2022年基于耗散结构理论的浮选柱分选优势研究.docx

精品学习资源基于耗散结构理论的旋流静态微泡浮选柱分选优势分析摘要： 利用耗散结构理论分析了浮选柱设备下矿物浮选的动力学特点，结果说明，使用旋流静态微泡浮选柱比浮选机更有利于形成耗散结构，从而有利于提高矿物回收率；通过钨粗选的应用实例证明，使用旋流静态微泡浮选柱比浮选机精矿品位提高了2.72 个百分点，回收率比浮选机提高0.4 个百分点，同时降低了电耗和硫酸铝、GYR 药剂的用量；关键词： 耗散结构 浮选柱 熵The Advantage Analysis of the Cyclone Static Microbubble Flotation Column in the base of Dissipative Structure TheoryAbstract: The characteristicsof the dynamic systems in mineral floatingprocess were analyzed using a dissipative structure theory. The results showedthe system formed a dissipative structure easily in the flotation column. And more, using the flotation column recovered more than using the flotation machine. For example, the cyclone static microbubble flotation column was applied in the rough flotation the scheelite. The concentrate grade of the flotation column was increased by 2.72% and the recovery was increased by 0.4% than that of the flotation machine. In the sametime, the power consumption and the dosage of Aluminum sulfate and GRY was reduced.eywords： dissipative structure ； flotation column ； entropy1. 前言1969 年，布鲁塞尔学派领导人比利时的普利高津教授经多年的争论后发现，在一个远离平稳的开放系统中 <无论是力学的、物理的、化学的、生物的系统），假如外界条件变化达到某一特定阈值时，系统内部的量变可能引起质变，系统通过不断与外界交换能量和分子后，会自动产生一种自组织现象，组成系统的各子系统会形成一种相互和谐的作用，从而可能从原先的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的结构，这种非平稳下的新的有序结构， 普利高津等人把它称为耗散结构；这就是出名的耗散结构理论 1 ；依据耗散结构理论，事物的进展过程是一个不断形成新的耗散结构的过程；耗散结构形成必需的内外条件为2 ： 1>系统必需开放，与外界进行物质、能量交换以引人负熵流；2>内部各元素之间存在非线性协同作用和相干效应； 3>系统存在涨落，在外界参量掌握下达到某一临界值，使系统远离平稳态，形 成新的耗散结构；2. 矿物浮选过程及其耗散结构分析2.1 矿物浮选过程泡沫浮选是矿物加工方面进展历史悠久、分选效率高、应用范畴最广的重要方法，但泡沫浮选过程是一个复杂的物理化学过程，影响因素是多方面的， 诸如原料的矿物组成、化学组成、粒度组成、药剂制度、浮选机的工作特性、浮选过程的操作因素等；因此模拟一个浮选过程特别复杂；浮选模型的争论虽欢迎下载精品学习资源然开展时间较长，但到目前为止，尚没有一个能够较好地概括浮选的影响因3素，在实际应用上比较中意的理论模型；本文把矿浆体系看成是一个与环境 有能质 交换 和能 量耗 散， 具 有非 线性动力 学机 制的 热力 学系 统， 依据Prigogine的耗散结构理论分析了浮选过程热力学和动力学特点，试图为深化熟悉和争论矿物泡沫浮选的运动规律探讨一条新途径；矿物浮选过程是利用矿物颗粒润湿性的差异，依靠疏水矿粒在空气水界 面的有效富集；图1 是浮选过程的框图，由图 1 可见，泡沫浮选主要包括以下单元过程： 1>充分搅拌使矿浆处于湍流状态，以保证矿粒悬浮并以肯定动能运动； 2>悬浮矿粒与浮选药剂作用，目的矿物颗粒表面的挑选性疏水化；3>矿浆2中气泡的发生及弥散； 4>矿粒与气泡的接触； 5>疏水矿粒在气泡上的黏附，矿化气泡的形成； 6>矿化气泡的上浮，精矿泡沫层的形成及排出；欢迎下载精品学习资源浮选药剂精矿 <水）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源水矿石磨碎搅拌槽矿粒悬浮药剂作用泡沫层矿化气泡上浮矿粒气泡相互作用浮选槽弥散成气泡欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源空气图 1 浮选过程尾矿 <水）欢迎下载精品学习资源2.2 矿物浮选耗散结构进行浮选的矿浆体系是一个不断与外界有能量和物质交换的开放系统；对于开放系统：，1>式中：为系统的熵变化；为系统内部的不行逆过程所引起的熵的增加，它的值恒为正；为系统与环境交换物质和能量所引起的熵流，它可为正、负或零 4 ；开放系统的熵变方程为：欢迎下载精品学习资源2>当时，矿浆系统处于定态；当时，矿浆系统处于浮选状态； 在矿浆系统中，由于矿浆处于湍流状态，系统的纷乱度增大，为正值，浮选药剂和空气的不断输人，即系统从环境吸人负熵流>抵消了内部的熵增加，同时由于悬浮矿粒与浮选药剂作用，吸附作用的产生使得系统的熵进一步降低，有序度不断提高，最终稳固在比平稳态的熵总值更低的新的有序状 态，形成耗散结构；在热力学中，称为熵产率，并记为：，3>式中： J 为广义流； x 为广义力；可得熵产率的变化率为：，4>式中：第 1 项与广义力的变化有关，第 2 项与广义流的变化有关；在浮选过程中，矿粒与气泡的黏着被看做是最基本行为，在碰撞过程中，矿粒与气泡的间距逐步减小，当间距达到100 nm 左右时，各种表面力开头发生5-6作用；在浮选过程中，主要的表面力是分子力、双电层作用力、疏水作用力及溶剂化膜作用力；在定态邻近，可将 J， S， p 展成 Taylor级数，<5）<6 ）<7）利 用 局 域 平 衡 假 设 ， 可 得， 于 是 称为 超 熵 ， 为超熵产生；对于处于非线性区的开放系统，可以依据超熵来判定系统的稳固性， 进而争论矿浆体系在浮选过程中的能量耗散过程；欢迎下载精品学习资源1），当矿浆处于湍流状态，以肯定动能运动，浮选药剂刚刚加入，矿浆中气泡 生成及弥散，吸附过程没有开头时，此时式5> 7> 中的线性项起主导作用，即外界对系统的非平稳约束相对较弱，系统尚处于稳固状态；2），矿粒和气泡发生碰撞，矿粒与气泡的间距逐步减小，各种表面力开头发生作用；式 5> 7> 中的非线性项上升到与线性项同等重要的位置，此时接近 0，系统处于临界状态；3>-，随着吸附过程的进行，一方面浮矿粒与浮选药剂作用，目的矿物颖粒表面挑选性疏水化；另一方面疏水矿粒在气泡上翻附，矿化气泡形成；然后矿化气泡浮升，精矿泡沫层形成及排出；此时系统内超熵的作用上升到主导位置，转变了熵产率对系统总熵变率的影响，使形成耗散结构；欢迎下载精品学习资源3 浮选柱分选的耗散结构特点分析浮选柱是 20 世纪六七十岁月兴起的一种新型浮选设备，由于其在细粒分选、挑选性分选方面所不行比拟的优势，在九十岁月开头获得了广泛的应用与进展，大有取代浮选机之势；旋流静态微泡浮选柱即是在近年兴起的一种高效的新型浮选柱；浮选精矿段冲洗水入料起泡剂 空气欢迎下载精品学习资源旋流静态微泡柱主体为柱式结构，包旋流括柱浮选、旋流分别、管流矿化三部分； 段柱浮选位于柱体上部，用于原料预分选， 并借助其挑选性优势得到高质量泡沫；旋流分选位于柱浮选下部，用于柱浮选的进一步分选，并通过高回收才能得到合格底气泡发生器循环矿浆尾矿图2 旋流- 静态微泡浮选柱欢迎下载精品学习资源流产品；管流矿化是在引入气体并形成微泡的基础上，它用于旋流分选的进一步分选并沿切向与旋流分选相连形成循环；大多数浮选过程是在湍流或局部湍流中进行的，旋流静态微泡浮选柱充分利用了湍流的分选过程，湍流的主要作用为：1>实现矿粒在矿浆中的悬浮； 2>实现充气并使空气匀称弥散为小于2 mm的气泡； 3>充气混合矿浆，以保证药剂欢迎下载精品学习资源的分散和混和及矿粒与气泡的碰撞；另一方面，湍流又是破坏矿粒一气泡联合体的主要因素；依据浮选作用机理浮选过程可分解为4 个子过程； 1>矿粒与气泡碰撞和附着； 2>泡沫与矿浆之间进行物质交换和安排；3>矿粒从气泡上脱落； 4>精矿泡沫排除槽外等；顺粒和气泡发生碰撞后，只有那些表面疏水的颗粒，并且其黏附强度超过某一个特定阈值，足以阻挡浮选梢内流体动力学的破坏作用，才能黏附到气泡上，使体系的熵值减小，系统远离平稳态，形成新的耗散结构；与传统的浮选机的分选方式不同，旋流静态微泡浮选柱实现了三种矿化方式的梯级组合；柱浮选用于原料预选，通过喷淋水的加入，引入负熵流，有利 于形成耗散结构，对泡沫中的非目的矿物起到有效分别的作用，从而得到高质 量精矿；旋流分选用于柱浮选中矿的进一步分选，并通过高回收才能得到合格 尾矿；管流矿化用于旋流分选的进一步分选并形成循环；该分选矿化过程的特 点是，随着分选过程的进行，易浮选的物料会优先浮出，物料的可浮性越来越 差；与此同时，该过程构建了塞流- 旋流- 管流的矿化分选环境，流体的紊流度不断增加并且实现了内部循环，这样提高了颗粒与气泡碰撞矿化的概率与强度，从而实现了可浮性较差物料的分选；对于整个分选过程而言，循环分选链为：旋流预选<中矿分别）气泡发生器内高度紊流矿化 <中矿分选）旋流扫选 <分别把关）；分选条件依次为： 层流 旋流管流；分选环境逐步得到加强，矿化效率逐步提高，适应了物料性质随着矿化反应过程而逐步变差的趋势，补偿了浮选机设备单一矿化条件的不足，即用多重高效矿化方式去处理难浮物料是提高整个矿化效率的关键；因 此，在浮选柱矿浆系统中，由层流旋流管流，矿浆处于不同湍流状态，系统的纷乱度逐步增大，为正值，系统的熵不断增加，从而实现不同可浮性物料的有效回收与分别；由于浮选柱分选方式的不同，对于难选矿物的浮选、分别成效也会有所不同，下面是浮选柱在柿竹园钨粗选应用的成效实例；4. 应用实例以湖南柿竹园有色金属公司钨粗选为例，在柿竹园有色金属公司千吨选矿厂完成了 400mm× 4800mm旋流 - 静态微泡浮选柱分选系统钨粗选分流工业试验，试验指标如表 1 所示；表 1 旋流 -静态微泡浮选柱钨粗选分流试验与生产结果对比原矿<%）精矿 <%）尾矿 <%）回收率欢迎下载精品学习资源系统流程品位产率品位产率品位产率<%）欢迎下载精品学习资源浮选柱一粗一精0.49100.0028.961.190.1498.8170.80浮选机一粗三扫两精0.47100.0015.122.190.1497.8170.05由结果可以看出，采纳一粗一精流程，旋流- 静态微泡浮选柱尾矿品位与一欢迎下载精品学习资源粗三扫两精的浮选机尾矿相同，回收率机柱一样，但浮选柱精矿品位28.96为浮选机的近两倍；在分流工业试验基础上，设计采纳一粗一精旋流- 静态微泡浮选柱，取代千吨选厂浮选机钨粗选工艺流程，经过9 个多月的工业生产，证明旋流- 静态微泡浮选柱与浮选机相比具有较大的优势，机柱生产指标的对比如表2 所示；由表中结果可以看出，采纳旋流- 静态微泡浮选柱用于柿竹园钨粗选作业，在原矿品位降低的情形下，精矿品位比浮选机大幅度提高，提高了2.72 个百分点，尾矿品位也有较大降低，回收率比浮选机提高0.4 个百分点；旋流- 静态微泡浮选柱钨粗选系统与浮选机的主要参数比较如表3 及表 4 所示；表 3 钨粗选系统机柱主要参数比较表系统流程设备浮选柱一粗一精有效容积m3119装机功率kw实耗功率kw浮选机一粗三扫两精 3600× 8000 3200× 700018 槽 JJF-8367247.02144511.5365.52表 4 钨粗选系统药剂消耗比较表<t）表 2 柿竹园钨粗选浮选柱与浮选机主要指标对比表系统原矿 <%）精矿 <%）尾矿 <%）回收率 <%）处理量 T05 年 1-6 月浮选机0.4439.020.11674.7725916705 年 7-06 年 3 月浮选柱0.42812.300.10975.15352030时间硝酸铅水玻璃硫酸铝GYBGYR浮选机1-6 月439.94.5886.8321.05111.0浮选柱7-12 月4753.06630.18318.0837.04由表 3 结果可以看出，采纳旋流 - 静态微泡浮选柱不仅简化了钨粗选流程， 有利于操作，而且耗电量大幅度削减；表4 结果也可以看出，在药剂消耗方面，除硝酸铅略有增大之外，其它药剂用量均有削减，特殊是硫酸铝及GYR的用量有大幅度降低；依据以上结果，应用耗散结构理论与动力学理论分析如下：1） 在浮选柱中，静态化的预浮选部分以及喷淋水的加人引进负熵流，有利于形成耗散结构，对泡沫中的非目的矿物起到了有效的分别作用，能降低精矿中的其它非目的矿物的含量，而这都是浮选机所不具有的，因此使用浮选柱可明显提高精矿品位；2） 通过射流成泡与管流矿化，浮选柱较浮选机产生的气泡多，能产生的有效泡沫层厚度较高，矿粒与泡沫附着率较高，可浮性较好，有利于降低药剂用量；3） 浮选柱更简单形成耗散结构，不同的分选方式使不同可浮性矿物颗粒处欢迎下载精品学习资源于不同的湍流状态，直至矿粒与气泡稳固粘附与上浮；从而得到比浮选机更高的矿物回收率；5. 结论<1）进行浮选的矿浆体系是一个开放系统，开头时矿浆处于湍流状态，系统的纷乱度增大，随着浮选药剂和空气的不断输入，系统从环境吸入负熵流， 同时由于悬浮矿粒与浮选药剂作用，使得系统的熵降低，有序度不断提高，最终稳固在比平稳态的熵总值低的新的有序状态，形成耗散结构 .旋流<2）旋流静态微泡浮选柱分选条件依次为：层流管流，分选环境逐步得到加强，矿化效率逐步提高，适应了物料性质随着矿化反应过程而逐步变差的趋势，补偿了浮选机设备单一矿化条件的不足；通过采纳不同分选方式组合，浮选柱比浮选机更有利于形成耗散结构，从而提高矿物分选成效；<3）以湖南柿竹园有色金属公司钨粗选为例，使用旋流静态微泡浮选柱比浮选机精矿品位提高了 2.72 个百分点，回收率比浮选机提高0.4 个百分点，同时降低了电耗和硫酸铝、 GYR药剂的用量；参考文献1 张大友 .用耗散结构理论质疑学校的封闭式治理J.钦州师范高等专科学校校报. 2006, 212>:91-93.2 冯莉，刘炯天，王永田，等.矿物浮选过程的耗散结构分析.中国矿业高校学报. 2006, 356>:722-726.3 王淀佐，卢寿慈，陈清如，等.矿物加工学M.徐州：中国矿业高校出版社，2003:198-209,314-3224 吴越 , 杨向光 . 在非平稳态热力学的基础上探究建立催化理论的新途径J.化学进展，2003,152>:81-91.5 张明青，刘炯天，韩宝平，等. 选煤系统的耗散结构特点J.中国矿业高校学报， 2005, 346>:735-739.6 齐茂展，王立，倪学梓. 流化床非平稳态热力学分析模J.清华高校学报 : 自然科学版， 1998, 385>:15-18.欢迎下载