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20世纪浓缩技术发展史

综 述

20世纪浓缩技术发展史

F 康 查 等

摘 要 本文评述了20世纪浓缩技术的理论与实践的发展进程。从早期设计的道尔型浓缩机开始,全面地叙述了在实验室研

究与工厂生产实践中浓缩工艺取得的进展。详细介绍了Coe 和Clevengey 、Comings 和Kynch 在这一领域中的重要贡献,以及几位学者在为提出沉积法的唯象理论方面的研究成果。介绍了几种著名浓缩机的设计方法,并详细论述了作者在这方面作出的贡献。最后还简要介绍了几个新的研究和开发项目,如大容量和高密度浓缩机,以及几种用于研究和设计浓缩机的新手段。

关键词 20世纪 浓缩工艺 研究与发展 历史回顾

1 道尔型浓缩机的发明

澄清与浓缩都涉及到一种呈固体微粒形式的物质,它是固体微粒在第二种呈液体形式的物质中的沉降过程。澄清过程涉及的是一些很稀的悬浮液,但浓缩过程则是为了产出较浓的矿浆。也许正是由于这一原因,使得澄清成为这些作业中第一个适于数学表达的过程。Hazen 在1904年进行的研究工作,第一次分析了影响固体颗粒在从稀水悬浮液中沉降的一些因素。H azen 的分析结果表明,在设计澄清槽时,滞留时间并不是一个重要因素,而宁可说是与澄清槽表面积成正比的除去的固体份额,才是与固体物质的沉降性能有直接的关系,并且与通过澄清槽的流速成反比。

1905年发明的道尔型浓缩机,可看作是现代浓缩技术发展时期的起点。它使稀矿浆连续脱水成为可能,即在澄清液溢出的同时,有规则地排出均匀密度的稠浓矿浆。由一套合适机构驱动的刮板或耙子,在槽底的上方缓慢地旋转,这种槽子一般都朝着中心逐渐倾斜,使得物料在没有很大搅动而干扰沉降的条件下,尽快地随着它的沉降而移动(图1)。

1908年第一次谈到了影响沉积过程的变量。几位作者,如Nichols 、Forbes 、Clark 、Fyee 和Ralston 研究了固体和电解液的浓度、絮凝度和温度对沉积过程的影响。

墨西哥索诺拉沙漠地区的T igy e 矿业公司选矿厂的一位工程师和负责人M ishley 于1912年,第一

次通过试验验证,对于稀的和浓的悬浮液来说,矿泥

的沉降速率是不同的。

图1 最初的道尔型浓缩机

虽然稀矿泥的沉降速度通常都与沉降室的深度无关,但浓稠矿泥的沉积速率却是随着沉降室的深度而提高。

M ishley 借助实验室连续浓缩机的试验结果,推导出以下公式:

UA=

S F =D F -D D f V s (D F )

(1)式中:UA -每单位流速所需的面积;S -浓缩机的

横截面积,F -给料流速; f -流体密度;V f -在使用初始稀度(D f )给料的分批沉降试验中,上清液的外观速度;D D -所需的底流稀度(稀度被定义为在一种悬浮液中水与固体的比值)。

根据Clayk 的结果,及他们自己的试验,Coe 和Cleveng er 认识到,最初均匀的絮凝体悬浮液在沉降过程,产生了4个沉降区域。从顶端到底部它们划分为以下几个区域(见图2):A 是澄清水区域,B 是

恒定初始浓度区域,C 是可变浓度的过渡区域,D 是

压缩区。

图2 可压缩矿浆的分批沉降情况

1916年Coe 和Clevengey 声称,在浓缩机中给

料与卸料浓度之间的某一稀度(D K )时,固体的输送能力(现在称之为固体通量密度)达到一个最大值。他们提出了一个类似于方程式(1)的式(2),但用极限稀度D K 代替给料稀度D F 的下列方程式:

UA =D K -D D

f V f (D K )

(2)

这一方程中的符号与方程(1)中的符号有着同样的含义。Coe 和Clevengey 介绍了通过分批试验的方法测定极限稀度。经过某些修正后的方程(2),至今仍是一种最可靠的浓缩机设计方法。

几位作者通过扩展的Stokes 方程式或是通过一种经验模型描述了悬浮液的沉降情况,但直至20世纪40年代,对浓缩工艺都没作出更多的贡献。在一篇评述性论文中,Stewart 和Robefts 对在那个年代的浓缩工艺的技术发展水平提出了一个很好的概念:

基础理论是老的,并且一些限制因素和改进措施仍在继续努力,但只是部分地取得成功。尤其在絮凝的悬浮液方面,基础理论很不完整。虽可找到用于确定浓缩机尺寸的方法,但新型浓缩机的发明和开发工作,肯定在很大程度上决定于实践中观测到的很多重要现象,这是一个未曾报道过的新课题,只有进一步研究后才能得到很大的促进。!

2 连续浓缩机的操作变量

在Comings 发表了他的 碳酸钙稀浆液的浓缩!

论文后,在随后的10年间在美国伊利诺斯大学,在他的指导下至少完成了9项这方面的研究工作,主要探讨在连续浓缩过程中操作变数的影响。Com ings 及其同事在一篇重要论文中介绍了这些研究结果。他们证实了在一台连续浓缩机中有4个区域:

顶端为澄清区,其下为沉降区,再往下是上部的压缩区,以及底部为耙子操作区。第一次说明了在浓缩机操作过程中最重要的两个特点。首先是,对于一台处于稳定态的浓缩机来说,沉降区的浓度几乎是恒定的,并且它的浓度取决于固体给入浓缩机的速率,而不取决于给料的浓度。业已证明,在大多数情况下,给料在进入浓缩机时都会被稀释到一种未知的浓度。第二个是在同样的流速下,提高或降低沉积物的深度就能调节底流的浓度。

Robeyts 于1949年提出的一种经验假设,即不论什么时候,从一种受压的矿浆中排出水的速率,都是与留在沉积物中的水量成正比的。

D -

E ?=(D o -D ?)ex p (-K t )(3)

式中:D o 、D 和D ?分别代表在时间为o 、t 和无穷大

时矿浆的稀度。

方程式(3)有时被用于估算临界浓度。

3 沉积过程的运动学理论

Coe 和Clevengey 于1916年提出的设计程序,是20世纪前半期在沉积法研究方面取得的最有价

值的唯一的定量知识,它是建立在固体与液体在沉积容器中达到宏观平衡,以及观测在浓缩机中确定的不同浓度的基础上的。不存在基础的沉积理论。

1952年,英国伯明翰大学的一位数学家Kynch GJ 在他的一篇著名的 沉积理论!论文中,提出了一种基于浓度波在悬浮液中传播的沉积过程运动学理论。这种悬浮液被认为是一种连续介质,称之为理想的悬浮液,并且沉积过程是通过一种固相的连续性方程表示的:

t + f bk ( ) z =0,0#z #L t >0

(4)

式中: -固体的体积分数;f

bk (

)= V s 是能适合

流体阻力的固体通量密度函数,f bk(0)=f bk (

max )=

0和f bk ( )<0(对于0< < max );V s -固相速度。

方程(4)考虑到了合适的初值条件和边界条件。在标量守恒定律的几种解法中,如方程(4)在浓度与高度及时间的函数中出现了非连续性。在这些非连

续处,方程(4)不再有效,并已被跳跃条件 =?f bk %/? %所取代,式中 是非连续性的传播速度,? %代表从非连续性一侧跳入到另一侧的地界。

Kynch 理论的基础假设是,在流场中的任何一点,沉降速度都只是局部固体浓度的函数 。

Kynch 指出,如果悬浮液的通量密度函数的形式和初始浓度 (z ,0)都已知道,那么方程(4)的解就可通过特征曲线法得到,并且该法能说明整个沉积过程。

这篇论文对以后浓缩工艺的发展有着很大的影响。在Coning s 离开伊利诺斯大学到普尔杜大学后,那里的浓缩技术研究工作仍继续了十年。虽然Comings 很快又到了达拉华,但在普尔杜大学的研究工作仍在Paul Shannon 的指导下继续进行。在T ory 的一篇博士论文,以及Styoupe 和De Hass 的硕士论文中,都对Kynch 理论进行了分析和探讨。他们的研究结果都已发表在一系列合著中。玻璃珠试验结果证明Kynch 理论的正确性,已发表在Shannon 等人的论文中。分批沉降被认为是一种浓度波从沉降容器底部向上传播的过程。

Shannon 和T ory 首次提出了一台理想浓缩机的基本概念,并由Bustos 等人和Concha 及Bustos 进行了修改和补充。理想的浓缩机是一个在器壁上没有摩擦力的容器。对于分批沉积来说,理想浓缩机被称之为沉降室,而对于连续沉积来说,人们就将它称之为理想的连续浓缩机(见图3)

图3 理想浓缩机的基本原理图a-沉积柱;b-理想连续浓缩机

这种理想连续浓缩机有一个表面源作为给料,和一个表面水槽作为底流。

f F (t)=Q F (t) F (t)/S 和f D (t )=Q D (t ) D (t)/S

(5)

式中:Q F 和Q D 分别为矿浆的体积流速为 F 和 D ,并且也是在z =L 和z =0时的浓度;S -设备的横截面积。

如果q (t )被定义为在底流处每单位面积沉积容器的体积流速,那么对于连续沉积过程的Kynch 方程式为:

t + z

(q +f bk ( ))=0(6)Kynch 的理论是那样的成功,以致出现一种趋

势,要通过其它途径来扩大其有效性的研究。有几位作者,其中包括Fitch 和Font 都曾试图修改Kynch 的理论用于说明压缩效应。这项研究遇到了在这一理论范围内没法解决的几个问题。这样就需要有另一种不同的理论。

在20世纪80年代初期,来自智利康塞普西翁大学和德国达姆斯塔达工业大学,以及后来的德国斯图加特大学的数学家们与智利康塞普西翁大学冶金工程系合作,共同致力于守恒定律领域的研究。他们开始了一项关于沉积过程数学方面的综合研究。他们的研究结果已发表在Bustos 、Kunik 和Burg ey 等人的博士论文中,在Bustos 、Buyger 、Con cha 、Wendland 和其他试验人员撰写的论文中,以及在Bustos 等人编写的书刊和Burgey 的学位论文中。他们研究工作的第一步是为理想悬浮液(Kynch 理论)确定一个精确的概念。利用这种特征曲线法,Buston 和Concha,以及Concha 和Buston 作图得出了Kynch 问题的几个解,在这些情况下,恒定浓度区由几个缓冲带、稀疏波或是它们的联合形式分隔开。对于具有两个拐点的通量密度变化的情况,他们提出了五种沉积模式。他们的结果又在Buston 等人和Burg ey 与Tory 论文中的另外两种沉积模式中得到补充(图4和图5)。

对于理想悬浮液连续沉积的类似解法,也能通过特征曲线作图法提出。方程(6)的解法得出了三种连续沉积模式。欲要详细地和简要地了解弱解的作图方法,可分别参看Bustons 和Concha 论文。

在对解作图的基础上,Bustons 等人对理想悬浮液在理想的连续浓缩机中的连续沉积提出了一种简单的控制模式。业已证明,通过解出在已知时间内初始值和边界值的办法,及采用事先能算出的q 和 L 参数,在给料通量密度的扰动以后,某些稳态总是能恢复的。

Diehle 研究过横截面和边界条件可变的容器的影响。Diehl 的研究结果表明,在锥形容器的底部,悬浮液浓度提高了。Shannon 和Tory 以前也提到过浓度提高的现象。Burgey 等人指出,由于变化的横截面,特征曲线和等浓度线不相一致,为获得这些结果必须采用数值法。Chancelicy 等人在添加给料水平加一项后,将给料、排料和溢流机构当作通量密度函数的非连续性来处理,并因此而使边界条件没有必要。

图4 对于带有两个拐点的通量密度前三种可能的沉积模式

4 沉积过程的动力学理论

Yoshioka、H assett、Shannon和Scott等人都已证实,虽然Kynch理论能精确地预测一种等尺寸刚性小颗粒悬浮液的沉积行为,但对于可压缩的悬浮液来说情况却并非如此。

虽然Behl是第一位试图将固结理论用于解释可压缩矿浆的沉降过程的作者,但Mompei Shirato 及其同事1970年才是真正地解决了沉降-固结问题。利用物料座标,他们获得了沉降曲线和过量孔隙压力分布图。又过了5年,Adoryjan提出了沉积物压缩的特殊理论,获得了第一个令人满意的浓缩机设计方法。

几乎在同一时期,巴西有一批科研人员提出了表象学沉积理论。巴西在20世纪70年代进行了一项一般都是在流场中通过多孔介质进行的关于浓缩工艺的重要研究工作。在里约热内卢联合大学研究生学院,几位研究人员与硕士生们,都参与了新开发出的数学方法(连续介质力学混合理论)应用于微粒体系的研究工作。他们的研究结果都已在由M as sayani和他的课题组发起的,自1973年以来每年都举行的多孔介质学术研讨会上发表。这一系列活动在1996年已有了一个新的名称,叫做微粒体系巴西会议!。在这些会议上提交的论文都汇编在每年出版的年报上。

与巴西科研人员保持着密切联系的本文第一作者(F Concha),在智利康塞普西翁大学中也对同一方向进行着研究。初步的研究结果已由Bascur和Bayyientos发表在有关论文中,并在1980年在美国新罕布什尔召开的微粒技术工程基础研究会议上作过介绍。

Kos于1977年独立地采用混合理论,以便为分批和连续的沉积过程确定一个边界值问题。Thack ey和Lavelle将同样的理论用于研究不可压缩的悬浮液。在20世纪70年代末和80年代,几篇论文都指出,基于混合理论建立的表象学模型,该模型已很好地被国际学术界所认可。

沉积过程的表象学理论是建立在混合理论的基础上的。它是假定一种微粒体系是由服从下列流体阻力的两种重叠的连续介质组成的:

图5 对于带有两个拐点的通量密度的函数后4种可能的沉积模式

1)固体颗粒相对容器来说是很小的,并且颗粒

有着同样的密度、尺寸和形状;

2)固体和流体都是不可压缩的;

3)在组分之间没有物质传递;

4)重力是唯一的体积力。

对于一台理想的浓缩机来说,由局部的质量平

衡、动量平衡,及应力和作用力方程,可得出了下列

能描述絮凝悬浮液沉积过程的非线性退化抛物线微

分方程。

t+

z(q +f bk( ))=

z(-

f bk( )e( )

! g

z)

(7)

式中:q-平均体积速度的一个常数;f bk-分批的Kynch通量密度函数;e( )-固体有效应力。

为了完成动力学过程,必须假设f bk=f bk( )和e=e )函数为连续方程式,例如:

f bk=u? (1- / max)c

e

=

0对于 # c

0{( / c)n-1}对于 & c

(8)

当n>1和0>0

式中:u-单个絮团在一种无限介质中的沉降速度; max-能达到的最大浓度;c-大于1的数。

当 # c时,方程(7)还原到一阶双曲方程(连续kynch方程)。

t+

z(q +f bk( ))=0,对所有的0# # c

(9)

方程(9)表明,对于所有类型的可压缩的或不可

压缩的悬浮液来说,在其浓度低于临界值(Ky nch 范围)的区域,理想悬浮液的Ky nch 理论都是适用的。图6和图7

示出了用于处理铜尾矿时的这些函数。

图6

用于处理铜尾矿时的固体通量密度

图7 用于处理铜尾矿的固体有效应力

4 1 分批沉积

Burgey 和Burger 等人设计了几种用于解出方程(7)的数值法。这些数值法有着一种固有的性质,以恰如其分地再现解的不连续性,尤其是悬浮液-沉积物界面处,在那里没有必要详细追踪方程转换类型。也就是说,该方案有着所谓突跃捕获的性质。Burger 等人都已证实,这些方法能用于文献中报道过的几种分批沉积过程。图8示出了这些实例中的

一种情况。

图8 用于浮选尾矿的分批沉积方程的解

图9示出了用于连续沉降过程的一种解法。在以一定给料速度f F ?和底流速度q 1操作浓缩机以后,底流速度突然转变成q 2,随后又转变成q 3。过一会儿就调节给料速度以达到稳恒状态。在图9b 中,示出了沉积水平的变化情况,图9(d)示出了底

流浓度的变化情况,图9(a)示出了共轭浓度的变化

情况。

图9 在絮凝的悬浮液连续沉积过程中,在q (t)和f D (t)

阶跃变化的瞬态时,沉积物表面的动态特性曲线;

共轭浓度、等浓度线和排放浓度线

4 2 稳定态

将方程(7)看作是稳定态,那样就可获得适用于连续浓缩机稳定态的下列方程:

f =q +f bk ( ){1+ e ( )! g

z }f F =常数

q =f F

D

=常数(10)

对于稳定态来说,浓缩机中的固体通量密度与平均体积速度都是常数,并且是由外部确定的。

在进入浓缩机时悬浮液就被稀释到 (L)= L < c ,并且Kynch 方程是适用的。

f F =f ( (L ))=q L +f bk ( L )

(11)

共轭浓度 L 可由方程(11)算出或是由图10图解法得出。浓度梯度可通过对方程(10)从z ( D )=0到z c =z ( c )积分算出(见图11)

图10

适用于连续浓缩机的通量密度与浓度的函数关系

图11 连续浓缩机中的浓度分布图

5 浓缩机的设计

自Coe 和Clevengey 于1916年提出第一种浓缩机设计方法以来,已研制出很多种其它的设计方法,它们中大多数都是依据Ky nch 的沉积理论。Tal mage 和Fitch 制定了这种方法。他们声称,在一张沉降曲线图上有着设计一台浓缩机所需的所有信息。在沉降曲线图上,由水-悬浮液界面的斜率就可得出悬浮液的沉降速度,不同时段的斜率代表着在不同浓度时的沉降速度。他们就利用这一信息。结合Coe 和Clevengey 的方法,发明了他们的方法。Yoshioka 和Hassett 等人利用固体通量密度函数说明连续浓缩机的操作情况,并发明了一种浓缩机设计方法。虽然Kynch 的理论不适用于絮凝的悬浮

液(见下一节),但有些浓缩机生产厂商仍在使用和

推荐Talm age 和Fitch 的浓缩机设计方法。1975年,Adorjan 介绍了沉积物压缩的理论,提供了第一个令人满意的浓缩机设计方法。关于设计程序的详

细情况可参看Concha 和Bustos 等人的资料。

Bustos 于1999年指出,单位面积,也就是每日处理一定干固体物料的量所需的浓缩机面积,可由下式得出:

UA &max L

# #

D

G ( , D )(12)式中:G ( , D )=

1 s f bk (

)( D -1)

(13)

对于 L # # D

图12 表示UA 值的函数G( , D )

图12示出了在处理铜浮选尾矿的实例中,函数G ( , D )和UA 的数值。

在设计一台浓缩机时,所需质量的物料流速F = s f F /s 和底流浓度( D )、浓缩参数f bk 和固体与液体的密度( s 和 f )都是必须知道的。正如由图10可以看出,有了这些数值后,就能对任何一个 值计算G ( , D )函数。

在计算极大G ( , D )时出现的一个问题,就是在f

F

值已知以前还不知道共轭浓度 L ,并且为计

算这一项(f F =-F/ s S ),就必须知道S ,它是一个正在寻找的结果。所以这个问题仍是未确定的,并且为了解出它,必须假定一个 L 数值(例如 L =0 01)和算出在 L 和 D 范围内的UA 值。选定了这个UA 值后就算出了S 值,并能计算出f F 和q 值。有了这些数值就可利用式(10)算出浓缩机中的浓度分布图,并得出沉积物高度值z c 。

后面的几道设计程序就是为z c 选择一个数值(例如浓缩机高度L 值的20%)和迭代,变换S 值,

以获得修正后的单位面积(UA)。最后,得出的浓缩机直径接近下一个整数,并且重复模拟一次以得出共轭浓度、浓缩机面积和浓度分布图。

6 当前的研究课题和一些悬而未决的问题

20世纪在沉积-固结工艺的研究领域中获得的大部分理论和实践知识,都已用于所谓的常规浓缩机中。这些浓缩机有一些重要特点,就是它们的直径与高度比很大,以及给料矿浆在进入浓缩机时会被稀释。一些常规浓缩机的直径可能超过100 m。还有另外两种浓缩机,就是大容量和高密度浓缩机。前一种大容量浓缩机的特征是给料点位于沉积物中,通过这一措施,矿浆进入浓缩机时就提高了它的浓度,并且又避开了沉降区。高密度浓缩机则有着较大的高度/直径比。高度可达到20m,因而就得到高浓度的底流。

对大容量浓缩机可用与常规浓缩机同样的方式建立模型。1995年,本文的第一作者发表了第一篇关于这些类型浓缩机的模拟试验情况,但只是到了最近才对这个课题作了更多的研究工作。Chanceliey等人将浓缩机中的给料、卸料和溢流机构当作不连续通量密度函数处理。在给料水平上加一个源项后就有可能用同样的方程式处理常规的和大容量的浓缩机。至今只对几种理想的悬浮液进行过这方面的研究工作。适于处理絮凝悬浮液的浓缩机仍然没有。

虽然第一台大密度浓缩机早在1973年就已投入使用,但对这类设备的沉积-固结机理尚未作过详细研究。Chandley认为,在这类设备中沉积物的固结是由通过压实床层(致密床层)的通道引起的。还需要进行一些研究,以证实根据这种机理是否能得出与试验结果相一致的基本方程式。由于很多矿业公司都在倾向于以糊膏状形式处治尾矿,所以这些研究工作是很重要的。

几种新的手段最近已被用于分析沉积、固结工艺的研究和浓缩机的设计中。计算流体动力学方法(CFD)已被用于分析在给料井中的稀释作用和絮凝剂的分散作用,以及用于测定沉积物在耙子上的作用力。Quispe等人利用几个离散模型以模拟理想悬浮液的沉积过程,并预测它们的渗透性。

一些作者8年来通力合作,以求为固-液分离过程的一些数学模型列出方程,找到分析和数值解法。这些合作得到了德国研究基金会以及智利研究委员会和基金会的大力支持。

先前的一篇评述中已提到了作者的数学近似法用于沉积和浓缩工艺研究的优点。按照Tyuedell的说法,一种好的理论其特点就是它们本身的物理概念,在最初阶段是根据数学推导出来的,并且数学法能为这一理论建立出方程式和获得解。从这一点看,强烈退化的抛物线方程,例如方程(7)决不是数学法中的标准对象。事实上,数学法在絮凝悬浮液的固-液分离过程中的应用,已激起了强烈和真诚的新的数学研究意愿。一个很大的困难就是由于问题的非线性特性,因此不可能事先预测在哪里能找到由干涉沉降区向压缩区转换界面相对应的沉积水平。

对于一些与函数( )的不连续性有关的微妙的原因,如同前面已谈到的那样,甚至不可能说出这些方程跳跃条件。然而,由Burg ey等人进行的数学分析,以及由Evje和Karlsen进行的数值分析,都清楚地表明了由方程(7)定义的连续沉积模型,并且对合适的初始值和边界条件有着唯一解,而且几个比较简单的数值方案就有可能使这些解收敛。这意味着,它们能用于对用户友好的信得过的模拟工具中。作者将这一方法的明显优势归因于,由于退化,一个标量方程就能描述干扰沉降和沉积物的压缩区域,并且不需要追踪类型转换界面。这一点与其它模型是显然不同的。在其它模型中由于必须引入移动的边界条件,使处理过程极为复杂化。

作者投入很多精力进行研究,以期将连续沉降模型扩大用于其它的固-液分离过程中(如絮凝悬浮液的离心分离和加压过滤作业中)。

本文的论述只限于几种连续沉降的模型。在该模型中只有一个浓密区,物料的入口和出口限定了边界条件。正如图8所示,这些模型容易适合数学分析和数值模拟。然而,位于给料水平上方的澄清区仍然没有。对于连续沉降的最新模型就是几个所谓的澄清器-浓缩机模型,在该模型中浸没的给料源被当为一个单独的源项,它导致了通量密度函数的不连续变化。因此,现在有可能为这些机组处理理想的(非絮凝状的)悬浮液提供几种合理的数学和数值方法。

(张兴仁;雨 田)

(041001)

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