柱浮选优化充填的动力学分析.pdf

第3 7 卷第3 期 2 0 0 8 年5 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 柱浮选优化充填的动力学分析 张敏1 ，刘炯天2 ，王永田2 ， 翟爱峰2 ，张海军2 ，曹亦俊2 1 ．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 ； 2 ．中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 V 0 1 ．3 7N O ．3 M a y2 0 0 8 摘要充填是提高浮选柱分选效率和降低浮选柱高度的有效途径之一．以筛板充填为基础，对旋 流一静态微泡浮选柱浮选段进行充填方式优化，提出了筛板充填和蜂窝管充填的高效混合充填模 式．基于气泡一矿粒碰撞概率理论分析了蜂窝管充填的优越性，并推导出气泡与矿粒碰撞概率的 动力学方程．应用轴向扩散模型分析混合充填在保证回收率中的作用，导出了捕集区轴向无量纲 扩散模型．混合充填使浮选柱下部保持矿浆高紊流的同时，上部浮选段形成“静态化”环境． 关键词浮选柱；充填；分选；动力学 中图分类号T D9 2 2文献标识码A文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 3 0 3 4 3 0 4 D y n a m i cA n a l y s i so fO p t i m i z a t i o nP a c k i n gi n C o l u m nF l o t a t i o nS e p a r a t i o nZ o n e Z H A N GM i n l ，L I UJ i o n g t i a n z ，W A N GY o n g t i a n 2 ， Z H A IA i f e n 9 2 ，Z H A N GH a i j u n 2 。C A OY i j u n 2 1 ．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 g5 1 0 6 4 0 ，C h i n a ；2 ．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 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t ．T h eP a c k i n gi nc o l u m nf l o t a t i o ni so n eo ft h ee f f e c t i v ea p p r o a c h e s ，w h i c hc a ni m p r o v e ss e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c es e p a r a t i o nh e i g h t ．B a s e do ns i e v ep l a t e sp a c k i n g ，a h i g h _ 。e f f i c i e n c y 。。m i x e d ‘p a c k i n gm o d ew h i c hc o n s i s t e do fs i e v ep l a t e sp a c k i n ga n dh o n e y c o m b t u b e sp a c k i n gw a sp r o p o s e db yo p t i m i z i n gp a c k i n gm o d e si nt h es e p a r a t i o nz o n eo fc y c l o n i c 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 n ．T h ea d v a n t a g eo fh o n e y c o m bt u b e sp a c k i n gw a sa n a l y z e d b ym e a n so ft h eb u b b l e - p a r t i c l ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yt h e o r y ，a n dt h ed y n a m i ce q u a t i o no fc o l l i s i o np r o b a b i l i t yw e r ed e r i v e d ．T h er o l eo fm i x e dp a c k i n gf o rk e e p i n gr e c o v e r yw a sa n a l y z e db y a x i a ld i s p e r s i o nm o d e la n dt h ed i m e n s i o n l e s sa x i a ld i s p e r s i o nm o d e lw a sd e r i v e d ．W h e nt h e h i g ht u r b u l e n c ec u r r e n tw a sm a i n t a i n e di nt h eb o t t o m ，as t a t i cs e p a r a t i o ne n v i r o n m e n ti s f o r m e di nt h eu p p e r ，a n dt h es l u gf l o wf l o t a t i o ni sr e a l i z e d ． K e yw o r d s c o l u m nf l o t a t i o n ；p a c k i n g ；s e p a r a t i o n ；d y n a m i c 浮选柱充填的思路来自于化工方面广泛应用 的塔器设备，其特点为1 改变并控制了浮选柱 内流体的流动状态，实现了浮选过程的“塞流”；2 强化了浮选柱内三相体系之间的能量交换，是提高 柱浮选逆流碰撞与矿化的效率；3 提出一条气体 成泡方式，气泡在升浮过程中不易兼并；4 充填 对泡沫层有支撑作用，使分选过程更稳定‘． 目前，研究最多的是填料充填．填料充填通过 收稿日期2 0 0 7 一0 9 2 0 基金项目国家杰出青年科学基金项目 5 0 4 2 5 4 1 4 ；制浆造纸工程国家重点实验室开放基金项目 ．2 0 0 7 2 7 作者简介张敏 1 9 7 8 一 ，女，河南省永城市人，博士 博士后 ，从事浮选柱应用方面的研究． E - m a i l s c e t r a i n 1 2 6 ．c o r nT e l 1 5 9 0 2 0 7 8 7 7 9 万方数据 3 4 4 中国矿业大学学报第3 7 卷 把柱体隔断成若干上下狭窄空间，使矿浆与气泡形 成上下贯通的塞流通道，改善气泡在柱内的径向分 布，有效防止空塔式浮选柱气泡兼并严重、返混强 烈、操作不稳定等缺点，提高了浮选柱操作的稳定 性．但填料充填的造价也高，安装与维护工作量大， 填料通道易堵塞．此外，对于垂直方向的大尺度涡 旋，波纹充填不能有效遏制．筛板充填浮选柱应用 的不多．埃塞尔证明了用平阻板能防止轴向混合， 减少气泡兼并[ 2 ] ．平阻板可以改善气泡的径向扩散 和矿浆沿柱轴方向的快速流出，形成了近似的栓塞 流，从而提高分选效果．在煤泥分选过程中可看到 柱体颜色随分选过程的进行自上而下地由深变浅， 可观察到分选过程的持续进行．筛板把浮选柱沿柱 高分割成若干个小的分选空间，随着远离柱体底 部，流体的紊流度显著降低，但在每个分选空间内， 仍存在小尺度的涡旋，局部影响分选效果． 1 柱浮选优化充填 旋流一静态微泡浮选柱特有的梯级优化分选结 构使浮选柱技术在我国矿物分选方面得到成功应 用[ 3 ] ．梯级优化分选包括柱浮选、旋流分选、管流矿 化三部分．旋流分选包括按密度的重力分离以及旋 流力场下的旋流浮选；管流矿化利用了射流原理， 通过引入气体并粉碎成泡，在管流中形成循环中矿 的气固液三相体系并实现高度紊流矿化． 由于旋流场上移与扩展，柱浮选段的矿浆与气 泡在上升的同时，仍不可避免地发生旋转以及由此 引起的强烈紊流．柱浮选的静态化分离与底部旋流 的高紊流混合的突出矛盾，已成为旋流一静态微泡 浮选柱发展的关键技术障碍．因此，本论文将围绕 柱浮选的高效充填展开系统的研究． 图1 表示从筛板向蜂窝管的优化过程． 大孔筛板蜂窝管 图1 筛板向蜂窝管的优化过程 F i g ．1O p t i m i z a t i o np r o c e s sf r o ms i e v et oh o n e y c o m bt u b e 理论上来说，筛板开孑L 率越大，浮选通量越大． 筛板位置若距离旋流太近，则会大幅降低旋流能 量，弱化浮选中矿的强化回收；筛板位置若距离旋 流太远，则减弱对径向旋流的抑制作用，无法规整 流体．因此，筛板对浮选流体的改善并不是完全 的n 巧] ．从提高通量出发，提出了针对旋流一静态微 泡浮选柱特点的浮选段筛板和蜂窝管充填的混合 充填方式．该充填模式的特点是柱体底部利用蜂 窝管降低涡流，减小射流气泡的径向分散，浮选段 利用筛板继续破碎气泡，延长气泡路径，稳定泡沫 层．图2 ，3 分别是利用计算流体力学软件F L U E N T 模拟的筛板充填和混合充填后流体速度的直 观分布图[ 6 ] ．可以看到，筛板充填后速度流线还有 绕行，即是切向涡流依然存在．混合充填后，涡流基 本消除，横向速度分布趋于均匀，强化了塞流，为浮 选柱构筑了理想的流体环境与矿化模式． 图2 筛板充填速度流线图 z ，2 F i g ．2V e l o c i t yf l o wl i n e x ，z 图3混合充填速度流线图 z ，z F i g ．3V e l o c i t yf l o wl i n e x ，z 2 动力学分析 2 ．1 蜂窝管中气泡与矿粒碰撞理论 由选矿实践可知，直径5 0m m 柱子比直径3 m 柱子的分选效率要高，这是因为直径5 0m m 柱 子中径向弥散相对较弱，矿浆交换充分，矿化效应 好，即气泡得到垂直矿化，从而强化了浮选效应，降 低了分选下限，提高了分选效率．下面通过“气泡与 矿粒的碰撞概率”理论解释蜂窝管在旋流一静态微 泡浮选中如何改善浮选环境、提高浮选效率的． 气泡与矿粒碰撞概率有各种表达式，文献[ 7 ] 所用的表达式为 P 。一B 。f 字卜 1 、“b ， 式中B 。，恕为常数，对于各种流体条件，B 。和咒值 见表1 ；d 。，d 。分别为矿粒和气泡的直径．气泡雷诺 数R 。b t 迁．．J 。b d b ，式中U b 为气泡运动速度；』D 为介 ，， 质密度；叩为黏度． 万方数据 第3 期张敏等柱浮选优化充填的动力学分析 3 4 5 表1不同流态下的B 。。一值 T a b l e1V a l u e so fB 。。ni nd i f f e r e n tf l u i dt y p e 喜 鬟 帮 气泡直径／m m 图4 非充填浮选时不同流态区P 。与d - 的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i po fP 。a n dd bi nd i f f e r e n tf l u i dt y p e 图4 是非充填浮选中，当d 。 1 1 ．4p m 时，不 同d 。按表1 关系式计算的P 。值与试验值的比较． 可见，按紊流态计算的P 。值与试验值偏差较大； 按层流态计算的P 。值在d 。- 4 0 0 ／z m 时与试验值 比较一致．蜂窝管充填增强浮选的“塞流”效应，使 浮选气泡尺寸更小，浮选流态更趋于层流，从而使 气泡与矿粒碰撞的概率增大，提高矿化效率． “蜂窝管”充填意味着把整体浮选柱分成有限 的小浮选柱单元，矿粒和气泡随机进入不同的小单 元，那么它们彼此碰撞的概率就有一个与蜂窝管结 构参数有关的系数N 。．同一个矿粒或气泡只能进 入一个小单元，小单元的小容积加强了碰撞概率． 设定无因次数准数N 。一A z ，／d r 酊1 ，其中A 是气 泡或矿粒随机分布在不同蜂窝管的概率数，Z t ，d t 分别是蜂窝管的高度和管径，矗是蜂窝管在浮选柱 截面的开孔率．混合充填使浮选流态基本成为层 流，根据式 1 和表1 ，蜂窝管中气泡与矿粒的碰撞 概率动力学表达式为 2，r ，、2 P 。一詈N 。 孚1 ． 2 厶 、a b ／ 图4 还同时表明，P 。随d “的增大而降低，即 气泡直径愈小，与矿粒碰撞概率愈大，这也是细粒 微泡浮选技术的基础． 2 ．2 轴向混合分散[ 8 ] 混合对于分选过程是一不利因素，而流体混合 状况足浮选柱效应放大与设计中必须考虑或估计 的问题．本节以P e 准数为参数，定性模拟浮选柱浮 选段流体轴向混合问题． 对于一级反应动力学，浮选柱流体混合状况有 塞流与全混流两种极限．塞流在柱体轴向上有浓度 梯度，而全混流所有浓度相同，但有停留时间分配 问题．由回收率R 表示的一级反应速率方程为 塞流R 一1 一e x p 一k t ， 3 全混流 R 一1 一 1 缸 ～， 4 式中忌，t 分别为反应系数和停留时间． 浮选柱实际流体运行环境一定是介于上述两 者之间的，浮选柱尺寸参数与塞流分散模型也是相 关的．根据文献E 9 ] ，常规浮选柱捕集区流体混合分 散数用无量纲常数N a 表示为 N d E ／ “H 。 ， 5 式中 E是轴向分散系数，E一 0 ．6 L ／D 仉6 3 ％／U g “5 也可用R 表达 ，L 和D 分 别是浮选柱的高度和直径，u - ，％分别是矿浆和气 体速度；H 。是浮选柱浮选段高度；甜一J 。／ 1 一I E “ 。 U 。，式中J t 和e 。分别表示表观液速和气含率； U 昭为气相相对于液相 矿浆 的滑动速度． 混合充填重新组织了流体均布度，改善浮选环 境．综合考虑式 5 ，可得旋流一静态微泡浮选柱优 化充填后浮选段 捕集区 轴向无量纲分散数模型 N d 掣尝旦兰筚 1 m 6 V - 一ll 卜‘DJ In ， l 荇与 U * 皿 式中声为充填开孔率． 根据L e v e n s p i e l 的捕集区回收率公式[ 1 ⋯，得 出柱浮选段混合充填后的回收率表达式为 ／1、 R 一卜 竺型甄 ，u ’ R 一1 一∑兰翌上一，’ 7 1 川2 e x p 彘 1 _ 口 2 e x p 恭 ． 式中n 一 1 4 k r N 。 寺．联合式 6 和 7 即可 求出旋流一静态微泡浮选柱充填后浮选段的理论 回收率，还可用于浮选柱结构设计． 对式 6 和 7 的解释可以通过选矿实例说明． 假设浮选柱浮选段浮选流体混合状况为塞流，实验 室浮选柱浮选段对某一矿石浮选的回收率为 8 6 ．5 ％，停留时间5m i n ，由式 3 得愚一0 ．4 m i n ～，k t 2 ．如果同条件下的选矿试验在工业浮 选柱中进行，若N a 一0 ．5 ，则在同样的停留时间下 回收率只有7 5 ％．要得到8 6 ．5 ％的回收率，停留时 间要提至8 ．3r a i n ．选矿实践中，延长停留时问则 意味着减小处理量或增加工艺流程，而这都会直接 损耗经济效应或增大工作量．但是如果在浮选柱浮 选段增加充填，保证N d 不变 通过增加或降低充 填开孔率实现 ，则理论上回收率也可保证不变．表 2 为筛板充填和混合充填分别对云南某铜矿分选。 的数据结果．， 万方数据 3 4 6中国矿业大学学报 第3 7 卷 0 ．6 5 0 0 ．8 5 2 0 ．7 2 0 0 ．7 4 5 0 ．7 2 8 2 5 ．0 8 2 9 ．9 3 2 9 ．0 7 2 5 ．4 0 2 8 ．6 9 0 ．0 4 4 O ．0 5 5 0 ．0 5 6 0 ．0 4 6 0 ．0 5 0 2 ．4 8 2 ．6 7 2 ．2 9 2 ．7 6 2 ．3 7 9 5 ．6 9 9 3 ．7 9 9 2 ．4 6 9 4 ．1 0 9 3 ．4 0 复生王塑 ；；i ； i ； ； i i 从表2 可以知道，在原矿品位基本相同情况 下，混合充填相对于筛板充填，精矿品位平均提高 了1 ．8 8 个百分点，回收率提高了1 ．6 3 个百分点， 分选过程和分选指标得到显著改善． 从流态化角度分析，在旋流一静态微泡浮选柱 浮选段充填的目的，实际上就是利用充填对柱体内 流化床层进行整流，形成上下密度和空隙度均一的 流化床层，便于在气泡从下向上运动过程中更好地 与矿物颗粒进行接触、矿化，从而实现微细颗粒的 高效 高回收率和高品位 分选． 从动力学角度分析，混合充填分选过程中，柱 体底部大尺度涡旋得到抑制，气泡径向弥散均匀， 矿浆停留时问延长，浮选流体在浮选柱浮选段合理 分布，使微泡与颗粒碰撞概率达到最大，矿化效应 得到加强，这些作用提高了矿物分选选择性． 3结论 1 以筛板充填为基础，提出了筛板充填与蜂 窝状充填的高效混合充填模式．该充填模式的特点 是柱体底部利用蜂窝管降低涡流，减小射流气泡 的径向分散，浮选段利用筛板继续分割破碎气泡， 延长气泡路径，稳定泡沫层． 2 提出了基于蜂窝管充填的气泡与矿粒的碰 撞概率动力学表达式为 P c 一詈N 。 或／d n 2 ． 3 基于蜂窝状充填和筛板充填的混合充填模 式，浮选段的轴向混合分散模型为 肛而O．6L骊／D。63vl／vgo．s1州 参考文献 [ 1 ] 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， ．L I UJ i o n g - t i a n ．T h es e p a r a t i o nm e t h o do fc y c l o n i c - p l i e 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 ． [ 2 ] 埃塞尔TC ．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 6 2 4 2 6 ． A I S A l E RTC ．T h es t a b i l i t yo fs c r e e np l a t ei n f 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 6 2 4 2 6 ． [ 3 ] 刘炯天．旋流一静态微泡浮选柱及洁净煤制备研究 [ D ] ．北京中国矿业大学化学与环境工程学院， 1 9 9 8 ． [ 4 ]张敏，刘炯天．筛板充填浮选柱的气泡行为及其影 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 d f 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 e h n o l o g Y ，2 0 0 5 ，3 4 6 7 6 6 7 6 9 ． [ 5 ] L I UJ i o n g - t i a n ，Z H A N GM i n ，L IY a n - f e n g ，e ta 1 ． R e s e a r c ho np r e s s u r ed r o pp e r f o r m a n c eo ft h ep a c k i n g f 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 y o fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，1 6 4 3 8 9 3 9 2 ． [ 6 ] 刘炯天，张敏．筛板充填浮选柱浮选流体的速度场 分布[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 7 ，3 6 5 5 7 8 5 8 1 ． I A UJ i o n g - t i a n ，Z H A N GM i n ．V e l o c i t yf i e l dd i s t r i b u t i o no ff l o t a t i o nf l u i di nt h es i e v e d f l o t a t i o n c 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 7 ，3 6 5 5 7 8 5 8 1 ． [ 7 ] 邱冠周．颗粒间相互作用与细粒浮选[ M ] ．长沙中 南工业大学出版社，1 9 9 3 5 3 5 8 ． [ 8 ] 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 r o 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 ． [ 9 ] M O N K O S AMJ ．As t u d yo fa x i a lm i x i n gi nc o l u m n f l o t a t i o n [ 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 ，1 9 9 2 1 5 1 6 4 ． [ 1 0 ] L E V E N S P I E L0 ．C h e m i c a lr e a c t i o ne n g i n e e r i n g [ M ] ．NY W i l e y ，1 9 7 2 ． 责任编辑骆振福 3 3 7 O 4 2 8 2 5 5 Z 3 5 4 9 5 ● ● ● ● ● ● ● ● l 3 Z 1 1 3 O 9 9 9 9 9 9 9 9 8 3 3 6 2 7 1 6 8 6 7 2 5 6 5 3 4 ● ● ● ● ● ● ● ● 2 2 3 2 2 2 2 2 3 O 6 0 9 6 4 5 6 5 6 6 6 4 6 8 0 O 0 O O O O O ● ■ ● ● ● ● ● ● 0 O O O O 0 O O 5 2 6 3 5 2 2 1 1 7 3 3 2 4 7 5 ● ● ● ● ● ● ● 5 5 3 4 7 5 6 8 2 2 2 2 2 2 2 2 4 Z 6 Z 4 2 3 1 2 5 2 7 9 8 9 9 7 7 8 6 7 6 6 7 ● ● ● ● ● ● ● ● O O O O O O O O 万方数据