Simulación matemática y caracterización física de un dispersor tipo venturi para la formación de burbujas en el proceso de flotación de partículas hidrófobas e hidrófilas

Abstract

The efficiency of the flotation process strongly depends on the characteristics of the gas dispersion: bubbles diameter, gas holdup, and bubble surface area flux. Bubble size is important since it is responsible of colliding, attaching, and carrying the valuable species out of the column as concentrate; therefore, it is important to design spargers to control the gas dispersion characteristics and to increase the metallurgical performance of flotation. In this research work the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation method was applied to design and study the hydraulic phenomena that occur inside the sparger type venturi, when bubbles are generated. This sparger was simulated to be externally attached to a flotation column, and for a water-air system. The CFD was solved through the software ANSYS Fluent R16.2®, and the preprocessor Gambit 2.4. During the solution two turbulence models were assumed: k-ε, and LES; and the multiphase model: VOF. In this first stage, three venturi configurations were designed. The results of the two-phase simulations were analyzed and the design of the venturi that presented the best fluid-dynamic characteristics was chosen, which presented the best fluid-dynamic characteristics; which has the following geometric characteristics: larger diameter = 3.81 cm; smaller diameter = 1.27 cm (throat), convergent and divergent angles of the throat = 15 degrees; 8 air inlets distributed radially in the throat area with a diameter = 0.16 cm each with an inclination angle of 45 degrees. This design was constructed and physically characterized in a two-phase flotation system, under the following operating conditions: Ql = 10, 15, and 20 bpm; Qg = 1, 2, 3, and 4 bpm; [C] of surfactant (pine oil) = 0, 10, 20, 30, and 40 ppm.

La eficiencia del proceso de flotación depende fuertemente de las características de la dispersión de gas: tamaño de las burbujas, volumen de gas retenido y área superficial de las burbujas. El tamaño de la burbuja juega un papel crucial en este proceso, debido a que es el medio de transporte para separar el material a concentrar, sea líquido o sólido. Es importante desarrollar dispersores con los que sea posible controlar las características de la dispersión de gas, con el fin de incrementar la eficiencia metalúrgica de los equipos de flotación. En el presente trabajo se hace uso de la simulación matemática, dinámica de fluidos computacional (CFD) por sus siglas en inglés, para estudiar los fenómenos fluido-dinámicos que ocurren al generarse burbujas dentro de un dispersor tipo venturi en un sistema agua-aire; utilizando el software ANSYS Fluent R16.2® y el preprocesador Gambit 2.4.6®. Se emplearon el modelo multifásico VOF, y los modelos de turbulencia k-ε y LES. En una primera etapa se diseñaron tres configuraciones de venturi, cada uno se unió a la parte inferior de una columna de flotación de 10 cm de diámetro por 276 cm de altura. Analizados los resultados de las simulaciones de dos fases, se eligió el diseño del venturi que presentó las mejores características fluido-dinámicas; el cual cuenta con las siguientes características geométricas: diámetro mayor = 3.81 cm; diámetro menor = 1.27 cm (garganta), ángulos convergente y divergente de la garganta = 15°; 8 entradas de aire distribuidas radialmente en la zona de la garganta con un diámetro = 0.16 cm cada una con un ángulo de inclinación de 45°. Este diseño se construyó y fue caracterizado físicamente en un sistema de flotación de dos fases, bajo las siguientes condiciones de operación: Ql = 10, 15 y 20 lpm; Qg = 1, 2, 3 y 4 lpm; [C] de surfactante (aceite de pino) = 0, 10, 20, 30 y 40 ppm.