喷射气泡发生器发泡性能实验研究.pdf

中图分类号 U D C T D 9 2 3 6 2 0 硕士学位论文 学校代码 Q 3 圣 密级公珏 喷射气泡发生器发泡性能实验研究 S t u d i e so nF o a m i n gP e r f o r m a n c e so f S p r a y i n gB u b b l eG e n e r a t o r 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 代云年 动力工程及工程热物理 热能工程 能源科学与工程学院 闫红杰教授 ． 论文答辩日期丝 丝 』垆答辩委员会主席 中南大学 二O 一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明掣删 本人郑重声明，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教育机构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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 日期比年丘月垒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名必导师签名 日期3 雌年上月阜日日期n 峰年么月生日 万方数据 中南大学硕士学位论文摘要 喷射气泡发生器发泡性能实验研究 摘要气泡发生器是浮选设备的一个关键部件，其作用是产生足够 的气泡并促使气泡与矿浆充分接触。本文研究的气泡发生器采用直接 喷射气体产生气泡的方式，气体由开始的连续相逐步分散成细小而均 匀的气泡，从而影响浮选柱内气含率的大小、气泡的尺寸和穿透深度。 为了详尽地评价气泡发生器产生的气泡体系的优劣，通过浮选实验来 进行研究。主要完成的工作及得到的结论如下 1 搭建了一套可视化两相流场实验测试平台，提出了合适的 数字图像处理算法，该算法主要包括图像预处理、图像二值化、图 像填充、图像边缘检测和气泡特征参数提取。 2 研究了气泡发生器在不同充气流量、不同管径、不同喉管 以及不同前段开孔数情况下的气泡动力学行为。实验表明，对于特 定的气泡发生器，具有最优充气流量。实际浮选过程中，气泡发生器 要控制在特定的流量区间才能达到较好的浮选效果。 3 设计了实验室浮选柱，选取了石英纯矿物进行浮选实验， 文中详细描述了实验过程、数据处理过程，拟合了一级浮选动力学 曲线，得到浮选速率常数。通过浮选速率常数来评价对应的气泡发生 器性能优劣。 4 采用正交实验法对影响浮选过程发泡器性能的3 种因素进 行了研究，各因素对实验室浮选柱回收率影响程度的大小顺序为充 气流量 气泡发生器管径 气泡发生器出口喉管直径。当气泡发生器 工况为B z A 3 C l ，即充气流量为2 0L m i n ～、气泡发生器管径为6m m 、 喉部管径为O ．4m m 时，回收率显著增加，浮选效果良好。此时的气 泡发生器局部阻力系数降低，形成较好的浮选气泡体系。 本文包含图3 2 幅，表1 0 个，参考文献7 1 篇。 关键词气泡发生器，气泡行为，浮选速率，正交试验法 分类号T D 9 2 3 万方数据 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T S t u d i e so nF o a m i n gP e r f o r m a n c e so f S p r a y i n gB u b b l eG e n e r a t o r A b s t r a c t B u b b l eg e n e r a t o ri So n eo ft h ek e yp a r t si nf l o t a t i o n e q u i p m e n t ，w h i c hi se m p l o y e dt oc r e a t ea d e q u a t eb u b b l e sa n df a c i l i t a t e t h e i rc o n t a c tw i t ht h em i n e r a l i z e do r ep u l p ．I nt h i st h e s i s ，ab u b b l e g e n e r a t o rw a sd e s i g n e db yd i r e c t l ys p r a y i n ga i r ．I ns u c haf o a m i n g p r o c e s s ，t h ei n i t i a lg a sw i t hc o n t i n u o u sp h a s eg r a d u a l l ys p l i ti n t ot i n y a n du n i f o r mb u b b l e s ，t h e r e b yi n f l u e n c i n gt h eg a sv o l u m ef r a c t i o n ，t h e s i z eo fb u b b l e sa n dt h ed e p t ho fp e n e t r a t i o ni nt h ef l o t a t i o nc o l u m n ．T h e f l o t a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ef u r t h e rc o n d u c t e dt os y s t e m a t i c a l l ye v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea s d e s i g n e db u b b l eg e n e r a t o r 。功em a i nw o r k a n da s a c h i e v e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w i n g ． At e s tp l a t f o n nw i t hv i s u a l i z e dt w o ．p h a s ef l o wf i e l dw a ss e tu p ．A n a l g o r i t h mw a sp r o p o s e df o rd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gi m a g e p r e p r o c e s s i n g ，i m a g eb i n a r y z a t i o n ，i m a g ef i l l i n g ，i m a g ee d g ed e t e c t i o na s w e l la sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e re x t r a c t i o no ft h eb u b b l e s ． T h eb u b b l ed y n a m i c sb e h a v i o ro ft h eb u b b l e g e n e r a t o rw a s i n v e s t i g a t e du n d e rv a r i o u sa i ri n f a t i o n ，p i p ed i a m e t e r ，t h r o a tp i p ea n d f o r e p a r tt r e p a n n i n g ．T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e r ee x i s t e dt h eo p t i m a l a i ri n f l a t i o nf o ras p e c i f i cb u b b l eg e n e r a t o r ．D u r i n gt h er e a lf l o t a t i o n p r o c e s s ，t h eb u b b l eg e n e r a t o rc o u l da c h i e v ee x c e l l e n tf l o t a t i o ne f f i c i e n c y v i ac o n t r o l l i n gt h ea i ri n f l a t i o n ． T h ef l o t a t i o nc o l u m nw a sd e s i g n e di nt h e1 a b o r a t o r y ．Q u a r t zm i n e r a l w a ss e l e c t e dt oc a r r yo u tt h ef l o t a t i o ne x p e r i m e n t ．W ee l a b o r a t e dt h e e x p e r i m e n t a ls e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n df i t t e dt h ef i r s tc l a s sf l o t a t i o n k i n e t i cc u r v et oo b t a i nt h ef l o t a t i o nr a t ec o n s t a n t s ，t h u se v a l u a t i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o r r e s p o n d i n gb u b b l eg e n e r a t o r s ． m ef a c t o r sw e r es t u d i e db yo r t h o g o n a lt e s t st oe v a l u a t et h e i r i n f l u e n c e so nt h ep e r f o r m a n c e so f b u b b l eg e n e r a t o r s ．T h er e c o v e r yo ft h e f l o t a t i o nc o l u m nw e r ei m p a c t e db yt h e s ef a c t o r s ，i nt e r m so fd e g r e e ，a i r i n f l a t i o n p i p ed i a m e t e ro f b u b b l eg e n e r a t o r e x i tt h r o a tp i p ed i a m e t e ro f b u b b l eg e n e r a t o r ．m e nt h eb u b b l eg e n e r a t o rw o r k e da t B 2 A 3 C l t h a ti s ， 万方数据 a i ri n f l a t i o nw a s2 0L ／m i n ，p i p ed i a m e t e rw a s6r n r n ，e x i tt h r o a tp i p e d i 锄e t e rw a s0 ．4m m ，t h er e c o v e r yw a sr e m a r k a b l ye n h a n c e dw i t hg o o d f l o t a t i o ne f f i c i e n c y ．M e a n w h i l e ，t h el o c a lr e s i s t a n c ef a c t o ro f t h eb u b b l e g e n e r a t o rr e d u c e dt of o r mp r e f e r a b l ef l o t a t i o nb u b b l es y s t e m T h i st h e s i si n c l u d e s3 2f i g u r e s ，10t a b l e sa n d7 1r e f e r e n c e s ． K e yW o r d s b u b b l eg e n e r a t o r ，b u b b l eb e h a v i o r ，f l o t a t i o ne f f i c i e n c y ， o r t h o g o n a lt e s t C l a s s i f i c a t i o n T D 9 2 3 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 浮选概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 浮选过程三相体系的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 各相的性质及结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 相界面性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 影响浮选效率的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 矿物的组成和粒度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．3 ．2 矿浆制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．3 浮选药剂的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．4 发泡方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 国内外气．液两相流研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．1 实验法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 ．2 数值模拟法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．5 本文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 第二章实验装置与图像处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 实验装置介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 ．1 气泡发生器及水模型主体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．2 图像测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．3 流量控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 ．3 气泡图像的预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 确定比例尺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．2 图像填充⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．3 气泡特征区域自动识别⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 2 ．3 ．4 气泡形态特征参数的提取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．5 气泡运动特征参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 第三章不同工况下气泡发生器气泡特征参数的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 出口孔板式气泡发生器的流体动力学理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 充气流量对射流气泡特征参数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．1 充气流量对气泡等效直径的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．2 充气流量对浮选柱气含率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 1 V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．2 ．3 充气流量对穿透深度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 气泡发生器管径对气泡特征参数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．1 气泡发生器管径对气泡等效直径的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．2 气泡发生器管径对气含率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．3 气泡发生器管径对穿透深度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．4 气泡发生器喉管直径对气泡特征参数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1 气泡发生器喉管管径对等效直径的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．2 气泡发生器喉管管径对气含率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．3 气泡发生器喉管管径对穿透深度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．5 前段开孔数对气泡特征参数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．5 ．1 气泡发生器出流孔数对有效直径的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．5 ．2 气泡发生器前端开孔数对气含率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．5 ．3 气泡发生器前端开孔数数对穿透深度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 第四章不同结构气泡发生器浮选速率实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 实验装置简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 浮选矿物与捕收剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．4 浮选速率方程和级数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 第五章浮选工艺气泡发生器的综合优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 优化试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 ．1 全面试验法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 ．2 均匀试验设计法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．1 ．3 正交试验设计法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 气泡发生器正交试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．1 气泡发生器因素水平⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．2 评价指标的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．3 正交试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 - 3 正交试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 ．1 正交试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 ．2 矩阵分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 第六章结论及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一51 6 ．2 建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 浮选概述 矿产资源在我国的经济发展过程中起着重要的作用，我国9 0 ％以上的能源 和工业原料都来自于矿产资源。为对矿产资源进行充分而有效的利用，材料、 化工等行业对矿物颗粒的分选精度要求越来越高。目前广泛应用于冶金、能源、 环境、化工等领域的选矿方法很多，其中浮选是重要的方法之一。据统计，在 有色金属矿石的选矿中，有9 0 ％的矿石是通过浮选法进行的。因此，研究泡沫 浮选工艺对选矿过程有重要的意义【l J 。 浮选即是在矿浆 矿物和水的悬浮液 中，利用气泡的上浮作用分选矿物 的过程【2 】。根据浮选的发展历程可将浮选方法分为全油浮选法、表层浮选法、 泡沫浮选法。最早应用于工业上的浮选方法为全油浮选法。由于各类矿物的亲 水性和亲油性不同，在矿浆中加入大量油类物质并与矿浆搅拌，将粘附在油层 中的亲油矿物 如硫化矿物 刮出，而亲水性的矿物 如脉石矿物 则仍留在矿浆 中，从而将矿物分离。继全油浮选法之后，表层浮选法于1 8 9 2 年发展起来， 它是将磨细的矿物粉末 如硫化铜矿 轻撤在流动的水流表面，不易被水润湿的 疏水性硫化矿粒依靠表面张力的支持而漂浮在水面上，并聚集成硫化物薄层， 将其收集，作为精矿而脉石矿物是亲水性的，易被水润湿，则沉入矿浆中成 为尾矿排出。上述两种浮选方法效率均较低，且全油浮选法对烃类油的消耗量 太大，而表层浮选法所用的机械设备生产能力较小、分选的气．液界面小，故 均被泡沫浮选法所取代。 泡沫浮选法起源于2 0 世纪初期，其工艺流程如图1 ．1 所示1 3 j 。 图1 ．1 泡沫浮选的流程图 万方数据 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．2 浮选过程三相体系的简介 泡沫浮选的基本原理1 4 1 是利用每一种矿物颗粒的表面化学性质各不相同， 尤其是其表面的润湿性。因此，可通过矿粒与矿浆中其他两相之间的相互作用 而实现分选。在浮选过程中，具有疏水性、亲气的矿粒进入气泡，而具有亲水 性、疏气的矿粒则留在矿浆中。 浮选过程1 5 】涉及到气．液一固三相流动、气泡的破碎与增长、矿粒和气泡之间 的碰撞、粘附和脱附等多种物理过程。其中由矿物颗粒、浮选药剂、气泡和水 等形成的气一液．固三相流动是浮选内部的基本物理过程，其多相流动特性直接 影响到浮选过程的效率。该三相体系中所包含的相界面【6 】有气泡和水形成的 气液界面；气泡和矿粒形成的气固界面，矿粒和水形成的固液界面。 1 ．2 ．1 各相的性质及结构 矿物的表面性质是决定矿物与气泡粘附难易程度的主要因素【7 1 。矿物的化 学组成决定矿物的晶型结构和表面性质。解离后，矿物的晶型受到破坏，表面 具有了剩余的不饱和键能，矿物的表面性质因裸露在表面的键型而发生改变【8 1 。 当矿物表面具有较强的离子键、共价键时，矿物表面能够产生较强的极性和化 学活性，对极性的水分子产生较大的吸引力，矿物表现出亲水性，则不易与气 泡结合上浮；当矿物表面是弱分子键时，矿物表面的极性和化学活性均较弱， 对水分子的吸引力较小，此时表现出的则是疏水性，易于气泡结合上浮。由于 矿物的表面化学和物理的不均一性，导致其断裂面上的不饱和键的特性也不同， 从而极性也有差别。水分子根据矿物表面的不同极性在其表面进行不同形式的 排列，形成不同性质的水化层或水化膜。 浮选药剂的性质、矿物表面性质以及浮选的整个过程均受液相结构和性质 的影响桫J 。大部分的浮选选用的液相为水。水会对矿物表面的一些离子进行溶 解，从而改变界面电性、矿物表面的化学组成和液相的化学组成，导致矿物在 浮选过程中的行为发生改变。当其晶格能低于水化能时，矿物即发生溶解，当 固、液两相的化学位相等时，离子的溶解过程达到平衡【lo 】。影响矿物溶解度的 因素有一是晶格能和水化能，二是固体颗粒和水中含有的其他化学元素的浓 度，三是水中溶解过程的复杂性。同时，溶解产生的离子也会和矿浆中原有的 成分发生水解或络合反应等，对矿浆p H 值等产生影响，进而大大影响和改变 分选过程【l l 】。 空气通常作为浮选中的气相。空气是由不同成分组成的混合物，其各组分 在水中的溶解度各有差异，这就造成了其对水和矿物的作用也不同，对浮选过 2 万方数据 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 程产生不同影响。空气中的氧气、氮气和二氧化碳都是非极性的分子，故容易 和非极性 疏水性 的矿物离子表面结合。接触角测定表明矿物表面的接触 角因0 2 而增加，N 2 和C 0 2 没有这种作用I l 引。各类矿物在浮选时所需最适氧气 量不同，超过最适值后就会产生抑制作用。此外，矿物的表面会因含氧量过高 而发生氧化，降低矿物表面的疏水性，对浮选不利。而空气在矿浆中的溶解度 是随矿浆浓度变化的。矿浆浓度增加，空气的溶解度降低。 浮选中，气泡的发泡方式、气泡行为也会对浮选效果产生重要影响，这将 在后文单独讨论。 1 ．2 ．2 相界面性质 实际浮选过程中，气．液．固三相通常是相互联系、影响和作用的。具体表 现在以下三个方面。 1 润湿性【J 泡沫浮选时，各种矿物粒子选择性粘附及其浮选行为是在三相界面进行的， 简单的说是由气、液、固相界面组成的物理和化学性质的决定。而矿物表面的 润湿性对浮选的影响较为明显。不同矿物表面被水润湿的情况不同亲水性的 物质容易被水润湿，而疏水性的物质很难被水润湿。浮选即是用浮选剂处理矿 物表面使其具有较强的疏水性，从而可以粘附于气泡上浮。固体的润湿性用接 触角表示，图1 ．2 表示固体疏水性从左至右依次增强。 图1 - 2 矿物表面润湿现象 固体润湿，也可以看成是液相和气相为占据固体表面而具有的一种竞争关 系。奥斯特豪夫等提出了三种润湿的基本形式，如图1 ．3 所示。 万方数据 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 空气 空气 空气 空气 空气 羹鍪鞣 羹警霹 冀o 奠奠- - ．奠蔓- ．．奠奇 图1 ．3 三种润湿方式 a ．粘附润湿；b 铺展润湿；C 浸没润湿 固体润湿后与其接触周边形成三相润湿周边，界面自由能存在于任意二相 界面，以G s L 、G L G 、o s G 分别代表固．水、水．气、固．气三个界面上的界面自由 能。固．水、水．气两个界面自由能所形成的夹角大小和其亲水性、疏水性密切 相关。当润湿达到平衡时，可得到以下关系式 G s G o s L o L G c o s 0 c o s 0 o s G - 1 3 S L Y I L G 1 - 1 1 2 公式1 ．2 可以看出，矿物的润湿性和可浮性成相反关系。因此可浮性可用 式1 ．3 表示 可i 孚J I 生 1 - c o s 0 1 3 o 水气 图1 ．4 浸入水中的矿物表面的相接角 4 疡一一 万方数据 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 水化作用 水分子根据矿物表面的不同极性在其表面进行不同形式的排列，形成不同 性质的水化层或水化膜。矿物的润湿性大，则水化膜的厚度大；矿物的润湿性 小，则水化膜的厚度小。矿物的表面键能作用于水化膜中的水分子，使其紧密 的排列在矿物表面，所以水化膜粘度比普通水大、稳定性更高。浮选时，矿物 颗粒粘附于气泡上，则需排开水化膜，就必须外加能量。因此水化作用会降低 矿物颗粒的可浮性。 1 ．3 影响浮选效率的主要因素 浮选工艺是一个复杂的气．液．固三相流动过程，影响浮选过程的因素很多， 可归纳为以下几个主要方面【1 4 】 1 矿物的组成和粒度； 2 矿浆制备； 3 浮选药剂的添加及调节； 4 发泡方式等。 1 ．3 ．1 矿物的组成和粒度 矿物的组成成分、杂质的嵌布特征及数量都会对浮选效率造成影响【l5 。。组 分的密度不同，也会导致可浮性不同。杂质的嵌布特性通过影响矿物的解离度， 对浮选效率造成较大影响。 对于一种矿物而言，破碎的颗粒大小也可能对浮选效率产生影响。单体解 离度和气泡负载能力可决定浮选粒度的大小。如果矿物颗粒不经过解离，即使 可以被气泡粘附和负载，但也难以达到较好的分选效果；如果矿物颗粒被过度 解离，则会因粒度太小而流失在矿浆中，使浮选效率降低。一般情况下，粗粒 级的矿物颗粒浮选速度相对较慢，并容易因可浮性差而沉积在尾矿中；细粒级 的矿物颗粒浮选速度相对较快，但粒度过细会导致浮选时气泡的选择性降低。 因此，浮选时采用中等粒度的颗粒最为适宜。不同矿物均有其最优的浮选粒度 范围。 1 ．3 ．2 矿浆制备 矿浆制备过程中，矿浆的性质、状态及颗粒的特性、矿浆中剩余药剂的浓 度等都会对浮选效率产生影响。 矿浆浓度对浮选过程而言是相当重要的工艺参数，主要对回收率、精矿质 量、药剂用量、浮选机的生产能力、浮选时间及水电消耗等经济技术指标造成 影响【1 6 1 万方数据 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 回收率矿浆浓度和回收率之间有明显的规律性，当矿浆很稀时回收 率较低；矿浆浓度逐渐提高，回收率也逐渐提高，并达到最大值；超过最佳矿 浆浓度后，回收率又降低； 2 精矿质量一般是矿浆较稀时，精矿质量较高；矿浆较浓时，精矿质 量下降； 3 药剂用量矿浆中须保持一定药剂浓度才能取得好的浮选结果，矿浆 较浓时，液相中药剂浓度增加，吨矿石的用药量可减少，反之则增大； 4 浮选机的生产能力随浓度加大，浮选机生产能力 按处理量计 可 提高； 5 浮选时间矿浆较浓时，浮选时间会延长，有利于提高回收率或增大 浮选机的生产能力； 6 水电消耗矿浆越浓，处理吨矿石的水电消耗越小。 对于矿浆浓度的确定，在工业实际运用中，除了上述各项经济技术指标需 要考虑之外，尤其需重点关注浮选原料的特性以及实际生产条件。对颗粒、密 度均较大的矿物，采用浓度大的矿浆对颗粒、密度均较小的矿物，采用低浓 度的矿浆以提高选择性。提高回收率的粗选需采用高浓度，确保选择性的精选 则采用低浓度矿浆。 1 ．3 ．3 浮选药剂的影响 浮选效率在很大程度上受浮选药剂的影响。浮选药剂的影响包括浮选药剂 的配制、浮选方案的制定、浮选药剂种类的选择、浮选药剂的合理添加等方面。 在使用浮选药剂时，影响因素很多，不同的药剂功能、用量、加入方法都 会影响效果。根据矿物的性质制定合理的浮选方案，从而确定药剂种类和用量 范围。 1 ．3 ．4 发泡方式 浮选过程中涉及到气泡的破碎与增长、矿粒与气泡之间的相互碰撞、粘附等 过程，因此，气泡是泡沫浮选的关键。一个有效的气泡发生装置应当能够在最大 的可能充气量下产生细小而均匀的气泡，从而影响浮选柱内含气率的大小及气泡 的尺寸和分布，因此，浮选柱中，对气泡发生器的研究显得十分重要I l ，它对 浮选效率产生直接影响。近年来常用的气泡发生方式主l l 睨3 J 要有以下几种 1 剪切接触发泡高速流动的矿浆和气体以适当方式接触，如通过金属 网或充填介质产生气泡。剪切接触发泡是利用气、液混合过程把气体粉碎成气泡， 6 万方数据 中南大学硕士学位论文第一章绪论 其气泡大小主要取决于液体紊流度、持续混合时间，并最终达到与体系能量状态 相匹配的气泡临界尺寸。 2 微孔发泡气体通过微孔塑料、橡胶、帆布、尼龙、微孔陶瓷管或卵 石层发泡。由于微孔发泡易堵塞，使得微孔材料不能充分发挥作用，而且充气量 增大会直接造成气泡尺寸增大。因此，目前该法采用较少。 3 降压或升温发泡由于空气在水中的溶解度大约为2 ％，当降低压力或 升高温度时，则溶解的气体析出产生气泡。 4 射流发泡受压气流喷入矿浆可产生适合浮选的气泡。该法是气体由 开始的连续相逐步分散成为微泡。本文中的实验研究采用的即是射流发泡方式。 5 电解水产生气泡通过水中施加电场后在两个电极周围析出氢气和氧 气的浮选方法。电解浮选中所施加的电场的电压为低压，约为5 ．1 0V 。能量的消 耗与两电极之间的距离和被处理的悬浮体的导电率有关。 6 超声波发泡超声微泡浮选是通过超声作用在溶解有气体分子的水中 形成空化气泡来浮选矿物。在水中的空气有两种存在状态溶于水的空气和自由 态的微泡核。在压力变化下水中微泡核的数量是相当大的，在合适的较低声压作 用下，微泡核可能发展成为适合浮选的气泡，超声波作用下，还有可能消除矿物 表面的氧化膜，提高矿物疏水性。超声波作用的另一个优势是，可以乳化药剂。 浮选中一些油类由于自身性质不易分散于矿浆之中，通过超声波处理，可以实现 乳化。并且在超声波乳化过程中，可以分散矿物、增加矿物与药剂接触面、增强 矿物表面活性。 1 ．4 国内外气．液两相流研究进展 气液两相流是指系统中存在且只存在一种气相以及一种液相共同在流动，其 间还包含了传热、传质、化学反应等多种过程。在工业应用中，气液两相流是一 种常见的现象，如蒸汽发生器、气流床、浮选机等，所以研究气液两相流具有重 要的意义。目前，研究气液两相流动的主要方法有两种实验法和数值模拟法。 1 ．4 ．1 实验法 由于气泡运动特性及其动力变化过程不能完全通过理论方法来揭示其中的 机理或规律，因此在两相流领域中，实验研究方法仍占据相当重要的位置【2 4 1 。 目前，国内外应用于气液两相流的主要测量技术有电导探针法、激光多普勒测速 技术、相位多普勒测速技术及图像测量技术‘2 5 1 。其中图像测量方法具有对流场 无扰动和直观性等优点，基于高速摄影技术的数字图像测量方法在该领域获得了 万方数据 中南大学硕士学位论文第一章绪论 广泛的应用。 S a 胁a I l 【2 6 】等人运用实验研究了水中气泡的运动过程，指出气泡直径小于 1 ．4m m 时保持直线上升；气泡直径大于1 ．4i i l m 后，气泡由球形转变为椭球形， 此时，气泡对扰动敏感，导致其轨迹由直线转变为之字形或螺旋形。W u 和 G h 撕b 1 27 j 观察了直径为1 ．2m m 的气泡在水中的上升过程，当浸没孔直径较小 时，气泡保持椭球形，运动轨迹为螺旋形；当浸没孔直径较大时，气泡保持球 形，运动轨迹为之字形。S t e w a n 【2 8 】对不同粘度液体中的单个气泡进行了实验 研究，发现在低粘度液体中，单个气泡的上升过程并不规则，呈现螺旋形周期 性的振荡；而在较高粘度的液体中，气泡除了在发生碰撞或者受到气泡尾流影 响的情况下一般不会发生振荡。王红一【2 9 】通过实验研究，观察了气泡轨迹由 直线转变为之字形后变为螺旋形的过程，讨论了气泡轨迹受气泡脱离频率的影 响程度，将气泡上升过程分为四个不同区域。这些研究结果表明气泡的生成方 式可能是导致气泡运动轨迹不同的原因。 A y b e r s 和T a p u c u l 3 m 3 l J 测量了水中气泡脱离浸没孔后的运动速度，发现气泡 脱离浸没孔后，速度在初期迅速上升，运动一段时间后气泡速度达到最大值， 然后又逐渐减小，最后趋于稳定。R o d r i g u e [ 3 2 】通过实验发现在不同浓度的甘油 水溶液中，气泡的上升末速度和其直径存在线性关系，同时在液体粘性力的作 用下，其速度大小随粘度增大而减小。通过众多实验研究表明，气泡上升速度 在达到末速度后呈现有规律地围绕末速度上下振荡，有学者认为这种现象的产 生可能是受到气泡在运动过程中表面的涡脱落强迫引起的，也有学者认为这是 因为气泡在脱离发生装置时的摆动引起的。 以上实验研究都均是针对气泡在纯液体中的运动行为，对于悬浮液如矿浆 中气泡的运动特性的研究还比较少。中国矿业大学任守政1 3 3 J 等人应用激光多 普勒测速仪，对丹佛和维姆科两种不同的实验室浮选机进行了研究，并分析了 气泡在矿浆中的运动特性，并且依据现有的实验成果，从宏观和微观上建立了 循环量和动态流速对浮选效果的影响判据。中南大学曾克文【3 4 】等人应用P D A 系统对X F D ．1 2 型浮选机中矿粒的时均速度和脉动速度分布进行了测试，得出 了以雷诺数为表征的湍流强度对浮选效果的影响。 1 ．4 ．2