水平充填介质浮选柱中气含率研究.pdf

2 0 1 4 年第2 期有色金属 选矿部分 6 5 d o i 1 0 3 9 6 9 ，j ．i s s m l 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 2 ．0 1 7 水平充填介质浮选柱中气含率研究 欧乐明，张文才，冯其明，王立军，李红强 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要气含率是柱浮选中最关键的参数之一，它直接影响整个柱浮选过程。采用液位上升法和电导法研究了表观气 速0 9 、表观液速 ￡D 、正辛醇浓度 c 和充填介质数 柚对水平充填介质浮选柱的整体气含率、局部气含率及其分布 的影响。结果表明，c 0g 几，J 从0 - 5 3c m ／s 增加到2 ．6 5c m ／s 时，气含率增加4 倍；五 0 - 5 3c m ／s ，c 从0g ／L 增加到0 ．1g ／L 时，气含率增加7 倍；五 2 ．6 5c m ／s ，充填介质数从0 增加到5 时，浮选柱整体气含率增加5 9 ．4 ％；充填介质可以减小气泡的 紊动强度，使气含率沿径向和轴向分布更加均匀。 关键词浮选柱；水平充填介质；气含率；表观气速 中图分类号T D 4 5 5 * ．9 文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 4 0 2 - 0 0 6 5 - 0 5 S t u d yo fG a sH o l d U pi naH o r i z o n t a lP a c k i n gF l o t a t i o nC o l u m n O UL e m i 叼，Z r 且A N GW e n c a i ，F E N Gg 删哪，W A N GL U u n ，L IH o n g q i a n g S c h o o lo fM i n e r a l sP r o c e s s i n ga n dB i o e n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 I D D 8 8 ．C h i n a A b s t r a c t G a sh o l d u pi So n eo ft h ek e yp a r a m e t e r sd u r i n gt h ef l o t a t i o no fc o l u m nf l o t a t i o n ，a n di t d i r e c t l y i n f l u e n c e st h ew h o l ef l o t a t i o n p r o c e s s ．T h e i n f l u e n c eo f s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y D ，s u p e r f i c i a l l i q u i dv e l o c i t y U 【 ，o c t a n o ld o s a g e C a n dt h en u m b e ro fp a c k i n gm a t e r i a l s A o nt h eg a sh o l d u p ， l o c a lg a sh o l d u pa n di I sd i s t r i b u t i o nw e r es t u d i e du s i n gl e v e lr i s em e t h o da n de o n d u c t i v i t ym e t h o d ．I tw a s f o u n dt h a tt h et o t a lg a sh o l du pi n c r e a s e db yf o u rt i m e sw h e n 上i n c r e a s e df r o m0 ．5 3 c m ／st o2 ．6 5c m ／s ． T o t a lg a sh o l d 一即i n c r e a s e db ys e v e nt i m e sw h e ni n c r e a s e df r o m0s ／Lt o0 ．1s ／L ．W i t h o u ta d d i n go c t a n o l ， k e e p i n gs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yb e i n g2 ．6 5 e m ／s ．t h ep a c k i n gm a t e r i a l sw o u l di n c r e a s et h eg a sh o l d u pb y 5 9 ．4 ％．M e a n w h i l e 。p a c k i n gm a t e r i a l sr e d u c et u r b u l e n c ei n t e n s i t yo fb u b b l e sa n dm a k et h er a d i a la n da x i a l d i s t r i b u t i o no fg a sh o l d u pm o r eu n i f o r m i t y ． K e yw o r d s f l o t a t i o nc o l u m n ；h o r i z o n t a lp a c k i n gm a t e r i a l s ；g a sh o l d - u p ；s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 浮选柱在处理微细物料方面表现出了常规浮选 机不可比拟的优势[ 1 ] 。目前常用的浮选柱有澳大利 亚的J a m e s o n 浮选柱、加拿大的C P T 浮选柱、国内 的旋流静态微泡浮选柱和C C F 浮选柱。中南大学 欧乐明等人根据充填介质理论、微泡发生理论，按 照最大表面积通量准则和相似准则自主设计和研发 了水平充填介质浮选柱。水平充填介质浮选柱形成 的速度场明显优于无充填介质浮选柱，并且其内置 的新型微泡发生器具有良好的稳定性，能持续产生 大量的微小气泡，更有利于微细粒矿物的回收。在 低品位铝土矿[ 2 | 、微细粒白钨矿[ ，] 等难选矿石的 选矿实践中表现出了良好的分选效果。 由于气含率与气泡尺寸 与发泡器、起泡剂种 类和浓度、载矿量和气速有关 、矿浆流速、固体 浓度以及捕集区混合规律有关，因此，可以认为气 含率是包括化学、操作和设备等一系列浮选变量的 函数。通过气含率可以计算气泡表面积通量，而且 表面积通量又与浮选动力学相关㈤；浮选柱的传 质性能主要与气相和矿浆相的界面面积相关，界面 面积则取决于气含率和气泡尺寸分布[ 5 ] 。尽管气 含率如此重要，但是由于缺少可靠的在线检测技 术，人们一直无法将它与浮选效果联系起来[ 6 ] 。目 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 资助项目 2 0 0 7 c B 6 1 3 6 0 2 牧稿日期2 0 1 3 - 0 4 1 5修回日期2 0 1 4 - 0 l 一1 5 作者简介欧乐明 1 9 6 4 一 男，湖南宁乡人，博士，教授。 万方数据 6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第2 期 前，电导法逐渐受到人们的重视。该方法首先在试 验室浮选柱中成功实现了气含率的在线检测[ 引， 之后经过对电极结构的改进成功应用于工业浮选设 备中。 本文采用液位上升法、电导法对水平充填介质 浮选柱气含率进行测定，研究了表观气速、起泡剂 浓度和充填介质对气含率的影响。同时，确定了最 佳充填径距比，为水平充填介质浮选柱进一步发展 提供了理论指导。 1试验方法 1 ．1 试验及测试系统 试验系统 见图1 主要由变频控制系统、浮 选柱系统及测量系统组成。浮选柱柱体尺寸4 1 0 0 m m x 20 0 0m m ，分为7 节，通过法兰连接，在法兰 连接处可以添加充填介质。上面6 段柱体每段高度 3 0 0m m ，第7 段 装有微泡发生器 高度2 0 0 m m 。此外，每段均有西5m m 检测孔，可以连接电 导探针测试系统。 本研究中所采用的充填介质是根据工业化的浮 选柱中的充填介质作同比例缩放制作而成，其基本 结构见图2 ，制作材质为不锈钢型材，尺寸为D x H 9 8m m l On , u n 。充填介质由上至下逐层安装。 图1 浮选柱试验系统图 F i g ．1D i a g r a mo f f l o t a t i o nc o l u m ne x p e r i m e n ts y s t e m 1 一浮选柱；2 气泡发生器；3 气体转子流量计；4 空气压缩机； 5 一计算机；6 数据采集卡；7 一电导探针；8 循环压力泵； 9 一液体流量计；1 0 一给料搅拌桶；11 一喷淋水喷头；1 2 一检测孔 1 ．2 气含率的测定方法及原理 整体气含率的测量比较简单，多采用液位上升 法㈨。径向气含率的测量相对复杂，可以采用电 D 9 8m m 乒； 。。陵 心 夕 ／ ／ ／ ／ ／ ≮夕 乇≥。。～多 【J0 【j 【JI II II I 』爿2 1 0 0l l l l n 图2 充填介质结构示意图 F i g ．2P a c k i n gm a t e r i a ls t r u c t u r ed i a g r a m 导探针法。所有的试验均在大气压和常温下进行。 T a v e r a [ t ] 已经验证了电导探针法的有效性， 并采用该法探索了表面活性剂、分布系统布置对浮 选柱径向气含率分布的影响。一套完整的电导探针 测量系统如图3 所示，包括测量探针、信号放大电 路、多功能数据采集卡和计算机系统。 图3 电导探针测试示意图 F i g ．3C o n d u c t i v i t yt e s t i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 由于气、液导电性的差异，气泡通过探针时， 数据采集卡将采集到低电平信号，探针完全处于液 相时，将采集到高电平信号。通过设定合理的阀值 将测量到的原始信号转换成模拟信号后，计算气相 与探针针尖的接触时间与整个测量时间的比值，该 值即为局部气含率，公式如下 i n ∑孔 毛 r 牛x 1 0 0 ％ i l ，2 ，⋯，n 1 』 r 广第i 个气泡接触探针的时间； 卜总测量时间； i 测量过程中接触探针的气泡顺序； 一测量点距离浮选柱中心轴的径向距离。 2 试验结果与讨论 2 ．1 浮选柱整体气含率的影响因素研究 影响浮选柱气含率的因素很多，主要包括操作 万方数据 2 0 1 4 年第2 期欧乐明等水平充填介质浮选柱中气含率研究 6 7 因素、浮选柱结构参数和流体本身的性质。操作因 素直接反映的是气液两相各自的表观流速；浮选柱 的结构参数主要包括气泡发生器的结构参数、浮选 柱径高比、筛板开孔率、筛孔直径、筛板数；流体 本身陛质包括气液两相各自的密度、黏度与表面张 力等。 2 ．1 ．1表观气速和起泡剂浓度对浮选柱整体气含率 的影响 气泡直径减小，气泡在浮选柱中的上升速度降 低，气泡在浮选柱中的滞留时间会延长，从公式 1 可以看出，气含率会增加。起泡剂的加入可以 降低表面张力，减小气泡直径，因此对气含率有重 要影响[ 9 ] 。表观气速增加，一方面可以增加浮选 柱中气泡的数目，另一方面可以增大浮选柱中气泡 的直径，气泡数目增加气含率增大，气泡直径增加 气含率降低。因此系统的研究表观气速和起泡剂浓 度对浮选柱气含率的影响对于提高浮选柱的性能具 有重要意义。 由图4 可知，随着表观气速的增加，气含率逐 渐增加，而且当表观气速增加到某一值时，增加的 幅度降低。随着正辛醇用量的增加，气含率迅速增 加，当正辛醇用量达到0 ．0 2 5g ／L 后，气含率变化 不大，尤其是当表观气速为1 ．3 3 和1 ．7 6c m ／s 时， 正辛醇用量0 ．0 2 5 、0 ．0 5 和0 ．1g ／L 对应的气含率基 本相同。正辛醇用量O ．1g ／L ，表观气速2 ．6 5c m ／s 时，气含率最大，达到6 7 ．9 ％。 堡 瓣 托 婶 表观气速／ c m ．s _ 1 图4 不同的正辛醇用量下，气含率与表观气速的 关系 F i g ．4 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sh o l du pa n d s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yu n d e rd i f f e r e n to c t a n o l 随着表观气速的增加，气液两相体系的流动从 均匀流转变为非均匀流，在均匀流体系中气泡尺寸 较小且均匀，在非均匀流体系中气泡尺寸较大且差 别明显[ 1 0 ] 。均匀流中气泡兼并可以忽略，非均匀 流中气泡兼并加剧，气泡兼并对气含率的增加有限 制作用，因此，气含率随表观气速的增加幅度会 降低[ 1 l - 1 2 ] 。 值得注意的是，正辛醇用量0 ．1 { ；，L 时的曲线 与其它的不同，气含率随表观气速增加的幅度基本 不变。这与醇类起泡剂的临近兼并浓度及其抑制小 气泡兼并、稳定均匀流的性质有关。 2 ．1 ．2 水平充填介质对浮选柱整体气含率的影响 充填介质的主要作用之一是切割大气泡。这会 增加气液两相传质面积和延长气泡的停留时间，增 加浮选柱内的气含率。同时，充填介质可以调整浮 选柱内的流态，使浮选柱内的矿浆流态更加接近塞 流。由图5 可知，随着充填介质数的增加，浮选柱 的气含率逐渐增加，当充填介质数目达到5 后，气 含率变化不大，这说明充填介质一方面可以提高浮 选柱中单位体积的气含率，另一方面也会对气含率 的增加形成限制[ 陆引。由图6 可知，在不同气速 下，随着充填介质数的增加，浮选柱气含率出现极 值，表观气速为2 ．6 5c m ／s ，充填介质数为4 时， 气含率最大为3 3 ．1 5 ％。由图7 可知，充填介质数 小于4 时，表观液速的变化基本不会影响浮选柱的 气含率，充填介质数大于4 时，随着表观液速的增 大，气含率呈先增大后减小的趋势。 表观气速／ B i l l 。s “ 图5U L 0c r r d s ，不同充填介质数时。气含率与表 观气速的关系 F i g ．5 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a dh o l du pa n d s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yu n d e rd i f f e r e n tp a c k i n gm a t e r i a l n u m b e rw h e nt h es u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t ye q u a l sz e r o 2 ．2 浮选柱局部气含率影响因素的研究 2 ．2 ．1 表观气速对浮选柱局部气含率的影响 气体在浮选柱径向均匀的分布是获得良好分选 效果的必要条件。试验中所用的浮选柱采用微泡发 生材料来产生气泡，不利于气体在浮选柱径向的均 匀分布，因此，系统的研究浮选柱局部气含率及其 分布具有重要意义。图8 为表观气速为0 ．8 8 、1 ．7 6 和2 ．6 5c m ／s 时，A 、B 、C 三位置的径向气含率分 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第2 期 零 ＼ 褥 m 扩 充填介质数A 图6 不同表观气速时。气含率与充填介质数的关系 F i g ．6 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sh o l du pa n d p a c k i n gm a t e r i a ln u m b e ru n d e rd i f f e r e n ts u p e r f i c i a l g a sv e l o c i t y 零 ＼ 褂 把 妒 充填介质数A 图7 仁1 ．7 6c m ／s ，不同表观液速时，气含率与充 填介质数的关系 F i g ．7 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sh o l du pa n d t h en u m b e ro fp a c k i n gm a t e r i a l sa td i f f e r e n t s u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t yw h e nt h es u p e r f i c i a lg a s v e l o c i t ye q u a l s1 ．7 6c n d s 布情况。A 点位于气泡发生器上方0 ．6m 处，B 点 位于气泡发生器上方0 ．9m 处，C 点位于气泡发生 器上方1 。2m 处。从图8 可以看出，气含率在柱体 中间高，柱壁附近低，从柱中心到柱壁逐渐降低， 表观气速越大，差别越明显。同时，表观气速增加 也会影响气含率在轴向分布的均匀性。 值得注意的是，B 点相对于A 、c 点，气含率 径向分布较为均匀，这可能与发泡器的发泡特征和 气泡兼并有关。微泡发泡器产生的气泡流在径向是 逐渐分散开的，A 点距离发泡器较近，在A 点气泡 流在浮选柱横断面还未完全分散，表观气速越大， 这种影响越明显。 2 ．2 ．2 水平充填介质对浮选柱局部气含率的影响 水平充填介质会提高浮选柱的气含率，同时也 会影响气含率的分布，如图9 、1 0 所示。对比图8 所示可知，充填介质的加入，一方面提高了浮选柱 气含率，另一方面也使气含率的径向分布更加均 匀。对比图9 和图8 b 、图1 0 和图8 c 可知， 零 、 瓣 缸 妒 堡 髓 把 扩 距离圆心位置 r ／R 图8 表观气速对浮选柱气含率分布的影响 F i g ．8 T h ei n f l u e n c eo f s u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t y o nt h eg a sd i s t r i b u t i o ni nf l o t a t i o nc o l u m n 零 、 褥 托 旷 距离圆心位置 r ／R 图9 充填介质 A 4 对径向气含率分布的影响 正 1 ．7 6c m ／s F i g ．9 T h ei n f l u e n c eo fp a c k i n gm a t e r i a lo ng a s h o l du pr a d i a ld i s t r i b u t i o n A 4 ，肛1 ．7 6c m ／s 水平充填介质可以使气含率的轴向分布更加均匀， 这与水平充填介质流体调整和防止气泡兼并的作用 有关。 当充填数为4 时，B 、C 点位于水平充填区域， A 点位于非充填区域。由图9 ～1 0 可知水平充填区 B坦心地坦他U u 万方数据 2 0 1 4 年第2 期欧乐明等水平充填介质浮选柱中气含率研究 ’6 9 冰 、 褂 把 扩 距离圆心位置 r ／R 图1 0 充填介质 A 4 对径向气含率分布的影响 毕2 ．6 5c m ／s F i g ．10 T h ei n f l u e n c eo fp a c k i n gm a t e r i a l so ng a s h o l d u pr a d i a l d i s t r i b u t i o nn 4 ，乍2 ．6 5c m ／s 域B 、c 两个位置气含率非常接近，而非充填区域 的A 点则与这两点相差较大，当表观气速为1 ．7 6 c m ／s 时，这种情况更加明显。这说明，水平充填区 域和非充填区域的流体均布程度是不同的。 3 结论 1 整体气含率随表观气速的增加而增加，但 超过转变点后增幅降低；整体气含率随起泡剂浓度 的增大而增大，但当起泡剂浓度为0 ．0 2 5g ／L 时，气 含率增加变得缓慢，这可以从流态学的角度给出合 理解释。 2 浮选柱径向气含率分布呈不对称性，越靠 近柱壁气含率越低，表观气速增加会使不对称性变 得更加明显。 3 水平充填可以增加浮选柱的整体气含率， 同时增加柱内气含率径向分布的对称性，降低气泡 的紊动程度。 4 充填介质数为4 时，气含率达到最大，这 一结果为水平充填浮选柱的工业应用提供了重要 依据。 参考文献 [ 1 ] 程敢，曹亦俊，徐宏祥，等．浮选柱技术及设备的发展 [ J ] ．选煤技术，2 0 1 1 1 6 6 6 9 ． [ 2 ] 欧乐明，王立军，冯其明，等．利用微泡浮选柱分选中低 品位铝土矿的试验研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 1 ，3 1 1 4 0 4 3 ． [ 3 ] 黄光耀．水平充填介质浮选柱的理论与应用研究[ D ] ． 长沙中南大学，2 0 0 9 ． [ 4 ] T a v e r n ，E s c u d e r o ，F i n c h ．G a sh o l d u p i nf l o t a t i o n c o l u m n s l a b o r a t o r ym e a s u r e m e n t s [ J ] ．M i n e r a lP r o c e s s i n g ， 2 0 0 1 ．6 1 1 2 3 4 0 ． [ 5 ] B u s e i g l i o ，G r i s a l ，S c a r g i a l i ，e ta 1 ．O nt h em e a s u r e m e n t o fl o c a lg a sh o l d - u pa n di n t e r f a c i a l t e ai ng a s l i q u i d c o n t a c t o r sv i a l i g h t s h e e ta n d i m a g ea n a l y s i s l J j ． C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 1 0 ，6 5 1 2 3 6 9 9 3 7 0 8 ． [ 6 ] G o m e z ，C o r t e s - l _ o o p e z ，F i n c h ．I n d u s t r i a lt e s t i n g o fa g a sh o l d u p s e n s o rf o rf l o t a t i o n s y s t e m s [ J ] ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，t 6 6 4 9 3 口5 0 1 ． [ 7 ] T a v e r a ．F l o wc e l l st om e a s u r ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y u s ei n e s t i m a t i n gg a sh o l d u p i nf l o t a t i o n s y s t e m slD j ． C a n a d a M c G i UU n i v e r s i t y ，1 9 9 6 ． [ 8 ] C 1 6 u d i oP ．R i b e i r oJ r ．，D i e t e rM e w e s ．T h ei n f l u e n c eo f e l e c t r o l y t e s o n g a sh o l d - u p a n dr e g i m et r a n s i t i o ni n b u b b l ec o l u m n s [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，6 2 1 7 4 5 0 1 - 4 5 0 9 ． [ 9 ] T a n ，R a f i e i ，E t m a h d y ，e ta 1 ．B u b b l es i z e ，g a sh o l d u p a n db u b b l ev e l o c i t yp r o f i l eo fs o m ea l c o h o l sa n dc o m m e r c i a l h - o t h e r s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， 2 0 1 3 ，1 1 9 6 1 - 5 ． [ 1 0 ] K r i s h n a ，E l l e n b e r g e r ，M t e t t o ．F l o wr e g i m et r a n s i t i o n i nb u b b l ec o l u m n s [ J ] ．H e a tM a s sT r a n s f e r ，1 9 9 9 ， 2 6 4 4 6 7 4 7 5 ． [ 1 1 ] K r i s h n a ，U r s e a n u ，D r e h e r ．G a sh o l d u p i nb u b b l e c o l u m n s i n f l u e n c eo fa l c o h o la d d i t i o nv e r s u so p e r a t i o n a te l e v a t e dp r e s s u r e s [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n d P r o c e s s i n g ，2 0 0 0 ，3 9 4 3 7 1 - 3 7 8 ． [ 1 2 ] J a m i a l a h m a d i ，M u U e r - S t e i n h a g e n ．E f f e c t o fa l c o h o l o r g a n i c a c i dan dp o t a s s i u mc h l o r i d ec o n c e n t r a t i o no n b u b b l es i z eb u b b l er i s e v e l o c i t y a n dg a sh o l d - u pi n b u b b l ec o l u m n s [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 2 ，5 0 1 4 7 5 6 ． [ 1 3 ] 李延锋，张敏，刘炯天，等．浮选柱筛板充填的气 含率研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 8 ，3 7 2 2 5 5 - 2 5 8 ． [ 1 4JL o c k e t t ， K i r k p a t r i c k ， U d d i n ．F r o t h r e g i m e p o i n t e f f i c i e n c y f o r g a sf i l mc o n t r 0 1 ．1 e dm a s st r a n s f e ro nt w o d i m e n s i o n a ls i e v et r a y [ J ] ．T r a n s a c t i o n so fI n s t i t u t i o n o fC h e m i c a lE n g i n e e r s ，1 9 7 9 ，5 7 1 2 5 3 4 ． 万方数据