МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ

Nazimko E., Corchevsky A., Druts I.
Донецкий национальный технический университет
Перевод: Куриленко Н.А.

Источник: Proceedings of XV International Congress of Coal Preparation. China. – 2006. – pр. 775-781.

Процесс обогащение включает частицы и их фазовые взаимодействия. Основываясь на взаимодействии частиц была разработана числовая модель процесса. Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными продемонстрировало достаточное сходство. Были обнаружены колебания тангенциальной скорости частицы в течение его скольжения вдоль поверхности пузырьков. Эта модель была применена для моделирования обезвоживания угля и для сухого обогащения.


Введение

Взаимодействие фаз лежит в основе большинства технологий обогащения. Типичными примерами могут служить взаимодействие воздушных пузырьков с реагентами и минералами при флотации, границы разделения твердое-жидкое при обезвоживании тонких углей, и т.п. Эти взаимодействия очень трудно исследовать, потому что они динамичны, либо закреплены за длинным массивом физико-химических факторов, а также имеют место в малых масштабах. Упомянутые выше процессы были традиционно изучены при помощи лабораторных экспериментов. Эти испытания однообразны и требую большого количества времени, при этом они могут быть не достаточно точны. Аналитические исследования приводят к идеализируемым результатам. Одной из мощных альтернатив, которая позволила бы решить проблему, является числовое моделирование. Оно комбинирует динамику, точность и рассмотрение процесса более детально. Эта модель основана на дискретных значениях. В данной работе будет рассматриваться компьютерная модель для моделирования кинетики фазового взаимодействия в течение процесса обогащения.


Ратификация модели

Проведен ряд компьютерных моделирований для накопления достаточного количества данных. Были проделаны следующие эксперименты: было исследовано всплывание воздушного пузырька относительно угла наклона ротора; было исследовано время пребывания угольной частицы на поверхности пузырька для различных поверхностей раздела и начальной формы; были зарегистрированы траектория, скорость и ускорение минеральной частицы в течение её взаимодействия с воздушным при различных условиях.


Моделирование вакуумной фильтрации угольного шлама

Процесс обезвоживания тонкого шлама подчиняется нескольким законам гидродинамики и носит естественный характер. Полагаясь на [7], на первой стадии концентрация твердых частиц пульпе мала, вода свободно движется между частицами, потому что осадок еще не был сформирован и существуют каналы, проводящие воду. Затем крупные частицы улавливаются фильтровальной тканью и накапливаются на ее поверхности. При формировании осадка постепенно увеличивается его гидравлическое сопротивление. Фактически этот осадок препятствует проникновению жидкости. Данный процесс был описан числовым моделированием.

Эта модель отражает стохастическое распределение частиц при возможный изменениях их размеров. Для компьютерной модели были заимствованы коэффициент трения, сопротивление вязкости и другие параметры, чтобы имитировать физические и реологические свойства угольной пульпы, проходящей через фильтровальную ткань.

На протяжении моделирования процесса сжатия и утолщения осадка были определены координаты частиц и велся контроль за их изменением во времени. Полученные данные обрабатывались с помощью специализированной программы, которая одинаковые векторы направления движения частиц разделяла на отдельные кластеры. Выявилось четыре группы кластеров, те, которые двигались вправо вверх, вправо вниз, слева вверх и вниз (Рис. 1). Анализ результатов моделирования продемонстрировал, что каналы изменяют свою форму на протяжении осаждения и сжатия твердой фазы.

Рисунок 1 - Формирование кластеров в течение 0.8 (слева) и 2 секунд (справа)


Отдельные точки на рисунке 1 соответствуют группам частиц, которые имитируют жидкость. Векторы отображают постепенное перемещение частиц. С практической точки зрения, наиболее представляющие интерес, являются нисходящие векторы, потому что они совпадают с направлением фильтрации. Изображения слева и справа на рисунке 1 указывают, что жидкие пучки перераспределяются в течении времени. В процессе фильтрации и накопления осадка происходит образование, пересечение и исчезновение таких пучков. В результате, некоторые часть воды изменяет свое направление движения справа налево, сжимается вплоть до перехода с нисходящего потока к восходящему. Это приводит к образованию тупиков и ловушек, задержке жидкости в осадке и уменьшению скорости фильтрации. Тупики и ловушки могут быть уничтожены за счет изменению кластерной мозаики, что в конечном счете освобождает воду. Таким образом, каналы изменяют проницаемость осадка в течение его осаждения и уплотнения.

Моделирование продемонстрировало процесс фильтрации жидкости поочередно в пространстве и во времени. Движение воды в определенной области может препятствовать ее движению в смежной области. Однако эта ситуация, возможно, в конечном счете, вызвана за счет кластерного образования осадка и его взаимодействий при гидравлическом перепаде давления. Моделирование показало для того, чтобы повысить эффективность фильтрации осадка, на него должны быть наложены динамические нагрузки, т.к. тангенциальное напряжение избавляет его от тупиков и ловушек в порах.


Список литературы

1. Cundall, P.A., Strack, O.D.L. A discrete numerical model for grannular assemblies. Geotechnique. – vol. 29, no.1. – 1979. – pp. 47–65.

2. Bathurst, R.J., Rothenburg, L. Observations on stress-force-fabric relationships in idealized grannular media. Mech. of Mat., vol. 9. – 1990. – pp. 65–80.

3. Bruno, M. S. et al. Some influences of saturation and fluid flow on sand production: Laboratory and Discrete Element Model Investigations. SPE 36534. Proceedings 1996 SPE Ann. Tech. Conf., Denver, Colorado, 6–9 October. – 1996. – pp. 447–461.

4. Garkovenko E.E. et al. Features of fine coal materials flotation and dewatering. Donetsk. – 2002. – 266 p. Russian text.

5. Emelyanov D. S. Coal flotation basics. Kharkov University. Kharkov. – 1958. – 216 p. Russian text.

6. Whelan, P. F., Brown, D. J. Particle-Bubble Attachment in Froth Flotation. Bull. Inst. Min. a. Met., No 591, 593 (1956).

7. Jujikov V.A.. Filtration. Theory and practice of suspensions separation. Moscow. Chemistry. – 1980. – 398p. Russian text.