煤泥浮选过程中颗粒与气泡碰撞、吸附规律研究

发布时间：2017-04-30 10:17

  本文关键词：煤泥浮选过程中颗粒与气泡碰撞、吸附规律研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：浮选微观模型认为,矿物浮选过程可以分为颗粒与气泡的碰撞、吸附与脱附三个独立的过程,即颗粒与气泡在矿浆中首先发生碰撞,随后气泡表面水化膜逐渐薄化、破裂,形成三相润湿周边,并且三相润湿周边扩展,使颗粒稳定的吸附到气泡表面；颗粒与气泡结合体在矿浆上升的过程中,受外力作用,颗粒没有从气泡表面脱附,而是随气泡进入泡沫层并最终进入精矿。因此矿物浮选的概率可以用三个独立的过程进行描述,分别为碰撞概率、吸附概率与脱附概率。浮选微观模型中,碰撞概率模型与吸附概率模型是浮选发生的基础,因此获得了更多的重视,Sutherland对浮选过程做出简化,假设不考虑颗粒的粒度以及质量,颗粒的运动状态完全取决于其周围流体的状态,因此颗粒的运动轨迹可以用流过颗粒中心处的流体流线表示,从而得到了颗粒与气泡的碰撞概率模型以及吸附概率模型。Sutherland做出了开拓性的贡献,奠定了浮选微观模型的发展方向,随后众多学者在其模型基础上,极大的丰富和完善了颗粒与气泡的碰撞与吸附模型。论文详细回顾了碰撞概率模型以及吸附概率模型,在深入分析现有模型的基础上,发现以流体的绕流流线方程为依据的碰撞概率以及吸附概率模型,其使用范围局限于50μm的颗粒,而实际的煤炭浮选中包括0.25-0.5mm的粗粒级、0.075-0.25mm的中间粒级、以及-0.075mm的细粒级,其中又以中间粒级为最佳的处理范围,掌握各粒级的浮选规律,才能建立具有实际意义的浮选数学模型。论文针对颗粒与气泡的碰撞以及吸附过程,分析了颗粒与气泡的碰撞以及吸附过程动力学,设计了颗粒与气泡的碰撞概率以及吸附概率测量系统,以乌海矿区高硫煤浮选入料为研究对象,深入研究了颗粒粒度、密度以及气泡尺寸对碰撞概率以及吸附概率的影响,同时针对浮选槽内高含气率的情况,设计了气泡尺寸观察系统,对XDF2L实验室浮选机内的气泡尺寸进行了测量,研究了四种起泡剂以及充气量对气泡尺寸分布规律的影响,主要结论如下：设计了颗粒与气泡的碰撞概率测试系统,使用该系统测试了颗粒从不同位置下落时与气泡的碰撞效率,发现颗粒从气泡中心位置处下落时,碰撞效率基本为100%,随着颗粒位置逐渐偏离气泡中心,由于气泡的壁效应,使颗粒发生绕流。确定了碰撞概率的试验方法,即若颗粒从距气泡中心Rc的位置处下落时,与气泡的碰撞效率为50%,此时Rc为该颗粒与气泡的临界碰撞半径。随颗粒密度增加,碰撞概率逐渐增加。当气泡直径为1.44mm时,对0.16mm粒级的颗粒,随颗粒密度由1.25 g/cm3,依次增加到1.35 g/cm3、1.45 g/cm3、1.55g/cm3和1.70g/cm3,碰撞概率由58.10%,依次增加为67.79%、68.78%、76.76%以及79.21%。试验同时测量了在气泡直径分别为0.81mm、1.05mm、1.44mm和1.86mm条件下的碰撞概率,发现碰撞概率基本随着气泡直径的增加而增加,如对于粒度为0.16mm、密度为1.35g/cm3的颗粒,随气泡直径增加,碰撞概率依次为60.14%、64.47%、67.79%、73.96%。对不同粒度级颗粒的碰撞试验表明,颗粒粒度为0.26mm时,各密度级下的碰撞效率曲线与0.16mm各密度级相似,在气泡中间位置处的碰撞效率基本为100%,随着颗粒位置偏离气泡中心,碰撞效率逐渐减小。对比两粒级颗粒在相同密度级下的碰撞效率曲线发现,0.26mm粒级颗粒在不同位置处的碰撞概率皆大于0.16mm粒级。随气泡直径由0.81mm增大到1.86mm,两粒度级颗粒各密度级碰撞概率随气泡直径增大而增大,但是增大幅度不同,密度级由小到大,0.15-0.18mm粒级颗粒碰撞概率增幅分别为6.29%、8.08%、9.49%、8.52%和9.48%；而对于0.25-0.28mm粒级颗粒,各密度下碰撞概率增幅分别为12.72%、7.78%、5.29%、4.51%和3.63%。可见除-1.3g/cm3密度级外,0.25-0.28mm粒级其余各密度级颗粒碰撞概率随气泡直径的增幅均小于0.15-0.18mm。使用BBO方程,对颗粒与气泡的碰撞过程进行了分析,引入阻力系数fr和fθ用以描述气泡对颗粒在径向与轴向的阻力,使用四阶龙格库塔法对颗粒的运动方程进行数值求解,结果表明,当颗粒粒度为0.16mm时,理论结果与试验结果吻合度较好,对0.26mm粒级的预测效果较差。建立了颗粒与气泡吸附概率测试系统,对颗粒与气泡的接触过程进行研究,发现颗粒在中心位置处下落与气泡发生碰撞接触时,吸附效率最大,随着颗粒位置偏离气泡中心,吸附效率逐渐减小。颗粒与气泡的吸附经历了水化膜薄化、破裂的过程,其中随着水化膜的破裂,颗粒在气泡表面会发生旋转现象,其原因为水化膜破裂形成的空穴,将颗粒吸入气泡内。同时发现,水化膜的破裂不只是发生在气泡的上半球,也能够发生在气泡的下半球。水化膜的破裂不一定能够形成稳定的吸附。亲水性颗粒与气泡发生碰撞时,气泡不发生水化膜薄化过程,颗粒在气泡表面下滑,当越过气泡中心时,即与气泡脱离,脱离角度一般在100-120。之间,疏水性颗粒与气泡接触过程中发生了水化膜的薄化,该过程会对颗粒产生吸附作用力,增加了颗粒在气泡表面的滑动时间,若颗粒无法与气泡发生吸附,其脱附角通常大于130。试验测量了密度分别为1.25 g/cm3、1.35 g/cm3、1.45 g/cm3、1.55 g/cm3和1.70g/cm3的颗粒接触角,发现随颗粒密度增加,接触角呈线性减小。对各密度级的吸附试验表明,吸附概率随接触角的增加基本旱线性增加。因此,吸附概率与颗粒密度呈线性关系。对颗粒在不同尺寸气泡下的吸附试验表明,随气泡尺寸增加,吸附概率相应增加。但气泡尺寸对各密度级颗粒的影响不同。如对0.16mm、1.25g/cm3密度级的颗粒,随着气泡直径由0.81mm依次增加到1.86mm,吸附概率分别为81.69%、85.79%、85.04%以及84.64%。最大增幅仅为4.10%。而随着颗粒密度增加到1.35 g/cm3、1.45g/cm3、1.55g/cm3、和1.70 g/cm3,最大增幅依次为11.97%、25.97%、23.46%、以及16.52%,表明随气泡尺寸增加,会加大对中等密度颗粒的吸附概率。同时,1.70g/cm3密度级吸附概率的增幅大于1.25 g/cm3与1.35 g/c1113密度级,说明大气泡增加了对高密度颗粒的吸附,即其选择性有所降低。因此,使用小气泡可以提高浮选的选择性。对0.26mm粒级,各密度级的接触角测定表明,相同密度级0.26mm与0.16mm粒级的接触角基本相同。通过对比吸附概率发现,密度相同时,0.26mm粒级的吸附概率小于0.16mm粒级。建立了基于图像法的气泡尺寸动态测量系统,在实验室XDF2L浮选机上,系统的研究了仲辛醇、松油醇、MIBC和2-己醇四种起泡剂在不同浓度以及不同充气量条件下的气泡尺寸分布,结果表明：起泡剂能够显著的缩小气泡尺寸分布范围,使气泡尺寸分布更加集中,同时减小气泡的平均大小。浮选槽内的气泡尺寸分布可以使用Upper-Limit分布函数进行准确的描述。起泡剂的起泡性能受其分子结构影响,仲辛醇链长最长,其起泡性最好,松油醇虽然含碳量最多,但6元环结构对其起泡性有一定影响,MIBC和2-己醇同为6个C原子,其中MIBC为直链,2-己醇含支链,二者的起泡性相近,四种起泡剂的起泡性由大到小依次为仲辛醇松油醇MIBC≈2-己醇。起泡剂的用量存在临界值,试验测量了仲辛醇、松油醇和MIBC三种起泡剂的临界兼并浓度分别为11.97 mg/L,21.40mg/L,以及21.89mg/L。超过临界用量后,三种起泡剂产生的气泡Sauter直径分别为0.54mm、0.54mm口0.58mm。建立了气泡Sauter直径与充气量和起泡剂浓度之间的关系模型
【关键词】：浮选模型 碰撞 吸附 气泡尺寸
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD94;TD923
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一章 绪论15-39
• 1.1 选题背景及意义15-16
• 1.2 浮选动力学发展16-20
• 1.2.1 动力学模型16-17
• 1.2.2 浮选经验模型17-18
• 1.2.3 浮选微观模型18-19
• 1.2.4 总体平衡模型19-20
• 1.3 浮选微观模型研究现状20-34
• 1.3.1 碰撞概率模型研究现状20-28
• 1.3.2 吸附概率模型研究现状28-34
• 1.3.3 脱附概率模型研究现状34
• 1.4 气泡尺寸测量及影响因素概述34-36
• 1.5 研究内容的提出36-37
• 1.5.1 目前存在的问题36-37
• 1.5.2 研究内容37
• 1.5.3 技术路线37
• 1.6 本章小结37-39
• 第二章 浮选碰撞过程试验系统建立及碰撞过程研究39-59
• 2.1 碰撞测试系统的建立及试验方法39-44
• 2.1.1 试验系统的建立39
• 2.1.2 试验方法39-40
• 2.1.3 试验煤样40-41
• 2.1.4 试验结果分析方法41-44
• 2.2 颗粒碰撞行为研究44-51
• 2.2.1 颗粒密度对碰撞概率影响45-47
• 2.2.2 气泡尺寸对碰撞概率影响47-48
• 2.2.3 颗粒粒度对碰撞概率影响48-51
• 2.3 颗粒碰撞理论与试验51-58
• 2.3.1 试验颗粒运动轨迹54
• 2.3.2 颗粒运动轨迹理论模拟54-58
• 2.4 本章小结58-59
• 第三章 颗粒与气泡吸附过程行为研究59-77
• 3.1 试验系统及试验条件59-60
• 3.1.1 试验系统59
• 3.1.2 试验煤样59-60
• 3.1.3 试验条件60
• 3.1.4 试验方法60
• 3.2 颗粒吸附行为分析60-64
• 3.3 吸附效率分析64-73
• 3.3.1 颗粒密度对吸附的影响65-67
• 3.3.2 吸附概率与捕收概率67-68
• 3.3.3 气泡尺寸对吸附的影响68-72
• 3.3.4 颗粒粒度对吸附的影响72-73
• 3.4 颗粒捕收概率73-74
• 3.5 本章小结74-77
• 第四章 浮选槽内气泡尺寸测量及其影响因素分析77-109
• 4.1 气泡尺寸测量系统的建立及试验方法77-81
• 4.1.1 试验系统的建立77-80
• 4.1.2 实验方法80
• 4.1.3 试验条件80-81
• 4.2 试验结果分析81-107
• 4.2.1 气泡尺寸统计结果分析81-82
• 4.2.2 气泡尺寸分布规律研究82-92
• 4.2.3 气泡尺寸影响因素分析92-102
• 4.2.4 气泡尺寸预测模型102-105
• 4.2.5 浮选槽内气泡均匀性分析105-107
• 4.3 本章小节107-109
• 第五章 结论与展望109-113
• 5.1 结论109-111
• 5.2 创新点111
• 5.3 展望111-113
• 参考文献113-121
• 致谢121-123
• 作者简介123-125
• 附录125-126

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 纪延俊,何俊华,陈良益;气泡的散射光与气泡尺寸分布[J];激光技术;2004年04期

2 邹华生;程小平;周超;;超声场中鼓泡塔内气泡直径分布特征研究[J];现代化工;2011年11期

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本文编号：336681