طراحی مدارهای فلوتاسیون

مقدمه‌ای بر طراحی مدارهای فلوتاسیون

1. مقدمه

عملیات فلوتاسیون در تجهیزاتی انجام می‌شود که ماشین‌های فلوتاسیون نامیده می‌شوند. این ماشین‌ها از نظر نحوه تولید حباب هوا به چند گروه تقسیم می‌گردند.

به‌طور کلی، ماشین‌های فلوتاسیون به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• ماشین‌های فلوتاسیون مکانیکی

• ماشین‌های فلوتاسیون هوایی (پنوماتیکی)

در ماشین‌های مکانیکی، حباب‌ها به‌وسیله ایجاد اغتشاش در محیط پالپ و با استفاده از همزن (روتور) تشکیل می‌شوند.
در مقابل، در ماشین‌های هوایی، حباب‌ها توسط تجهیزاتی به نام حباب‌ساز یا اسپارجر (Sparger) تولید می‌گردند.

علاوه بر این دو نوع، ماشین‌های دیگری نیز طراحی شده‌اند که در آن‌ها حباب‌های هوا به کمک مکانیزم‌های هیدرولیکی ایجاد می‌شوند. هر یک از این ماشین‌ها بسته به شرایط عملیاتی و اهداف فرآیندی خاص، در مدارهای فلوتاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند.

2. اجزای اصلی ماشین‌های فلوتاسیون مکانیکی

ماشین‌های فلوتاسیون مکانیکی معمولاً از اجزای زیر تشکیل شده‌اند:

• سلول فلوتاسیون با شکل هندسی مشخص که نمایانگر فرم کلی سلول است

• وسیله هدایت جریان هوا به داخل سلول

• روتور و استاتور که به‌ترتیب نقش همزن و کنترل‌کننده تلاطم محیط پالپ را بر عهده دارند

• وسیله تخلیه پیوسته کف از بخش فوقانی سلول (مانند پارو یا ازدحام‌کننده)

اجزای فوق و نحوه عملکرد ماشین‌های فلوتاسیون به‌طور شماتیک در شکل مربوطه نشان داده می‌شود.

الزامات عملکردی ماشین‌های فلوتاسیون

ماشین‌های فلوتاسیون باید قادر باشند ذرات جامد را به حالت تعلیق پایدار درآورند و هم‌زمان عملیات زیر را به‌درستی انجام دهند:

• پراکندگی مناسب حباب‌های هوا در محیط پالپ

• ایجاد شرایط مطلوب برای تماس بین ذرات آب‌گریز و حباب‌های هوا

• هدایت کلیه ذرات ورودی به سلول به دو جریان کنسانتره و باطله

• ایجاد محیطی نسبتاً آرام در بخش فوقانی سلول به‌منظور جلوگیری از جدا شدن ذرات از سطح حباب‌ها

• تأمین انرژی کافی برای متفرق‌سازی مجدد ذرات پس از جدا شدن آن‌ها از سطح حباب‌ها

• کنترل ارتفاع ستون کف و سطح پالپ در داخل سلول

• کنترل اندازه حباب‌های هوا و کاهش ابعاد درشت به ابعاد ریز

• کنترل مصرف انرژی و سهولت در نگهداری و بهره‌برداری

• امکان خروج مرحله‌ای ذرات درشت باطله که انتقال آن‌ها به بخش باطله دشوار است

• مجهز بودن به تجهیزات لازم برای انتقال کف به مرحله شستشو یا هدایت باطله به بخش رمق‌گیری

تفاوت‌های ماشین‌های فلوتاسیون مکانیکی

تفاوت ماشین‌های فلوتاسیون مکانیکی معمولاً به شرکت سازنده و طراحی آن‌ها وابسته است و شامل موارد زیر می‌شود:

• شکل سلول (استوانه‌ای یا متوازی‌السطوح)

• ابعاد سلول

  • سلول‌های بزرگ‌تر به دلیل ضخیم‌تر بودن لایه کف، نسبت به سلول‌های کوچک‌تر:

    • نقاط کنترلی کمتری در مدار دارند

    • عملکرد انتخابی‌تری از خود نشان می‌دهند

• حجم سلول

  • استفاده بهتر از فضا در سلول‌های بزرگ باعث:

    • کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری

    • امکان کنترل کیفی محصول با تنظیم شدت جریان هوا و سطح پالپ می‌شود

• کاهش نیروی انسانی، مصرف انرژی و هزینه‌های نگهداری در سلول‌های با ظرفیت بالا

حجم سلول‌های فلوتاسیون معمولاً بین ۸ تا ۴۰ مترمکعب است، اما در برخی موارد می‌تواند تا حدود ۵۰۰ مترمکعب نیز افزایش یابد.

روتور و استاتور

• شکل و ابعاد روتور و استاتور باید متناسب با اندازه و شکل سلول انتخاب شود

• طراحی صحیح آن‌ها نقش کلیدی در:

  • شدت اختلاط

  • توزیع حباب‌ها

  • بازدهی فرآیند فلوتاسیون دارد

انواع سلول‌های فلوتاسیون مکانیکی از نظر نحوه هوادهی

سلول‌های فلوتاسیون مکانیکی از نظر روش ورود هوا به سلول به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

• سلول‌های خودهوامکش (Self-aerated cells)

  • هوا در اثر خلأ ایجادشده در محل روتور

  • از طریق مجرای تعبیه‌شده در ستون روتور

  • به داخل سلول مکیده می‌شود

  • سلول‌های فلوتاسیون هوادهی‌شده (Forced Air Cells)

    در این نوع سلول‌ها، هوای موردنیاز برای تولید حباب به‌صورت اجباری و توسط پمپ یا دمنده تأمین می‌شود. هوا از طریق مجرای میانی ستون روتور به داخل ماشین فلوتاسیون تزریق شده و در اثر عملکرد روتور، به حباب‌های ریز تقسیم و در محیط پالپ پراکنده می‌گردد.

    در سلول‌های هوادهی‌شده، الگوی جریان پالپ و توزیع حباب‌ها به‌طور مستقیم تحت تأثیر میزان هوای تزریقی و سرعت چرخش روتور قرار دارد که این موضوع امکان کنترل دقیق‌تر فرآیند فلوتاسیون را فراهم می‌سازد.

    ---

    شکل و مکانیزم عملکرد روتور و استاتور در سلول‌های فلوتاسیون مکانیکی

    در سلول‌های فلوتاسیون مکانیکی، روتور و استاتور نقش اصلی را در ایجاد تلاطم، پراکندگی حباب‌ها و معلق نگه‌داشتن ذرات ایفا می‌کنند. روتور با چرخش خود باعث:

    • مکش یا تزریق هوا به داخل پالپ

    • خرد شدن حباب‌های درشت به حباب‌های ریز

    • اختلاط یکنواخت پالپ و افزایش احتمال برخورد ذرات با حباب‌ها

    می‌شود.
    استاتور نیز با کنترل و هدایت جریان پالپ، از تشکیل جریان‌های گردابی نامطلوب جلوگیری کرده و باعث پایداری فرآیند فلوتاسیون می‌گردد.

  • 

  • ویژگی‌های سیستم اختلاط مناسب در سلول‌های فلوتاسیون

    سیستم اختلاط مناسب در سلول فلوتاسیون باید قادر باشد تمام فضای مفید اختلاط را در داخل سلول پوشش داده و از ته‌نشینی ذرات جلوگیری نماید. مهم‌ترین ویژگی‌های چنین سیستمی عبارت‌اند از:

    • قابلیت استفاده برای دامنه گسترده‌ای از اندازه ذرات

    • نرخ سایش پایین اجزای مکانیکی

    • نگهداری و تعمیرات آسان و کم‌هزینه

الگوی جریان در سلول‌های فلوتاسیون مکانیکی

الگوی جریان ایجادشده توسط روتور و استاتور در سلول‌های فلوتاسیون مکانیکی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. جریان پالپ باید به‌گونه‌ای شکل گیرد که ذرات ورودی به سلول به‌طور کامل و یکنواخت در حجم سلول توزیع شوند و از ایجاد نواحی مرده یا ته‌نشینی ذرات جلوگیری شود.

در حالت ایده‌آل، الگوی جریان از نوع شعاعی کامل بوده و از محل همزن (روتور) تا دیواره‌های سلول گسترش می‌یابد.

به‌طور کلی، الگوی جریان در داخل سلول‌های فلوتاسیون مکانیکی از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

1. بازگشت اولیه جریان به ناحیه پایینی همزن

2. گردش یا چرخش ثانویه جریان به سمت بالا

3. جریان شعاعی از مرکز سلول به سمت دیواره‌ها

ایجاد تعادل مناسب میان این سه بخش باعث افزایش کارایی اختلاط، بهبود تماس ذرات با حباب‌ها و در نهایت ارتقای بازده فرآیند فلوتاسیون می‌گردد.

در چنین شرایطی، احتمال ریزش پالپ از داخل به خارج سلول بسیار زیاد است و این موضوع می‌تواند باعث ناپایداری سوسپانسیون ذرات در سلول شود. همچنین اگر طراحی و جانمایی روتور و استاتور مناسب نباشد، ذرات ممکن است از کف حباب‌های هوا جدا شده و بازده فرآیند کاهش یابد.

به همین دلیل، همزن باید در نزدیکی کف سلول قرار گیرد؛ زیرا جریان حلقوی ایجادشده توسط روتور–استاتور از ته‌نشینی ذرات در کف سلول جلوگیری می‌کند و به معلق ماندن یکنواخت پالپ کمک می‌نماید.

از سوی دیگر، با توجه به ضرورت ایجاد محیطی آرام در بخش فوقانی سلول به‌منظور حفظ و پایداری ذرات متصل به حباب‌های هوا، شدت تلاطم در این ناحیه باید محدود و کنترل‌شده باشد. عدم رعایت این شرایط می‌تواند موجب ناپایداری کف و کاهش بازیابی فلوتاسیون گردد.