浮选柱捕集区压力波动与流体动力学特性参数相关性研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:grchenpk
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旋流微泡浮选柱创造性的将旋流离心力场与浮选相结合,在同一个柱体中实现了“捕集区粗选-旋流区扫选-泡沫区精选”的多段分选机制。浮选柱流体动力学状况是影响煤炭颗粒浮选效果的重要因素。目前,浮选柱流体动力学特性研究的主要手段包括摄影和摄像技术、层析成像技术、颗粒示踪技术和探针技术等,这些技术成本高昂,难以适用于工业浮选柱中复杂的生产环境。压力波动测量技术具有容易测量、价格相对便宜、适用于苛刻的工业条件等优点,已在实验室、半工业和工业气液固三相流化床和鼓泡塔流体动力学状况的研究中得到了广泛应用。因此,借助压力波动技术对旋流微泡浮选柱捕集区流体动力学状况进行评价,为实现颗粒的稳态高效分选提供技术支撑,同时有望为解决大型化浮选柱分选效果监测提供智力支持。为了研究浮选柱捕集区压力波动与流体动力学特性参数之间的内在联系,本文通过气泡参数测量仪、压差法对浮选柱捕集区气-液两相流气泡大小、气泡上升速度、气含率和压力波动的时间序列进行了测量。采用频谱分析技术、混沌分析技术和统计学分析方法对压力时序信号进行分析,定量的研究了压力波动特征参数与流体动力学特征参数(气泡大小、气泡速度、气含率和气泡雷诺数)之间的相关性。同时,定性地分析了捕集区压力波动与气液固三相流体动力学特性之间的相关性,考察了压力波动特性参数对煤炭颗粒浮选产率的预测效果。主要研究成果如下:首先,通过对捕集区压力波动进行频谱分析,发现捕集区压力波动频域特征与气泡运动行为之间存在相关性,建立了非相干压力波动标准偏差与气液两相流大气泡直径之间的关系模型(δIOP=22.67(7)d大气泡,avg(8)1.65,Adj.R2=0.9511)。气泡兼并程度的加剧,使得捕集区气泡大小变得不均匀,大气泡的数目增多、直径变大,涡旋运动发育,气泡运动不规则程度加深,3-5 Hz区域中功率谱密度的强度增大。其次,在捕集区压力波动混沌分析的基础上,建立了混沌特征参数(Kolmogorov熵)与流体动力学特征参数(气泡雷诺数)之间的关系模型(Kolmogorov熵=0.13ln(7)Reb(8)-0.67,Adj.R2>0.99)。当捕集区流体状态从均匀流向非均匀流转变时,大气泡开始在柱体中心出现,气泡兼并行为越来明显。大气泡上升速度明显高于周围小气泡,在其周围开始出现流体环流和涡旋运动,使得气液两相流动混沌程度增强,同时流体的湍流强度也增大。再次,通过对压力波动进行统计学分析,发现压力波动标准偏差与气泡大小、气泡速度和气泡雷诺数之间存在较强的相关性,与气含率之间相关性较弱。压力波动标准偏差与流体动力学特性参数之间的线性拟合效果较差(Adj.R2<0.8),主要原因是该分析方法忽视了压力波动的频率特征。压力波动的标准偏差与气泡运动行为有关。随着柱体高度的增加,气泡运动不规则程度加剧,气泡大小分布不均匀性加剧,压力波动标准变差变大。然后,通过对气液固三相压力波动进行频谱和混沌分析,发现功率谱密度强度和Kolmogorov熵的变化与捕集区流体动力学状况的定性分析结果具有较好的一致性。固体颗粒的存在可以降低捕集区压力波动的Kolmogorov熵和3-5 Hz区域中的功率谱密度强度,抑制气泡的不规则运动,其原因是固体颗粒可以提高气泡液膜强度,降低气泡碰撞兼并的概率。最后,探究了捕集区压力波动与煤炭颗粒浮选产率之间关系,发现压力波动混沌特征参数(Kolmogorov熵)与较低固体浓度条件下煤炭颗粒的浮选产率具有较强的相关性。低固体浓度条件下,随着Kolmogorov熵的增加,捕集区气泡运动不规则程度加剧,湍流强度增加,不利于煤炭颗粒的捕集回收;高固体浓度条件下,由于气泡负载能力对浮选效果的限制,使得Kolmogorov熵与浮选产率之间的关系变得复杂。
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