浮选气泡在矿浆中运动的数值模拟研究.pdf

硕士学位论文 学校代码 Q 圣三 密级公珏 浮选气泡在矿浆中运动的数值模拟研究 N u m e r i c a lSi m u l a t i o no fB u b b l eF l o t a t i o ni nO r eP u l p 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 陈思超 动力工程及工程热物理 热能工程 能源科学与工程学院 彭小奇教授 论文答辩日期盥 答辩委员会主席牛 中南大学 二零一三年五月 一令一二，平直月 原创性声明 qIYIII I l 2 I I I I l 4 I I I l 2 I U l l I I I I I l 8 I U l l 9 I I I I I z I I I Y 2 4 2 18 9 Z 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名i 埏墨整日期垒旦年三月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期逊年』月幺日 浮选气泡在矿浆中运动的数值模拟研究 摘要在泡沫浮选中，气泡在悬浮流中运动过程的大小变化、几何形 状变化及上升速率变化等特性直接影响着矿物浮选生产的质量和产 量，因此，研究浮选气泡在矿浆中的运动规律对改进生产过程、提高 产品产量与质量具有重要意义。 本文归纳总结了气液两相流和气泡运动的研究进展及其数值模 拟的基础理论和研究现状，针对单个浮选气泡建立了相应的数学和物 理模型，确定了边界初始条件。运用捕捉自由界面的V O F 方法对气 泡的运动界面进行了追踪，在F l u e n t 6 ．3 的平台基础上对浮选气泡的 运动进行了数值模拟研究，并对其运动速率、轨迹、形状变化等规律 进行了分析总结。 在不考虑气泡负载矿物颗粒的情况下，对气泡在矿浆中的运动进 行了模拟，模拟结果表明气泡初始直径越大，其在上升过程中的横 向形变和垂直方向的晃动幅度越大；中等大小气泡在运动过程中变形 平缓且形变程度小、浮升能力强、抗液流扰动能力强，故其对矿物粒 子的运载能力较强，有利于提高浮选生产的产量和质量；搅拌程度过 大会造成气泡较大的初速度，而较大的初速度使气泡的形变不理想； 在不同密度的矿浆中，浮选气泡的最佳尺寸各不相同，矿浆密度越大， 气泡变形程度和上升速率越小，浮选气泡的最佳尺寸越小。 在考虑气泡负载矿物颗粒的情况下，对矿化气泡在矿浆中的运动 进行模拟，模拟结果表明当气泡单位表面积上负载的矿粒越多时， 矿化气泡在上升过程中的运动速率和形变程度越小；在不考虑矿粒脱 落的情况下，计算得出矿化气泡对矿物的回收量随着气泡单位表面积 负载的矿粒质量的增大先增大后减少；经过对不同尺寸的矿化气泡的 矿物回收量进行比较分析得出中等直径尺寸 3 ．5 m m 的气泡对矿 物的回收量大于其他尺寸气泡，因此中等尺寸气泡为浮选生产的最佳 尺寸气泡。图31 幅，表9 个，参考文献8 4 篇。 关键词泡沫浮选；V O F 方法；浮选气泡；气液两相流；矿物回收 且 里 分类号T D9 2 3 I I N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fB u b b l eF l o t a t i o ni nO r eP u l p A b s t r a c t T h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yi nt h em i n e r a lf l o t a t i o na r ed i r e c t l y i n f l u e n c e db yt h ec h a n g i n go ft h es i z e ，g e o m e t r i cs h a p ea n dt h ev e l o c i t y o ff l o t a t i o nb u b b l e sm o v i n gu p w a r di nt h eo r ep u l ps u s p e n s i o nf l u i di n t h ef r o t hf l o t a t i o n ．T h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h e p r o d u c t i o np r o c e s s ，p r o d u c ty i e l da n dq u a l i t yt od ot h er e s e a r c ho ft h e f l o t a t i o nb u b b l em o t i o nl a wi nt h ep u l p ． O nt h eb a s i so ft h eo v e r v i e wo ft h er e s e a r c hp r o g r e s s ，f u n d a m e n t a l t h e o r ya n ds i m u l a t i o np r o g r e s so ft h eg a s l i q u i dt w op h a s ef l o wa n d b u b b l e ，t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs i n g l ef r o t hb u b b l ea r e b u i l ta n dr e l a t e di n i t i a lb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ed e t e r m i n e di nt h i st h e s i s ． V o l u m eo ff l u i d V O F m e t h o dt h a tC a nc a p t u r et h ef r e ei n t e r f a c ei S a p p l i e dt ot r a c kt h em o v e m e n ti n t e r f a c e o fb u b b l e s ．t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ns t u d yo ff l o t a t i o nb u b b l e si Sc a r r i e do u tb a s e do nF l u e n t6 ．3 p l a t f o r m ，a n dt h el a wo fd e f o r m a t i o n ，r i s i n gv e l o c i t ya n dt r a je c t o r i e so f g a sb u b b l e sa r ea n a l y s e da n ds u m m a r i z e d ． T h ep r o c e s so fa i rb u b b l em o v e m e n ti n 血ep u l pi Ss i m u l a t e di nt h e c o n d i t i o no fn op a r t i c l ea t t a c h e d ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e b u b b l et r a n s v e r s ed e f o r m a t i o na n d s l o s h i n ga m p l i t u d e i n v e r t i c a l d i r e c t i o ni nt h ep r o c e s so fi t sm o v i n gu p w a r di sb e c o m i n gl a r g e rw i t h g r e a t e rb u b b l ei n i t i a ld i a m e t e r ．T h eb u b b l e s w i l [ 1 1m e d i u ms i z eh a v e g e n t l ed e f o r m a t i o nw i t hs m a l ld e g r e eo fd e f o r m a t i o n ，b i gb u o y a n c yl i f t a n ds t r o n gf l u i df l o wd i s t u r b a n c er e s i s t a n c ea b i l i t y ，w h i c hh a v eb e t t e r c a p a c i t yt oc a r r ym i n e r a lp a r t i c l e sa n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h eq u a n t i t y a n dq u a l i t yi nt h ep u l pd e n s i t yw i t hp r a c t i c a lm i n e r a lf l o t a t i o n ．T h e b u b b l e 、析也l a r g e ri n i t i a lv e l o c i t yw h i c hi sb a df o rb u b b l ed e f o r m a t i o n w i l lb ep r o d u c e db yt h ee x c e s s i v es t i r r i n gd e g r e e ．T h eo p t i m a ls i z eo f f l o t a t i o nb u b b l ei sd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n to r ep u l pd e n s i t i e s ，t h ed e g r e eo f t h ed e f o r m a t i o n ，r i s i n gv e l o c i t ya n db e s tf l o t a t i o nb u b b l es i z er a n g ea r e s m a l l e rw i t hl a r g e rp u l pd e n s i t i e s ． n l ep r o c e s so fm i n e r a l i z e db u b b l em o t i o nw i t hp a r t i c l ea t t a c h e di n t h ep u l pi ss i m u l a t e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o r ep a r t i c l e sa t t a c h e d i nt h eu n i ts u r f a c ea r e ao fb u b b l e ，t h es m a l l e rt h ed e f o r m a t i o nd e g r e ea n d I I I r i s i n gr a t e ．1 1 1 ec a l c u l a t i o nr e s u l t st h a tw i t h o u tr e g a r dt os h e d d i n go r e p a r t i c l eo fr e c y c l e dm i n e r a l sm a s ss h o wt h a tt h er e c y c l e dm i n e r a lm a s si S i n c r e a s i n gf i r s ta n dr e d u c i n ga f t e rw i t ht h ei n c r e a s i n gm i n e r a lp a r t i c l e q u a n t i t ya t t a c h e di nt h eu n i ts u r f a c ea r e ao fb u b b l e ．T h er e c y c l e dm i n e r a l m a s sw i t hd i f f e r e n ts i z e so fm i n e r a l i z e db u b b l ea r ec o m p a r e da n d a n a l y s e d ，t h eg o R e nc o n c l u s i o ni st h a tt h er e c y c l e dm i n e r a lm a s sw i t l l b u b b l e so fm e d i u ms i z ea r eg r e a t e rt h a no t h e rs i z e sb u b b l e s ，t h e r e f o r e ， t h eb e s ts i z eo fb u b b l e si nf l o t a t i o ni St h eb u b b l e sw i t hm e d i u ms i z e ．31 f i g u r e s ，9t a b l e s ，8 4r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s f r o t hf l o t a t i o n ；V O Fm e t h o d ；f l o t a t i o nb u b b l e s ；g a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w r e c y c l e dm i n e r a l sm a s s C l a s s i f i c a t i o n T D9 2 3 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题背景及意义⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 泡沫浮选生产概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 泡沫浮选原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 影响浮选生产的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 ．2 ．3 泡沫浮选研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 1 ．3 气泡运动数值模拟概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 1 ．3 ．1 气液两相流数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 气泡运动规律的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．4 本文的主要内容及结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 气泡形成原理及浮选空载气泡的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．1 气泡在浮选机内的形成原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 气泡运动模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．2 ．1 界面追踪方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．2 ．2V O F 方法及其求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3 单气泡在矿浆中运动的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．1 气泡数值模拟理论与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 ．2 数值模拟初始条件参与及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 矿浆浓度对气泡运动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 3 ．1 气泡在不同浓度矿浆中模拟的初始条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 3 ．2 模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．2 ．1 气泡上升运动形变规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 3 ．2 ．2 不同密度矿浆中气泡的运动速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 矿化气泡形成及其上升运动的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．1 气泡矿化机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．1 ．1 矿物颗粒在矿化气泡上的附着形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 V 4 ．1 ．2 气泡矿化力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 矿化气泡运动的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．1 矿化气泡平均密度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．2 矿化气泡运动的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 矿物回收量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．1 矿物回收量计算公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．2 矿物回收量的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 V I 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题背景及意义 矿产资源是国家经济发展的物质基础，进一步提高矿产资源的回收率与综合 利用水平是国家的明确要求。自然界所蕴藏的矿产资源绝大多数需要选矿加工后 才能利用，因此选矿是矿产资源加工中必不可少的一个重要环节。泡沫浮选是一 种常见的有效选矿技术方法，它以表面化学理论为基础，根据矿物表面润湿性的 不同来分选矿物的分离方法。泡沫浮选分离技术可广泛应用在环保、冶金工业和 矿业、医药及生物工程等领域【1 】，它的特点有分离效率高、设备易于放大、可 连续和间歇操作、操作简单、能耗低等。世界范围内有约2 0 亿吨矿石是经过浮选 处理的，可见泡沫浮选是分离科学中非常重要的一种方法。早期的泡沫浮选，主 要用于处理硫化矿，现在几乎可以处理各种金属矿和非金属矿，是应用最为广泛 的一种选矿方法。近年来，国内外也将其广泛用于处理冶金半成品、炉渣、废料 和进行水质净化、污水处理【2 ．3 】、脱墨[ 4 1 、清洗土壤及除去土壤中的放射物【5 】等。 本课题涉及的是针对铝土矿浮选的气泡。尽管我国所拥有的铝土矿资源比较 丰富，现已探明的储量约为2 3 亿吨，这是我国氧化铝工业发展的重要物质条件， 但我国铝土矿资源大多为铝硅比较低的一水硬铝石高岭石型铝土矿，虽然经 过几十年的发展，我国的氧化铝工业，不论是产品产量、生产工艺或者是装备水 平都有了很大的进步，然而，我国的氧化铝工业与世界先进水平相比，在产品产 量、质量、能耗及生产成本等方面仍然有相当大的差距【6 。‘7 1 。如何提高产量，进 一步缩小我国与世界发达国家在氧化铝生产能耗、成本等方面的差距，全面提升 我国氧化铝工业在国际市场上的竞争力，一直是我国氧化铝生产技术发展的主要 方面和关键之一。在生产氧化铝的方法中，拜耳法流程简单，作业方便，产品质 量高，目前全世界生产的氧化铝和氢氧化铝，有9 0 ％是利用拜耳法生产。从我国 的铝土矿资源状况和研究现状来看，拜耳法是我国氧化铝生产技术的发展方向， 而拜耳法需要的矿石品位较高，A ／S L Y , 要求大于7 ～8 ，我国铝土矿品位普遍偏低， 加权平均值不N 6 ，因此提高矿石品位显得尤为重要，而泡沫浮选选矿技术是常 用的提高矿石品位的有效方法。 泡沫浮选中，气泡起着举足轻重的作用，气泡的上升运动速度、大小、形状、 稳定性、粘性等直接影响到浮选生产的好坏。浮选的实质是一种物理化学过程， 它发生在固、液、气三相界面上，其中起关键作用是浮选泡沫层，浮选的工况、 操作变量、浮选指标等都直接影响着浮选泡沫的颜色、形状、大小、稳定性、流 速、纹理粗细度等表面视觉特征【8 J 。影响浮选效果的因素主要包括气泡的尺寸和 中南大学硕士学位论文 1 绪论 数量及其分布、浮选药剂制度、矿浆浓度及p H 值、矿粒粒度组成等，而气泡的 大d , N 是影响浮选效果的关键因素之一。本文将液固悬浮流矿浆简化为静止的不 可压缩的牛顿型均匀流体，主要研究铝土矿泡沫浮选中不同运动初速度、不同初 始直径及不同矿浆密度中的单个气泡在均匀静止的矿浆中运动时，其大小、形状、 运动速率等的变化情况，探讨不同工况下浮选气泡的最佳尺寸。寻找到最佳浮选 气泡尺寸之后，在实际生产气泡过程中可控制相关气泡生成的操作参数，使得所 生成的尺寸气泡大部分在最佳浮选气泡尺寸范围内。 气泡上升速率和气泡大小是反映浮选效果好坏的重要参数，本文针对铝土矿 中气泡行为对铝土矿浮选的效率、利用率有着非常重要的影响。通过模拟气泡运 动的过程，总结气泡的大小、速率变化的规律，以此为依据，可优化相关操作参 数，最终寻找到具有最佳运载能力的浮选气泡尺寸，达到提高浮选效率的目的。 因此研究气泡在浮选过程中的运动行为对提高矿物浮选效率有着重大意义，十分 必要。 本研究课题来源于国家自然科学基金重点项目“基于机器视觉的矿物浮选过 程建模与优化控制” 编号6 1 1 3 4 0 0 6 。 1 ．2 泡沫浮选生产概述 1 ．2 ．1 泡沫浮选原理 泡沫浮选是利用和调节矿石中各组分表面的疏水性，使某些矿石表面疏水性 增强，促使其与气泡碰撞，使气泡携带疏水性矿粒上升、亲水性矿石沉在选矿槽 底部以实现有用矿物和脉石矿物的分离，从而提高精矿品位。在复杂的三相运动 过程中实现矿粒的分选和富集【9 1 ，分选对象 矿粒 及疏水矿粒的运载工具 气 泡 在水 连续相 中悬浮、弥散并互相作用，最终形成泡沫层而排出浮选精矿， 实现浮选分离的重要因素是矿物本身的可浮选性及矿物颗粒与气泡问有效的接 触吸附，矿物可浮选性与矿物表面的湿润性 疏水性 及表面电性等密切相关。 1 泡沫及泡沫稳定性 泡沫是由被极薄的液膜所隔开的由许多气泡所组成的集合体，气泡是指里面 充满气体，外面覆盖着一层水膜的单个气泡。形成泡沫的气泡集合体包括两个部 分，一是泡，即两个或两个以上的气泡，二是泡与泡之间的少量液体构成的隔膜 液膜 ，这是泡沫的骨架。气相和液相构成的是两相泡沫，浮选泡沫是由气相、 液相和固相构成的三相泡沫。 泡沫是很不稳定的体系，气泡与气泡之间仅以薄膜隔开，此隔膜也会因为彼 此的压力不均或间隙液的流失等原因而发生破裂，导致气泡间的合并现象，或是 中南大学硕士学位论文 1 绪论 由于小气泡的压力比大气泡高，当小气泡和大气泡粘在一起时，两气泡的交界面 向大气泡一侧凸出，气泡体内的压强P 与气泡半径R 和表面张力三者之间的关 系是 P 垄 1 ．1 R 式中，盯单位面积上的表面张力 因此气体可以从小气泡通过液膜向大气泡扩散，导致大气泡变得更大，小气 泡变得更小，以至于消失。 从热力学的角度来说，泡沫是一个有大量表面积的体系，与没有气泡的体系 相比，它有大量的表面自由能，要使表面自由能最小，体系才能稳定，这也就是 说，当所有气泡都破灭了，其表面积最小时，体系才能达到最稳定。 泡沫的稳定性一般与溶质的化学性质和浓度、表面活性剂、系统温度和单个 气泡体积大小、压力及溶液P H 值有关。两相气泡的稳定性远小于三相泡沫的稳 定性f l o 】。对于浮选泡沫的稳定性而言，起泡剂是其中一个重要的因素，它使气 液界面富有弹性，或者说它使得气泡表面张力能够随着表面的扩大或收缩相应地 增大或减小，从而增强了气泡对外力挤压的抵抗能力。 三个气泡的集合体是泡沫最典型的结构，人们已经普遍接受的泡与之间所形 成的交界是P l a t e a u 交界泡[ 1 1 】，也称G i b b s 三角，如图1 - 1 所示，此时三个气泡 彼此以1 2 0 0 的角相交，以这个角度相交的气泡最稳定。 图1 - 1P l a t e a u - G i b b s 交界结构 若是三个气泡以上，如四个气泡聚集在一起时，最初可能是形成十字形或者 其他形状的结构，如图a 所示，但此结构是极不稳定的，在相邻气泡间的微小压 力差作用下，液膜会滑动，直至转变为三泡结构的稳定形式，如图1 ．2 所示。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 一 、 ～ J 1 。， a b 图1 - 2 四个气泡聚集的稳定结构形式 2 矿物浮选机理简述 矿物被浮选回收有三种机理 ①选择性附着于气泡 或称真浮选 ； ②通过泡沫夹带； ⑧泡沫附着于气泡时的物理包裹 也称凝聚 其中机理 i 卜有用矿物附着于气泡，是最重要的机理，代表着大部分欲回 收的矿物进入了精矿。浮选原理如图1 ．3 所示 空气 3 泡沫浮选过程概述 搅拌器 图1 - 3 泡沫浮选原理简化示意图 矿粒附着 在气泡上 中南大学硕士学位论文 1 绪论 泡沫浮选过程包括磨矿 将矿石磨细，使得有用矿物与其他矿物或脉石矿 物分离 ；调浆加料 调节矿浆浓度、加入浮选相关药剂以满足浮选工艺要求 ； 浮选分离 矿石颗粒在浮选机中与浮选气泡充分接触、粘附，完成矿物的分选过 程 ；产品处理 主要是脱水，固体细颗粒和水混合形成矿浆、磨矿调浆、加药 剂、充气浮选精矿、尾矿 。其中泡沫浮选分离法是在一定的条件下，向浮选槽 中鼓入空气，浮选机叶轮旋转将空气分散为大小不一的气泡，疏水性矿粒粘附在 气泡上，随着气泡的浮升而实现不同性质矿粒的分离。 浮选分离过程主要是矿粒与气泡的作用及疏水矿粒在空气一水界面的富集 及运载过程，也称浮选动力学过程，可分为四个阶段 ①矿粒与气泡以一定的速度相互接触碰撞； ②疏水矿粒在气泡上粘着，形成矿化气泡； ③矿化气泡浮升进入泡沫层； ④精矿泡沫层排出。 具体浮选过程如图1 - 4 所示 浮选药剂 精矿 水 浮选槽 图1 ．4 泡沫浮选过程示意图 在矿粒与气泡的碰撞阶段，其碰撞机理有四种惯性碰撞；气泡表面力场的 无惯性碰撞；紊流扩散碰撞；胶体、分子扩散碰撞。碰撞受气泡大小、矿粒大小、 矿粒与气泡间相对速度等多种因素的影响，对矿粒和气泡的惯性碰撞进行的快速 摄影观察发现，当矿粒与气泡以一定的动能碰撞时，气泡壁像被压弹簧，在碰撞 处沿径向振动数次后恢复原状。气泡壁振动幅度或气泡变形程度以及复原速度与 矿粒尺寸及质量大小、起泡剂用量、气泡大小等有关。如在接触时间内水化膜不 破裂，矿粒即被气泡壁弹回抛出，脱离接触。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 机械搅拌式浮选机内可分为三个作用区混合区、分离区和泡沫区，如图1 ．5 所示。 图1 - 5 浮选机内各作用区的分布 1 一泡沫区；撕离区；3 一混合区；4 一充气路线；5 矿浆循环路线 气泡在混合区形成和分散并使矿粒与气泡进行大量的碰撞、粘附及悬浮。为 了使气流能够形成小气泡并且充分分散以及能够与矿粒有较高的碰撞概率，混合 区需要有较大的紊流强度，气泡跟随叶轮的搅拌一起作紊流运动，但在混合区气 泡浮升速度较慢。气泡在混合区矿化形成矿化气泡后进入分离区，分离区是完成 泡沫浮选分离的区域，矿化气泡在上升至泡沫层过程中，由于气泡的形变、摆动、 矿浆紊流程度不同等原因，附着在气泡上的矿粒有可能会脱落。为了使气泡能将 携带的矿粒顺利地浮升至泡沫层，分离区的流体状态必须足够平静，较大的紊流 强度对矿化气泡上浮非常不利。 矿粒能否随着矿化气泡上升并安全到达泡沫层而不在中途脱落主要取决于 两个因素气泡的运载能力和矿粒．气泡集合体的稳定性。曾克文[ 1 2 】从矿粒的受 力情况、脱附能量等方面着手，分析了萤石在气泡上的稳定性，并得出结论在 浮选矿浆药剂条件、矿石性质一定时，矿浆紊流强度是影响浮选的主要因素。因 此，在浮选机中，矿化气泡浮升段的分离区紊流强度要求要尽量低，此时气泡浮 升速度逐渐加大；到了泡沫区 刮泡区 ，大量矿化气泡聚集，气泡浮升速度降 低，甚至停止，气泡兼并增加，兼并过程中水化膜破裂时泄下的部分水带走夹在 泡沫层中的疏水性差、吸附较弱的杂质颗粒，从而起N - 次富集的作用。本文主 要研究气泡在浮选机分离区的运动情况。 1 ．2 ．2 影响浮选生产的主要因素 影响浮选指标的因素主要有矿石的性质、浮选药剂制度、浮选设备、浮选工 中南大学硕士学位论文 1 绪论 艺流程及浮选过程中的操作因素。影响浮选效率的因素可归为三类第一类是化 学因素，如捕收剂、起泡剂、活化剂、抑制剂、P H 调整剂等药剂及水；第二类 是机械因素，如浮选机的类型、空气和矿浆的流动状态 包含气泡大小、矿浆浓 度、充气量和搅拌强度等因素 、槽列组成等；第三类是操作因素，比如给矿粒 度和速度、矿石性质、矿浆浓度和温度、泡沫层厚度等。本文主要考虑了矿石粒 度、矿浆浓度、气泡大小、充气量等因素对浮选生产效率的影响。 1 矿石粒度对浮选效率的影响 磨矿的细度应达到矿物单体解离度和自身重力小于其粘附在气泡上的浮升 力是对矿石在泡沫浮选中的粒度要求。矿石粒度过粗，会带来较大的重力，使其 在不易在浮选槽中悬浮起来，因而其与气泡碰撞的概率也会大大减少，且其附着 在气泡上之后也会因其脱落力较大而容易脱落。但在浮选中，矿石粒度并不是越 小越好，若粒度太小，其于气泡碰撞粘着的概率变小，影响了气泡的携带量；微 粒具有质量小而比表面积大、动量减小而比表面积能大的特点，因此微小矿粒之 间容易相互凝聚、附着在粗矿粒上而形成矿泥覆盖，从而影响浮选效率；此外， 液相中所存在的较大溶解度的细微矿粒会增加药剂的消耗，且水流机械容易将其 带走。因此矿石的粒度要小于其浮选粒度上限，一般情况下，金属矿的浮选粒度 上限为0 ．2 5 ～0 ．3 m m 、非金属矿的为0 ．5 一l m m 、煤的为l ～2 m m ；粒度下限一般为 0 ．0 1 m m 。 2 矿浆浓度对浮选效率的影响 影响浮选效率指标的主要因素包括矿浆浓度，其对充气量、浮选药剂消耗等 都会产生较大的影响。过小的浓度矿浆中矿粒的含量较少，气泡表面能粘附的矿 粒少，没能充分利用气泡的运载能力，此时精矿质量好，但矿物回收量少；过高 的矿浆浓度可以增大矿物回收量，但此时，浮选槽内的充气条件会因此而变差， 反而会使得矿物回收量减少。实际生产中的矿浆浓度还收到矿石本身的性质和具 体的条件所影响，因此最适宜的矿浆浓度应该考虑上述所有的影响因素。 3 气泡大小对浮选效率的影响 气泡大小是直接影响浮选效果的重要表观特征之一。若生成的气泡较小，则 说明空气已经很好得弥散在浮选槽中，此时有利于增加气泡与矿粒的接触碰撞机 会，改善浮选指标；但过小的气泡则会导致其浮升得太慢，粘附在其上的矿粒要 经过较长时间才能到达液面，因此而降低浮选效率。若气泡直径过大，则会因其 比表面积小，单位质量的气泡能够粘附的矿粒相应地会减少，同样会降低浮选效 率。因此浮选气泡不能过大，也不能过小，否则会影响浮选指标，降低回收率和 精矿质量。气泡的矿化程度也在一定程度上影响了气泡的直径大小，一般中等大 中南大学硕士学位论文 1 绪论 小的气泡矿化程度良好；矿化过度的气泡会阻碍矿化气泡的兼并而形成不正常的 小泡；矿化程度较差的气泡容易相互兼并而形成大气泡；矿化情况极差的气泡会 不断兼并而形成大气泡，但其易受矿浆面的波动等破坏性因素的影响而容易破 灭。 4 充气量对浮选效率的影响 充气量是指将空气输送至矿浆中的气体质量大小。将空气送入矿浆中并通过 适当的矿浆搅拌，能使矿粒均匀得悬浮在浮选槽中且能使气体弥散成大量微小的 气泡，以实现疏水性矿粒在气泡表面上的附着。加大充气量可以强化充气作用、 提高浮选速度；充气量过大则会夹带一些矿浆至泡沫产品中，从而增加了泡沫层 中的脉石矿粒而降低产品质量，降低产品的质量。除此之外，气泡尺寸的大小也 会受到充气量和矿浆搅拌程度的影响，一般气泡尺寸会随着充气量的减少而增 大，随浮选槽内的紊流程度 搅拌程度 的增大而减少，因此一般要使矿粒与气 泡达到一定的碰撞效率就必须适当增大叶轮转速，增大槽内紊流程度。 1 ．2 ．3 泡沫浮选研究进展 矿物浮选泡沫的研究起始于1 9 世纪9 0 年代初，2 0 世纪中后期在全世界得到了 推广。欧盟于2 0 0 0 年投巨资联合芬兰赫尔辛基工业大学、瑞士皇家工学院、奥托 昆普公司等多家大学和企业启动了E S P R I TL I R 项目，对泡沫浮选中的泡沫进行 研究。国内相关大学和科研院所也进行了浮选泡沫检测方面的研究工作。中国矿 业大学在实验室进行了煤泥浮选泡沫状态识别方面的研究，以此来评估浮选效果 【l3 1 。北京矿冶研究总院和金川公司合作进行了镍矿浮选泡沫处理方面的研究工 作【1 4 1 。中南大学在矿物浮选工艺和基于机器视觉的矿物浮选泡沫监控方面也做 了相关研究，并取得了一些研究成果。 近年来，浮选药剂的品种逐渐增多，已经发展到试用微生物作为调整剂和捕 收剂，对矿物表面电性、药剂作用机理和浮选动力学等方面的研究也在不断深入； 在浮选设备的研究上也取得了重大的进步，N 2 0 世纪8 0 年代以后，大型、高效逐 渐成为浮选机械的发展方向，现在大型浮选机的容积己达2 0 0 m 3 ；浮选过程的监 控不断取得新的进展，个别设备与过程的自动化在浮选工业中的应用正在不断增 加，泡沫浮选分离技术的应用领域越来越广泛。 1 ．3 气泡运动数值模拟概述 1 ．3 ．1 气液两相流数值模拟方法 气液两相流指的是气体和液体同时存在且有明确分界面的流动。人们在很早 中南大学硕士学位论文 1 绪论 之前就对两相流进行了关注及研究，早在十九世纪，众多学者就对锅炉中水循环 和传热特性、明渠水流中的泥沙沉降等现象进行过研究，其中最为常见的是气液 两相流，研究的内容包含了石油、生物、环境、化工等，也涉及到了食品、冶金、 制冷、制药和能源动力等领域【1 5 d 6 1 。常见的气液两相流现象有沸腾水壶的气液循 环、江河湖