Высокоинтенсивные диспергаторы воздуха – основополагающая технология колонной флотации

Поскольку процесс флотации представляет собой взаимодействие между частицами материала и воздушными пузырьками, чем выше концентрация гидрофобных частиц и больше поверхность воздушных пузырьков, тем более эффективен процесс. Что касается частиц, их концентрация ограничивается максимальной вязкостью, при которой возможно однородное распределение поднимающихся пузырьков при постоянной скорости до максимально приемлемого гидрофильного взаимодействия материала и в пене. В свою очередь, количество воздуха ограничено максимальным расходом, который обеспечивает однородное распределение поднимающихся пузырьков без чрезмерной турбулентности и разрушения пузырьков.

Чтобы оптимизировать флотацию до определённой скорости аэрации, пузырьки, образуемые диспергатором, должны быть достаточно малого размера. Небольшие пузырьки обеспечивают бо́льшую площадь поверхности, благоприятную для кинетики флотации. Это явление было продемонстрировано в нескольких исследованиях. (Финч и Добби, 1991; Горейн, 1997; Жоу, 1997)

В течение последних десятилетий основное развитие технологии колонной флотации произошло в области разработки новых систем диспергирования. Системы диспергирования имеют важное значение в пневматической флотации, поскольку от них зависят как аэрация, так и взвешивание частиц. 

Основными критериями, которые следует учитывать при разработке или выборе диспергаторов, являются:

• способность генерировать необходимую дисперсию воздуха с мелкими пузырьками, способствующую требуемой производительности флотации;
• надежность в эксплуатации, что гарантирует непрерывную и стабильную работу;
• простое обслуживание для снижения затрат на эксплуатацию; эта составляющая предполагает регулярные инспекции/калибровки по месту эксплуатации и возможность демонтажа диспергаторов для обслуживания, не нарушая при этом работу колонной флотомашины;
• характеристики руды, особенно фракционный состав, для возможности определения наилучшей системы для конкретного применения.

Типы диспергаторов

Колонные диспергаторы можно разделить на типы в соответствии с их положением в колонне, или же по механизму, участвующему в образовании пузырьков. Применительно к положению они делятся на внутренние, если вмонтированы в колонну, или внешние, если установлены вне колонны.

Применительно к принципам образования пузырьков, большинство коммерческих диспергаторов для колонн образуют пузырьки либо кавитацией, либо прямой инжекцией воздуха (впрыскиванием струи).

Впрыскивание

При методе впрыскивания воздух подаётся в колонну на большой скорости, и пузырьки образуются интенсивным сдвигом воздушной струи пульпой (Финч (Finch), 1995)). Чем выше интенсивность инжекции воздуха, тем больше количество пузырьков, и тем мельче их размер.

В прошлом самый простой способ инжекции воздуха в колонну представлял собой трубу с небольшим отверстием на конце или несколькими небольшими отверстиями по всей длине. Эти трубки заводились в колонну и через них подавался воздух. Диспергаторы такого типа использовались в нескольких первых промышленных колоннах, внедрённых в 80-х, и на некоторых колоннах система такого типа существует до сих пор. Главной проблемой такой системы труб являлось забивание. В случае неожиданного отказа подачи сжатого воздуха происходил противоток пульпы из колонны в трубу диспергатора. В таком случае шлам приводил к забиванию или внутреннему износу в диспергаторе, нарушая его способность генерировать маленькие пузырьки и в результате ухудшая эксплуатационные качества колонны. Почти во всех случаях было необходимо прерывать работу колонны для замены диспергаторов, уменьшая период эксплуатационной готовности флотации.

С момента внедрения этих простых систем труб технология диспергации значительно усовершенствовалась. Хотя в 70-х и была разработана конструкция первого диспергатора с автоматической защитой на случай отказа подачи воздуха, такая система испытывала проблемы с износом. Концепция автоматического закрытия получила дальнейшее развитие в 90-х.

В 2016 г. Metso Outotec представил SonicSparger Jet. С помощью данной технологии задаётся оптимальное давление воздуха, скорость воздушного потока и размер отверстия, чтобы обеспечить наиболее приемлемую инжекцию со скоростью звука.

SonicSparger Jet надёжен и прост в управлении. В нём предусмотрено автоматическое закрытие в случае неожиданного отключения основного источника воздуха, предотвращающее заброс пульпы в диспергатор. В противоположность другим системам, SonicSparger Jet имеет особую камеру противодавления, работающую со сжатым воздухом, что обеспечивает открытие выходного отверстия диспергатора только в том случае, когда давление основного воздушного потока становится выше 2 бар, что достаточно для предотвращения попадания пульпы в диспергатор. Показание уровня управляющего давления в камере выводится на манометр.

Кроме того, имеется возможность снятия и установки SonicSparger Jet в колонну без прерывания работы колонны.

Трубка Вентури – кавитация

Прикрепление мелких частиц к пузырькам - более трудная задача, так как такие частицы легче обычных. Вместо прикрепления, т.е. разрыва границы раздела воды, окружающей пузырьки и создающей контакт с воздухом, мелкие частицы стремятся перемещаться в направлении течений, огибающих пузырёк.

Флотацию мелких частиц можно улучшить созданием большого количества мелких пузырьков для того, чтобы увеличить вероятность столкновения.

Процесс кавитации является наилучшим способом генерировать нано- и микропузырьки для флотации. В числе различных форм, способствующих кавитации, наилучшим способом создания пузырьков минимально возможных размеров является способ с применением трубки Вентури. Трубка Вентури имеет суженный участок, как правило находящийся в её центре, после которого трубка постепенно переходит к исходному диаметру.

В гидродинамике скорость жидкости увеличивается при прохождении ею барьера, при этом уменьшается её статическое давление. При местном уменьшении давления ниже давления пара жидкости образуются пустоты, заполненные паром, или микропузырьки, вследствие уравновешивания давлений. Эти микропузырьки также включают растворённый воздух. Такая форма кавитации способна обеспечить распределение пузырьков наименьших размеров, меньших, чем у статических миксеров (Ксионг и Пенг (Xiong and Peng) 2015)). Было доказано, что трубки Вентури также обеспечивают лучшие результаты флотации.

Кроме пара и растворённого воздуха, пузырьки также можно создать путём инжекции воздуха. В этом случае воздух либо вводится до кавитационного барьера, либо вдувается через отверстие в том участке барьера, где давление ниже, чем внешнее давление.

Существует несколько различных концепций, описывающих действие нанопузырьков при флотации. Одна из них состоит в том, что нанопузырьки собирают мелкие гидрофобные частицы, и эти агрегированные частицы обладают силой прикрепляться к пузырькам бо́льшего размера, которые способны подниматься к пене. Нанопузырьки образуют слой на крупных частицах и способствуют сцеплению с пузырьками бо́льшего размера. Таким образом, необходимо наличие как нанопузырьков, так и более крупных пузырьков для сбора и переноса частиц в пену.  (Жоу (Zhou), 1997)).

При установке данной системы во флотационных колоннах, сгущённая пульпа колонны сначала закачивается в пульпопровод, а затем обратно в колонну, при этом проходит через трубу, в которой происходит инжекция воздуха, а затем в трубки Вентури.

Конструкция Metso Outotec SonicSparger Vent предусматривает оптимальные углы для обеспечения длительной эксплуатации с минимальным размером пузырьков, что предотвращает разрыв пузырьков после прохождения барьера. Конструкция разработана на основе результатов последних исследований по трубкам Вентури применительно ко флотации, в которых оценка результатов производилась, главным образом, с точки зрения производительности флотации, а также на основе распределения пузырьков по размерам. Конструктивной особенностью Metso Outotec SonicSparger Vent также является удлинённая внутренняя керамическая вставка для уменьшения абразивного износа, что гарантирует более длительный срок эксплуатации диспергатора.

Применение

Выбор типа диспергатора зависит от фракционного состава и типа руды, а также, в некоторых случаях, от специфических требований конкретного проекта. В основном, есть тенденция, что Metso Outotec SonicSparger Vent более пригоден для мелких частиц (менее 44 мкм), так как преимущество в плане извлечения мелочи большей частью перевешивает дополнительные затраты на приобретение рециркуляционного насоса. Наиболее подходящий тип должен быть выбран отдельно для каждого конкретного случая, чтобы оптимизировать соотношение между выгодой и затратами.

Список литературы

Finch, J., & Dobby, G. (1991). Column Flotation. Pergamon Press.

Gorain, B., Franzidis, J., & Manlapig, E. (1997). Studies on impeller type, impeller speed, and air flow rate in an industrial scale flotation cell—Part 4: effects of bubble surface area flux on flotation kinetics. Minerals Engineering, 10, 367-379.

Xiong, Y., & Peng, F. (2015). Optimization of cavitation venturi tube design for pico and nano bubbles. International Journal of Mining Science and Technology.

Zhou, Z. H. (1997). Role of hydrodynamic cavitation in fine particle flotation. Int. J. Miner. Process, 139-149