基于耗散结构理论的浮选柱分选优势分析

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征，结果表明，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TheAdvantageAnalysisoftheCycloneStaticMicrobubbleFlotationColumninthebaseofDissipativeStructureTheoryAbstract:Thecharacteristicsofthedynamicsystemsinmineralfloatingprocesswereanalyzedusingadissipativestructuretheory.Theresultsshowedthesystemformedadissipativestructureeasilyintheflotationcolumn.Andmore,usingtheflotationcolumnrecoveredmorethanusingtheflotationmachine.Forexample,thecyclonestaticmicrobubbleflotationcolumnwasappliedintheroughflotationthescheelite.Theconcentrategradeoftheflotationcolumnwasincreasedby2.72%andtherecoverywasincreasedby0.4%thanthatoftheflotationmachine.Inthesametime,thepowerconsumptionandthedosageofAluminumsulfateandGRYwasreduced.eywords：dissipativestructure;flotationcolumn;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研究后发现，在一个远离平衡的开放系统中（无论是力学的、物理的、化学的、生物的系统），如果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互相协调的作用，从而可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的结构，这种非平衡下的新的有序结构，普利高津等人把它称为耗散结构。这就是有名的耗散结构理论[1]。根据耗散结构理论，事物的发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)系统必须开放，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，在外界参量控制下达到某一临界值，使系统远离平衡态，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发展历史悠久、分选效率高、应用范围最广的重要方法，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非常复杂。浮选模型的研究虽然开展时间较长，但到目前为止，尚没有一个能够较好地概括浮选的影响因素，在实际应用上比较满意的理论模型[3]。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，根据Prigogine的耗散结构理论分析了浮选过程热力学和动力学特征，试图为深入认识和研究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，依赖疏水矿粒在空气—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一定动能运动；2)悬浮矿粒与浮选药剂作用，目的矿物颗粒表面的选择性疏水化；3)矿浆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[2]。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：sdsddsei，(1)式中：ds为系统的熵变化；sdi为系统内部的不可逆过程所引起的熵的增加，它的值恒为正；sde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：矿石矿粒悬浮药剂作用泡沫层矿粒气泡相互作用弥散成气泡精矿（水）空气尾矿（水）磨碎水搅拌槽矿化气泡上浮浮选药剂浮选槽图1浮选过程dtsddtsddtdsei(2)当0dtds时，矿浆系统处于定态；当0dtds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，系统的混乱度增大，sdi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(sde)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，最后稳定在比平衡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dtds为熵产率，并记为：Jxdtsdpi，(3)式中：J为广义流；x为广义力。可得熵产率的变化率为：dtpddtpddtdpjx，(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渐减小，当间距达到100nm左右时，各种表面力开始发生作用。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。在定态附近，可将J，S，p展成Taylor级数[5-6]JJJJ2021，（5）SSSS2021（6）PPPP2021（7）利用局域平衡假设，可得0S，于是称0221SSS为超熵，)21(2Sdtdxp为超熵产生。对于处于非线性区的开放系统，可以根据超熵S221来判断系统的稳定性，进而讨论矿浆体系在浮选过程中的能量耗散过程。1）0212S，0xp当矿浆处于湍流状态，以一定动能运动，浮选药剂刚刚加入，矿浆中气泡生成及弥散，吸附过程没有开始时，此时式(5)～(7)中的线性项起主导作用，0dtds，即外界对系统的非平衡约束相对较弱，系统尚处于稳定状态。2）0212S，0xp矿粒和气泡发生碰撞，矿粒与气泡的间距逐渐减小，各种表面力开始发生作用。式(5)～(7)中的非线性项上升到与线性项同等重要的地位，此时dtds接近0，系统处于临界状态。3)-0212S，0xp随着吸附过程的进行，一方面浮矿粒与浮选药剂作用，目的矿物颖粒表面选择性疏水化；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地位，改变了熵产率对系统总熵变率的影响，使形成耗散结构。3浮选柱分选的耗散结构特征分析浮选柱是20世纪六七十年代兴起的一种新型浮选设备，由于其在细粒分选、选择性分选方面所不可比拟的优势，在九十年代开始获得了广泛的应用与发展，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。旋流静态微泡柱主体为柱式结构，包括柱浮选、旋流分离、管流矿化三部分。柱浮选位于柱体上部，用于原料预分选，并借助其选择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，并通过高回收能力得到合格底流产品；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)实现充气并使空气均匀弥散为小于2mm的气泡；3)充气混合矿浆，以保证药剂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冲洗水精矿起泡剂空气循环矿浆气泡发生器尾矿旋流段浮选段入料图2旋流-静态微泡浮选柱要因素。按照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分配；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，足以阻止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，系统远离平衡态，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离的作用，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，并通过高回收能力得到合格尾矿；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（中矿分离）气泡发生器内高度紊流矿化（中矿分选）旋流扫选（分离把关）；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渐变差的趋势，弥补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，系统的混乱度逐步增大，sdi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离。由于浮选柱分选方式的不同，对于难选矿物的浮选、分离效果也会有所不同，下面是浮选柱在柿竹园钨粗选应用的效果实例。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Φ400mm×4800mm旋流-静态微泡浮选柱分选系统钨粗选分流工业试验，实验指标如表1所示。表1旋流-静态微泡浮选柱钨粗选分流实验与生产结果对比系统流程原矿（%）精矿（%）尾矿（%）回收率（%）品位产率品位产率品位产率浮选柱一粗一精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，采用一粗一精流程，旋流-静态微泡浮选柱尾矿品位与一粗三扫两精的浮选机尾矿相同，回收率机柱一致，但浮选柱精矿品位28.96为浮选机的近两倍。在分流工业实验基础上，设计采用一粗一精旋流-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。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由表中结果可以看出，采用旋流-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况下，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有效容积m3装机功率kw实耗功率kw浮选柱一粗一精Ф3600×8000Ф3200×7000119367247.02浮选机一粗三扫两精18槽JJF-8