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异形水力旋流器的松散机理与分级特性
2011-07-25
对异形水力旋流器分级特性进行了理论分析和实验研究。异形水力旋流器分级效果与工艺 参数的关系总体趋势上与常规水力旋流器相同, 但在量值上存在一定差异。由于颗粒在异形水力旋流 器内的回转曲率半径沿轨迹发生变化, 造成了颗粒沿旋流器径向振荡, 有利于细粒析出, 在预分级段 利用异形旋流器的物料松散功能, 可获得良好的分级效果。
第 Vol. 9 No. 3 9 卷 第 3 期 中 国 有 色 金 属 学 报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals   1999 年 9 月   Sep. 1999 文 章 编 号 : 1004 - 0609 (1999) 03 - 0596 - 05 ① 异 形 水 力 旋 流 器 的 松 散 机 理 与 分 级 特 性 1 ,2 1 1 1 2 韦 鲁 滨 赵 海 杨 小 生 黄 彦 华 赵 跃 民 ( 1. 中 南 工 业 大 学 矿 物 工 程 系 , 长 沙 410083 ; 2. 中 国 矿 业 大 学 能 源 利 用 和 化 学 工 程 系 , 徐 州 221008) 摘 要 : 对 异 形 水 力 旋 流 器 分 级 特 性 进 行 了 理 论 分 析 和 实 验 研 究 。 异 形 水 力 旋 流 器 分 级 效 果 与 工 艺 参 数 的 关 系 总 体 趋 势 上 与 常 规 水 力 旋 流 器 相 同 , 但 在 量 值 上 存 在 一 定 差 异 。 由 于 颗 粒 在 异 形 水 力 旋 流 器 内 的 回 转 曲 率 半 径 沿 轨 迹 发 生 变 化 , 造 成 了 颗 粒 沿 旋 流 器 径 向 振 荡 , 有 利 于 细 粒 析 出 , 在 预 分 级 段 利 用 异 形 旋 流 器 的 物 料 松 散 功 能 , 可 获 得 良 好 的 分 级 效 果 。 关 键 词 : 水 力 旋 流 器 ; 颗 粒 分 级 ; 物 料 分 离 机 理 中 图 分 类 号 : TD 454 文 献 标 识 码 : A   水 力 旋 流 器 由 于 结 构 简 单 、 便 于 制 作 安 旋 流 器 相 似 ,其 上 部 的 柱 体 、 下 部 的 锥 体 以 及 沉 砂 口 、 溢 流 口 、 给 料 口 的 设 置 也 与 常 规 水 力 旋 流 器 无 异 。 所 谓 异 形 水 力 旋 流 器 是 指 旋 流 器 的 横 截 面 形 状 不 是 常 规 的 圆 形 , 其 上 部 柱 段 的 典 型 截 面 形 状 如 图 1 所 示 , 外 轮 廓 由 两 个 半 径 不 等 的 圆 及 两 圆 公 切 线 构 成 。 装 、 易 于 操 作 等 特 点 , 被 广 泛 用 于 金 属 和 非 金 属 矿 山 及 石 油 、 化 工 等 工 业 部 门 的 物 料 分 级 和 选 别 。 当 前 , 水 力 旋 流 器 的 一 个 主 要 研 究 方 向 是 从 流 体 的 宏 观 和 微 观 结 构 来 定 量 描 述 各 相 的 相 互 作 用 和 运 动 规 律 , 考 察 各 类 参 数 对 分 级 效 果 的 影 响 , 为 水 力 旋 流 器 的 应 用 和 改 进 提 供 理 [ 1~ 3 ] 论 依 据 。 常 规 水 力 旋 流 器 难 以 获 得 精 确 分 级 的 主 要 原 因 在 于 短 路 流 引 起 的 粗 粒 夹 带 和 底 流 引 起 的 [ 4 ] 细 粒 夹 带 少 改 进 措 施 。 关 于 粗 粒 夹 带 , 研 究 者 提 出 了 不 [ 5~ 7 ] ; 对 于 细 粒 夹 带 , 一 般 被 认 为 是 水 力 旋 流 器 的 固 有 缺 陷 而 研 究 不 多 。 本 文 作 者 设 计 了 一 种 新 颖 的 异 形 水 力 旋 流 器 (也 称 变 [ 8 ] 径 旋 流 器 ) , 取 得 了 良 好 的 分 级 效 果 , 并 针 图 1 异 型 旋 流 器 横 截 面 Fig. 1 Cross section of abnormal hydrocyclone 对 异 形 旋 流 器 的 分 级 特 性 进 行 理 论 分 析 和 实 验 研 究 , 以 求 拓 宽 该 设 备 的 适 用 范 围 和 提 供 进 一 步 的 改 进 措 施 。 异 形 旋 流 器 实 验 系 统 如 图 2 所 示 , 所 采 用 的 异 形 旋 流 器 上 部 柱 段 的 截 面 积 等 于 规 格 为 7 5 mm 的 常 规 旋 流 器 相 应 的 截 面 面 积 。 1 实 验 装 置 及 实 验 方 法 分 级 物 料 为 纯 石 英 矿 粉 , 密 度 为 2. 65 总 3 3 1 0 kg/ m , 粒 度 组 成 如 表 1。 异 形 水 力 旋 流 器 在 总 体 结 构 上 与 常 规 水 力 由 于 异 形 旋 流 器 是 一 种 新 型 设 备 ,缺 乏 相 ① 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 59774009 , 煤 炭 科 学 基 金 资 助 项 目 96 - 10103 和 江 苏 省 青 年 科 技 基 金 资 助 项 目 BQ96001 收 稿 日 期 : 1998 - 08 - 30 ; 修 回 日 期 : 1998 - 10 - 30 韦 鲁 滨 (1962 - ) , 男 , 副 教 授 , 博 士 后 第 9 卷 第 3 期 韦 鲁 滨 等 : 异 形 水 力 旋 流 器 的 松 散 机 理 与 分 级 特 性 分 597 分 旋 流 器 有 所 不 同 , 现 有 的 旋 流 器 分 配 曲 线 校 正 公 式 则 不 一 定 适 合 于 异 形 旋 流 器 的 分 配 曲 线 分 布 , 因 此 没 有 对 分 配 曲 线 进 行 校 正 。 本 文 中 的 分 级 可 能 偏 差 值 及 分 配 粒 度 d50均 由 原 始 数 据 绘 制 的 分 配 曲 线 求 得 。 2 异 形 旋 流 器 的 松 散 机 理 根 据 水 的 不 可 压 缩 性 及 矿 浆 进 入 旋 流 器 后 将 沿 器 壁 做 旋 回 运 动 , 并 为 便 于 讨 论 , 在 同 一 平 面 轨 道 上 , 做 以 下 假 设 : 图 2 实 验 装 置 图 ( 1) 流 体 和 粒 子 沿 回 旋 轨 道 的 切 向 速 度 大 Fig. 2 Test equiment 小 不 变 , 只 是 方 向 改 变 , 其 值 为 Ufα , α 表 示 切 1 — Hydrocyclone ; 2 — Container ; 向 。 3 — Pump ; 4 — Valve ; 5 — Pressure gauge ( 2) 流 体 沿 回 旋 轨 道 法 线 方 向 的 速 度 只 是 应 资 料 , 为 对 其 有 较 全 面 的 认 识 , 对 表 2 中 所 方 向 改 变 , 速 率 大 小 不 变 , 其 值 为 Uf n , n 表 示 法 向 。 列 的 因 素 和 水 平 进 行 了 完 全 正 交 试 验 。 按 图 1 所 示 异 形 旋 流 器 的 横 截 面 形 状 , 根 表 1 分 级 物 料 的 粒 度 组 成 2 3/ 2 据 曲 率 半 径 公 式 ρ = (1 + y′ ) | y″| , 得 到 沿 轨 道 各 点 曲 率 半 径 : Table 1 Particle size of classfied material Size/μ m Content/ % 12. 2 R1 , - a - R1 < x < - a + R1 ( R1 - R2) / (2 a) ; > 75 3 7~ 75 53. 2 21. 9 5. 6 7. 1 + ∞ , - a + R1 ( R1 - R2) / 2 a) ≤ x ≤ a + R2 ( R1 - R2) / (2 a) ; > 19~ 37 10~ 19 ρ = ( > < 10 R2 , a + R2 ( R1 - R2) / (2 a) < x < a + R2 表 2 完 全 正 交 试 验 因 素 水 平 表 ( 1) Table 2 Level of test factors(mm) 式 中 a 为 图 1 中 两 圆 心 O1 , O2 间 的 距 离 。 Diameter of votex finder Depth of votex finder Diameter of apex finder 颗 粒 沿 轨 道 的 运 动 方 程 为 : Level 1 6 分 d3 d Usn (2) d t Fb + Fd - Fc = π 分ρ s 1 2 3 25 21 17 70 60 50 10 8 式 中 Fb 为 有 效 浮 力 、 由 流 体 压 力 分 布 引 起 , Fd 为 流 体 曳 力 , Fc 为 离 心 力 , Usn为 颗 粒 的 法 6 向 加 速 度 (向 内 为 正 ) ; ρ 为 颗 粒 密 度 。 2 s 实 验 时 , 将 石 英 粉 按 一 定 比 例 配 水 后 倒 入 接 料 斗 中 , 启 动 砂 泵 , 待 物 料 充 分 混 匀 且 压 力 稳 定 后 开 始 采 样 。 采 得 的 底 流 和 溢 流 分 别 用 淘 析 法 进 行 粒 度 分 析 , 并 将 分 析 结 果 绘 制 成 分 配 曲 线 。 由 于 异 形 水 力 旋 流 器 的 分 级 特 性 与 常 规 其 中 , Fd = π 8 分 C分 d U rn , 这 里 , C 为 曳 2 ρ 力 系 数 ; U rn为 颗 粒 与 水 流 沿 轨 道 法 线 方 向 相 2 π U fα ρ 3 对 速 度 , U rn = Usn - Uf n ; Fc = 6 分ρ s 分 d ; 分 598 分 中 国 有 色 金 属 学 报 1999 年 9 月 2 π6 分ρ U fα ρ , 故 式 (2) 可 变 为 3 f 分 d Fb = 2 d Usn = 3 C U fα ρ 2 ρ s U rn 分ρ f (ρ s - ρ f ) (3) d t 4 d 当 颗 粒 法 向 加 速 度 为 0 时 , 即 d Usn/ d t = 0 , 得 4 d C ρ s - ρ f f U α 分 U2 , ρ 0 = 3 分 (4) ρ f rtn 这 里 U rtn为 颗 粒 的 径 向 终 端 速 度 。 将 式 (3) 与 式 (4) 合 并 , 整 理 得 图 3 底 流 口 直 径 与 分 级 粒 度 的 关 系 Fig. 3 Relation between apex finder and cut size d50 ρ s 分ρ 0 2 分 d U = 1 - ρ 0 ρ sn ( ρ s - ρ f ) Ufα d t 由 式 (4) 知 ρ 曲 率 半 径 , 且 是 颗 粒 在 法 向 受 力 平 衡 时 的 轨 道 0 ■ — dv (Diameter of vortex finder) = 21 mm ; H(Depth of vortex finder) = 70 mm ; R2 < ρ 0 < + ∞ ◆ ▲ — dv = 25 mm ; H = 50 mm ; — dv = 21 mm ; H = 50 mm ;   当 ρ >ρ 0 时 , d Usn/ d t > 0 , 即 颗 粒 法 向 加 速 度 为 正 , 颗 粒 有 进 入 内 层 轨 道 的 趋 势 。 当 ρ <ρ 时 , d Usn/ d t < 0 , 即 颗 粒 法 向 加 Ε — dv = 17 mm ; H = 70 mm 0 速 度 为 负 , 颗 粒 有 进 入 外 层 轨 道 的 趋 势 。 上 述 分 析 表 明 ,在 异 型 旋 流 器 内 , 颗 粒 的 回 转 半 径 在 粒 子 环 绕 一 周 时 ,总 是 在 R2~ + ∞ 中 变 化 。 因 此 对 同 一 颗 粒 , 在 沿 流 线 运 动 时 , 时 而 有 向 内 的 加 速 度 , 时 而 有 向 外 的 加 速 度 , 从 而 整 个 粒 群 在 这 种 振 荡 运 动 中 得 到 了 松 散 。 3 实 验 结 果 及 讨 论 图 4 底 流 口 直 径 与 底 流 浓 度 的 关 系 通 过 方 差 分 析 发 现 底 流 口 直 径 对 分 级 粒 度 Fig. 4 Relation between diameter of apex d50的 影 响 最 大 。 图 3 为 分 级 粒 度 d50与 底 流 口 直 径 的 关 系 曲 线 。 由 图 3 可 见 , 随 着 底 流 口 直 径 的 增 大 , 分 级 粒 度 减 小 , 这 与 我 们 通 常 对 旋 finder and mass concentration of underflow ■ — dv = 17 mm ; H = 70 mm ; ◆ — dv = 25 mm ; H = 60 mm ; [ 9 ] ▲ — dv = 21 mm ; H = 60 mm 流 器 的 认 识 d50也 有 一 定 的 影 响 。 实 验 表 明 : 其 它 条 件 不 变 时 , 分 级 粒 度 d50随 着 角 锥 比 的 增 大 而 增 相 符 合 。 此 外 , 角 锥 比 对 分 级 粒 度 定 程 度 时 减 小 。 溢 流 管 的 插 入 深 度 同 样 对 底 流 浓 度 有 较 大 影 响 , 图 6 为 溢 流 管 插 入 深 度 与 底 流 浓 度 的 关 系 曲 线 。 由 图 6 可 知 , 随 着 溢 流 管 插 入 深 度 的 增 大 , 底 流 浓 度 开 始 时 增 大 , 然 后 又 减 小 。 结 合 分 级 粒 度 和 底 流 质 量 浓 度 的 讨 论 可 知 , 底 流 口 直 径 对 分 级 粒 度 和 底 流 质 量 浓 度 都 具 有 较 大 影 响 。 在 规 定 的 分 级 粒 度 下 , 底 流 口 直 径 变 化 受 到 限 制 , 要 想 获 得 较 高 的 底 流 质 量 [ 9 ] 大 , 这 也 与 常 规 旋 流 器 的 结 论 相 同 。 底 流 口 直 径 和 溢 流 管 直 径 对 底 流 浓 度 都 有 较 大 影 响 。 图 4 所 示 的 是 底 流 口 直 径 与 底 流 浓 度 的 关 系 。 由 图 4 看 出 , 随 着 底 流 口 直 径 的 增 大 , 底 流 浓 度 减 小 。 图 5 所 示 的 是 溢 流 管 直 径 与 底 流 浓 度 的 关 系 。 由 图 5 可 知 , 随 着 溢 流 管 直 径 的 增 大 , 底 流 浓 度 开 始 时 增 大 , 增 大 到 一 第 9 卷 第 3 期 韦 鲁 滨 等 : 异 形 水 力 旋 流 器 的 松 散 机 理 与 分 级 特 性 分 599 分 分 级 的 主 要 原 因 是 粒 子 受 到 的 离 心 力 和 流 体 曳 力 。 离 心 力 的 作 用 使 得 比 水 重 的 固 体 粒 子 有 向 旋 流 器 边 壁 运 动 的 趋 势 , 旋 流 器 向 心 的 径 向 水 流 又 有 使 粒 子 向 中 心 运 动 的 趋 势 。 粒 度 较 大 的 粒 子 由 于 比 表 面 积 小 , 受 到 的 离 心 力 大 , 曳 力 较 小 , 从 而 有 聚 集 在 旋 流 器 边 壁 并 从 底 流 口 排 出 的 趋 势 ; 粒 度 较 小 的 粒 子 由 于 比 表 面 积 大 , 受 到 的 离 心 力 小 , 曳 力 较 大 , 从 而 有 趋 向 中 心 空 气 柱 排 出 的 趋 势 。 在 分 级 较 粗 物 料 时 , 一 定 回 转 速 度 下 粒 子 受 到 的 离 心 力 足 够 大 , 提 高 分 级 效 率 的 关 键 是 如 何 避 免 固 体 粒 子 在 旋 流 器 上 过 早 压 实 , 造 成 细 颗 粒 难 以 析 出 , 因 此 应 设 法 使 床 层 形 成 一 定 程 度 的 松 散 ; 在 分 级 较 细 物 料 时 , 这 种 异 形 旋 流 器 的 固 有 缺 陷 就 显 示 出 来 了 。 从 图 1 中 可 以 看 出 , 异 形 旋 流 器 沿 整 个 轴 线 的 横 剖 面 均 为 不 规 则 的 凸 轮 形 。 被 分 级 物 料 在 预 选 段 (直 柱 段 ) 得 到 一 定 程 度 的 松 散 和 分 层 , 而 在 分 离 排 料 段 (锥 段 ) , 仍 然 不 断 受 到 松 散 和 分 层 两 个 相 反 方 向 的 作 用 。 这 一 方 面 会 造 成 已 分 层 的 物 料 受 到 松 散 的 作 用 而 发 生 粗 粒 的 错 配 和 溢 流 的 短 路 ; 另 一 方 面 , 整 个 矿 浆 沿 非 圆 轨 道 回 转 时 , 在 凸 轮 小 圆 上 受 到 的 离 心 力 最 大 , 而 在 凸 轮 直 线 段 上 不 受 离 心 力 作 用 , 所 受 离 心 力 的 变 化 造 成 了 旋 流 器 内 矿 浆 轴 向 速 度 不 对 称 。 直 线 段 的 轴 向 速 度 较 大 , 而 两 个 凸 轮 端 的 轴 向 速 度 较 小 , 造 成 底 流 口 附 近 水 量 在 直 线 段 的 流 量 异 常 增 大 。 即 使 整 体 底 流 质 量 浓 度 并 不 比 常 规 旋 流 器 有 明 显 降 低 , 但 两 直 线 侧 附 近 的 质 量 浓 度 却 下 降 很 多 , 造 成 了 细 粒 物 料 的 图 5 溢 流 管 直 径 与 底 流 浓 度 的 关 系 Fig. 5 Relation between diameter of vortex finder and mass concentration of underflow ■ — H = 60 mm , da = 6 mm ; ◆ — H = 60 mm , da = 8 mm ;         ▲ — H = 50 mm , da = 10 mm ; Ε — H = 50 mm , da = 8 mm 图 6 溢 流 管 插 入 深 度 与 底 流 浓 度 的 关 系 Fig. 6 Relation between depth of vortex finder and mass concentration of underflow ■ ◆ ▲ — dv = 21 mm , da = 10 mm ; — dv = 80 mm , da = 6 mm ; — dv = 21 mm , da = 6 mm ; “ 底 流 短 路 ”。 为 了 克 服 异 形 旋 流 器 的 缺 陷 , 在 旋 流 器 预 Ε — dv = 21 mm , da = 6 mm 选 空 间 应 有 一 定 程 度 的 松 散 作 用 而 在 分 离 排 料 段 应 维 持 粒 子 已 有 的 分 层 这 一 指 导 思 想 下 , 我 们 对 原 有 的 异 形 旋 流 器 设 计 进 行 了 改 进 , 如 图 7。 上 部 预 选 段 采 用 对 称 的 异 形 设 计 , 由 两 个 等 径 半 圆 及 两 圆 的 公 切 线 组 成 , 下 部 的 分 离 段 是 与 常 规 旋 流 器 相 同 的 倒 圆 锥 , 中 间 有 一 过 渡 段 。 浓 度 , 则 选 择 适 当 的 溢 流 管 直 径 及 插 入 深 度 成 为 关 键 。 溢 流 管 插 入 太 深 或 太 浅 , 都 难 于 获 得 较 高 的 底 流 质 量 浓 度 。 所 以 从 浓 缩 的 角 度 看 , 要 想 获 得 最 大 的 底 流 质 量 浓 度 , 需 要 寻 找 最 佳 的 溢 流 管 直 径 和 插 入 深 度 。 利 用 异 形 旋 流 器 对 较 细 物 料 进 行 分 级 实 验 , 发 现 异 形 旋 流 器 的 分 级 效 果 不 仅 没 有 改 善 , 反 而 有 些 变 差 。 推 动 物 料 颗 粒 在 旋 流 器 中 初 步 实 验 表 明 , 这 种 改 进 的 异 形 旋 流 器 与 原 异 形 旋 流 器 相 比 , 分 级 效 率 有 所 提 高 。 目 前 分 600 分 中 国 有 色 金 属 学 报 1999 年 9 月 nal of Nonferrous Metals (中 国 有 色 金 属 学 报 ) , 1998 , 8 (3) : 4 87. 2 3 Song Zhendong(宋 振 东 ) . The Chinese Journal of Nonferrous Metals(中 国 有 色 金 属 学 报 ) , 1998 , 8 (3) : 492. Zhang Pengfei(张 鹏 飞 ) , Xu Demin(许 德 民 ) and Huang Shu ( 黄 枢 ) . The Chinese Journal of Nonferrous Metals (中 国 有 色 金 属 学 报 ) , 1994 , 4 (3) : 45. 4 Milin L , Hsieh K T and Rahamani R R. Minerals Engineer2 ing , 1992 , 5 : 779~ 794. 5 6 7 Kelsall D F. Trans Int Chem Engrs. 1952 , 30 : 78. Van Duijn. Chem Eng Sci , 1983 , 38 : 651. Rajamani K. Particulate Sci Tech , 1987 , (5) : 83. 图 7 改 进 的 异 形 旋 流 器 8   Huang Yanhua(黄 彦 华 ) and Xu Jianben (徐 建 本 ) . Mecha2 nism of Mineral Processing (选 矿 机 械 ) , 1995 , (1) : 22~ Fig. 7 Improved abnomal hydrocyclone 2 5. 正 在 做 进 一 步 的 研 究 。 9 Zhang Maojun ( 张 卯 均 ) , Wang Lan ( 王 岚 ) , Wang Yongde(王 永 德 ) et al. Handbook of Mineral Processing (选 矿 手 册 ) . Beijing : Metallurgical Industry Press , 1993 : 64~ REFERENCES 6 7. 1 Xu Jirun(徐 继 润 ) and Lu Qian(罗 茜 ) . The Chinese Jour2 Looseness mechanism and classfication characteristics of an abnormal hydrocyclone 1 ,2 1 1 1 2 Wei Lubing , Zhao Hai , Yang Xiaosheng , Huang Yanhua and Zhao Yuemin . Department of Mineral Processing Engineering , Central South U niversity of Technology , Changsha 410083 , P. R . China . Department of Energy Utilization and Chemical Engineering , China U niversity of Mining Technology , Xuzhou 221008 , P. R . China 1 2 Abstract : Theoretical analysis and experimental research about a new type hydrocyclone of abnormal structure were car2 ried out. Its classfication performance and technical parameters are the same as the normal one in collectivity trend , but different in quantity. The radial oscillation of the particles , as the result of particles changing gyration curvature radii a2 long their tracks in hydrocyclone , is propitious to the thin particles to be separated out. It was showed that sufficient loos2 ening of particles within the preseparation space of the abnomal structure hydrocyclone can make high classification effi2 ciency. Key words : hydrocyclones ; particle size classification ; material seperation mechanism ( 编 辑 吴 家 泉 )
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