赤泥加壓下的流變特性實驗研究

王 焱,吳鈺晶

(1.中國有色礦業(yè)集團有限公司 北京 100029; 2.安標國家礦用產品安全標志中心 北京 100013)

赤泥加壓下的流變特性實驗研究

王 焱1,吳鈺晶2

(1.中國有色礦業(yè)集團有限公司 北京 100029; 2.安標國家礦用產品安全標志中心 北京 100013)

赤泥是鋁土礦中提煉氧化鋁的廢棄物,但仍有回收利用價值,將赤泥通過高壓管道輸送到目的地,能夠減少二次污染.研究壓力對赤泥流變特性的影響是高壓管道輸送赤泥的重要理論基礎.鑒于此,用PVS高溫高壓流變儀分別在常壓、2 MPa、4 MPa壓力下對60%的赤泥進行流變測量,實驗結果表明赤泥的表觀黏度、屈服應力值隨壓力的增大而減少.并根據擬合得到的流變方程,利用積分法推算出了不同壓力下赤泥管道輸送單位長度摩阻損失的一般表達式,為高壓管道輸送赤泥系統提供理論基礎.

赤泥;流變特性;表觀黏度;高壓;管道輸送

1 概述

赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁過程中產生的廢棄物,屬強堿性有害殘渣,含水率高,容重700～1 000 kg/m3,比表面積0.5～0.8 m2/g[1].據資料介紹,大多數生產廠每生產1t氧化鋁同時產出1.0～1.8 t赤泥[2-3],目前全世界每年產生的赤泥約5 000萬t;我國每年產生的赤泥為400萬t以上[4-5],現今國內赤泥累積堆存已超過1億噸[6].赤泥大量堆放占用了大量土地,也造成嚴重的環(huán)境污染[7].

采用高壓管道輸送赤泥,以其封閉輸送無污染、對地形適應性強、少占土地、基建投資低等優(yōu)點成為輸送赤泥的最優(yōu)途徑.本文主要研究加壓下赤泥的流變特性,并得到壓力對赤泥流變特性的影響以及不同壓力下輸送赤泥的單位長度摩阻損失模型.該研究對赤泥高壓管道輸送、指導工業(yè)生產與應用具有很重要的理論意義和現實意義.

2 測試原理及其表達方式

赤泥屬于典型的高濃度粘稠物料,其流動特性與煤泥和其他膏體類物質(如水泥漿等)相似,都屬于非牛頓流體范疇[8-9].非牛頓流體的黏度用表觀黏度來描述,表觀黏度是剪切應力被剪切速率除得的與剪切速率相依的商數,用η表示:

式中:τ—剪切應力,Pa;

3 赤泥流變加壓下特性測試結果及其分析

此次實驗的赤泥來自山東鋁業(yè)股份有限公司第二氧化鋁廠(淄博),由于赤泥久置、干化嚴重,原始狀態(tài)的赤泥不溶于水,溶于堿性溶液,因此在赤泥中加入一定量的碳酸鈉(Na2CO3)溶液后經過充分攪拌,使得赤泥達到實驗所需狀態(tài).實驗赤泥的體積質量1.8～1.85 g/cm3,加入的Na2CO3與赤泥的重量比為1∶15.

3.1 剪切速率與剪切應力的關系

對含固量為60%赤泥在室溫下進行不同壓力的測試,得出赤泥的剪切應力與剪切速率的關系,并根據描繪出的關系圖判定該介質的性質.下面為常壓、2,4 MPa下赤泥流變特性曲線,見圖1.

圖1 赤泥在不同壓力下的流變特性

將濃度60%赤泥在常壓、2,4 MPa壓力下擬合的流變方程、流體類型總結到表1.

表1 赤泥的流變特性及流變參數(含固量60%)

可見在壓力≤4 MPa時,赤泥為賓漢流體,對賓漢流體施加的切應力只有超過屈服應力τ0時才能產生流動.隨壓力增高赤泥屈服應力減少,表明壓力越大,所要對赤泥施加的力越小,赤泥越容易流動,故管道輸送赤泥時壓力越大越好輸送.

3.2 測量壓力與表觀黏度關系

溫度和壓力是影響物質流變特性的兩個重要因素[10],在赤泥管道輸送中壓力的影響很重要,所以研究赤泥與壓力的關系很必要.根據所做實驗的數據可得,赤泥(濃度60%)表觀黏度與壓力關系曲線圖如下.

分析圖2曲線可知隨壓力增加赤泥表觀黏度隨壓力增加有減小趨勢.

3.3 流變方程與單位長度摩阻損失模型

表2 不同壓力下赤泥表觀粘度

圖2 濃度60%赤泥表觀黏度與壓力關系圖

(1)

式中:r—圓管截面任意點距管道中心處的距離;

τ—圓管截面上距管道中心半徑r處剪切應力;

L—管路長度;

Δp—長度為L的管道上所對應的壓力降.

3.3.1 一般計算式推導

由所做60%赤泥實驗所確定的流變特性可知,可將其流變方程的一般形式統一表達為:

(2)

τ—剪切應力;

τ0—屈服應力;

k—稠度系數,取決于流體性質;

n—流變指數,無因次,表示偏離牛頓流體的程度.

當τ0≠0且n=1時,式(2)即為60%赤泥的流變方程(賓漢型非牛頓流體的流變方程).

將式(2)代入以非時變性黏性流體圓管層流壓降和流量的關系式中:

(3)

式中:Q—圓管層流流量;

L—管路長度;

Δp—長度為L的管道上所對應的壓力降;

τ—剪切應力;

τ0—屈服應力;

k—稠度系數,取決于流體性質;

n—流變指數,無因次,表示偏離牛頓流體的程度.

其中,

(4)

式中:τw—管壁切應力;

τ0—屈服應力;

k—稠度系數,取決于流體性質;

n—流變指數,無因次,表示偏離牛頓流體的程度.

(5)

式中:Q—圓管層流流量;

P—摩阻損失;

τ0—屈服應力;

k—稠度系數,取決于流體性質;

n—流變指數,無因次,表示偏離牛頓流體的程度;

R—管道半徑.

3.3.2 60%赤泥摩阻損失的推導

(6)

式中:Q—圓管層流流量;

r0—賓漢流體流核半徑;

Δp—長度為L的管道上所對應的壓力降;

ηp—賓漢流體的塑性黏度;

R—管道半徑.

在流量較大時,流核半徑r0?R,式(6)右端的四次方項可略去不計,賓漢流體的塑性黏度ηp即為式(5)中的k,則式(5)可近似寫成:

(7)

式中:P—阻損失;

Q—圓管層流流量;

k—稠度系數,取決于流體性質;

τ0—屈服應力;

R—管道半徑;

ηp—賓漢流體的塑性黏度.

式(7)即為60%赤泥(賓漢型)管道輸送摩阻損失計算式.

式中各變量的單位均為國際單位.

從式中可以看出,知道赤泥的流變方程,就知道系數τ0和k值,還需要相關管道實驗得到的參數,如流量Q、管徑R即可求得物料的摩阻損失.

4 結論

通過對赤泥初步進行加壓下的實驗測試與研究,總結出赤泥具有以下特性:

1)壓力對赤泥的表觀黏度有影響,常溫下濃度為60%赤泥表觀黏度隨壓力增加減少.

2)濃度60%赤泥常壓、2 MPa和4 MPa壓力下均是賓漢流體,且隨壓力增大屈服應力減少,表明壓力越大,所要對赤泥施加的力越小,赤泥越容易流動,故管道輸送赤泥時壓力越大越好輸送.

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(責任編輯李超)

ExperimentalStudyonRheologicalPropertiesofRedMudunderPressure

WANG Yan1,WU Yu-jing2

(1.ChinaNonferrousMetalMining(Group)Co.Ltd,Beijing100029,China; 2.NationalMineProductSafetyCertificateCenter,Beijing100013,China)

Red mud is alumina waste after extraction of bauxite,but there are still recycling value,the red mud through the high-pressure pipeline to the destination,to reduce secondary pollution.The study of the influence of pressure on the rheological properties of red mud is an important theoretical basis for red mud transport in high-pressure pipeline.In view of this,the rheological properties of 60% red mud were measured by PVS high temperature and high pressure rheometer under normal pressure,2 MPa and 4 MPa respectively.The results show that the apparent viscosity and yield stress of red mud increase with pressure While reducing,and get the rheological equation.the general expression of friction loss per unit length of red mud pipeline under different pressures is deduced by the integral method,which provides a theoretical basis for high pressure pipeline conveying red mud system.

red mud;rheological properties;apparent viscosity;high pressure;pipeline transportation

2016-03-07

王焱(1971-)男，遼寧營口人，高級工程師.

O 368

A

1000-5846(2017)03-0276-06