Транспортировка флотационной пены Проблемы и решения

Е.С. Коркин, к.т.н., специалист по насосному оборудованию Metso Minerals

Флотация является широко применяемым процессом в обогащении металлических руд. Пенную флотацию используют для селективной очистки низкосортных и многокомпонентных руд в тех случаях, когда другие методы селективной очистки экономически нецелесообразны.

Процесс флотации, основанный на принципах химии поверхностных явлений, сводится к следующему: в пульпу подаются флотореагенты (пенообразователь, стабилизатор и пр.) и воздух, частицы определенных рудных минералов собираются на поверхности раздела фаз «воздух-жидкость», прилипают к пузырькам воздуха и выносятся с ними на поверхность в составе трехкомпонентной пены, которая поступает на дальнейшую переработку (перечистка, сгущение, фильтрация и т.д.). При наличии пенной флотации в технологическом процессе производства приходится сталкиваться с таким проблемным вопросом, как транспортировка флотационной пены.

Основные проблемы при транспортировке пенных продуктов


Существует целый ряд затруднений, связанных с транспортировкой пены при помощи горизонтальных насосов. Флотационная пена представляет собой трехкомпонентную систему в виде устойчивых к разрушению пузырьков, которая состоит из частиц руды, воды и воздуха. При прохождении пузырьков через насос происходит их разрушение и скапливание воздуха в районе рабочего колеса. Таким образом, формируется вращающийся воздушный сердечник (воздушная полость), вследствие чего уменьшается контакт поверхности рабочего колеса с пульпой, что резко снижает эффективность работы насоса.

Производительность насоса постепенно падает (в некоторых случаях вплоть до нуля), уровень пульпы в питающем резервуаре растет, следовательно, растет и давление на всасывающем патрубке насоса. Этот процесс продолжается до тех пор, пока давление на участке всасывания не станет достаточным для «вытеснения» воздушного сердечника из центра рабочего колеса. Воздушный сердечник, перемешиваясь с пульпой, уходит в нагнетательный патрубок, после чего начинает образовываться новый воздушный сердечник, то есть весь цикл повторяется сначала.

Такой циклический режим работы может привести к следующим негативным моментам:

- перелив питающего резервуара, а значит потеря ценного компонента или, как минимум, его загрязнение;

- снижение производительности насоса, что может нарушить технологический процесс.

Еще одно затруднение при транспортировке пенных продуктов - это изменение объема пенной пульпы в зависимости от местного давления. При росте давления (особенно в момент соприкосновения пульпы с лопатками рабочего колеса насоса), пульпа сжимается. И наоборот, из-за того, что давление в нагнетательном трубопроводе падает по мере удаления от насоса, пульпа начинает расширяться, тем самым увеличивая скорость своего движения. В такой ситуации становится сложным оценить гидродинамические потери в нагнетательном трубопроводе. Еще одним негативным последствием, вызванным способностью пены к сжатию, является ограничение уровня максимально допустимого напора, создаваемого насосом - до 25 м, а в случае чрезвычайно устойчивых пен - до 15 метров!

Присутствие воздуха в пульпе создает трудности в выборе подходящего типоразмера насосного оборудования и мощности двигателя. Для устранения этих трудностей разработан целый ряд специальных методик расчета снижения номинальных рабочих характеристик насосов, в зависимости от количества воздуха в пульпе. Однако применение в расчетах даже таких методик не является гарантией того, что оборудование подобрано верно. Выяснить это удается иногда только после того, когда насосное оборудование уже установлено и запущено в работу. В лучшем случае, оборудование будет работать со сниженными показателями эффективности, в худшем - придется произвести замену оборудования на новое.

Существует несколько мероприятий по уменьшению рисков неэффективной работы оборудования еще на этапе проектирования. Ключевое решение должно состоять в определении типа используемых пенных насосов: горизонтальный либо вертикальный. Оба типа насосов имеют свои преимущества и недостатки.

Применение горизонтальных насосов

При выборе горизонтального типа насоса особо ответственным этапом является проектирование зумпфа. Для обеспечения объемного запаса и увеличения давления пульпы на входе во всасывающий патрубок насоса высота зумпфа должна быть максимальна, насколько это возможно. Большая площадь стенок зумпфа в купе с длительным временем пребывания пульпы в зумпфе также способствует подъему воздушных пузырьков на поверхность и их естественному разрушению.

Еще один способ борьбы с пеной -применение зумпфа с тангенциальным входным отверстием, в которое пена поступает из сливных желобов флотома-шины (см. рис. 1). Таким образом, для образования завихрения используется скорость поступающего потока. В некоторых случаях, зумпф комплектуется перемешивающим устройством, которое усиливает завихрение пульпы.

В конструкции стандартных горизонтальных центробежных насосов существуют некоторые модификации, позволяющие улучшить их работу при перекачке пенных продуктов. В основном модификации касаются изменения геометрии рабочего колеса* и увеличения диаметра всасывающего патрубка насоса для более стабильного режима работы. Однако такие модификации могут сказаться на снижении гидравлической эффективности, а также на многократном увеличении износа проточных частей насоса и элементов трубопровода.

Основной перечень запасных частей для горизонтального насоса является унифицированным и может подходить как для пенного, так и для другого насоса такого же типоразмера, работающего в ином технологическом процессе. Т ем самым незначительно сокращается инвентарный перечень запасных частей насосного парка. С другой стороны, те части, которые подвержены наибольшему износу (в основном это рабочее колесо и всасывающий патрубок), зачастую имеют индивидуальную модификацию для каждого из установленных пенных насосов, даже если типоразмеры насосов одинаковы! Это обстоятельство практически сводит на «нет» преимущество унификации инвентарного перечня запасных частей.

В большинстве случаев стоимость капитальных затрат на установку горизонтальных пенных насосов ниже по сравнению с другими вариантами транспортировки пенных продуктов. Но это утверждение верно только в том случае, когда речь идет о стоимости самих насосов. Если же к стоимости горизонтального насоса добавить стоимость питающего зумпфа, трубопровода, а также пуско-наладочных работ, то стоимостное преимущество пропадает, за исключением редких случаев.

Применение вертикальных насосов

Совершенно иным подходом к перекачке пенных продуктов является использование конвекционного вертикального насоса, установленного в зумпф. Максимальный уровень пенного продукта в таком зумпфе должен быть не выше уровня сливных желобов флотомашины.

Как правило, эти зумпфы монтируются в полу, а максимальный уровень пульпы находится на нулевой высотной отметке. Такой подход позволяет использовать зумпфы больших объемов, что обеспечивает более длительный срок нахождения пенного продукта в емкости.

Главный недостаток, ограничивающий применение этого подхода, заключается в следующем: чем больше объем

зумпфа, тем больше вероятность запесочивания всасывающего патрубка и рабочего колеса из-за большей концентрации твердого в нижней части зумпфа.

Применение пенных насосов

Наиболее эффективным методом перекачки пенных продуктов является применение специализированных пенных насосов. Перечислим основные конструктивные особенности пенного насоса (см. рис. 2).

Насос и резервуар интегрированы в единый модуль (агрегат). Подача пены в резервуар осуществляется в тангенциальном направлении. За счет этого происходит необходимое завихрение пенного продукта для удаления воздуха. Также вихреобразованию способствует вращение рабочего колеса, лопатки которого немного выступают во всасывающий патрубок насоса. В некоторых конструкциях резервуар пенного насоса снабжается специальными устройствами для повышения пропускной способности резервуара и улучшения процесса отделения воздуха от пульпы, как например, патентованное устройство Vortex Finder (VF).

Отметим основные преимущества пенных насосов перед горизонтальными. Во-первых, это значительно меньшие размеры резервуара (в 10-50 раз по сравнению со стандартными зумпфами). Если в резервуаре, установленном в паре с горизонтальным насосом, пена разрушается в основном благодаря действию гравитационных сил, то в резервуаре пенного насоса к этим силам добавляются еще и центробежные. В результате требуется намного меньше площади для размещения пенного насоса. Кроме того, статическая нагрузка всей установки будет гораздо ниже чем нагрузка горизонтального насоса с большим по объему и массе резервуаром. Соответственно, ниже и общие капитальные затраты на пенный насос.

Во-вторых, пенный насос не имеет уплотнения вала. Таким образом, не требуется подвода промывочной воды к насосу, а сама пульпа не разбавляется, т.е. сохраняет свою концентрацию. Кроме того, такой насос вообще может работать без нагрузки (в сухую), без угрозы повреждения элементов насоса.

В-третьих, вихревое спиральное движение пульпы, образующееся в резервуаре пенного насоса, и вертикальный участок всасывания предотвращают образование воздушных пробок, а значит, исключают возможность пульсирующего режима работы оборудования.

В-четвертых, наличие крышки исключает возможность перелива пенного продукта из резервуара.

В-пятых, обслуживание пенного насоса сравнительно легче. Доступ к проточной части насоса прост - необходимо только снять корпус насоса. В некоторых конструкциях применяются такие инновационные устройства, как гидравлические подъемники, либо выбивные клинья, обеспечивающие надежное крепление корпуса и, в то же время, позволяющие минимизировать общее время процесса съема/установки корпуса насоса. Однако необходимо отметить, что для пенного насоса требуется дополнительный доступ сверху для извлечения подшипникового узла с валом. Чтобы избежать проблем с извлечением вала, необходимо еще на этапе проектирования фабрики учесть наличие насосов, к которым должен быть обеспечен доступ мостового крана.

Пенные насосы Metso Minerals


Разработчиком специализированных пенных насосов является компания Svedala, входящая в концерн Metso Minerals. Начало производства первых пенных насосов (серия SPVC) относится к концу 1970-х годов.

На сегодняшний день разработана и успешно внедрена в эксплуатацию целая линейка новых пенных насосов серии VF: от малых VF50 (с объемом резервуара 0.14 м3), до насосов, производительность которых достигает 1500 м3/час -VF350 (с объемом резервуара 3.5 м3).

Насосы Metso Minerals серии VF успешно зарекомендовали себя в работе с пенными продуктами, получаемыми в процессе обогащении металлических руд, на фосфатных и апатитовых комбинатах, а также при переработке кальциево-карбонатных пород. Кроме того, такой насос может использоваться в качестве смесительного и распределительного устройства, в котором сухой порошок перемешивается с водой. Он также может использоваться для работы со свежим бетоном и для подачи цементного раствора.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2008, стр.74