Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ................ 7
ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ ФЛОТАЦИОННЫХ МАПМН . ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. . 14
СОСТОЯНИЕ ФЛОТАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ РЕАЛЬНОГО ПРОЦЕССА .............. 18
Современное представление о роли растворённых газов в механизме флотационного процесса ...... 18
Методы и средства определения содержания растворённых газов в условиях турбулентного движения пульповоздушной смеси в камере флотационной машины 25
Разработка принципов исследования и создание датчика для прямого измерения парциального давления кислорода в жидкой
фазе пульпы 29
Исследование поведения растворённых газов в камере промышленных флотационных машин
Выводы.
Ъ. ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ФЛОТАЦИИ НА ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И АЭРАЦИЮ ПУЛЬПЫ В КАМЕРЕ МАШИНЫ .....................
Критическая оценка потребности.мощности при флотации
Методика измерения мощности, потребляемой флотационной машиной . .
Исследование характера функциональной связи расхода мощности с конструкцией импеллера и свойствами перемешиваемой среды
Выводы
Стр.
ИЗУЧЕНИЕ АЭРИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФЛОТАЦИОННОЙ МАШИНЫ,
ПО УДЕЛЬНЫМ ЗНАЧЕНИЯМ ВЕЛИЧИНЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА
ГАЗ-ЖИДКОСТЬ 79
4.1. Выбор критерия аэрации 79
Анализ методов оценки аэрирующей способности флотационных машин 79
Удельная величина поверхности пузырьков как показатель аэрирующей способности флотационных машин .......... 83
4.2. Разработка метода определения удельной поверх
ности пузырьков воздуха в камере флотационной
машины 87
Изучение механизма переноса веществ при абсорбции газа из пузырьков ....... 89
Метод термографического исследования кинетики химической реакции абсорбции кислорода раствором сульфита натрия 103
Методика расчёта величины удельной поверхности пузырьков по результатам термографического измерения интенсивности аэрации. . 109
Исследование зависимости величины удельной поверхности пузырьков от некоторых факторов аэрации ИЗ
Выводы 119
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЛОТАЦИОННЫХ МАШИН ПО ХАРАКТЕРУ ПОТОКОВ, СОЗДАВАЕМЫХ В КАМЕРЕ ФЛОТАЦИИ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ ОРГАНОМ ..................... 121
Изучение характера течений в камере машины методом трассирования. . 122
Классификация флотационных машин по принципу ключевых схем ...... . . 125
Выводы...*............ 130
Стр.
6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ АЭРАЦИИ,СВЯЗЫВАЮЩИЕ ВЕЛИЧИНУ УДЕЛЬНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПУЗЫРЬКОВ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
ФЛОТАЦИОННЫХ МАШИН . . . . . ............ 132
Определение формы корреляционной связи удельной поверхности пузырьков с основными параметрами флотации ...... ... 132
Определение расчётного уравнения для вычисления удельной поверхности пузырьков во флотационной
машине 136
Исследование методом рандомизированных латинских квадратов закономерностей аэрации в машинах с пальцевым импеллером 14-2
Исследование аэрации лопастным импеллером. . . . 170
6.3. Определение затрат мощности на перемешивание и
создание оптимальной поверхности раздела фаз
жидкость-газ ... .......... 179
Изучение зависимости расхода мощности на аэрацию от конструктивных и технологических параметров флотационных машин с пальцевыми и лопастными аэраторами 180
Изучение влияния расхода мощности на аэрацию от способов введения воздуха в камеру флотационной машины 189
6Л. Выводы 205
7. РАЗРАБОТКА ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ЗОНАХ МИКРО- И МАКРО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ФЛОТАЦИОННУЮ СИСТЕМУ. . 209
7.1. Изучение условий возникновения пузырьков флотационной крупности в зоне микроперемешивания. ..... 212
Образование пузырьков на частицах при механическом возмущении жидкости. . ...... 221
Роль состояния поверхности при возникновении флотационных пузырьков . 225
Стр.
7.2. Влияние газов, выделяющихся из раствора при интен
сивном перемешивании, на технологию флотации . . . 231
Методика изучения технологической роли перемешивания на микроуровне и организация флотационного эксперимента 231
Влияние интенсивности перемешивания на показатели флотации ...... 235
Исследование гидродинамических характеристик камерных потоков в зонах микро- и макровоздействия на флотацию методом лазерного доплеровского измерения скорости . . ............ 240
Выводы . 252
8. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЛОТАЦИОННЫХ МАШИН С
ИМПЕЛЛЕРОМ ............. 255
Физическая модель камеры флотационной машины с импеллером .......... .... 256
Анализ модели перемешивания с рециркуляцией. . . . 259
Качественная модель механической флотационной
машины 263
8.4. Выводы 265
9. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ БОЛЫПЕ-
ОБЬЁМНЫХ ФЛОТАЦИОННЫХ МАШИН. ....... 266
9.1. Гидродинамические особенности флотационных машин
с большим объёмом камер ... ..... 266
9.2. Теоретические основы организации модельного
перехода 270
9.3. Выводы 275
10. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ФЛОТАЦИОННОЙ МАШИНЫ С
ВМЕСТИМОСТЬЮ КАМЕР 25 м5 ............. 276
10.1. Прогноз применения болыпеобъёмных флотационных
машин в углеобогащении 276
Стр.
10.2. Выбор рациональной формы и конструкции элемен- u
тов машины ФІЖ-25 286
10.2.1. Создание полупромышленной машины ФПМУ-0,025
с вместимостью камер 25 литров 292
10.2.2. Промышленные испытания импеллера ФБМУ-4,2
(модельный вариант машины с камерой 4,2 м3) . . 295
10.3. Исследование технологии флотации углей во
взаимосвязи с гидродинамическими факторами .... 298
Техника экспериментальных исследований флотации углей 298
Построение уравнений регрессии и их интерпретация 300
Поиск оптимальных условий и принятие технико-экономических решений 313
Промышленные испытания и внедрение экспериментальной машины ФШУ-25 323
Пневмомеханическая флотационная машина для
угля с камерами 25 м3 (ФПМУ-25) 334
10.6. Выводы 337
II. ОБЩИЕ ВЫВОДИ 338
ЛИТЕРАОТА 343
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение I 371
Приложение 2 374
Приложение 3 378
Приложение 4 384
Приложение 5 398
Приложение 6 416
Введение к работе
Флотация занимает ведущее место среди процессов применяемых в настоящее время для обогащения полезных ископаемых. В мире ежегодно флотируют миллиарды тонн горной массы, минералогический состав которой, от года к году становится все более сложным. Наблюдаемое в связи с этим снижение обогатимости полезных ископаемых приводит к необходимости дальнейшего наращивания мощности флотационных отделений обогатительных фабрик, которые уже теперь нередко достигают колоссальной производительности до 100 тыс. тонн в сутки. Опыт создания таких предприятий опроверг тенденцию увеличения производительности флотации путём набора числа секций, укомплектованных машинами классического образца (с малым объёмом камеры). Было признано, что для решения этой задачи необходим принципиально новый подход, основанный на более интенсивном ведении процесса и использовании оборудования высокой единичной производительности [55,88,147,155,212,213,229,240]. Осуществление флотации в машинах с объёмом камер 14,28,36 и даже 56 м3, усилило сомнения в надёжности многих из ранее сложившихся представлений о технологии явлений, протекающих в камере машины при флотации.
Оказалось в частности, что расход энергии на флотацию может быть ниже на 30-40%, чем предполагалось ранее [160,168,205,235] и что переход к камерам большой ёмкости не только не снижает технологических результатов флотации, чего следовало опасаться, а, наоборот, в ряде случаев способствует их повышению [168,199,235]. При этом оказались далёкими от совершенства многие установившиеся ранее конструктивные решения импеллерно-статорного блока,
геометрические пропорции машины и гидродинамические режимы перемешивания .
Анализ опыта применения новых машин с большим объёмом камер показывает, что достигнутый технологический эффект получен без принципиального изменения реагентных режимов, в основном, в результате оптимизации гидродинамики, приближении её к действительным требованиям флотации.
Потребовалось почти 35-летнее отставание практики флотационного машиностроения от прогресса технологии, чтобы осуществить переход к машинам сегодняшнего дня. Однако достигнутые результаты не дают основания для излишнего оптимизма, так как последствия осуществлённых изменений мало что прибавили в знания реальных основ технологии процесса. Машины большой производительности скорее плод инженерно-конструкторских исканий, чем результат научных исследований. Однако появление их имеет особое значение, так как они подтвердили существование реальной возможности организации флотационного процесса на новых принципах, способствавали активизации научных работ в области гидродинамики флотационных машин.
Они показали, что исследования по изучению механизма флотации, особенно с точки зрения понимания роли машины в технологии процесса, требуют своего дальнейшего развития и углубления. Это необходимо, прежде всего, для разработки методов определения эффективности флотационных машин, создания надёжных методов их регулирования и полной автоматизации, а также для разработки принципов моделирования флотомашин и организации модельного перехода от пилотных установок к промышленным. Только с таких позиций можно подойти н разработке новых конструкций машин, гарантировать их быстрое промышленное освоение и обеспечить воспроизведение
проектных показателей в промышленность.
Можно предположить, что одной из причин отставания теории действия флотационных машин, являлся обособленный подход к исследованию проблем физико-химии процесса флотации и гидродинамики машин.
Обычно при изучении физико-химических аспектов механизма флотации редко анализируется гидродинамическая ситуация, в которой они проявляются. Принимается, что явления закрепления реагента, поверхностные изменения, условия формирования воздушно-минеральных комплексов и т.п. не зависят от движения среды, т.е. они рассматриваются в стационарных условиях, охватывающих изменения происходящие уже на поверхности минералов и границах раздела фаз. Состояние потока вещества к поверхности, влияние движения среды на протекание реакции как правило не учитываются. Таким образом влияние гидродинамических факторов исключается.
Исследования посвященные изучению вопросов гидродинамики, наоборот, чаще ограничиваются рассмотрением элементов теории действия машин, включая вопросы аэрации, зависимости расхода воздуха и др. от конструкции машины, числа оборотов импеллера, затрат мощности на его вращение. Эти исследования не увязываются с механизмом элементарного акта флотации.
Вследствие этого возникают определённые трудности при расшифровке различных факторов флотации. Разрабатываемая технология оказывается независящей от конструкции машины, а сама конструкция создаётся без конкретной физико-химической направленности, определяющей флотацию.
В значительной мере этому способствуют сложившиеся к настоящему времени методы и средства изучения флотации, построенные на
-v. 10 -
исследовании явлений далёких от условий реального процесса.
Настоящее исследование ставит целью на базе синтеза достижений в области изучения физико-химических факторов флотации, с одной стороны, и гидродинамики флотационных машин, с другой, разработать элементы теории флотационных машин, учитывающие влияние движения перемешиваемой среды на отдельные физико-химические превращения и основные параметры, определяющие процесс флотации. Оно может явится первым опытом использования положений физико-химической гидродинамики для решения проблем флотации.
При выполнении основных моментов работы были использованы результаты основополагающих в области технологии флотации и тео-
' рии действия флотационных машин исследований - П.А.Ребиндера, й.Н.Плаксина, С.И.Митрофанова, В.А.Малиновского, О.С.Богданова, В.А.Рундквиста, С.А.Медведева, Н.Г.Бедраня и особенно, более
^ поздние, оригинальные идеи и разработки В.й.Классена, Н.Н.Виноградова, Н.Ф.Мещерякова, Н.Арбайтера и Х.Шуберта [2,23,24-,64,65, 147,148,212,220].
При постановке исследования использован аппарат современной теории научного эксперимента, включающий факторное планирование и обработку результатов по методу рандомизированных латинских квадратов. Разработан ряд методов изучения состояния флотационной системы в условиях реального процесса, а так же способов инструментальных измерений, определяющих параметров. Для оценки состояния газовой фазы впервые применена полярография на твёрдом золото-серебряном электроде, защищенном газопроницаемой мембраной. Разработан способ оценки эффективности работы машины, основанный на количественном определении удельных значений поверхности раздела фаз при аэрации, осуществлена лазерная локация
- II -
флотационного объёма камеры машины и др.
При исследовании роли геометрических параметров машины и изучении совокупности влияния гидродинамических и технологических факторов флотации применялось статистическое планирование экспериментов с использованием ортогонального центрального композиционного планирования второго порядка. Полученные системы уравнений регрессии оптимизировались с применением метода аппроксимирующего программирования. Оптимизация проводилась на ЭВМ "Искра 125".
Такой подход позволил не только повысить качество и надёжность экспериментов, но и сделал возможным непосредственное изучение зависимости, определяющих факторов флотации от конструктивных и технологических параметров машины, а так же исследовать некоторые новые закономерности, имеющие прямое практическое значение.
На основании выполненных исследований предложена новая классификация флотационных машин по характеру потоков возбуждаемых во флотационной камере перемешивающим умтройством. В соответствии с новой классификацией для наиболее распространённых классов машин с лопастным и пальцевым импеллерами предложены уравнения расчёта некоторых конструктивных и технологических параметров, определены области их применения. Сформулированы принципы моделирования, которые позволяют обеспечить условия эффективного воспроизводства процесса при переходе от модельных аппаратов к машинам промышленных размеров. Созданы методы исследования и разработки новых аппаратов с увеличением их масштаба.
Сконструирована и внедрена первая отечественная флотационная машина с объёмом камер 25 м3.
В диссертации защищаются:
- положение о равенстве удельных значений поверхности раз-
) дела фаз в гидродинамически подобных флотационных машинах, обес-' печивающих тождественные технологические результаты флотации;
- зависимость для расчёта удельных значений поверхности
