基于耦合循環(huán)剪切作用的浮選調(diào)漿機(jī)制研究

張新元，粟翠華，李 振，趙承乾

(1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 洗選中心，陜西 神木719315；2.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安710054；3.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054)

在細(xì)粒礦物分選中，浮選是一種分選效果好、經(jīng)濟(jì)效益高、應(yīng)用范圍廣的分選方法。目前，選礦工作者對(duì)浮選藥劑、浮選工藝等[1-5]方面的研究比較深入，而對(duì)浮選作業(yè)的開端——調(diào)漿過程研究較少。現(xiàn)有的攪拌調(diào)漿作業(yè)機(jī)制單一，隨著入選物料粒度越來越細(xì)，調(diào)漿效果明顯不能滿足后續(xù)分選作業(yè)的要求[6-7]。文章針對(duì)現(xiàn)有調(diào)漿方法存在的弊端，從提高調(diào)漿效率與調(diào)漿質(zhì)量的角度出發(fā)，以改善浮選效果為目的，進(jìn)行了高效攪拌調(diào)漿設(shè)備的研究。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置包括：槽體為φ300 mm×450 mm、有效容積為21 L的攪拌槽及相應(yīng)的控制、檢測(cè)系統(tǒng)[8]。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

選取折葉開啟式渦輪作為軸流式攪拌葉輪；選取直葉槳式葉輪作為徑流式攪拌葉輪。為敘述方便，兩種葉輪均采用英文首字母簡(jiǎn)寫形式，即折葉開啟式渦輪(Pitched-blade opening-type turbine)簡(jiǎn)稱為PBT，直葉槳式葉輪(Direct-blade paddle-type impeller)簡(jiǎn)稱為DBT；簡(jiǎn)稱前的數(shù)字為葉片數(shù)，簡(jiǎn)稱后的字母為葉輪排出流方向，向下排出流(Down-flow)添加“D”，向上排出流(Up-flow)添加“U”；在需要表明不同葉輪直徑時(shí)，在簡(jiǎn)寫詞詞尾注明“-D”表示大直徑葉輪，詞尾注明“-d”表示小直徑葉輪；選取折葉角度θ=45°。試驗(yàn)參數(shù)及其相應(yīng)符號(hào)表示如表1，選用的攪拌葉輪型式及其特征參數(shù)見表2。

表1 試驗(yàn)參數(shù)注釋表

表2 攪拌葉輪特征參數(shù)

試驗(yàn)試劑為碘化鉀、碘單質(zhì)、亞硫酸鈉。試驗(yàn)時(shí)，在攪拌槽內(nèi)加入高度為300 mm的清水，再加入一定量2 mol/L的碘液，攪拌呈均一的棕褐色之后，迅速加入稍過量的亞硫酸鈉溶液，使槽內(nèi)溶液逐漸褪色，最后呈無色狀態(tài)。該過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

Na2SO3+ I2+ H2O → Na2SO4+ HI 。

該化學(xué)反應(yīng)速度快，以混合溶液在槽內(nèi)的褪色過程所需時(shí)間為混合時(shí)間[9]。

2 攪拌流場(chǎng)結(jié)果及分析

2.1 軸流式葉輪攪拌流場(chǎng)

圖2、圖3分別為4PBTU-D、4PBTU-d葉輪攪拌作用下的混合過程。分析可知：攪拌槽內(nèi)液體褪色過程整體上為自上而下，從中心向四周，攪拌軸部分先褪色，而后向槽壁擴(kuò)展，說明攪拌槽內(nèi)攪拌軸附近的流體先接觸褪色藥劑，再延伸至槽壁，因此槽內(nèi)流體呈現(xiàn)從中心軸向槽壁流動(dòng)的過程，槽底褪色最為緩慢，視為整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)的不良混合區(qū)。在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，攪拌軸區(qū)域產(chǎn)生明顯的漩渦，表明此區(qū)域水平面有明顯的環(huán)流運(yùn)動(dòng)，攪拌軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，4PBTU-d的軸向還有未褪色區(qū)域，故4PBTU-D的軸向循環(huán)作用更強(qiáng)。

2.2 徑流式葉輪攪拌流場(chǎng)

圖4、圖5分別為4DBT-d、4DBT-D葉輪攪拌作用下的混合過程。分析可知：攪拌槽內(nèi)褪色過程是分區(qū)域完成的，以葉輪為分割線，液體分別向上、向下開始褪色，可視為兩個(gè)分循環(huán)過程，下循環(huán)的槽底部分褪色緩慢，為不良混合區(qū)。攪拌轉(zhuǎn)速相同時(shí)，徑流式葉輪比軸流式葉輪的中心漩渦大，說明水平環(huán)流運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)；大直徑葉輪的中心漩渦使流體湍流程度增加，循環(huán)作用明顯，對(duì)混合效果影響較大。

圖2 4PBTU-D作用下的混合過程

圖3 4PBTU-d作用下的混合過程

圖4 4DBT-D作用下的混合過程

圖5 4DBT-d作用下的混合過程

2.3 軸流式流場(chǎng)與徑流式流場(chǎng)對(duì)比分析

攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)是由主流與二次流[10]共同作用形成的。軸流式流場(chǎng)與徑流式流場(chǎng)的主流類似，但是二次流差別較大。軸流式流場(chǎng)是軸向大循環(huán)，而徑流式流場(chǎng)則是分區(qū)循環(huán)，即在葉輪上部和下部分別形成兩個(gè)軸向循環(huán)區(qū)域。因此，二次流循環(huán)成為區(qū)別軸流式流場(chǎng)與徑流式流場(chǎng)的主要標(biāo)志，也是決定攪拌槽內(nèi)物理混合效果的主要因素。此外，雖然兩種流場(chǎng)的二次流循環(huán)有較大差異，但是在混合過程中存在的不良混合區(qū)卻是相似的，均是集中在葉輪正下方的槽底中心區(qū)域和靠近槽壁區(qū)域。

3 耦合循環(huán)/剪切機(jī)制的研究

3.1 新的調(diào)漿機(jī)制的提出

3.1.1 葉輪的組合方式

高效的攪拌裝置需要同時(shí)具備強(qiáng)混合力與高剪切流場(chǎng)，故根據(jù)前述不同葉輪的流場(chǎng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了復(fù)合葉輪攪拌機(jī)制，葉輪的組合方式通過葉輪的二次流方式來決定，為便于敘述，規(guī)定葉輪組合方式的描述為“下層葉輪+上層葉輪”；另外，葉輪類型以英文首字母的簡(jiǎn)稱代替，徑流式葉輪簡(jiǎn)稱為RFI，軸流式葉輪簡(jiǎn)稱為AFI。因此兩種葉輪組合方式可表示為“AFI+RFI”和“RFI+AFI”。

(1)在“AFI+RFI”組合方式下，軸流式葉輪排出流向上，通過徑流式葉輪下循環(huán)的軸吸作用承接軸流式葉輪向上的排出流，從而實(shí)現(xiàn)流型的耦合，如圖6所示。

圖6 “AFI+RFI”組合示意圖

(2)在“RFI+AFI”組合方式下，軸流式葉輪排出流向下，通過徑流式葉輪上循環(huán)的軸吸作用來承接軸流式葉輪向下的排出流，從而實(shí)現(xiàn)流型耦合，如圖7所示。

圖7 “RFI+AFI”組合示意圖

李振[11]指出，攪拌槽內(nèi)物料離底懸浮能力對(duì)物料混合影響較大，物料在攪拌槽內(nèi)的離底懸浮能力主要是由葉輪的排出流作用決定。李振[12-14]等的研究證明：“AFI+RFI”的排出合流向上，而“RFI+AFI”與之相反?！癛FI+AFI”葉輪排出液向下可以強(qiáng)化攪拌槽內(nèi)的下循環(huán)流，物料離底懸浮能力較強(qiáng)，混合效果較好。故對(duì)“RFI+AFI”型組合進(jìn)行了耦合效果的研究。

3.1.2 葉輪型式及附件配備

擋板對(duì)攪拌槽內(nèi)物料混合影響較大，在此攪拌機(jī)制中依舊添加擋板。為了減少攪拌軸中心漩渦的影響，上層葉輪選用小直徑葉輪，下層選用大直徑葉輪對(duì)上層葉輪的排出流進(jìn)行軸吸承接耦合。因此，本次研究的雙葉輪構(gòu)型設(shè)定為： “4DBT-D + 4PBTU-d” 、“4DBT-D + 6PBTU-d” 、“4DBT-D + 4DBT-d”。試驗(yàn)設(shè)定兩葉輪間的距離L為變量來考察試驗(yàn)效果，取L=T/2和L=T/3兩個(gè)值。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同間距雙葉輪組合示意圖

3.2 不同葉輪組合流場(chǎng)研究

3.2.1L=T/3時(shí)的流場(chǎng)

“4DBT-D + 4PBTU-d，L=T/3”型組合葉輪的攪拌混合效果如圖9所示，“4DBT-D +6PBTU-d，L=T/3”型組合葉輪的攪拌混合效果如圖10所示。從圖中可以看出，攪拌槽內(nèi)液體是自下而上開始褪色，攪拌槽內(nèi)的不良混合區(qū)得到改善。試驗(yàn)同時(shí)考察了不同輸入功率對(duì)混合效果的影響：隨著轉(zhuǎn)速的增加，槽內(nèi)液面的湍流在不斷加強(qiáng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min時(shí)，槽內(nèi)液體湍流劇烈，卷吸氣體激烈，伴有少量液體外濺。

為更加全面的考察葉輪直徑不同時(shí)，組合葉輪的混合效果，特加入“RFI+RFI” 葉輪的組合試驗(yàn)，與 “RFI+AFI”組合進(jìn)行對(duì)比分析。 “4DBT-D + 4DBT-d，L=T/3”作用下的混合過程如圖11所示。從圖中可知：褪色藥劑在兩葉輪之間區(qū)域褪色滯后。分析認(rèn)為：在此區(qū)域，上層葉輪的下循環(huán)路徑與下層葉輪的上循環(huán)路徑區(qū)域流場(chǎng)相互干擾，不利于流場(chǎng)耦合。整體上徑流式流場(chǎng)的分區(qū)循環(huán)不明顯，在靠近液面的槽壁周圍存在不良混合區(qū)。隨著攪拌軸轉(zhuǎn)速的增加，相同操作條件下，其槽內(nèi)湍流程度和卷吸氣體的現(xiàn)象也比“RFI+AFI”較嚴(yán)重，在轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min時(shí)，湍動(dòng)異常激烈，槽內(nèi)氣泡量大增，有大量液體外濺。

圖9 ”4DBT-D+4PBTU-d，L=T/3”作用下混合過程

圖10 “4DBT-D+6PBTU-d，L=T/3”作用下混合過程

圖11 “4DBT-D + 4DBT-d，L=T/3”作用下混合過程示意圖

3.2.2L=T/2 時(shí)的流場(chǎng)

“4DBT-D + 4PBTU-d，L=T/2” 和“4DBT-D + 6PBTU-d，L=T/2” 作用下的混合過程分別如圖12、圖13所示。從圖中可知：隨著葉輪間距的增大，葉輪間褪色區(qū)域擴(kuò)大，靠近液面區(qū)域的褪色稍顯滯后。分析認(rèn)為：葉輪間距擴(kuò)大導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)軸流式葉輪的卷吸能力不夠，導(dǎo)致該區(qū)域成為混合過程中的不良混合區(qū)。在攪拌軸轉(zhuǎn)速增加的過程中，槽內(nèi)流體湍流程度在不斷增加，因上層葉輪距液面的距離縮短，故在轉(zhuǎn)速較大時(shí)，流體濺出現(xiàn)象較之前嚴(yán)重；當(dāng)葉片數(shù)為6時(shí)，相同轉(zhuǎn)速下，液面呈暴沸狀態(tài)，流體外濺現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

圖12 “4DBT-D + 4PBTU-d，L=T/2”作用下混合過程

圖13 “4DBT-D + 6PBTU-d，L=T/2”作用下混合過程

“4DBT-D + 4DBT-d，L=T/2”型葉輪組合作用下的混合過程如圖14所示。由于兩攪拌葉輪之間距離增大，兩葉輪之間區(qū)域的流體干擾有所減弱，可以觀察到徑流式葉輪的二次流特征，存在分區(qū)循環(huán)，整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)下層葉輪較上層葉輪先褪色。褪色滯后區(qū)主要集中在液面中心處，表明上層葉輪的上循環(huán)效果不好。在改變攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)此葉輪組合不適合在高轉(zhuǎn)速下工作，因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下槽內(nèi)液體充氣量巨大，湍流狀態(tài)激烈。

3.3 不同葉輪組合的功耗及混合時(shí)間研究

不同葉輪組合的功耗可由不同轉(zhuǎn)速條件下單位體積的功率輸入(PV)來表征：

PV=P/V，

式中：P為槽內(nèi)流體的輸入功率，W；V為槽體有效容積，m3。

PV值越大表示功耗越大，另外混合效率可以用混合時(shí)間θm定量的表示。圖15—圖18是不同雙葉輪組合作用下對(duì)應(yīng)的PV-N-θm關(guān)系圖。

圖14 “4DBT-D + 4DBT-d，L=T/2”作用下混合過程示意圖

圖15 4DBT-D + 4PBTU-d 雙葉輪構(gòu)型PV-N-θm關(guān)系圖

圖16 4DBT-D + 6PBTU-d 雙葉輪構(gòu)型PV-N-θm關(guān)系圖

圖17 4DBT-D + 4DBT-d 雙葉輪構(gòu)型PV-N-θm關(guān)系圖

圖18 “L=T/3”不同雙葉輪機(jī)構(gòu)PV-N-θm關(guān)系圖

綜合分析圖15～圖18可知：

(1)葉輪間距對(duì)不同葉輪組合形式的功耗以及混合時(shí)間的影響不同：①三種葉輪組合中“4DBT-D + 6PBTU-d”型葉輪的葉輪間距對(duì)功耗影響較大，相同攪拌轉(zhuǎn)速下，葉輪間距越大，功耗越大，其他兩種類型葉輪間距對(duì)功耗影響不大；②三種葉輪組合中，“4DBT-D + 4PBTU-d ”型與“4DBT-D + 6PBTU-d”型葉輪組合混合時(shí)間類似，在某一攪拌轉(zhuǎn)速之前，葉輪間距大的混合時(shí)間小，大于該轉(zhuǎn)速后葉輪間距大的混合時(shí)間長(zhǎng)，“4DBT-D + 4DBT-d” 型在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉輪間距小的混合時(shí)間短，該范圍外葉輪間距對(duì)混合時(shí)間影響不大。

(2)相同葉輪間距時(shí)，各葉輪組合的功耗與混合時(shí)間作用規(guī)律不同：相同攪拌轉(zhuǎn)速下“4DBT-D + 6PBTU-d”型功耗最大，混合時(shí)間最短；“4DBT-D + 4DBT-d”功耗最小，混合時(shí)間最長(zhǎng)；“4DBT-D + 4PBTU-d”型處于二者中間。

3.4 不同葉輪組合的剪切能力研究

葉輪的剪切性能是衡量其混合能力優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。本試驗(yàn)中，采用無量綱數(shù)Cs來表示攪拌槽內(nèi)流體所受到的剪切量[15]，Cs的物理意義為葉輪攪拌旋轉(zhuǎn)一周槽內(nèi)的流體所受到的剪切量。因此，可以用其比較相同操作條件下不同葉輪對(duì)流體的剪切能力。其計(jì)算公式為：

式中：N為轉(zhuǎn)速，r/min；PV為單位體積的功率輸入，W/m3；μ為動(dòng)力粘度，Pa·s。

表2為不同葉輪組合與Cs的關(guān)系表，分析可知：

(1)隨著葉輪間距的增大剪切性能增強(qiáng)，但提升幅度很小，其中 “4DBT-D+4PBTU-d”型葉輪組合Cs值增加幅度最大，為2 %。

(2)葉輪間距相同時(shí)，雙徑流式葉輪的Cs值最大，說明其剪切性能最好，而軸流式葉輪與徑流式葉輪組合的Cs值相對(duì)較小，表明軸流式葉輪并非以剪切作用為主，其對(duì)雙葉輪組合的剪切性能影響較小。

表2 相同操作條件下不同雙葉輪組合作用下的Cs值

3.5 不同葉輪組合的混合效率分析

在實(shí)際調(diào)漿攪拌過程中，不同葉輪組合條件下，達(dá)到相同混合水平所需要的攪拌功率是不同的，將混合時(shí)間與功率結(jié)合起來表示攪拌的混合效率是一種很有說服力的參數(shù)。

本試驗(yàn)中，采用混合效率數(shù)Ce來比較混合效率的高低[16]。Ce表示流體在一定的流體粘度和功耗下, 攪拌器所需的混合時(shí)間,Ce越小, 混合效率越高。其定義為：

式中：PV為單位體積的功率輸入，W/m3；θm為混合時(shí)間，s;μ為動(dòng)力粘度，Pa·s。

相同操作條件下，不同葉輪組合與混合效率數(shù)Ce的關(guān)系見表3。

由表3分析可知：

(1)葉輪間距增大時(shí)，各種葉輪組合的Ce均增大。

(2)葉輪間距相同時(shí)，“4DBT-D+4PBTU-d”型葉輪組合的混合效率數(shù)最小，混合效率最高。另兩種組合的混合效率數(shù)接近，均大于該組合。結(jié)合前面的功耗、混合時(shí)間以及剪切性能的分析，選定“4DBT-D+4PBTU-d，L=T/3”為新型調(diào)漿攪拌機(jī)制。

表3 相同操作條件下不同雙葉輪組合作用下的Ce值

4 結(jié)論

(1)軸流式與徑流式葉輪的流場(chǎng)存在相似的不良混合區(qū)以及主流循環(huán)，不同之處在于軸流式的二次循環(huán)是一個(gè)軸向大循環(huán)，而徑流式為軸向分區(qū)雙循環(huán)。

(2)取“4DBT-D+4PBTU-d，L=T/3”作為雙葉輪構(gòu)型的最佳組和，形成以不同直徑葉輪多級(jí)組合為特征的高效攪拌機(jī)制，該組合具有混合效率高、剪切力強(qiáng)的特點(diǎn)，可為后續(xù)其他高效調(diào)漿裝置的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。