CN104502230A - 用于矿浆的多毛细管在线流变仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于毛细管中的流体的传输的装置，并且涉及用于测量流变变量的程序，流变变量为之类的诸如采矿悬浮液复杂悬浮液的表观粘度和流体应力。在采矿行业，利用用于控制的关键物理量的在线控制以及复杂悬浮液的后续传输，基于多毛细管布局来开发该装置。

Description

用于矿浆的多毛细管在线流变仪

技术领域

本发明涉及流测量领域，具体涉及一种优选地用于采矿业的测量特定参数的流变仪，本发明还涉及一种基于算法的方法，该算法是基于精确地提供用于控制采矿业中的矿浆工艺的关键流变测量的物理变量的多毛细管测量而开发的。

背景技术

智利的铜矿开采具有低质量的特点，因此，必须从这些矿中去除并处理大量材料。在处理的最后，受关注材料和废料的传输被挤压并到达地面，其尺寸介于微米至毫米的范围内。该材料混合水以形成具有变化的固体浓度(按重量计的浓度通常介于30%至70%的范围）的悬浮液。因此，由于固体的高浓度，粘性可以比水高。

该悬浮液中出现的一个重要现象就是屈服应力：简单来说，这可被描述为悬浮液从静止开始运动所需的必要的初始力(每单位面积）。该效果必须克服与静止（甚至运动）的流体的颗粒特性有关的力，这就导致了流体的抗运动性[BONN&DENN，2009]。

粘性（μ）和屈服应力(τ_o）是用于传输这些悬浮液的滑道和管子的重要设计参数，而且也是它进入工厂操作时的重要参数(参见图1）。具体地， 满足这一基准的流体被称为宾汉（Bingham）流体。该模型由于其线性而在工业应用中最受欢迎，但是，还存在最终可以使用的诸如奥斯特瓦尔德-德沃尔（Ostwald&de Waele）（参见图1b，曲线A和D）、赫谢尔—巴尔克莱（Herschel&Bulkley）（参见图1b，曲线C）之类的其它模型[H.YAMAGUCHI,2008]。

用于测量粘性及其它流变特性的最受欢迎的技术可分成三种类型[Y.Y.HOU&H.O.KASSIM,2005]：

·旋转技术，其中通过测量旋转器的扭矩和速度来计算粘性；

·测量浸入流体的球体下落到已知距离所花费的时间的技术；

·毛细管技术，其中根据流体在毛细管内的流动和压强下降来计算流变特性。

虽然这些技术被广为接受，但是这些仪器仍存在一些局限，例如手工操作、沉淀、墙问题[R.BUSCALL,2010]和由温度和流体运动造成的流体的不均匀性（触变性和黏弹性[J.MEWIS&NJ WAGNER,2009]）、特定地在诸如采矿之类的合成悬浮液中观察到的现象[ST2]。

现如今，采矿公司持续地塑造它们的悬浮液（批量）的特征，从实验室（其最多能尽力设法传递粘性值(μ）和屈服应力(τo）)获取服务。但是，对于这些悬浮液的正确操作，考虑到与合成悬浮液相关的现象，需要实际上持续的并且在线的测量。

有文献报道了多毛细管黏度计的几种发明[DI1DI3，DI4DI6，DI8DI9]，但是，他们缺乏工业悬浮液的操作所需的在线组件。发明DI1、DI2、设备ST1和ST3、以及OTHER AUTHORS的作品[S.K.KAWATRA& A.K.BAKSHI,1998;A.K.BAKSHI,1999;S.H.CHIU et al.,1999;Q.D.NGUYEN et al.,2000;A.K.AKSHI et al.,1997]被创建用于在线测量，并且报道的方法[DI3，DI4，DI5DI6，DI7，ST4]没有解决与合成悬浮液相关的问题。所有这些发明都没有包括与合成的采矿悬浮液相关的效果（例如，残渣或浓缩物），因此在控制工业生产线的操作方面没什么用。

参考文献

D.BONN&M.M.DENN,2009,Science324,12June2009

H.YAMAGUCHI,2008,“Fluid Mechanics and its Applications”,Volume85,Springer Science+Business Media B.V. 

Y.Y.HOU&H.O.KASSIM,2005,Rev.Sci.Instrum.76,101101.

R.BUSCALL,2010,J.Rheol.54(6),1177-1183November/December

J.MEWIS&N.J.WAGNER,2009,Advances in Colloid and InterfaceScience147-148. 

S.K.KAWATRA&A.K.BAKSHI,1998;Min.&Metall Proc.15(4),November 

Z.Y.Wang et al.,2010,AIChE Journal,56(6),June. 

A.K.BAKSHI,1998,

http://www.onemine.org/search/summary.cfm/OnLine-Rheometer-For-Mineral-Slurries?d=B53ECD1B2568FC1FC3B1F4A56C04FDF6E3557D1F3E41273938EAC7DED7DF3DAA177925&fullText=eisele&start=50

S.H.CHIU et al.1999,Polymer degradation and stability.64(2),pages239-242 

Q.D.NGUYEN et al.,2000,Min.Pro.Err.Met.Rev.20.pp.75-91 

A.K.AKSHI et al.,1997,

http://www.onemine.org/search/summary.cfm/Plant-Trial-of-a-New-OnLine-Pressure-Vessel-Rheometer-For-Slurries?d=5DB1789EF354B111886146ACD74CEAA5171C508812560327C8909F3C5BD0E4992008

DI1:US2002088953;DUAL RISER/DUAL CAPILLARY VISCOMETER FOR NEWTONIAN AND NON-NEWTONIAN FLUIDS,Kennet Kensey et al, 

DI2:US6182503;ON-LINE RHEOLOGICAL MEASUREMENT FOR PROCESS 

CONTROL;Mode Pul g.et al.

DI3:RU2434221;METHOD OF DETERMINING RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF NON-NEWTONIAN LIQUIDS;Pokras IL’ja Borosovich.

DI4:US2007068229;CAPILLARY BRIDGE VISCOMETER AND METHOD FOR 

MEASURING SPECIFIC VISCOSITY;Steven Trainoff

DI5:US2012/0192625;EXPERT-SYSTEM-BASED RHEOLOGY;John Paul  Wilkinson

DI6:US5637790;THREE CAPILLARY FLOW-THROUGHVISCOMETER;JoséL.de

Corral

DI7:US5652376;US5652376METHOD OF MEASURING YIELD STRESS;deleeuw david charles et al 

DI8:CN201955286;CN201955286MULTI-TUBE TYPE CAPILLARY RHEOMETER;suojun zhang et al 

DI9:CN2114159;MULTI-CAPILLARY VISCOMETER

ST1http://www.dynisco.com/online-rheometer-viscosensor

ST2http://www.mch.cl/revistas/imprimir_articulo.php?id=868

ST3:http://www.asi-team.com/asi%20team/gottfert/Gottfert%20data/SSR.pdf

ST4:http://www.malvern.de/labGer/products/bohlin/rh7/rh7.htm

发明内容

提出的发明对应于一种流变仪，其同时在线地测量粘性（μ）和屈服应力(τ_o），其中针对采矿悬浮液以几分钟的时间间隔（可能是5-10分钟）进行测量。因此，设计必须忍受采矿操作的通常条件（极端温度、地理纬度、通信问题、距离、湿度、低湿、偷盗、滥用等）。该流变仪基于利用毛细管对悬浮液进行层流运输。在线测量和分析系统考虑了沉淀、墙问题、 临时效应（触变性）和入口效应之类的效应。

附图说明

图1a示出了针对宾汉非牛顿流体（Bingham non-Newtonian）显示屈服应力和粘性的示图。

图1b示出了用于非牛顿流体的其它流变模型的示图；Ostwald & de Waele：曲线A和D，Herschel&Bulkley：曲线C。

图2示出了本发明的流变仪及其部分的示图。

图3示出了对毛细管的分配段的示图。

图4示出了毛细管之一、压力计以及在所述毛细管中进行的测量的示图。

图5示出了流经毛细管(任意一个）的固体为70wt%的矿浆的表面流变图。示出了压强下降、入口和壁的效应。

图6示出了通过表面流变图和优化获取的流变图。示出了未校正的和经校正的直接结果。

图7示出了在三个毛细管上依次测得的粘性的临时演化的示图。

图8示出了在三个毛细管上依次测得的屈服应力的临时演化的示图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例包括盒子（1）其含有悬浮液，非常小部分的悬浮液通过容积式泵（2）转移至流变仪。连接至泵出口（2）的是分配段（5），其为具有不同直径的三个垂直毛细管（6）提供能量，交替地向 每个细管提供能量，即，三个毛细管（6）不会同时被测量。在三个毛细管（6）中的每一个中，六个压力计（7）成对插入在毛细管中的三个不同高度处，以具有冗余件。具有不同直径的三个毛细管（6）被采用，从而在流变曲线上具有更多数量的点。在容积式泵（2）和分配段（5）之间安装了密度计（4）和流量计（3）以便在将被测量的流体样本到达压力计（7）之前测量其密度和流速。毛细管出口可直接连接至盒子（1）或其它容器。一旦完成每个毛细管处的测量，则利用清洗系统（15）和排出阀门（14）来清洗它们以防止微粒物质累积在毛细管的壁上。

在每个毛细管中，测量悬浮液速度（v（r））(13），为此使用了诸如声呐装置、超声波（UPD超声波脉冲和USV光谱的映射）、核磁共振（NMR）以及NMR图像（NMRi）之类的仪器。

利用压力计（8）测得的压强下降数据加上密度和流量，可根据为了下面将要描述的提取信息和分析而特别设计的分析算法来确定粘性（μ）和屈服应力(τ_o）。

本发明包括微控制器（9），其控制流变仪的组件，收集数据，并执行它们的处理、流变变量的值的计算以及执行对与合成的悬浮液（入口效应、壁效应和临时效应）相关的现象的校正，微控制器（9）处于设备的电器房间内并且通常与之非常靠近。该微控制器（9）获取的数据通过电缆或无线发送至其中安装了服务器（10）的房间，服务器处理用于测量的数据并管理操作变量。在微控制器中计算角变形速度（结束点）、应力、粘性和屈服应力，微控制器具有控制测量持续时间、具有具体半径R的毛细管(6）的清洗、以及毛细管（6）的阀门（12）、（14）和（15）的打开和 关闭的软件。获取的信息将存入服务器（10）中安装的操作历史数据库（11）。历史数据可通过用于这个目的的平台来进行分析，而且在线信息的调配可并入另一参数的操作的流程（流程图）。服务器中的数据库存储了用于不同时间段（几个小时，几个当班时间，几天，几个月等）内的统计分析和趋势分析的历史数据），而且这些数据显示在趋势曲线中，趋势曲线在存在不期望变化的情况下具有警告标准。

可从操作的控制室并可由任意授权网络用户访问服务器（10）。将交替地对每个毛细管(6）执行测量。流和密度的测量是持续的。在开始操作之前，取出代表性样本以针对流变能力、粒度测定或任意其它相关参数进行实验室分析。

如上所述，提出的流变仪及其获取的信息，与分析算法一起来最终获取粘性值(μ）和屈服应力(τo）。

分析算法包括所有必要的校正以去除寄生效应。总体上，这些效应将根据悬浮液的质量来进行校准。

基于示出一个毛细管的图3说明的用于利用流变仪来使用所描述的算法的方法包括：

a)每个毛细管（6）组的三个不同高度处布置两个压力计（PZ_k1，PZ^Red _k1）、(PZ_k2，PZ^Red _k2）、（PZ_k3，PZ^Red _k3），第二个压力计of每个组（上标Red）在另一个失效时使用。指数k表示第k个毛细管。

b)在每组两个压力计（PZ_k1，PZ^Red _k1）、(PZ_k2，PZ^Red _k2）、(PZ_k3，PZ^Red _k3）中，将利用每对中的仅仅一个来获取压力测量结果 （P_1k，P^Red _1k）、(P_2k，P^Red _2k）、(P_3k，P^Red _3k）。下标kk表示毛细管，Red表示冗余件。

c)在每个毛细管中，存在对压力差的六个测量结果（ΔP_12k，ΔP_23k，ΔP_31k）和（ΔP^Red _12k，ΔP^Red _23k，ΔP^Red _31k）。上标Red表示冗余件的测量，下标k表示毛细管。

d)每组两个压力计（PZ_k1，PZ^Red _k1）、(PZ_k2，PZ^Red _k2）、(PZ_k3，PZ^Red _k3）之间的距离是已知的，该距离被称为ΔL₁、ΔL₂和ΔL₃，总体上，对于三个毛细管，这些距离将为ΔL_1k、ΔL_2k和ΔL_3k，其中k表示毛细管，1表示毛细管k的PZ_k1和PZ_k2之间的距离，2表示毛细管k的PZ_k2和PZ_k3之间的距离，3表示毛细管k的PZ_k3和PZ_k1之间的距离。

e)利用两个压力计的三个组（PZ_k1，PZ^Red _k1）、(PZ_k2，PZ^Red _k2）、(PZ_k3，PZ^Red _k3）中测得的压力值以及它们之间的距离ΔL_1k、ΔL_2k和ΔL_3k，针对毛细管的每对压力计计算压力梯度：

$P_{12k}^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{12k}}{\mathrm{\Δ}{L}_{1k}},P_{23k}^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{23k}}{\mathrm{\Δ}{L}_{2k}},P_{31k}^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{31k}}{\mathrm{\Δ}{L}_{3k}}$

其中P'_ijk对应于毛细管k的压力计s j和i之间的压力梯度。

f)利用元素V(r）测量速度曲线v(r），该测量被用来校正由于壁效应产生的流率。

g)针对入口效应和壁面滑动进行压力校正

$3),\lim \left(\underset{L/R\→0}{\mathrm{\ΔP}(Q,L/R)}\right)={\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{entrance}},{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{real}}={\mathrm{\ΔP}}_p-{\mathrm{\ΔP}}_e$

4)Q_real=Q-Q_p

其中ΔP_e是入口效应的压强下降，ΔP_p是利用压力计测得的，而且Q_p是针对壁效应的流变（flow modification）。

h)现在利用相应的直径和压力梯度来计算切变应力

${\mathrm{\τ}}_w=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ΔL}}\frac{R}{2}$

i)利用流率和直径计算平均速度

$V=\frac{4Q}{R}$

j)计算表观角变形速度

k)获取表观流变图的第一点。

l)针对该毛细管重复该程序N次。

m)打开毛细管2的阀门，随后关闭毛细管1的阀门并清洗毛细管1和3。

n)针对毛细管2执行步骤a）至l）。

o)打开毛细管3的阀门，随后关闭毛细管2的阀门并清洗毛细管2。

p)针对毛细管3执行步骤a）至l）。

q)利用这个新的数据量，重新检查入口效应和壁效应并计算新的表观流变图。

r)在趋势曲线中显示数据，趋势曲线在存在不期望变化的情况下具有警告标准。

s)执行控制时间段（几个小时，几个当班时间，几天，几个月等）的统计分析。

Claims (22)

1.一种用于测量诸如采矿悬浮液之类的非牛顿流体的流变仪，其实现了在线测量并获取快速结果，包括：

a)至少两个毛细管（6），

b)泵（2），

c)分配段（5），

d)流控阀门（12），

e)流量计（3）和密度计（4），

f)速度计（13），

g)每个毛细管中的至少一对压力计（7），

h)用于排出的阀门（14），

i)用于输入清洗水的阀门（15），

j)微控制器（9），

k)数据传输装置，

l)服务器和数据库（10,11）。

2.根据权利要求1所述的流变仪，其中毛细管（6）具有不同直径并且可具有相同或不同长度。

3.根据权利要求1所述的流变仪，其中在每个毛细管(6）处测量悬浮液速度（v(r））（13）。

4.根据权利要求3所述的流变仪，其中诸如声呐装置、超声波（UPD超声波脉冲和USV光谱的映射）、核磁共振（NMR）以及NMR图像（NMRi）之类的悬浮液速度（v(r））仪器可用来进行测量。

5.根据权利要求1所述的流变仪，其中泵（2）是容积式泵。

6.根据权利要求1所述的流变仪，其中泵（2）将流导入毛细管（6）。

7.根据权利要求1所述的流变仪，其中泵（2）由微处理器(9）控制。

8.根据权利要求1所述的流变仪，其中分配段（5）位于泵（2）之外。

9.根据权利要求1所述的流变仪，其中分配段（5）包括至少两个臂。

10.根据权利要求1所述的流变仪，其中分配段（5）将泵（2）的流分给毛细管（6）。

11.根据权利要求1所述的流变仪，其中流控阀门（12）控制流向每个毛细管（6）的流。

12.根据权利要求1所述的流变仪，其中流控阀门（12）由微处理器(9）控制并交替操作。

13.根据权利要求1所述的流变仪，其中每对压力计（7）成对地布置在每个毛细管(6）的不同高度处。

14.根据权利要求1所述的流变仪，其中每个毛细管具有清洗系统（14）和（15）。

15.根据权利要求1所述的流变仪，其中流量计（3）、密度计（4）和速度计（13）获取的测量结果以及压力计（7）获取的测量结果被用来采用算法执行电流计的计算。

16.根据权利要求1所述的流变仪，其中微控制器（9）使流变仪组件同步。

17.根据权利要求1所述的流变仪，其中微控制器（9）收集数据并执行这些数据的处理。

18.根据权利要求16所述的流变仪，其中微处理器(9）通过传输装置将数据及其处理传送给服务器（10），传输装置可以是缆线或者是无线的。

19.根据权利要求1所述的流变仪，其中服务器（10）和数据库（11）预分析、存储并处理通过传输装置从微处理器传送过来的数据。

20.根据权利要求1所述的流变仪，其中服务器中的数据库存储了历史数据以便进行不同时间段（几个小时，几个当班时间，几天，几个月等）内的统计分析和趋势分析。

21.根据权利要求20所述的流变仪，其中数据被显示在趋势曲线中，趋势曲线在存在不期望变化的情况下具有警告标准。

22.一种利用算法来使用流变仪的方法，包括：

a)在多个毛细管(6)组的每个的不同高度处布置两个压力计(PZ_k1，PZ^Red _k1)、(PZ_k2，PZ^Red _k2)、(PZ_k3，PZ^Red _k3)，每个组的第二压力计被用作另一个失效时的冗余件，指数k表示第k个毛细管；

b)在每组两个压力计(PZ_k1，PZ^Red _k1)、(PZ_k2，PZ^Red _k2)、(PZ_k3，PZ^Red _k3)中，仅仅利用每对中的一个来获取同样的压力测量(P_1k，P^Red _1k)，(P_2k，P^Red _2k)，(P_3k，P^Red _3k)，下标k表示毛细管，Red表示冗余件；

c)在每个毛细管中，存在对压力差的三个测量结果(ΔP_12k，ΔP_23k，ΔP_31k)和(ΔP^Red _12k，ΔP^Red _23k，ΔP^Red _31k)；

d)每组两个压力计(PZ_k1，PZ^Red _k1)、(PZ_k2，PZ^Red _k2)、(PZ_k3，PZ^Red _k3)之间的距离是已知的，该距离被称为ΔL₁，ΔL₂和ΔL₃，总体上，对于第k个毛细管，这些距离将为ΔL_1k，ΔL_2k和ΔL_3k，其中k表示毛细管1，2，或3…n；

e)利用两个压力计的三个组(PZ_k1，PZ^Red _k1)、(PZ_k2，PZ^Red _k2)、(PZ_k3，PZ^Red _k3)中测得的压力值以及它们之间的距离ΔL_1k，ΔL_2k和ΔL_3k，计算压力梯度：

其中P'_ijk对应于毛细管k的压力计j和i之间的压力梯度；

f)利用元素V(r)测量速度曲线v(r)，该测量被用来校正由于壁效应产生的流率；

g)针对入口效应和壁面滑动进行压力校正

2)Q_real＝Q-Q_p

其中ΔP_e是入口效应的压强下降，ΔP_p是利用压力计测得的，Q_p是针对壁效应的流变，Q_p是由于壁效应产生的流率，Q是流量计测得的流率，R是毛细管半径；

h)现在利用相应的毛细管半径和压力梯度来计算切变应力(τ_w)，

其中P'_ijk对应于毛细管k的压力计j和i之间的压力梯度，R是毛细管的半径(直径D＝2R)；

i)利用流率和毛细管半径计算平均速度(V)，

j)计算表观角变形速度(γ_α&)，

k)获取表观流变图的第一点；

l)针对该毛细管重复该程序N次；

m)打开毛细管2的阀门，随后关闭毛细管1的阀门并清洗毛细管1和3；

n)针对毛细管2执行步骤a)至l)；

o)打开毛细管3的阀门，随后关闭毛细管2的阀门并清洗毛细管2；

p)针对毛细管3执行步骤a)至l)；

q)打开毛细管n的阀门，随后关闭毛细管n-1的阀门；

r)针对毛细管n执行步骤a)至l)；

s)利用这个新的数据量，重新检查入口效应和壁效应并计算新的表观流变图；

t)检查测量点，并将值平滑化和/或去除异常值；

u)选择最适合实验室测量(例如，宾汉)的流变模型，或者使微处理器尝试不同模型；

v)对得到的点执行用于获取角变形速度的一些方法(例如，Rabinowitsch-Mooney方法[Z.Y.Wang et al.,2010])；

w)通过优化获取模型的流变参数(例如，最小二乘法)；

x)获取从中获取屈服应力和粘性的曲线。