CC BY
29
СЕМИНАР 25 ::
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ
НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000”
МОСКВА, М1 ТУ, 31 январи - 4 (февраля 2000 года
^ А.А. Лавриненко, О.Н. Фролов,
I Д.В. Крапивный, 2000 :
А.А. Лавриненко, О.Н. Фролов, Д.В. Крапивный
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА* ПНЕВМОПУЛЬСАЦИОННОЙ ФЛОТАЦИИ
Пневмопульсационная флотация -один из самых новых и малоизученных методов обогащения полезных ископаемых. Исследования разработанного в ИПКОН РАН метода пневмопульсационной флотации показали, что управление амплитудночастотным режимом дает возможность легко изменять условия взаимодействия флотационных фаз, то есть скорость соударения минеральной частицы с пузырьком и последующего перемещения образованного агрегата, а также управлять аэрацией пульпы.
Промышленные испытания пневмо-пульсационных крупногабаритных аппаратов в операциях перечистки чернового сильвинового концентрата и шламовой флотации сильвинитовых руд Верхнекамского месторождения, показали возможность достижения высокого извлечения и качества продуктов одновременно [1].
Повышение технологических показателей флотации под воздействием пульсаций не имеет пока полного теоретического обоснования. Не вполне ясен, в частности, механизм повышения селективности разделения при высокой производительности процесса.
В работе** представлены некоторые результаты исследования особенностей механизма пневмопульсационной флотации, которые влияют на эффективность процесса разделения.
Известно, что плохая флотируемость тонких частиц, в значительной степени объясняется тем, что поток жидкости вместе с мелкими частицами обтекает
всплывающие пузырьки. Критический диаметр частиц зависит от скорости их встречи с пузырьками воздуха. Эта скорость, в условиях неподвижной жидкости, для данных размеров частиц и пузырьков не может быть сколько нибудь заметно изменена.
Флотация в вертикально пульсирующей среде снижает критический диаметр частиц примерно в 1,3 раза и тем самым увеличивает вероятность соударения. Как показали исследования, значения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырька, измеренные в динамических условиях и характеризующие скорость образования и прочность образованного агрегата, также существенно зависят от скорости соударения частицы с пузырьком [2].
Показана зависимость динамической силы отрыва и времени индукции от скорости соударения. Установлено, что увеличение скорости соударения частицы с пузырьком, примерно, до 10 см/с, при различных условиях проведения опытов, приводит к росту значений динамической силы отрыва, т.е. к росту прочности флотокомплекса в условиях неравновесного периметра контакта. А время, необходимое для образования флотационного комплекса в этих условиях, уменьшается.
Наименьшее время образования и наибольшая прочность комплекса соответствуют интервалу скоростей соударения
от 7 до 12 см/с. Эти значения, как известно, находятся в зоне неупругого столкновения, оптимального для флотации.
Решение дифференциальных уравнений движения флотируемых частиц и пузырьков воздуха в вертикально пульсирующей жидкости позволило получить абсолютные и относительные их скорости в любой момент цикла флотации. На рис. 1 показаны изменения относительной скорости пузырька в течение цикла, рассчинанной по формуле Стокса (кривая 1) и по формулам Аллена и Риттингера (кривая 2).Из представленных данных следует, что относительная скорость пузырька диаметром 1500 мкм, рассчитанная по формуле Стокса, находится вне интервала оптимальных скоростей соударения. Расчет скорости с учетом сопротивлений сил инерции и вязкости показывает, что интервал оптимальных скоростей столкновения расширяется. Например, скорость пузырька диаметром 500 мкм в неподвижной жидкости составит 4,5 см/с, режим обтекания - переходный ^е = 8). При данном числе Рейнольдса вязкостная и инерционная составляющие силы сопротивления оказывают, примерно, одинаковое воздействие. Скорость взаимодействия этих пузырьков и частиц сильвинита размером до 300 мкм, колеблющихся вместе со средой, в насыщенном соляном растворе №С1-КС1 плотностью 1.4 г/см3 и вязкостью 4 сПз, совершающего гармонические колебания с частотой 0.6 Гц и амплитудой 6 см, находится в зоне неупругого столкновения и не превышает 10 см/с.
Для модельного изучения поведения частиц на пузырьке в вертикально пульсирующем потоке жидкости была собрана лабораторная установка, представленная на рис. 2.
Рис. 1. Условия: диаметр пузырька - 1500 мкм, плотность среды -1,3 г/м3; вязкость - 4,6 сПз.
1 - расчет по формуле Стокса, 2 - расчет по формулам Аллена и Риттингера.
Изменеие относительной скорости пузырька в течение цикла
время, с
*Работа выполнена при поддержке РФФ
**В работе принимал участие д.т.н., проф. Краснов Г.Д.
Методика эксперимента заключалась в следующем. В подготовительной камере минеральную частицу сажали на пузырек, закрепленный на торец гидро-фобизированного парафином держателя и помещали в рабочую камеру. Из емкости для рабочего раствора подавали поток жидкости со скоростью, соответствующей скорости свободного всплывания исследуемого пузырька (5-20 см/с), или иной заданной. Скорость потока контролировали с помощью ротаметра. Режим воздействия задавали с помощью генератора вынужденных колебаний и электропневмораспределителя в линии подачи воздуха. Для моделирования условий пневмопульсационной флотации воздействовали на жидкость путем подачи пульсирующего воздуха в магистраль управления сверху на границу раздела «жидкость-газ» с заданной частотой колебаний (0,33-1,0 Гц). Было смоделировано взаимодействие фаз, которое соответствует воздействию колебаний жидкости на агрегат в реальном процессе. Эксперименты проводили в дистиллированной воде и насыщенном растворе хлоридов калия и натрия, применяемом при обогащении калийных солей. Результирующая скорость (Я) потока жидкости, омывающего агрегат при наложении пульсационных воздействий на среду, складывается из скорости подачи нисходящего омывающего потока (Уп) и скорости колебания среды (Ук) за счет пульсаций при прямом (впуск) и обратном (выпуск) такте воздействия.
Rвп=Vп-Vк,
Кеып = Уп+Ук,
где Vк=Аffls\n&t, А и Ш - амплитуда и частота колебаний жидкости.
Поведение агрегата "частица-пузырек" фиксировали с помощью видеокамеры с видеомагнитофоном и анализировали. В экспериментах использовали пузырьки диаметром от 500 до 1500 мкм и частицы минералов молибденита, галенита, халькопирита, кварца и угля различной формы, а также шарики из боросиликатного стекла. Частицы разделяли на три класса крупности: крупные -400 +250 мкм, средние -250 +125 мкм и мелкие -80 +40 мкм.
Исследование поведения частицы на пузырьке в знакопеременном потоке жидкости позволило выявить закономерность, которая заключается в том, что при прямом такте воздействия пульсаций частица отклоняется от положе-
ния нижнего равновесия на определенный угол (рис. 3). Из целого ряда полученных зависимостей следует, что угол отклонения частицы определяется скоростью и продолжительностью воздействия возмущающего потока жидкости. Результаты исследований свидетельствуют о том, что угол отклонения частицы на пузырьке возрастает:
• с увеличением скорости возмущающего воздействия;
• с уменьшением скорости нисходящего потока жидкости;
• с уменьшением эквивалентной мас-
сы минеральных частиц;
• с ростом эквивалентного размера частиц;
• для шарообразных частиц;
• с повышением плотности сре-
Рис. 3. Поведение частиц на пузырьках в знакопеременном потоке жидкости
Рис. 2. Принципиальная схема установки
1 - емкость для рабочего раствора; 2,16 - кран регулировки подачи и слива раствора; 3 - подготовительная камера; 4,8 - позиционер; 5 -держатель пузырька; 6 - микроинъектор для получения пузырька; 7 - кювета для минеральных частиц; 9,12 - осветительный прибор; 10 - микроскоп; 11 - рабочая камера; 13 -микроскоп с телекамерой; 14 - исследуемый агрегат; 15 - отверстие для улавливания частиц; 17 - ротаметр; 18 - электропневмораспределитель; 19 - генератор вынужденных колебаний; 20 - магистраль подачи управляющего воздуха; 21 - манометр; 22 - кран подачи воздуха; 23 - монитор; 24 - видеомагнитофон
ды (насыщенный раствор хлоридов калия и натрия).
Влияние частоты пульсирующих воздействий на угол отклонения имеет неоднозначный характер. С целью изучения поведения свободно всплывающего флотационного комплекса «частица-пузырек» в колеблющейся жидкости, лабораторная установка была модернизирована так, что агрегат свободно всплывал в нисходящем потоке в конической трубке. Это позволило »подвесить» его неподвижно на заданном уровне, а затем подвергнуть воздействию пульсаций жидкости. В этом случае, а также в условиях свободно всплывающего пузырька при флотации, в момент впуска воздуха в аэратор, т.е. в момент удара воздуха о границу раздела фаз, были зафиксированы на видеопленку аналогичные отклонения частиц на пузырьке.
В результате наблюдений было установлено, что при изменении направления движения жидкости при пульсации происходит перемещение частиц по поверхности пузырька и их перераспределение, способствующее отрыву слабо закрепившихся частиц от пузырька, а также частиц, закрепленных за счет сил
когезии. Таким образом происходит перечистка извлекаемых в пену частиц, чем и объясняется повышение селективности флотации под действием пульсаций среды. Наблюдения за поведением и анализ полученной информации позволил выявить факторы, которые способствуют, с нашей точки зрения, повышению эффективности процесса.
Периодическое изменение (возрастание) скорости взаимодействия фаз при пульсациях приводит к увеличению вероятности:
во-первых, столкновения частицы с пузырьком за счет:
♦ снижения критических размеров флотируемых частиц;
♦ увеличения экваториального диаметра всплывающего агрегата вследствие расслоения частиц по пузырьку;
♦ уплощения пузырька при ускорении движения жидкости вниз;
♦ увеличения длины пути пузырька при том же времени подъема в камере флотомашины;
во-вторых, закрепления за счет:
♦ увеличения интервала оптимальных скоростей соударения;
♦ снижения времени индукции при образовании агрегата;
в-третьих, сохранения агрегата при всплывании в условиях неравновесного периметра контакта за счет роста величины прижимающих усилий.
Кроме того, возрастает селективность разделения минералов из-за перераспределения частиц по поверхности пузырька и вибрации пенного слоя.
Установлено также, что по объему пульсирующей среды, при смене направления движения жидкости, возникают колебания давления, приводящие к периодической осцилляции пузырьков, и создаются условия для выделения растворенных газов.
Исследование дисперсности пузырьков, образующихся при пневмопульса-ционной флотации, в дистиллированной воде, в присутствии пенообразователя Т-80 показало, что большая часть пузырьков образуется крупностью менее 500 мкм, которые обладают повышенной способностью к коалесценции. Благодаря пульсирующим воздействиям этот эффект усиливается и приводит к быстрейшему выносу минерализованных пузырьков из камеры флотации в пенный слой и, таким образом, повышению производительности процесса флотации.
Таким образом, результаты исследований и наблюдения процесса подтверждают и обосновывают высокую эффективность и перспективность использования пневмопульсационной флотации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Краснов Г.Д., Лавриненко А.А., Крапивный Д.В., Фролов О.Н., Фролов Н.П., Кикот В.К. Основные принципы и практика пневматической пульсационной флотации // Обогащение руд. 1999. № 4. С. 19-23.
2. Лавриненко А.А., Краснов Г.Д. О возможностях пневмопульсационной флотации // Горные науки на рубеже XXI века: Материалы международной конференции 1997. Екатеринбург: УрРАН, 1998. С. 600-606.
Лавриненко .1..1., Фролов О.П., Крапивный Д.В. Инсіиіуі проблем комплексною освоения недр РАН.
