Flotation, eine der am weitesten verbreiteten und wichtigsten Trenntechnologien in der modernen Mineralaufbereitungsindustrie, beruht stark auf der effizienten Vermischung und Interaktion der Gas-, Flüssigkeits- und Feststoffphasen innerhalb der Flotationszelle. Eine Flotationszelle ist mehr als nur ein einfacher Behälter; sie ist ein komplexer Mehrphasenströmungsreaktor, dessen Hauptaufgabe darin besteht, eine optimale Fluiddynamik für das Zusammentreffen, die Kollision, die Adhäsion und die Mineralisierung von hydrophoben Mineralpartikeln und Blasen zu erzeugen. Dieser Artikel befasst sich mit den beiden wichtigsten Operationen von Flotationszellen: Belüftung und Rühren. Er erklärt systematisch, wie diese beiden synergistischen Effekte eine „perfekte Vermischung“ der Gas-, Flüssigkeits- und Feststoffphasen erreichen und so eine effiziente und genaue Mineraltrennung gewährleisten.
一 Der Kern des Flotationsprozesses: das Wesen und das Ziel der Dreiphasenmischung
Das Wesen des Flotationsprozesses ist die Einleitung von Luft (Gasphase) in die Erzaufschlämmung (ein Flüssig-Feststoff-Zweiphasensystem). Durch physikalische und chemische Reaktionen lagern sich Zielmineralpartikel selektiv an Luftblasen an und bilden mineralisierte Blasen. Diese Blasen steigen an die Oberfläche der Aufschlämmung als Schaumschicht auf, die abgeschöpft wird, während Gangmineralien in der Aufschlämmung verbleiben und als Tailings abgeführt werden. Der Erfolg dieses Prozesses hängt direkt von den folgenden drei Bedingungen ab:
1 Effektive Suspension von Feststoffpartikeln:Ausreichendes Rühren muss sicherstellen, dass Erzpartikel unterschiedlicher Größe und Dichte gleichmäßig in der Aufschlämmung suspendiert sind, wodurch verhindert wird, dass sich grobe und schwere Partikel absetzen, und sichergestellt wird, dass alle Partikel die Möglichkeit haben, mit den Blasen in Kontakt zu treten.
2 Effektive Gasdispersion: Die eingebrachte Luft muss geschert und in eine große Anzahl winziger, angemessen großer Blasen zerlegt werden, die dann gleichmäßig in der gesamten Flotationszelle verteilt werden, um die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche und die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen Blasen und Erzpartikeln zu erhöhen.
3 Eine kontrollierbare hydrodynamische Umgebung:Die Flotationszelle muss eine ausreichende Turbulenz aufrechterhalten, um die Partikelsuspension und die Blasendispergierung zu fördern, während übermäßige Turbulenzen vermieden werden müssen, die zum Ablösen der anhaftenden Erzpartikel führen könnten. Es ist notwendig, ein Strömungsfeld im Trog zu konstruieren, das sowohl eine Zone mit hoher turbulenter kinetischer Energiedissipation (zur Förderung der Kollision) als auch eine relativ stabile Zone (zur Erleichterung des Aufsteigens von mineralisierten Blasen) aufweist.
Daher ist „perfektes Mischen“ keine einfache Homogenisierung, sondern bezieht sich auf die gleichmäßige Verteilung der drei Phasen auf der Makroebene und die Schaffung von kontrollierten Turbulenzen und Strömungsfeldstrukturen, die der selektiven Adhäsion von Partikeln und Blasen auf der Mikroebene förderlich sind.
二 Mechanisch gerührte Flotationszellen: Eine klassische Verschmelzung von Belüftung und Rühren.
Mechanisch gerührte Flotationszellen sind derzeit die am weitesten verbreitete Flotationsausrüstung. Ihre Kernkomponente, das Laufrad-Stator-System, kombiniert organisch die beiden Funktionen Belüftung und Rühren.
1. Rühren:Die Pump- und Wirbellaufräder des Laufrads, die von einem Motor angetrieben werden, drehen sich mit hoher Geschwindigkeit und funktionieren wie eine Pumpe, wodurch hauptsächlich die folgenden Rühreffekte erzielt werden:
Aufschlämmungszirkulation und -suspension:Die Drehung des Laufrads erzeugt eine starke Zentrifugalkraft, die die Aufschlämmung aus der Mitte ansaugt und radial oder axial ausstößt. Diese Pumpwirkung erzeugt eine komplexe Zirkulationsströmung innerhalb der Zelle, wodurch sichergestellt wird, dass die Aufschlämmung in Bewegung bleibt. Dadurch wird sichergestellt, dass dichte und große Partikel effektiv gerührt und in Schwebe gehalten werden.
Turbulenzgenerierung:Die Hochgeschwindigkeitsdrehung des Laufrads erzeugt einen starken Geschwindigkeitsgradienten und intensive Turbulenzen in der Umgebung (insbesondere an den Blattspitzen). Diese hochturbulente Zone ist der Hauptort für das Aufbrechen von Blasen und Partikel-Blasen-Kollisionen.
2. Belüftung: Selbstansaugung und Zwangslüftung.
Mechanisch gerührte Flotationszellen werden hauptsächlich nach der Belüftungsmethode kategorisiert: Selbstansaugung und Zwangslüftung (oder Belüftung-Rühren).
Selbstansaugende Flotationsmaschinen (wie das SF-Modell):verfügen über ein clever konstruiertes Laufrad, das beim Drehen einen Unterdruckbereich innerhalb der Laufradkammer erzeugt. Luft wird automatisch durch das Ansaugrohr angesaugt und innerhalb der Laufradkammer mit der Aufschlämmung vermischt. Diese Art von Flotationsmaschine bietet eine einfache Struktur und benötigt kein externes Gebläse.
Flotationsmaschine mit Zwangsluftzufuhr (wie Typ KYF):Durch ein externes Niederdruckgebläse wird Druckluft durch die hohle Laufrad-Hauptwelle oder unabhängige Rohre in den Laufradbereich gezwungen. Diese Methode kann die Luftmenge genau steuern, wird nicht von der Laufradgeschwindigkeit und dem Aufschlämmungspegel beeinflusst und hat eine stärkere Anpassungsfähigkeit an die Prozessbedingungen, insbesondere für große Flotationsmaschinen.
3. „Laufrad-Stator“-Synergieeffekt
Der Stator ist eine stationäre Komponente, die um das Laufrad herum installiert ist, normalerweise mit Leitschaufeln oder Öffnungen. Seine Synergie mit dem Laufrad ist entscheidend für das Erreichen von „perfektem Mischen“:
Strömungsstabilisierung und -führung:Die aus dem Laufrad mit hoher Geschwindigkeit ausgeworfene Aufschlämmungs-Luft-Mischströmung hat eine starke Tangentialgeschwindigkeitskomponente, die leicht riesige Wirbel im Tank bilden kann, was zu einer Instabilität der Flüssigkeitsoberfläche führt und die Stabilität der Schaumschicht beeinträchtigt. Die Leitschaufeln des Stators können diese Tangentialströmung effektiv in eine Radialströmung umwandeln, die der Dispergierung von Blasen und Partikeln förderlicher ist.
Förderung der Blasendispergierung:Durch den Strömungsstabilisierungseffekt des Stators können Blasen gleichmäßiger über das effektive Volumen des Flotationstanks verteilt werden, anstatt sich in bestimmten Bereichen zu konzentrieren.
Turbulenzen isolieren:Der Stator wirkt als „Energiebarriere“ und trennt den Bereich mit hoher Turbulenz in der Nähe des Laufrads vom Trennbereich und dem Schaumbereich am oberen Ende des Tanks, wodurch eine relativ ruhige und stabile Umgebung für das stabile Aufsteigen und die Anreicherung von mineralisierten Blasen geschaffen wird.
Die Hochgeschwindigkeitsdrehung des Laufrads bewirkt die Aufschlämmung und Gasabsorption/-zerkleinerung. Der Stator stabilisiert und lenkt dann die Strömung und erzeugt drei funktionell unterschiedliche Fluiddynamikzonen innerhalb des Tanks: eine hochturbulente Mischzone (in der Nähe des Laufrads), eine relativ stabile Trennzone (in der Mitte des Tanks) und eine weitgehend statische Schaumzone (auf der Oberfläche der Aufschlämmung). Dadurch wird eine effiziente Vermischung und geordnete Trennung von Gas-, Flüssigkeits- und Feststoffphasen erreicht.
三 Flotationssäule: Eine weitere intelligente Möglichkeit, die Dreiphasenmischung zu erreichen.
Im Gegensatz zur heftig turbulenten Umgebung von mechanisch gerührten Flotationszellen stellen Flotationssäulen eine alternative Designphilosophie dar, die die Dreiphasenmischung durch Gegenstromkontakt in einer relativ statischen Umgebung erreicht.
Der Belüftungskern – der Blasengenerator:Flotationssäulen haben keine mechanischen Rührwerke. Ihre Belüftungs- und Mischfunktionen basieren hauptsächlich auf einem Blasengenerator, der sich am Boden befindet. Der Blasengenerator verwendet Druckluft und nutzt mikroporöse Medien, Strahlströmung oder den Venturi-Effekt, um eine große Anzahl feiner Blasen innerhalb der Aufschlämmung zu erzeugen. Diese Mikroblasen sind der Schlüssel zur effizienten Erfassung feiner Mineralien durch die Flotationssäule.
Gegenstromkontaktmechanismus:Die Aufschlämmung wird von der oberen Mitte der Flotationssäule eingespeist und fließt langsam nach unten, während feine Blasen vom Boden erzeugt werden und langsam nach oben steigen. Dieser Gegenstromkontaktmechanismus bietet eine längere Interaktionszeit und eine höhere Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen Partikeln und Blasen.
Umgebung mit geringer Turbulenz:Die Flotationssäule hat keine sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Komponenten und behält eine geringe Turbulenz, laminare oder nahezu laminare Strömung bei. Diese „ruhige“ Umgebung reduziert das Ablösen von anhaftenden Mineralpartikeln erheblich und erleichtert die Rückgewinnung feiner und zerbrechlicher Mineralien erheblich.
Waschwassersystem:Am oberen Ende der Flotationssäule ist eine Waschwasservorrichtung installiert, um die in der Schaumschicht eingeschlossenen Gangartikeln effektiv abzuwaschen und so ein Konzentrat höherer Güte zu erhalten.
Die Flotationssäule erreicht durch ihre einzigartige Blasenerzeugungstechnologie und das Gegenstromkontaktverfahren einen effektiven Kontakt und die Trennung von Gas-, Flüssigkeits- und Feststoffphasen auf „sanftere“ Weise und zeigt eine hervorragende Leistung, insbesondere bei der Verarbeitung feinkörniger Materialien.
四 Technologieentwicklung und Optimierungsrichtung
Um ein perfekteres „Dreiphasenmischen“ zu erreichen, wird die Belüftungs- und Rührtechnologie des Flotationstanks noch verbessert:
Großmaßstab und Strömungsfeldoptimierung:Mit zunehmender Verarbeitungskapazität nimmt das Volumen der Flotationszellen zu. Derzeit sind ultragroße Flotationsmaschinen mit einer Kapazität von Hunderten von Kubikmetern in Betrieb. Dies stellt höhere Anforderungen an die Gestaltung der Laufrad-Stator-Struktur und die Strömungsfeldkontrolle. Numerische Simulationstechnologien wie die rechnergestützte Fluiddynamik (CFD) werden häufig verwendet, um die Geräteoptimierung zu leiten und eine gleichmäßige Partikelsuspension und Gasdispersion innerhalb der riesigen Zelle sicherzustellen.
Neue Laufräder und Statoren:Die Entwicklung verschiedener neuer Laufräder (wie rückwärts geneigte Schaufeln und mehrstufige Laufräder) und Statoren zielt darauf ab, eine größere Aufschlämmungspumpkapazität und eine idealere Blasendispergierung bei geringerem Energieverbrauch zu erreichen.
Intelligente Steuerung:Durch die Installation verschiedener Sensoren zur Echtzeitüberwachung von Parametern wie Aufschlämmungspegel, Schaumschichtdicke und Belüftung und die Kombination von maschinellem Sehen und Technologien der künstlichen Intelligenz zur Analyse des Schaumzustands wird eine automatische Optimierungssteuerung der Rührintensität und des Belüftungsvolumens erreicht. Dies ist eine Schlüsselrichtung zur Verbesserung der Flotationseffizienz und zur Entwicklung hin zur intelligenten Mineralaufbereitung.
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