浮選氣體彌散及其調(diào)控研究.pdf

1、浮選氣泡行為及氣體彌散狀態(tài)直接影響著浮選的分選效果。由于對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)行為缺乏認(rèn)識(shí)以及氣體彌散調(diào)控機(jī)制的缺失,導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)氣體彌散參數(shù)不穩(wěn)定、調(diào)控滯后和浮選指標(biāo)波動(dòng)等問題。鑒于此,提出了浮選氣體彌散及其調(diào)控研究,以期通過對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)、系統(tǒng)辨識(shí)和模糊控制的研究,構(gòu)建浮選過程當(dāng)中的氣體彌散調(diào)控機(jī)制、策略和模型,形成先進(jìn)可靠的浮選氣體彌散控制方法,為浮選設(shè)備和工藝的進(jìn)步提供理論支撐。
　　論文首先進(jìn)行了三種起泡劑的性能比較及機(jī)理分析。開展了氣

2、流法和煤泥浮選試驗(yàn),并利用滯留時(shí)間、動(dòng)態(tài)起泡指數(shù)、泡沫衰變時(shí)間和浮選指標(biāo)來比較起泡劑的性能;建立了氣泡液膜厚度的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),并從起泡劑的載水速率、分子吸附狀態(tài)和氣泡液膜厚度三個(gè)層面揭示了起泡劑性能差異的作用機(jī)理。研究表明:載水速率的增大使起泡劑的捕收性變好、選擇性變差;在氣-液界面上,正戊醇分子和MIBC分子以“斜躺”狀態(tài)吸附,仲辛醇分子以“站立”狀態(tài)吸附;含起泡劑的氣泡液膜由內(nèi)層結(jié)合水和外層自由水組成;結(jié)合水與起泡劑分子在氣-液界面

3、的吸附狀態(tài)有關(guān),“站立”狀態(tài)吸附有利于形成較厚的結(jié)合水層;自由水靠水分子間的范德華力維系,厚度受起泡劑性質(zhì)的影響較小。
　　構(gòu)建了以高速顯微裝置為核心的單氣泡運(yùn)動(dòng)行為和氣泡液膜流動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng),研究了單氣泡運(yùn)動(dòng)過程和行為,并從氣泡受力、氣泡表面流動(dòng)和上升終速模型三個(gè)層面探討了其調(diào)控機(jī)理。研究表明:氣泡上升過程中,氣泡的速度和縱橫比先升高至最大值,隨后降低并圍繞中心值振動(dòng);起泡劑能夠抑制氣泡的形變、抖動(dòng)和振蕩,縮短加速時(shí)間,降低氣泡速度

4、與縱橫比的最大值、振動(dòng)中心值和幅值,使氣泡形狀保持球形、運(yùn)動(dòng)軌跡保持直線。Marangoni作用力抑制了氣泡在起泡劑溶液中上升時(shí)的形變,同時(shí)增加了氣泡表面阻力,降低了氣泡速度;氣泡表面流動(dòng)揭示了氣泡表面的 Marangoni效應(yīng),起泡劑使氣泡表面更加粗糙、波紋更多;Clift終速模型證明了起泡劑性質(zhì)和氣泡表面流動(dòng)對(duì)氣泡速度的重要影響。
　　基于高速攝像和圖像處理技術(shù)建立了浮選氣體彌散試驗(yàn)系統(tǒng),分析了空間位置、表觀氣速、起泡劑種類和

5、濃度對(duì)氣體彌散參數(shù)的影響;對(duì)氣含率與氣泡尺寸、氣泡間距、比表面積通量的交互關(guān)系進(jìn)行了解耦,建立了氣含率-比表面積通量模型、氣泡間距-氣泡面積百分率模型、氣泡面積百分率-氣泡體積百分率的均勻分散和隨機(jī)分散模型。
　　采用高速攝像和氣泡識(shí)別跟蹤手段,對(duì)氣泡群運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了跟蹤,捕捉和觀測(cè)了氣泡兼并與破裂現(xiàn)象,揭示了氣泡群的運(yùn)動(dòng)行為和調(diào)控機(jī)理。研究表明:氣泡群運(yùn)動(dòng)行為可以用氣泡速度-尺寸曲線來表征,氣泡速度-尺寸曲線受到空間位置、表觀氣

6、速、氣泡尺寸分布、起泡劑種類和濃度的影響;氣泡間的相互作用使氣泡群運(yùn)動(dòng)速度區(qū)別于單氣泡運(yùn)動(dòng)速度,主導(dǎo)氣泡尺寸級(jí)決定了氣泡群運(yùn)動(dòng)速度;起泡劑降低了氣泡群運(yùn)動(dòng)速度,使氣泡群運(yùn)動(dòng)軌跡變直、變密集。氣泡破裂以分裂成兩個(gè)體積不相等氣泡的形式發(fā)生;氣泡兼并實(shí)為氣泡接觸碰撞、液膜排液至膜破裂的過程,起泡劑延長(zhǎng)了氣泡液膜的薄化時(shí)間,降低了氣泡兼并概率;水中氣泡碰撞彈回的緩沖時(shí)間長(zhǎng)于起泡劑溶液,增加了由碰撞轉(zhuǎn)變?yōu)榧娌⒌母怕?起泡劑主要通過抑制氣泡兼并來控

7、制氣泡尺寸。
　　研究了浮選氣體彌散的邊界條件和調(diào)控策略,得到了浮選氣體彌散的狀態(tài)區(qū)域圖,并形成了以氣含率和表觀氣速為測(cè)控核心,在線估計(jì)氣泡尺寸和比表面積通量,實(shí)現(xiàn)氣體彌散狀態(tài)識(shí)別和報(bào)警的調(diào)控策略。
　　利用階躍信號(hào)和4級(jí)PRBS序列進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí),研究了氣含率與表觀氣速和起泡劑濃度間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和傳遞函數(shù),結(jié)果表明:平均氣含率與表觀氣速和起泡劑濃度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過渡過程均為具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié),兩種辨識(shí)信號(hào)所得傳遞函數(shù)具有

8、較好的一致性。
　　采用機(jī)理法建模對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行了理論解析,結(jié)果表明:放大系數(shù)與溶液性質(zhì)(起泡劑種類)有關(guān),時(shí)間常數(shù)與液位高度成正比,純滯后時(shí)間與管道長(zhǎng)度以及管道內(nèi)的流速相關(guān),理論模型的計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)辨識(shí)試驗(yàn)結(jié)果相吻合。
　　根據(jù)模糊控制理論,設(shè)計(jì)了氣含率模糊控制器,分析了量化因子和比例因子對(duì)模糊控制器性能的影響并進(jìn)行了優(yōu)化,與常規(guī)PID控制的性能對(duì)比仿真試驗(yàn)表明:模糊控制在縮短過渡時(shí)間、降低超調(diào)量和抗干擾能力方面均具有優(yōu)勢(shì)