)中心桶內(nèi)物料混合均勻性的影響，并結(jié)合軸向混合模型(ADM)[11]和多釜串聯(lián)模型(TISM)[11]對(duì)中心桶內(nèi)流動(dòng)混合程度進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 理論依據(jù)

在沉降槽水模型實(shí)驗(yàn)中，保證模型與原型各對(duì)應(yīng)尺寸之比為常數(shù)(1:20)時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了幾何相似。對(duì)于動(dòng)力相似，通過(guò)計(jì)算原型中進(jìn)料管管內(nèi)的雷諾數(shù)為4.8×105，此時(shí)流體的流動(dòng)處于自模化區(qū)，所以模型實(shí)驗(yàn)中主要考慮弗魯?shù)聰?shù)()就可以保證與原型的動(dòng)力相似：

式中：為流體流速；為特征長(zhǎng)度；為重力加速度；下標(biāo)p為原型；下標(biāo)m為模型。

停留時(shí)間是指物料從其進(jìn)入反應(yīng)器至離開(kāi)反應(yīng)器的時(shí)間。通常采用在反應(yīng)器入口加入示蹤劑，同時(shí)在出口處檢測(cè)示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的方法來(lái)定量計(jì)算流體在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的分布。對(duì)于脈沖輸入法，其停留時(shí)間分布密度函數(shù)()為[12]

式中：()為示蹤劑出口濃度。通過(guò)計(jì)算()曲線(xiàn)一階以及二階矩可以得到平均停留時(shí)間m和方差，即:

，(3)

為了使在不同流量和中心桶徑高比條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，以理論停留時(shí)間為基準(zhǔn)，將停留時(shí)間分布密度函數(shù)()與時(shí)間無(wú)量綱化：

(5)

式中：為中心桶容積；為物料流量；為無(wú)量綱化的停留時(shí)間分布密度函數(shù)。

同時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)的體積分?jǐn)?shù)可表示為[13]

中心桶內(nèi)物料的流動(dòng)存在一定程度的返混，因此需要借助于模型的方法來(lái)描述其返混的程度[13]。軸向混合模型(ADM)是一種單參數(shù)的非理想流動(dòng)模型，它是在平推流的基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)軸向混合彌散系數(shù)：Peclet數(shù)()。RTD 密度函數(shù)可以近似表示為[14]

(7)

的物理意義是軸向?qū)α髁鲃?dòng)與軸向彌散流動(dòng)的相對(duì)大小。較大的(例如＞100)表征較弱的軸向混合，流動(dòng)接近平推流。而當(dāng)較小時(shí)(例如＜10)，表示軸向混合程度較大，流動(dòng)接近全混流。

多釜串聯(lián)模型(TISM)是用多個(gè)等體積的全混釜串聯(lián)來(lái)模擬實(shí)際反應(yīng)器。串聯(lián)反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)為該模型的參數(shù)。其RTD密度函數(shù)可以表示為[15]

(10)

當(dāng)=1時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)為全混流；而當(dāng)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)則為平推流動(dòng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

用于測(cè)定中心桶內(nèi)停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)槽為一圓柱形桶體，由有機(jī)玻璃制成，其直徑為1 000 mm，高700 mm。進(jìn)料管沿中心桶切線(xiàn)方向進(jìn)入中心桶，其管徑為40 mm，進(jìn)料管中安裝了1個(gè)射流管，用于卷吸沉降槽上層清液從而稀釋進(jìn)料固含[16]。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)流量，并通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量流量值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用注射器從加料口注入示蹤劑顆粒，顆粒與水混合后通過(guò)射流泵，進(jìn)入中心桶。中心桶中設(shè)置有內(nèi)環(huán)，可以加強(qiáng)流體在從中心桶流出后進(jìn)入沉降槽體中，并最終分成2部分中心桶內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，并延長(zhǎng)其在桶內(nèi)的停留時(shí)間。流體流出：一部分經(jīng)溢流口流出，另一部分流體經(jīng)底流口流出。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)高速攝影儀進(jìn)行拍攝紀(jì)錄。

1—閥門(mén)；2—流量計(jì)；3—示蹤劑加入點(diǎn)；4—文丘里管；5—中心桶體；6—中心桶出口；7—溢流出口；8—底流出口；9—高速攝影

1.3 RTD的實(shí)驗(yàn)測(cè)定法

實(shí)驗(yàn)采用脈沖法對(duì)桶內(nèi)流體的停留時(shí)間分布進(jìn)行測(cè)定。采用煤粉顆粒作為固相示蹤劑，煤粉顆粒經(jīng)過(guò)干燥后，使用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)煤粉顆粒進(jìn)行篩選，得到粒徑范圍在0.8~1.2 mm之間的煤粉顆粒，其密度為1.24 t/m3。實(shí)驗(yàn)流體工質(zhì)為水，溫度為常溫，使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制流量，待沉降槽內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定后，在示蹤劑加入點(diǎn)處瞬時(shí)加入一定數(shù)量的煤粉顆粒作為示蹤顆粒，同時(shí)在中心桶出口平面設(shè)置的高速攝影儀對(duì)示蹤顆粒在中心桶內(nèi)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行拍攝紀(jì)錄，可得到一系列示蹤劑顆粒隨時(shí)間流出中心桶出口的照片，如圖2所示。根據(jù)拍攝的照片，每100步長(zhǎng)(即每隔100張照片)，記錄流出中心桶出口的示蹤劑顆粒數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)高速攝影儀的拍攝頻率為500 Hz(即每1 s拍攝400張照片)，即每記錄100步長(zhǎng)所需的時(shí)間為0.2 s，由此可以得出每0.2 s內(nèi)流出沉降槽中心桶出口的示蹤顆粒數(shù)量，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可計(jì)算出示蹤劑流出中心桶的濃度曲線(xiàn)()。

1—進(jìn)料管；2—中心桶出口；3—環(huán)形擋板；4—流出中心桶的示蹤顆粒

得到實(shí)驗(yàn)()曲線(xiàn)后，采用矩計(jì)算方法(式(1)~(8))對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可求解出模型參數(shù)m，以及，從而可定量描述沉降槽中心桶內(nèi)固體顆粒隨流體流動(dòng)的狀況。此外，運(yùn)用EXCEL和MATLAB 軟件，采用非線(xiàn)性回歸的方法[17?18]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，即應(yīng)用最小二乘法，分別以式(7)和(9)為回歸表達(dá)式進(jìn)行時(shí)域擬合，當(dāng)擬合相似系數(shù)2取最大值時(shí)，即可求解出模型參數(shù)m，和。從而可得到分別由ADM模型和TISM模型導(dǎo)出的中心桶內(nèi)RTD曲線(xiàn)。

2 中心桶內(nèi)流場(chǎng)分布

通過(guò)連續(xù)注入一定量的示蹤劑，可得到不同時(shí)刻下中心桶內(nèi)流體的示蹤流場(chǎng)圖。實(shí)驗(yàn)中以微小煤粉顆粒與水的混合黑色溶液作為示蹤劑。如圖3所示，示蹤劑以進(jìn)料流速通過(guò)進(jìn)料管進(jìn)入中心桶，由于水平慣性力的作用，大部分示蹤劑作水平運(yùn)動(dòng)并與遠(yuǎn)端桶壁發(fā)生碰撞(圖3(b))，在這過(guò)程之中，一部分示蹤劑在重力的作用下向中心桶出口方向流動(dòng)并流出桶體，產(chǎn)生“短路”現(xiàn)象；示蹤劑在與桶壁發(fā)生碰撞后沿中心桶內(nèi)壁作旋轉(zhuǎn)混合運(yùn)動(dòng)(圖3(c))，并逐漸向中心桶中心延伸直到示蹤劑隨流體充滿(mǎn)整個(gè)中心桶體(圖3(d))。停止注入示蹤劑后，由于壁面之間的摩擦阻力與流體阻力，桶中示蹤劑運(yùn)動(dòng)速度減小并逐漸由中心桶出口流入沉降槽體(圖3(e))。示蹤劑注入4.0 s后，大部分示蹤劑在流體的慣性作用下已流出中心桶，但中心桶上部仍存在有少量示蹤劑未流出中心桶(圖3(f))，這表明中心桶上部存在流動(dòng)相對(duì)較為緩慢的區(qū)域，即所謂的“死區(qū)”[13]。

時(shí)間/s：(a) 0; (b) 0.2; (c) 0.4; (d) 0.6; (e) 1.5; (f) 4.0

在氧化鋁生產(chǎn)中使用的沉降槽在其工作穩(wěn)定后，是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，所以沉降槽中心桶內(nèi)流體也處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。因此，依據(jù)中心桶內(nèi)流場(chǎng)示蹤圖，可以繪制穩(wěn)態(tài)下中心桶內(nèi)流場(chǎng)分布情況，如圖4所示。桶內(nèi)流場(chǎng)由“短路”流體流動(dòng)，旋轉(zhuǎn)混合流體流動(dòng)以及“死區(qū)”流體流動(dòng)組成。

1—進(jìn)料流體流動(dòng)；2—“短路”流體流動(dòng)；3—旋轉(zhuǎn)流體流動(dòng)；4—“死區(qū)”流體流動(dòng)

3 RTD的參數(shù)分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，只有當(dāng)漿液與絮凝劑在中心桶充分地混合，絮凝劑的分子鏈條能充分伸展的前提下，才能提高絮凝劑對(duì)赤泥顆粒的吸附架橋能力和絮團(tuán)化能力，有利于形成高質(zhì)量的赤泥絮凝團(tuán)和高效的絮凝沉降，從而提升沉降槽的產(chǎn)能。而中心桶內(nèi)混合流動(dòng)不充分，即死區(qū)的存在會(huì)使得進(jìn)料料漿的稀釋不夠，使絮凝劑無(wú)法充分地伸展，難以有效地捕捉赤泥顆粒，這都不利于絮凝劑功效的發(fā)揮，從而影響沉降速度，限制沉降槽產(chǎn)能的提升。此外，在較低的絮凝劑捕捉效率下進(jìn)行生產(chǎn)，會(huì)導(dǎo)致絮凝劑用量的增加，不利于生產(chǎn)成本的控制。因此，對(duì)沉降槽中心桶內(nèi)物料的混合均勻性的研究顯得尤為重要。

3.1 進(jìn)料流量分析

針對(duì)沉降槽在生產(chǎn)中的實(shí)際進(jìn)料流量的范圍(1 300~1 900 m3/h)，運(yùn)用相似準(zhǔn)數(shù)(式(1))，可計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)料流量范圍(0.20~0.30 L/s)。采用RTD實(shí)驗(yàn)測(cè)定法，可以得到桶內(nèi)流場(chǎng)的RTD曲線(xiàn)。圖5給出了在3種不同進(jìn)料流量下無(wú)因次化后的RTD曲線(xiàn)的比較。由圖5可見(jiàn)：中心桶內(nèi)RTD曲線(xiàn)呈非對(duì)稱(chēng)的鐘型分布，說(shuō)明桶內(nèi)同時(shí)存在平推流動(dòng)和混合流動(dòng)[10]。一部分示蹤劑在桶內(nèi)停留的時(shí)間小于其理論平均停留時(shí)間，并且在3倍于理論停留時(shí)間處仍有示蹤劑流出中心桶出口，這些現(xiàn)象表明中心桶內(nèi)存在“短路”現(xiàn)象和相對(duì)靜止的“死區(qū)”。

流量/(L?s?1): 1—0.20; 2—0.25; 3—0.30

結(jié)合圖5進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：RTD曲線(xiàn)的峰值隨著流量的增加而向=1處靠近，說(shuō)明桶內(nèi)死區(qū)的體積隨流量的增加而減?。划?dāng)流量較小時(shí)，由進(jìn)料管進(jìn)入桶中的流體水平慣性力較小，不足以支持流體在中心桶內(nèi)作充分的旋轉(zhuǎn)混合運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致桶體的上部分利用率不高，容易形成死區(qū)，使得中心桶內(nèi)有效容積小于實(shí)際容積；由于重力的作用，一部分物料在桶內(nèi)尚未混合完全就流出中心桶而產(chǎn)生“短路”現(xiàn)象，導(dǎo)致中心桶內(nèi)的物料分布不均。因此，在小流量下，中心桶內(nèi)流體的混合性能較差，絮凝劑和赤泥只在中心桶內(nèi)下部有限的體積內(nèi)進(jìn)行接觸、捕捉和物理吸附，而上部區(qū)域幾乎沒(méi)有發(fā)揮功效，從而降低絮凝劑捕捉赤泥顆粒的能效，影響沉降槽內(nèi)沉降分離的效果。隨著流量的增大，較大的湍動(dòng)能混合效應(yīng)能保證物料在桶內(nèi)充分地流動(dòng)以及混合，這在一定程度上增加了中心桶內(nèi)物料與絮凝劑的混合均勻性，在整個(gè)中心桶區(qū)域內(nèi)絮凝劑均能接觸和吸附捕捉赤泥顆粒，提高中心桶的利用率，有利于絮凝劑和赤泥顆粒的混合及稀釋?zhuān)浞职l(fā)揮了中心桶在沉降槽中的作用和功效，從而促進(jìn)沉降分離作業(yè)。

表1所示為不同流量下RTD參數(shù)的比較。由表1可見(jiàn)：隨著流量的增大，無(wú)因次方差也隨之增大，這表明隨著流量的增加，桶內(nèi)流動(dòng)的混合程度越高。同時(shí)，在所有工況下，實(shí)際停留時(shí)間都小于對(duì)應(yīng)工況下的理論平均停留時(shí)間，說(shuō)明中心桶內(nèi)存在相對(duì)靜止的死區(qū)。當(dāng)進(jìn)料流量為0.20 L/s時(shí)，桶內(nèi)存在較大的死區(qū)，其體積分?jǐn)?shù)為27.6%；而當(dāng)流量增大到0.30 L/s時(shí)，死區(qū)的體積分?jǐn)?shù)減少到19.9%，中心桶內(nèi)有效流動(dòng)混合區(qū)域分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加7.7%，結(jié)果進(jìn)一步表明增大進(jìn)料流量可提升中心桶內(nèi)流體混合均勻性，促進(jìn)物料與絮凝劑的混合與稀釋?zhuān)黾有跄齽?duì)球狀赤泥顆粒的覆蓋與吸附，有利于絮凝成團(tuán)過(guò)程。

表1 不同流量下RTD參數(shù)的比較

3.2 中心桶徑高比分析

圖6給出了在進(jìn)料流量為0.25 L/s的工況下，不同徑高比下的中心桶內(nèi)無(wú)因次RTD曲線(xiàn)的比較。從圖6可以看出：當(dāng)中心桶徑高比由1.00增大到1.60時(shí)，RTD曲線(xiàn)隨無(wú)因次時(shí)間的上升區(qū)間出現(xiàn)地更早，表明一部分示蹤劑顆粒更早地流出中心桶，同時(shí)RTD曲線(xiàn)的峰值隨著中心桶徑高比的增加而偏離=1，表明中心桶內(nèi)非活動(dòng)的死區(qū)的體積隨著中心桶徑高比的增加存在增大的趨勢(shì)。另一方面，當(dāng)中心桶徑高比由1.00減小到0.75時(shí)，RTD的峰值曲線(xiàn)隨著向=1處靠近，說(shuō)明桶內(nèi)死區(qū)體積隨徑高比減少而減小。

結(jié)合圖6進(jìn)一步分析，隨著中心桶半徑的增大，中心桶內(nèi)流體在水平方向的可流動(dòng)距離縱深也隨之增大。在進(jìn)料流量不變的情況下，一部分進(jìn)料流體由于流體阻力以及自身重力的作用，在中心桶內(nèi)的旋轉(zhuǎn)混合流動(dòng)尚未形成之前就已流出中心桶而進(jìn)入沉降槽，同時(shí)，由于較大的桶徑不利于流體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)向中心桶上部的延伸，導(dǎo)致上部中心桶的利用率不高，易形成相對(duì)靜止的“死區(qū)”。因此，較大的徑高比不利于桶內(nèi)物料的混合以及絮凝劑對(duì)赤泥顆粒的捕捉，影響沉降槽的生產(chǎn)效率。當(dāng)中心桶徑高比較小時(shí)，進(jìn)料流體能更充分地接觸到桶壁而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)混合流動(dòng)并有利于流動(dòng)向中心桶上部延伸發(fā)展。同時(shí)，由于環(huán)形擋板的阻擋，可以有效地減少“短路”流體流動(dòng)的產(chǎn)生。因此，較小的中心桶徑高比可以提高中心桶的利用效率，有利于物料在桶內(nèi)充分均勻地混合和稀釋?zhuān)跄齽┠茈S著物料的稀釋混合進(jìn)一步發(fā)揮吸附架橋作用，并在桶內(nèi)更均勻地分布，有利于絮凝劑對(duì)赤泥顆粒的捕捉，形成體積較大質(zhì)量更高的赤泥絮凝團(tuán)，從而促進(jìn)赤泥的沉降分離。

徑高比：1—0.75; 2—1.00; 3—1.60

表2給出了不同中心桶徑高比下RTD的參數(shù)比較。由表2可以看出：隨著中心桶徑高比的增加，示蹤劑顆粒的平均停留時(shí)間也隨之相應(yīng)增加。同時(shí)，無(wú)因次方差則隨著中心桶徑高比的增加而增加。當(dāng)中心桶徑高比為0.75時(shí)，桶內(nèi)死區(qū)的體積分?jǐn)?shù)為18.8%；而當(dāng)中心桶徑高比增加到1.60時(shí)，桶內(nèi)死區(qū)的體積分?jǐn)?shù)為34.7%。說(shuō)明減小中心桶徑高比有利于增加桶內(nèi)流體混合運(yùn)動(dòng)在桶內(nèi)的延伸，能促進(jìn)絮凝劑與物料的混合，提升沉降槽生產(chǎn)效率。

表2 不同中心桶徑高比下的RTD參數(shù)比較

4 非理想流動(dòng)模型分析

沉降槽中心桶內(nèi)存在一定程度的返混，由于停留時(shí)間分布與返混之間不一定存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，不能直接把測(cè)定的停留時(shí)間分布用于描述返混的程度，而要借助于模型的方法。表3列出了通過(guò)使用矩計(jì)算方法所得到的不同工況下ADM模型參數(shù)和TISM模型參數(shù)。由表3可見(jiàn)：所有工況下的數(shù)均小于10，介于2.49~3.57，說(shuō)明中心桶內(nèi)存在著較大軸向彌散程度的混合流動(dòng);同時(shí)，各個(gè)工況下的參數(shù)的范圍在1.79~2.57之間，說(shuō)明中心桶內(nèi)流動(dòng)近似相當(dāng)于1.8~2.6個(gè)串聯(lián)的全混反應(yīng)器。和隨著流量的增大而減小，表明中心桶內(nèi)的流動(dòng)隨著進(jìn)料流量的增大而接近全混流。和隨著徑高比的增加而增大，中心桶內(nèi)流動(dòng)越接近平推流。

表3 采用矩計(jì)算方法所得到的模型參數(shù)比較

表4所示為采用非線(xiàn)性回歸的方法得到的不同工況下ADM模型參數(shù)和TISM模型參數(shù)。由表4可見(jiàn)：ADM模型的擬合相似系數(shù)(2)高于相同工況下TISM模型的擬合相似系數(shù)，說(shuō)明ADM模型擬合的停留時(shí)間分布曲線(xiàn)較TISM模型更接近于實(shí)驗(yàn)的停留時(shí)間分布曲線(xiàn)。此外，由非線(xiàn)性回歸計(jì)算方法得到的模型參數(shù)和隨流量以及中心桶徑高比變化而變化的趨勢(shì)與矩計(jì)算方法得到的結(jié)果相一致。但其得到的在不同工況下的模型參數(shù)變化幅度較?。航橛?.55~3.35之間，介于1.92~2.33之間。

表4 采用非線(xiàn)性回歸方法所得到的模型參數(shù)比較

結(jié)合表3和表4進(jìn)一步分析，在中心桶徑高比為1.00的工況下增加進(jìn)料流量，模型參數(shù)和呈減小趨勢(shì)，在進(jìn)料流量為0.25 L/s的工況下減小中心桶的徑高比，模型參數(shù)和也呈減小趨勢(shì)。這都表明在上述工況的變化趨勢(shì)下，桶內(nèi)流體流動(dòng)的混合程度逐步加強(qiáng)，這有利于絮凝劑在中心桶內(nèi)的均勻分布以及絮凝劑對(duì)赤泥顆粒捕捉效率的提升，提高了中心桶的空間利用率，充分發(fā)揮了中心桶在沉降槽中的作用和功效。

圖7給出了進(jìn)料流量為0.25 L/s且中心桶徑高比為1.00的工況下，由實(shí)驗(yàn)得到的RTD曲線(xiàn)與分別采用矩方法和非線(xiàn)性回歸方法計(jì)算得到的ADM模型和TIMS模型的()曲線(xiàn)的對(duì)比。由圖7可以看出：選取ADM模型并采用非線(xiàn)性回歸方法擬合得到()曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的()曲線(xiàn)最為相似。由表4可以看出：其相似系數(shù)2為0.947 5，相對(duì)于TIMS模型的相似系數(shù)0.884 1有著更為接近的相似性。此外，采用矩計(jì)算方法得到的()曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，這是由于矩計(jì)算的預(yù)測(cè)偏差對(duì)于()曲線(xiàn)的“長(zhǎng)尾”情況較為敏感[11]，從而使其計(jì)算結(jié)果的截?cái)嗾`差較大。因此，在使用流動(dòng)模型研究中心桶內(nèi)物料停留時(shí)間分布時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用非線(xiàn)性回歸的計(jì)算方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得更精確的模型參數(shù)。

1—實(shí)驗(yàn)；2—ADM矩計(jì)算；3—ADM非線(xiàn)性回歸；4—TIMS矩計(jì)劃；5—TIMS非線(xiàn)性回歸

5 結(jié)論

1) 中心桶內(nèi)流場(chǎng)存在較大程度的旋轉(zhuǎn)混合流動(dòng)并存在“短路”現(xiàn)象，在中心桶上部存在相對(duì)靜止的“死區(qū)”。當(dāng)進(jìn)料流量從0.20 L/s增大到0.30 L/s時(shí)，中心桶內(nèi)死區(qū)體積最大可減小7.7%，桶內(nèi)流動(dòng)越接近全混流動(dòng)；當(dāng)中心桶徑高比從0.75增大至1.60時(shí)，桶內(nèi)死區(qū)體積增加15.9%，桶內(nèi)流動(dòng)越接近平推流動(dòng)。較小的死區(qū)體積可以提升中心桶的利用效率，促進(jìn)絮凝劑和赤泥顆粒的均勻混合，提升沉降槽的生產(chǎn)效率。

2) 較多釜串聯(lián)模型(TISM)而言，由非線(xiàn)性回歸方法計(jì)算得到的軸向混合模型(ADM)可以更準(zhǔn)確地反映沉降槽中心桶內(nèi)流體混合情況；沉降槽中心桶內(nèi)ADM模型的的范圍為2.55~3.35，中心桶內(nèi)流動(dòng)混合程度較大。

3) 利用本文的實(shí)驗(yàn)方法和RTD這一評(píng)價(jià)指標(biāo)并結(jié)合本課題組的前期工作成果，可進(jìn)一步地指導(dǎo)赤泥分離沉降槽的設(shè)計(jì)、評(píng)估以及優(yōu)化改造工作，并對(duì)沉降槽產(chǎn)能的提升和生產(chǎn)成本的控制有實(shí)際意義。

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Experimental study on fluid flow of red mud separation thickener feedwell

ZHOU Tian1, 2, LI Mao1, LIAO Sha1, ZHOU Jiemin1

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the similarity principle, a red mud separation thickener water model was established with the geometry ratio at 1:20. Finite granules trace method and residence time distribution (RTD) were chosen as the trace method and evaluation criteria respectively. Experiments were carried out to investigate the flow patterns of the thickener feedwell as well as RTD under different operating conditions. Two different non-ideal flow models were adopted to describe flow mixing extent in the feedwell in conjunction with the moments and non-linear regression calculation techniques. The results show that the moving fluid in the feedwell can be depicted as Swirling flow. Furthermore, the stagnant areas and “short circuiting” are found in the feedwell. The volume fraction of the stagnant zone decreases by 7.7% as the inlet flow rate increases from 0.20 L/s to 0.30 L/s. When the feedwell aspect ratio decreases from 1.60 to 0.75, the volume fraction of the stagnant zone decreases by 15.9%. There exists relative large magnitude mixing movement in the feedwell, and the extent of the mixing behavior increases with the increase of inlet flow rate and the decrease of feedwell aspect ratio.

thickener; feedwell; residence time distribution; non-ideal flow model

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.045

TF821

A

1672?7207(2015)07?2713?08

2014?07?05；

2014?10?14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50876116) (Project(50876116) supported by the National Natural Science Foundation of China)

李茂，博士，副教授，從事冶金熱工設(shè)備仿真與優(yōu)化研究；E-mail: limao89@163.com

(編輯 楊幼平)