CC BY
110
© В.Ф. Скороходов, С.В. Юрзин,
__________________________________________ В.П. Якушкин, Ю.В. Харченко,
2011
УДК 519.711.2 : 622.7 : 622.341
В. Ф. Скороходов, С.В. Юрзин, В.П. Якушкин, Ю.В. Харченко
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКОВ В КОЛОННОЙ ФЛОТАЦИОННОЙ МАШИНЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ
Проведен анализ процесса осаждения модельных частиц сферической и пластинчатой формы (стеклянные шарики и алюминиевые круглые диски того же диаметра) в различных зонах гидравлического сепаратора.
Ключевые слова: вычислительная гидродинамика, гидравлический сепаратор, аналитическая модель.
Особенности процессов взаимодействия между фазами и гидродинамические характеристики многофазных потоков во флотационных машинах сильно зависят не только от структуры и распределения фаз в самом потоке, но и от конструктивных особенностей аппарата [4, 5]. В настоящий момент известно множество способов определения, как локальных гидродинамических характеристик, так и характеристик структуры многофазных потоков [6]. Общими недостатками существующих методов являются: необходимость вводить в поток датчики сложной конструкции (метод электрода и др.) или использовать ионизирующее излучение (измерение комптоновского рассеяния электромагнитного излучения). Однако, если применять методы математического описания гидродинамики многофазных потоков можно получить информацию о структуре и параметрах потока, не используя сложного и дорогостоящего оборудования.
Несмотря на то, что описание гидродинамики процесса флотации, бесспорно, является важной частью исследова-
ний посвященных флотационному разделению минералов, пока не существует единого подхода к созданию подобных моделей. Наиболее удачным представляется многоуровневый подход, суть которого заключается в том, что описание гидродинамики разбивается на несколько уровней в зависимости от характерного размера объектов, представляющих этот уровень.
В соответствии с многоуровневым подходом принято разделять задачу моделирования гидродинамики процесса флотации на три уровня. Первый уровень макроскопический, включает в себя движение многофазных потоков в моделируемом аппарате. В качестве инструментов для исследования на этом уровне может быть использовано как программное обеспечение на основе CFD-кода (Computational Fluid Dynamics -Вычислительная Гидродинамика) так и обычные модели смешивания, подкрепленные экспериментальными данными о характере движения многофазного потока. Второй уровень предназначен для переноса информации от микроскопического уровня (взаимодействие частица-
Рис. 1. Геометрическая модель колонной флотационной машины
пузырек) к макроскопическому уровню. Для описания на данном уровне следует использовать методы самосогласованного поля, например PBE уравнения (Population Balance Equation - уравнения, характеризующие эволюцию группы объектов). На третьем микроскопическом уровне при помощи статистических методов и моделирования физикохимических явлений рассматривается процесс образования комплекса частица-пузырек и его устойчивость. Полная модель гидродинамики процесса флотации в условиях конкретной флотационной машины должна включать все три уровня [1-3].
Целью данной работы являлось разработать подробную модель макроскопического уровня при помощи методов вычислительной гидродинамики, для того чтобы впоследствии дополнить её моделями микроскопического уровня и получить полную модель гидродинамики флотационного процесса.
Описанный трехуровневый подход можно применять к моделированию флотационного процесса в любой флотационной машине. В настоящее время большое распространение получил колонный тип флотации. Колонные флотационные машины обладают рядом преимуществ, например, способность производить концентраты с низким содержанием примесей, высокая производительность, низкое потребление электроэнергии, низкие затраты на обслуживание и меньшая занимаемая площадь.
В качестве объекта исследования была выбрана колонная флотационная машина производства CPT Inc. (Canadian Process Technologies), которая используется в операциях перечистки пенного продукта основной флотации на АНОФ-2 ОАО «Апатит». Колонная технология флотации должна обеспечивать лучшее извлечение крупных зерен апатита, однако чем крупнее минеральные частицы, тем большее воздействие они испытывают со стороны гидродинамических сил отрыва, и флотационные комплексы могут становиться менее устойчивыми. Кроме того, одна и та же конструкция колонной машины используется для флотации различного минерального сырья (металлические руды, уголь, апатит), что приводит к необходимости разработки полной модели процесса флотации, которая учитывает не только гидродинамические характеристики, но и особенности взаимодействия на микроскопическом уровне.
Г еометрическая модель колонной флотационной машины показана на рис. 1. Колонна представляет собой цилиндрическую камеру высотой 8 м и диаметром 4.6 м. Она оборудована круглыми внутренними желобами, в которые осуществляется удаление пенного продукта и четырех-ходовым, распределителем питания с диспергирующими пла-
Рис. 2. Поле скоростей газожидкостной смеси, диспергаторы с большим заглублением (слева), с малым (справа)
стинами. Система подачи воздуха Slam Jet состоит из 16 диспергаторов расположенных радиально на одной высоте с различным удалением от боковых стенок камеры.
Для расчета флотационных машин и оптимизации их технологических параметров необходима информация об общей и локальной структуре потоков всех фаз. К локальным характеристикам потока относят распределение воздушных пузырьков по размерам, газосодержа-ние, скорость движения фаз [6, 7].
Скорость движения воздушных пузырьков во флотационных колоннах обычно превышает скорость движения потока пульпы, поэтому основные гидродинамические характеристики определяются характером диспергирования и движения газовой фазы. На рис. 2 представлено поле скоростей получаемой газожидкостной смеси, относительно стенок камеры с большим и малым удалением от оси колонны. Полученные результаты позволяют констатировать, что
выравнивание скорости всплывания пузырьков осуществляется в зоне распределителя питания (подачи пульпы), а распределение скорости относительно вертикальной оси колонны является симметричным. Отсутствие такой симметрии может приводить к нежелательным эффектам, например макроциркуляции потоков.
Оптимальной признается такая организация гидродинамики, когда отсутствует макроциркуляция, которая может привести к механическому выносу и обратному перемешиванию, а сумма гидродинамических сил отрыва и капиллярного давления не превышает силу прилипания минеральных частиц к воздушным пузырькам.
Рис. 3. иллюстрирует линии тока газожидкостной смеси. При достаточно большом расходе воздуха возможно образование циркуляционных контуров размером от диаметра до высоты колонны. На рис. 3 видно наличие таких контуров в нижней части колонны, однако
Рис. 3. Линии тока газожидкостной смеси турбулентности
их масштаб не слишком велик, поэтому условия перемешивания в колонной флотационной машине следует признать близкими к оптимальным.
Выполненными исследованиями показано, что при высоких скоростях газовой фазы в колонне можно выделить три зоны: осевую с гомогенной турбулентностью и восходящим потоком газожидкостной смеси, промежуточную с большими значениями градиентов скорости и пристенную, характеризующуюся малым газосодер-жанием. Этот эффект легко проиллюстрировать с помощью распределения интенсивности турбулентности (рис. 4). В осевой зоне наблюдается гомогенная структура с невысокой интенсивностью турбулентности, которая по мере удаления от оси колонны переходит в зону высокой интенсивности, которую можно характеризовать преобладанием процессов дробления
Рис. 4. Распределение интенсивности
и коалесценции воздушных пузырьков. Малое газосодержание в пристенной области наблюдалось при оценке распределения объемной доли газовой фазы.
Необходимо отметить, что полная модель гидродинамики флотационного процесса должна включать все три уровня (микроскопический, промежуточный, макроскопический). Реализация такой модели возможна при помощи CFD приложений, имеющих встроенные интерпретаторы языков программирования, что позволяет пользователю создавать собственные функции для решения задач, не предусмотренных стандартным решателем.
Разработанная модель, дополненная функциями, реализующими известные модели микроскопического уровня, позволит получить полную трехуровневую модель гидродинамики флотационного процесса.
1. Bloom F. Modeling flotation separation in a semi-batch process / F. Bloom, T. J. Heindel // Chem Eng Sci. - 2003. - vol.58. - pp.353-365.
2. Dukhin S.S. Dynamics of adsorption at liquid interfaces / S. S. Dukhin, G. Kretzschmar, R. Miller // Studies in Interface Science, Series editors D. Mobius and R. Miller, Elsevier. - 1995.
3. Kostoglou M. Modeling local flotation frequency in a turbulent flow field / M. Kostoglou, T. D. Karapantsios K.A. Matis // Advances in Colloid and Interface Science. - 2006. - vol.122. -pp.79-91.
4. Кафаров В.В. Основы массопередачи / В. В. Кафаров - М.: «Высшая школа», 1972. -496 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------
Скороходов В.Ф. - доктор технических наук, зав. лаб. новых технологических процессов и аппаратов,
Юрзин С. В., Якушкин В. П.,
Горный институт КНЦ РАН, г. Апатиты, root@goi.kolasc.net.ru Харченко Ю.В.
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
A
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА ИМ. Д.А. КУНАЕВА
ОРЫНГОЖИН Ерназ Советович Разработка научно-технических основ геотехнологии добычи погребенных россыпей золота 25.00.22 к.т.н.
5. Лабунцов Д.А. Механика двухфазных систем / Д. А. Лабунцов, В. В. Ягов -М.: Издательство МЭИ, 2000. - 374 с.
6. Мелик-Гайказян В.И. Методы исследования флотационного процесса / В. И. Мелик-Гайказян, А. А. Абрамов, Ю. Б. Рубинштейн, В. М. Авдохин, П. М. Соло-женкин - М.: «Недра», 1990. - 301 с.
7. Рубинштейн Ю.Б. Пенная сепарация и колонная флотация / Ю. Б. Рубинштейн, В. И. Мелик-Гайказян, Н. В. Матве-енко, С. Б. Леонов - М.: «Недра»,1989. -304 с. ПТШ
