旋流分离过程中强剪切力场分散微小团聚颗粒机制研究

Hydrocyclone is one of the most common operating units in metallurgy and mineral processing. Many in-depth researches have been done in its structural design and optimization. However, few literatures were reported in the mechanic study on the dispersion of the agglomerated fine particles by strong shear force field in the process of hydrocyclone separation. In this proposal, acid hydrolysis residues from titanium oxide production are presented as research system. On the basis of that, the process of the agglomeration among unreacted titanium oxide, water and silicon oxide is explored and the mechanics on its dispersion by strong shear force is resolved. The occurrence and profile of titanium will be described, and the quantitative relation between microstructure structure and soft agglomeration on the molecule scale is analyzed, by experiments and quantum mechanical simulation. Through the method of Particle Image Velocimetry and numerical simulation, the effects of turbulence multiphase flow field of three dimensional in hydrocyclone on the movement of fine particles will be studied. Finally, the mechanics eliminating or reducing the weak effect like van der waals or electric force among particles by shear force or centrifugal force in the flow field will be established, according to the distribution of surface force and volume forces of fine particles by numerical integration mechanism.The project results can provide the theoretical guide and technical support for the design and operation of complex multiphase system to obtain the high separation efficiency.

旋流分离是冶金化工与矿物加工过程中最常见的操作单元，国内外学者对其结构设计与优化开展了深入的研究工作，但是旋流过程中强剪切力场对微小团聚颗粒的分散机制研究匮乏，鲜有文献报道。本项目以回收钛白酸解渣中钛资源为研究体系，探讨钛铁矿小颗粒、水、泥沙之间形成浆态物的团聚过程，解析多相旋流场中强剪切力分散团聚小颗粒的机理。通过矿物工艺学实验与量子力学模拟，研究未反应钛资源的赋存状态和表面形貌，解析分子尺度上微观结构和团聚弱作用之间的定量关系；借助激光粒子测速手段，研究三维多相湍流流场的分布特性对微小颗粒运动的影响；采用数值计算积分求和，获得微小颗粒表面力和体积力的分布，最终确立强剪切旋流力场中离心力和剪切力消除或减小微小粒子间范德华力和静电力等弱作用的机理。通过分离效率实验，获得高分离效率的旋流分离设备结构，为复杂多相体系高效分离装备设计与操作提供理论指导和技术支持。

旋流分离机制与多相流体运动行为密切相关，深入研究两者之间的定性定量关系可实现分离过程调控和结构优化设计。本项目以回收钛白酸解渣中钛资源为研究体系，探讨钛铁矿酸解尾渣工艺矿物学特性，解析多相旋流场中强剪切力颗粒运动行为。采用激光粒度仪、XRD和XRF等对酸解尾渣进行工艺矿物学特性分析，发现酸解尾渣颗粒形貌、粒度、密度差异大，且大量的硅泥细颗粒易与水形成粘稠物，难以分离。酸解尾渣颗粒的自由沉降末速度受颗粒性质影响较大，颗粒的密度和粒度增大均使得自由沉降末速度增大，且粒度对自由沉降末速度的影响大于密度的影响。采用强剪切旋流分离方法，可以进行有效的钛资源回收，项目采用计算机模拟和分离性能实验两种手段研究了酸解尾渣钛资源高效回收过程。采用计算流体力学方法，建立了旋流多相强剪切流动场数学模型，并对多相流动模型进行了验证。考察了旋流器内部流场分布，剖析切向、轴向、径向速度分布规律，以及气液相界面的非定常运动规律；以分离效率、受力状态和运动轨迹为研究内容全面探讨了颗粒相的分离机制。.研究表明：流体曳力、压力梯度力和离心力的共同作用控制颗粒的运动。对于不同粒径颗粒的分离机制，单位质量颗粒所受径向流体曳力起决定性作用，而离心力和径向压力梯度力基本保持不变。在溢流离开的颗粒中，较大比例的颗粒运动时间较短，会快速运动至溢流管下端即进入内旋流。对于底流离开的颗粒，随着粒径的增加，颗粒会以更快的旋转速度，较为清晰的轨迹进入外旋流。研究还考察了颗粒密度、料液粘度、进料流量、进料方式和分流比对颗粒相分离特性与运动行为的影响。通过响应曲面方法进行高精度旋流器设计，发现溢流管直径是影响分级精度的关键结构参数，其次为锥段长度，进口直径和底流管直径的影响最弱。通过优化结构得到的旋流分离设备可以底流回收颗粒中含有较少的细颗粒泥渣，无需二次溢流漂洗；减缓了“溢流跑粗”导致的过多钛矿损失，钛回收率超过50 %。