大型充气式浮选机短路和死区多因素耦合机制及浮选时间放大关系模型

The efficient application of large flotation machine is seriously confined by the contradiction between rapid development of flotation machine scale-up and the poor configuration method.However, it is not feasible to solve the configuration method of large flotation machines scientifically by experience accumulation and the theoratical innovation is demanded to guide the engineering practice. It is necessary to analyze the short circuiting and stagnant volume impact mechanism,which is the universal foundation to solve the configuration problem and flotation time scale-up for large flotation machines. And short circuiting and stagnant volume are results of the complex multiple-factor coupling such as microcosmic fluid dynamic characteristic, RTD performance and circualtion capacity of flotation machine.The investigation develops by combining advanced experimental fluid mechanics, computational fluid mechanics and theoretical analysis and firstly reveals the microcosmic mechanisms of stirried and mixed performances such as the fluid dynamic characteristic, short circuiting and stagnant volume from fluid dynamics prospective.The prediction models and relationship models of RTD characteristic and circulation volume of large flotation machine are established from macroscopic view and multi-factor coupling mechanisms of short circuiting and stagnant volume are explained sequentially.Based on quantitative models of short circuiting and stagnant volume,the relationship model of flotation time scale-up is built from the short circuiting and stagnant volume aspects.Thus it could provide theoretical support for flotation circuit optimization configuration.The project implementation will not only promote technical progress of mining and metallurgy equipments, but also contribute to the development of multiphase fluid mechanics and mineral engineering subject.The research posseses both academic significance and engineering application value.

浮选机大型化快速发展同落后的配置方法间的矛盾严重制约了我国大型浮选机高效应用。而解决大型浮选机科学配置难题不能再寻求借助经验积累的模式，亟需理论创新指导工程实践。厘清浮选机内短路和死区作用机制是解决大型浮选机配置模式和浮选时间放大等关键问题的共性基础。短路和死区是浮选机微观流体动力学特征、停留时间分布特性和循环能力多因素复杂耦合的结果。项目利用先进实验流体力学手段，计算流体力学与理论分析相结合的方法，从流体动力学角度揭示动态体系浮选机流动特征、短路和死区等搅拌混合特性的微观机理，从宏观上建立大型浮选机停留时间分布特性和循环能力量化预测模型及其关系模型，从而阐释短路和死区多因素耦合机制。基于建立的短路和死区量化模型，构建大型浮选机浮选时间放大关系模型，为流程优化配置提供理论支撑。项目的实施不仅有利于矿冶装备技术进步，也将促进多相流体力学和矿物工程学科发展，既有学术意义又有工程应用价值。

浮选过程涉及气液固三相流动，使得浮选机的流体动力学研究十分复杂。项目采用实验流体力学和计算流体力学方法，从微观流场特征和宏观动力学性能参数入手开展项目研究。在多相流流体动力学研究方面，利用PIV等技术获取了循环流场、气泡直径、气含率及其分布等特征，加深了对浮选机内流动的认识。通过相间作用力模型的修正，形成了浮选机的多相流仿真模型。揭示了浮选机内的气液分散、搅拌混合和碰撞粘附。在循环能力量化方面，基于CFD仿真形成了浮选机循环能力量化方法。实现了对320m3和680m3等大型浮选设备循环能力的测试，首次量化了我国大型浮选设备的循环量。系统探究了不同叶轮、定子结参数对循环量的影响，建立了循环量、功耗和气量、转速等相互关系。揭示了系列浮选机的关键动力学参数，定义了循环量密度、功率强度等浮选机动力学参数，建立了基于CFD的浮选机动力学参数分析方法，完善了浮选机的放大方法。在停留时间分布与短路、死区关系方面，采用拉格朗日方法研究了固相颗粒流的运动轨迹，探索短路和死区的可视化描述。研究确定了基于电导率的实验室浮选机RTD测试方法和基于荧光示踪的工业浮选机RTD测试方法。30L实验室浮选机的停留时间分布特性与理想搅拌反应器相似，表明浮选机具有很好的搅拌混合效果。在世界上最大的容积680m3浮选机上开展了RTD测试，平均停留时间为理想停留时间89%。采用欧拉-欧拉方法形成了停留时间分布特性的仿真模型和方法。展示了示踪剂的流动过程，可以直观观察短路和死区。从停留时间分布角度，实现了短路和死区概率的量化。系统研究了多相体系下，给矿量、转速、固含率和固相浓度等对停留时间分布的影响，揭示了平均停留时间、关键操作和运转参数与短路、死区的关系。论证了工业浮选流程的浮选时间放大方法是可靠的和科学的。基于关键多相流流动特征的量化，形成了以CFD为主要手段的浮选机优化设计方法。项目研究优化了浮选机搅拌系统，逐渐形成了中置叶轮系列浮选机并实现了世界最大的680m3浮选机的高效开发。