浮选柱筛板充填的气含率研究.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 0 8 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y - V o I ．3 7N O ．2 M a r 。2 0 0 8 浮选柱筛板充填的气含率研究 李延锋1 ，张敏2 ，刘炯天1 1 ．中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 } 2 ．华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州 5 1 0 6 4 0 摘要浮选柱气含率大小是决定浮选柱回收能力和分选效果的重要参数之一．探讨了旋流一静态 微泡浮选柱气合率在轴向的分布及其影响因素．研究了筛板充填浮选柱的气含率，结果表明气 含率在清水且不加起泡剂的浮选柱内的轴向分布不均匀，由于气泡的兼并和破裂呈现上部低、下 部高的趋势．筛板充填浮选柱的气含率随着循环量的增大先增后减，当循环量为7 2 0L ／h 时，平 均气舍率达到最大值2 9 ．6 ％；之后，随着给料速度的增大而略有减小；同时，随着筛板数量的增 多先增后减，当筛板充填层数为7 块时达到最大值． ’ ． 关键词浮选柱；气舍率；筛板充填 中图分类号T Q0 2 1 ；T D9 2 2文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 0 2 5 5 0 4 S t u d yo fG a sC o n t e n ti naS i e v eP a c k i n gF l o t a t i o nC o l u m n L IY a n f e n 9 1 。Z H A N GM i n 2 ，L I UJ i o n g - t i a n l 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u ．J i a n g s u2 21 1 16 ，C h i n a ；2 ．S t a t eK e yL a bo fP u l pa n dP a p e rE n g i n e e r i n g ， S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u ，G u a n g d o n g51 0 6 4 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eg a sc o n t e n ti nt h ec o l u m nf l o t a t i o ni so n eo ft h ek e yp a r a m e t e r st od e t e r m i n et h e r e c o v e r yc a p a c i t ya n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ff l o t a t i o nc o l u m n ．T h ea x i a ld i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eg a sc o n t e n ti nac y c l o n i c - s t a t i cm i c r o b u b b l ef l o t a t i o nc o l u m nw e r es t u d i e d ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg a sc o n t e n td i s t r i b u t i o ni nt h ea x i a ld i r e c t i o ni Sn o tu n i f o r mi nt h e w a t e rw i t h o u tt h ef o a m i n ga g e n t ．B e c a u s eo ft h em e r g e ra n db u r s to ft h eb u b b l e s ，t h eg a sc o n t e n ti sl o w e ri nt h eu p s i d ea n dh i g h e ri nt h eu n d e r s i d eo ft h ec o l u m n ．T h eg a sc o n t e n to fs i e v e p a c k i n gf l o t a t i o nc o l u m ni n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fc i r c u l a t i n g c a p a c i t y ．W h e nt h ec i r c u l a t i n gc a p a c i t yw a si n c r e a s e dt o7 2 0L ／h ，t h em a x i m u mo f2 9 ．6 ％o f g a sc o n t e n tw a sa c h i e v e d ．T h eg a sc o n t e n td e c r e a s e ss l i g h t l yw i t ht h ei n c r e a s i n go ff e e dc a p a c i t y ，a n di n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es i e v ep l a t en u m b e r ．T h e m a x i m u mo fg a sc o n t e n tw a sa c h i e v e dw h e nt h en u m b e ro fs i e v ep l a t en u m b e ri Ss e v e n ． K e yw o r d s f l o a t a t i o nc o l u m n ；g a sc o n t e n t ；s i e v ep a c k i n g 筛板塔是化工生产中主要的气液或液液分离 设备，具有生产能力大、分离效率高、抗堵性好、造 价低等优点[ 1 3 ，浮选柱是借鉴化工的塔器设备而发 展起来的用于矿物分选的新型浮选设备，其高效、 大通量、低能耗和操作简单的特点深受选矿厂青 睐．中国矿业大学研制的旋流一静态微泡浮选柱采 用射流原理而设计的独特成泡方式使浮选柱内气 体含量和气体质量 气泡直径大小及分布 有了明 显提高．浮选柱内的气含率直接决定了气泡荷载上 浮矿物的数量，从而决定了精矿的产率和回收率． 本文通过对浮选柱内气体含量的测定，研究了各因 素对气体含量的影响，指出筛板的多少对旋流一静 收稿日期2 0 0 7 0 9 1 9 基金项目国家杰出青年科学基金项目 5 0 4 2 5 4 1 4 作者简介李延锋 1 9 7 5 一 。男，河南省洛阳市人，讲师，博士研究生，从事细粒煤分选及金属矿与非金属矿的分选方面的研究． E - m a l l 1 y f 3 3 4 4 1 2 6 ．t o m T e l 0 5 1 6 。8 3 9 9 5 9 7 6 万方数据 2 5 6中国矿业大学学报第3 7 卷 态微泡浮选柱中的气含率有较大的影响，为旋流一 静态微泡浮选柱进一步发展提供了理论指导． 1实验 1 ．1装置及参数 实验系统 见图1 主要由变频控制系统、浮选 柱系统及测量系统组成．浮选柱内沿柱高方向设有 可调整和固定筛板的装置，根据实验要求调整筛板 数量及间距，其中射流口在最底层两筛板之间．实 验过程中用变频器控制循环泵压力，压力表指示循 环矿浆压力，通过调节阀门控制循环量，从而控制 迸气量的大小．实验系统包括X D T - 3 0 升调浆桶 D 3 0 0 4 5 0m m ，F C S M C - 1 0 0 旋流一静态微泡浮 选柱 D 1 0 0 20 0 0r a m ，循环泵、U 形管压差计、 控制柜及部分检测设备．筛板参数孔径为6m m ， 板厚为5m m ，开孔率为3 5 ％，筛板直径为7 8m m ． 操作条件为常温、常压，液相表面张力为5 8 ．1 1 0 ～一6 9 ．3 1 0 ～N ／m ．筛孔气速的计算公式 筛 孔气速等同于筛板塔的空塔气速 为口1 肛o 弓， 1 n n a ； 式中Q 为进气量，m 3 ／h ；竹为筛板上筛孔个数 本 实验靠一5 9 ；d 。为筛孔直径，m m ；胁为筛孔气速， m m ／s ． 图1筛板充填浮选柱流体特性实验系统示意 F i g ．1E x p e r i m e n t a ls c h e m a t i cd i a g r a mo ff l u i d p r o p e r t yr e s e a r c ho ns i e v ep a c k i n gf l o a t a t i o nc o l u m n 1 ．2 气含率的测定原理[ 3 ] 气含率是指一定容器内气体占有空间的体积 百分含量．在塔器及浮选柱中，气体是主要考察因 素，是物质载体，气体含量的大小直接影响浮选设 备的分选效率． 本实验采用压差法测量气含率．为简化推导， 假设仅考虑液相的静压，忽略动压，并忽略气体、气 泡一粒子聚集体的密度． 气含率的测定原理见图2 和3 ，A ，B 点的压力 分别是 P A 一阳g L A 1 一￡g A ， 2 P a p a g L B 1 一e g B ， 3 式中B - 为矿浆密度；L A ，L 。分别为A 点和B 点到 液面的高度；e 。A ，8 9 B 分别为A 点和B 点的气含率； L 1 一e 。 为气体矿浆混合体中所含水的高度．因 此，A ，B 点的压差△P 为 ， A P P , I g A L 1 一￡g ， 4 式中e 。为A ，B 之间的平均气含率；△L 为A 点和 B 点的高度差，可得到≮的表达式 e 。 1 一赢A P 瓦， 5 用U 形管压差法测量如图3 所示，可推导出 上下两个测压口a ，b 间的压差 A P p m g A h 。b A h ， 6 式中P m 为U 形管压差计内煤油的密度；A h 为压 差计读数；A h 。b 为测压I Z la ，b 间的距离．由式 5 和 6 可得 e 。一，一老 卜瓮 ． ∽ 气体 图2压降法测气含率 F i g ．2 P r e s s u r ed r o pm e t h o df o rm e a s u r i n g g a sc o n t e n t 油 图3U 管压差计测气含率原理示意 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fm e a s u r i n gg a sc o n t e n tu s i n g Ut y p ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r eg a u g e 本实验系统介质为气水两相，因此p , l P w ， 即 e 。 1 ～老 ．一瓮 ． 式中艮为水的密度． 2 结果与分析 2 ．1 平均气含率‘4 1 一般情况下，浮选柱内气含率的分布是不可能 万方数据 第2 期李延锋等浮选柱筛板充填的气含率研究 2 5 7 均匀的，浮选柱结构决定气含率在轴向上有一定的 分布规律．平均是指在浮选柱某一高度上的平均， 平均气含率也大致反映了浮选柱的充气情况．表1 是在浮选柱上固定口和b 两点，向浮选柱内加入一 定量清水的条件下考查循环量变化对筛孔气速及 平均气含率影响的实验结果，实验中无进料和无底 流排出，浮选柱内有7 块筛板． 表1平均气含率测量参数及平均气含率结果 T a b l e1 M e a s u r i n gp a r a m e t e r sa n dr e s u l t s o ft h ea v e r a g eg a sc o n t e n t 序号 循环量Q x ／筛孔气速“o ／出 平均气亨率⋯ L h 一1 r a m s 一1 ／r a m￡z ／％ 0 3 2 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 6 6 0 7 2 0 7 7 0 8 0 0 3 0 5 0 9 0 1 2 0 1 7 0 1 6 0 7 0 2 0 2 1 ．8 2 3 2 5 ．5 2 7 ．3 3 0 ．3 2 9 ．6 2 4 ．2 2 1 ．2 由表1 可知在柱体一定高度内气含率随着循 环量和气流速度的增大先增大后减小，中间出现一 个拐点，即气含率有一最大值，在这一最大值附近 浮选柱内的浮选环境可能是最佳的． 2 ．2 气含率的轴向分布 表2 及图4 是当给料量Q 3 3 0m L ／m i n ，循 环量Q x 分别为4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，6 6 0L ／h 的情况下， 浮选柱不同高度的气含率轴向分布． 表2 不同循环量及轴向高度下气含率分布 T a b l e2 G a sc o n t e n t sa td i f f e r e n t i a lc i r c u l a t i o n v o l u m ea n da x i a lh e i g h t L ，I l L m L ／} l L ，l l 气含率彭％ 图4 不同循环量下气含率轴向分布 F i g ．4 A x i a ld i s t r i b u t i o no ft h eg a sc o n t e n ta t d i f f e r e n tc i r c u l a t i o nv o l u m e 由图4 可知气含率￡。同时受循环量Q 。与柱 体内测量高度△ 小的双重影响．当柱体测量高度 △ 。。一定时，在实验所测定的循环量下，气含率e 。 随循环量Q 。的增加而增加，这是由于浮选柱吸气 方式是采用射流原理的气泡发生器所致，随着循环 量 或循环泵压 的增加，吸气量增大；当循环量Q 。 一定时，气含率e 。随A h 。。增加而减小，这说明柱体 内在轴向方向上气体含量是不均匀的，在浮选柱内 呈现上部气含率低、下部气含率高的趋势，其中原 因可能是由于实验时系统内为清水，且没有加起泡 剂，系统内的气泡容易兼并和破裂所致．所有测定 都是在泡沫层以下位置进行的，而泡沫层中的气含 率显然是很大的． 2 ．3 气含率的影响因素 影响浮选柱气含率的因素很多，主要包括操作 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 与循 环量及循环矿浆压力等有关 、浮选柱径／高比、筛 板开孔率、筛孑L 直径、筛板数；流体本身性质包括气 液两相各自的密度、粘度与表面张力等． 2 ．3 ．1气泡发生器结构参数的影响 气泡发生器决定了浮选柱的充气性能．旋流一 静态微泡浮选柱的气泡发生器采用文丘里管和静 止搅拌器的内部结构，依靠射流负压吸人气体并把 气体切割成高度分散的微细气泡，然后气泡与矿浆 碰撞矿化．矿浆混合物沿切线方向进入旋流段，在 旋流段内形成了气、液两相旋流力场[ 3 ] ．因此，气泡 发生器的射流口大小及其喉管的大小对气泡发生 器的吸气性能产生重要影响，在射流口一定时，循 环量增大，增大了射流口的流体流速，加速了对气 泡的剪切和吸气性能，同时气泡直径会减小，增大 了矿浆的溶气能力，一定程度上增大了柱体内的气 含率．循环量过大会加速射流口的磨损，降低气泡 发生器的寿命，研究发现射流口流速的增加与气 泡发生器的充气量不是成线性变化的． 2 ．3 ．2 给料速度及循环压力的影响 浮选柱的给料速度一般代表表观液速[ 5 ] ．图5 是h 1 ．3 2m 时，不同循环量下给料速度与气含 率变化关系图． 3 4 ，3 。2 静2 8 帮2 。6 2 2 2 7 图5 不同循环量下给料速度与气含率关系 F i g ．5 R e l a t i o n s h i po ft h eg a sc o n t e n ta n dt h e f e e ds p e e da td i f f e r e n tc i r c u l a t i o nv o l u m e 由图5 可知在不同的循环量下，随着给料速 度的增加，气含率都呈现略有下降的趋势，这是由 万方数据 2 5 8中国矿业大学学报第3 7 卷 于气液两相流速比降低所致．气泡发生器结构参数 不变时，在一定范围内，循环量越大，气泡发生器产 生的气体数量越大，质量越好，柱体内的气含率随 之增大．因此，旋流一静态微泡浮选柱的给料速度 以均匀低速为宜． 2 ．3 ．3 筛板数量影响 筛板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，但是筛 板多一方面提高单位体积的气含率，但同时对气含 率的增加形成制约条件[ 6 ] ．因此充填板数应该有最 佳值．图6 是给料强度为3 3 0m L ／m i n 时不同循环 量下筛板数与气含率的关系图，图7 是循环量为 6 6 0L ／h 时不同液流强度下筛板数与气含率的关 系图．由图6 和图7 可知一定范围内，气含率随着 循环量的增加而增大，随着给料速度的增大而减 小，但他们都随着筛板数量的增加先增大后减小， 中间出现一个峰值，即气含率的最大值．在不同循 环和不同的给料速度条件下，气含率的峰值都出现 在筛板数为7 块附近，因此，对该实验研究系统浮 选柱内的充填筛板数以7 块为宜． L ／h 时，平均气含率达到最大值2 9 ．6 ％，该最大值 附近浮选柱内矿浆的浮选环境是最佳的，为矿物上 浮提供了良好的气泡载体． 2 浮选柱清水实验研究结果表明浮选柱的 气含率在轴向上是不均匀的，不同的循环量下均呈 现上部低下部高的趋势，这种趋势呈非线性变化， 且变化很快，这可能是由于无气泡剂时气泡寿命短 易于破裂所致． 3 在不同的给料速度和循环量下，气含率均 随着筛板数量的增加出现先增大后减小的趋势，且 都在7 块筛板时出现气含率的最大值，这一结果为 工业浮选柱筛板数的设置提供了重要依据． 参考文献 [ 1 ]裴俊红．筛板流体力学性能研究新进展[ J ] ．石油化 工设备，2 0 0 1 ，3 0 3 2 7 3 5 ． P E IJ b h o n g ．R e c e n ta d v a n c e si nh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs i e v et r a y si - J ] ．P e t r o C h e m i c a lE q u i p m e n t ，2 0 0 1 ，3 0 3 2 7 - 3 5 ． [ 2 3TC 埃塞尔．在浮选柱工作时平阻板稳定性的研究 [ J ] ．国外金属矿选矿，2 0 0 2 ，3 9 6 2 4 2 6 ． A I S A I E RTC ．T h es t a b i l i t yo fs c r e e np l a t ei nf l o t a t i o nc o l u m n [ J ] ．M e t a l l i cO r eD r e s s i n gA b r o a d ， 2 0 0 2 ，3 9 6 2 4 - 2 6 ． [ 3 3 刘炯天．旋流一静态微泡柱分选方法及应用 之二 柱分离过程的静态化及其充填方式[ J ] ．选煤技术， 2 0 0 0 2 1 - 5 ． L I UJ i o n g - t i a n ．T h e s e p a r a t i o nm e t h o do fc y c l o n e s t a t i cm i c r o b u b b l ec o l u m nf l o t a t i o na n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nP a r t2 S t a t i c i z i n ga n dp a c k i n gp a t t e r n so f s e p a r a t i o np r o c e s so ft h eF l o a t a t i o nc o l u m n [ J ] ．C o a l P r e p a r a t i o nT e c h n o l o g y ，2 0 0 0 2 1 - 5 ． [ 4 ] 张敏，刘炯天．筛板充填浮选柱的气泡行为及影 响因素[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 5 ，3 4 6 7 6 6 - 7 6 9 ． Z H A N GM i n ，L I UJ i o n g t i a n ．B u b b l eb e h a v i o r sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h es i e v e df l o t a t i o nc o l u m n [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g Y ，2 0 0 5 ，3 4 6 7 6 6 7 6 9 ． [ 5 ] L O C K E T TMJ ，G H A R A N IA AW ．D o w n c o m e r h y d r a u l i c sa th i g hl i q u i df l o w r a t e s [ J ] ．I n s t nC h e m E n g sS y m pS e r ．，1 9 7 9 ，5 6 2 ／3 4 3 - 6 4 ． [ 6 ] L O C K E T TMJ ，K I R K P A T R I C KRD ，U D D I NM S ．F r o t hr e g i m ep o i n te f f i c i e n c yf o rg a sf i l mc o n t r o l l 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 sI n s t nC h e mE n g r s ，1 9 7 9 ．5 7 1 2 5 - 3 4 ． 责任编辑骆振福 万方数据