變徑分選床中顆粒運(yùn)動(dòng)分析

變徑分選床中顆粒運(yùn)動(dòng)分析

目前，中國已形成了對廢棄木材資源化的研究熱點(diǎn)，并開展了大量有效的研究工作。廢棄電路板主要處理方法包括濕法溶蝕、火法冶煉和物理分選,國際上推行的方法主要是物理分選。變徑分選床是一種基于物理分選理論的廢棄電路板資源化處理設(shè)備,具有投資少、回收率高、環(huán)境污染小等特點(diǎn)。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),入選物料中的等沉顆粒容易在床體下壁面堆積,難以有效分離。針對這一情況,筆者對原有流化床進(jìn)行了改進(jìn),并對等沉顆粒在新型變徑分選床中的運(yùn)動(dòng)特性與分離機(jī)制進(jìn)行了研究。1變直徑分類床1.1床體、入料系統(tǒng)變徑分選床系統(tǒng)主要由分選床、水箱、泵、流量計(jì)及其他附件組成,改進(jìn)后的分選床在床體下壁面增加了多個(gè)頂水管,可以通過閥門調(diào)節(jié)進(jìn)水量,如圖1所示。床體呈圓臺(tái)體,頂端直徑200mm,底端直徑120mm,軸向高800mm,傾斜放置。床體使用透明有機(jī)玻璃材質(zhì),便于實(shí)驗(yàn)觀察。床體頂端設(shè)有溢流口,底端設(shè)有底流口,上方布置入料系統(tǒng)。工作時(shí),廢棄電路板經(jīng)拆解、破碎后給入拌料桶,加入適量水增加物料的流動(dòng)性,自床體上部給入。水流由頂水泵打入管路,通過流量計(jì)和閥門控制水量,自床體底端給入,通過水力分布器在進(jìn)水端橫截面上均勻分布。物料在擾動(dòng)水流作用下分層,低密度小顆粒隨溢流排出,高密度大顆粒隨底流排出。分選后的物料通過濾布脫水后收集,經(jīng)濾布脫除的水進(jìn)入水箱循環(huán)利用。1.2改進(jìn)的分床模型為方便研究,建立三維直角坐標(biāo)系:X軸沿紙面水平方向,Y軸垂直于紙面方向,Z軸平行于重力場方向。流體主要沿X、Z軸方向運(yùn)動(dòng),因此以XOZ平面上分選床軸截面為例分析床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)情況。根據(jù)分選床內(nèi)介質(zhì)流場分布和顆粒運(yùn)動(dòng)情況,將其內(nèi)部分為5個(gè)區(qū):紊亂區(qū)、分離區(qū)、輸送區(qū)、邊界區(qū)和底流區(qū),如圖2所示。入料首先進(jìn)入紊亂區(qū),在渦旋作用下迅速松散,實(shí)現(xiàn)初步流態(tài)化。紊亂區(qū)顆粒在合力(見圖3(a))作用下向上、向右運(yùn)動(dòng)進(jìn)入分離區(qū);分離區(qū)中水流速度逐漸降低使重力G在豎直方向上成為主導(dǎo)力,如圖3(b)、(c)所示,顆粒向下、向右運(yùn)動(dòng);密度低、粒度小的輕顆粒在合力F作用下(如圖3(d)所示)進(jìn)入輸送區(qū),從溢流口排出;粒度和密度介于中間的中間顆粒中,沉降末速和慣性力偏小的顆粒進(jìn)入輸送區(qū)后,少部分脫離輸送區(qū)進(jìn)入邊界區(qū);沉降末速和慣性力偏大的重顆粒進(jìn)入邊界區(qū);邊界效應(yīng)產(chǎn)生的粘附阻力和重力作用使得邊界區(qū)的水流低速回流。進(jìn)入邊界區(qū)的顆粒在低速水流的作用下沿壁面緩慢運(yùn)動(dòng),容易堆積。改進(jìn)后的分選床在下壁面增加了頂水管,顆粒受到來自頂水的力FX2和FZ2的作用,如圖3(e)所示,脫離邊界區(qū),進(jìn)入分離區(qū)進(jìn)行二次分選;脫離邊界區(qū)的顆粒受力如圖3(c)所示,向下、向右運(yùn)動(dòng),再次進(jìn)入邊界區(qū)。顆粒在分離區(qū)和邊界區(qū)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng),其中高密度、大粒度顆粒逐漸趨近底流口,密度和粒度處于中間值的顆粒根據(jù)沉降末速和慣性力的不同,一部分向底流口趨近,另一部分向溢流口運(yùn)動(dòng),少部分顆粒成為錯(cuò)配物。不同特性的顆粒在分選床中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。2等沉積運(yùn)動(dòng)分析2.1基于顆粒運(yùn)動(dòng)模型的求解變徑分選床主要根據(jù)顆粒的沉降末速差異實(shí)現(xiàn)分選,等沉顆粒具有相同的沉降末速,但在達(dá)到相同末速度的過程中卻存在運(yùn)動(dòng)時(shí)間和位移差異。為簡化研究,做出以下模型假設(shè):(1)顆粒為均勻球體,物性參數(shù)為常數(shù);(2)由于分選床內(nèi)顆粒濃度低,忽略粒間作用力和顆粒自身旋轉(zhuǎn)阻力Magnus力;(3)顆粒加速達(dá)到沉降末速的時(shí)間比較短,可以忽略Basset力;流化床是一個(gè)有界的限制流場,可忽略Saffman力;因此可認(rèn)為顆粒主要受到重力G、浮力f和介質(zhì)阻力R的作用?；谝陨霞僭O(shè)推理得到的顆粒運(yùn)動(dòng)模型適用于稀相分選床。顆粒在靜止介質(zhì)中自由沉降時(shí),在重力G、浮力f和介質(zhì)阻力R的綜合作用下運(yùn)動(dòng),其加速度為:式中:υ為顆粒的相對運(yùn)動(dòng)速度,m/s;t為時(shí)間,s;ρs為顆粒密度,kg/m3;ρ為介質(zhì)密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;ψ為阻力系數(shù);d為球形顆粒的直徑,m。當(dāng)介質(zhì)阻力增大到R=G-f時(shí),顆粒達(dá)到自由沉降末速υ0:2.2等沉顆粒積分、變換有假設(shè)球形顆粒在介質(zhì)中做自由沉降時(shí),在湍流區(qū)速度從υⅡ到υt用時(shí)為tⅢ,ψ=π/18,則對式(1)積分、變換有:由式(3)可知,等沉顆粒經(jīng)歷相同速度區(qū)間變化的用時(shí)比(tⅢ2/tⅢ1)為:式中:下標(biāo)1、2表示等沉顆粒1、2。由式(5)可知,若ρ<ρs1<ρs2,則恒有tⅢ2<tⅢ1,即在等沉顆粒以相同速度開始在湍流區(qū)沉降過程中,總是密度大的顆粒先達(dá)到某一沉降速度。2.3沉降速度和沉落距離差在式(3)中,令,變換、積分得到沉落距離(s,m):當(dāng)t1=t2→+∞時(shí),將A值、ψ值及式(2)代入式(6)可得兩等沉顆粒在湍流區(qū)從沉降速度υⅡ起始形成的沉落距離差Δs:由式(7)可知,兩等沉顆粒在自由沉降過程中,從一相同沉降速度無限接近于沉降末速過程中,存在極限沉落距離差。3等沉淀分離試驗(yàn)3.1試驗(yàn)2:單次給料量采用自然收集的廢棄電路板進(jìn)行拆解、破碎和篩分作業(yè),得到的物料中金屬成分主要是鋁和銅,呈長條形;非金屬成分主要是基板樹脂,呈片狀。選用4組不同物料進(jìn)行平行試驗(yàn)。試驗(yàn)物料組成與性質(zhì)如表1所示?？紤]各組物料存在密度和粒度差異,為提高分選效果,需要設(shè)置不同的試驗(yàn)參數(shù):(1)對于A、B組物料:介質(zhì)流量,6m3/h;給料速度,100g/min;單組試驗(yàn)給料量,200g;金屬品位,30%;床體傾角,25°;頂水流量:0.05m3/h。(2)對于C、D組物料:介質(zhì)流量,4m3/h;給料速度,100g/min;單組試驗(yàn)給料量,200g;金屬品位,30%;床體傾角,35°;頂水流量:0.03m3/h。改變頂水閥門開/關(guān)狀態(tài),分別對4組物料進(jìn)行分選試驗(yàn),待底流口和溢流口不再有物料排出的2min之后收集底流、溢流和床體內(nèi)滯留產(chǎn)品,分別進(jìn)行烘干、稱重和品位化驗(yàn)分析。分選效果采用金屬回收率和精礦品位兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。3.2頂水狀態(tài)下床體內(nèi)部物料滯留率將式(2)和表1中A組非金屬成分?jǐn)?shù)據(jù)代入式(7)可以得到:設(shè),代入式(8)可得ΔsA=1.5lnM;設(shè),同理可得ΔsB=0.9lnM;ΔsC=1.5lnN;ΔsD=0.9lnN。不同物料在湍流區(qū)沉降速度從υⅡ到υ0過程中,,所以M≤N。由式(5)可以得到,非金屬和金屬成分物料沉降等速用時(shí)比t2/t1。各組物料分選結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,不給入頂水時(shí),落入邊界層的顆粒容易堆積,滯留率(即滯留產(chǎn)品產(chǎn)率)超過10%,滯留金屬品位超過17.5%,導(dǎo)致金屬回收率不足93%,嚴(yán)重影響排料速度和分選效果,如第3、4、7、8組數(shù)據(jù)。給入頂水后,床體內(nèi)部物料滯留率可降低至0.6%以下,滯留物主要是少量片狀樹脂在邊壁粘滯阻力作用下吸附于壁面上,金屬回收率最高可達(dá)99.32%;顆粒密度相同時(shí),等沉比大的顆粒錯(cuò)配率低,精礦品位高,金屬回收率大;等沉比小的顆粒粒度和密度差異不明顯,少部分沉降末速大的非金屬顆粒容易錯(cuò)配進(jìn)入底流區(qū),降低底流產(chǎn)品品位,但依然具有很好的精礦回收率,如第1、2和5、6組數(shù)據(jù);顆粒等沉比相同時(shí),高密度物料具有更高的底流產(chǎn)品品位,低密度物料底流產(chǎn)品品位較低,但若適當(dāng)降低介質(zhì)速度,可以有效提高金屬回收率,如第1、5和2、6組數(shù)據(jù)。比較1~6組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),沉降等速用時(shí)比t2/t1和極限沉落距離差Δs越大越有利于物料分選,7、8組數(shù)據(jù)異常是因?yàn)殛P(guān)閉頂水后物料滯留量增大導(dǎo)致金屬回收率降低;第1和3、2和4、5和7、6和8組試驗(yàn)中,t2/t1和Δs分別相同,但給入頂水時(shí)金屬回收率更高,說明頂水可以有效增加沉積顆粒分選次數(shù),改善分選效果,但不會(huì)影響床體內(nèi)流場分布。4顆粒分離和回收率(1)變徑分選床內(nèi)部可分為紊亂區(qū)、分離區(qū)、輸送區(qū)、邊界區(qū)和底流區(qū),實(shí)現(xiàn)對入選物料的快速松散、易選物料的有效分離、難選物料的多次分選和產(chǎn)物的輸送作