矿浆搅拌液固两相流固体颗粒运动影响因素研究

吕晓仁，郑 聃，姜 磊，王世杰

(1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870;2.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141)



矿浆搅拌液固两相流固体颗粒运动影响因素研究

吕晓仁1，郑 聃1，姜 磊2，王世杰1

(1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870;2.北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141)

在矿浆搅拌过程中，临界离浮转速与叶轮离底间隙、粒径、砂粒密度、桨径、叶片倾角、矿浆固相浓度等诸多因素有关。本文选择了其中的叶轮离底间隙、叶片倾角、桨径、固相质量分数等为参数，分析这些参数对临界悬浮转速的影响，拟合临界悬浮转速与各个参数间的函数关系，为固-液搅拌设备的设计、性能优化提供依据。试验结果表明，较低的叶轮离底间隙、较大的叶片倾角、较低的固相质量分数和较大的桨径有利于固相的悬浮，对应的临界悬浮转速Njs较小。通过Matlab拟合得到了临界悬浮转速与各个参数之间的对应关系，关系式为Njs=211·D-1.400·C0.208·X0.278·θ-0.426。该试验结果对矿浆搅拌槽的工业应用具有实际的指导意义。

矿浆搅拌；临界悬浮转速；固-液悬浮；影响因素

0 前言

固-液悬浮是过程工业中一种典型的单元操作，在矿浆搅拌以及选矿工艺中应用广泛。固相颗粒的悬浮能增大颗粒与液相的接触面积，使化学反应能够顺利进行并提高搅拌设备的生产能力，目前工业上主要借助搅拌槽使液固两相流强烈湍动形成悬浮液。

固相达到完全离底悬浮状态时的最低搅拌速度称作临界悬浮转速Njs。Njs值一般是在试验过程中借助数码相机等可视化设备估算而来，再由此放大到工业矿浆搅拌中。由于Njs值关系到固-液悬浮特性、搅拌槽的设计及性能优化等方面，因此学者们进行了深入的研究，现阶段的研究主要集中在颗粒的临界悬浮转速的大小、颗粒浓度分布及悬浮高度等方面，分析搅拌槽的结构参数、操作条件以及颗粒直径、密度、形状等因素的影响[1]。White[2]等研究了无挡板搅拌槽内的固-液悬浮，采用取样法分析了石英砂-水两相体系的悬浮过程，讨论了颗粒直径、固含量、搅拌转速和搅拌桨叶安装高度对固相浓度分布的影响，认为较低的固态含量和叶轮高度、较高转速有利于固相浓度的轴向分布。Brucato[3]等对Rushton桨搅拌槽内的固-液悬浮进行了试验研究，分析了固相浓度、颗粒直径和密度对临界悬浮转速和功率消耗的影响，发现临界转速与颗粒直径无关。Sharma[4]等人研究了不同桨叶高度条件下的临界离底悬浮转速，分析了桨叶安装高度对临界悬浮转速的影响，结果表明临界悬浮转速随桨叶安装高度的降低而减小。通过分析可以看出，上述研究都是针对单个因素分别进行研究，并没有在多因素作用下进行研究，同时也没有考虑叶片倾角和桨径对临界悬浮转速的影响。

为此，本文从双因素作用的角度，考察叶轮离底间隙、叶轮叶片倾角、桨径以及固相浓度配比(质量分数)对临界离底悬浮转速的影响，分析影响因素与临界悬浮转速的关系，拟合临界悬浮转速与各个参数间的函数关系，为工业上固-液搅拌设备的设计、性能优化提供依据。

1 矿浆搅拌实验研究

1.1 实验条件

搅拌槽试验装置示意图如图1所示，试验机选用小型搅拌机，搅拌机主要由槽体、电机传动部件、搅拌轴部件等组成。所用搅拌槽为平底圆柱形有机玻璃槽，内径T=0.2 m，槽体高度为0.4 m，槽内无挡板。固-液两相体系的液相为去离子水，密度ρl=1 000 kg·m-3，动力黏度μ=0.001 Pa·s，固相主要为二氧化硅颗粒，粒径850 μm，密度为2 830 kg/m3，液位高度H=T。搅拌槽的实物图如图2所示。

图1 试验装置示意图

图2 试验装置实物图

为了更好地研究临界悬浮转速Njs与各因素之间的关系，选取的参数有：叶轮离底间隙 30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm；桨径 80 mm、100 mm、120 mm、140 mm；叶片倾角 15°、30°、45°、60°、75°、90°；砂粒浓度(质量分数)10%、15%、20%、25%、30%。

1.2 试验基本过程

试验时确定好搅拌叶轮的安装位置后，依次向搅拌槽内加入石英砂颗粒和水至指定高度处，待颗粒完全静置在槽底部后打开搅拌器进行搅拌。按动搅拌机的叶轮转速调节按钮，观察搅拌机上转速显示屏，逐渐增大叶轮的搅拌速度，同时观察固相颗粒在搅拌槽底的悬浮情况，若停留时间不超过1～2 s，即可认为固相颗粒已达到完全离底悬浮状态，此时对应的搅拌转速即为临界悬浮转速[5]。

2 试验结果与分析过程

2.1 不同桨径下叶轮离底间隙对临界悬浮转速的影响

固定叶轮叶片倾角θ为45°，固相质量分数X为15%时，考察桨径、叶轮离底间隙对临界悬浮转速的影响，结果如图3所示。从图3可以看出，随着离底间隙C的增大，Njs先降低后再上升，当离底间隙C为50 mm时获得最小的临界离底悬浮转速。过高或过低的叶轮离底间隙都会使叶轮附近产生圆柱状回转区，回转区的混合性能差，因此不利于液固两相流的混合，这与来永斌等在固液悬浮特性试验论文中的研究结果一致[6-8]。

叶轮排出流轴向速度分布与环形射流速度分布相似，当离底间隙C小于50 mm时，叶轮排出流的的行程过短，其流型不能展开，叶轮以下搅拌槽中心区域流动较弱，造成槽底颗粒的堆积量增加，需要更大的能量使槽底的颗粒悬浮[9]。当离底间隙C大于50 mm时，叶轮排出流与搅拌槽底部之间的相互作用比较弱，不利于能量由流体向颗粒的传递，停滞在叶轮下方槽底处的固相颗粒很难被流体带到槽体边缘处并沿着槽壁上升，因此需要提高叶轮转速提供较大的动能才能使固相颗粒悬浮。

图3 不同桨径下叶轮离底间隙对临界悬浮转速的影响

2.2 不同叶轮离底间隙下叶片倾角对悬浮特性的影响

在桨径D为120 mm，固相质量分数为15%时，考察叶轮离底间隙和叶片倾角对悬浮特性的影响。图4给出了不同叶轮离底间隙C与叶片倾角θ对临界悬浮转速Njs的影响。由图可知，在不同C下Njs随θ角的变化趋势都是一样的，都表现出Njs随θ的增大而减小。这是因为叶片倾角越大，叶片排出流增大，叶片带动液固两相流的动能增大，有利于固相的悬浮。

在图4中叶轮离底间隙对临界悬浮转速的影响也体现出与图3相似的结果，表明在不同叶片倾角、桨径下叶轮离底间隙都存在一个最佳值。

图4 不同离底间隙下叶片倾角对临界悬浮转速的影响

2.3 不同叶片倾角下固相质量分数对临界悬浮转速的影响

固定叶轮离底间隙C为50 mm，桨径为120 mm不变时，考虑叶片倾角θ、固相质量分数X对临界悬浮转速Njs的影响，图5给出了临界悬浮转速Njs与叶片倾角θ、固相质量分数X之间的关系曲线。对于不同叶片倾角的叶轮，临界悬浮转速Njs随着固相质量分数X的增大而变大。固相质量分数增大，搅拌槽底的固相颗粒增多，要克服更大的重力使固相颗粒悬浮，必然需要增加叶轮的转速，固相达到完全离底悬浮时的临界悬浮转速则更大。从图5还可以看出，随着倾角的增大，临界悬浮转速减小，其原因在于倾角的增大，使得搅拌能增大，从而使得临界悬浮转速降低。

图5 不同叶片倾角下固相质量分数对临界悬浮转速的影响

2.4 不同质量分数下桨径对临界悬浮转速的影响

固定叶轮离底间隙C为50 mm，叶片倾角为45°时，研究不同质量分数X、桨径D对临界离底悬浮转速Njs的影响，其结果如图6所示。在不同固相质量分数下，随着桨径D的增大，临界离底悬浮转速Njs降低。桨径D越大，叶片与液固两相流接触面积增大，固相颗粒能获得较大的能量，对应达到完全离底悬浮时的临界转速较小。随着固相质量分数的增加，所需的搅拌能必然增大，因此高浓度的矿浆所需的临界悬浮转速也越高。

图6 不同固相质量分数下桨径对临界悬浮转速的影响

3 试验数据结果分析

在上述试验数据的基础上，利用Matlab软件进行处理，然后进行多元回归分析，参考Zwietering等人的经验公式[10-13]，得出临界悬浮转速Njs与桨径、叶轮离底间隙、固相质量分数和叶片倾角之间的关系式：

Njs=211·D-1.400·C0.208·X0.278·θ-0.426

(1)

其中，Njs为临界悬浮转速，r·min-1；D为桨径，mm；C为叶轮离底间隙，mm；X为固相质量分数；θ为叶轮倾角。

4 试验验证

根据以往学者们的研究经验，由于流场的复杂性，当离底间隙过低时，曲线拟合时不予考虑，因此各参数选用4因素3水平[11-13]。为此本文设计了4因素3水平的L9(34)正交实验表，试验结果如表1所示。从表1的误差值可以看出，误差值在8%以内，拟合结果与试验结果吻合较好，证实了临界悬浮转速公式的正确性。

表1 临界悬浮转速Njs的实测值与理论值

注：误差=∣(Njs理论值-Njs实测值)/Njs理论值∣×100%

5 结论

(1)较低的叶轮离底间隙、较大的叶片倾角、较低的固相质量分数和较大的桨径有利于固相的悬浮，对应的临界悬浮转速Njs较小。

(2)通过Matlab拟合得到了临界悬浮转速与桨径、叶轮离底间隙、固相质量分数和叶片倾角之间的关系式，关系式为Njs=211·D-1.400·C0.208·X0.278·θ-0.426，通过正交试验验证了公式的正确性。

[1] Ochieng A, Onyango M S. CFD simulation of solids suspension in stirred tanks: Review[J]．Hem Ind, 2010, 64(05):365-374.

[2] 杨锋苓, 周慎杰, 张翠勋, 等. 无挡板搅拌槽的固液悬浮特性[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2012(04):185-190.

[3] Brucato A, Cipollina A, Micale G, et al．Particle suspension in top-covered unbaffled tanks[J]. Chem Eng Sci，2010，65(10):3001-3008.

[4] Sharma R N, Shaikh A A. Solid’s suspension in stirred tanks with pitched blade turbines. Chemical Engineering Science, 2003(58):2123-2140.

[5] 杨敏官, 来永斌. 搅拌槽内固液悬浮特性的试验研究[J]. 机械工程学报, 2011(06):186-192.

[6] 来永斌, 杨敏官. 无挡板搅拌槽内固液悬浮的试验[J]．江苏大学学报:自然科学版, 2010,31(03):309-313.

[7] 来永斌, 杨敏官, 高波. 板式螺旋桨搅拌槽内的流场及其流动特性[J]. 合成纤维工业, 2010,33(02):60-63.

[8] 来永斌, 杨敏官, 高波. 搅拌槽内轴向对流循环的试验[J]. 江苏大学学报(自然科学版), 2009,30(04):379-382.

[9] 贾海洋, 唐克伦, 唐永亮, 等. 搅拌槽内部固-液悬浮流场的数值模拟及实验研究[J]. 机械设计与制造, 2013(05):170-172.

[10] Zwietering T N. Suspending of solid particles in liquid by agitators[J]. Chem Eng Sci, 1958,8(3-4):244-253.

[11] Nienow A W. Suspension of solid particles in turbine agitated baffled vessels[J]. Chem Eng Sci, 1968,23(12):1453-1459．

[12] Armenante P M, Nagamine E U, Susanto J. Determination of correlations to predict the minimum agitation speed for complete solid suspension in agitated vessels[J]. Can J Chem Eng, 1998, 76(03):413-419.

[13] Armenante P M, Nagamine E U. Effect of low off- bottom impeller clearance on the minimum agitation speed for complete suspension of solids in stirred tanks[J]. Chem Eng Sci, 1998, 53(09):1757-1775．

专利介绍

一种转炉煤气干法降温净化回收系统中的氮气稀释防爆系统(CN103276139A)

本发明的目的是提供一种转炉煤气干法降温净化回收系统中的氮气稀释防爆系统，以对进入静电除尘器内的烟气成分进行检测和控制，防止爆炸的发生。

本发明提供的转炉煤气干法降温净化回收系统中的氮气稀释防爆系统，主要由氮气罐、设置在氮气管路上的气动快速阀门、安装在静电除尘器的进烟管道上的气体分析仪及根据该气体分析仪的采集信号控制气动快速阀门开启或关闭的控制器构成。该氮气稀释防爆系统可安装在烟气进入静电除尘器前的管道上，可以适时检测烟气成分，当烟气处于爆炸极限范围内时瞬间向烟道内喷入氮气进行稀释，从而减少或避免电除尘器内发生爆炸。

本发明提供的氮气稀释防爆系统可安装在烟气进入静电除尘器前的管道上，可以适时检测烟气成分，当烟气处于爆炸极限范围内时瞬间向烟道内喷入氮气进行稀释，从而减少或避免电除尘器内发生爆炸。

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

国家自然科学基金(50875178)

吕晓仁(1979-)，男，沈阳工业大学机械工程学院副教授，主要研究方向为大型矿浆搅拌槽的设计与研究。

TQ027.3

A

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