旋流喷射浮选柱充气性能的研究

2008年 12 月 28 日  

目 录 

1 文献综述 - 1  

1.1 引 言 - 1 -

1.2 浮选柱发展简史 - 1 1.3  几种典型浮选柱的介绍 - 2 

1.4 浮选柱的优缺点 - 6 

1.5 浮选柱的应用情况 - 7 

1.5 研究的目的和方案 -  9 

1.5.1 研究目的 - 9 1.5.2 研究内容 - 9 1.5.3 研究的步骤和方法 - 11 

2  试验的准备 - 13 

2.1 试验系统 - 13 

2.1.1 旋流喷射浮选柱介绍 -13

2.1.2 气泡发生器的特点 -  14 

2.1.3 挡板的位置及作用 - 14 

2.1.4浮选柱系统流体流动特性分析 - 15 

2.2 其他辅助试验设备 -  18 

2.3 浮选药剂 - 18

2.4 试验矿物 - 20

3 清水条件时的充气性能研究 - 21

3.1  流体速率和充气速率的关系 - 21

3.2 气含率和气泡大小的测定方法介绍 - 22 

3.3 清水试验结果及讨论 - 23 -  

3.3.1 流体流速对气含率的影响 - 24

3.3.2 充气速率对气含率的影响 - 24

3.3.3 挡板情况和气含率的关系  - 26

3.3.4 模糊数学决策分析[37~39] - 28

3.4 本章小结 - 32 

4 添加药剂时的充气性能研究 -  41 

4.1 起泡剂的添加对气泡的影响 - 41表面张力研究 - 42 

4.3  充气速率及2号油浓度与气含率的关系 - 43 

4.3.1 挡板加于A处时气含率变化情况 - 43

4.3.2  挡板加于B处时气含率变化情况 - 44

4.3.3 挡板加于C处时气含率变化情况 - 45 

4.3.4 小 结 - 45 -  

4.4 充气速率及2号油浓度与气泡大小的关系 -46-
4.4.1 挡板加于A处时气泡大小的变化情况 - 47 -
4.4.2  挡板加于B处时气泡大小的变化情况 - 48 -
4.4.3 挡板加于C处时气泡大小的变化情况 - 49 -
4.4.4 小 结 - 50 -  
5 浮选柱系统动力学研究初探 - 53 -
5.1 数学模型及实验方法 - 55 -
5.2 气泡发生器的基本参数 - 56  
5.3 气泡发生器的基本理论方程 - 57 
5.4 气泡发生器基本性能方程 - 58 
5.4.1 气泡发生器的基本性能方程 -  58 
5.4.2 基本性能方程的推导 - 59 
6 下一步计划 - 61 
参考文献 - 63 
1  文献综述
1.1 引 言  
随着矿物加工工业的发展,品位低、嵌布粒度细、矿物组成复杂的难选矿石所占比例日益增大,而冶金、材料等用户对矿产品的质量要求愈来愈高,加之环境保护、经济效益等方面的压力,使矿物加工工业面临着前所未有的挑战,这就给加工工艺方法、药剂和设备的研究提出了更高的要求。  
浮选技术作为一种极其重要的选矿技术,从出现到现在已经有一百多年的历史,在这一百多年中浮选理论、药剂、设备都有了很大的发展。其中浮选设备性能的优劣在很大程度上决定着浮选指标的高低。所以在选择浮选设备时,要使其具备以下的性能和特点:1)良好的充气性能,适量空气进入并充分弥散成为大小适中的均匀气泡;2)气泡与疏水颗粒高效碰撞、粘附并顺利浮出排走,尽量减少亲水性颗粒的夹带;3)处理能力大,动力、药剂消耗低,投资省,运转可靠,操作维修方便,适宜自动控制。  
最初发明的浮选设备是浮选机,最早的浮选机不论是选矿效果还是功率消耗方面都不能达到人们的要求,后来经过不断的改进,特别是在理论及药剂的协同发展下,使得浮选机在大型化及浮选效果方面都有了长足的进步,但在处理微细粒矿物方面还不是很理想。基于此,一种新的浮选设备被发明了,那就是浮选柱,这种设备在处理微细粒矿物方面有其绝对的优势,但由于最初的浮选柱设计方面存在的一些缺陷,使得在早期并没有被很好的推广应用,到了现在由于其本身结构的不断改进以及新技术的应用,使得浮选柱成为了一种很有前途的浮选设备。  
1.2 浮选柱发展简史  
浮选柱的设计思想源于1915年[1]。当时把一个从中部给入矿浆而从底部充气的圆柱体容器作为石墨浮选的设备,后来人们为了克服矿石在底部的沉积,安装了搅拌装置,因而逐渐演变为现在的浮选机。但在二十世纪六十年代,加拿大工程师Bouttin申请了带泡沫冲洗水装置的现代意义的第一个浮选柱专利。其后,在前苏联和中国迅速形成了浮选柱研究和开发应用的热潮。但由于早期浮选柱采用的内部气泡发生器结构上存在一些缺陷,主要原因表现在气泡发生器易堵塞、脱落和破裂,充气不均,流态不稳定,停机必须排出机内滞留矿浆以及缺乏按比例放大的正确方法[2],并且体积又偏大,所以大多数工业应用未能持久。到70年代时浮选柱的研究陷入低谷。进入80  年代,由于对浮选柱气泡发生器和运行稳定控制上的研究取得较大进展,同时由于矿产资源的日益匮乏,矿物的嵌布粒度越来越细,这些都要求有一种对细粒矿物有很好分选效果的设备的出现,而这些正好是浮选柱所拥有的优点之一,这样就促使各国将目光再度转到浮选柱的设计和研究上。在设计方面出现了一大批新型的浮选柱,如国内的旋流-静态微泡浮选柱、喷射式浮选柱、充填浮选柱[3]以及加拿大的CFCC浮选柱,德国的KHD浮选柱,美国的Flotair浮选柱、VPI  微泡浮选柱、MTU 型充填介质浮选柱和Wemco 利兹浮选柱,前苏联的乌克兰浮选柱,  ФП浮选柱,澳大利亚的詹姆森浮选柱及全泡沫浮选柱,印度的电浮选柱和磁浮选柱等[4]。其中在中国旋流-静态微泡浮选柱已在许多矿山上得到应用。世界范围内对基础理论、结构型式、发泡方式、模拟放大及自动控制等方面的研究上取得了长足的发展  ,获得重大专利技术100余项 ,并成功地将浮选柱应用于各种矿石的工业浮选和废水处理[5]。
1.3 几种典型浮选柱的介绍  
从60年代到现在,经过了几十年的不断研究与改进,浮选柱已有了飞速的发展,在这个过程中先后出现了几种具有典型意义的浮选柱,分别为最初的Boutin浮选柱、充填式浮选柱、Jameson浮选柱以及国内的旋流微泡浮选柱。  
(1)Boutin浮选柱[6]
最初的Boutin浮选柱如图1-1所示:

图1-1 加拿大Boutin浮选柱示意图
1  入料箱;2 入料管;3 柱体;4 充气器; 5 精矿收集槽;6 尾矿管  
浮选柱一般为细长的柱型结构,早期工业浮选柱较高,一般柱高9~15m,直径0.5~3.0m,断面为矩形或圆形。矿浆从上部约1/3的位置给入柱体内。另一方面,通过在柱体内设置的气泡发生器,从底部导入空气而产生气泡。此外,为了提高泡沫产品的品位,在泡沫槽上部设置冲洗水装置。在柱体内向下移动的矿浆与上升的气泡逆流接触,疏水性矿粒在气泡上附着(捕收区),进而随气泡上升至泡沫槽中,由于冲洗水精选而成为精矿(精选区)没有在气泡上附着的矿粒作为浆状尾矿从浮选柱下部排出。  
(2)充填介质浮选柱[7]  
1985年,美国的杨锦隆教授发明了充填式浮选柱。该浮选柱除具有传统浮选柱的优点外,还克服了传统浮选柱气泡易兼并、易产生强烈紊流形成翻花等流态问题。充填式浮选柱没有发泡器,在柱内装有多层波形介质以构成更多有规则的迂回曲折通道,空气从下部进入,经过通道时形成均匀气泡并携带疏水矿粒上浮。其结构见图1-2。  
(3)詹姆森浮选柱[8]  
澳大利亚纽卡赛尔大学Jameson教授1987年发明的一种新型浮选柱,自发明后在选煤厂和选矿厂都得到了广泛的应用。詹姆森浮选柱从1990年初开始在芒特·艾萨、希尔顿、田纳特湾(Tennant  Creek)矿山和纽兰德煤矿应用至今。詹姆森浮选柱主要由柱体和带混合头的下导管组成。其工作原理是:将调好药剂的矿浆用泵经入料管打入下导管的混合头内,  通过喷嘴形成喷射流而产生一负压区, 从而吸入空气产生气泡, 形成一股稳定的气、液、固三相混合流, 精矿颗粒在下导管内与气泡碰撞矿化,  下行流从导管底口排入分离柱内, 矿化气泡上升到柱体上部的泡沫层, 经冲洗水精选后流入精矿溜槽, 尾矿则经柱体底部锥口排出。其结构示意图如图1-3。  
图1-2 充填式浮选柱示意图 图1-3 詹姆森浮选柱结构示意图
1.压缩空气; 2.减压器; 3.流量计; 1. 给料; 2. 给料泵;  3. 矿浆水平控制器;
4.压力表;5.泵; 6.搅拌叶轮; 7.给料; 4. 压力传感线; 5. 给料管; 6.给水管;
8.精矿;  9.冲洗水; 10.充填介质; 7. 空气供给管; 8. 给料管; 9. 混合头;
11控制矿浆液面; 12.冲洗水流量计; 10.下导管; 11.  冲洗分配器; 12. 精矿溜槽;
13.阀; 14.尾矿 13. 精矿; 14. 尾矿
(4)旋流微泡浮选柱[3]  
旋流微泡浮选柱是由中国矿业大学的欧泽深教授提出并获得专利的。其最大特点是集浮选与旋流力场中的重选于一体,可对中矿进行扫选,提高了精煤回收率;同时采用了外置自吸式微泡发生器,大量节能。旋流微泡浮选柱的主体结构包括柱浮选、旋流分选、管流矿化三部分,见图1-4。整个设备为柱体,柱浮选段位于柱体上部,它采用逆流碰撞矿化的浮选原理,在低紊流的静态分选环境中实现微细物料的分选,在整个柱分选方法中起到粗选与精选作用;旋流分选与柱浮选呈上、下结构连接,构成柱分选方法的主体;旋流分选包括按密度的重力分离以及在旋流力场背景下的旋流浮选。旋流浮选不仅提供了一种高效矿化方式,而且使得浮选粒度下限大大降低,浮选速度大大提高。旋流分选以其强回收能力在柱分选过程中起到扫选柱浮选中矿作用。管流矿化利用射流原理,通过引入气体及粉碎成泡,在管流中形成循环中矿的气-  固-  液三相体系并实现了高度紊流矿化。管流矿化沿切向与旋流分选相连,形成中矿的循环分选。该设备具有运行稳定、分选选择性好、效率高、处理能力大、电耗低、适应性强等特点。  

图1-4 旋流微泡浮选柱示意图
1.4 浮选柱的优缺点
浮选柱最主要的优点有以下几个方面:  
1)创造适宜的气泡和颗粒动态碰撞以及气泡、颗粒结合体静态分离环境,具有富集比大、回收率高、运行费用低、特别适合于处理微细粒级及易于自控和大型化。并且泡沫层厚度、气泡大小和数量等调节方便;  
2)浮选速度快、效率高,作业次数和循环矿量少,简化浮选流程,不仅能减少浮选作业次数(段数),还能代替联合流程;  
3)抑制亲水颗粒特别有效,对于细粒级可实现高浓度浮选且富集比大;
4) 柱内矿粒和气泡之间平稳的逆流运动, 降低了气泡群的上升速度,  提高了空气利用率和设备的单位处理能力。浮选柱更适于细粒矿物的回收  
5)减少药剂用量,降低能耗,浮选柱安装功率为浮选机88%,因无运动部件,节约生产成本;并且操作简单,所需人员少;  
6)设备简单,占地面积小,节省了基建投资;
7)便于引入其它力场,强化分选;
其局限性表现在:  
1)矿物解离不充分,不能发挥其提高品位的优越性,粗颗粒难以悬浮、气泡与颗粒接触几率小、为达到高品位却损失回收率,主要局限于精选作业,在粗选作业中使用效果不够理想;  
2)矿浆化学性质对浮选效果影响较大,粘度大的矿浆会导致极差的脱尾泡沫,使细粒脉石长时间停留其中而恶化浮选过程;  
3)增加冲洗水的费用、尾矿要稀释、起泡器要维修,设备高度大。国内外金属选矿厂目前将机械搅拌式浮选机置于浮选柱之后,作为精扫选以弥补浮选柱的缺点。  
总之,虽然浮选柱存在以上这些缺点,但它仍然是一种新型节能高效的设备,随着浮选柱在设计、安装、操作和控制系统等方面的技术日趋成熟,其在节能降耗、处理细粒级矿物和提高精矿品位方面的优越性将得到充分显示。  
1.5 浮选柱的应用情况  
1980年,加拿大制造安装了第一台工业浮选柱,应用于Gripe钼矿选矿厂,取代原先的丹佛浮选机,使作业次数从13次简化为7次,在精矿品位相同情况下,浮选回收率从64.51%提高到71.98%[9],世界各地的有色金属选矿厂、选煤厂以及其他的选矿厂都开始广泛使用这一新型浮选设备。现在,浮选柱可用于品位极低的矿物的分选,  如金属、稀有金属和某些有色金属和非金属矿中的金、银、钼、钨、铅、锌及重晶石、滑石、铁矿、铜矿等。其中,金属矿选矿的应用包括:铁矿石、氧化锰矿、铜、铅锌、钨矿、锡矿、红柱石等,非金属矿的应用包括:石墨、滑石、高岭石、萤石,磷酸盐等矿石。选煤方面广泛应用于煤的精选脱硫、脱除灰分等。  
浮选柱近年来应用的领域在不断扩大[10-14],报道较多的是用浮选柱反浮选脱除铁球团矿中的二氧化硅和用浮选柱浮选重晶石及萤石;用浮选柱从砷黄铁矿中浮选出黄铁矿精矿,进而富集其中的砷;也有的用浮选柱除去铜堆浸-萃取贵液中的有机物;回收废水和土壤中的重金属离子;从炼油厂的排水中回收油份;废纸脱墨以及U  - Mo离子浮选等。
1.5 研究的目的和方案
1.5.1 研究目的  
由于社会经济的持续发展,对于矿产资源的开发力度越来越大,经过了这么多年的开发与利用,富矿已经很少,现今的矿产资源以贫矿为主,这就对选矿的工艺及设备提出了更高的要求。在我国,可开采的矿石的量以及品位都很低,同时我国的经济正处于高速发展的时期,这些都要求我们要将这些低品位的难选的矿石利用起来,由于浮选柱是一种比较新的高效的浮选设备,在以后的生产过程中将大有可为。  
浮选柱的发展一直集中在两个方面:一为研制新型的浮选柱;二为对原有浮选柱进行改进。本试验中所用浮选柱即是一种新型的浮选柱-旋流喷射浮选柱。旋流喷射浮选柱从研制成功至今也就短短几年时间,在工业上得到大量应用,特别是有色金属矿山的尾矿再选中的应用,但同时由于对其基础性能的研究还不太充分,阻碍了其性能的进一步提高,基于此,本论文将对其的发泡机理及其柱内气泡的情况进行详细的研究。  
1.5.2 研究内容  
通过对以往的文献调研可知,影响浮选的参数主要有以下几个方面:柱体本身结构、充气条件、药剂性质、矿石性质、以及操作情况。旋流喷射浮选柱也不例外,在本试验中,柱体本身的结构已经固定,在这里将不再做研究,所以本文研究的重点主要集中在浮选柱的充气性能以及对浮选柱进行的纯矿物试验。  
浮选柱充气性能的研究,主要集中在浮选柱充气时的气含率和气泡大小两方面。一般而言,要想得到比较好的浮选效果,气含率值和气泡大小都必须控制在一定的范围内。对于旋流喷射浮选柱而言,影响气含率和气泡大小的影响因素主要包括流体流量、充气量、挡板情况(本浮选柱所特有的情况)、流体静压力等。本论文的一个主要目的就在于确定这些条件之间的关系,以及对充气性能的影响,同时确定比较理想的充气状态为后续试验做准备。  
纯矿物试验的主要目的在于通过对比不同条件时纯矿物的回收情况,确定浮选某种矿物不同粒径的最佳的气含率及气泡大小情况,同时测试在这种浮选柱的浮选过程中,不同的浮选药剂制度下对不同矿物的浮选效果,为以后的实际矿物的分离做一定的试验准备。  
1.5.3 研究的步骤和方法
1、清水试验  
在不添加药剂及矿物的清水条件下,研究流体速率、充气速率、挡板情况对气含率、气泡大小及气体分布的影响及规律,在可能的条件下得到一个较佳的充气条件。  
2、添加药剂试验
在上述研究的限制条件下,研究了不同药剂以及不同药剂量情况下气含率、气泡大小及气体分布的影响及规律。
3、纯矿物试验  
在上述的限制条件下,进行了不同种类纯矿物的浮选试验,其中包括单矿物及混合矿物试验,研究不同充气条件下,不同矿物不同粒级时的回收率情况,同时研究了水的回收情况。以此得到浮选某种矿物合适的气含率及气泡大小。  
4、进行浮选柱动力学研究
研究浮选柱的气泡发生器及柱体内部的矿浆流动的动力学特性,为这种浮选的性能的提高及改进做基础。
2 试验的准备  
2.1 试验系统
2.1.1 旋流喷射浮选柱介绍
图2-1 旋流喷射浮选柱流程图  
试验所使用的旋流喷射浮选柱是由北京宾隆矿业公司独立开发并获得专利的产品。其流程图和气泡发生器的结构图分别如图2-1和2-2所示。旋流喷射浮选柱浮选工艺流程主要由矿浆搅拌系统、动力系统、流量控制及测量系统和浮选柱系统组成。矿浆流动的动力主要由矿浆泵提供,压力表主要用来测量矿浆以及气体的压力,流量计主要用来测量矿浆和气体的流量,并通过阀门加以控制。实验系统包括100L搅拌桶(Φ500×510mm),型渣浆泵,玻璃转子流量计,压力表和实验室型旋流喷射浮选柱(320×250×500mm)。  
旋流喷射浮选柱的基本工艺流程如下:待处理矿物先加入搅拌槽中搅拌,同时加入浮选药剂,将尾矿回流阀门及气体阀门关闭,打开搅拌槽下部阀门,同时开启矿浆泵,矿浆高速通过发泡器进入柱体内,冲击到柱体内部的挡板上,这也是本浮选柱的特色之一。待矿浆液面上升到一定高度时,打开尾矿回流阀门,调节使液面稳定在一定的高度范围内,待稳定后,打开充气阀门,充气,浮选回收有用矿物。  
旋流喷射浮选柱自发明以来,已经在多个矿山得以成功应用,特别是在尾矿回收方面更是有其独特的优势,一般而言,尾矿中的残留矿物基本是以低品位、细粒级的状态分布,这同以后矿产资源的发展趋势相同,如果这种设备可以很好的回收尾矿,那么它一定也能够很好的处理低品位的原矿,这就是要大力发展推广这种设备的一个很重要的原因。这种浮选柱已经在金川公司、攀钢集团选钛厂、广西南丹集团车河选矿厂、白银公司厂坝铅锌矿以及包头稀土尾矿等企业得到应用。  
2.1.2 气泡发生器的特点
图2-2 左图为气泡发生器的总体结构图,右图为喷嘴的剖面图  
旋流喷射浮选柱的气泡发生器在喷嘴的内壁上添加了螺旋导流片,如图2-2右所示。并且可以根据所处理矿物的不同来调整导流片的形状和条数。这种设计可以使矿浆在内部产生多股旋流,通过喷嘴喷出后紊流强度加大,可以更好的剪切空气,并充分混合,进入后面的水平矿化管,同时由于在卷吸的过程中所夹带的空气量大,在气泡发生器内部形成一个真空场,空气自动吸入矿浆空气混合区域,并进一步被高速运动的矿浆所夹带,促进了固液气三相更均匀的混合,从而使矿化效果更加以及使气泡更加均匀。  
2.1.3 挡板的位置及作用  
由图2-1可知,在柱体的内部添加有挡板,也即在柱体内部安装有挡板插槽。浮选柱柱体底部总长为800px,共有3条插槽,分别为位置A、B、C,离矿浆和气体混合喷射出口的距离分别为L1、L2、L3,分别占柱体底部长的50%、60%和70%。同时有3种挡板的高度可供选择,高度分别为250px、375px和500px,分别占柱体总高的20%、30%和40%,具体如图2-3所示。  

图2-3 挡板添加的位置及形状
挡板的添加主要有以下几个方面的作用:  
一、如图2-3所示,混合矿浆进口和出口处于相对的位置,并都在同一高度,如不添加挡板将会出现所谓的“短路”现象,这是不允许发生的。  
二、挡板的加入,可以为浮选提供一个合适的分选区间,这点在以后会讨论到,这里不加以详述。  
三、挡板的加入可以使得矿浆和气体的混合液体冲击到挡板的过程中,分散在矿浆中的气体更加均匀,使接触更加充分,同时还起到了破碎气泡的作用,大的气泡在距离的碰撞后分散成多个体积更小的气泡。  
2.1.4浮选柱系统流体流动特性分析  
浮选是一个动态的过程,流体流动会对浮选的效果造成一定的影响,特别是在柱浮选的过程中,控制流体的流态是控制浮选效果的一个很重要的方法。下面通过一个流动简图来描述矿浆在柱体系统内流动过程,如图2-4所示:  

图2-4 浮选柱体系中流体流动简图  
在图2-4中流体通过左边的搅拌桶内经管路流到矿浆泵处,由矿浆泵将矿浆输送到上部的浮选柱内。在这个系统中,泵为外功提供者。  
由流体力学的基本原理[15,16]可知,这类问题可以应用柏努利方程来进行分析。
柏努利方程的推导过程就不加以详述,其一般式为:  
(3-1)
其中:,为1,2 两处的相对高度;
,为1,2 两处的速度;
,为1,2 两处的压力;
为流体的密度;  
为外界对这个体系所作的功;
为流体的能量损失  
在这个系统中,由于所有的动力来源都是泵,所以为了更好的应用柏努利方程,下面给出了离心泵对于流体的速度以及压力的影响的公式。  
离心泵的基本方程式为:
而 , (3-2)
其中:
— 具有无穷多叶片的离心泵对理想液体所提供的理论压力,m;
—  叶片出口处的圆周速度,m/s;
— 叶片出口相对速度与圆周速度反方向沿线的夹角;
— 液体的理论流量,m3/s;
—  重力加速度,取9.8m/s2;
— 叶轮外经,m;
— 叶轮出口宽度,m;
— 叶轮的转速 r/min;
—  液体在叶轮出口处的绝对速度的径向分量,m/s;  
由于在实际的泵中,式(3-2)中所有参数,除流量外其余的值都不变,这也就说明流体流速和压力之间存着线形关系。  
式(3-1)可以改写成下面这种形式:
(3-3)  
由式(3-2)可知,图2-4中2处的压力为离心泵提供的压力(不考虑沿程损失)和流体静压力之和,也即
, (3-4)
由经典压力方程可知,  和只与流体的高度也就是,以及流体密度有关。
也即:和
同时可以表示为:
, (3-5)
其中:,由泵的固定参数决定  
由于两处的管道的面积都是已知的,那么,在相同时刻,之间存在一定比例关系,假设:
, (3-6)
其中:为比例常数,由管道的截面积决定。  
将式(3-4)、(3-5)、(3-6)这些带入到方程(3-3)中,可得:
(3-7)  
这个系统中,泵后只有一个阀门,没有弯头等其他器件,管道所用的是摩擦阻力很小的软管,在阀门开度一定的情况下流体的能量损失保持不变,所以液体流动的主要影响因素就为左右的液面高度差以及外界对这个体系所作的功,同时由离心泵的知识以及这个系统的具体情况可知,这个系统的主要动力来源为泵所做的功,并且在泵的转速不变的情况下,所提供的能量不变。由于两边液面的高度差一定,那么流体的流动速率就只和泵提供的能量有关,也即和泵的转速有直接关系。转速越快、流速越大,转速越慢、流速越小。  
2.2 其他辅助试验设备
球磨机及超声波清洗机
数码相机、图像分析仪(或是图像分析软件)及测微尺(用于图像获得和分析)  
黏度计(测定黏度)
紫外分光光度计
通过XRD检测矿物结构  
表面张力计(用于测定矿浆或是流体的表面张力,主要是在矿浆中以及清水实验时加药剂的情况下)
2.3 浮选药剂  
本试验所用到的药剂有进行充气性能研究所用的起泡剂2号油和BK-205,前者从锡铁山选矿厂取得,后者为北京矿冶研究总院生产。同时还有浮选纯矿物时的其他药剂。  
2.4 试验矿物
本试验所用纯矿物为黄铁矿和闪锌矿。这两种矿物都是取自锡铁山选矿厂的硫精矿和锌精矿经处理后得到。
3  清水条件时的充气性能研究  
由前述可知,影响浮选柱充气性能的因素有流体速率、充气速率、挡板的情况以及药剂的添加。本节主要是在清水的条件下研究了流体速率、充气速率、挡板的情况对浮选柱内气含率和气泡大小的影响。同时由上一章可知,流体速率和充气速率之间有着内在的联系。以下就现对这两者间的关系进行分析。  
3.1 流体速率和充气速率的关系  
由图2-1和2-2可知,旋流喷射浮选柱采用了自吸气式气泡发生器,所充气的量受流体的压力或者流体速率决定。同时由公式3-3可知,在柱体和搅拌桶液面高度一定的情况下,流体流速只和泵的转速以及能量损失有关系,由于在本试验装置中泵的转速不能够调节,所以在泵后安装了控制阀门,用以控制流体的流速,这主要是通过控制能量损失来达到控制流速的目的。在充气阀门全开的条件下,研究了不同流体速率时的最大充气速率,结果如图3-1所示。  

图3-1 不同流体速率所对应的最大充气速率  
由图3-1可知,充气速率随着流体流速的增大而增大,1.44m3/h为本试验中可达到的最大的流体速率,也就是泵在最大转速,同时泵后阀门全开条件下的速率。流体流速小于1.22m3/h时,充气速率变化不快,当流速从1.22m3/h变化到1.44m3/h时,充气速率由0.9m3/h变化到1.58m3/h,变化的趋势非常明显,这说明在比较高流体速率条件下,对气体的抽吸效果更好。  
3.2 气含率和气泡大小的测定方法介绍  
气含率()是指矿浆中气体的体积百分含量。主要是由于气体进入柱体后置换矿浆的体积比。主要受气体量、矿浆浓度、起泡剂的添加等因素影响。其中气体量主要表现在气体表观流速()也即充气速率上,随着气体表观流速的增加气含率也相应的增加,当增加到一定程度时,将变得不稳定[17]。  
气含率的测定方法有很多[17-22],其中主要包括:压差法、电导法、电阻法、光学法以及液位上升法等。由于前面测量的都是局部的含气率,最后的为总体的含气率,本研究计划采用液位上升法来测量总的含气率。  
液位上升法主要是通过确定一个初始的体积,然后通过充气后上升的体积运用公式(3-8)来计算:
(3-8)
其中: -为柱体中总的气含率;  
-为增加的气液混合体积;
-为柱体中初始液体的体积;  
气泡大小、数量及分布的研究主要集中在得到气泡的大小及分布情况,通过阅读大量的文献了解到,气泡大小、数量、分布(时间、空间)对浮选过程的影响极大[23-26]。气泡大小不仅影响浮选速率和回收率,而且还影响浮选的选择性,如用浮选柱选煤发现,浮选速率常数K与气泡平均半径Rb的立方成反比[27]。这充分说明了气泡尺寸的极端重要性。但值得注意的是,不同物料的浮选对气泡大小有不同要求,不是气泡越小越好,过小由于浮力有限,也会影响浮选。气泡大小与发泡方式、流体静压力、表面张力、气体压力、气体质量、孔径及液体流态有关[28]。现在对于得到气泡大小的方法主要有两种,一是通过测试手段得到,另一种是通过数学方程模拟得到。  
气泡大小的测定是一个复杂的课题,主要分为光学、声学探测和电子探测两大类[29]。将光、声多普勒仪测得的信息与图像分析技术结合是重要的发展方向。摄像[30]、电阻率测量[31]、光学方法[32]和根据经验模型计算[29]等方法常用来研究浮选柱的气泡大小。  
在现阶段被广泛采用的方法除了比较比较传统的电导探针法、毛细管法和照相法之外,还有基于高速摄像技术以及计算机技术的快速摄像分析技术。一般都采用CCD摄像机、普通计算机和相关的图像分析软件来实现气泡图像的采集和分析。现在国外用的较多的是南非开普敦大学(UCT)20世纪80年代后期研制的UCT气泡尺寸测定仪。  
鉴于当前的实验室的实际条件,本试验采用的是照相法并同时运用大型的图像分析软件来辅助得到气泡的直径,使用高性能的数码相机同时应用比例尺选择合适的对焦点来获取对焦好的图像(瞬时的)同时运用著名的图像分析软件的IPP(Image-Pro  Plus)来统计分析图像以得到气泡直径的分布情况。气泡直径用表示。由于柱体是由透明的有机玻璃制成,可直接在柱体上进行观察,如图3-2所示。  

图3-2 气泡大小处理过程示意图
下面就以一个具体的试验结果来分析说明,具体处理过程见下例:  
图3-3是在试验过程中拍摄的一张气泡的图像。应用IPP软件对图像进行分析,通过计算单个气泡平均直径的方法得出气泡的直径,共提取了130个有效气泡的直径。图3-4给出来所得出气泡直径的分布情况。由图可知,气泡的直径主要集中在1.7-2.0mm左右,说明在这种条件下气泡直径较大,主要原因在于所拍摄的图像取自柱体上部,气泡直径相对于下部而言有所增大,同时由于充气量较大,由以往的文献可知[33],大的充气量会伴随着较大的气泡直径。其次试验是在没有加任何药剂的情况下进行的。同时由图13可知,有很多气泡不是明显的圆球形,这主要是因为其运动速度过快所引起的变形,这些需要手动进行处理,以尽量减少分析误差。  

图3-3 加250px高的挡板于插槽C处、流体速率为1.44m3/h、充气速率为0.46m3/h时的气泡图像  

图3-4气泡大小的分布  
从图3-4中还可得,气泡的直径近似呈正态分布。按频次加权计算可以得到气泡的直径为1.83mm,显然这和前人的研究结果[34]有一定的差异,主要原因在于这些文献资料都是在有药剂同时保持小液量或是矿浆流量的情况下所测得的数据。  
3.3 清水试验结果及讨论  
气含率是影响浮选效果的一个很重要的因素,对此前人做了大量的工作[17,35,36]。在研究中发现,一般而言,气含率越大浮选的效果越好,但是当气含率达到一定值后,进一步增加气含率比较困难,这主要是受流体性质以及药剂情况的影响,同时气含率过大还有可能损害浮选的效果。 
3.3.1 流体流速对气含率的影响在没有添加挡板的条件下,将充气阀门全开,测定了不同流体流速条件下,气含率的变化情况,结果如图3-5所示。  

图3-5 流体速率和气含率的关系  
由图3-5可知,气含率随着流体速率的增加而增大,在流体速率比较小的情况下,气含率增加的比较缓慢,在流速较大是,也即大于1.23m3/h时,气含率增大的很快,这也就说明大的流体速率有利于提高气含率。所以要想得到较好的充气性能,选择较大的流体速率比较合适,同时对比气含率值后发现,流体速率为1.29m3/h时的气含率值和本试验系统中所能达到的最大的流体速率1.4m3/h时的气含率基本相同。  
3.3.2 充气速率对气含率的影响通过控制充气阀门来控制充气速率,研究了在未添加挡板的条件下,流体速率为1.4m3/h时,不同充气速率和气含率的关系。结果如图3-6所示。  
图3-6 充气速率和气含率的关系  
由图可知,气含率随着充气速率的增加而增大,在最大充气速率1.58m3/h时有最大的气含率5.66%,同时气含率在充气速率较低时增大的趋势较大,在充气速率达到0.64m3/h后气含率增大的趋势变缓,特别是充气速率高于1.22m3/h时,气含率的变化就很小,这点就说明高充气速率时气含率大同时比较稳定,所以在实际浮选过程中,要想得到稳定均匀同时含量多的泡沫,应有较大的充气速率。  
3.3.3 挡板情况和气含率的关系  
在流体速率为1.4m3/h、充气速率为1.58m3/h的条件下,研究了不同挡板位置不同高度时的气含率变化,结果如图3-7所示。  
由图3-7可知,在不同的位置添加不同高度的挡板对气含率有影响,但是影响的效果却比较复杂。通过对比未添加挡板时的气含率值可知,将挡板加于A位置时,不论挡板高度如何,其气含率值都只和未加挡板时相同或者比未加挡板时要小,这就说明将挡板加于A位置时起不到提高气含率的效果;同时发现,250px高的挡板不论加于什么位置,其气含率都比未加时要小,这也说明添加250px高的挡板对于提高气含率也没有效果。将高375px和500px的挡板加于B和C时气含率都比未添加时要大,但是增大的效果不明显。这就说明在清水条件时,挡板的添加对充气效果的影响还是比较小的。将500px高的挡板加于B和C位置时有最大的气含率7.05%,也就是说在清水条件下,将500px高的挡板加于这两个位置时有最好的充气性能。  

图3-7 挡板情况和气含率的关系  
通过上述的分析可知,在不考虑气泡大小的情况下,通过单独分析气含率的值得到了较为合适的充气条件,那就是流体流速为1.4m3/h、充气速率为1.58  m3/h,同时将500px高的挡板加于B或者C处。但是评价充气性能的好坏一般是同时考虑气含率和气泡大小的情况,考虑单一因素会出现与实际结果的偏差,但由于是清水试验,气含率的影响因素要大的多,为了验证这点,进行了不同流体速率、不同充气速率及不同挡板情况时的条件的气含率和气泡大小试验,其结果如附表1所示。  
一般而言[17],比较好的充气性能要求较大的气含率以及较小的气泡直径。以这样的要求来分析附表1中的数据,可以得出,以下这几种充气条件时有比较好的充气性能,但是要进一步区分出他们之间的优劣比较困难。表3-1给出了这6种情况时的具体条件及结果。  

表3-1 充气条件及结果
编号 1 2 3 4 5 6
流体速率(m3/h) 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.29 
充气速率(m3/h) 1.58 1 1.22 1.58 1.58 1.18
挡板高度(cm) 15 15 15 15 20 20  
挡板位置 A B B B B B
气含率(%) 5.66 4.84 5.4 6.22 7.05 5.1
气泡大小(mm) 1.81  1.41 1.7 1.96 2.31 1.55
由表3-1的数据可知,充气性能最好的条件基本都集中在流体流速为1.4 m3/h、充气速率1.58  m3/h、挡板高375px、位置为B处。但是要比较以上6种情况时充气性能的好坏有一定的难度。同时由附表1可以发现,5和6情况中,将挡板位置由B处换为C处时,气含率值不变,气泡大小有一定的增大,但增大的幅度可以忽略不计。这点也就说明在清水条件下,500px高的挡板加于B和C处时充气性能基本相同。  
由于在前述的过程中只将气含率作为主要因素来考虑,未考虑气泡大小,并得出了较好充气性能的充气条件。但是在加入气泡大小后,很多种条件下的充气性能难以比较。为此引入了一种全新的分析比较方法-模糊决策分析,通过引用这种方法从上述几种条件中得出最佳的充气性能条件,同时和前面的结果做比较。  
3.3.4 模糊数学决策分析[37~39]  
在实际的生产生活中,我们总要比较不同事物的优劣,然后择优取用。但同一事物往往有多种属性,并且还带有模糊性,不能简单的用“好”或是“不好”来衡量这些属性,所以在此时进行比较时,就必须要兼顾各个方面,同时又要兼顾到他们程度上的差异,这就是模糊综合评判所要解决的问题。模糊综合评判实际上利用集合和模糊数学的方法将模糊信息数值化以进行定量评价的方法。对于多个评价目标的方案,  先分别求各评价目标的隶属度, 考虑加权系数, 据模糊矩阵的合成规律求得综合模糊评价的隶属度, 再通过比较求得最佳方案。  
下面给出的是模糊综合评判的数学模型:
第一步:建立评判因素集:,评价因素集中的元素为用来综合评价事物好坏的各个因素。  
第二步:建立评价等级集:,它是一个评语集。
第三步:建立权重分配集:,实际上就是对因素集进行权重分配的一个模糊子集,其中。  
第四步:规定为第个因素所对应的权重,对第个因素的单因素模糊评判为上的模糊子集:
单因素评价矩阵为:  
于是就构成了一个综合评判模型或称为综合评判空间。
评判对象的模糊综合评判是上的模糊子集:,其中  

是集合与之间的一个模糊关系,同时也确定了一个模糊映射。它把上的模糊子集映射到上的模糊子集。  
以上就是模糊评判的一般步骤,以下就上面的具体问题来分析。
将上述6种情况分别用方案1-6表示,顺序就如上表中的顺序。
因素集的确定  
确定因素集是模糊综合评判的基础。因素集的确定主要是通过专业知识和经验选择主要因素。由上文可以知道,主要的影响因素为气含率及气泡大小。  
所以选取因素集 。
评判等级集的确定  
在这里将评判结果定为下面5种情况,即:-绝对采用、-可以采用、-考虑采用、-不采用、-决不采用,也即评价集为:。
进行模糊综合评判  
将上述的六种情况列表后如表3-2所示,其中的比值关系是将后面的各方案中的最佳值作为100,而将其余情况与其比较并得的相应的值,同时可知气含率的最佳值为7.05%,而气泡大小的最佳值为1.41mm。  
表3-2 方案对比表
方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6
气含率(%) 5.66 5.4 4.84 6.22 7.05  5.1
比值关系 80.3 76.6 68.7 88.2 100 72.2
气泡直径(mm) 1.81 1.7 1.41 1.96 2.31  1.54
比值关系 71.6 79.4 100 61 35.3 92.9
根据上表可以得出评判的等级标准,如表3-3所示:
表3-3  评价等级标准
等级 绝对采用 可以采用 考虑采用 不采用 决不采用
比值或评分 100~87.06 87.06~74.12  74.12~61.18 61.18~48.24 48.24~35.3 
具体的值的确定方法为将整个数据表中的最大值及最小值提出,并通过均分法来确定各等级的得分情况。  
根据表3-3建立了充气性能各因素对于各等级的隶属程度,经过综合分析采用梯形分布,首先是这种分布比较直观,其次是根据已有文献,这种分布对于确定各参数的隶属效果方面还是不错的。  
那么气含率对于评价集各等级之间的隶属函数为:



同时规定气泡大小的隶属函数和气含率的隶属函数形式相同。  
将上表中的数据分别带入以上隶属函数中,则可以得出方案1的相对于各等级的隶属度,具体如下所示:
;;  
同时计算气泡大小的隶属度,则可以得出,方案1的评判矩阵:

据此我们可以计算出所有的方案的评价矩阵,也就是矩阵、、、和。  
各因素权重的决定  
权重的决定是一个很复杂并且很重要的过程,它的结果直接影响着后续的工作,但鉴于还没有一种很好的方法可以来准确的定量各权重的值,再加上外部的条件制约,不同情况下所要考虑的权重的分配也不尽相同,鉴于此,本文的权重分配一是参照了多名专家的评价结果,也即请多名专家为这两种因素的重要性打分,然后通过归一化处理;二是考虑到实际的研究过程中,同时由以往的文献资料,清水条件下,气含率的影响情况要大于气泡大小,所以综合考虑以上因数,权重分配集定为:  

结果及讨论
对于方案1经计算后得到评价集:
方案2到6的分别为:
如上的结果所示,可以得出,由方案3和6比较可得,方案6要优于方案3,主要原因在于方案6不采用程度要小于方案3;比较1、2、3、6发现,在方案2和6的比较中,虽然2方案中不可选用的隶属度要比6低,但是其绝对采用的隶属度却小于6,所以2方案较6要差,同时比较2和3发现,2的情况要稍好于3,而1方案要明显好于2、3、6,这样方案1、2、3、6由好到差的顺序为1、6、2、3;方案4和5的比较比较困难,由于5中最不可用的隶属度要远远大于4所以5要稍差于4,同时5和4的最可采用的隶属度要大于前面几种,所以,通过上面的分析,这6种方案的优劣顺序依次是:  
(方案4、方案5)、方案1、方案6、方案2、方案3  
也就是说,将375px高的挡板加入插槽B处时,同时在流体流速为1.4m3/h的条件下,充气速率1.58m3/h时的充气性能为最佳。接下来就是将高500px的挡板加于插槽B处时,同时在流体流速为1.4m3/h,充气速率为1.58m3/h。这点就说明将流体速率为1.4m3/h,充气速率为1.58m3/h时,的确有较好的充气效果,也就是在这两种情况下充气性能最佳,同时挡板加于B处时也有较好的充气性能。对比这些结果和上述分析得出的结果可知,在清水条件下,单独考虑气含率的变化情况是可行的。  
3.4 本章小结  
1、由气泡发生器的发泡特点知,充气速率受流体速率控制,流体速率越大,充气速率也越大,最大的充气速率为1.58m3/h,此时的流体速率为1.4  m3/h,为本试验系统可以提供的最大的流体速率,当流体速率一定时,也可以通过控制阀门来控制充气速率的大小。  
2、通过也为上升法测定气含率,并通过照相法以及软件处理来得到气泡直径的大小。
3、气含率随着流体速率的增大而增大,在流体速率小于1.23  m3/h时,气含率增加的速率很忙,而大于1.23  m3/h时,气含率增加的很快,这说明要想得到比较理想的气含率,要保持比较的流体速率。同时研究了在一定的流体速率条件下,充气速率和气含率的关系,结果发现,气含率随着充气速率的增大而增大,在充气速率较小时,气含率增加较快,而随着充气速率的增大,气含率增长缓慢,可以预言,气含率有一个最大值,当达到这个最大值,即使再增大充气速率气含率也不会增加。  
4、研究了在一定的流体速率和充气速率下,挡板情况和气含率的关系,研究发现,挡板条件不同时,气含率值变化不大,挡板高度为250px或者将挡板加于A位置时的气含率值都小于未添加挡板时的值,这就说明这些情况下不能起到提高气含率的效果。高为375px和500px的挡板加于B位置或是C位置时,气含率比未加时要大,最大气含率出现在将500px高的挡板加于B和C位置处,为7.05%。  
5、由上述分析得出,最佳的充气条件应该是在流体流速为1.4 m3/h、充气速率为1.58 m3/h,同时将高500px的挡板放置于B或者C处。  
6、由于上述结论是在只考虑气含率的条件下得到,在清水条件下,一般而言,气含率是影响充气性能的主要考察因素,为了验证上诉分析过程的正确性,通过试验分析不同流体速率和不同充气速率条件下,不同挡板位置时的气含率和气泡大小,结果发现,其分析结果和上述过程中的分析结果很相近,这说明上述的分析是有根据的,同时进一步确定了在清水条件下,气含率起主要作用。最后通过应用模糊综合评判的方法,得出了一个较佳的充气条件,这个结果和前述最后的结果基本相同。  

附表1 不同情况下气含率和气泡直径总表
流体速率
m3/h 充气速率
m3/h 无挡板 250px 375px 500px  
A B C A B C A B C

1.4 0.46 2.0 2.58 1.7 1.60 2.0 1.62 1.1 1.83 2.0  1.59 2.8 1.13 2.0 2.02 1.4 1.75 2.3 1.77 1.4 1.59
1 3.4 2.94 3.4 1.69 3.7  1.75 2.9 2.23 4.0 1.6 4.9 1.41 5.0 2.31 3.4 1.97 5.3 2.12 5.1 2.55
1.22 4.2  2.95 4.6 1.85 4.8 1.87 4.7 2.3 4.7 1.7 5.4 1.7 5.7 2.2 4.8 2.02 6.4 2.2 6.2 2.15  
1.58 5.7 3.15 5.5 2.33 5.7 2.23 5.7 2.5 5.66 1.81 6.2 1.96 6.5 2.34 5.7 2.26  7.1 2.31 7.1 2.39
1.29 0.4 1.4 1.48 1.7 1.66 1.4 1.76 1.4 1.24 1.1 1.74 1.1  1.60 1.1 1.65 1.1 1.69 1.1 1.56 1.1 1.30
0.7 2.8 1.79 3.1 1.90 3.7 1.79 2.6  1.21 2.9 1.77 2.9 1.77 2.9 1.89 2.9 1.90 2.6 1.68 2.6 1.52
0.94 4 1.90 4.3  1.95 3.7 1.82 3.1 1.62 3.4 2.05 3.7 1.85 3.7 1.91 3.1 1.96 3.4 1.64 3.7 1.66  
1.18 5.4 2.11 5.1 2.04 4.8 1.92 4.5 1.78 4.5 2.08 5.1 1.87 5.4 2.05 4.3 2.01  5.1 1.55 5.1 1.60
1.23 0.3 1.1 1.38 0.9 1.66 0.9 1.71 0.9 1.57 0.9 1.70 1.1  1.68 1.1 1.21 1.1 1.49 1.1 1.38 1.1 1.62
0.56 2.3 1.51 2.3 1.51 2.0 1.56 1.7  1.51 1.7 1.53 2.0 1.55 2.0 1.89 2.0 1.69 2.0 1.41 2.3 2.05
0.61 2.8 1.61 2.9  1.59 2.6 1.61 2.3 1.35 2.3 1.57 2.6 1.64 2.6 1.60 2.9 1.8 2.6 1.77 2.9 1.85  
0.7 3.1 1.65 2.9 1.58 3.4 1.94 2.3 1.67 3.1 1.78 3.7 1.62 3.6 1.80 2.9 1.73  3.7 1.73 3.4 1.66
1.07 0.2 0.9 0.93 0.9 1.84 0.6 1.14 0.6 1.32 0.6 1.83 0.6  1.36 0.6 1.16 0.6 1.73 0.6 1.75 0.6 1.04
0.4 1.4 1.47 1.7 1.78 1.7 1.61 1.1  1.34 1.1 2.04 1.7 1.64 1.7 1.81 0.9 1.80 1.7 1.80 0.9 1.79
0.54 1.7 1.49 2.0  2.02 2.0 2.02 1.4 1.75 1.7 1.73 2.0 1.67 2.0 1.81 2.0 1.90 2.3 2.0 1.4 1.97  
0.61 2.0 1.96 2.3 1.83 3.1 1.74 1.7 2.06 2.9 1.69 2.9 1.75 2.3 1.82 2.6 1.84  3.1 1.92 2.3 2.14
注:和 分别指气含率和气泡大小


4 添加药剂时的充气性能研究  
上一节中研究的是在没有添加药剂的条件下,浮选柱的充气性能。本节中研究了添加不同药剂时浮选柱的充气性能,但现在只进行了一种药剂的研究,另一种有待后续试验。  
4.1 起泡剂的添加对气泡的影响  
浮选起泡剂的作用机理现在越来越被人们所重视,起泡剂促使气体分散成小气泡,并且形成稳定的泡沫。在两相体系中,表面活性起泡剂吸附于气泡表面,起泡剂分子的极性端朝外,对水偶极有引力,使水膜稳定而不易流失。根据Leja-Schulman的渗透理论,起泡剂优先聚集在液-气界面上,并与固体颗粒与气泡碰撞和粘附时吸附在固体颗粒上的捕收剂分子相互作用。起泡剂对浮选最显著的作用是影响气泡的大小。  
Y·S·楚等[40]在他的文章中提到,表面活性剂的加入可引起表面张力降低,气泡大小随着起泡剂浓度的增加而减小。随着起泡剂浓度的增加,气泡兼并程度减小,在特定浓度下(临界兼并浓度,缩写为CCC),气泡的兼并完全被阻止。强起泡剂在低浓度下达到CCC。CCC值基本可以用来表示起泡剂的特征。浓度高于CCC值时,兼并不会发生。  
4.2 2号油的表面张力研究  
2号油又称松醇油,是一种工业生产中最常见的起泡剂,松醇油的起泡性能强,能生成大小均匀、粘度中等以及稳定性合适的起泡。本实验所用2号油,取自西部矿业锡铁山选矿厂,密度为0.923g/ml。  
采用JK99C测量了不同浓度2号油的表面张力。结果如图21所示。
图21 2号油浓度与表面张力的关系,测量温度 293K  
由图21可知,随着起泡剂浓度的增大表面张力减少,开始时表面张力减小的趋势很明显,当药剂浓度从0变化到10mg/l时,表面张力从73.5mN/m变化到49.98mN/m。但随着浓度的不断增大,从10mg/l变化到100mg/l时,表面张力只减少了0.9mN/m。并且在达到一定值后,表面张力将不再变化。所以,为了达到更好的起泡效果,通常是通过加入大量的起泡剂,其中一个主要的目的就是降低表面张力,但过量的起泡剂添加是没有必要的,这不但会增加药剂的消耗,同时过量的起泡剂对浮选也是有害的,可能会降低浮选的选择性。  
4.3 充气速率及2号油浓度与气含率的关系
下面几种情况是考察了在不同的充气速率条件下,不同2号油浓度时气含率的变化。
4.3.1  挡板加于A处时气含率变化情况

图22 加375px高挡板于A处时,不同充气量
2号油浓度和气含率的关系,温度为293k  
图22为占柱体总高30%(375px)的挡板加于距混合矿浆出口375px的A处时气含率的变化情况。由图可知,气含率随着充气速率的增大而增大,在充气速率为1.58m3/h时有最大的气含率,其中最大气含率出现在起泡剂浓度为100mg/l时,达到了24.5%。同时可知,在充气速率为1m3/h以下时,气含率的变化趋势比较明显,而充气速率在1m3/h和1.22m3/h时,气含率值很相近,基本上没有什么变化,但在充气速率增大到1.58m3/h时,气含率又有了明显的提高,由于1.58m3/h的充气速率是这个系统在这个状态时的最大充气速率,这种现象的一个可能的解释就是在1和1.22m3/h时,气体和液体(矿浆)之间达到一个动态的平衡,混合相处介于紊流和层流之间的状态,而继续加大充气的量,则使的流体呈现剧烈的紊流,使气体分散得更加充分,从而提高了气体含量。 
同时对比不同浓度时气含率的变化得出如下的结论:气含率随着2号油浓度的升高而增大。由图可知,在浓度小于30mg/l时,气含率上升的比较明显,而大于30mg/l时,气含率增大的趋势变缓。特别是30mg/l和50mg/l时气含率基本没有变化。而在2号油浓度升到100mg/l时气含率变化比较大的一个可能原因是起泡剂浓度过高,使得混合液体的粘度过大,气泡的粘度也加大,从而影响了上部气泡的破裂,形成泡沫过堆积所致。这也说明,一味的加大起泡剂的量是没有意义的,应在30mg/l和50mg/l之间比较合适。  
4.3.2 挡板加于B处时气含率变化情况

图23 加375px高挡板于B时,不同充气量
2号油浓度和气含率的关系,温度为293k  
图23为占柱体总高30%(375px)的挡板加于距混合矿浆出口500px的B处时气含率的变化情况。由图知,气含率随着充气速率的上升而增大,增大幅度的变化大体遵循先大后小的趋势,也即在充气量为1m3/h前变化比较大,在这以后变化比较小,但这个趋势在2号油浓度为100mg/l时又发生了变化。在充气速率从1m3/h变化到1.22m3/h时,气含率的变化比较大,而从1.22m3/h到1.58m3/h的过程种,气含率依然有很大的变化,这些能够说明在这种挡板位置情况下,气含率值是一直增大的,所以应取最大的充气速率值。  
由图23还可知,气含率随着起泡剂浓度的增大而增大。同挡板加于375px时类似,在2号油浓度低于30mg/l时气含率变化明显,而浓度由30mg/l变化到50mg/l时气含率值变化很小。同时100mg/l时气含率的变化情况和前述的也不相同。  
4.3.3 挡板加于C处时气含率变化情况

图24 加375px高挡板于C处时,不同充气量
2号油浓度和气含率的关系,温度为293k  
图24为占柱体总高30%(375px)的挡板加于距混合矿浆出口625px的C处时气含率的变化情况。由上图可知,气含率随着充气速率的增大而增大。在充气速率为1.22m3/h以下时,增大的幅度是越来越小的,但充气速率由1.22m3/h上升到1.58m3/h的过程中,气含率的增幅又有所增大。并且充气速率为1m3/h和1.22m3/h时,气含率值很相近。  
同时由图还可知,气含率随着2号油浓度的增加而增大。和前面几种情况类似,在浓度为30mg/l前气含率的增幅较大,而在30mg/l和50mg/l之间时,气含率基本没有变化,即使是将浓度增加到100mg/l时,气含率值增加的也不明显。  
4.3.4 小 结  
通过以上对不同挡板位置时气含率的变化可以得出:气含率随着充气量的增大而增大,同时气含率随着起泡剂浓度的升高而增大。这两点不论在何种情况下都适用。但气含率增大的幅度却有限制,有一个极限值。  
上述3种挡板位置的气含率变化说明,低充气速率时气含率很不理想,随着充气速率的升高气含率值逐渐变大,在最大充气速率1.58m3/h时有最大的气含率。同时发现,在充气速率在1m3/h和1.22m3/h之间变化时,气含率变化不明显。这也说明,将充气速率控制在这个区间内或许可以得到稳定的混合流体。  
由以往的文献资料可知[41],起泡剂的加入可以防止气泡的兼并,同时起泡剂还降低了气泡的上升运动速度,前者除了会影响气含率外还会影响到气泡的大小,而后者对气含率有很重要的影响。速度变慢使得气体在矿浆内停留的时间增加,也就是说增加了矿浆中气体的量,起泡剂是上升气泡变慢的可能原因,是起泡剂分子在气泡表面形成“装甲层”。该层对水偶极有吸引力,同时又不如水膜那样易于随阻力变形,因而阻滞上升运动。  
起泡剂浓度的变化对气含率有很大的影响,没有起泡剂时气含率都在一个很低的水平,但即使在加入很少量的起泡剂情况下,气含率就有了明显的提升,这点就证明了前面提到的结论,但是3种挡板位置的试验都表明,在起泡剂浓度达到30mg/l后,气含率的变化就很小,特别是到50mg/l这个区间之间,基本没有变化。而起泡剂加到100mg/l后,气含率的变化趋势就比较混乱,这点也可以间接说明,起泡剂的合适浓度应在30mg/l到50mg/l之间,100mg/l的量对于这个系统而言应是过量的,因为过量的起泡剂对于浮选来说不利的。  
同时由3个图还可知,随着挡板离混合矿浆喷射端口越远气含率的平均值越大,这点可以从3个图中很明显的看出。
4.4  充气速率及2号油浓度与气泡大小的关系  
研究了高度为375px挡板(占柱体总高的3/10)加于柱体内不同位置时,不同充气速率及起泡剂浓度对浮选柱内气泡大小的影响。
4.4.1  挡板加于A处时气泡大小的变化情况
图25 加375px高挡板于A处时,不同充气量时
2号油浓度和气泡大小的关系,温度为293k  
图25为占柱体总高30%(375px)的挡板加于距混合矿浆出口375px的A处处时气泡大小的变化情况。从上图可以清楚的看出,随着充气速率的增大,气泡直径也随之增大。同时还可以发现,各充气速率之间的气泡直径大小很接近,特别是高充气量时,气泡直径基本相同,这点就说明当充气量达到1m3/h时,充气速率对气泡直径的影响已经很小。  
由图25还可知,在没有起泡剂存在的条件下,气泡直径最大,当添加少量的起泡剂后气泡直径迅速减小。在2号油浓度大于10mg/l后,气泡的直径变化的就很小,在比较低的充气速率条件下,也即充气速率小于0.64m3/h时,气泡直径随着起泡剂浓度的升高基本保持不变,而在高充气速率时,气泡直径从浓度为10mg/l变化到100mg/l的过程中,气泡直径先变小后变大。最小气泡直径出现在充气量为0.46m3/h、2号油浓度为50mg/l时,为0.34mm。  
4.4.2 挡板加于B处时气泡大小的变化情况

图26 加375px高挡板于B处时,不同充气量时  
2号油浓度和气泡大小的关系,温度为293k  
图26为占柱体总高30%(375px)的挡板加于距混合矿浆出口500px的B处时气泡大小的变化情况。由图可知,充气量大,气泡直径大的趋势还是没有变化,随着起泡剂浓度的增加,气泡直径呈现先减小后又稍微增大的趋势。在比较低的起泡剂浓度时,不同充气速率时的气泡直径间的差距较大,随着起泡剂浓度的升高,不同充气量之间的气泡直径的变化越来越小,这由图可以明显的看出。在起泡剂浓度达到30mg/l后,气泡的直径基本保持不变。其最小气泡直径是在充气量为0.46m3/h、起泡剂浓度为50mg/l时,大小为0.24mm。  
4.4.3 挡板加于C处时气泡大小的变化情况  
图27为占柱体总高30%(375px)的挡板加于距混合矿浆出口625px的C处时气泡大小的变化情况。同前面的情况类似,在相同的起泡剂浓度时,充气速率大气泡大。添加起泡剂后,在相同浓度时,不同充气速率时的气泡直径的变化很小。同时可以看出,气泡直径随着起泡剂浓度的增加先减小后增大,不过增大的幅度很小,主要是在起泡剂浓度很高时(100mg/l)气泡的直径才有所增大。在浓度上升至50mg/l时,气泡的直径基本保持不变。最小的气泡直径为0.26mm。  

图27 加375px高挡板于C处时,不同充气量时
2号油浓度和气泡大小的关系,温度为293k
4.4.4 小 结  
综合上述3种挡板位置情况时的气泡大小的数据可知,充气速率大相对应的气泡直径也大,当起泡剂浓度在一个合适的范围内时,气泡直径随着浓度的增加而减小。在比较高的起泡剂浓度条件下,不同充气量时气泡的直径基本相同。这就说明充气量并不是控制气泡大小的主要因素或者说充气量和气泡大小之间没有必然的关系,而起泡剂才是决定气泡大小的关键因素,一般认为,表面活性剂的引入,可以降低表面张力,气泡大小随着表面活性剂浓度的提高而减小。Y·S·楚等在他的文章中提到,起泡剂的加入减小了气泡的兼并程度,而当起泡剂浓度达到一定值时,气泡的兼并将被完全终止。所以当起泡剂浓度大于这个最大值时,气泡大小不再由兼并作用所决定,那时气泡大小将强烈依赖于充气器的几何形状和流体动力学条件。同时,Laskowski等的一篇论文中提到,在泡沫浮选中典型的起泡剂浓度下,如果气泡没有互相碰撞,那么气泡大小就完全不受起泡剂浓度的影响。  
随着挡板的位置离喷射端口的距离越远,气泡达到最小平衡直径时所要求的起泡剂浓度也随之增加,由距离375px时的10mg/l到625px时的50mg/l。在将起泡剂浓度提高到100mg/l后,气泡的直径较50mg/l时略有增加,由前面提到的理论可知,在起泡剂浓度达到一定值时,气泡的大小将不在受兼并的影响,而主要是由气泡发生器及其流态决定,由于几何形状已经固定,那么最可能影响它的就是流体动力学条件的变化。  
同时对比图25、26、27和图21可以发现,气泡大小随着起泡剂浓度变化趋势与表面张力的变化趋势极为相似,这点也说明了气泡大小和表面张力间有着必然的联系,也即表面张力大气泡大,表面张力小气泡小。  
5 浮选柱系统动力学研究初探  
本节中,简单的探索了旋流喷射浮选柱系统的动力学性质,推导并模拟了柱浮选过程中气泡发生器内动力学的过程。而对于柱体内部的研究,将在以后的时间中进行。  
5.1 数学模型及实验方法

图28 气泡发生器及柱体内流动动力学模型  
图中:u1、u2、u3分别为气体、矿浆(液体)及液气混合相的流速;ρ1、ρ2、ρ3分别是气体、矿浆及液气混和相的密度;P1、P2、P3分别是气体、矿浆及混合相的压力;A1、A2、A3分别是吸气管面积、喷嘴面积和混合管面积;  
旋流喷射浮选柱的核心部分由外部的气泡发生器和柱体构成。为了更好的了解这种新型的浮选柱的性能,对其内部流体流动的动力学模型进行研究将是很有意义。  
由于流体流动的复杂性,在这里主要考虑的是在液气条件下的流动的性能。  
旋流喷射浮选柱的气泡发生器和液气射流泵有相似之处,所以可以借鉴射流泵的基本方法进行研究[42]。  
气泡发生器内的液体和气体的运动过程大致可以分成3段,如图所示。
1 液体射流与气体的相对运动  
从Ⅰ中喷射出的流体是基本不含气体的密实流体,由于射流边界层与气体之间的粘滞作用,射出的流体将气体从Ⅱ中带入到Ⅲ中。同时气体和液体作相对运动。
2  液滴运动段  
由于液体质点的紊动扩散作用,射流表面波的振幅不断增大。当增幅大于射流半径时,它被剪切分散形成液滴。高速运动的液滴分散在气体中,它与气体分子冲击和碰撞将能量传给气体,这样气体被加速和压缩。在这流动段内,液体变成不连续介质,而气体仍为连续介质。  
3 泡沫流运动段  
气体被液滴粉碎成微小气泡,液滴重新聚合为液体,气泡则分散在液体中成为泡沫流。在此过程中,由于喷嘴内部添加了螺旋导流片,喷射出的液体将会旋转,这样不仅可以夹带更多的气体同时也可以波动更充分,从而和气体混合的也更充分,气体在液体内部的分散性也更好。  
5.2 气泡发生器的基本参数
为了更好的研究气泡发生器的充气和流动性能,现引入几个新的无因次值来表示各参数。
1 流量比  
(5-1)
2 压力比
(5-2)
由于气体的密度都很小,一般上式可以简化为
(5-3)
式中:、分别为标高。  
3 面积比
(5-4)
5.3 气泡发生器的基本理论方程  
由于气泡发生器内部的流体流动流动非常复杂,根据内部的流态,通过运用流体力学的原理可以近似描绘出上述3个阶段的基本理论方程。 
一、液体与气体的相对运动区
气体的运动、连续以及热传导方程:
(5-5)
(5-6)
(5-7)  
液体射流的运动、连续以及热传导方程
(5-8)
(5-9)
(5-10)
二、液滴与气体混合区  
液滴运动、连续以及热传导方程
(5-11)
(5-12)
(5-13)
三、液体与气泡混合区  
泡沫混合流体运动、连续以及导热方程
(5-14)
(5-15)
(5-16)  
上述的这些方程是旋流喷射浮选柱气泡发生器内两相流动的基本理论方程组,直接求解这些方程是非常困难的,所以必须做出一定的假定和简化。
5.4  气泡发生器基本性能方程
5.4.1 气泡发生器的基本性能方程  
气泡发生器的基本性能方程是反映了它的流量、压力以及几何参数之间的相互关系,这是充分发挥这类型气泡发生器的理论基础。  
为了简化方程的运算,在推导时应用了以下假设:
1、在充气时气体溶解在矿浆中或是液体中的数量忽略不计。  
2、由于吸入气体的密度ρ1和矿浆或是液体的密度ρ2相比,相差很大,所以可以认为ρ1/ρ2=0。
3、假定在Ⅲ中气体和液体的混合是均匀的。  
4、由于混合管比较短,假定流体流过时没有能量损失。
5.4.2 基本性能方程的推导  
根据动量和能量守恒原理,对1、2、3面上的动量和能量进行分析。
一 动量方程
(5-17)  
将其应用到气泡发生器的1、2、3面时可以表示如下:
(5-18)
其中:其中主要是Ⅲ入口段的流速系数,近似为1;  
、分别为1、2截面上的质量流量;
、分别为1、2截面处的动量修正系数;
为3截面和2截面之间的压力差;
二 能量方程  
(5-19)
在1、2面上应用能量方程可知:
(5-20)
将上式积分后得:
(5-21)
其中:  
其中:为气体吸入口的流速系数;
; ;
为Ⅲ中的流速系数,由实验确定;  
通过上面动量方程和能量方程的推导,经过变换可得气泡发生器的基本方程:
(5-22)
其中:为总的流速系数;
为磨阻损流速系数;  
与为与面积比有关的系数,上述这些都必须由实验确定具体的值
6 下一步计划
下一步的计划主要包括下面几个部分:  
1、完成前述的另一种药剂条件下的充气性能研究,预计在10月底结束。  
2、柱体内部流体动力学分析以及气泡发生器内动力学方程的修正,这一过程可能持续到次年2月。  
3、进行纯矿物试验,2种纯矿物的准备已基本完成,这个阶段预计会在12月底结束。
4、1月到2月将补充试验,并开始撰写毕业论文,准备答辩。  

参考文献
[1] Gaudin A M. Flotation [M]. New York: McGraw Hill, 1932.  
[2] 刘殿文,张文彬. 浮选柱研究及其应用新进展 [J]. 国外金属矿选矿,2006,(6):14~17.
[3] 刘炯天,王永田,等.  浮选柱技术的研究现状及发展趋势 [J]. 选煤技术,2006,(5): 25~29.
[4] 路启荣,谢广元,吴玲. 浮选柱技术的新发展 [J].  科技大观,2002,28(4):36~39.
[5] 陈泉源, 张泾生. 浮选柱的研究与应用 [J]. 矿冶工程,2000,20(3):1~5.  
[6] 彭寿清. 浮选柱的发展和应用[J]. 湖南有色金属,1998,14(2):14~19.
[7] Yang D C. A new  packed column flotation system .Column Flotation‘88, 257~269.
[8] Jameson G  J, Nam S,Young M M. Physical factors affecting recovery rate in flotation [J].  Minerals Sci. En ,1977, 9(3):103~118.
[9] Hall, S. Developing flotation  technologies [J].Mining Mag, 1991, 164: 379-381.
[10] Marthese M M,  Urive-Salas A, Finch J A. Hydrodynamics of a do down flow column .Proceedings of  X Ⅷ IMPC, Dresden, 1993, 813~822.
[11] Finch J A, Dobby G S. Column  flotation: A selected review, Part I [J]. Int. J.Miner. Process, 1991,  33:343~354
[12] Luttrell G H, Yoon R H A. flotation column simulator based  on hydrodynamic principles [J]. Int. J. Miner. Process, 1991, 33:355~368  
[13] Petruk W, Lastra R. Evaluation of the recovery of liberated and  unliberated chalcopyrite by flotation columns in a copper cleaner circuit [J].  Int. J. Miner. Process, 1993, 40: 137~149
[14] Huls B J, Lachance C D,Dobby  G S. Bubble generation assessment for an industrial flotation column  [J].Minerals Engineering, 1991, 4:37~42.
[15] 夏清、陈长贵 化工原理 修订版[M] 天津大学出版社  2005 P83-90
[16] 周光炯 等 流体力学(第二版)[M] 高等教育出版社 2000
[17]  陈泉源,实验室规模高气泡表面积通量浮选柱的原理、研制及应用:〔博士学位论文〕.长沙:中南大学,2002.
[18] F.J.Tavera,  R.Escudero, J.A.Finch. Gas holdup in flotation columns: laboratory measurements.  International Journal of Mineral Processing, 2001,16: 23~40.
[19]  R.Perez-Garibay, R.De Villar. On-line gas holdup measurement in flotation  columns. Canadian Metallurgical Quarterly, 1999, 38 (2):141~148.
[20] Manqiu  Xu, J.A.Finch, B.J.Huls. Measurement of radial gas holdup profiles in a  flotation column. International Journal of Mineral Processing, 1992,(36):  229~244.
[21] C.O.Gomez, F.Cortes-Lopez, J.A.Finch. Industrial testing of a  gas holdup sensor for flotation systems .Minerals Engineering, 2003,16: 493~501.  
[22] 刘靖译.使用电导率测定法测定浮选柱中的气体含量[J].国外金属矿选矿,1992, 29(12):10~14.
[23] Yanatos  J B, Finch J A. Selectivity in column flotation froths [J]. luf. J. Miner.  Process. 1988, 23(3/4): 279~292.
[24] Schimmoller B K, Luttrel G H. R-H Yoon  .A combined hydrodynamic surface force model for bubble-particle collection.  Proceedings of X Ⅷ IMPC, Dresden, 1993,751~756.
[25] Grace J. Bubbles,drops  and particles [M]. New York: Academic Press, 1978.
[26] Heinrich Schubert,  Claus Bischofberger. On the microprocesses air dispersion andparticle-bubble  attachment in flotation machines as well as consequences for the scale-up of  macroprocesses [J]. Int. J. Miner. Process, 1998, 52:245~259
[27] Dobby G S.  Finch J A. Particle size dependence in flotation derived from a fundamental  model of the capture process [J]. Int. J. Miner. Process, 1986, 21:241~260  
[28] 卢寿慈著. 浮选原理[M],北京:冶金工业出版社,1989.
[29] Otake T, Tone S, Nakao K.  Coalescence and breakup of bubbles in liquids [J].Chemical Engineering Science,  1977, 32: 377~383.
[30] Zhou Z A, Engiebor N O, Plitt L R. Frother effects  on bubble size estimation in a flotation column [J]. Minerals Engineering, 1993,  6(1):55~67.
[31] Yasumishi A, Fuduma M, Muroyama K. Measurement of behavior  of gas bubbles and gas holdup in a slurry bubble column by a dual  electroresistivity probe method [J].J. of Chemical Engineering of Japan, 1986,  19(5): 444~449.
[32] O'Connor C T, Randall E W, Goodall C M. Measurement of  the effects of physical and chemical variables on bubble size [J]. Inter. J. of  Miner Processing, 1990, 28:139~149
[33] Finch J A, et al. Column  Flotation[M], Pergamon Press,1990.
[34] L.O.Filoppov, R. Joussemen, R.  Houot. Bubble spargers in column flotation: adaptation to precipitate flotation  [J]. Minerals Engineering, 2000, 12(1):37~51.
[35] F.J. Tavera, R. Escudero,  J.A. Finch. Gas holdup in flotation columns: laboratory measurements [J]. Int.  J. Miner. Process, 2000, 12(1):37~51. 61_2001.23–40.
[36] L. E. Mattenella,  C. R. Zapiola. Hold-up models from experimental conductance data in a bubble  column [J]. Minerals Engineering, 2001, 14(4):257~262.
[37] 李安贵、张志宏等  模糊数学及其应用 第2版[M] 冶金工业出版社 2005 P251-260
[38] 曹卫国、王华生 模糊综合评判在选矿设备中的应用[J]  有色金属(选矿部分)2005.4 42-44
[39] 闵凡飞、许俊杰、杨晓鸿 多层次模糊综合评判在选煤工艺流程中的应用[J] 煤炭学报 2002.4  27(2)201-205
[40] Y·S·楚等.浮选起泡剂对气泡大小和泡沫稳定性的影响[J].国外金属矿选矿,2002,9:17~21.  
[41] 胡为柏. 浮选[M], 北京: 冶金工业出版社,1983.
[42] 陆宏圻. 射流泵技术的理论及应用[M],北京:水利电力出版社,  1989.


 

 



本网站由阿里云提供云计算及安全服务 Powered by CloudDream