礦漿攪拌液固兩相流固體顆粒運動影響因素研究

呂曉仁，鄭 聃，姜 磊，王世杰

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870;2.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141)

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礦漿攪拌液固兩相流固體顆粒運動影響因素研究

呂曉仁1，鄭 聃1，姜 磊2，王世杰1

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870;2.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141)

在礦漿攪拌過程中，臨界離浮轉速與葉輪離底間隙、粒徑、砂粒密度、槳徑、葉片傾角、礦漿固相濃度等諸多因素有關。本文選擇了其中的葉輪離底間隙、葉片傾角、槳徑、固相質量分數等為參數，分析這些參數對臨界懸浮轉速的影響，擬合臨界懸浮轉速與各個參數間的函數關系，為固-液攪拌設備的設計、性能優化提供依據。試驗結果表明，較低的葉輪離底間隙、較大的葉片傾角、較低的固相質量分數和較大的槳徑有利于固相的懸浮，對應的臨界懸浮轉速Njs較小。通過Matlab擬合得到了臨界懸浮轉速與各個參數之間的對應關系，關系式為Njs=211·D-1.400·C0.208·X0.278·θ-0.426。該試驗結果對礦漿攪拌槽的工業應用具有實際的指導意義。

礦漿攪拌；臨界懸浮轉速；固-液懸浮；影響因素

0 前言

固-液懸浮是過程工業中一種典型的單元操作，在礦漿攪拌以及選礦工藝中應用廣泛。固相顆粒的懸浮能增大顆粒與液相的接觸面積，使化學反應能夠順利進行并提高攪拌設備的生產能力，目前工業上主要借助攪拌槽使液固兩相流強烈湍動形成懸浮液。

固相達到完全離底懸浮狀態時的最低攪拌速度稱作臨界懸浮轉速Njs。Njs值一般是在試驗過程中借助數碼相機等可視化設備估算而來，再由此放大到工業礦漿攪拌中。由于Njs值關系到固-液懸浮特性、攪拌槽的設計及性能優化等方面，因此學者們進行了深入的研究，現階段的研究主要集中在顆粒的臨界懸浮轉速的大小、顆粒濃度分布及懸浮高度等方面，分析攪拌槽的結構參數、操作條件以及顆粒直徑、密度、形狀等因素的影響[1]。White[2]等研究了無擋板攪拌槽內的固-液懸浮，采用取樣法分析了石英砂-水兩相體系的懸浮過程，討論了顆粒直徑、固含量、攪拌轉速和攪拌槳葉安裝高度對固相濃度分布的影響，認為較低的固態含量和葉輪高度、較高轉速有利于固相濃度的軸向分布。Brucato[3]等對Rushton槳攪拌槽內的固-液懸浮進行了試驗研究，分析了固相濃度、顆粒直徑和密度對臨界懸浮轉速和功率消耗的影響，發現臨界轉速與顆粒直徑無關。Sharma[4]等人研究了不同槳葉高度條件下的臨界離底懸浮轉速，分析了槳葉安裝高度對臨界懸浮轉速的影響，結果表明臨界懸浮轉速隨槳葉安裝高度的降低而減小。通過分析可以看出，上述研究都是針對單個因素分別進行研究，并沒有在多因素作用下進行研究，同時也沒有考慮葉片傾角和槳徑對臨界懸浮轉速的影響。

為此，本文從雙因素作用的角度，考察葉輪離底間隙、葉輪葉片傾角、槳徑以及固相濃度配比(質量分數)對臨界離底懸浮轉速的影響，分析影響因素與臨界懸浮轉速的關系，擬合臨界懸浮轉速與各個參數間的函數關系，為工業上固-液攪拌設備的設計、性能優化提供依據。

1 礦漿攪拌實驗研究

1.1 實驗條件

攪拌槽試驗裝置示意圖如圖1所示，試驗機選用小型攪拌機，攪拌機主要由槽體、電機傳動部件、攪拌軸部件等組成。所用攪拌槽為平底圓柱形有機玻璃槽，內徑T=0.2 m，槽體高度為0.4 m，槽內無擋板。固-液兩相體系的液相為去離子水，密度ρl=1 000 kg·m-3，動力黏度μ=0.001 Pa·s，固相主要為二氧化硅顆粒，粒徑850 μm，密度為2 830 kg/m3，液位高度H=T。攪拌槽的實物圖如圖2所示。

圖1 試驗裝置示意圖

圖2 試驗裝置實物圖

為了更好地研究臨界懸浮轉速Njs與各因素之間的關系，選取的參數有：葉輪離底間隙 30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm；槳徑 80 mm、100 mm、120 mm、140 mm；葉片傾角 15°、30°、45°、60°、75°、90°；砂粒濃度(質量分數)10%、15%、20%、25%、30%。

1.2 試驗基本過程

試驗時確定好攪拌葉輪的安裝位置后，依次向攪拌槽內加入石英砂顆粒和水至指定高度處，待顆粒完全靜置在槽底部后打開攪拌器進行攪拌。按動攪拌機的葉輪轉速調節按鈕，觀察攪拌機上轉速顯示屏，逐漸增大葉輪的攪拌速度，同時觀察固相顆粒在攪拌槽底的懸浮情況，若停留時間不超過1～2 s，即可認為固相顆粒已達到完全離底懸浮狀態，此時對應的攪拌轉速即為臨界懸浮轉速[5]。

2 試驗結果與分析過程

2.1 不同槳徑下葉輪離底間隙對臨界懸浮轉速的影響

固定葉輪葉片傾角θ為45°，固相質量分數X為15%時，考察槳徑、葉輪離底間隙對臨界懸浮轉速的影響，結果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著離底間隙C的增大，Njs先降低后再上升，當離底間隙C為50 mm時獲得最小的臨界離底懸浮轉速。過高或過低的葉輪離底間隙都會使葉輪附近產生圓柱狀回轉區，回轉區的混合性能差，因此不利于液固兩相流的混合，這與來永斌等在固液懸浮特性試驗論文中的研究結果一致[6-8]。

葉輪排出流軸向速度分布與環形射流速度分布相似，當離底間隙C小于50 mm時，葉輪排出流的的行程過短，其流型不能展開，葉輪以下攪拌槽中心區域流動較弱，造成槽底顆粒的堆積量增加，需要更大的能量使槽底的顆粒懸浮[9]。當離底間隙C大于50 mm時，葉輪排出流與攪拌槽底部之間的相互作用比較弱，不利于能量由流體向顆粒的傳遞，停滯在葉輪下方槽底處的固相顆粒很難被流體帶到槽體邊緣處并沿著槽壁上升，因此需要提高葉輪轉速提供較大的動能才能使固相顆粒懸浮。

圖3 不同槳徑下葉輪離底間隙對臨界懸浮轉速的影響

2.2 不同葉輪離底間隙下葉片傾角對懸浮特性的影響

在槳徑D為120 mm，固相質量分數為15%時，考察葉輪離底間隙和葉片傾角對懸浮特性的影響。圖4給出了不同葉輪離底間隙C與葉片傾角θ對臨界懸浮轉速Njs的影響。由圖可知，在不同C下Njs隨θ角的變化趨勢都是一樣的，都表現出Njs隨θ的增大而減小。這是因為葉片傾角越大，葉片排出流增大，葉片帶動液固兩相流的動能增大，有利于固相的懸浮。

在圖4中葉輪離底間隙對臨界懸浮轉速的影響也體現出與圖3相似的結果，表明在不同葉片傾角、槳徑下葉輪離底間隙都存在一個最佳值。

圖4 不同離底間隙下葉片傾角對臨界懸浮轉速的影響

2.3 不同葉片傾角下固相質量分數對臨界懸浮轉速的影響

固定葉輪離底間隙C為50 mm，槳徑為120 mm不變時，考慮葉片傾角θ、固相質量分數X對臨界懸浮轉速Njs的影響，圖5給出了臨界懸浮轉速Njs與葉片傾角θ、固相質量分數X之間的關系曲線。對于不同葉片傾角的葉輪，臨界懸浮轉速Njs隨著固相質量分數X的增大而變大。固相質量分數增大，攪拌槽底的固相顆粒增多，要克服更大的重力使固相顆粒懸浮，必然需要增加葉輪的轉速，固相達到完全離底懸浮時的臨界懸浮轉速則更大。從圖5還可以看出，隨著傾角的增大，臨界懸浮轉速減小，其原因在于傾角的增大，使得攪拌能增大，從而使得臨界懸浮轉速降低。

圖5 不同葉片傾角下固相質量分數對臨界懸浮轉速的影響

2.4 不同質量分數下槳徑對臨界懸浮轉速的影響

固定葉輪離底間隙C為50 mm，葉片傾角為45°時，研究不同質量分數X、槳徑D對臨界離底懸浮轉速Njs的影響，其結果如圖6所示。在不同固相質量分數下，隨著槳徑D的增大，臨界離底懸浮轉速Njs降低。槳徑D越大，葉片與液固兩相流接觸面積增大，固相顆粒能獲得較大的能量，對應達到完全離底懸浮時的臨界轉速較小。隨著固相質量分數的增加，所需的攪拌能必然增大，因此高濃度的礦漿所需的臨界懸浮轉速也越高。

圖6 不同固相質量分數下槳徑對臨界懸浮轉速的影響

3 試驗數據結果分析

在上述試驗數據的基礎上，利用Matlab軟件進行處理，然后進行多元回歸分析，參考Zwietering等人的經驗公式[10-13]，得出臨界懸浮轉速Njs與槳徑、葉輪離底間隙、固相質量分數和葉片傾角之間的關系式：

Njs=211·D-1.400·C0.208·X0.278·θ-0.426

(1)

其中，Njs為臨界懸浮轉速，r·min-1；D為槳徑，mm；C為葉輪離底間隙，mm；X為固相質量分數；θ為葉輪傾角。

4 試驗驗證

根據以往學者們的研究經驗，由于流場的復雜性，當離底間隙過低時，曲線擬合時不予考慮，因此各參數選用4因素3水平[11-13]。為此本文設計了4因素3水平的L9(34)正交實驗表，試驗結果如表1所示。從表1的誤差值可以看出，誤差值在8%以內，擬合結果與試驗結果吻合較好，證實了臨界懸浮轉速公式的正確性。

表1 臨界懸浮轉速Njs的實測值與理論值

注：誤差=∣(Njs理論值-Njs實測值)/Njs理論值∣×100%

5 結論

(1)較低的葉輪離底間隙、較大的葉片傾角、較低的固相質量分數和較大的槳徑有利于固相的懸浮，對應的臨界懸浮轉速Njs較小。

(2)通過Matlab擬合得到了臨界懸浮轉速與槳徑、葉輪離底間隙、固相質量分數和葉片傾角之間的關系式，關系式為Njs=211·D-1.400·C0.208·X0.278·θ-0.426，通過正交試驗驗證了公式的正確性。

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專利介紹

一種轉爐煤氣干法降溫凈化回收系統中的氮氣稀釋防爆系統(CN103276139A)

本發明的目的是提供一種轉爐煤氣干法降溫凈化回收系統中的氮氣稀釋防爆系統，以對進入靜電除塵器內的煙氣成分進行檢測和控制，防止爆炸的發生。

本發明提供的轉爐煤氣干法降溫凈化回收系統中的氮氣稀釋防爆系統，主要由氮氣罐、設置在氮氣管路上的氣動快速閥門、安裝在靜電除塵器的進煙管道上的氣體分析儀及根據該氣體分析儀的采集信號控制氣動快速閥門開啟或關閉的控制器構成。該氮氣稀釋防爆系統可安裝在煙氣進入靜電除塵器前的管道上，可以適時檢測煙氣成分，當煙氣處于爆炸極限范圍內時瞬間向煙道內噴入氮氣進行稀釋，從而減少或避免電除塵器內發生爆炸。

本發明提供的氮氣稀釋防爆系統可安裝在煙氣進入靜電除塵器前的管道上，可以適時檢測煙氣成分，當煙氣處于爆炸極限范圍內時瞬間向煙道內噴入氮氣進行稀釋，從而減少或避免電除塵器內發生爆炸。

Research on solid particle movement influencing factors ofliquid-solid two-phase flow in pulp mixing

LV Xiao-ren1,ZHENG Dan1,JIANG Lei2,WANG Shi-jie1

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology,Shenyang 110870, China;2.Northern Heavy Industries Group Co., Ltd ., Shenyang, 110141, China)

In the pulp mixing process, the suspension speed is mainly related to impeller off-bottom clearance, pitch diameter, particle density, impeller diameter, blade angle, slurry solid concentration and other factors. In this paper, the impeller off-bottom clearance, blade angle, pitch diameter and particle mass fraction were selected as the main monitored parameters, the influence of these parameters on critical suspension speed was analyzed, and the function formula between the critical suspended speed and each parameter was fitted. This would provide the basis for the property optimization and design of solid-liquid mixing equipment. Results showed that the lower impeller clearance, larger blade angle, lower particle mass fraction and larger pitch diameter were beneficial to the suspension of the solid phase, and get smaller complete off-bottom critical suspension speedNjs. The formula could be listed as followNjs=211·D-1.400·C0.208·X0.278·θ-0.426. The test results can be significant to industrial application of large slurry mixing tank.

pulp mixing; critical suspended speed; solid-liquid suspension; influence factors

2016-12-23；

2017-03-01

國家自然科學基金(50875178)

呂曉仁(1979-)，男，沈陽工業大學機械工程學院副教授，主要研究方向為大型礦漿攪拌槽的設計與研究。

TQ027.3

A

1001-196X(2017)04-0034-05