دانلود پایان نامه با عنوان طراحی سلول فلوتاسیون ستونی در مقیاس پایلوت بر مبنای نتایج آزمایشگاهی(مطالعه موردی فسفات اسفوردی)

طراحی سلول فلوتاسیون ستونی در مقیاس پایلوت بر مبنای نتایج آزمایشگاهی(مطالعه موردی فسفات اسفوردی)

دانشکده مهندسی معدن و متالورژی

گروه مهندسی معدن

پایان نامه

برای دریافت درجه کارشناسی ارشد مهندسی معدن

گرایش فراوری مواد معدنی

طراحی سلول فلوتاسیون ستونی در مقیاس پایلوت بر مبنای نتایج آزمایشگاهی(مطالعه موردی فسفات اسفوردی)

 

 

چکیده

هدف اصلی در این تحقیق طراحی و امکان سنجی بکارگیری سلول فلوتاسیون ستونی در مقیاس نیمه صنعتی به جای سلول های مکانیکی در مدار فراوری فسفات اسفوردی بر اساس نتایج مطالعات آزمایشگاهی بوده است. برای این منظور از مدل فینچ و دوبای استفاده شده است. در این خصوص آزمایش هایی جهت تخمین ثابت سینتیک جمع آوری فسفات و آهن انجام شده وتاثیر پارامتر عملیاتی سرعت ظاهری گاز بر روی آنها مورد بررسی قرار گرفته است. بر این اساس ثابت سینتیک برای عناصر فسفات و آهن به ترتیب ۲۴۱/ ۰(min-1) و ۱۹۹/۰(min-1) بدست آمد. پارامتر متداول دیگری که در بزرگ مقایس نمایی مورد استفاده قرار می گیرد، ظرفیت حمل است. مقدار این فاکتور برای دو عمق کف ۸۰ و ۴۵ سانتیمتر برابر ۰۱۳۵/۰ و ۰۲۲/۰(  بدست آمد. در نهایت بر اساس پارامترهای موجود در فلوشیت کارخانه و بر اساس خوراک ورودی ۵ تن بر ساعت، سلول پایلوت طراحی شده است. با توجه به محاسبات طراحی و بزرگ مقیاس نمایی ستون پایلوتی با  قطر ۲۴/۰ متر و ارتفاع ۷ متر طراحی گردید. برای تعیین مناسب‌ترین محل بکارگیری سلول ستونی در مدار فرآوری کارخانه فسفات اسفوردی، با قرار دادن سلول ستونی در مراحل ﭘﺮﻋﻴﺎرﻛﻨﻲاوﻟﻴﻪ (راﻓﺮ) ، ﭘﺮﻋﻴﺎر ﻛﻨﻲ  ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ  (اسکونجر) و ﻛﻠﻴﻨﺮ آزمایش‌هایی انجام شد. به منظور مقایسه، برای هر آزمایش با سلول ستونی، بطور همزمان از سلول‌های مکانیکی در تمام مراحل نمونه برداری انجام شد. مقدار بازیابی و عیار سلول ستونی با توجه به عیار آپاتیت بار ورودی به مراحل مختلف رافر، اسکونجر و کلینر به ترتیب ۵/۱۳، ۵/۳ و ۵/۳۴ بازیابی و عیار کنسانتره و هر مرحله به ترتیب ۵۹%-۵/۳۶%، ۶۶/۲۷%-۶۱/۱۶% و ۸۷%-۴۱/۳۹% بوده است. با توجه به اینکه بازیابی و عیار سلول ستونی به عنوان رافر از حالت های دیگر برتری نسبی داشت، لذا بهترین محل بکارگیری سلول ستونی در مرحله رافر می باشد.

واژه های کلیدی:

فلوتاسیون ستونی، بزرگ مقیاس نمایی،ظرفیت حمل،سینتیک جمع اوری، طراحی پایلوت ،فسفات اسفوردی


         فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                    صفحه

فصل اول: مقدمه ۱

۱-۱-تاریخچه ۲

۱-۲-مجتمع صنعتی و معدنی فسفات اسفوردی ۳

۱-۲- ۱- معدن فسفات اسفوردی ۳

۱-۲-۲- کارخانه فسفات اسفوردی ۵

۱-۲-۲-۱-  فلوتاسیون آپاتیت ۵

۱-۲-۲-۲- بازیابی کنسانتره آهن ۸

۱-۳- ماشین های فلوتاسیون ستونی ۹

۱-۳-۱- ﻃﺮحﻛﻠﻲوﻧﺤﻮهﻛﺎر ۱۰

۱-۴- پارامترهای عملیاتی موثر در عملکرد ستون های فلوتاسیون ۱۴

۱-۴-۱-  ﻣﺎﻧﺪﮔﻲﮔﺎز ۱۴

۱-۴-۲- سرعت ظاهری گاز ۱۵

۱-۴-۳- سرعت ظاهری سطح حباب ۱۸

۱-۴-۴- سطح ویژه حباب ۱۹

۱-۴-۵- سطح ویژه مشترک ۱۹

۱-۶- بررسی الگوهای اختلاط در ستون های فلوتاسیون ۲۰

۱-۶-۱- الگوی جریان پیستونی ۲۱

۱-۶-۲- الگوی جریان مخلوط کامل ۲۲

فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته ۲۵

۲-۱- کاربرد سلول ستونی در ایران ۲۶

۲-۱-۱ کاربرد در مقیاس آزمایشگاهی ۲۶

۲-۱-۲- کاربرد در مقیاس نیمه صنعتی ۲۷

۲-۲- مقدمه ای بر روش های طراحی و بزرگ مقیاس نمایی ستون های فلوتاسیون ۲۸

۲-۳- بحث سینتیکی فلوتاسیون و کاربرد آن در طراحی و بزرگ مقیاس نمایی ستونهای فلوتاسیون ۳۰

۲-۴- محدودیتهای روش سینتیکی در طراحی و بزرگ مقیاس نمایی ستونهای فلوتاسیون ۳۲

۲-۵- تقابل بین زونهای جمع آوری و کف ۳۵

۲-۶- مدل بزرگ مقیاس نمایی و طراحی ۳۷

۲-۶- ۱- فرآیند جمع‌آوری ذرات ۳۷

۲-۶-۲- ظرفیت حمل: ۴۰

۲-۶-۳- سطح جانبی حباب‌سازها ۴۰

۲-۷- متوسط زمان ماند ذرات در ستون فلوتاسیون ۴۱

۲-۷-۱- مفهوم توزیع زمان ماند در سیستمهای ایده آل ۴۱

۲-۷-۲- توزیع زمان ماند در رآکتورهای واقعی ۴۳

۲-۸- نرخ حمل و ظرفیت حمل جامد در ستونهای فلوتاسیون ۴۵

۲-۸-۱ مدلهای تجربی ظرفیت حمل ۴۶

۲-۹-مدل ثابت سینتیک جمع اوری در ستونهای فلوتاسیون ۴۹

فصل سوم: روش تحقیق و مواد ۵۰

۳-۱- روش های تجربی تعیین متوسط زمان ماند ۵۱

۳-۱-۱- روش انجام آزمایش های RTD 52

3-2- روش اندازه گیری ظرفیت حمل ۵۴

۳-۲-۱- روش انجام آزمایش ظرفیت حمل ۵۵

۳-۳- روش های اندازه گیری ثابت سینتیک جمع آوری ۵۷

۳-۳-۱- تخمین ثابت سینتیک از طریق آزمایش های ناپیوسته ۵۷

۳-۳-۲- تخمین ثابت سینتیک از طریق آزمایش های پیوسته ۵۸

۳-۳-۳- روش انجام آزمایش سینتیک ناپیوسته ۵۹

۳-۴- اندازه‌گیری پارامترهای عملیاتی ۶۰

۳-۴-۱- اندازه‌گیری دبی هوا،دبی پالپ و آب شستشو ۶۱

۳-۴-۲- اندازه گیری ماندگی گاز ۶۲

۳-۴-۳- اندازه گیری عمق کف ۶۳

۳-۵- تعیین مناسب‌ترین محل بکارگیری سلول ستونی ۶۵

۳-۵-۱- استفاده از سلول ستونی در مرحله پرعیارکنی اولیه (رافر) ۶۵

۳-۵-۲-استفاده از سلول ستونی در مرحله اسکونجر ۶۶

۳-۵-۳- کاربرد سلول ستونی در مرحله پرعیارکنی نهایی ۶۷

فصل چهارم: ارائه یافته ها و نتایج ۶۸

۴-۱- نتایج آزمایش های ظرفیت حمل ۶۹

۴-۱-۱- تحلیل آزمایشات ۷۰

۴-۱-۲- تخمین ظرفیت حمل ۷۳

۴-۱-۳- تخمین ظرفیت حمل با استفاده از مدل های موجود ۷۴

۴-۲- نتایج آزمایش سینتیک ناپیوسته ۷۶

۴-۲-۱- تصحیح عیارها برای برقراری موازنه جرم ۷۶

۴-۲-۲- نتایج آزمایش ۷۶

۴-۳- نتایج آزمایش RTD 81

4-4- نتایج محاسبات بزرگ مقیاس نمایی و طراحی ۸۴

۴-۴-۱- محاسبه درصد کانیها در خوراک ۸۵

۴-۴-۲- ثابت سینتیک جمع آوری ۸۵

۴-۵- محاسبات مرحله به مرحله بزرگ مقیاس نمایی ۸۵

۴-۵-۱- مراحل طراحی ۸۷

۴-۵-۲- بزرگ مقیاس نمایی با استفاده از ظرفیت حمل ۸۹

۴-۶- طراحی ستون پایلوت ۹۰

۴-۶-۱- طراحی اسپارجرها ۹۱

۴-۶-۲- بخش ته ریز ستون ۹۲

۴-۶-۳- ارتفاع کلی ستون ۹۳

۴-۶-۴- محل ورودی خوراک ۹۳

۴-۶-۵- طراحی لاوک ۹۴

۴-۶-۶- دوش ها ۹۵

۴-۶-۷- سیستم اندازه گیری ماندگی گاز ۹۵

۴-۶-۸- سیستم اندازه گیری و کنترل عمق کف ۹۶

۴-۷- نتایج استفاده از سلول ستونی به جای سلول های مکانیکی در مراحل مختلف مدار فلوتاسیون ۹۸

۴-۷-۱- نتایج استفاده از سلول ستونی به جای سلول های مکانیکی در مراحله پر عیار کنی اولیه ۹۸

۴-۷-۲- نتایج استفاده از سلول ستونی به جای سلول های مکانیکی در مراحله پر عیار کنی ثانویه(اسکونجر) ۱۰۱

۴-۷-۳- نتایج کاربرد سلول ستونی در مرحله پرعیارکنی نهایی ۱۰۳

۴-۷-۴- نتایج مقایسه انرژِی مصرفی (برق)سلول ستونی با سلول های مکانیکی در مرحله پرعیار سازی نهایی ۱۰۶

فصل پنجم: بحث، نتیجه گیری و پیشنهادات ۱۰۷

۵-۱- بحث ۱۰۸

۵-۲- نتیجه گیری ۱۰۹

۵-۳- پیشنهادها ۱۰۹

منابع و مراجع ۱۱۱

پیوست ۱۱۳

پیوست یک: تحلیل واریانس ۱۱۴

پیوست دو: روش لاگرانژ ۱۱۹

پیوست سه: نتایج آنالیزهای شیمیایی ۱۲۲

پیوست چهار : نقشه های ساختمانی و فلوشیت کارخانه مجتمع فسفات اسفوردی ۱۲۹

 

 

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                    صفحه

جدول ۲-۱: تغییرات زمان واکنش بدون بعد (عدد دامکولر) با ارتفاع زون بازیابی ۳۴

جدول ۲-۲: تغییرات عدد دامکولر با ارتفاع زون بازیابی در دو جریان پیستونی و مخلوط کامل ۳۴

جدول ۲-۳:داده های مورد استفاده در بدست آوردن ظرفیت حمل ۴۷

جدول ۳-۱: الگوریتم نرمال کردن توزیع زمان ماند ۵۲

جدول ۳-۲: شرایط عملیاتی اعمال شده در تستهای ظرفیت حمل ۵۷

جدول۳-۳: تست انجام شده و هدف آن ۶۰

جدول۴-۱:آزمایشات انجام شده در عمق کف ۸۰ سانتیمتر ۶۹

جدول۴-۲:آزمایشات انجام شده در عمق کف ۴۵ سانتیمتر ۷۰

جدول ۴-۳: بدست آوردن میانگین و مجموع برای داده های جدول ۴-۴ ۷۱

جدول ۴-۴: محاسبه  برای داده های جدول ۴-۶ ۷۱

جدول ۴-۵: بدست اوردن میانگین و مجموع برای داده های جدول ۴-۵ ۷۲

جدول ۴-۶ : محاسبه  برای داده های جدول ۴-۸ ۷۲

جدول ۴-۷:مقادیر میانگین نرخ حمل ۷۳

جدول ۴-۸ : مقایسه ظرفیت های حمل های حاصله از آزمایشات با مدل های تجربی ۷۵

جدول ۴-۹: نتایج آزمایشگاهی و محاسباتی تست سینتیک ناپیوسته ۷۸

جدول ۴-۱۰ : رایط عملیاتی اعمال شده و نتیجه بدست آمده از تست سینتیک ناپیوسته ۸۱

جدول ۴-۱۱: شرایط عملیاتی اعمال شده در تست های RTD 83

جدول ۴-۱۲: نتایج آزمایش ها تعیین متوسط زمان ماند ۸۳

جدول ۴-۱۳: مشخصات خوراک ورودی به مرحله پرعیارکنی نهایی ۸۶

جدول ۴-۱۴: مشخصات ستون پایه ۸۶

جدول۴-۱۵:کارآیی مورد نظر ستون فلوتاسیون ۸۶

جدول ۴-۱۶: محاسبه بازیایی جرمی کل کنسانتره ۸۸

جدول ۴-۱۷: مقایسه کارآیی سلول ستونی هنگام استفاده در مرحله پرعیارکنی اولیه (رافر) با سلول‌های مکانیکی ۱۰۰

جدول ۴-۱۸: کارآیی سلول ستونی هنگام استفاده در مرحله اسکونجر ۱۰۲

جدول ۴-۱۹: مقایسه کارآیی سلول ستونی هنگام استفاده در مرحله پرعیارکنی نهایی با سلول‌های مکانیکی این مرحله ۱۰۵

 

 فهرست شکل ها

عنوان                                                                                                                    صفحه

شکل ۱-۱: نمایی از معدن فسفات اسفوردی   ۴

شکل۱-۲: نمایی از واحد فلوتاسیون آپاتیت   ۷

شکل ۱-۳: نمای کلی سلول فلوتاسیون ستونی مورد استفاده در تحقیق   ۹

ﺷﻜﻞ۱-۴: (a) ﺷﻤﺎیﻛﻠﻲﻳﻚﺳﺘﻮنﻓﻠﻮﺗﺎﺳﻴﻮن (b) ساختمان کف در ستون فلوتاسیون     ۱۱

ﺷﻜﻞ۱-۵: روشﻫﺎی اﻧﺪازهﮔﻴﺮیﻣﺎﻧﺪﮔﻲﮔﺎز    ۱۵

شکل ۱- ۶: سرعت ظاهری پیشنهادی برای گاز باتوجه به ابعاد ذرات GL&V/Dorr-Oliver   ۱۷

شکل ۱-۷: نشان دهنده سطح فرضی و شار عبوری حباب   ۱۹

شکل ۲-۱: تقابل بین دو زون جمع آوری و کف   ۳۶

شکل ۲-۲: مدل های weller و n-mixer برای راکتورهای واقعی   ۴۴

شکل۳-۱: ( a) دستگاه مورد استفاده در اندازه گیری (PH) (b) ظروف جهت اندازه گیری PHخروجی   ۵۳

شکل ۳-۲: نرم افزارRTDWEN تحت اکسل و منحنی  توزیع زمان ماند در تست RTD   ۵۴

شکل ۳-۳: نمایی از مخزن خوراک دهی به سلول ستونی نصب شده کارخانه فسفات اسفوردی   ۶۲

شکل ۳-۴: اندازه گیری ماندگی گاز با استفاده از اختلاف فشار   ۶۳

شکل ۳-۵ : استفاده از مانومتر برای تعیین عمق کف   ۶۴

شکل ۳-۶:محل قرارگیری سلول فلوتاسیون ستونی مرحله رافر در مدار کارخانه فسفات اسفوردی   ۶۶

شکل ۳-۷:محل قرارگیری سلول فلوتاسیون ستونی مرحله اسکنوجردر مدار کارخانه فسفات اسفوردی   ۶۶

شکل ۳-۸: محل قرارگیری سلول فلوتاسیون ستونی درمدار کارخانه فسفات اسفوردی در مرحله کلینر   ۶۷

شکل ۴-۱:نحوه چیدن اسپارجرها (a)دید از بالا(b) دید از جلو   ۹۲

شکل ۴-۲: طرح کلی بخش ته ریز؛(a) دید از بالا(b) دید از جلو   ۹۲

شکل ۴-۳: طراحی محل ورودی خوراک   ۹۳

شکل ۴-۴: طرح کلی لاوک(a)دید از بالا(b) دید از جلو   ۹۴

شکل ۴-۵: طرح پیشنهادی برای دوش های آب   ۹۵

شکل ۴-۶: نمای کلی  از سلول ستونی پایلوت طراحی شده و قسمت های مختلف آن   ۹۷

شکل ۴-۷: مقایسه کارایی جدایش  سلول‌های مکانیکی مرحله پرعیارکنی اولیه با سلول ستونی در این مرحله   ۹۸

شکل ۴-۸: مقایسه تغییرات بازیابی  سلول‌های مکانیکی مرحله پرعیارکنی اولیه با سلول ستونی در این مرحله   ۹۹

شکل ۴-۹: مقایسه تغییرات عیار  سلول‌های مکانیکی مرحله پرعیارکنی اولیه با سلول ستونی در این مرحله   ۹۹

شکل ۴-۱۰: تغییرات بازیابی ،عیار،کارایی جدایش  سلول‌ ستونی مرحله اسکونجر   ۱۰۱

شکل ۴-۱۱: مقایسه تغییرات بازیابی  سلول‌های مکانیکی مرحله پرعیارکنی نهایی با سلول ستونی در این مرحله   ۱۰۳

شکل ۴-۱۲: مقایسه کارایی جدایش  سلول‌های مکانیکی مرحله پرعیارکنی نهایی با سلول ستونی در این مرحله   ۱۰۴

شکل ۴-۱۳: مقایسه تغییرات عیار  سلول‌های مکانیکی مرحله پرعیارکنی نهایی با سلول ستونی در این مرحله   ۱۰۴

 

 

فهرست نمودارها

عنوان                                                                                                                    صفحه

نمودار۱-۱: ﻣﺎﻧﺪﮔﻲﮔﺎزﺑﻪﺻﻮرتﺗﺎﺑﻌﻲازﻧﺮخﮔﺎزدﻫﻲ ۱۶

نمودار۱-۲: ارتباط بین db، sbو jgدر jlثابت ۲۰

نمودار ۱-۳: بازیابی با استفاده از مدل جریان پیستونی و به صورت تابعی از عدد پراکندگی،ثابت سرعت سینتیکی و زمان ماند(بیانگر حالت نموداری معادله۱-۱۲) ۲۳

نمودار۲-۱: مقادیر پیش بینی شده برای بازیابی به عنوان تابعی از عدد دامکولر ۳۲

نمودار۲-۲: توزیع زمان ماند در الگوی جریان پیستونی ۴۲

نمودار ۲-۳: توزیع زمان ماند در الگوی جریان مخلوط کامل ۴۳

نمودار۲-۴:نمودار Ca بر حسب ۴۷

نمودار۲-۵:عدم وابستگی ظرفیت حمل به سرعت ظاهری گاز در m/s 5/1   ۴۸

نمودار ۴-۱: منحنی نرخ حمل برای عمق کف ۸۰ سانتی متر ۷۳

نمودار ۴-۲: منحنی نرخ حمل برای عمق کف ۴۵ سانتی متر ۷۴

نمودار ۴-۳ : مقایسه ظرفیت های حمل حاصله از آزمایشات با مدل های تجربی ۷۶

نمودار۴-۴: منحنی بازیابی – زمان برای تست سینتیک ناپیوسته ۷۹

نمودار ۴-۵: رابطه سینتیکی شناور شدن  فسفات در سلول ستونی ۷۹

نمودار۴ -۶: تعیین ثابت سینتیکی فسفر برای تست سینتیک ناپیوسته ۸۰

نمودار ۴-۷: رابطه سینتیکی شناور شدن  آهن در سلول ستونی ۸۰

نمودار۴-۸: تعیین ثابت سینتیکی آهن برای تست سینتیک ناپیوسته ۸۰

نمودار ۴-۹: تغییرات غلظت ماده ردیاب در خروجی سلول ستونی مورد آزمایش ۸۲

نمودار ۴-۱۰: تغییرات غلظت ماده ردیاب در خروجی سلول ستونی مورد آزمایش بر اساس تکرار و زمان نمونه گیری ۸۲

نمودار۴-۱۱: تغییرات متوسط زمان ماند با توجه به نرخ خوراک دهی به سلول فلوتاسیون ستونی ۸۴

نمودار۴-۱۲: تغییرات متوسط زمان ماند با توجه به میزان گازدهی به سلول فلوتاسیون ستونی ۸۴

نمودار ۴-۱۳: رابطه عیار ـ بازیابی  برای سلول‌های مکانیکی و سلول ستونی در مرحله پرعیارکنی اولیه ۹۸

نمودار ۴-۱۴: رابطه عیار ـ بازیابی  برای  سلول ستونی در مرحله اسکونجر ۱۰۱

نمودار ۴-۱۵: رابطه عیار ـ بازیابی  برای سلول‌های مکانیکی و سلول ستونی در مرحله پرعیارکنی نهایی ۱۰۳