О влиянии гидродинамических условий в камере пневмопульсационной флотомашины на селективность процесса

© А.А. Лавриненко, Я.М. Шимкунас, В.В. Чихладзе, Д.В. Крапивный, 2009

А.А. Лавриненко, Я.М. Шимкунас, В.В. Чихладзе,

Д.В. Крапивный

О ВЛИЯНИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В КАМЕРЕ ПНЕВМОПУЛЬСАЦИОННОЙ ФЛОТОМАШИНЫНА СЕЛЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА

Рассмотрена взаимосвязь критерия гидродинамического подобия флотации в колеблющейся среде с эффективностью процесса разделения в пульсационных колонных машинах промышленного типа. Показано положительное воздействие турбулизаторов вертикального потока в камере пульсационной флото-машины на селективность флотации.

Ключевые слова: пульсационная флотация, колонные флотомашины, критерий гидродинамического подобия, селективность флотации, гидродинамические условия, турбулизация, минерализация.

Селективность флотации, как известно, определяется не только контрастностью физико-химических свойств минералов, но и гидродинамическими условиями в камере разделения, которые во многом обусловлены геометрическими параметрами конструкции камеры и её особенностями, местом подачи, направлением и условиями движения пульпы, условиями получения и подачи диспергированного воздуха в пульпу, его количеством и дисперсностью пузырьков.

В настоящее время на обогатительных фабриках применяются, в основном, методы механической и пневмомеханической флотации в аппаратах камерного типа, которые не обеспечивают достаточную эффективность обогащения тонкоизмельчённых компонентов. Этот недостаток усугубляется стремлением использовать большеобъёмные машины вместимостью 100-300 м3, в которых структура потоков не способствует селективности разделения [1, 2].

С точки зрения теории разделения, для повышения селективности процесса более предпочтительными являются аппараты с режимом близким к идеальному вытеснению, к которым можно отнести пневматические колонные машины.

Высокая эффективность колонной флотации во многом определяется соблюдением оптимальных гидродинамических условий, как в зоне минерализации, так и в зоне селекции. Однако при использовании крупногабаритных колонных машин большого диаметра вследствие появления крупномасштабных вихрей нарушается селективность разделения. Для её повышения обычно устанавливают вертикальные перегородки в камере флотации, которые в свою очередь препятствуют равномерному распределению подаваемого питания. Кроме того, для повышения эффективности флотации используют различные методы физического воздействия на процесс.

Одним из новых и эффективных методов, созданных с применением физического воздействия на процесс, который позволяет одновременно достичь высокого извлечения и селективности разделения тонкодисперсных компонентов при повышенной удельной производительности аппарата, является метод пульса-ционной флотации, разработанный в ИПКОН РАН под руководством Г.Д. Краснова [3]. Пневмопульсационная колонная флотация в вертикально колеблющейся среде, исследована в лабораторных условиях, испытана на ряде обогатительных фабрик и внедрёна при флотации сильвинитовых руд Верхнекамского месторождения [4, 5, 6].

При разработке крупногабаритных пульсационных колонных аппаратов большого диаметра предполагалось, что возможно снижение селективности разделения из-за увеличения диаметра камеры ф), поскольку его увеличение, как правило, приводит к возникновению перемешивания потоков и увеличению коэффициента диффузии (Д) в аппарате.

В связи с этим было рассмотрено изменение критерия гидродинамического подобия, выраженного числом Пекле, которое уменьшается при увеличении коэффициента диффузии.

Из представленных в работах Ю.Б. Рубинштейна и С.И. Черныха данных известно, что коэффициент диффузии в колонном аппарате прямо пропорционально связан с его диаметром (Д~D4/3; Д = D• с13, где с - содержание твёрдого в питании флотации).

Следовательно, число Пекле Ре = иН/Д (где и - скорость пульпы, Н - высота колонны), являющееся критерием

Таблица 1

Влияние геометрических параметров пульсационных аппаратов на усредненные результаты разделения при флотации чернового сильвинового концентрата на 3-й секции БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий»

Параметры ФПП-1 (ППФ- 0,8) ФПП-3,2 ФПП-7,7 ФПП-14м

Диаметр нижней части камеры, мм 800 1350 1900 3000

Высота эффективная, мм: 2350 2050 3150 3400

Скорость потока пульпы, см/с 1,94 2,36 2,36 2,35

Удельная производительность, м3/(ч-м3) 22,7 26,5 23,4 23,8

Содержание KCl в пенном продукте, % 99,5* 97,5-98,0 95,9-96,3 95,5-96,0

Содержание KCl в камерном продукте, % 13,8 31 21-27 20-25

*Флотация при высоком исходном содержании KCl в питании (93,7%).

гидродинамического подобия, убывает с увеличением диаметра аппарата. С учётом вышесказанного, степень идеальности потока в пульсационном колонном флотоаппарате была выражена величиной критерия гидродинамического подобия Кр, аналогичного диффузионному критерию Пекле, в виде Кр = ки-НЮ,

где ки > 1 - коэффициент увеличения средней скорости пульсирующего движения пульпы вверх-вниз исп, по сравнению со стационарной скоростью нисходящего потока ии, (кв = исп/ии) [6]. При этом исп = 4А/Т, где А - амплитуда, Т - период колебаний пульпы.

Рассмотрим характер изменения гидродинамической неравномерности в аппаратах, представленных в табл.1. Для расчёта примем, что аппараты имеют одинаковое внутреннее строение и не содержат внутренних деталей, нарушающих структуру потока, а отличаются диаметром и высотой.

Результаты расчёта показывают, что при переходе к аппаратам диаметром до 3 м, представленных в табл. 1, критерий гидродинамического подобия Кр закономерно снижается, что видно из данных табл. 2.

Таблица2

Значения критерия гидродинамического подобия Кр= ^-Н^, рассчитанные в соответствии с данными табл.1

Условия движения пульпы Определяющий фактор воздействия на равномерность потока Значения Кр для аппаратов

ФПП-1

Стационарный поток Диаметр камеры 5,69 3,58 3,91 2,63

Вертикальные пульсирующие колебания Средняя пульсирующая скорость движения пульпы 21,94 6,43 9,83 6,72

При расчетах для пульсационной флотации используется средняя скорость колебаний пульпы с учётом её нисходящего движения. Для оптимального режима флотации (при частоте колебаний 0,5 Гц и амплитуде колебаний 7 см) средняя скорость в этих аппаратах, составляет 14 см/с.

Из рассмотрения характера изменения гидродинамической неравномерности в аппаратах, представленных в табл.2, следует, что для аппаратов ФПП-14м и Ф1II 1-7.7, с почти одинаковой высотой камеры, уменьшение критерия подобия для ФПП-14м на величину 1,28, обусловленное большим, по сравнению с ФПП-7,7 диаметром аппарата, существенно меньше, чем увеличение критерия на величину 4,09 для ФПП-14м за счёт повышенной скорости перемещения пульпы.

Результаты расчётов позволяют считать, что, при рассмотрении гидродинамической неравномерности, обусловленной увеличением диаметра пульсационной колонны, превалирующее значение приобретает скорость жидкости при её колебаниях, которая сглаживает отрицательное влияние неравномерности движения потоков. С этой точки зрения пульсационные колонны имеют дополнительное преимущество перед обычными колонными машинами. Такое заключение подтверждается данными по флотации в различных аппаратах при получении практически одинаковых результатов (соответствующих регламентной норме) по качеству пенных и камерных продуктов.

Анализ технологических результатов, полученных при флотации в различных пульсационных аппаратах, представленных в табл. 1, при оптимальных амплитудно-частотных режимах (АЧР),

показал, что при переходе от аппарата Ф1II 1-7.7 с диаметром нижней части 1900 мм к аналогичной (цилиндроконической) крупногабаритной модели ФПП-14м с диаметром нижней части 3000 мм качество сильвинового концентрата и содержание KCl в камерном продукте практически не меняется. Снижение потерь KCI с камерным продуктом в аппарате ФПП-1 (см. табл. 1) при уменьшении его диаметра до 800 мм соответствует высокому расчетному значению критерия гидродинамического подобия (Кр~ 22). Это указывает на то, что гидродинамическая неравномерность во флотационной камере большого диаметра, обусловленная возникновением крупномасштабных вихревых потоков, компенсируется образованием мелкомасштабного вихревого движения жидкости вследствие вертикального перемещения пульпы при воздействии пульсаций.

Относительная идеальность гидродинамической обстановки, о которой мы судим по высокому значению критерия гидродинамического подобия, в камере пульсационной флотации логично приводит к высокой удельной производительности колонных пульса-ционных аппаратов.

Рассматривая удельную производительность аппаратов, следует заметить, что её увеличение за счёт снижения высоты камеры флотации до 2,1 м приводит к росту потерь извлекаемого компонента с камерным продуктом. В то же время в аппарате с достаточной высотой (ФПП-7,7 с высотой камеры 3,15 м) изменение производительности в пределах 150-190 м3/ч не существенно сказывается на качестве и извлечении сильвинового концентрата. Скорость потока пульпы в оптимальных условиях достигает 2,36 см/с, обеспечивая удельную производительность до 23-24 м3/(м3-ч) при хорошем качестве камерного продукта. Такая же скорость потока пульпы в аналогичной операции сохраняется и для аппарата ФПП-14м. Необходимо отметить, что эксплуатация аппарата ФПП-14м при повышенной аэрации позволяет достичь удельной производительности по пульпе 33 м3/(м3-ч) с сохранением показателей флотации. Исходя из вышесказанного можно констатировать, что предложенный коэффициент гидродинамического подобия (Кр) вполне может быть использован при моделировании в процессе создания промышленных пневмопульсационных флотоаппаратов.

Таблица 3

Размер ячейки сетки Rec Ren Кр Aui/Au0

10 мм 2000 4.1105 2,25 0.10

Следует обратить внимание, что вертикальный профиль скоростей в пульсационной колонне, как и при обычной колонной флотации, нарушается потоком питания и приводит к образованию крупномасштабных вихрей, которые не гасятся вертикальными колебаниями пульпы в колонне, масштаб коих (2А) соизмерим с масштабом вихрей потока питания, выходящего из щелей центральной трубы.

Однако в условиях пульсационной флотации при вертикальном колебании пульпы появляется возможность компенсировать избыточную энергию вводимого потока пульпы установкой сопротивления в виде сеток, расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению колебания пульпы и создающих мелкомасштабную турбулентность. Сопротивление, необходимое для выравнивания профиля скоростей можно определить из следующих уравнений:

Дц _ 1 + ар ~арКр ;

Au0 1 + ар + кр

кр =

где Av0, Aüj - отклонения скорости потока соответственно до и

после сетки, ар - коэффициент преломления линий тока жидкости при прохождении через решетку, Кр - коэффициент сопротивления сетки, который определяется следующим образом: Кр = (п/с2) • ((1 -т2)/т2), где п - количество сеток, с - коэффициент

расхода решетки, определяется по диаграмме от числе Re, т - коэффициент скважности сетки: m=a/t2, здесь а - размер стороны ячейки сетки (0,008 м), t - шаг сетки (0,01 м).

Число Рейнольдса для сетки определяется, как:

Re = av р / тц,

с cp ~ ~

где р - плотность жидкости (для воды - 1000 кг/м3), ¡л - вязкость жидкости (0,001 Пас), vcp - средняя скорость потока (0,16 м/с).

Таблица 4

Результаты испытаний пневмопульсационной флотационной машины ФПП-14м в операции перечистки чернового сильвинового концентрата

Показатели ФКМ-6,3

без установки сетки установка сетки S=10mm установка сетки S=15mm

Питание массовая доля KCl, % 80,2 80,3 80,7 80,5

отношение Ж:Т, в.ч. 5,3 5,9 6,2 6,1

Пенный продукт массовая доля KCl, % 95,6 94,6 95,5 96

отношение Ж:Т, в.ч. 0,8 0,6 0,7 0,7

Камерный продукт массовая доля KCl, % 37,4 12,1 22,5 31,6

отношение Ж:Т, в.ч. 12,3 21,4 25,9 25,9

В результате расчетов установлено, что использование решетки с размером ячейки 10 мм в большей степени выравнивает профиль скоростей, что подтверждается меньшим значением коэффициента неравномерности потока (табл. 3).

Как показали наши исследования, проведенные в промышленных условиях, установка сеток в зоне подачи питания действующей флотомашины ФПП-14м приводит к повышению качества пенного продукта. Результаты, достигнутые при флотации чернового сильвинового концентрата на 3-й секции БКПРУ-3, за счет установки сетки, представлены в табл. 4.

Необходимо заметить, что именно в этих условиях флотации в результате повышения аэрации можно снизить потери KCl в камерном продукте и достичь высокой удельной производительности колонного аппарата ФПП-14м ~ 30-33 м3/(м3^ч).

Эффективность флотации при установке сеток может быть обусловлена рядом причин. В этих условиях изменяются процессы, как минерализации, так и деминерализации.

Из данных табл. 4 следует, что на результаты флотации влияют параметры решетки, которые обусловливают соответствующий

вид и размер турбулентных образований.

а) частота 0,33 Гц; d=3 мм

б) частота 0,5 Гц ; d=3 мм

в) частота 0,5 Гц d=5 мм

Рис. 1. Характерные виды турбулентных образований в пульсирующем потоке колебаний на характер турбулизации

Были проведены исследования влияния различных элементов обтекания (сеток) на образование локальной турбулентной зоны при различных амплитудно-частотных режимах.

В качестве турбулизатора использовали сетки из проволоки различного диаметра - 3, 5 и 10 мм - с ячейками, соответственно, 10, 25 и 40 мм. Уровень заглубления сетки соответствовал уровню подачи питания в промышленных флотомашинах (1100-1400 мм). В работе использовали дистиллированную воду с пенообразователем МИБК (10 г/л). Для визуализации турбулентных образований использована подсветка газожидкостного потока плоским лучом светодиодного лазера в вертикальной плоскости. Съемка проводилась с помощью цифрового фотоаппарата с разрешением 10 мегапикселей.

На рис. 1 представлены характерные образования за элементами обтекания при движении жидкости вверх, которые подчеркивают влияние, как размера, так и изменения АЧР. Хорошо видно, что при турбулизации образуются не только первичные, но и вторичные завихрения потока, а также взаимодействие вихрей между собой. В соответствии с размером турбулентного образования различно и влияние их на процесс. При этом, в фазе движения потока вниз наблюдаемая зона

Рис. 2. Влияние параметров решетки на характер турбулентности при движении потока вниз.

Диаметр элемента обтекания, мм: а - 3, в - 10.

турбулентности, как правило, больше, чем при движении вверх и может достигать 75-80% (рис. 2). Из наблюдений следует, что на решетке происходит торможение всплывания пузырьков и их коалес-ценция с увеличением объема и, соответственно, создается дополнительная турбулентность.

Таким образом, созданные решёткой турбулентные образования способствуют коалесценции пузырьков, что ведёт к повышению селективности процесса. При коалесценции двух одинаковых пузырьков (например, размером 0,5 мм) диаметр образующегося пузырька возрастает в 1,26 раза (0,63 мм), а площадь его поверхности, по сравнению с площадью двух коалесцирующих пузырьков, уменьшается на 20,6 %. Следовательно, на столько же меньше укрупнённый пузырёк будет нести минеральной нагрузки в своей кормовой части, однако скорость его всплывания при этом возрастёт, примерно, в 1,5 раза.

Поскольку пульсационный аэратор производит большое количество пузырьков различной крупности, можно отметить, что для пуль-сационной флотации явление коалесценции в камере флотации имеет

положительное значение и не ведёт к снижению извлечения ценного компонента, а повышает скорость и селективность процесса флотации.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лавриненко А.А., Краснов Г.Д. «Современное состояние и основные направления создания флотационной техники // Горный журнал, - 2007, №2. - С. 108-117.

2. Кондратьев С.А., Лавриненко А.А. Вопросы конструирования флотационных машин и эффективности их использования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2008. № 3. - С.76-85.

3. Краснов Г.Д., Лавриненко А.А., Крапивный Д.В. и др. Патент РФ № 2070839. Пневматическая пульсационная флотационная машина. Приоритет 14 мая 1996 г. Опубл. Б.И. № 36, 27.12.96.

4. Краснов Г.Д., Лавриненко А.А., Крапивный Д.В., Кикот В.К. Новый путь совершенствования флотационной техники // Горный журнал. - 2005. - №4. - С. 63-67.

5. Лавриненко А.А., Краснов Г.Д., Крапивный Д.В., Фролов О.Н., Шимкунас Я.М. Основные особенности пневмопульсационной флотации // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2002, № 2. - С. 4-9.

6. Лавриненко А.А. Развитие теории процесса пневмопульсационной флотации и создание высокопроизводительных колонных аппаратов // Автореферат дис. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. - М.: ИПКОН РАН. - 2005. - 35 с.

Lavrinenko A.A., Shimkunas Y.M., Chihladze V.V.

Krapivniy D. V.

ABOUT EFFECT OF HYDRODYNAMIC CONDITIONS IN THE AIR-PULSATING FLOTATION CELL ON SEPARATION PROCESS SELECTIVITY

The interrelation of hydrodynamic similarity criterion of floatation in the oscillating medium with efficiency of a separation process in the industrial air-pulsating column flotation machines is considered. Positive effect of a vertical stream turbulators in the air-pulsating column flotation cell on floatation selectivity is shown.

Key words: pulsator flotation, column flotation machines, criterion of hydrodynamic similarity, selectivity of flotation, hydrodynamic conditions, turbulence, mineralization.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------

Лавриненко А А. - доктор технических наук, заведующий лабораторией

ИПКОН РАН, e-mail: lavrin_a@ mail.ru

Шимкунас Я.М. - магистр, научный сотрудник ИПКОН РАН, тел.

360-89-39,

Чихладзе В.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, тел. (495) 360-89-39,

Крапивный Д.В. - инженер, ИПКОН РАН.