Главная » 2014 » Август » 11 » Скачать Развитие теории процесса пневмопульсационной флотации и создание высокопроизводительных колонных аппаратов. Лавриненко, Анатолий бесплатно
5:21 AM
Скачать Развитие теории процесса пневмопульсационной флотации и создание высокопроизводительных колонных аппаратов. Лавриненко, Анатолий бесплатно
Развитие теории процесса пневмопульсационной флотации и создание высокопроизводительных колонных аппаратов
Диссертация
Автор: Лавриненко, Анатолий Афанасьевич
Название: Развитие теории процесса пневмопульсационной флотации и создание высокопроизводительных колонных аппаратов
Справка: Лавриненко, Анатолий Афанасьевич. Развитие теории процесса пневмопульсационной флотации и создание высокопроизводительных колонных аппаратов : диссертация доктора технических наук : 25.00.13 Москва, 2005 421 c. : 71 06-5/122
Объем: 421 стр.
Информация: Москва, 2005
Содержание:
1 СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ СОВРЕМЕННОГО РАЗВИТИЯПНЕВМАТИЧЕСКОЙ КОЛОННОЙ ФЛОТАЦИИ МИНЕРАЛОВ
11 Основные направления развития колонной флотации исовершенствования конструкций аинаратов
111 Конструкции колонных флотомашин
112 Особенности технологии колонной флотации
12 Основные методы и устройства для аэрирования в колонныхфлотомашинах
13 Основные методы воздействия на гидродинамические условияминерализации воздушных нузырьков
14 Разработка метода и создание анпаратов нневмопульсационнойколонной флотации
141 Конструктивные и технологические особенности пульсационныхфлотомашин, практика их использования
142 Аэрируюш;ие устройства пульсационных флотомашин идиспергирование газовой фазы
143 Особенности движения и взаимодействия флотационных фаз ввертикально колеблюп];ейся жидкости 56Выводы Цель и задачи исследований
2 РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯКОМПЛЕКСА ЧАСТИЦА-ПУЗЫРЁК ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТИФЛОТАЦИОННЫХ ФАЗ
21 Влияние гидродинамических факторов на минерализацию пузырьков
22 Разработка высокочувствительных приборов и методики исследованияэлементарного акта флотации в статических и динамических условиях
221 Разработка приборов и методики для измерения времени индукции исилы отрыва частицы от пузырька флотационной крупности
222 Применение разработанной методики измерения силы отрывачастицы от пузырька при исследовании флотационных свойствминералов
23 Исследование влияния динамических параметров пузырьков на ихминерализацию в различных физико-химических условиях
231 Влияние динамических параметров пузырька на капиллярный икоалесцентный механизм образования комплекса частица-пузырёк
232 Влияние динамики соударения частицы с пузырьком на прочностьобразованного комплекса
24 Исследование влияния скорости вертикального потока жидкости наповедение частиц на пузырьке
241 Влияние стационарного нисходящего потока жидкости насохранение комплекса частица-пузырёк
242 Влияние скорости знакопеременных воздействий потока жидкостина поведение частицы на пузырьке 123Выводы
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕПИЯ, ВЗАИМОДЕЙСТВИЯФАЗ И ОБРАЗОВАПИЯ ПУЗЫРЬКОВ ВОЗДУХА ПРИПУЛЬСАЦИОИНОЙ ФЛОТАЦИИ
31 Экспериментальное исследование движения пузырька воздуха ввертикально пульсирующей среде
311 Влияние динамических параметров жидкой фазы на перемещение искорость всплывания пузырька
312 Относительная скорость и ускорение пузырька
32 Математическое моделирование условий взаимодействия воздушногопузырька с частицей в вертикально колеблющейся среде
321 Выбор условий моделирования
322 Построение математической модели действия сил на пузырёк вусловиях пульсационной флотации
323 Анализ модели столкновения частицы с пузырьком
33 Исследование дисперсного состава воздуха в камере флотации припневмопульсационной аэрации
331 Методика проведения экспериментов
332 Влияние конструктивных параметров аэратора и флотационнойкамеры на дисперсный состав и количество пузырьков воздуха
333 Влияние технологических факторов на дисперсность и количествопузырьков в камере флотации
34 Механизм процесса и основы теории пульсационной флотации 205Выводы
4 СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ПРОМЫШЛЕННОГОКОЛОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ПНЕВМОПУЛЬСАЦИОННОЙФЛОТАЦИИ
41 Разработка оптимальных параметров конструкции промышленногоаппарата пульсационной флотации
42 Проектирование пульсационных колонных флотационных аппаратов
421 Обоснование исходных условий проектирования
422 Проектирование и расчёт основных элементов конструкции камерыфлотации и аэратора
43 Разработка основных систем, обеспечивающих работупневмопульсационной флотационной машины
431 Системы подачи рабочего воздуха в аэратор, ввода питания иразгрузки пенного и камерного продуктов
432 Система автоматизированного управления процессомпневмопульсационной флотации
44 Устройство и работа пневмопульсационной колонной флотомашины 267Выводы
5 РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОЦЕССА ПУЛЬСАЦИОППОЙ ФЛОТАЦИИ
51 Лабораторные исследования влияния способа подачи реагентов наэффективность аэрации и флотации в пульсационной колонне
52 Исследование процесса пульсационной флотации магнезита и угля влабораторных условиях
521 Разработка процесса флотации магнезитовой руды Саткинскогоместорождения на пульсационной пилотной установке
522 Пневмопульсационная флотация углей
53 Разработка, испытание и внедрение процесса пневмопульсационнойфлотации с использованием высокопроизводительных колонныхаппаратов большой вместимости при обогащении сильвинитовых рудВерхнекамского месторождения на обогатительных фабриках ОАО«Уралкалий»
531 Выбор промышленных технологических режимов работыпневмопульсационной флотомашины
532 Испытание и опытно-промышленная эксплуатация аппаратовпульсационной флотации при обесшламливании сильвинитовых руд
533 Промышленное внедрение процесса пульсационной флотации вцикле перечистки чернового сильвинового концентрата
54 Перспективы и экономическая эффективность применения процессапневмопульсационной флотации в колонных аппаратах 333Выводы 341ЗАКЛЮЧЕВОИЕ И
ВЫВОДЫ 344СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНПЫХИСТОЧПИКОВ
Введение:
Актуальность. В настоящее время освоение минерально-сырьевой базыРоссии всё в большей степени связано с использованием труднообогатимоготонкодисперсного минерального сырья. Повышение извлечения и качествапродуктов обогащения без увеличения затрат на переработку остаются приэтом наиболее важными проблемами технологии разделения.Поскольку флотация является одним из основных методов обогащениятонкодисперсного минерального сырья, разработка и внедрениевысокоэффективных флотационных процессов и аппаратов, обеспечивающихвысокую селективность разделения минералов без снижения извлеченияценного компонента, имеет большое практическое значение [1].В настоящее время используются, в основном, методы механической ипневмомеханической флотации в аппаратах камерного типа, которые необеспечивают достаточную эффективность обогащения тонкоизмельчённыхкомпонентов. Этот недостаток усугубляется стремлением применятьбольшеобъёмные машины вместимостью до 100-300 м ,^ в которых структурапотоков не способствует селективности разделения.В большей степени селективность и полнота извлечения достигаются припневматической противоточной колонной флотации с применениемтонкодисперсных пузырьков. Однако использование таких пузырьковвследствие их уноса из аппарата нисходящим потоком не позволяет достичьвысокой удельной производительности указанных аппаратов.Основная проблема в повышении эффективности колонной флотациизаключается в создании условий для одновременного получениятонкодисперсных пузырьков и достижения высокой удельнойпроизводительности "аппарата, а также заданной селективности процесса,которая обычно достигается орошением пенного слоя водой.Развитие метода пневматической колонной флотации, как в нашей стране,так и за рубежом, связано, в основном, с задачами совершенствования способов7и устройств аэрирования пульпы, улучшения гидродинамических условийминерализации пузырьков и разделения минеральных компонентов, а также сприменением различных методов физического воздействия на процесс [2-37].Эти вопросы широко отражены в монографиях Ю.Б. РубинштейнаН.Ф. Мещерякова, СИ. Черных.Методологической основой разработки новых флотационных процессовявляются также фундаментальные исследования видных отечественныхучёных: П.А. Ребиндера, А.Н. Фрумкина, И.Н. Плаксина, Б.В.Дерягина,О.С. Богданова, М.А. Эйгелеса, В.И. Классена, В.А. Глембоцкого,В.А. Малиновского, В.А. Чантурии, В.Д. Самыгина, И.И. Максимова,В.И. Мелик-Гайказяна, Н.В. Матвеенко, А.А. Абрамова, Г.Д. Краснова,В.П. Неберы, Н.И. Тетериной, А.В. Куркова, СБ. Леонова К.В. Федотова и др. в области межфазных взаимодействий в условиях физических и физикохимических воздействий на технологические свойства фаз, а также разработкиновых методов и аппаратов для разделения минералов в жидкой среде.Одним из новых и эффективных методов, созданных на основефизического воздействия на процесс флотации, который позволяетодновременно достичь высокого извлечения и селективности разделениятонкодисперсных компонентов при повышенной удельной производительностиаппарата, является разработанный в ИГЖОИ РАН под руководством проф.,докт. техн. наук Г.Д. Краснова и испытанный на ряде обогатительных фабрикметод пневмопульсационной колонной флотации (ИКФ) в вертикальноколеблющейся среде в аппарате с пульсационным аэратором [38-63].Процесс ПКФ исследовался в лабораторных и промышленных условиях ваппаратах малой вместимости при частотах колебаний, в основном, от 1 до 10Гц. Однако при переходе к укрупнённым аппаратам (вместимостью 3,2 м^ ивысотой более 2 м) их конструктивные особенности и связанные с нимитехнические приёмы ведения процесса не всегда позволяли достигатьожидаемых результатов. К тому же лабораторные исследования процессовобразования и движения пузырьков воздуха не моделировали8гидродинамическую обстановку в камере промышленной машины. Требовалсяновый методологический подход к созданию промышленных большеобъёмныхаппаратов и к разработке процесса ПКФ. Механизм пульсационной флотациине имел достаточного теоретического объяснения и не раскрывал полностьюпричины высокой эффективности процесса. Эти обстоятельства сдерживалипереход к созданию и внедрению в промышленность пульсационныхфлотоаппаратов большой вместимости.Целью данной работы является развитие теории процессапневмопульсационной флотации, создание на этой основевысокопроизводительных колонных аппаратов и- внедрение их впромышленность.Для достижения этой цели необходимо решение следуюш;их задач:1. Исследование механизма образования и сохранения комплексачастица-пузырёк при переменной скорости движения пузырька.2. Исследование реальных параметров движения и взаимодействияфлотационных фаз в вертикально колеблюп];ейся среде при гидростатическомнапоре, соответствуюш;ем промышленному.3. Выявление особенностей механизма образования дисперсий воздуха,определение дисперсного состава пузырьков в камере флотациипульсационного аппарата промышленного типа и установление на этой основеоптимальных конструктивных параметров аэратора и высоты камерыразделения.4. Определение особенностей механизма процесса ПКФ, причин еговысокой эффективности и методов оперативного управления им.5. Разработка методики проектирования и созданиевысокопроизводительных промышленных аппаратов для ПКФ.
6. Разработка и реализация в промышленности процесса ПКФ. Идея работы заключается в исследовании физических эффектов,возникаюш;их при взаимодействии флотационных фаз в условиях вертикальных9знакопеременных колебаний среды, для развития теории процесса ПКФ исоздания высокопроизводительных колонных аппаратов.Методы исследования.- измерения времени индукции и силы отрыва частицы от пузырькаосуществлялись с помощью оригинального контактного устройства иметодики, разработанных автором;-моделирование поведения частицы на пузырьке в гидродинамическихусловиях, характерных для флотации, проводилось в стационарном ипульсирующем потоках на закреплённом и свободно взвещенном в противотокепузырьке на установке, также созданной автором;- оценка силы прижима частицы к пузырьку, необходимой дляобразования их комплекса, осуществлялась с помощью математической моделидвижения пузырька в колеблющейся среде;- измерение поверхностного натяжения на границе жидкость-газпроводилось по методу отрыва пластинки (метод Вильгельми);- электрокинетический потенциал твёрдых частиц определялся методомэлектроосмоса;- определение скорости всплывания воздушного пузырька в неподвижнойи вертикально колеблющейся жидкости осуществлялось с применениемтелевизионно-оптического метода и компьютерной обработки изображения;- исследование процесса диспергирования воздуха, коалесценции иопределение крупности воздушных пузырьков проводилось с помощью видеои микрофотосъёмки, а также на основе визуального и компьютерного анализа;- флотационные опыты осуществлялись с применением механических,пневматических и пневмопульсационных анпаратов в лабораторных ипромышленных условиях. При этом использовались химический игранулометрический методы анализа продуктов обогащения;- для обработки результатов исследований применялись методыматематической статистики.10Вклад автора в проведённые исследования заключается в формированииосновной идеи, постановке задач, разработке методик исследований,организации и участии в выполнении исследований, анализе и обобщенииполученных результатов.Достоверность результатов работы обоснована удовлетворительнойсходимостью теоретических выводов по экспериментальным исследованияммеханизма процесса пульсационной флотации с данными по флотации влабораторных и промышленных условиях, а также достаточнойвоспроизводимостью экспериментов.Научная новизна заключается в развитии теории процессапульсационной флотации. Выявлены механизм пульсационной флотации иобуславливающие его факторы, а также причины высокой эффективностипроцесса, анализ которых показал, что скорость колебаний среды определяетуровень извлечения, а её ускорение приводит не только к высокойселективности процесса, но и к повышенной удельной производительностипульсационных аппаратов.Впервые экспериментально установлены закономерности движениявоздушного пузырька, всплывающего в вертикальном знакопеременном потокежидкости, колеблющемся с частотой 0,3-1,0 Гц. Выявлены факторы (скорость иускорение среды), определяющие динамические параметры пузырька и егознакопеременное перемещение.Разработана математическая модель движения пузырька воздуха ввертикально пульсирующей жидкости, представляющая собой нелинейноедифференциальное уравнение, которое позволяет с учётом измереннойскорости движения пузырька реально оценить силу его столкновения счастицей, движущейся со скоростью среды. На основе анализа действующих напузырёк сил создана физическая модель движения пузырька в течение циклаколебаний.Впервые автором экспериментально, с помощью созданных иморигинального высокочувствительного устройства и методики для11одновременного измерения в динамических условиях времени индукции и силыотрыва частицы от пузырька реальной флотационной крупности, установлено,что переменная скорость всплывания пузырька влияет на эффективностьпроцесса минерализации.Впервые выявлены закономерности, показывающие, что в интервалескоростей неупругого столкновения с увеличением скорости соударениячастицы с пузырьком и (или) силы их прижима друг к другу время индукцииснижается, а сила отрыва частицы от пузырька возрастает, а при упругомстолкновении - зависимость обратная. Установлено, что время индукции,измеренное в динамических условиях, характерных для флотации, являетсяпеременной величиной.Показано, что импульсное воздействие жидкости на систему частицапузырёк приводит к отклонению частицы на пузырьке от исходного положенияна определённый угол, зависящий от характера воздействия, свойств частиц ижидкой фазы.Установлены зависимости дисперсности пузырьков воздуха в камерефлотации при пульсационном диспергировании от конструктивных параметроваэратора, высоты камеры флотации и амплитудно-частотного режима (АЧР)колебаний, что позволило выявить определяюшую роль коалесцентногомеханизма минерализации при пульсационной флотации и сформулироватьосновные требования к конструкции аэратора, камеры флотации, режимамколебаний пульпы и на этой основе создать оптимальную конструкциюфлотационного пневмопульсационного колонного аппаратаТеоретическая и практическая значимость. Выявленныезакономерности процесса пульсационной флотации вносят вклад в развитиетеории флотации.Разработанные методика и высокочувствительное устройство измерениясилы отрыва и времени индукции частицы и пузырька реальной флотационнойкрупности в статических и динамических условиях могут быть использованыдля исследования адгезионного и когезионного взаимодействия (с силой до12десятых-сотых долей наноньютона) в жидкой среде твёрдых и газообразныхфаз в процессах коагуляции, флокуляции и флотации, а также для изучениядействия различных поверхностно-активных веществ (ПАВ) наконтактирующие поверхности.Разработанный промышленный процесс флотации в вертикальноколеблющейся среде с использованием высокоэффективныхпневмопульсационных колонных аппаратов позволяет при обогащенииминерального сырья повысить одновременно извлечение и качество ценногокомпонента при высокой удельной производительности аппарата и может бытьиспользован для обогащения различного минерального и техногенного сырья, атакж<е для очистки сточных и оборотных вод от тонкодисперсных взвесей иуглеводородных соединений в пульсационных колонных машинах.Реализация результатов исследоваиий. Создано и эксплуатируетсяустройство для измерения времени индукции и силы отрыва частицы отпузырька флотационной крупности в статических и динамических условиях.Созданы и испытаны при флотации сильвинитовых руд Верхнекамскогоместорождения три больщеобъёмные пульсационные колонные флотомащины(Ф1Ш-7,7; ФГШ-14м; ФПП-21 вместимостью, соответственно, 7,7; 14 и 21 м^).Разработан и принят в постоянную эксплуатацию на ОФ БКПРУ-3 ОАО«Уралкалий» процесс пневмопульсационной флотации чернового сильвиновогоконцентрата в колонном аппарате ФПП-14м с автоматизированнымуправлением, позволяющий повысить извлечение КС1 (на 1,5% от исходнойруды) при получении кондиционного концентрата и сокращении энергозатратна 30 % по сравнению с базовым режимом флотации в механических машинах.Разработан и принят в опытно-промышленную эксплуатацию на ОФБКПРУ-2 процесс ПКФ нерастворимого остатка глинисто-карбонатных шламов(н.о.) в аппарате Ф1Ш-21, который позволяет повысить извлечение н.о.,сократить потери КС1 со сбросными шламами и уменьшить расход флокулянтаПАА (на 25-30%) по сравнению с базовым режимом флотации впневматических машинах МПСГ.
13На пилотной установке разработан процесс ГЖФ магнезита из рудыСаткинского месторождения. Разработана и передана техническаядокументация для изготовления колонного аппарата ФПП-4 и внедренияпроцесса в перечистной операции на строящейся опытной обогатительнойфабрике ОАО «Комбинат Магнезит».В лабораторных условиях разработан процесс пульсационной флотациитонкодисперсных фракций каменного угля, который позволяет сократить числоперечистных операций при получении кондиционного концентрата,используемого в виде водоугольной суспензии для нужд энергетики.Создано устройство для управления пульсационной флотомашиной(содержащее генератор вынужденных колебаний, датчики и системыстабилизации давления воздуха, плотности и уровня пульпы) и предложенметод сканирз^зщего выбора сигнала датчика, позволяющие автоматизироватьфлотационный процесс в колеблющейся среде.Получены патенты РФ: на устройство пневматической пульсационнойфлотационной машины (№ 2070839); на устройство для управленияпневмопульсационной флотационной машиной (№2183138); на способфлотации в пневмопульсационном аппарате и его конструкцию (№ 2220005).Получено авт. свид. СССР на устройство для измерения силы отрыва твердойчастицы от пузырька газа в жидкой фазе (№ 1187018) и др.Получено разрешение Госгортехнадзора России №РРС 04-10277 от03.11.2003 на применение флотационных пневмопульсационных машин.Внедрение большеобъёмных аппаратов пульсационной флотации втехнологию обогащения сильвинитовых руд Верхнекамского месторождениявыполнено при участии ОАО «Галургия» и 0 0 0 «Научно-внедренческий центр«ЭЛАС».Основные ноложення, выносимые на защнту1. Механизм процесса пневмопульсационной флотации и причины,обеспечивающие его высокую эффективность:14- пульсирующее вертикальное воздействие на флотационную средуинициирует все стадии процесса взаимодействия частицы с пузырьком —столкновения, закрепления и отрыва;- изменение скорости и силы столкновения частицы с пузырьком вдинамических условиях, характерных для флотации, влияет на скоростьобразования и прочность комплекса частица-пузырёк. Увеличение скорости исилы взаимодействия частицы с пузырьком в интервале скоростей ихнеупругого столкновения вызывает снижение времени индукции и рост силыотрыва в динамических условиях, а при упругом столкновении - зависимостьобратная.- вертикальные колебания флотационной среды приводят кзнакопеременному перемещению пузырьков воздуха относительно жидкости,при этом амплитуда относительной скорости пузырька обусловлена скоростьюколебаний среды;- высокая селективность разделения при пульсационной флотацииобусловлена: импульсным изменением ускорения комплекса частица-пузырёк,приводящим к перераспределению частиц различной крупности, формы иплотности на поверхности пузырька при его всплывании; ярко выраженнымпроявлением коалесценции минерализованных пузырьков в камере флотации;вибрацией пенного слоя, приводящей к отрыву слабо закрепивщихся частиц;- повышенная скорость пульсационной флотации по сравнению сколонной флотацией в стационарной среде обусловлена образованиембольшого количества тонкодисперсных пузырьков (в том числекавитационных), коалесцентным механизмом минерализации и повышеннойскоростью всплывания пузырьков средней крупности (1-2 мм);2. Методика и устройство для измерения времени индукции и силыотрыва частицы от пузырька флотационной крупности позволяютодновременно регистрировать указанные параметры в динамических условиях,характерных для реальной флотации, и на три порядка повыситьчувствительность измерения (до 0,1 нН) при заданных значениях скорости15столкновения частицы с пузырьком и их отрывания, силы их прижима друг кдругу и времени контакта.Время индукции, измеренное в динамических условиях, характерных дляфлотации, является переменной величиной, которая равна времени,необходимому для образования комплекса частица-пузырёк с определённойпрочностью связи, зависящей от физико-химических и гидродинамическихусловий взаимодействия частицы с пузырьком.3. Разработанная методика проектирования колонного флотационногоаппарата с пульсационным аэратором позволяет создавать аппараты сравномерным аэрированием по сечению колонны, с учётом конкретныхусловий их эксплуатации.4. Устройство и принцип работы колонной пневмопульсационнойфлотомашины характеризуются возможностью одновременного полз^ениятонкодисперсных пузырьков и использования их при повышенной скоростинисходящего потока пульпы, что обеспечивает более высокуто удельнз^юпроизводительность пульсационного аппарата по сравнению с применяемыми внастоящее время пневматическими машинами колонного типа, использующимианалогичные пузырьки.5. Процесс промышленной пневмопульсационной флотации, испытанныйи внедрённый при обогащении сильвинитовых руд с использованиемпульсационных колонных аппаратов различного типоразмера, позволяетодновременно повысить извлечение и качество извлекаемого компонента иснизить эксплуатационные затраты при повышенной удельнойпроизводительности флотационного аппарата.Апробация работы. Основные результаты работы были представлены идоложены на 23 научных конференциях: Международных совещаниях«Плаксинские чтения» (1998-2004 гг.); XXI Международном конгрессе пообогащению полезных ископаемых (Рим, 2000 г.); II, III, IV, V конгрессахобогатителей стран СНГ (1999, 2001, 2003, 2005 гг.); научных симпозиумах«Неделя горняка» (1998-2003 гг.); Международной конференции «Горные16науки на рубеже XXI века» (Москва-Пермь, 1997 г.); 1-ой Всероссийскойконференции «Сырьевая база неметаллических полезных ископаемых исовременное состояние научных исследований в России» (Москва, 2003 г.);научно-практической конференции «РИВС-2003» (С-Петербург);Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологииосвоения минеральных ресурсов» (г.Красноярск, 2003г.); 10-ой юбилейноймеждународной научно-технической конференции (г. Екатеринбург, 2005 г.).Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 32статьях, 3 патентах и 3 авторских свидетельствах на изобретение.Структура и объём работы. Диссертации состоит из введения, пятиразделов, заключения и выводов, списка использованных источников из 290наименований, 10 приложений и содержит 280 страниц машинописного текста,107 рисунков в основном тексте и 20 в приложении, 30 таблиц.
