- 介绍
许多现代矿物加工厂采用工作容积为1000-5000立方米的大型储罐，以保持连续湿法冶金过程中的固体悬浮，如浸出，氧化，沉淀，中和，储存。 这些大型储罐含有各种流变性质的流体，从含有快速沉降固体颗粒的低粘度液体到高度非牛顿剪切的缓慢稀化沉降流体。
向下泵送的轴流叶轮和挡板广泛用于在矿物加工工业中装配有功率范围50-200千瓦的流体处理罐。 传统上认为轴流式或混流式叶轮比装有垂直挡板的箱体中的离心式固体悬浮液的径流式叶轮更节能。这些研究大多涉及牛顿流体，在小型实验室中低粘度，几乎总是安装挡板。
自20世纪90年代初以来，英联邦科学和社会科学院澳大利亚工业研究组织（CSIRO）通过与矿物加工行业紧密合作，开展了广泛的实验室研究，以开发更高能效的搅拌设计，以解决大型浆罐中的操作问题。 这些研究表明，通过去除大型储罐的挡板以缓慢旋转的流动模式操作时，可以“容易地”获得许多独特的优点。例如，可以实现改进的悬浮混合，降低的沉降和增加的固体浓度 当在拆下挡板时在旋流中操作时，对于相同的功率输入，并且具有相同的工艺完成性能（提取率）。
在澳大利亚的昆士兰氧化铝精炼厂成功地应用了一种涡流搅拌设计，其中包括靠近罐顶部的径流式叶轮，以便在氧化铝预沉淀池中对破碎的管式搅拌器进行改造。 在撰写本文时，这已应用于22个储罐，每个储罐容积为2500-3000立方米，用于减少规模增长和其他优势。 在瑞典LKAB的一个大型活性磁铁矿铁矿石矿浆罐（4000立方米）中实施了另一个旋流设计，其中包括靠近罐底的轴流式叶轮，以实现混合添加剂的戏剧性改进 散装泥浆，再次用于与原始安装相同的功率输入
鉴于旋流方法的成功，在实验室和全尺寸矿物工厂中对含有快速沉降固体颗粒的大多数低粘度液体（即基本牛顿水状砂浆）都一致表明，探索其合乎逻辑的 更多粘性流体的机会。 在矿物加工工业中，这通常意味着具有非牛顿剪切稀化流变特性的流体，其可能具有可测量的屈服应力。
关于在搅拌槽中混合非牛顿剪切稀化流体的文献一直关注于旋转叶轮周围的空穴特征。在洞穴中，流体很好地循环和混合，而在洞穴外侧，流体停滞或变形 慢慢地，他们几乎一动不动。
另一个相关的独特现象是早在20世纪60年代就形成了一些孤立的混合区域。 隔离混合区（或IMR）是指受限混合区的区域，明确界定隔离.IMR通常存在于低雷诺数下，例如牛顿流体的Re lt;150，基于使用Rushton搅拌器或沥青叶片搅拌器的测试显示CSIRO。IMRs存在于非牛顿流体的洞穴内部，如图1所示。
可能不言而喻的是，随着粘度的增加，储罐中的速度会下降，并且存在外侧洞穴的延长的滞留区可能随着屈服应力的增加和非牛顿流变学的增强而发展。 停滞区容易通过沉降结垢机制快速生长，其可以被认为是固体通过在罐表面沉淀的微小颗粒“粘合”成团块。因此，较低的壁速度，滞留区可能物质上 损害储罐处理生产力，例如 通过缩小工作体积造成的损失，混合不良造成的试剂使用量增加，除垢和沉淀清理作业所需的停机时间增加。 由于所涉及的有害污泥材料的数量庞大，回收大型水箱时由于沉淀和结垢的累积而停止从搅拌器的沼气中回收的生产损失和人工成本可能很大。
因此，提高沿罐壁和底部的流体流动循环速度至关重要，以最小化结垢生长和固体沉降。 然而，在可用电机功率容量限制内实现更高的速度也很重要。 需要说明的是，由于叶轮尖端的腐蚀磨损的限制，电机容量限制和涉及的高成本，简单地用较高功率增加搅拌器速度以解决这些问题在大规模混合罐中通常是不切实际的。 一旦建成后，增加大型搅拌器系统（包括齿轮箱，电机，电力供应和轴支撑结构）的容量通常成本高昂; 预计未来这种情况会变得更加严重，因为出于经济原因，在矿物加工行业有建设更大的加工罐的趋势。 因此提高搅拌流能效是非常重要的。
本文的目的是总结在CSIRO中混合粘性牛顿和非牛顿流体的实验室研究中开发的搅拌器设计方法，以解决矿物工业中的实际问题。 重点是在了解所涉及的流体动力学基础知识的基础上开发实际的设计改进。 在现场生产湿法冶金工艺中实施这些设计改进的大型流体罐已经为矿物工业带来了巨大的经济效益。 该评论包括CSIRO在过去20年间在许多技术期刊，会议和工业技术报告中发表的关键成果。
图 1
- 实验装置和技术
2.1．混合测试设置
图2（a）和（b）显示了CSIRO罐测试设备的典型设置。测试箱由透明丙烯酸材料制成，安装在外部玻璃方形容器中（出于光学原因）。叶轮安装在配备有Ono Sokki SS101扭矩和速度检测器的测试箱的中心轴上。使用Milltronics XRS5超声波换能器监测液体高度（H）。使用装备有National Instruments数据采集板的个人计算机记录速度，扭矩和液位。这些实验通常是以分批模式进行的，因为通常发现与来自叶轮的搅拌相比，对于这样的大罐而言，通流的影响通常是微不足道的。电机/变速箱由变频器驱动。
2.2．非牛顿模型流体
在一些测试中，使用卡波姆聚合物或羧甲基纤维素（CMC）制成的溶液在一定浓度范围内与从屈服应力低到非高牛顿的满量程流变学匹配。聚合物溶液由于其光学透明性和所需的低浓度（例如0.1-2％w / w）而被使用，这意味着更少的材料处理工作量以及更容易的处理。如有必要，商业购买碎玻璃颗粒可以被添加以产生模型流体。
在其他测试中，也使用由自来水，沙粒和粘土（高岭土）颗粒组成的泥浆。采用这种方法几乎可以“完全”复原全尺寸浆体物理性质，并且具有完全匹配的流变学和粒度分布。用这种方法制作的模型泥浆是不透明的，但是视觉研究在透明壁处的流动是可能的，其通常是合适的（例如，用于研究底部沉降深度）。然而，这种方法在制备流体材料时涉及高工作量。
为了模拟低粘度流体，通常使用水和砂或玻璃颗粒;有时加入低浓度的聚合物以调节液体粘度，例如，几倍于水的粘度。
图 2
2.3．测量沉淀状态和死角
在实验室中通过透明的罐壁目视研究罐底部中的液体/固体流动，记录相对于叶轮速度标记为HB的沉积物圆角深度高度，随着速度从全固体的速度降低 悬吊条件（更高速度）。 刚刚离开底部的速度N被定义在HB = 0的点处。 使用直接从罐侧壁测量的外周平均HB值是很方便的。 这一措施对于全面作业也更为重要，因为在油罐壁附近形成的沉积物可能会堵塞检修孔并在维护期间造成问题。 沉积在墙附近的深度有时是通过热成像技术或全尺寸工厂中的浸入管来测量的。
在适当的情况下，上部圆角长度HU用于表征罐顶部停滞区的尺寸，也可用肉眼测量。
2.4．速度测量，染料流可视化和CFD
使用TSI 2D光纤激光多普勒测速仪（LDV）系统在混合罐中测量速度分布。 速度测量仅使用透明液体，水或卡波普尔溶液进行。
染料溶液通过将粉状染料溶解在感兴趣的模型流体中来制备。 使用少量商业来源的食品染料制备染料注射剂。
计算流体动力学（CFD）建模也使用流场分析商业软件包（ANSYS CFX13.0）。
- 结果
3.1．基本原理
在使用搅拌混合的情况下，雷诺数通常定义为：
其中rho;是流体（例如流体混合物）密度（kg / m3），N是搅拌器转速（转/秒），D是叶轮直径（m），micro;是粘度（Pa s）。 对于非牛顿流变学，粘度是剪切速率gamma;（1 / s）的函数。由于整个搅拌槽的剪切速率不同，所以使用平均叶轮泵送剪切速率：
gamma;=KsN
Ks用于轴流式叶轮; Ks代表径流式叶轮，其中N是流量数随着雷诺数降低，高粘度流体的混合变得更加困难。它不是一个技术问题，因为给予足够的能量，无论多么粘稠，流体几乎总是可以混合的。相反，这是一个经济问题：例如，通过增加轴速度来增加壁面速度以减少结垢增长可能需要限制电动机和齿轮箱的功率容量。因此，高能效搅拌器设计在矿物行业的大规模尺寸和通用环境下尤为重要。
因此如下引入无量纲速度效率参数是有用的：
其中V是壁面速度（m / s），P是功率（W），T是罐体直径（m），rho;是前面定义的浆体密度。的意义在于，越大，对于每个槽表面积的给定功率可以产生的速度越大。 需要强调的是，对于给定的罐尺寸，各种叶轮设计的能效（包括类型，直径和安装位置等的变化）可以用来比较。 稍后将会清楚的是，这是由于驱动这种定义的实际原因，例如，缩放而不是混合均匀性。
3.2．雷诺数50-500
3.2.1．叶轮间距效应
早在20世纪90年代，CSIRO的科学家就使用了聚合物溶液（卡波普尔），该溶液表现出假塑性屈服应力，以模拟在氧化铝工业中的baux-ite脱硅储罐中遇到的流体。流动可视化表明，叶轮上的轴流叶轮叶片被停滞，在叶轮流动池之间形成广泛的滞留区。这相当于氧化铝精炼厂（昆士兰氧化铝公司）全尺寸混合容器中的大规模升级。 借助视觉流量观测，他们能够重新定位叶轮（最多4个叶轮），以实现接近理想的混合，即最小化“洞穴”之间存在的停滞区域。随后在脱硅池（9个池，每个池容量为1000立方米）中安装改进后的设计改善了壁面附近的流量，从而减少了规模增长，从而大大增加了油箱使用寿命，即在油箱停机时间 规模大大减少。
图3（a）显示了最近在CSIRO进行的一项关于铀矿石流体浸出过程的案例研究的搅拌罐配置（基础设计）示意图。标称Re是200。图3（b）显示了通过前面提到的类似优化过程开发的改进设计。为了可视化混合流动模式，将具有与本体流体粘度相似粘度的深蓝色染料注入到红色即“洞穴”区域的充分混合流体中。图4（a）和（b）记录了从两个设计选项的侧面（左侧）和顶部（右侧）观察的混合模式。可以判断，在基础箱体设计中（见图4（a）），在箱体上部存在大的未混合区域，如由未混合的散装浆体（红色）蓝色染料（在测试过程中除了一些蓝色染料泄漏外）。在改进设计（图3（b））中，顶部叶轮向上移动大约0.45叶轮直径，从图4（b）可以看出，混合得到了明显改善：未混合的上部与原始设计（基本情况）相比，红色圆角减少了很多。
图5（a）和（b）显示了全尺寸尺寸下两种设计配置的CFD模拟。 如上表1所示，上部圆角区域的速度增加。记录单位功率的速度变化，即速度系数（g）是有用的。 可以看出，对于上部圆角区域中的壁面速度，g在基础壳体设计中从0.03改变为改进设计中的0.11。
图 3
图 4
图 5
3.2.2．叶轮桨距角效应
本节将展示，除了重新定位叶轮间距以使混合良好的流动池（即洞穴）外的停滞区最小化之外，还可以通过在低雷诺数下利用剪切稀化流变学特性来增加洞穴中的速度。
Wu等人 （2006a）基于名义雷诺数为96的测试结果得出结论，壁的速度随着叶轮桨距角的变化而变化，以保持恒定的功率输入。在减小俯仰角（即偏移10度）的情况下，与来自市售叶轮（Lightnin A310）的标准设计相比，实现了大约25％的速度效率参数增加。据推测，当功率输入相同时，当以较低的桨距角以较高的推进速度运行时，由于表观粘度降低，所以效率提高。表2列出了在中等高度（液体的50％ 作为雷诺数在层流状态中的函数，其中速度表示为无量纲系数g。图6给出了基于这些测量的速度系数的相对变化：
下标表示偏移俯仰角。可以说，在雷诺数较低的情况下，壁面速度的显着增加可以通过减小俯仰角来实现，并且在相同功率输入下旋转得更快
有意义的是，发现在低雷诺数下对于非牛顿流变学流体存在这种每单位功率输入的速度增加的效应（即流动循环效率）。随着雷诺数降低，这种效应变得更明显。图6所示的相对增加率为Re60的70％，而Re96的相对增幅为25％。随着雷诺数的增加，这一效应从相同的数字中显而易见地减小。实际上，Wu等人（2006a）得出的结论是，在水中运行时，叶片数和桨距角的变化对能效只有微小的影响，而商业上可用的轴流式水翼叶轮在运行时基本上“同等节能” 低粘度流体。
3.2.3．轴倾斜和偏移
为了使混合高粘度流体的能力更小，Wang等人（2013b）尝试了一些非常规的设计概念，将雷诺数为60的小型罐中的甘油溶液混合。脱色可视化 技术被作者用来确定混合均匀性的状态和完全混合的时间。 据发现，如图7（b）所示，在增加的轴角（20°）下，与图7（a）中已知的分离模式相比，在短时间内可以实现完全均匀的持久性 超过传统设计中“无限”的时间。 分离的混合区域（IMR）在这里是明显的环状结构（Wang等人，2013a）
尝试的另一个概念是轴的偏移。 脱色可视化测试表明，虽然功率增加，但轴偏离中心的混合速度快得多。有意义的比较应基于混合动作时消耗的能量：完全混合所需的比能 可以用于比较：
其中P是轴功率，V是罐容积，tm是混合时间。 对于垂直竖井的基础外壳设计，IMR永久存在，即tm = 1，E要求是无限的; 在20°的倾斜井角处将其减小至800kJ / m 3的有限值。将轴偏移了油箱半径的20％（在20°倾角处），发现进一步减少4倍至200kJ / m 3 ），请参阅Wang了解更多详情。
3.3．雷诺数500-2000
在最近一项关于另一个铀浸出加工油箱的研究中，在实验室测试中使用了由粘土（高岭土），水和粗砂颗粒制成的合成泥浆。流体表现出屈服应力（3.5 Pa
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