LHJ浮选柱流体静力学研究

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1999.02.033 第21卷第2期 北京科技大学学报 Vol21 No.2 1999年4月 Journal of University of Sclence and Technlogy Beijing Apr.1999 LHJ浮选柱流体静力学研究 朱友益张强王化军荀志远 北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要从两相流的流型入手，分析维持泡沫流流型的条件，揭示维持高含气率泡沫流的决定性 因素.通过静力学分析建立的两相泡沫流的压力平衡关系式，揭示出了含气率中、吸气室负压P。、 液体流速U,三者之间的关系，通过可视化实验确定了维持泡沫流流型吸气室的最低负压值和下 导管液体的最低流速. 关葡词浮选柱：流型：流体静力学；泡沫流 分类号TD943 1液气两相流的流型 大液相的扰动程度，即增大液体流速或压力，此 外可加人起泡剂等措施来防止气泡的快速兼并， Hewitt与Roberts对垂直管路中气液两相流 使之形成大量泡沫又不至于转变流型，或者说创 提出的流型图见图1” 造延缓流型转变的条件， 10 2两相流静压平衡方程式 10 环形流 液串环形流 E10 Marchese等对Jameson浮选柱的研究a以及 北京科技大学矿研所张强教授等人对LHJ浮选 翻腾流 柱的研究)表明，要使该2种浮选柱达到好的浮 泡沫流 选效果，必须使下导管内充满，形成稳定的泡沫 段塞流 流流型，否则浮选柱不能正常工作.而维持下导 管内高含气率的泡沫流流型稳定，靠的是吸气室 10 102 103 104 103 有一稳定的适宜的真空度，以此来控制调节气 pLU2/kg (m2.s) 量，维持泡沫流稳定， 图1 Hewitt-与Roberts垂直管两相流流型图 对LHJ浮选柱下导管下端点处所受压力平 衡分析，见图2，得到压力平衡方程： 应该说明，不同的条件下流型图是不同的， 并且从一种流型转变为另一种流型有一定的变 P,+P,+P+P。=P,+P标雅 (1) 化过程，而并非突变，所以图1中用线条来表示是 不够精确的.严格的流型分界仍须通过试验来确 定，但从该流型图中更明确地得知，要维持垂直 管中泡沫流流型，必须增大液体流速或降低气相 流速。 在LHJ浮选柱中，维持下导管内的泡沫流流 型是实现良好矿化的必要条件，而且希望在尽可 能高的含气率下维持泡沫流流型，从上述液气两 相流各流型的形成条件及流型转化图上我们获 知，要维持高含气率的泡沫流流型，必需依靠增 1998-10-12收稿朱友益男，35岁，工程师，博士 ◆国家自然科学基金资助课题(No.59374149) 图2各压力位置示意图

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 · 一 浮选柱流体静力学研究 朱友益 张 强 王化军 荀志远 北京科技大学资源工 程学 院 ， 北京 摘 要 从两相 流 的流 型人 手 ， 分析维持泡 沫流流 型 的条件 ， 揭示 维持高含气率泡 沫流 的决定性 因素 通过静力学分析建立 的两相 泡沫流 的压力平衡 关系式 ， 揭示 出了含气率 巾 、 吸气室负压 、 液体流速 叭 三 者之 间的关系 · 通过可视化实脸确定了维持泡沫流流型吸气室 的最低负压值和 下 导管液体的最低流速 关扭词 浮选柱 ‘ 流型 流体静力学 泡沫流 分类号 液气两相流的流型 与 对垂 直管路 中气液 两相 流 提 出的流 型 图见 图 广 大 液 相 的 扰 动 程 度 ， 即增 大 液 体 流 速 或 压 力 ， 此 外 可 加 人起 泡 剂等措施 来 防止 气泡 的快 速兼 并 ， 使 之 形 成 大量 泡 沫 又 不 至 于 转变 流 型 ， 或者说创 造延缓 流 型转变 的条件 夕 ‘ 犯 环形 “ 量 ‘ 、 件万二 弧 ， 脚 姚 液 串环形 流 泡沫流 段塞 流 户 毋 ， · ，一 ’ 图 与 垂直管两相流流型 图 应 该 说 明 ， 不 同 的条 件 下 流 型 图是 不 同 的 ， 并 且 从 一 种 流 型 转 变 为 另 一 种 流 型 有 一 定 的 变 化过程 ， 而并非突变 ， 所 以 图 中用 线条来 表示 是 不够 精确 的 严格 的流 型 分界 仍 须 通 过 试 验 来 确 定 但从该 流 型 图 中更 明确 地 得 知 ， 要 维 持垂 直 管 中泡 沫 流 流型 ， 必须 增大 液体流 速 或 降低气相 流 速 在 浮 选柱 中 ， 维持下 导管 内的泡 沫 流 流 型是 实现 良好矿 化 的必 要 条件 ， 而 且 希望 在 尽 可 能高 的含气率下 维持泡 沫 流 流 型 从上 述 液气 两 相 流 各 流 型 的形 成 条件 及 流 型 转 化 图上 我 们 获 知 ， 要 维 持 高含 气 率 的泡 沫 流 流 型 ， 必 需 依 靠增 一 。 收稿 朱友益 男 ， 岁 ， 工程 师 ， 博士 中 国家 自然科学基金 资助课题 两相流静压平衡方程式 等对 浮 选柱 的研究 以及 北 京 科 技 大 学 矿 研 所 张 强 教 授 等 人 对 浮 选 柱 的研究 表 明 ， 要 使 该 种 浮 选 柱 达 到 好 的浮 选 效 果 ， 必 须 使 下 导 管 内充 满 ， 形 成 稳 定 的泡 沫 流 流 型 ， 否 则 浮 选 柱 不 能 正 常 工 作 而 维 持 下 导 管 内高含气率 的泡 沫 流 流 型 稳 定 ， 靠 的是 吸气 室 有 一 稳 定 的 适 宜 的 真 空 度 ， 以 此 来 控 制 调 节 气 量 ， 维持泡 沫流稳定 对 浮 选 柱 下 导 管 下 端 点 处所 受 压 力 平 衡分 析 ， 见 图 ， 得 到压力 平衡方 程 尸 十 几 气 准 ‘ 一 一 「 砚与 ‘ 一 冲 叫 石一 司 八 。 。 ‘ 圈 各压力位 示意圈 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．02．033

·110· 北京科技大学学报 1999年第2期 式中：P,为吸气室的负压(P,<P标难)：P为由管径 力损失和摩擦阻力损失也增大，因而平衡时P,值 突然扩张引起的动压力损失；P为由管壁摩擦引 要降低，故吸气量即下导管内含气率要下降；而 起的沿程阻力损失；P,为下导管内两相流混合体 下导管浸人深度H,增加，平衡时P,值增大，有利 高度产生的静压；P为分离柱内液面产生的静压； 于含气率的提高.这一事实均为含气率的试验所 P标难为标准压强、 证实. 由式(1)可知，吸气室负压P,与多种因素有 喉管长度及扩散管长度均按射流泵的最优 关，标准压强和分离柱内静压起正作用，而下导 化参数设计，喉管过短时，对气体的吸人率与劈 管高度静压和各项沿程压力损失起负作用. 分效果变差，因而不可能减短.扩散管也同样如 Marchese等推导的两相泡沫流管径突然扩 此，因而只能改变下导管直径与长度，而下导管 张引起的动力学压力损失P,的表达式为： 直径过小时也会影响气体溶人率，由水射流理论 P2=Up[(D./D)2-11(1-Φ) (2) 表明，下导管与喉管间的直径之比或喉管与喷嘴 式中：U为下导管液体或矿浆的表现流速(ms)； 的直径之比均有一合适的值，其比值过小时会产 p为液体或矿浆的密度(kg/m);Da,D分别为下 生回气现象.产生回气的临界压力为： 导管和扩散管内径(m);中为下导管内含气率， P(12n)RR)P2-P,)e-u-(R,/R,(11) 由均匀两相流的伯努利方程及连续性方程： 式中：P为水射流回气临界压力；R,/R为喉管与 Z,+P/(p8)+a Wi/(2g)=Z2+P,/(pg)+ 喷嘴的半径之比或下导管与喉管的半径之比；P, a,W/(2g)+h (3) 为喷嘴或喉管出口处的压力；P,为喉管或下导管 WA =W A, (4) 出口处的压力；？为喷嘴的效率系数；1为摩擦阻 可推得沿程阻力损失的公式： 力系数；L为喉管或下导管的长度， h,=1·(L/D)·(w/2g) (5) 回气临界压力随管径比的变化关系见图3 由于扩散管以最小阻力损失设计，且较短，可忽 (取L=1m,1=0.0168).由图3可见，当R/R,=4 略其阻力损失.喉管及下导管管壁的摩擦阻力损 时，回气临界压力最小，当R/R,<3时，回气临界 失，以能量的形式表示为： 压力迅速增大并趋向无穷大，此时管内不产生 Pm=p/2·Lu/D4·U1(1-Φ) (6) 真空.因而，一般为保证吸气，R,/R,应大于3(L= Pa=p/2·La/Da·U/(1-Φ) (7) 1m). 式中：P1,P分别为喉管段及下导管的摩擦阻损 我们所作的压力范围没达到图3中的量值， 失；LHL分别为喉管及下导管的长度；UuU分 但从这一观点也证明了下导管管径不能过小，对 别为喉管及下导管内液体表观流速；中为含气率； 于喉管直径7.5mm,合适的下导管径在25~30 入为摩擦阻力因数，如果两相流与单相液体在湍 mm之间，也即R2/R≈4. 流态下入值相同，则对液体在钢管或铁管中的湍 下导管的长度则受矿化停留时间的限制，过 流流动，近似取1=0.02~0.03. 短时会影响矿化效果.对于LH盯浮选柱，吸气室 下导管内两相泡沫流的静压为： 的负压P,要靠一定的液体流速来获得.由式(10) P。=P(1-Φ)gH+P.ΦgH 因p>Pg故有：P。=P(1-)gH (8) 20 式中：H为下导管长度m;g为重力常数m/s2. 同理可得到分离柱的液面静压为： 15 P.=P(1-Φ)gH (9) 式中，H为下导管在分离柱内浸入液面的深度m. 10 将式(2)，(6)，(8)，(9)代入式(1)得： Pv+UPI(D/D)-1(1-Φ]+p/2·LH/DH· U21-)+p/2·La/D。·U1-Φ)+ PL(1-中)gH=P(1-中)gH,+P标隆(I0) 6 8 10 2 由式(10)得知，在一定的液体流速下，下导管 R/R 管径增大、长度增长、喉管长度加长，其动力学阻 图3回气临界压力随喉管与喷嘴半径比的变化

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 式 中 为 吸 气室 的 负压 尸标 准 为 由管径 突 然 扩 张 引起 的 动 压 力 损 失 界为 由管 壁 摩 擦 引 起 的沿 程 阻 力 损 失 尺为下 导管 内两 相 流 混 合 体 高度 产 生 的静 压 为分 离柱 内液 面 产 生 的静 压 气 准 为标 准压 强 由式 可 知 ， 吸 气室 负压 与 多 种 因 素有 关 ， 标 准 压 强 和 分 离 柱 内静 压 起 正 作 用 ， 而 下 导 管高度静压和 各项沿 程 压力损失起 负作 用 等 推 导的两相 泡 沫流管径 突然 扩 张引起 的 动力学压力损失 的表 达式 为 代 ， 一 一 巾 式 中 从 为下 导管液 体或矿 浆 的表 现 流 速 耐 口 为掖体或 矿 浆 的 密 度 ， ， 分 别 为下 导管和 扩 散 管 内径 巾为下 导管 内含气率 由均 匀 两相 流 的伯 努 利方程 及 连 续性方程 ， 勿 ，叫 一 几 凡 勿 吧 砰 ， ， 巩月 可 推得 沿程 阻力 损失 的公 式 又 · · 护 由于 扩 散 管 以 最 小 阻 力 损 失 设 计 ， 且 较 短 ， 可 忽 略其 阻 力 损 失 喉 管及 下 导管 管 壁 的摩 擦 阻力 损 失 ， 以 能量 的形 式 表示 为 叹了、 矛、 ，了、 产、了， 劫 · ， ， · 砚 。 一 中 几 助 。 · 。 · 代 一 巾 山芝、盯 式 中 气 ， 几 分别 为 喉 管段及 下 导管 的摩擦阻 损 失 ， 分 别 为 喉 管及 下 导管 的长度 呱 ， 从 分 别 为 喉管 及 下 导管 内液体表观 流 速 巾为含气率 几为 摩 擦 阻 力 因数 如 果 两 相 流 与 单相 液 体 在 湍 流 态 下又值 相 同 ， 则 对 液 体 在 钢 管 或铁管 中 的湍 流 流 动 ， 近 似取 又 一 下 导管 内两相 泡 沫 流 的静压 为 凡 几 一 匆 凡巾 因 户 乡户 ， 故有 凡 一 户 一 巾 式 中 为下 导管 长度 为重力 常数而 ， 同理 可 得 到 分 离柱 的液 面静压 为 一 巾 式 中 ， 为 下 导管在 分 离 柱 内浸 入 液 面 的深度 将 式 ， ， ， 代 人 式 得 氏 砚户 。 ，一 一 巾 助 · 。 · 代冰 一 哟 如 · · 岭 一 勿 一 巾 户 一 中 标 准 由式 得 知 ， 在 一定 的液 体流 速下 ， 下 导管 管径 增 大 、 长度 增 长 、 喉 管长度 加 长 ， 其 动力 学 阻 力损失 和摩 擦阻力损失也增 大 ， 因而平衡时 凡 值 要 降低 ， 故 吸 气 量 即 下 导 管 内含 气 率要 下 降 而 下 导管浸 人深 度 增 加 ， 平衡 时 凡 值增大 ， 有利 于 含 气 率 的提 高 这 一 事 实均 为含 气率 的试验所 证实 喉 管 长 度 及 扩 散管 长 度均 按射流 泵 的最 优 化 参 数 设 计 ， 喉 管过 短 时 ， 对气 体 的 吸人 率 与劈 分效 果 变 差 ， 因而 不 可 能减 短 扩 散管也 同样 如 此 因而 只 能改变下 导管直径 与 长度 ， 而 下 导管 直 径 过小 时也 会影 响气体溶人率 由水射流理论 表 明 ， 下 导管与喉管间的直径之 比或喉管与喷嘴 的直 径 之 比均有 一合适 的值 ， 其 比值过小 时会产 生 回气现象 产生 回气 的临界压力为 几 。 挥 ， ，帆一 ， 一 似 ‘峋一 ， ， 式 中 凡 为水射流 回气临界压力 ， 为喉管 与 喷 嘴的半径 之 比或下 导管 与喉 管 的半径 之 比尹 为 喷嘴或 喉管 出 口 处的压力 凡 为喉 管或 下 导管 出 口 处 的压力 刀为喷 嘴 的效率系 数 又为摩擦 阻 力 系数 为喉管或下 导管的长度 回气 临界 压 力 随 管 径 比的 变 化 关 系 见 图 取 一 汉一 · 由图 可 见 ， 当 凡 ， 一 时 ， 回气 临界压力最小 ， 当 凡 时 ， 回 气 临界 压 力 迅 速 增 大 并 趋 向 无 穷 大 ， 此 时 管 内 不 产 生 真 空 因而 ， 一 般 为保 证 吸 气 ， 凡 、 应 大 于 二 我们所 作 的压力 范 围没 达 到 图 中的量 值 ， 但从这 一观 点也 证 明 了下 导管管径 不 能过小 ， 对 于 喉 管 直 径 ， 合 适 的 下 导管径 在 一 之 间 ， 也 即 澎 · 下 导管 的长度 则受矿化停 留时 间的限制 ， 过 短 时 会 影 响矿 化 效 果 对于 浮 选 柱 ， 吸气 室 的负压 凡 要 靠一定 的液体流速来获得 · 由式 图 回气临界压力随喉管与喷嘴半径比的变化

Vol.21 No.2 朱友益等：LH」浮选柱流体静力学研究 ·111· 可知，在结构参数都固定的情况下，液体流速U 表1不同液体压力下的临界负压 增大，各项阻力损失增大；如果维持平衡，P,值要 下导管尺 P/X10kPa 减小.因而在流速较高的情况下，也并不利于含 寸/mm0.81.01.21.41.6 1.819 气率的增大，这也进一步证明了液体流速或压力 φ23×10000.3500.3670.3940.4210.4490.4760.532 过大时，含气率增加缓慢的事实 中25×10000.229*0.3260.3530.3810.4210.4680.516 若忽略动力学压力损失和摩擦阻力损失，则28.2×10000.265*0.285*0.319*0.3530.3810.4350.498 式(10)简化为： Φ31.6×1000- 0.272◆0.229*0.326*0.353◆0.3810.449 Pv+P(1-中)gH=P(1-Φ)gH,+P标隆(12) φ25×600 0.2720.2850.2290.3130.3400.3810.421 中25×800 0.285◆0.2990.3130.3260.3810.4350.476 由式(12)得： 中=1-[P标准-Pv)/pgH-PgH,)】(13) Φ25×14000.360*0.3940.4210.4620.5570.6120.666 *:段塞流 由式(13)可知，P,增大，则下导管内含气率 降低.因而可见，在一定的流速下，P,调节越小越 0.60 有利于含气率的提高，但含气率试验已表明，在 较低的流速下，P,值过小时，也即气体吸入量过 0.50L 大时，会出现充不满下导管的段塞流现象；而在 较高的流速下，P,值过小时，又会出现下导管内 图 0.40- 液面突然下降的液串环形流现象，因而在每一液 女 体流速下，LH耵浮选柱吸气室都存在一最低的负 0.30 压值，该负压值是保证LH)浮选柱下导管内形成 0.20L 泡沫流流型的决定性条件；同样也存在一最低流 0.60.81.01.21.41.61.82.02.2 速，这一最低流速是保证下导管内不出现段塞流 液体压力/×10kPa 的临界速度 图4吸气室临界负压与液体压力的关系 由上述分析可知，液体流速U与吸气室负压 下导管直径mm:1.23;2.25:3.28.2；4.31.6 P、含气率中是有一定牵制关系的.我们既需要有 一定的液体流速来提供吸气室的负压，而在一定 值增大.不同管径和不同长度下导管的变化规律 的流速下，含气率的提高又希望P,值减小，P,值 基本一致，只是管径小、管子短时，动力学压力损 过小下导管内泡沫流型又难以维持，因而有必要 失相对粗管径要小一些，其变化略缓；粗管径和 对不同条件下维持泡沫流流型的最低负压值 管子长时，则变化较急.这表明管径粗、管子长时 P,及最低流速进行试验，在这一流型保证的前提 如果要达到同样的含气率，牺牲的负压要大些， 下，一定流速下P,减小有利于含气率的提高. 能量损失较多.这一规律也进一步验证了式(10) 所揭示的变化关系.对于其他变化条件下的最低 3维持泡沫流的最低负压和最低流速 负压，也可采用(10)式计算获得. 3.1测试装置 由表1还可见，管径较粗，流速低时易出现段 吸气室负压测试方法：在吸气室接一U型压 塞流现象，且管径越粗开始出现段塞流的负压越 差计，调节不同的液体压力，测出不同的状态下 高. 维持泡沫流流态的最低负压值，此时下导管内含 33不同液体压力下的临界流速 气率最大.段塞流或液束环形流状态通过直接观 试验证明，不同管径下出现段塞流的临界流 察判断. 速值基本上是一致的，约为0.22m/s.管径粗时略 3.2不同液体压力下的临界负压 低，可能是因为摩擦阻力损失减小，或者是观察 表1及图4列出了不同尺寸下导管在不同液 上有一定的偏差. 体压力下，吸气室临界负压值（采用真空度表示） 3.4起泡剂对临界流速的影响 的实测数据.固定下导管浸人深度为100mm. 固定下导管直径25mm,管长1m,浸入深度 由表1及图4可见，形成泡沫的最低负压是 100mm,进行了不同起泡剂用量的最低临界流速 随流体压力及下导管尺寸不同而变化的.随着液 试验，结果见图5，由图5可见，随起泡剂用量增 体压力增大，流速增加，形成泡沫流所需的负压 加，下导管内的临界流速值有所下降，这表明添

朱友益等 浮选柱 流体静力学研究 可 知 ， 在 结 构 参数 都 固 定 的情 况 下 ， 液 体流 速 从 增 大 ， 各 项 阻 力 损 失增 大 如果 维 持 平 衡 ， 凡 值要 减 小 因而 在 流 速 较 高 的 情 况 下 ， 也 并 不 利 于 含 气率 的 增 大 这 也进 一 步 证 明 了液 体流 速 或压 力 过大 时 ， 含气率增 加缓慢 的事 实 若忽 略 动 力学 压 力损失 和 摩擦 阻 力 损失 ， 则 式 简化 为 氏 一 巾 多厅 户 一 巾 乡峨 气 准 由式 得 中 一 气 准 一 凡 勿 一 召从 由式 可 知 ， 凡 增 大 ， 则下 导管 内含 气率 降低 因而 可 见 ， 在 一定 的流 速 下 ， ， 调 节越 小 越 有 利 于 含 气 率 的 提 高 但 含 气 率 试 验 已 表 明 ， 在 较 低 的 流 速 下 ， 凡 值 过 小 时 ， 也 即气体 吸 人 量 过 大 时 ， 会 出 现 充 不 满 下 导 管 的 段 塞 流 现 象 而 在 较 高 的 流 速 下 ， 凡 值 过 小 时 ， 又 会 出现 下 导管 内 液 面 突 然 下 降 的液 串环 形 流 现象 因而 在 每一 液 体流 速 下 ， 浮 选 柱 吸 气室 都 存 在 一 最 低 的 负 压值 ， 该 负压值是保证 浮 选 柱 下 导管 内形 成 泡 沫 流 流 型 的决定 性条件 同样 也 存 在 一 最 低 流 速 ， 这 一 最低 流 速 是 保证下 导管 内不 出现 段 塞 流 的临界 速度 由上述分 析可 知 ， 液体流 速 叭 与 吸气室 负压 氏 、 含气率中是 有 一 定牵制 关 系 的 我们 既需 要 有 一定 的液 体流 速来 提供 吸气室 的 负压 ， 而 在 一 定 的流速 下 ， 含气率 的提高又希望 氏 值减小 ， 氏 值 过小 下 导管 内泡 沫 流 型 又 难 以 维持 ， 因而 有 必 要 对 不 同 条 件 下 维 持 泡 沫 流 流 型 的 最 低 负 压 值 凡 及 最低 流 速进行 试验 ， 在这 一 流 型保证 的前提 下 ， 一定 流速下 凡 减小 有利 于 含气率 的提 高 · 表 不 同液体压力下 的临界负压 下 导管尺 二 犷 寸厄 中 中 万 中 中 一 科 中 中 中 段塞流 七田召昧华洲一、 液体压力 妙 图 吸气室 临界负压与液体压力的关系 下导管直径 维持泡沫流的最低负压和最低流速 测试装置 吸气 室 负压 测 试方 法 在 吸气室 接 一 型压 差 计 ， 调 节 不 同 的 液 体 压 力 ， 测 出 不 同 的 状 态 下 维持 泡 沫 流 流 态 的最 低 负压 值 ， 此 时下 导管 内含 气率最 大 段 塞 流 或 液束 环 形 流状 态通 过 直 接观 察判 断 不 同液体压 力下 的 临界 负压 表 及 图 列 出 了不 同尺 寸 下 导管在 不 同液 体压力 下 ， 吸气室 临界 负压值 采 用 真 空 度 表示 的实测数据 固定 下 导管浸人 深度 为 由表 及 图 可 见 ， 形 成 泡 沫 的最 低 负压是 随流体压 力 及 下 导管尺 寸不 同而 变 化 的 随着 液 体压 力 增 大 ， 流 速 增 加 ， 形 成 泡 沫 流 所 需 的 负 压 值 增 大 不 同管 径 和 不 同长度 下 导管 的变 化规律 基 本 一致 ， 只是 管径 小 、 管 子 短 时 ， 动力 学压 力损 失 相 对粗 管 径 要 小 一 些 ， 其 变 化 略缓 粗 管 径 和 管 子 长 时 ， 则 变 化较 急 这 表 明管径 粗 、 管 子 长 时 如果 要 达 到 同样 的含 气 率 ， 牺 牲 的 负 压 要 大 些 ， 能量 损 失 较 多 这 一规律也 进 一 步 验 证 了 式 所 揭 示 的变化 关系 对于 其他 变 化 条件 下 的最低 负压 ， 也 可 采用 式计算获得 由表 还可见 ， 管径较粗 ， 流 速低 时易 出现段 塞 流 现 象 ， 且 管径 越 粗 开 始 出现 段 塞 流 的 负压 越 高 不 同液体压 力下 的临界流速 试验 证 明 ， 不 同管径 下 出现 段 塞 流 的临 界 流 速 值基 本上 是 一致 的 ， 约 为 耐 管径 粗 时 略 低 ， 可 能是 因 为 摩 擦 阻 力 损 失 减 小 ， 或 者 是 观 察 上 有 一定 的偏差 起泡剂对 临界流速 的影 响 固定下 导管直 径 ， 管 长 ， 浸人深度 ， 进 行 了不 同起 泡 剂用量 的最低 临界 流速 试 验 ， 结 果 见 图 由 图 可 见 ， 随起 泡 剂 用 量 增 加 ， 下 导 管 内的 临界 流 速 值 有 所 下 降 ， 这 表 明 添

·112· 北京科技大学学报 1999年第2期 加起泡剂有助于扩展泡沫流的区域，起泡剂的添 形流出现，这一流型出现，一方面会影响下导管 加，阻碍了气泡之间的相互兼并，使气泡更稳定 内实现有效矿化，另一方面，下导管内的气段进 地存在于液相中，因而在LH)浮选柱中加入一定 入分离柱内就会形成大气团，这也是造成LH」浮 量的起泡剂不仅是减小气泡尺寸的需要，对维持 选柱浮选时出现气团、液面翻腾的原因之一，因 和扩展泡沫流流型也起着积极的作用， 而在试验或生产设计中，要确保下导管内的矿浆 0.40 的流速大于出现段塞流的临界流速，这样可避免 段塞流流型造成的危害. 0.35 4.3加入起泡剂或其他表面活性剂 日0.30 加人起泡剂能降低由泡沫流转变为段塞流 毁 0.25 流型的临界流速，也即它能扩展泡沫流流型存在 短 的区域.这对于LHU浮选柱工作在较低压力下保 0.20- 持稳定性是十分有利的，同时，起泡剂或其他表 0.15 面活性剂的加人，可防上气泡兼并，使之弥散成 0.1011 大量小气泡，这对下导管内的矿化有利，同时可 051015202530354045 消除或避免在分离柱内，由于气泡兼并而形成气 起泡剂用量/×10-mol·L 弹对分选造成的不良影响， 图5临界流速与起泡剂用量的关系 4.4调节适宜的吸气室负压 吸气室的负压是决定LHJ浮选柱含气率的 4保持LHJ浮选柱工作稳定性的几 关键因素.在一定的给矿压力下，吸气室负压越 低，由压力平衡方程式(1)知，则下导管内的含气 项策略 率越高，这对浮选矿化是有利的.但从两相流理 LHJ浮选柱为高效率分选设备，矿浆在浮选 论分析及试验已证明，吸气室负压降低是有限度 柱内停留时间短，在下导管内的停留时间更 的，负压过低时，在广泛的矿浆压力范围内，泡沫 短.因而其工作稳定性直接影响分选指标，这已 流流型就会转变成液串环形流流型，从而会严重 为试验所证实.要保证LHJ浮选柱的工作稳定 恶化浮选条件.液串环形流不仅严重影响下导管 性，具体地说就是如何维持下导管内高含气率的 内的矿化，也造成分离柱内出现鼓泡、气团和液 泡沫流流型稳定不变，提出以下几项保持LH」浮 面翻花等不良分选条件.因而在实际生产中必须 选柱工作稳定性的策略， 予以避免，其措施是保证吸气室的负压值要高于 4.1加液面提升管 出现液串环形流流型的临界负压值.作者通过试 由静压力学平衡方程式(10)知，阻力损失 验已证明，一般要控制吸气室的负压值应大于表 Pz,P与下导管内流速的平方成正比，也即与给 1中临界负压值的1.2~1.35倍，即可在一般压力 矿压力直接相关.当管径扩张较大，即下导管较 波动范围内，稳定维持泡沫流流型，避免液串环 粗，流速较大时，这2项阻力损失较大.此时给矿 形流的出现.在给矿压力较低即流速较低时，因 压力变动时，这2项阻力损失值变动较大，因而会 流体湍动度相对较小，系数可取低值；而在给矿 直接影响吸气量，从而影响到下导管内流型发生 压力较高时，由于流体湍动强烈，波动变化影响 波动.加液面提升管时，这2项压力损失可以得到 较大，该系数取高限值.这样控制Pv,会使含气率 补偿，从而可起到瞬时快速提升液面的作用.实 有所下降，试验表明约降低1.12~1.15倍.但这确 际生产中给矿压力不可能恒定，并经常处于波动 保了下导管内泡沫流流型，从而保证了LHJ浮选 状态，加液面提升管可以缓冲这一压力波动造成 柱稳定工作在优良的流型范围内， 的下导管内流型的波动，对保持流型的稳定性有 5结论 利，这一良好特点已为试验所证实 4.2保证矿浆流速大于临界流速 (1)LHJ浮选柱保持生产正常运行必须使下 试验已证明，在流速较低时，LHU浮选柱下导 导管维持泡沫流流型，因而其含气率是有一定限 管内会出现充不满整管的段塞流，它先于液串环 度的.维持高含气率泡沫流的决定性因素是提高

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 加 起泡 剂 有 助 于 扩 展 泡 沫 流 的 区 域 起 泡 剂 的 添 加 ， 阻 碍 了 气 泡 之 间 的相 互 兼 并 ， 使 气 泡 更 稳 定 地存 在 于 液 相 中 因而 在 浮 选柱 中加 入 一 定 量 的起 泡 剂 不 仅是 减 小 气 泡 尺 寸 的需 要 ， 对维持 和 扩展 泡 沫 流 流 型 也起 着 积极 的作 用 起泡剂用 量 一 · 一 ’ 临界流速与起泡剂用 的关 系 如飞川川洲滋眺 工场 · 瑙娟昧粤、日 保持 浮选柱工 作稳定性的几 项策略 浮 选 柱 为 高效 率 分 选 设 备 ， 矿 浆 在 浮 选 柱 内 停 留 时 间 短 ， 在 下 导 管 内 的 停 留 时 间 更 短 因 而 其 工 作 稳 定 性 直 接 影 响 分 选 指 标 ， 这 已 为 试 验 所 证 实 要 保 证 浮 选 柱 的 工 作 稳 定 性 ， 具 体地 说就 是 如 何 维 持 下 导管 内高含 气 率 的 泡 沫 流 流 型 稳 定 不 变 ， 提 出 以 下 几 项 保持 浮 选柱 工 作稳 定性 的策 略 加 液面提升管 由静 压 力 学 平 衡 方 程 式 知 ， 阻 力 损 失 ， 尸 与 下 导管 内流 速 的 平 方 成 正 比 ， 也 即 与给 矿 压 力 直 接 相 关 当管 径 扩 张 较 大 ， 即 下 导 管 较 粗 ， 流 速 较 大 时 ， 这 项 阻 力 损 失 较 大 此 时 给 矿 压力 变 动 时 ， 这 项 阻力 损失值 变动 较大 ， 因而 会 直 接影 响 吸 气量 ， 从而 影 响到 下 导管 内流 型 发生 波 动 加 液 面提 升 管时 ， 这 项 压力损失 可 以 得 到 补 偿 ， 从 而 可 起 到 瞬 时快 速 提 升 液 面 的 作 用 实 际 生 产 中给矿 压力 不 可 能恒 定 ， 并 经 常处 于 波 动 状态 ， 加 液 面 提 升 管 可 以 缓 冲 这 一 压 力 波 动 造 成 的下 导管 内流 型 的波 动 ， 对保持 流 型 的稳 定 性 有 利 这 一 良好特点 已 为试验 所 证实 保证 矿浆流速大 于 临界流速 试验 已 证 明 ， 在 流速 较低 时 ， 浮 选柱 下 导 管 内会 出现充 不 满整 管 的段 塞 流 ， 它 先 于 液 串环 形 流 出 现 这 一 流 型 出现 ， 一 方 面 会影 响下 导管 内实 现 有 效 矿 化 ， 另 一 方 面 ， 下 导管 内的气段 进 人 分 离柱 内就 会形 成大气 团 ， 这也是 造成 浮 选 柱 浮 选 时 出现 气 团 、 液 面 翻 腾 的原 因之 一 因 而 在 试 验 或 生 产设计 中 ， 要 确保下 导管 内的矿浆 的流 速 大 于 出现段 塞 流 的 临界 流速 这样 可避 免 段 塞流 流型 造成 的危 害 加入起泡剂或其他表面活性剂 加 人 起 泡 剂 能降低 由泡 沫 流 转变 为段 塞 流 流 型 的 临界 流速 ， 也 即它 能扩展 泡沫流流 型存在 的 区域 这对于 浮选柱工作在较低压力下保 持稳 定性 是 十分有利的 同时 ， 起 泡剂或其他 表 面 活性 剂 的加人 ， 可 防止 气泡 兼并 ， 使之 弥散成 大量 小 气泡 ， 这 对下 导管 内的矿 化有利 ， 同时可 消除 或避 免在分离柱 内 ， 由于 气泡兼并而 形成气 弹对分 选造成 的不 良影 响 调节适宜的吸气室负压 吸气室 的负压 是 决定 浮 选柱 含气率 的 关 键 因素 在 一 定 的 给矿 压 力下 ， 吸气室 负压 越 低 ， 由压力平衡方程 式 知 ， 则下 导管 内的含 气 率 越 高 ， 这 对浮 选 矿 化 是 有 利 的 但 从 两 相 流 理 论分 析及 试验 已 证 明 ， 吸气室 负压 降低是 有 限度 的 负压过低 时 ， 在广泛 的矿浆压力范 围 内 ， 泡 沫 流 流型 就 会转变成 液 串环 形 流 流 型 ， 从而 会严 重 恶 化 浮 选条件 液 串环 形 流 不 仅严 重 影 响下 导管 内的矿 化 ， 也 造 成 分离柱 内 出现 鼓 泡 、 气 团和 液 面 翻 花等不 良分选条 件 因而 在 实 际生 产 中必须 予 以 避 免 其措施 是 保证 吸气 室 的 负压值要 高于 出现 液 串环形 流 流 型 的 临界 负压值 作者通 过 试 验 已 证 明 ， 一般要 控 制 吸气室 的负压值应 大于 表 中临界 负压值 的 一 倍 ， 即可 在 一般压力 波 动 范 围 内 ， 稳 定 维 持 泡 沫 流 流 型 ， 避 免 液 串环 形 流 的 出现 在 给 矿 压 力 较 低 即 流 速 较 低 时 ， 因 流 体湍 动 度相 对较 小 ， 系 数可 取 低 值 而 在 给 矿 压 力 较 高 时 ， 由于 流 体湍 动 强 烈 ， 波 动 变 化 影 响 较大 ， 该系数取高 限值 这样控 制 氏 ， 会使含气率 有所下 降 ， 试验表 明约降低 一 巧 倍 但这确 保 了 下 导管 内泡 沫 流 流 型 ， 从而 保 证 了 浮 选 柱稳定 工作在 优 良的流 型范 围 内 结论 浮 选 柱 保持 生 产 正 常 运 行 必 须 使下 导管 维持 泡 沫 流 流 型 ， 因而 其 含 气率是 有 一定 限 度 的 维持 高含气率泡 沫 流 的决定 性 因素是 提 高

VoL21 No.2 朱友益等：LH」浮选柱流体静力学研究 ·113· 射流的速度. 参考文献 (2)建立了LHJ浮选柱两相流的压力平衡关 1巴特沃思D,休伊特GF编.两相流与传热，陈学俊等 系式，该式揭示了下导管内含气率与液体流速、 译，原子能出版社，1985.10 吸气室负压之间的关系，表明了含气率的提高既 2 Marchese MM,Uribe-salas A.Finch J A.Hydrodynam 依赖于液体的流速，又依赖于吸气室的负压， ics of A Downflow Column.In:International Minerals (3)LHJ浮选柱在低流速下会出现段塞流和 Processing Congress.1993.813 高流速下出现液串环形流的现象，维持泡沫流不 3钟声玉，王克光.流体力学和热工理论基础.北京：机械 转变为液串环形流的临界负压值随流体压力增 工业出版社，1980.72 大而增加，试验得到维持泡沫流不转变为段塞流 4朱友益，张强，王化军，LHJ浮选柱充气性能的研究，金 属矿山，1996(11)：30~32 的最低临界流速约为0.22m/s, 5江山，高压水射流粉碎颗粒机理和技术的研究：[博士 (4)起泡剂的添加可降低维持泡沫流的最低 后论文】.北京：北京科技大学，1996,42 流速值，使LHJ浮选柱维持高含气率泡沫流. (5)提出了保持LHJ浮选柱工作稳定性的4 项策略， Investigation on Hydrostatics of LHJ Flotation Column Zhu Youyi,Zhang Qiang,Wang Huajun,Xun Zhiyuan Resources Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Condition to keep bubble flow pattern is analysised based on two-phases flow pattern. A main factor to keep high holdup bubble flow is shown.Pressure equation is set up by hydrostat- ics method for bubble flow pattern.Relationship among holdup negative pressure P in suction chamber,fluid velocity U are presented. KEY WORDS flotation column;flow pattern;hydrostatic;bubble flow

朱友益等 浮选柱 流体静力学研究 射 流 的速 度 建 立 了 浮 选 柱 两 相 流 的压 力 平 衡 关 系 式 ， 该 式 揭 示 了 下 导管 内含 气 率 与 液 体 流 速 、 吸 气 室 负 压 之 间 的 关 系 ， 表 明 了含 气 率 的提 高 既 依赖 于 液体的 流速 ， 又依赖于 吸气室 的负压 浮 选 柱 在 低 流 速 下 会 出现 段 塞 流 和 高 流 速 下 出现 液 串环 形 流 的现 象 维 持泡 沫 流 不 转 变 为 液 串环 形 流 的 临 界 负 压 值 随 流 体 压 力 增 大 而 增 加 试验得 到 维持 泡 沫 流 不 转变 为段 塞 流 的最低 临界 流速 约为 耐 起 泡 剂 的 添 加 可 降低维持泡 沫流 的最低 流速值 ， 使 浮选柱 维持高含气率泡沫流 提 出 了保 持 浮 选 柱 工 作稳 定性 的 项策略 参 考 文 献 巴 特 沃 思 ， 休 伊特 编 两相 流 与传热 ， 陈学 俊等 译 ， 原子能 出版社 ， ， 一 ， 钟 声 玉 ， 王 克 光 流体力学 和 热工理论基础 北京 机械 工 业 出版社 ， 朱友 益 ， 张强 ， 王 化军 浮 选柱 充气性能的研究 金 属矿 山 ， 一 江 山 高压水射流粉碎颗粒机理 和 技 术 的研究 博 士 后论文 北京 北京科技大学 ， ， ， 砰乙 扮 ， ， ， ， 中 ， ， 从 · 一 · 氏