筛板充填浮选柱的气泡行为及其影响因素.pdf

收稿日期2 0 0 5 0 4 2 0 基金项目国家杰出青年科学基金项目 5 0 4 2 5 1 6 8 作者简介张敏 1 9 7 8 - ,女,河南省永城市人,博士研究生,从事筛板充填浮选柱方面的研究. E - ma i l c u mt mi n s o h u . c o mT e l 1 3 8 1 3 4 7 9 3 9 7 第3 4卷 第6期中国矿业大学学报 Vo l . 3 4 No . 6 2 0 0 5年1 1月J o u r n a l o f C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n g充填;浮选柱;气泡 中图分类号T Q 0 2 1 ;T D9 2 2文献标识码A B u b b l eB e h a v i o r s a n dI n f l u e n c i n g F a c t o r s o f t h eS i e v e d - F l o t a t i o nC o l u mn Z HANGMi n ,L I U J i o n g - t i a n S c h o o l o f C h e mi c a l E 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 aUn i v e r s i t yo f Mi n i n gt h ed i a me t e r o f a i r b u b b l ei n c r e a s e s wi t h t h ei n c r e a s eo f s u p e r f i c i a l g a s v e l o c i t y .T h er e s e a r c hr e s u l t s c a np r o v i d eg u i d a n c ef o r t h ed e s i g no f t h ep a c k e df l o t a t i o nc o l u mn . Ke yw o r d s s c r e e np l a t e s ;p a c k i n g ;c o l u mnf l o t a t i o n ;a i r b u b b l e 充填浮选柱 p a k e df l o t a t i o nc o l u mn 在上世纪 8 0年代由美国D . C . Ya n g教授首创[ 1 ],结合传统 浮选柱与化工精馏过程研制成功.它主要由下部的 捕集区和上部的精选区泡沫区构成.入料从柱体 中部给入,底部通入压缩空气,精矿从顶部溢流,尾 矿从底部排出,顶部设喷水装置.充填介质提供细 小曲折的孔道,使矿粒和气泡紧密接触,强化分选 作用. 充填浮选柱是化工填料与浮选柱的结合设备, 有其特殊的分选优势,例如规划柱内矿浆流动、提 供气液两相接触传质表面、改善沟流和壁流现象、 实现小压降等,但是从一些工业应用的实际操作效 果来看,填料充填浮选柱存在以下问题 1 由于充填介质充满整个柱体,减少了柱体 的有效容积,影响浮选柱的处理能力; 2 填料介质床层的通道小,且通道曲折,在处 理有固体悬浮颗粒的物料时存在堵塞的潜在危险; 3 更换和维修的难度加大,耗费更多,增加了 成本. 其中堵塞问题是填料充填浮选柱工业应用的 最大障碍,目前没有得到有效的解决.这就提出了 一个新的问题怎样既能利用填料的结构特性,又 可以避免堵塞带来的麻烦由此我们想到了化工筛 板塔的内部结构.筛板是化工塔设备的内部充填结 构,它为气液两相接触提供传质的表面,同时也规 划液体流动,支撑泡沫层厚度.结构设计与安装合 理的情况下,垂直的大筛孔不会出现堵塞[ 2 ].目前 筛板充填浮选柱已经在萤石矿、铁矿石的矿物分选 中初步取得成效. 1 实验及测试系统 气泡是浮选柱流体的标识粒子,其大小和运动 方式对浮选有决定性的影响.本实验研究筛板充填 浮选柱流体特性及气泡影响因素,为筛板充填浮选 柱的进一步应用提供理论基础.实验以空气-水作 介质,采用高速动态分析仪,以5 0 0幅/ s的拍摄速 度,拍摄流体流动状态及气泡运动特征.拍摄画面 以数字文件的格式记录在磁盘中,用专门的软件 Na cMo v i a sf o rWi n d o ws 对信号进行分析,可输 出拍摄对象的运动轨迹,得到任意瞬间拍摄对象的 位移、速度等,并以数据图表形式输出进行分析研 究. 实验研究系统的主体设备是旋流静态微泡浮 选柱[ 3 - 8 ],实验流程如图1所示,打开进料口及进料 计量泵按一定流量向浮选柱注入清水;打开循环 泵、进气阀及气体流量计向柱内充入空气.气液两 相流体在浮选柱内逆流运行,气体以气泡形式运动 到柱顶部,液体在旋流作用下一部分进行循环,另 一部分以尾矿从柱底部排出. 由浮选柱旋流分离段底部排出的循环水进入 加压循环泵后,经喷嘴转换成高速射流,并引射入 大量气体,然后由气泡发生器形成高度分散的微细 气泡.循环水量与引射的气体量由玻璃转子流量计 控制,循环水压力由压力表测量.距柱底部1 0 0 mm 处设有圆锥旋流器,其上6 0mm安装第一块筛板, 其次向上每隔6 0 0mm处安装筛板,共6块筛板, 筛板材质与柱体相同.主要设备参数见表1 . 图1筛板充填浮选柱系统构 F i g . 1 S c h e ma t i cd i a wi n go f s i e v e df l o t a t i o nc o l u mn 表1实验系统主要设备参数 T a b l e1 T h ep a r a me t e r s o ft h ea p p a r a t u s i ne x p e r i me n t a l s y s t e m 设 备参数/型号 浮选柱高H 4m;直径D 2 0 0mm;壁厚δ 5mm 玻璃转子流量计 液体流量计 L Z B - 5 0 气体流量计 L Z B - 1 5 筛板有机玻璃 板厚 3mm 开孔率 4 0 , 5 0 , 6 0 实验测试系统主要测量参数是循环压力、表观 气速、柱内流体及气泡特性等.在不同操作参数下, 柱内流动调整到最佳状态时,进行拍摄.实验测试 系统见图2 . 图2实验测试系统 F i g . 2 T e s t a p p a r a t u s a n ds y s t e m 2 实验结果与分析 2 . 1 气泡运动行为分析 高速动态拍摄以旋流区流体为研究对象,其中 分散相是气相,连续相是液相.在同样射流条件下, 拍摄不同表观气速、不同循环压力下系列组流态图 像,如图3 ,操作参数见表2 . 图3筛板充填浮选柱典型流态图 F i g . 3 T h ef l o wf o r m i ns i e v e df l o t a t i o nc o l u mn 767 第6期张敏等筛板充填浮选柱的气泡行为及其影响因素 表2旋流区高速动态拍摄操作参数 T a b l e2 O p e r a t i n gp a r a me t e r 分组表观气速/ mmi n-1循环压力/ MP a A0 . 5 30 . 1 B0 . 5 30 . 0 5 C0 . 2 60 . 0 5 D0 . 2 60 . 1 图3中亮度越大的区域,说明微泡的密集度越 大,也即气含率越大.从图3中观察到,气泡群在射 流与旋流作用下,绕柱中心轴线螺旋上升式运动. 比较表1中A和B ,说明循环压力在0 . 0 5MP a为 好;比较A, C , D ,说明表观气速在0 . 2 6m/ mi n较 好.也即是图3 d的气泡群运动状态比较好,有利于 浮选环境.图4为二维平面上气泡群沿柱高的的运 动轨迹. 以气体的射流入口为坐标原点,沿柱高的 垂直方向为坐标y轴,横断面圆轴线为x轴,建立 平面坐标系. 从图4可见,气泡群沿柱高上升中逐渐集中在 柱中心区,即螺旋范围减小. 图4二维平面筛板充填浮选柱内气泡群的运动轨迹 F i g . 4 B u b b l es l o t o f t wo - d i a me t e r i n s i e v e df l o t a t i o nc o l u mn 2 . 2 气泡影响因素分析 实验过程共研究5个参数气泡直径d b, 充填 筛板数目N,气体表观气速v s g, , 筛板开孔率φ 同 一孔径和起泡剂用量 φ 起泡剂 .研究气泡直径 db的影响因素以及对矿物分选的作用. 1 N6 , φ 起泡剂 0时,不同开孔率下, db 与v s g的关系, 见图5 a . 2 N6 , vs g0 . 5m/ mi n , φ 5 0 时, 不同表 观气速下, d b与V起泡剂的关系, 见图5 b . 图5气泡直径与表面气速及起泡剂用量的关系 F i g . 5 T h er e l a t i o nb e t we e ndba n dvs g,a s we l l a s dba n dvf r o t h e r 3 vs g0 . 5m/ mi n , φ 5 0 时, 不同起泡剂量 下,筛板充填层数N对气泡的影响,见图6 . 图6气泡直径与筛板充填个数的关系 F i g . 6 T h er e l a t i o nb e t we e ndba n dN 从图5 a知道,在同样的筛板开孔率下,气泡直 径随表观气速的增加而增加,但变化曲率减小;同 样的表观气速下,气泡直径与开孔率成正比;由图 5 b可知, 同一表观气速下,气泡直径随起泡剂用量 的增加先增加后减小,即起泡剂量有最佳值;由图 6可知,气泡直径与充填筛板个数成反比,但当筛 板个数达到一定值后,气泡直径基本维持不变. 3 结论 1 筛板筛孔的“过筛“ ,不仅解决填料堵塞的 缺点,而且使得夹杂吸附不牢的脉石矿物容易脱 落,这无疑改善了精矿质量; 2 气泡在柱内是螺旋上升的,且沿柱高逐渐 867 中国矿业大学学报第3 4卷 集中在柱中心轴线.不同高度筛孔多次改变气泡上 升路线的倾斜角度,延长气泡上升路程,使矿物颗 粒矿化程度更好,二次富集机会也多,因此回收率 也得到保证,优化浮选效果.而且筛板筛孔一定程 度上减少气泡的兼并机会,使气泡直径更趋于均 匀、细小; 3 气泡直径受筛板充填个数、表观气速、开孔 率、起泡剂用量等因素的影响,研究结果表明在筛 板充填个数为6个, φ 起泡剂为0 . 6 5 ,相同开 孔率和表观气速时,气泡直径最大,而且气泡直径 随表观气速的增加而增加; 4 合理的筛板结构能够代替填料在浮选柱中 对矿物分选的充填作用. 参考文献 [ 1 ] 杨锦隆.新型充填式浮选柱[ J ] .国外金属矿选矿, 1 9 9 1 2 8 - 1 2 . Ya n gJL .Ne w p a c k e df l o a t a t i o nc o l u mn [ J ] .Me t a l B e n e f i c i a t i o nAb o a r d ,1 9 9 1 2 8 - 1 2 . [ 2 ] I u d wi gEE .Ap p l i e dp r o c e s sd e s i g nf o rc h e mi c a l a n d p e t r o c h e m z e a l p l a n t s [ M] .Ho u s t o n G u l f P u b l i s h i n g C o mp a n y ,1 9 6 4 . [ 3 ] 刘 炯 天.旋 流-静 态 微 泡 柱 分 选 方 法 及 应 用之 一 --柱分选技术与旋流-静态微泡柱分选方法 [ J ] .选煤技术, 2 0 0 0 1 4 2 - 4 4 . L i uJT .T h es e p a r a t i o nme t h o do fc y c l o n e - s t a t i c mi c r o b u b b l e c o l u mnf l o t a t i o na n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n P a r t1 C o l u mns e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dc y c l o n e - s t a t i cmi c r o b u b b l ec o l u mnf l o t a t i o ns e p a r a t i o 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 1 4 2 - 4 4 . [ 4 ] 刘 炯 天.旋 流-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 uJT .T h es e p a r a t i o nme t h o do fc y c l o n e - s t a t i c mi c r o b u b b l e c o l u mnf l o t a t i o na n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n P a r t 2 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 s o f s e p a r a t i o n p r o c e s s o f t h e f F l o a t a t i o n c o l u mn [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 . [ 5 ] 刘 炯 天.旋 流-静 态 微 泡 柱 分 选 方 法 及 应 用之 四 --旋流力场分离与强化回收机制[ J ] .选煤技 术, 2 0 0 0 4 1 - 4 . L i uJT .T h es e p a r a t i o nme t h o do fc y c l o n e - s t a t i c mi c r o b u b b l e c o l u mnf l o t a t i o na n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n P a r t4 T h eme c h a n i s m o fs e p a r a t i o n e f f e c t e d i n c y c l o n i cf o r c ef i e l da n de n h a n c e dr e c o v e r i n gp r o c e s s [ 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 4 1 - 4 . [ 6 ] 刘 炯 天.旋 流-静 态 微 泡 柱 分 选 方 法 及 应 用之 五 --柱分选设备系列化及大型旋流-静态微泡浮 选床[ J ] .选煤技术, 2 0 0 0 5 1 - 4 . L i uJT .T h es e p a r a t i o nme t h o do fc y c l o n e - s t a t i c mi c r o b u b b l e c o l u mnf l o t a t i o na n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n P a r t 5 S e r i a t i o no f c o l u mns e p e r a t i o ne q u i p me n t a n d l a r g ec y c l o n e - s t a t i cmi c r o b u b b l ef l o t a t i o n b e d[ 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 5 1 - 4 . [ 7 ] 张荣曾,刘炯天,徐志强,等.连续粒度分布的充填效 率[ J ] .中国矿业大学学报, 2 0 0 2 , 3 1 6 5 5 2 - 5 5 6 . Z h a n g R Z , L i u JT , X u Z Q, e ta l . P a c k i n g e f f i c i e n c y o fc o n t i n u o u s l y d i s t r i b u t e d p a r t i c l e s [ J ] . J o u r n a l o f C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n gT e c h n o l o g y , 2 0 0 2 , 3 1 6 5 5 2 - 5 5 6 . [ 8 ] 徐志强,黄甫京华,曾鸣,等.射流浮选柱气泡发生 器及其充气的研究[ J ] .中国矿业大学学报, 2 0 0 3 , 3 2 6 6 1 5 - 6 1 9 . X uZQ,Hu a n gFJH,Z e n gM,e t a l .R e s e a r c ho n b u b b l e c e n e r a t o r o fj e t f l o t a t i o n c o l u mn a n d i t s a e r a t i n gp e r f o r ma n c e [ J ] .J o u r n a l o f C h i n aUn i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y ,2 0 0 3 , 3 2 6 6 1 5 - 6 1 9 . 责任编辑 陈其泰 967 第6期张敏等筛板充填浮选柱的气泡行为及其影响因素