بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه با استفاده از شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی یک مدل سینیتیکی برای تخمین مقدار ثابت نرخ فلوتاسیون درون سلول فلوتاسیون ستونی ارائه گردیده است. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه سازی، یک سری آزمایش تجربی درون یک سلول آزمایشگاهی فلوتاسیون ستونی در واحد پایلوت مجتمع مس سرچشمه انجام گرفته است. شبیه سازی به صورت سه بعدی با مدل دوفازی اولری-اولری انجام گرفته است. برای پیدا کردن میدان جربان از مدل توربالنت k- استفاده شده است. اختلاف نتایج شبیه سازی و داده های آزمایشگاهی حدود 10 درصد است. با توجه به اینکه خوراک سلول دارای چندین ماده معدنی بوده، این مقدار اختلاف مطابقت خوبی را نشان می دهد. در نهایت این نتیجه حاصل شد که مدل CFD قادر به پیش بینی ثابت نرخ فلوتاسیون فلز مس با اندازه ذرات و شرایط هیدرودینامیکی مختلف می باشد.
کلمات کلیدی: دینامیک سیالات محاسباتی، فلوتاسیون ستونی، ثابت نرخ فلوتاسیون، جریان چند فازی
نکات برجسته پژوهش
· ارائه مدل سینیتیکی برای فلوتاسیون ستونی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی
· انجام آزمایشات فلوتاسیون برای خوراک دارای چند ماده معدنی
· بدست آوردن ثابت نرخ فلوتاسیون تجربی و مقایسه آن با نتایج دینامیک سیالات محاسباتی
-1 مقدمه
فرآیند فلوتاسیون به منظور جداسازی مواد معدنی با ارزش از باطله - گانگ - که اساس آن بر پایه اختلاف در آب گریزی سطح ذرات جامد می باشد، در صنایع فراوری مواد معدنی بصورت گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. مواد شیمیایی و شرایط هیدرودینامیکی مناسب درون سلول فلوتاسیون منجر به جمع آوری مواد معدنی آب گریز به وسیله حباب های هوا می شود. مزیت اصلی فلوتاسیون بر سایر روش های پرعیارسازی این است که موادی که عیار آنها بسیار کم می باشد، توسط این روش پرعیار می شوند.[1] پرعیار کردن مواد معدنی که عیار فلزی آنها 0/5-3 درصد می باشد، جز به روش فلوتاسیون، به هیچ روش دیگری ممکن و مقرون به صرفه نیست.
سلولهای فلوتاسیون ستونی، سلولهای عمودی و بلندی هستند که بطور پیوسته با پالپ %10-%40 - جامد - تغذیه می شوند و ابعاد ذرات جامد تشکیل دهنده پالپ بین 10-100میکرومتر می باشد. هوادهی بصورت پیوسته توسط اسپارجر - حبابساز - که در پایین سلول قرار گرفته بصورت حبابهای ریز در داخل پالپ تزریق می شود و این امر باعث حرکت رو به بالای ذرات حباب در داخل سلول می گردد .[2] در ایران اولین بار ستون فلوتاسیون نیمه صنعتی در واحد پایلوت مجتمع مس سرچشمه توسط بنیسی و همکارانش [3] طراحی و ساخته شد و تستهای مختلفی بر روی کارآیی آن برای ارتقاءِ کارآیی فلوتاسیون انجام گرفت. سلول فلوتاسیون ستونی یکی از مهمترین یافتهها در زمینه فرآوری مواد معدنی در دهههای اخیر می باشد.[4] در حال حاضر ستونهای فلوتاسیون بطور موفقیت آمیزی برای پرعیار کردن کانسارهای پورفیری خیلی ریز استفاده میشوند. این نوع سلولها مزایای قابل توجهی در مقایسه با سلولهای رایج دارند، از جمله جدا کردن ذرات ریز باطله با استفاده از آب شستشو، امکان جایگزینی آنها با چند مرحله از سلولهای مکانیکی در عملیات پرعیارکنی ثانویه، اشغال فضای افقی کمتر و سادهتر بودن استفاده از کنترل اتوماتیک برای آنها .[5]
طبق تئوری فلوتاسیون، فرآیند فلوتاسیون شامل سه زیر فرآیند برخورد ذره-حباب، اتصال ذره-حباب و تشکیل توده های ذره-حباب پایدار می باشد. دفع ذرات جامد از حباب های هوا نیز می تواند به علت محیط های هیدرودینامیکی و شیمیایی نامناسب درون سلول رخ دهد. فاکتورهای مختلفی از جمله دبی هوای ورودی، ماندگی گاز، اندازه متوسط حبابها و شار سطحی حباب ها روی فرآیند تاثیرگذار می باشند. به دلیل تاثیر فاکتورهای هیدرودینامیکی روی پدیده های مقیاس میکرو درون سلول فلوتاسیون، کینگ [6] پیشنهاد داد که مدل تخمینی برای جداسازی فلوتاسیون باید مبنی بر این تئوری باشد که جداسازی در سلول فلوتاسیون از فرآیند سینیتیکی درجه اول تبعیت کند. از این رو یک شکل کلی برای نرخ انتقال ذرات از پالپ به فاز حباب ارائه داد. فرم رایج مدل سینیتیکی برای جداسازی فلوتاسیون در مقیاس ماکرو بصورت زیر نوشته می شود:[7]
که k ثابت نرخ فلوتاسیون، Np تعداد ذرات، Zpb تعداد برخوردهای ذره-حباب و Ecoll کارآیی جمع آوری ذرات توسط حباب های هوا می باشد. به منظور در نظر گرفتن اثر پدیده های مقیاس میکرو در مدل فلوتاسیون - مانند برخورد1، چسبندگی2 و دفع - 3، دوک هین و همکارانش 9]،[8 و درجاگوین و دوک هین [10] بازده جمع آوری در معادله 1 را - یعنی - Ecoll را به صورت سه تابع احتمال که بازده برخورد، چسبندگی و دفع را ارزیابی می کند، جداسازی نمودند. در معادله بالا عملکرد برخورد حباب-ذره، چسبندگی و پایداری4 به ترتیب با اندیس های Ec ، Ea و Es نشان داده شده اند. بنابراین یک مدل موفق کمی برای فرآیند جداسازی فلوتاسیون به منظور توصیف جنبه سینیتیکی فلوتاسیون - یعنی مدلسازی فرآیندهای درمقیاس ماکرو - باید از معادله 1 پیروی کند در حالیکه در همان زمان بازده جمع آوری حباب-ذره در سلول خود از معادلات مربوط به فرآیندهای فرعی - یعنی مدلسازی فرآیندهای در مقیاس میکرو - تشکیل می شود.
در سالهای اخیر، دینامیک سیالات محاسباتی بعنوان یک روش قدرتمند ظاهر گردیده که می توان از آن به منظور پیش بینی خصوصیات هیدرودینامیکی و شرایط عملیاتی و همچنین عملکرد سلول فلوتاسیون استفاده نمود. برخلاف اینکه مطالعاتی در زمینه سلول فلوتاسیون و فرآیند فلوتاسیون انجام شده است، پِژوهش در مورد مدلسازی سلول فلوتاسیون ستونی خیلی کم می باشد. این می تواند به دلیل این واقعیت باشد که زیر فرآیندهایی که درون سلول فلوتاسیون رخ می دهند پیچیدگی های استفاده از CFD را چندین برابر می کند و همچنین مدلسازی عددی یک جریان کاملا توربالنت درون سلول فلوتاسیون ستونی مشکل می باشد. هدف این پژوهش استفاده از تکنیک CFD به منظور بررسی سینیتیکی سلول فلوتاسیون ستونی با استفاده از مدل ارائه شده توسط پایک5 می باشد.لذا این پژوهش یک روش جدید بر مبنای دینامیک سیالات محاسباتی ارائه می دهد که قادر به پیش بینی عملکرد سلول فلوتاسیون ستونی می باشد. برای دست یافتن به این هدف، برای شروع یک رویکرد CFD
