Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и тенденции современного развития пневматической колонной флотации минералов 17
1.1. Основные направления развития колонной флотации и совершенствования конструкций аппаратов 18
1.1.1. Конструкции колонных флотомашин 18
1.1.2. Особенности технологии колонной флотации
1.2. Основные методы и устройства для аэрирования в колонных флотомашинах 31
1.3. Основные методы воздействия на гидродинамические условия минерализации воздушных пузырьков 39
1.4. Разработка метода и создание аппаратов пневмопульсационной колонной флотации 1.4.1. Конструктивные и технологические особенности пульсационных флотомашин, практика их использования 44
1.4.2. Аэрирующие устройства пульсационных флотомашин и диспергирование газовой фазы 52
1.4.3. Особенности движения и взаимодействия флотационных фаз в вертикально колеблющейся жидкости 56
Выводы. Цель и задачи исследований 61
2. Развитие теории процессов образования и разрушения комплекса частица-пузырёк при переменной скорости флотационных ФАЗ 65
2.1. Влияние гидродинамических факторов на минерализацию пузырьков 66
2.2. Разработка высокочувствительных приборов и методики исследования элементарного акта флотации в статических и динамических условиях 77
2.2.1. Разработка приборов и методики для измерения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька флотационной крупности
2.2.2. Применение разработанной методики измерения силы отрыва частицы от пузырька при исследовании флотационных свойств минералов 87
2.3. Исследование влияния динамических параметров пузырьков на их минерализацию в различных физико-химических условиях 97
2.3.1. Влияние динамических параметров пузырька на капиллярный и коалесцентный механизм образования комплекса частица-пузырёк 98
2.3.2. Влияние динамики соударения частицы с пузырьком на прочность образованного комплекса 109
поведение частиц на пузырьке 118
2.4.1. Влияние стационарного нисходящего потока жидкости на сохранение комплекса частица-пузырёк 118
2.4.2. Влияние скорости знакопеременных воздействий потока жидкости на поведение частицы на пузырьке 123
Выводы 133
3. Исследование процессов движения, взаимодействия фаз и образования пузырьков воздуха при пульсационной флотации 136
3.1. Экспериментальное исследование движения пузырька воздуха в
вертикально пульсирующей среде 137
3.1.1. Влияние динамических параметров жидкой фазы на перемещение и скорость всплывания пузырька 141
3.1.2. Относительная скорость и ускорение пузырька 146
3.2. Математическое моделирование условий взаимодействия воздушного пузырька с частицей в вертикально колеблющейся среде 165
3.2.1. Выбор условий моделирования 165
3.2.2. Построение математической модели действия сил на пузырёк в условиях пульсационной флотации 168
3.2.3. Анализ модели столкновения частицы с пузырьком 1 3.3. Исследование дисперсного состава воздуха в камере флотации при
пневмопульсационной аэрации , 183
3.3.1. Методика проведения экспериментов 184
3.3.2. Влияние конструктивных параметров аэратора и флотационной камеры на дисперсный состав и количество пузырьков воздуха 186
3.3.3. Влияние технологических факторов на дисперсность и количество пузырьков в камере флотации 195
3.4. Механизм процесса и основы теории пульсационной флотации 205
Выводы 217
4. Создание высокопроизводительного промышленного колонного аппарата для гшлбвмопульсационной флотации 223
4.1. Разработка оптимальных параметров конструкции промышленного аппарата пульсационной флотации 224
4.2. Проектирование пульсационных колонных флотационных аппаратов
4.2.1. Обоснование исходных условий проектирования 234
4.2.2. Проектирование и расчёт основных элементов конструкции камеры флотации и аэратора 238
4.3. Разработка основных систем, обеспечивающих работу
пневмопульсационной флотационной машины 252
4.3.1. Системы подачи рабочего воздуха в аэратор, ввода питания и разгрузки пенного и камерного продуктов 252
4.3.2. Система автоматизированного управления процессом пневмопульсационной флотации 261
4.4. Устройство и работа пневмопульсационной колонной флотомашины 267
Выводы 272
5. Разработка и реализация высокоэффективного промышленного процесса пульсационной флотации 275
5.1. Лабораторные исследования влияния способа подачи реагентов на
эффективность аэрации и флотации в пульсационной колонне 2 5.2. Исследование процесса пульсационной флотации магнезита и угля в
лабораторных условиях 285
5.2.1. Разработка процесса флотации магнезитовой руды Саткинского месторождения на пульсационной пилотной установке 285
5.2.2. Пневмопульсационная флотация углей 291
5.3. Разработка, испытание и внедрение процесса пневмопульсационной флотации с использованием высокопроизводительных колонных аппаратов большой вместимости при обогащении сильвинитовых руд Верхнекамского месторождения на обогатительных фабриках ОАО «Уралкалий» 296
5.3.1. Выбор промышленных технологических режимов работы пневмопульсационной флотомашины 301
5.3.2. Испытание и опытно-промышленная эксплуатация аппаратов пульсационной флотации при обесшламливании сильвинитовых руд 313
5.3.3. Промышленное внедрение процесса пульсационной флотации в цикле перечистки чернового сильвинового концентрата 325
5.4. Перспективы и экономическая эффективность применения процесса пневмопульсационной флотации в колонных аппаратах 333
Выводы 341
Заключение и выводы 344
Список использованных источников
- Основные методы воздействия на гидродинамические условия минерализации воздушных пузырьков
- Разработка приборов и методики для измерения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька флотационной крупности
- Влияние динамических параметров жидкой фазы на перемещение и скорость всплывания пузырька
- Проектирование пульсационных колонных флотационных аппаратов
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время освоение минерально-сырьевой базы России всё в большей степени связано с использованием труднообогатимого тонкодисперсного минерального сырья. Повышение извлечения и качества продуктов обогащения без увеличения затрат на переработку остаются при этом наиболее важными проблемами технологии разделения.
Поскольку флотация является одним из основных методов обогащения тонкодисперсного минерального сырья, разработка и внедрение высокоэффективных флотационных процессов и аппаратов, обеспечивающих высокую селективность разделения минералов без снижения извлечения ценного компонента, имеет большое практическое значение [1].
В настоящее время используются, в основном, методы механической и пневмомеханической флотации в аппаратах камерного типа, которые не обеспечивают достаточную эффективность обогащения тонкоизмельчённых компонентов. Этот недостаток усугубляется стремлением применять большеобъёмные машины вместимостью до 100-300 м3, в которых структура потоков не способствует селективности разделения.
В большей степени селективность и полнота извлечения достигаются при пневматической противоточной колонной флотации с применением тонкодисперсных пузырьков. Однако использование таких пузырьков вследствие их уноса из аппарата нисходящим потоком не позволяет достичь высокой удельной производительности указанных аппаратов.
Основная проблема в повышении эффективности колонной флотации заключается в создании условий для одновременного получения тонкодисперсных пузырьков и достижения высокой удельной производительности "аппарата, а также заданной селективности процесса, которая обычно достигается орошением пенного слоя водой.
Развитие метода пневматической колонной флотации, как в нашей стране, так и за рубежом, связано, в основном, с задачами совершенствования способов
7 и устройств аэрирования пульпы, улучшения гидродинамических условий
минерализации пузырьков и разделения минеральных компонентов, а также с
применением различных методов физического воздействия на процесс [2-37].
Эти вопросы широко отражены в монографиях Ю.Б. Рубинштейна
Н.Ф. Мещерякова, СИ. Черных.
Методологической основой разработки новых флотационных процессов являются также фундаментальные исследования видных отечественных учёных: П.А. Ребиндера, А.Н. Фрумкина, И.Н. Плаксина, Б.В.Дерягина, О.С. Богданова, М.А. Эйгелеса, В.И. Классена, В.А. Глембоцкого, В.А. Малиновского, В.А. Чантурии, В.Д. Самыгина, И.И. Максимова, В.И. Мелик-Гайказяна, Н.В. Матвеенко, А.А. Абрамова, Г.Д. Краснова, В.П. Неберы, Н.Н. Тетериной, А.В. Куркова, СБ. Леонова К.В. Федотова и др. -в области межфазных взаимодействий в условиях физических и физико-химических воздействий на технологические свойства фаз, а также разработки новых методов и аппаратов для разделения минералов в жидкой среде.
Одним из новых и эффективных методов, созданных на основе физического воздействия на процесс флотации, который позволяет одновременно достичь высокого извлечения и селективности разделения тонкодисперсных компонентов при повышенной удельной производительности аппарата, является разработанный в ИПКОН РАН под руководством проф., докт. техн. наук Г.Д. Краснова и испытанный на ряде обогатительных фабрик метод пневмопульсационной колонной флотации (ПКФ) в вертикально колеблющейся среде в аппарате с пульсационным аэратором [38-63].
Процесс ПКФ исследовался в лабораторных и промышленных условиях в аппаратах малой вместимости при частотах колебаний, в основном, от 1 до 10 Гц. Однако при переходе к укрупнённым аппаратам (вместимостью 3,2 м и высотой более 2 м) их конструктивные особенности и связанные с ними технические приёмы ведения процесса не всегда позволяли достигать ожидаемых результатов. К тому же лабораторные исследования процессов образования и движения пузырьков воздуха не моделировали
8 гидродинамическую обстановку в камере промышленной машины. Требовался
новый методологический подход к созданию промышленных большеобъёмных
аппаратов и к разработке процесса ПКФ. Механизм пульсационной флотации
не имел достаточного теоретического объяснения и не раскрывал полностью
причины высокой эффективности процесса. Эти обстоятельства сдерживали
переход к созданию и внедрению в промышленность пульсационных
флотоаппаратов большой вместимости.
Целью данной работы является развитие теории процесса пневмопульсационной флотации, создание на этой основе высокопроизводительных колонных аппаратов и- внедрение их в промышленность.
Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
Исследование механизма образования и сохранения комплекса частица-пузырёк при переменной скорости движения пузырька.
Исследование реальных параметров движения и взаимодействия флотационных фаз в вертикально колеблющейся среде при гидростатическом напоре, соответствующем промышленному.
Выявление особенностей механизма образования дисперсий воздуха, определение дисперсного состава пузырьков в камере флотации пульсационного аппарата промышленного типа и установление на этой основе оптимальных конструктивных параметров аэратора и высоты камеры разделения.
Определение особенностей механизма процесса ПКФ, причин его высокой эффективности и методов оперативного управления им.
Разработка методики проектирования и создание высокопроизводительных промышленных аппаратов для ПКФ.
Разработка и реализация в промышленности процесса ПКФ.
Идея работы заключается в исследовании физических эффектов, возникающих при взаимодействии флотационных фаз в условиях вертикальных
знакопеременных колебаний среды, для развития теории процесса ПКФ и
создания высокопроизводительных колонных аппаратов. Методы исследования.
измерения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька осуществлялись с помощью оригинального контактного устройства и методики, разработанных автором;
моделирование поведения частицы на пузырьке в гидродинамических условиях, характерных для флотации, проводилось в стационарном и пульсирующем потоках на закреплённом и свободно взвешенном в противотоке пузырьке на установке, также созданной автором;
оценка силы прижима частицы к пузырьку, необходимой для образования их комплекса, осуществлялась с помощью математической модели движения пузырька в колеблющейся среде;
измерение поверхностного натяжения на границе жидкость-газ проводилось по методу отрыва пластинки (метод Вильгельми);
электрокинетический потенциал твёрдых частиц определялся методом электроосмоса;
определение скорости всплывания воздушного пузырька в неподвижной и вертикально колеблющейся жидкости осуществлялось с применением телевизионно-оптического метода и компьютерной обработки изображения;
исследование процесса диспергирования воздуха, коалесценции и определение крупности воздушных пузырьков проводилось с помощью видео-и микрофотосъёмки, а также на основе визуального и компьютерного анализа;
флотационные опыты осуществлялись с применением механических, пневматических и пневмопульсационных аппаратов в лабораторных и промышленных условиях. При этом использовались химический и гранулометрический методы анализа продуктов обогащения;
для обработки результатов исследований применялись методы математической статистики.
10 Вклад автора в проведённые исследования заключается в формировании
основной идеи, постановке задач, разработке методик исследований,
организации и участии в выполнении исследований, анализе и обобщении
полученных результатов.
Достоверность результатов работы обоснована удовлетворительной сходимостью теоретических выводов по экспериментальным исследованиям механизма процесса пульсационной флотации с данными по флотации в лабораторных и промышленных условиях, а также достаточной воспроизводимостью экспериментов.
Научная новизна заключается в развитии теории процесса пульсационной флотации. Выявлены механизм пульсационной флотации и обуславливающие его факторы, а также причины высокой эффективности процесса, анализ которых показал, что скорость колебаний среды определяет уровень извлечения, а её ускорение приводит не только к высокой селективности процесса, но и к повышенной удельной производительности пульсационных аппаратов.
Впервые экспериментально установлены закономерности движения воздушного пузырька, всплывающего в вертикальном знакопеременном потоке жидкости, колеблющемся с частотой 0,3-1,0 Гц. Выявлены факторы (скорость и ускорение среды), определяющие динамические параметры пузырька и его знакопеременное перемещение.
Разработана математическая модель движения пузырька воздуха в вертикально пульсирующей жидкости, представляющая собой нелинейное дифференциальное уравнение, которое позволяет с учётом измеренной скорости движения пузырька реально оценить силу его столкновения с частицей, движущейся со скоростью среды. На основе анализа действующих на пузырёк сил создана физическая модель движения пузырька в течение цикла колебаний.
Впервые автором экспериментально, с помощью созданных им оригинального высокочувствительного устройства и методики для
одновременного измерения в динамических условиях времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька реальной флотационной крупности, установлено, что переменная скорость всплывания пузырька влияет на эффективность процесса минерализации.
Впервые выявлены закономерности, показывающие, что в интервале скоростей неупругого столкновения с увеличением скорости соударения частицы с пузырьком и (или) силы их прижима друг к другу время индукции снижается, а сила отрыва частицы от пузырька возрастает, а при упругом столкновении - зависимость обратная. Установлено, что время индукции, измеренное в динамических условиях, характерных для флотации, является переменной величиной.
Показано, что импульсное воздействие жидкости на систему частица-пузырёк приводит к отклонению частицы на пузырьке от исходного положения на определённый угол, зависящий от характера воздействия, свойств частиц и жидкой фазы.
Установлены зависимости дисперсности пузырьков воздуха в камере флотации при пульсационном диспергировании от конструктивных параметров аэратора, высоты камеры флотации и амплитудно-частотного режима (АЧР) колебаний, что позволило выявить определяющую роль коалесцентного механизма минерализации при пульсационной флотации и сформулировать основные требования к конструкции аэратора, камеры флотации, режимам колебаний пульпы и на этой основе создать оптимальную конструкцию флотационного пневмопульсационного колонного аппарата
Теоретическая и практическая значимость. Выявленные закономерности процесса пульсационной флотации вносят вклад в развитие теории флотации.
Разработанные методика и высокочувствительное устройство измерения силы отрыва и времени индукции частицы и пузырька реальной флотационной крупности в статических и динамических условиях могут быть использованы для исследования адгезионного и когезионного взаимодействия (с силой до
12 десятых-сотых долей наноньютона) в жидкой среде твёрдых и газообразных
фаз в процессах коагуляции, флокуляции и флотации, а также для изучения
действия различных поверхностно-активных веществ (ПАВ) на
контактирующие поверхности.
Разработанный промышленный процесс флотации в вертикально
колеблющейся среде с использованием высокоэффективных
пневмопульсационных колонных аппаратов позволяет при обогащении минерального сырья повысить одновременно извлечение и качество ценного компонента при высокой удельной производительности аппарата и может быть использован для обогащения различного минерального и техногенного сырья, а также для очистки сточных и оборотных вод от тонкодисперсных взвесей и углеводородных соединений в пульсационных колонных машинах.
Реализация результатов исследований. Создано и эксплуатируется устройство для измерения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька флотационной крупности в статических и динамических условиях.
Созданы и испытаны при флотации сильвинитовых руд Верхнекамского месторождения три болыпеобъёмные пульсационные колонные флотомашины (ФПП-7,7; ФГШ-14м; ФПП-21 вместимостью, соответственно, 7,7; 14 и 21 м3).
Разработан и принят в постоянную эксплуатацию на ОФ БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий» процесс пневмопульсационной флотации чернового сильвинового концентрата в колонном аппарате ФПП-14м с автоматизированным управлением, позволяющий повысить извлечение КО (на 1,5% от исходной руды) при получении кондиционного концентрата и сокращении энергозатрат на 30 % по сравнению с базовым режимом флотации в механических машинах.
Разработан и принят в опытно-промышленную эксплуатацию на ОФ БКПРУ-2 процесс ПКФ нерастворимого остатка глинисто-карбонатных шламов (н.о.) в аппарате ФПП-21, который позволяет повысить извлечение и.о., сократить потери КС1 со сбросными шламами и уменьшить расход флокулянта ПАА (на 25-30%) по сравнению с базовым режимом флотации в пневматических машинах МПСГ.
13 На пилотной установке разработан процесс ГЖФ магнезита из руды
Саткинского месторождения. Разработана и передана техническая
документация для изготовления колонного аппарата ФПП-4 и внедрения
процесса в перечистной операции на строящейся опытной обогатительной
фабрике ОАО «Комбинат Магнезит».
В лабораторных условиях разработан процесс пульсационной флотации тонкодисперсных фракций каменного угля, который позволяет сократить число перечистных операций при получении кондиционного концентрата, используемого в виде водоугольной суспензии для нужд энергетики.
Создано устройство для управления пульсационной флотомашиной (содержащее генератор вынужденных колебаний, датчики и системы стабилизации давления воздуха, плотности и уровня пульпы) и предложен метод сканирующего выбора сигнала датчика, позволяющие автоматизировать флотационный процесс в колеблющейся среде.
Получены патенты РФ: на устройство пневматической пульсационной флотационной машины (№ 2070839); на устройство для управления пневмопульсационной флотационной машиной (№2183138); на способ флотации в пневмопульсационном аппарате и его конструкцию (№ 2220005). Получено авт. свид. СССР на устройство для измерения силы отрыва твердой частицы от пузырька газа в жидкой фазе (№ 1187018) и др.
Получено разрешение Госгортехнадзора России №РРС 04-10277 от 03.11.2003 на применение флотационных пневмопульсационных машин.
Внедрение болыпеобъёмных аппаратов пульсационной флотации в технологию обогащения сильвинитовых руд Верхнекамского месторождения выполнено при участии ОАО «Галургия» и ООО «Научно-внедренческий центр «ЭЛАС».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Механизм процесса пневмопульсационной флотации и причины, обеспечивающие его высокую эффективность:
- пульсирующее вертикальное воздействие на флотационную среду
инициирует все стадии процесса взаимодействия частицы с пузырьком -столкновения, закрепления и отрыва;
изменение скорости и силы столкновения частицы с пузырьком в динамических условиях, характерных для флотации, влияет на скорость образования и прочность комплекса частица-пузырёк. Увеличение скорости и силы взаимодействия частицы с пузырьком в интервале скоростей их неупругого столкновения вызывает снижение времени индукции и рост силы отрыва в динамических условиях, а при упругом столкновении - зависимость обратная.
вертикальные колебания флотационной среды приводят к знакопеременному перемещению пузырьков воздуха относительно жидкости, при этом амплитуда относительной скорости пузырька обусловлена скоростью колебаний среды;
высокая селективность разделения при пульсационной флотации обусловлена: импульсным изменением ускорения комплекса частица-пузырёк, приводящим к перераспределению частиц различной крупности, формы и плотности на поверхности пузырька при его всплывании; ярко выраженным проявлением коалесценции минерализованных пузырьков в камере флотации; вибрацией пенного слоя, приводящей к отрыву слабо закрепившихся частиц;
повышенная скорость пульсационной флотации по сравнению с колонной флотацией в стационарной среде обусловлена образованием большого количества тонкодисперсных пузырьков (в том числе кавитационных), коалесцентным механизмом минерализации и повышенной скоростью всплывания пузырьков средней крупности (1-2 мм);
2. Методика и устройство для измерения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька флотационной крупности позволяют одновременно регистрировать указанные параметры в динамических условиях, характерных для реальной флотации, и на три порядка повысить чувствительность измерения (до 0,1 нН) при заданных значениях скорости
15 столкновения частицы с пузырьком и их отрывания, силы их прижима друг к другу и времени контакта.
Время индукции, измеренное в динамических условиях, характерных для флотации, является переменной величиной, которая равна времени, необходимому для образования комплекса частица-пузырёк с определённой прочностью связи, зависящей от физико-химических и гидродинамических условий взаимодействия частицы с пузырьком.
Разработанная методика проектирования колонного флотационного аппарата с пульсационным аэратором позволяет создавать аппараты с равномерным аэрированием по сечению колонны, с учётом конкретных условий их эксплуатации.
Устройство и принцип работы колонной пневмопульсационной флотомашины характеризуются возможностью одновременного получения тонкодисперсных пузырьков и использования их при повышенной скорости нисходящего потока пульпы, что обеспечивает более высокую удельную производительность пульсационного аппарата по сравнению с применяемыми в настоящее время пневматическими машинами колонного типа, использующими аналогичные пузырьки.
Процесс промышленной пневмопульсационной флотации, испытанный и внедрённый при обогащении сильвинитовых руд с использованием пульсационных колонных аппаратов различного типоразмера, позволяет одновременно повысить извлечение и качество извлекаемого компонента и снизить эксплуатационные затраты при повышенной удельной производительности флотационного аппарата.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и доложены на 23 научных конференциях: Международных совещаниях «Плаксинские чтения» (1998-2004 гг.); XXI Международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Рим, 2000 г.); II, III, IV, V конгрессах обогатителей стран СНГ (1999, 2001, 2003, 2005 гг.); научных симпозиумах «Неделя горняка» (1998-2003 гг.); Международной конференции «Горные
науки на рубеже XXI века» (Москва-Пермь, 1997 г.); 1-ой Всероссийской
конференции «Сырьевая база неметаллических полезных ископаемых и
современное состояние научных исследований в России» (Москва, 2003 г.);
научно-практической конференции «РИВС-2003» (С-Петербург);
Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, 2003 г.); 10-ой юбилейной международной научно-технической конференции (г. Екатеринбург, 2005 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 32 статьях, 3 патентах и 3 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертации состоит из введения, пяти разделов, заключения и выводов, списка использованных источников из 290 наименований, 10 приложений и содержит 280 страниц машинописного текста, 107 рисунков в основном тексте и 20 в приложении, 30 таблиц.
Основные методы воздействия на гидродинамические условия минерализации воздушных пузырьков
Для совершенствования процесса флотации всё в большей степени используют различные энергетические методы воздействия на многофазную флотационную систему. Работы ведутся в направлении интенсификации процессов минерализации пузырьков и выделения из пульпы образованного комплекса частица-пузырёк за счёт изменения не только физико-химических свойств флотационных фаз, но и - гидродинамических условий их взаимодействия.
Анализ теории и практики колонной флотации позволяет выделить основные факторы, которые влияют на гидродинамические условия процесса: конструктивные особенности аппарата (диаметр, высота и др.), направление потока и интенсивность перемешивания пульпы, метод аэрирования (количество и крупность пузырьков, степень их минерализации).
При этом основными физическими методами, воздействующими на минерализацию, являются: пульсирующая подача воздуха или жидкости [68, 69], тангенциальный ввод пульпы во флотационный аппарат [143, 147-152], сочетание тангенциального ввода пульпы с подачей диспергированного воздуха в гидроциклон [153-156], наложение акустических [157-159] и вибрационных [160-164] колебаний различной частоты.
Подачу пульсирующего воздуха для интенсификации флотации используют как в пневматических колоннах для подачи струй жидкости [69] или газа [7, 74] при аэрации, так и в импеллерных [68] машинах. При этом увеличение скорости подачи газа инициирует действие коалесценции.
Значительное число работ направлено на использование центробежных сил в потоке пульпы с целью улучшения условий диспергирования воздуха и динамики минерализации пузырьков, а также для интенсификации процесса выделения образованных комплексов частица-пузырёк из пульпы. Для интенсификации процесса разделения шламов в колонной флотомашине пульпу вводят в камеру разделения тангенциально. Аэрирование осуществляют подачей сжатого воздуха через патрубок и пористую цилиндрическую стенку камеры [149], с помощью циклонных аэраторов [150, 151] или другим методом. Для повышения извлечения тончайших частиц цветных и благородных металлов в США разработана флотационная камера в виде вращающегося барабана [147, 148]. Питание подаётся по оси барабана сверху и смещается под действием центробежных сил от центра через экран из пузырьков воздуха, выходящих через сопло в дне цилиндра.
Разработан высокопроизводительный процесс флотации в гидроциклоне (идеи этого процесса заложены в работе [165]) с пористыми стенками, через которые подается сжатый воздух [153,155]. При вводе воды вдоль стенки корпуса образуется вихревой поток, в котором за счёт высокой скорости сдвига слоев жидкости вдуваемый воздух образует мелкие пузырьки. Удельная производительность аппарата достигает 1000 т/(ч-м ), а время флотации - 1 с.
Проведены многочисленные исследования по применению акустических и вибрационных способов интенсификации флотационных процессов. Применение ультразвука подробно описано в работах [16, 17, 166]. Интересно практическое применение акустических колебаний низкой частоты, которые регулируют дисперсность пузырьков, обновляют поверхность частиц и влияют на растворение реагентов. Используют также импульсное электрогидравлическое воздействие при частоте импульсов 40 Гц [159].
Предлагается активировать частицы минералов микропузырьками путём создания акустических колебаний широкого спектра частот в проходящей через пульпопроводы или гидроциклоны пульпе за счёт установки в них механических резонаторов и подачи в пульпу воздуха [158]. Используют также пьезокерамический излучатель [167].
Предложен интересный метод повышения вероятности минерализации пузырьков за счёт акустического воздействия в диапазоне частот от 12 до 6000 Гц, что приводит к огранке пузырьков, резко активируя их минерализацию [157]. При этом наблюдается интенсивная минерализация пузырька в узловых точках огранки. К сожалению, этот процесс не реализован в промышленности.
Особого внимания заслуживает применение вибрационных воздействий различной частоты. Основное влияние колебания оказывают на гидродинамическую обстановку в камере флотации. Вибрационные воздействия используются также на стадии подготовки флотационных фаз перед флотацией [160].
Близким к флотации по существу протекающих процессов в суспензионной среде является обесшламливание в пульсационном пластинчатом классификаторе [163], а также сепарация полезных ископаемых в тяжелых средах. В работах [168, 169] показано, что эффективность разделения ф (движения) компонентов в структурированных тяжелых суспензиях повышается при наложении вибраций с частотой в пределах 3-6 Гц при соответствующих малых амплитудах. Сочетание флотационных эффектов и вибрации было осуществлено впервые в аппаратах флотогравитации, которая в СССР была внедрена в середине 40-х годов прошлого столетия [170]. При обогащении на концентрационном столе в слой обработанной реагентами пульпы (снизу # сквозь деку стола) подаётся воздух, который способствует образованию аэрофлокул гидрофобных частиц и сегрегации твёрдой фазы пульпы. Следующим важным этапом развития вибрационной флотации было успешное практическое использование флотоотсадки, разработанной и исследованной И.Н. Плаксиным и С.С. Шахматовым в 1965-1967 гг. Результаты были обобщены ими в монографии [171]. Флотоотсадка сочетает одновременное разделение минеральных зёрен отсадкой и флотацией при подаче воздуха в пульпу, которая совершает вертикальные колебания с частотой от 0,4 до 6 Гц [172, 173].
Разработка приборов и методики для измерения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька флотационной крупности
Эффективность флотации как тонкодисперсных, так и крупнозернистых минералов во многом определяют гидродинамические условия во флотационной камере, которые в значительной степени зависят от её конструктивных особенностей. При разработке конструкций новых флотационных машин теоретической базой решения проблемы оптимизации условий флотации являются закономерности физической теории минерализации пузырьков.
Известно, что механизм минерализации пузырьков при флотации отличается большой сложностью и зависит от вероятности отдельных этапов этого процесса. В разное время Р.Шуман [183], К.Ф. Белоглазов [184], О.С. Богданов [185] и другие исследователи предложили рассматривать вероятность флотации как произведение вероятностей основных слагающих событий. Выделяют, как правило, четыре вероятности процесса: - столкновения частицы с пузырьком; - образование комплекса частица-пузырёк; - сохранения частицы на пузырьке до выхода её в пенный слой; - сохранения частицы в пене до выхода её в концентрат.
Такое деление связано с гидродинамическими условиями и соотношением сил взаимодействия между пузырьком и частицей на разных стадиях процесса флотации. Сближение частицы с пузырьком осуществляется за счёт гидродинамических сил, а прилипание происходит, в основном, под действием поверхностных сил. Физическим следствием процесса является образование комплекса (агрегата) частица-пузырёк, сохранение которого зависит от соотношения силы прилипания и отрывающих усилий, обусловленных гидродинамическими условиями.
Рассматривая условия элементарного акта флотации, следует заметить, что они существенным образом осложняются вследствие турбулизации пульпы всплывающими пузырьками и искажений, вносимых в поток самими частицами. При этом для пузырька воздуха основными гидродинамическими характеристиками являются скорость всплывания и критерий Рейнольдса (Re).
Общепризнано, что вероятность столкновения частиц с пузырьком определяется в основном гидродинамическим режимом. Начала теории соударения частицы с пузырьком были заложены О.С.Богдановым [186]. Дальнейшее своё развитие она получила на основе механики аэрозолей в работах Б.В. Дерягина, С.С. Духина и др. [187, 188].
Вероятность столкновения частицы с пузырьком при флотации может быть рассчитана количественно. Уравнения для расчёта вероятности столкновения частиц с пузырьками, предложенные в разное время различными авторами и представленные в работах [5,7], можно разделить на две группы. В первую входят формулы, основанные на концепции столкновения в результате турбулентных блужданий частицы и пузырька. Наряду с диффузионным рассматривается и миграционный механизм осаждения, который обусловлен пульсационной составляющей скорости потока. Между тем, анализ этих формул показывает, что в случае значительной разницы размеров частицы и пузырька, изменение крупности частиц не влияет на число столкновений, что противоречит экспериментальным данным.
Ко второй группе относятся формулы, полученные на основе анализа детерминированного описания движения частицы в окрестности пузырька с учётом действия различных сил: инерционных, седиментации, зацепления, турбулентных пульсаций и др. Учитывается критический размер частиц, меньше которого частицы не могут соударяться с пузырьком. Критический размер, по которому частицы разделяют на инерционные и безынерционные, определяется по критерию Стокса [3, 189, 190, 191]
Если Stk l, то частица инерционная. Отсюда следует, что инерционность при столкновении будет пропорциональна размеру частицы и скорости пузырька. В то же время из зависимости (2.1) следует, что крупность пузырька при повышенной скорости должна быть меньше. Такие условия не могут быть созданы при обычной флотации.
В зависимости от соотношения размеров частиц и пузырьков воздуха, а также гидродинамического режима движения выделяют шесть основных механизмов соударения: инерционный, гравитационный (седиментационный), градиентный, безынерционный в поле поверхностных сил пузырька, турбулентно-диффузионный и коллоидно- или молекулярно-диффузионный [190, 191]. Указанные механизмы могут в различной степени проявляться при пульсационной флотации.
При инерционном механизме столкновения частицы с пузырьком вероятность их соударения возрастает с увеличением массы частицы, а также относительной скорости частицы и пузырька. Этот механизм характерен для частиц крупностью несколько десятков-сотен микрометров. Траектория частицы при этом определяется балансом инерционных и вязкостных сил.
Малые безынерционные частицы не могут столкнуться с пузырьком в связи с действием сил дальнего гидродинамического взаимодействия (ДГВ), которые пузырёк оказывает на частицу через посредство линий тока жидкости. Пузырёк, искривляя линии тока воды, удаляет от себя траекторию малой частицы. Соударяться будут только те частицы, которые находятся в площади сечения трубки тока (сечение соударения).
Влияние динамических параметров жидкой фазы на перемещение и скорость всплывания пузырька
Измерение времени индукции (т) и силы отрыва частицы от пузырька (/) являются основными экспериментальными методами при исследовании вероятностей образования и сохранения комплекса частица-пузырёк. Силу отрыва оценивают обычно одним из следующих методов: 1. Измерение дополнительной силы, которую необходимо приложить, чтобы: а) оторвать пузырёк от исследуемой поверхности, б) оторвать частицу от пузырька. 2. Измерение объёма, при котором медленно раздуваемый пузырёк отрывается от исследуемой поверхности.
Методы 1а и 2 не позволяют правильно оценить силы, действующие между частицей и пузырьком при флотации, что связано с влиянием Архимедовой силы пузырька, которая регистрируется измерителем силы отрыва [217]. Указанного недостатка лишен метод 16. Поэтому ниже будут кратко рассмотрены приборы, реализующие именно этот принцип измерения.
В работе [217] приведено устройство, содержащее ёмкость с жидкой фазой, а также размещённые в ней держатель пузырька и отрыватель частицы, выполненный в виде лёгкой рамки, подвешенной на тонкой нити к коромыслу торсионных весов. Однако последние регистрируют не только отрывающую силу, приложенную к частице, но и изменяющуюся в процессе измерения (из-за гистерезиса смачивания) силу, связанную с действием поверхностного натяжения жидкой фазы на нить в месте выхода последней из жидкой фазы. Указанная погрешность составляет по расчётам, как минимум, несколько мкН. Между тем, при размерах частиц (0,01-0,10 мм) и пузырьков, характерных для флотации минералов, величина силы отрыва находится в пределах от десятых долей до нескольких мкН. Поэтому данное устройство применяют для измерения больших сил (от 10-20 до 100-200 мкН), необходимых для отрыва крупных (1-3 мм) частиц от пузырьков большого диаметра (2-5 мм), в условиях равновесного периметра смачивания и полученные выводы распространяют на флотацию. Между тем, правомерность такого подхода, как указано ранее (см. раздел 2.1), вызывает сомнения.
Указанная выше погрешность в определении силы отрыва, характерная для устройства [217], устранена в конструкции прибора [219], в котором в качестве чувствительного элемента использована коническая стеклянная нить, закрепленная под уровнем жидкости горизонтально, консольно и жестко толстым концом. О силе отрыва судят по величине вертикального перемещения свободного конца стеклянной нити с гидрофобизированным держателем пузырька. Однако данное устройство также было использовано для измерения относительно больших сил (25-450 мкН) со всеми вытекающими, указанными выше, последствиями.
Известны также устройство для определения силы отрыва по величине центробежной силы, приобретаемой частицей в центрифуге [220, 221], а также инерционное устройство [222], которое позволяет измерять силы отрыва частиц размером 0,1-1,0 мм, т.е. близкие к характерным для флотации (0,01-0,10 мм). Устройства отличаются определенной сложностью и не могут быть использованы при размерах частиц и пузырьков менее 0,1 мм.
Измерения времени индукции впервые провёл в 1934 г. И. Свен-Нильсон [201, 202], который исследовал влияние реагентов на скорость прилипания воздушного пузырька к большой поверхности минерального шлифа. Впоследствии метод был усовершенствован М.А. Эйгелесом [200] и В.А. Глембоцким [203]. В созданных ими контактных приборах пузырёк воздуха на заданное время (tK) приводят в соприкосновение со слоем минеральных частиц флотационной крупности, причём в приборе М.А. Эйгелеса к неподвижному пузырьку подводят снизу слой минеральных частиц на дне кюветы, а в приборе В.А. Глембоцкого - пузырёк к неподвижным частицам сверху. В обоих приборах предусмотрена регулировка расстояния от пузырька до слоя минеральных частиц.
Следует отметить, что определенные погрешности при малых значениях времени контакта вносит инерционность магнитной системы. Поэтому в приборе конструкции ЦНИГРИ-ВИМС [204], который представляет усовершенствованный вариант прибора М.А. Эйгелеса, измеряют фактическое время контакта с помощью электронного счётчика времени и двух контактов.
Рассмотренные контактные приборы имеют, к сожалению, ряд существенных недостатков: неопределённы скорость сближения и сила прижима пузырька к частицам, а также скорость и сила отрыва; в слое частиц образуется впадина под влиянием скорости пузырька; существует погрешность из-за действия сил когезии, а также адгезионных сил между минеральными частицами и материалом кюветы и др.
Проектирование пульсационных колонных флотационных аппаратов
При этом установлено, что максимальная абсолютная скорость пузырька в насыщенном растворе солей при высоких значениях частоты (1 Гц) и амплитуды (11см) достигает +100 см/с для пузырька диаметром 2,5 мм. В дистиллированной воде при различных режимах и более мелкие пузырьки разгоняются до скоростей +130 см/с. Величина максимальных отрицательных скоростей достигает при тех же режимах - (80-90) см/с. При этом, предельные значения абсолютной отрицательной скорости пузырька в воде полностью зависят от амплитуды колебаний среды (коэффициент корреляции - 100 %).
Представляет интерес средняя скорость пузырька {скорость всплывания) в цикле колебания. О её изменении можно судить по данным, представленным на рис.3.11 и в приложении 1 на рис. 6 и 7, из которых следует, что: - в дистиллированной воде при всех АЧР с увеличением размера пузырьков, примерно, до 1,8-2,0 мм, наблюдается рост скорости их всплывания. При дальнейшем увеличении размера пузырьков скорость их в основном замедляется и в некоторых случаях снижается (рис.3. И а). При повышенной частоте (1 Гц) пузырьки размером 1,2- 1,8 мм всплывают в воде медленнее, чем при меньших частотах; - в насыщенном солевом растворе скорость всплывания пузырька (рис.3.116), как и в водном растворе ПАВ (приложение 1 рис.6), существенно ниже, чем в воде и имеет неоднозначную зависимость от частоты колебаний; - в солевом растворе при наложении колебаний наблюдается увеличение скорости всплывания пузырьков диаметром 1,3-2,4 мм по сравнению с их всплыванием в неподвижной жидкости (рис.3.116).
Скорость всплывания пузырька при различных АЧР в течение одного цикла была сопоставлена со средней скоростью его всплывания в водопроводной воде в течение нескольких (3-8) колебательных циклов. В результате было установлено (рис.3.12), что максимальное увеличение скорости, по сравнению со скоростью свободного всплывания, происходит при малых частотах для пузырьков очень узкого класса крупности 1,2-1,5 мм. С увеличением частоты (0,6 Гц) скорость пузырьков того же интервала крупности возрастает меньше. При большей частоте (0,9 Гц) максимум скорости, превышающий скорость свободного всплывания, соответствует более широкому интервалу крупности (1,3-1,8 мм). Однако при возрастании частоты
Установлено, что в дистиллированной воде наибольшая величина относительной скорости пузырька (в исследованном интервале его размеров) составляет 53 см/с. Это отмечено для пузырька диаметром 1,4 мм при малой частоте (0,33 Гц) и большой амплитуде (20 см) (рис.3.13а кр. 1). При этом наибольшее отрицательное значение относительной скорости ( 13 см/с) пузырька (пузырёк движется вниз относительно жидкости) близкого размера (1,5 мм) наблюдается при частоте 0,75 Гц. Следует отметить, что при отрицательной скорости пузырька появляется большая вероятность попадания безынерционных частиц в область пониженного давления в турбулентном следе пузырька с образованием флотационного агрегата.
Рассматривая движение исследованных пузырьков в дистиллированной воде при частоте воздействий от 0,5 до 1,0 Гц, следует отметить, что время цикла, соответствующее движению пузырьков с отрицательной скоростью в пределах до 10-12 см/с, смещается из фазы движения жидкости вниз при малой частоте (см. рис.3.13а) к переходной зоне движения жидкости вверх-вниз при большей частоте (0,75 Гц) (рис.3.136) и далее при частоте 1 Гц и малой амплитуде (5 см) равномерно переходит в фазу, где жидкость движется вверх с положительными скоростями пузырьков (рис.3.13в). При этом минимальные скорости наблюдаются, в основном, для малых пузырьков. Полученные результаты указывают на возможность оперативного управления скоростью столкновения частицы с пузырьком в процессе флотации.
При движении пузырьков в насыщенном солевом растворе в условиях той же повышенной частоты (1 Гц) и высокой амплитуды (10-11 см) наблюдается обратная картина. Относительные скорости пузырьков всех размеров снижаются на границе перехода движения жидкой фазы вниз-вверх (см. приложение 1 рис.8), и многие пузырьки переходят в область отрицательных скоростей движения (см. приложение 1 рис.9). С уменьшением частоты колебаний солевого раствора до 0,75 Гц при той же амплитуде (10 см) наблюдается только положительная скорость всплывания пузырьков (приложение 1 рис.10 кр. 4). С увеличением скорости среды при меньшей частоте в отрицательную область переходят лишь маленькие пузырьки приложение 1 рис.11 кр. 1). Следует отметить, что интервал относительных скоростей (подтверждённых большим количеством экспериментов, исключая экстремальные значения) при большой амплитуде воздействия существенно шире (от -12 до +52 см/с), чем при малой амплитуде (от 2 до 25 см/с).
О влиянии амплитуды колебаний среды на относительную скорость пузырьков различного диаметра можно судить по данным, представленным на рис. 3.14 и в приложении 1 на рис.10 и 12. При малой амплитуде колебаний дистиллированной воды (8 см) наблюдается довольно узкий диапазон положительных скоростей пузырьков. При большей амплитуде колебаний среды (14 см) диапазон относительных скоростей пузырьков почти всех размеров расширяется, и наблюдается переход части пузырьков (диаметром менее 1,7 мм) в область отрицательных скоростей движения. При этом, в воде влияние амплитуды проявляется сильнее, чем в солевом растворе.
