Актуальность темы исследования. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1985-1990 годы и на период до 2000 года" ставится задача освоения передовых технологий, в частности, обеспечивающих рациональное использование сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, в области флотационного обогащения полезных ископаемых в этой связи все большее значение приобретает проблема повышения эффективности использования аполярных реагентов. Это обусловлено тем, что данные реагенты являются основными собирателями при обогащении минералов с высокой естественной гидрофобностью и определяют в значительной мере результаты флотации, кроме того, в последние десятилетия расширяются масштабы совместного применения аполярных и гетерополярных реагентов-собирателей для интенсификации флотации сульфидных, полярных несульфидных минералов, растворимых солей. Решение задач повышения извлечения ценных компонентов и снижения расхода нефтепродуктов, потребность в которых для обогащения составляет сотни тысяч тонн в год, в значительной мере связано с совершенствованием способов обработки аполярными реагентами пульпы перед флотацией.
На основе анализа установлена прогрессивная тенденция совершенствования технологии обработки полезных ископаемых аполярными собирателями, заключающаяся•в подаче реагентов непосредственно в пульпу, в частности, с газообразной фазой. Интенсификации и широкому использование данных способов в промышленности препятствует недостаточное теоретическое обоснование происходящих в пульпе процессов с участием трех и более фаз. В связи' с этим определение оптимальных условия распределения" реагентов аполярного типа между частицами твердого материала в пульпе и разработка с их учетом эффективной технологии является актуальной задачей и имеет большое народнохозяйственное значение. Настоящая работа является составной частью научно-исследовательских работ, выполненных по планам Минуглепрома УССР и Минвуза УССР, а также по заказам ведущих предприятий ряда отраслей.
Цель работы: Выявление основных закономерностей обработки флотируемых частиц аполярным реагентом-собирателем и разработка на их основе технологии, обеспечивающей повышение эффективности действия применяемых реагентов и процесса флотации в целом.
Идея работы заключается в использовании явления перераспределения аполярных реагентов при взаимных контактах фаз флотационной пульпы в качестве основного элемента технологии обработки флотируемых частиц.
Методы исследований: При выполнении работы теоретический анализ происходящих процессов осуществлен с использованием законов термодинамики поверхностных явлений, численных математических методов. В экспериментальной части использовались разработанные автором методики определения количества закрепившегося реагента на грани частицы, метод анализа размерностей для установления эмпирических зависимостей в критериальной форме, метод косвенной оценки степени покрытия реагентом поверхности частиц, а также методы гранулометрического, фракционного, химического, рентгенографического количественного фазового анализа, фоторегистрации и микроскопических измерения.
Основные научные положения, вынесенные автором на защиту:
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью разработанных математических моделей элементарного акта диспергирования и процесса обработки реагентом флотируемых минералов экспериментальному материалу, так как расчетные значения критерия Фишера не превышали табличные величины при уровне значимости q = 5 % для соответствующих чисел степеней свободы, и сходимость» результатов исследований в лабораторных и промышленных условиях на различных видах сырья. Научная новизна диссертации заключается в разработке теоретических положений и выявлении количественных закономерностей элементарного акта процесса диспергирования, положенного в основу технологии обработки аполярным реагентом флотируемых частиц.
Практическая значимость работы. На основании проведенных исследований доказана возможность повышения эффективности обработки флотируемых минералов аполярными реагентами при подаче их в пульпу в парообразном виде. Предложена технология, предусматривающая перевод реагента-собирателя в парообразное состояние и позволяющая сократить расход реагента, интенсифицировать процесс флотации как полезных ископаемых с высокой естественной гидрофобностью, так и искуственно гидрофобизированных минералов.
Реализация результатов работы. Разработанная технология обработки флотируемых частиц аполярными реагентами в парообразном виде внедрена при флотации гранулированного кварца на обогатительной фабрике Кыштымского ГОК и угля на ЦОФ "Никитовская" ПО "Донецкуглеобогащение".
Суммарный утвержденный экономический эффект от внедрения составил 67,1 тыс. руб. в год.
Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения работы докладывались на У, УН отраслевых и всесоюзной конференциях молодых ученых и специалистов в Институте обогащения твердых горючих ископаемых ( ЙОТ Т, Люберцы, 1980, 1982, 1988 гг) II Конференции молодых ученых в Институте проблем комплексного освоения недр ( Ш1КОН, Москва, 1981 г.), республиканском совещании "Проблемы углеобогащения в Украинской ССР" ( Днепропетровск, 1981 г.), научно-технических конференциях Донецкого политехнического института ( ДПИ, Донецк, 1982 - 1988 гг.), научных семинарах при кафедре "Обогащение полезных ископаемых" Донецкого политехнического института ( ДПИ, Донецк, 1986, 1989 гг.) и Днепропетровского горного института (ДГИ, Днепропетровск, 1989 г.), технических совещаниях Минуглепрма УССР ( 1986 т.) , производственного объединения "Донецкуглеобогащение" ( 1980 - 1986 гг.), Кыштымского ГОК ( 1987 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей и получено одно авторское свидетельство на изобретение.
В первой главе освещено состояние вопроса применения аполярных реагентов-собирателей и обработки ими пульпы перед флотацией. Специфические особенности аполярных реагентов, связанные с их химическим составом и относительно слабыми межмолекулярными силами, определяют возможность существования реагентов как самостоятельной фазы в виде капель с формой, близкой к шарообразной при малых ее размерах, в воздухе или воде и пленки или линзы на границе раздела фаз. Это вызывает необходимость применения специальной технологии обработки пульпы реагентом-собирателем перед флотацией.
В качестве критериев флотационной активности реагентов данного класса предложены параметры, характеризующие их свойства и определяющиеся в значительной степени действующими межмолекулярными силами. Ник правило, теоретически устанавливается пропорциональная зависимость между величиной критерия и активностью реагента при флотации, в то время, как практика обогащения свидетельствует об экстремальном характере связи, это противоречие объясняется тем, что аполярньй реагент участвует в нескольких процессах, основными из которых являются:
Требования к свойствам реагента о точки зрения этих процессов не однозначны, а часто и противоположны, что определяет необходимость обратимого их изменения на период подготовки материала к флотации.
Теоретическим и практическим вопросам разработки технологии обработки аполярными реагентами-собирателями флотационных пульп посвятили свои труды такие советские и зарубежные исследователи, как Глембоцкий В.А., Классен В.И., Байченко А.А., Мелик-Гайказян В.И., Антипенко Л.А., Бебеш А.А., Бедрань н.Г., Бельчиков М.Я., Кузьмичев Г.М., Тюрникова В.И., Таггарт А.Ф., Биттер И.X. и др. Из всего многообразия направлений повышения эффективности действия аполярных реагентов наибольшее внимание уделяется повышению вероятности встречи фаз при подготовке пульпы, реализуемой применением предварительного эмульгирования, использованием твердых "носителей" и газообразных "наполнителей". Последняя группа способов, связанная с подачей реагента с газообразной фазой, не получила достаточно глубокого теоретического обоснования не смотря на выявленную высокую эффективность, что препятствует совершенствовании и широкому использование в практике флотации.
Анализ происходящих явлении позволяет сделать вывод о возможности распределения реагента между частицами флотируемого материала при контакте с покрытыми реагентом пузырьками газа. При высокой величине работы адгезии реагента к поверхности частиц разрыв комплексов происходит по объему реагента, в результате чего осуществляется диспергирование, определяемое в дальнейшем термином "адгезионное диспергирование".
На основании проведенного анализа определены следующие основные задачи исследований: разработка структуры элементарного акта адгезионного диспергирования и проведение его термодинамического анализа; теоретический анализ физических процессов, происходящих при адгезионном диспергировании с определением основных параметров; изучение закономерностей диспергирования на физической модели;.выявление элементов технологии и исследование влияния ее параметров на результаты обработки аполярным реагентом частиц перед флотацией; создание оборудования для осуществления разработанной технологии в промышленных условиях; проведение промышленных испытания и внедрение технологии на обогатительных фабриках.
Во второй главе изложен термодинамический анализ элементарного акта диспергирования, который предложено разделить на два последовательно протекающих этапа: прилипание частицы твердого к поверхности раздела "вода - аполярный реагент" и разрыв образовавшегося комплекса, расчет параметров системы на первом этапе диспергирования в отличие от традиционного включает удельные энергии ребер и углов, оказывающих, как показано в работах П.А.Ребиндера, В.Й,Классена, .В.Д.Конева, А.В.Адамсона и др. существенное влияние на процесс взаимодействия фаз.
Проведенный с учетом современных представлений термодинамики поверхностных явлении анализ позволил сделать вывод о том, что наличие ребер и углов повышает вероятность закрепления на поверхности раздела "вода - аполярный реагент" частиц о олеофильной поверхностью и ухудшает взаимодействие с олеофобными минералами. С точки зрения рассматриваемого процесса адгезионного диспергирования весьма важным является обоснование закрепления трехфазного периметра смачивания ребрами и углами и достижения значительных величин контактных краевых углов. Это свидетельствует о возможности обработки одинаковой площади поверхности частицы относительно, меньшим количеством реагента, что и является целью наиболее эффективной технологии подготовки пульпы перед флотацией.
Для выявления путей достижения данной цели проведен теоретический анализ адгезионного диспергирования, позволивший определить основные параметры процесса. Это осуществлено в результате решения уравнения Лапласа численным методом с использованием ЭВМ и определения координат полного профиля мениска, образующегося при отрыве олеофильной цилиндрической частицы от . поверхности раздела "вода - аполярный реагент" в поле сил тяжести. Показано, что наиболее вероятен разрыв системы по объему реагента и разработана методика определения координат "критического" профиля в момент разрыва.
Однако, теоретический анализ не дает возможность определить количество реагента на грани после разрыва, в связи с этим проведен комплекс исследований процесса адгезионного диспергирования на физической модели и найдены зависимости в критериальной форме, связывающие выявленные ранее фундаментальные переменные и параметр, определяющий количество закрепившегося реагента, - среднюю толщину слоя реагента на грани Н. . Процесс диспергирования изучен в квазистатических и динамических условиях.
Анализ показывает, что средняя толщина слоя реагента на грани снижается при уменьшении вязкости и плотности реагента, удельной свободной поверхностной энергии на границе раздела жидких фаз, скорости отрыва частицы и ее диаметра, ряд этих параметров, характеризующих физико-химические свойства аполярного реагента, может быть изменен в необходимом направлении обратимо на период подготовки пульпы путем нагрева реагента. Этот вывод лег в основу разработанного способа флотации (а. с. № 1407557 ) с использованием смеси гетерополярного и аполярного собирателя.
Учитывая возможность существования аполярного реагента в пульпе в виде пленки на границе раздела "вода - газ", изучено влияние ее толщины о на процесс адгезионного диспергирования. Закономерность справедлива как в квазистатических, так и в динамических условиях для индивидуальной углеводородной жидкости и реагента, применяемого в промышленных условиях.
Полученные данные положены в основу разрабатываемой технологии обработки пульпы аполярным реагентом-собирателем.
В третьей главе приведен анализ возможных вариантов получения пленки аполярного реагента в объеме пульпы на поверхности раздела "вода - газ". Наиболее рационально данный процесс может быть осуществлен при конденсации пара реагента или осаждения аэрозоля, полученного в свою очередь конденсацией пара в объеме воздуха. Априорная информация и специфические свойства фаз пульпы позволили сформулировать элементы технологии, включающие испарение реагента и подачу его в пульпу с газообразной фазой.
Одним из основных параметров разработанной технологии является толщина пленки реагента, которая определяется скоростью конденсации реагента и уносом его частицами твердого материала при диспергировании.
Анализ разработанной модели позволил сделать вывод о возможности и целесообразности оптимизации параметров процесса конденсации аполярного реагента для повышения эффективности обработки им флотируемых частиц при подаче собирателя с газообразной фазой.
Влияние свойств пульпы на процесс обработки ее реагентом изучено для определения границ применения технологии и выбора рациональных путей ее реализации, эксперименты были поставлены по плану первого порядка для трех факторов:
Скорость движения частиц в пульпе характеризовалась косвенно линейной скоростью импеллера.
В пределах изменения скорости от б до 7м/с, содержания твердого при перемешивании от 90 до 150 кг/м3 и максимальной крупности материала от 0,3 до 0,7 мм полученная модель адекватна экспериментальным данным, найденные закономерности подтверждены результатами флотации угля в сопоставимых условиях.
Проведен комплекс исследований по выявлению эффективности разработанной технологий при флотации как полезных ископаемых с высокой естественной гидрофобностью, так и искусственно гидрофобизированных минералов. Флотации подвергался уголь различной степени метаморфизма, серная и фосфоритовая руда, полевые шпаты, содержащиеся в виде примесей в гранулированном кварце. Показана возможность сокращения расхода аполярных реагентов-собирателей на 30 - 50 % и увеличения извлечения флотируемых минералов на 0,9 - 3,4% за счет повышения селективности разделения при использовании разработанной технологии в сравнении с подачей реагента в жидком виде. Это позволило рекомендовать технологию подготовки пульпы, включающую подачу реагента в виде пара с газообразной фазой, исследовать в промышленных условиях с целью определения её эффективности
В четвертой главе приведены результаты промышленных испытании разработанной технологии при флотации гранулированного кварца Кыштымского месторождения с использованием аполярного реагента (соляровое масло ) в качестве дополнительного собирателя. Для реализации технологии при непосредственном участии автора роздана установка, включенная в постоянную эксплуатацию и обеспечившая повышение извлечения примесей в пенный продукт на 14 -15% на первой стадии флотации. Экономический эффект от внедрения технологии составил 50,0 тыс. руб. в год. Разработанная технология прошла проверку в промышленных условиях при флотации угля на трех фабриках производственного объединения "Донецкуглеобогащение". Результаты испытаний, свидетельствуют о возможности повышения извлечения горючей массы в концентрат на 0,5 - 6, 4% при меньшем расходе реагента-собирателя, подаваемого по предлагаемой технологии.
Технология, включающая подачу в пульпу аполярного реагента в парообразном виде, внедрена на ЦОФ "Никитовская" с использованием экспериментального образца испарителя флотореагента и обеспечила экономический эффект в размере 17,1 тыс. руб. в год.
При реализации технологии в промышленных условиях выполнен комплекс мероприятий, обеспечивающих безопасность эксплуатации оборудования.
Дальнейшая работа по расширению объемов внедрения технологии подачи реагентов-собирателей в. пульпу при флотации угольных шламов была направлена на разработку документации для создания опытной партии испарителей флотореагентов. При участии автора разработано техническое задание, комплект документации и выпущена опытная партия оборудования.
Испарители флотационного реагента рекомендованы к использованию Постановлением Совета Министров УССР > 272 от Ц июля 1985 года как оборудование, способствующее экономии топливно-энергетических ресурсов.
Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой дано новое решение актуальной задачи создания технологии обработки флотируемых минералов реагентами-собирателями аполярного типа, включающей их подачу в парообразном виде в пульпу перед флотацией.