A flotação, uma das tecnologias de separação mais amplamente utilizadas e essenciais na moderna indústria de processamento mineral, depende fortemente da mistura e interação eficientes das fases gasosa, líquida e sólida dentro da célula de flotação. Uma célula de flotação é mais do que um simples recipiente; é um reator complexo de fluxo multifásico cuja missão principal é criar dinâmica de fluidos ideal para o encontro, colisão, adesão e mineralização de partículas minerais hidrofóbicas e bolhas. Este artigo irá aprofundar as duas operações principais das células de flotação: aeração e agitação. Ele explicará sistematicamente como esses dois efeitos sinérgicos alcançam a "mistura perfeita" das fases gasosa, líquida e sólida, garantindo uma separação mineral eficiente e precisa.
一 O cerne do processo de flotação: a essência e o objetivo da mistura trifásica
A essência do processo de flotação é a introdução de ar (fase gasosa) na polpa de minério (um sistema bifásico líquido-sólido). Através de reações físicas e químicas, as partículas minerais alvo se aderem seletivamente às bolhas de ar, formando bolhas mineralizadas. Essas bolhas sobem à superfície da polpa como uma camada de espuma que é raspada, enquanto os minerais de ganga permanecem na polpa e são descarregados como rejeitos. O sucesso deste processo depende diretamente das três condições a seguir:
1 Suspensão eficaz de partículas sólidas:Agitação adequada deve garantir que as partículas de minério de vários tamanhos e densidades sejam suspensas uniformemente na polpa, impedindo que partículas grossas e pesadas se depositem e garantindo que todas as partículas tenham a oportunidade de entrar em contato com as bolhas.
2 Dispersão eficaz do gás: O ar introduzido deve ser cisalhado e quebrado em um grande número de bolhas minúsculas e de tamanho apropriado, que são então dispersas uniformemente por toda a célula de flotação para aumentar a interface gás-líquido e a probabilidade de colisão entre bolhas e partículas de minério.
3 Um ambiente hidrodinâmico controlável:A célula de flotação deve manter turbulência suficiente para promover a suspensão de partículas e a dispersão de bolhas, evitando turbulência excessiva que possa causar o desprendimento de partículas de minério aderidas. É necessário construir um campo de fluxo na calha que tenha uma zona de alta dissipação de energia cinética turbulenta (para promover a colisão) e uma zona relativamente estável (para facilitar a flutuação de bolhas mineralizadas).
Portanto, a "mistura perfeita" não é uma simples homogeneização, mas se refere à distribuição uniforme das três fases no nível macro e à criação de turbulência controlada e estruturas de campo de fluxo que são propícias à adesão seletiva de partículas e bolhas no nível micro.
二 Células de Flotação Agitadas Mecanicamente: Uma Fusão Clássica de Aeração e Agitação.
As células de flotação agitadas mecanicamente são atualmente os equipamentos de flotação mais amplamente utilizados. Seu componente principal, o sistema rotor-estator, combina organicamente as duas funções de aeração e agitação.
1. Agitação:Os rotores de bombeamento e vortexing do impulsor, acionados por um motor, giram em alta velocidade, funcionando como uma bomba, alcançando principalmente os seguintes efeitos de agitação:
Circulação e Suspensão da Polpa:A rotação do impulsor gera uma poderosa força centrífuga, puxando a polpa do centro e ejetando-a radialmente ou axialmente. Essa ação de bombeamento cria um fluxo circulante complexo dentro da célula, garantindo que a polpa permaneça em movimento. Isso garante que partículas densas e grandes sejam efetivamente agitadas e mantidas suspensas.
Geração de Turbulência:A rotação em alta velocidade do impulsor cria um gradiente de velocidade acentuado e turbulência intensa na área circundante (particularmente nas pontas das pás). Essa zona altamente turbulenta é o local principal para a quebra de bolhas e colisões partícula-bolha.
2. Aeração: Autoaspiração e Aeração Forçada.
As células de flotação agitadas mecanicamente são categorizadas principalmente pelo método de aeração: autoaspiração e aeração forçada (ou aeração-agitação).
Máquinas de flotação autoaspirantes (como o modelo SF):apresentam um impulsor inteligentemente projetado que cria uma zona de pressão negativa dentro da câmara do impulsor à medida que gira. O ar é automaticamente aspirado através do tubo de sucção e misturado com a polpa dentro da câmara do impulsor. Este tipo de máquina de flotação oferece uma estrutura simples e não requer um soprador externo.
Máquina de flotação com fornecimento de ar forçado (como o tipo KYF):Através de um soprador externo de baixa pressão, o ar comprimido é forçado para a área do impulsor através do eixo principal oco do impulsor ou tubos independentes. Este método pode controlar com precisão a quantidade de ar, não é afetado pela velocidade do impulsor e pelo nível da polpa, e tem uma adaptabilidade mais forte às condições do processo, especialmente adequado para grandes máquinas de flotação.
3. Efeito sinérgico "rotor-estator"
O estator é um componente estacionário instalado ao redor do impulsor, geralmente com palhetas guia ou aberturas. Sua sinergia com o impulsor é crucial para alcançar a "mistura perfeita":
Estabilização e orientação do fluxo:O fluxo misto polpa-ar lançado do impulsor em alta velocidade tem um forte componente de velocidade tangencial, que pode facilmente formar enormes vórtices no tanque, causando instabilidade da superfície do líquido e afetando a estabilidade da camada de espuma. As palhetas guia do estator podem converter efetivamente este fluxo tangencial em um fluxo radial que é mais propício à dispersão de bolhas e partículas.
Promover a dispersão de bolhas:Através do efeito de estabilização do fluxo do estator, as bolhas podem ser distribuídas de forma mais uniforme por todo o volume efetivo do tanque de flotação, em vez de concentradas em certas áreas.
Isolar a turbulência:O estator atua como uma "barreira de energia", separando a área de alta turbulência perto do impulsor da área de separação e da área de espuma na parte superior do tanque, criando um ambiente relativamente calmo e estável para a flutuação estável e o enriquecimento de bolhas mineralizadas.
A rotação em alta velocidade do impulsor realiza a suspensão da polpa e a absorção/trituração do gás. O estator então estabiliza e guia o fluxo, criando três zonas dinâmicas de fluido funcionalmente distintas dentro do tanque: uma zona de mistura altamente turbulenta (perto do impulsor), uma zona de separação relativamente estável (no meio do tanque) e uma zona de espuma em grande parte estática (na superfície da polpa). Isso alcança uma mistura eficiente e separação ordenada das fases gasosa, líquida e sólida.
三 Coluna de Flotação: Outra Forma Inteligente de Alcançar a Mistura Trifásica.
Ao contrário do ambiente violentamente turbulento das células de flotação agitadas mecanicamente, as colunas de flotação representam uma filosofia de design alternativa, alcançando a mistura trifásica através do contato contracorrente em um ambiente relativamente estático.
O núcleo de aeração—o gerador de bolhas:As colunas de flotação não possuem agitadores mecânicos. Suas funções de aeração e mistura dependem principalmente de um gerador de bolhas localizado na parte inferior. O gerador de bolhas usa ar pressurizado, utilizando meios microporosos, fluxo de jato ou o efeito Venturi, para gerar um grande número de bolhas finas dentro da polpa. Essas microbolhas são a chave para a captura eficiente de minerais finos pela coluna de flotação.
Mecanismo de contato contracorrente:A polpa é alimentada a partir do centro superior da coluna de flotação e flui lentamente para baixo, enquanto bolhas finas são geradas a partir da parte inferior e sobem lentamente para cima. Este mecanismo de contato contracorrente fornece um tempo de interação mais longo e uma maior probabilidade de colisão entre partículas e bolhas.
Ambiente de baixa turbulência:A coluna de flotação não possui componentes rotativos de alta velocidade, mantendo um fluxo laminar ou quase laminar de baixa turbulência. Este ambiente "silencioso" reduz significativamente o desprendimento de partículas minerais aderidas, facilitando muito a recuperação de minerais finos e frágeis.
Sistema de água de lavagem:Um dispositivo de água de lavagem é instalado na parte superior da coluna de flotação para lavar efetivamente as partículas de ganga arrastadas na camada de espuma, obtendo assim um concentrado de maior grau.
A coluna de flotação, através de sua tecnologia exclusiva de geração de bolhas e método de contato contracorrente, alcança o contato e a separação eficazes das fases gasosa, líquida e sólida de uma forma mais "suave", mostrando excelente desempenho, especialmente ao processar materiais de grão fino.
四 Desenvolvimento tecnológico e direção de otimização
Para buscar uma "mistura trifásica" mais perfeita, a tecnologia de aeração e agitação do tanque de flotação ainda está sendo aprimorada:
Otimização em larga escala e campo de fluxo:Com o aumento da capacidade de processamento, o volume das células de flotação está aumentando. Atualmente, máquinas de flotação ultragrandes com capacidade de centenas de metros cúbicos estão em operação. Isso impõe maiores exigências ao projeto da estrutura do rotor-estator e ao controle do campo de fluxo. Tecnologias de simulação numérica, como dinâmica de fluidos computacional (CFD), são amplamente utilizadas para orientar o projeto de otimização de equipamentos para garantir a suspensão uniforme de partículas e a dispersão de gás dentro da enorme célula.
Novos rotores e estatores:O desenvolvimento de vários novos rotores (como pás inclinadas para trás e rotores de vários estágios) e estatores visa alcançar maior capacidade de bombeamento de polpa e dispersão de bolhas mais ideal com menor consumo de energia.
Controle inteligente:Ao instalar vários sensores para monitorar parâmetros como nível da polpa, espessura da camada de espuma e aeração em tempo real, e combinar visão computacional e tecnologias de inteligência artificial para analisar o status da espuma, o controle de otimização automática da intensidade da agitação e do volume de aeração é alcançado. Esta é uma direção chave para melhorar a eficiência da flotação e avançar para o processamento mineral inteligente.
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