автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.08, диссертация на тему:Интенсификация флотации труднообогатимых углей на основе синергизма действия углеводородов

А

С-.'ч

На правах рукописи

О. 4 ВОЛОЩУК ТАТЬЯНА ГЕННАДЬЕВНА

V

• ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ФЛОТАЦИИ ТРУДНООБОГАТИМЫХ УГЛЕЙ НА ОСНОВЕ СИНЕРГИЗМА ДЕЙСТВИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Специальность 05.15.08 Обогащение полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск. 1997

Работа выполнена в Магнитогорской государственной горно-металлургаческой академии им. Г.И. Носова

доктор технических наук, профессор В. Н.Петухов доктор технических наук Курбатов В.П.

кандидат технических наук, доцент Попова Л.А.

Ведущее предприятие: ОАО "Северсталь", г.Череповец

Защита состоится "15 " мая 1997 г. в 15°в ч. на заседании диссертационного совета' К 083.04.02 в Магнитогорской государственной горно-металлургической академии'им. Г.И.Носова. Адрес: 455000 г Магнитогорск щз. Ленина, 38,МГМА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им.. Г. И. Носова. .. •

Автореферат разослан " •/." апреля 1997 года.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Савинчук Л.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: В современной технологии углепотребляющих отраслей промышленности качество и стоимость угольных концентратов во многом определяют качество и себестоимость конечных продуктов переработки.

Из-за снижения запасов легкообогатимых углей, позволяющих получать концентраты высокого качества, обогащению подвергаются трудно-обогатимые угли, запасы которых значительны. Для обеспечения необходимого качества концентратов при их обогащении требуются особые условия.

Наряду с улучшением качества концентрата необходимо максимально снизить и потери угля с отходами обогащения, т. е. подвергнуть обогащению весь уголь, поступающий на фабрики, в том числе и мелкие классы. Тем более, что количество угольной мелочи, получаемой при угледобыче, является значительным и дополнительно увеличивается для труднообогати-мых углей в результате их дробления с целью разделения сростков.

Практика обогащения мелких классов углей в России показывает, что технологические показатели процесса флотации труднообогатимых углей неустойчивы и колеблются в значительных пределах. Эффективность их флотации во многом зависит от применяемых реагентов. Используемые в настоящее время реагенты-собиратели и вспениватели не позволяют получать высокие технико-экономические показатели флотации.

Современные исследования по совершенствованию реагентных режимов флотации и практика работы углеобогатительных фабрик (УОФ) установили и подтвердили целесообразность применения в качестве флотационных реагентов продуктов нефтехимических производств, представляющих из себя смесь углеводородов различного состава. Однако направленному улучшению собирательных свойств реагентов-масел на основе регулирования состава смеси и соотношения углеводородов в ней уделяется недостаточно внимания.

Поэтому проблема изыскания новых эффективных, нетоксичных, недефицитных реагентов, а также снижение их расхода путем составления фло-тоактивных смесей из технических продуктов является актуальной для обогащения мелочи труднообогатимых углей.

Цель работы: _Интенсификация процесса флотации труднообогатимых углей средней.стадии метаморфизма.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач: - изучения физико-химических свойств углей различных угольных бассей-

нов, оказывавших влияние на их флотируемость и на взаимодействие с углеводородами различных классов;

- изучения основных физико-химических свойств углеводородов, и их смесей, определяющих особенности их действия при флотации;

- разработки способа получения эффективных композиций реагентов-собирателей;

- практического применения способа получения эффективных композизий реагентов-собирателей из числа технических продуктов.

Научная новизна: Теоретически обосновано, а также экспериментально подтверждено, что при смешивании углеводородов различных классов в оптимальном соотношении наблюдается синергический эффект их фло-тоактивности.

Установлено, что снижение свободной энергии угольной поверхности и поверхности капелек реагента в воде, обусловливающее превышение фло-тоактивности смеси реагентов над флотоактивностью отдельных её компонентов, достигается за счёт:

- неравномерного распределения.компонентов смеси на поверхности и в объеме маслянной фазы, согласно правилу уравнивания полярностей фаз П. к. Ребиндера, повышающего дисперсность и устойчивость эмульсии реагента в воде;

- селективного закрепления различных по адсорбционной активности компонентов смеси на энергетический структурно-неоднородной угольной поверхности, увеличивающего ее гидрофобность и прочность контакта частица-пузырек;

- перераспределения компонентов смеси в пленке реагента на поверхности пузырька (в пределах трехфазного периметра смачивания) в момент действия дополнительных отрывающих усилий, увеличивающего устойчивость контакта частица-пузырек.

Разработан способ практического использования явления синергизма действия углеводородов при флотации углей путём целенаправленного изменения состава реагентов-собирателей из числа полупродуктов нефтепереработки;

Разработаны новые высокоэффективные реагенты-собиратели на основе технических продуктов: тяжелый полимердистиллят (ТПД); "флотополибути-лен"; смесь ТПД с легким каталитическим, газойлем (ЛКГ) в соотношении 75:25. На последний реагент-собиратель получен патент РФ N 2046025.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанный способ использования явления синергизма действия реагентов при

Флотации углей может быть рекомендован:

- для широкого применения на УОФ страны путем добавки к реагенту, используемому на фабрике, одного или нескольких технических продуктов нефтепереработки;

- для применения на нефтеперерабатывающих заводах с отправкой потребителям готовых реагентов-собирателей, состоящих из смеси продуктов, производимых на одном заводе..

Использование разработанных в диссертации реагентных режимов обеспечивает значительную интенсификацию процесса флотации углей.

Получение высокоэффективных реагентов при смешивании•уже известных эффективных собирателей с другими техническими продуктами расширяет масштабы применения известных собирателей. ^

Разработана прикладная программа для 1ВМ-совместимых компьютеров для поиска оптимальных соотношений многокомпонентных смесей собирателей, обеспечивающих увеличение извлечения горючей массы в концентрат.

На защиту выносятся следующие основные научные положения и результаты:

- особенности механизма действия смесей углеводородов при флотации труднообогатимых углей средней стадии метаморфизма;

- способ получения эффективных композиций реагентов-собирателей для флотации труднообогатимых углей; ■

- новые эффективные реагенты для флотации труднообогатимых углей.

Реализация работы. На ЦОФ "Карагандинская" проведены промышленные испытания нового реагентного режима с применением в качестве собирателя ТПД. Использование реагента ТПД позволяет повысить выход концентрата на 1 ?! и зольность отходов на 3.8 % при снижении расхода на 23 % по сравнении с расходом топлива печного бытового (ТПБ). применяемого на фабрике. .

На п/о "Карагандауголь" принято решение о проведении промышленных испытаний смеси продуктов нефтепереработки ТПД:ЛКГ в соотношении 75:25. Ожидаемый экономический эффект составляет 104793,7 тыс.руб/год.

Апробация работы. Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались на Межгосударственных научно-технических конференциях: "Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона" (Магнитогорск. 19*94); "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала" (Магнитогорск, 1995); Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы металлургии" (Екатеринбург, 1995); "Проблемы развития метал-

лургии Урала на рубеже XXI века" (Магнитогорск. 1996); Международном совещании "Высокоэффективные технологии глубокого обогащения углей и тонкодисперсных минеральных систем" (Люберцы. Плаксинские чтения, 1996). На ежегодных научно-технических конфеенциях МГМА и АО "ММК" по итогам научно-исследовательских работ (1990-96 гг.). Методы исследования:

- инфракрасный спектральный анализ для изучения группового состава реагентов; 7

, - метод газовой хроматографии для изучения взаимодействия реагентов с угольной поверхностью;

- метод изучения дисперсности эмульсии на фотоэлектроколориметре; ' - флотационные опыты на лабораторной флотомашине;

- беспенная флотация для изучения влияния реагентов на прочность контакта частица-пузырек;

- фракционный анализ углей;.

- симплексно-центроидное планирование экспериментов и компьютерная обработка результатов..

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, получено два авторских свидетельства и 1 патент на изобретения.

Структура работы. Диссертация содержит введение, четыре.главы, общие выводы, список литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основы отечественной теории и практики флотации углей с использованием реагентов-масел были заложены в трудах В.И. Классена, И.Н. Плаксина, Н.С.Власовой, В.А.Глембоцкого, В.И. Мелик-Гайказяна и др.

В диссертации после обоснования актуальности и цели работы проведен анализ литературы по флотации углей. На его основании сделано предположение о перспективности такого направления повышения эффективности флотации, как использование сочетаний углеводородов различных классов.

Для подтверждения данного предположения исследовались индивидуальные углеводороды, температурные фракции углеводородов и их смеси.

Исследования проводились на углях Кузнецкого, Карагандинского и Печорского бассейнов, а также исходных шламах, поступающих на обогащение во флотационные отделения УОФ Карагандинского' и Череповецкого металлургических комбинатов, отличающихся минерализацией и степенью обо-

гатимости.

Степень обогатимости углей оценивалась на основании фракционного анализа. По данным проведённого технического анализа исследуемые угли относятся к маркам Г. КЖ и К.

Кроме того, использовались-витриниты газовых и коксовых углей Кузнецкого бассейна.

Исследование синергизма действия углеводородов при флотации углей

В результате исследования влияния отдельных классов углеводородов на флотацию подтверждено, что наибольшей флотационной активностью обладают углеводороды с температурой кипения от 150 до 260 °С.

На этом основании для изучения влияния смесей непредельных, ароматических и предельных углеводородов исследовались их температурные фракции 150-170 и 200-230 °С при флотации Кузнецких углей шахты Распадская. С использованием математического планирования экспериментов получены уравнения регрессии, построены диаграммы зависимости извлечения горючей массы в концентрат от состава смеси. Математическая модель для смесей фракции 200-230 0С .имеет вид:

Y=43.8Х, +84.2Х2 +79. 4Х3+46. 4Х1Х2+55. 6Xt Х3+14Х2Х3+51. 9Х, Х2Х3 .

Установлено, что при смешивании углеводородов различных классов наблюдается синергический эффект их флотоактивности.

При использовании смеси непредельных, ароматических и предельных углеводородов в соотношении 60:30:10 извлечение горючей массы.в концентрат составляет 84.8 %. что не низе чем у самого эффективного компонента смеси. Наибольшее извлечение горючей массы в концентрат достигается при соотношении непредельных и ароматических углеводородов 70:30 с температурой кипения 200-230 °С и составляет 85.7 %, что на 6.3 % выше, чем у ароматических и на 1.5 ü выше, чем у непредельных углеводородов (рис.1).

Раздельная подача компонентов данной смеси при одинаковых условиях эксперимента снизила извлечение горючей массы в концентрат с 88.5 до 85.1 % (табл.1).

. Таким образом, повышение флотационной активности углеводородов при их смешивании вызвано их совместным действием.

Нами изучены причины оинергического действия смесей углеводородов при флотации.

Зависимость извлечения горючей массы в концентрат от состава смесей углеводородов с температурой кипения 200-230 С

непредельные углеводороды

Рис.1

Таблица 1

Результаты флотации углей шахты "Распадская" с использованием углеводородов с температурой кипения 200—230 С

Собиратель Вы- Золь- Извинение Выход Параметры реагентов

ход. ность, горю- концентра- Опти- Время достиже- Вяз-

% % чей та в MOHO— ческая ния стабиль- кость,

массы пузырько- плот- ных значений

в кон— вом аппа- ность оптической 10

цент— рате,% эмуль- плотности м'/с

рат,% сии,% эмульсий, с

Предельные 46.0 8.2 50.7 20.2 0.10 25 1ÁÍ

углеводороды

Ароматические 57.8 8.S 63.7 22.3 0.12 25 2^0

уг/еволоро^ы

Непредельные 76.2 а.1 83.3 28.2 0.25 20 2.70

углеводороды

Смесь непредельных и ароматических углевододов (70:30) 80.9 8.9 88.5 33.3 0.29 15 2.64

Непредельные и ароматические углеводороды (70:30) (раздельная подача) 77.7 8.8 85.1 30.2 - - ; -

Расход собирателя 0.99 кг/т, расход КОБС 0.042 кг/т

Влияние свойств эмульсий смесей углеводородов на синергизм их действия йри флотации

С целью изучения влияния взаимодействия молекул углеводородов на их флотационную активность проведен ИК-спектральный анализ технических продуктов, содержащих углеводороды различных классов: тяжелого поли-мердистиллята (ТПД), легкого каталитического газойля (ЛКГ). керосина, Нефраса-А-150/330 и их смеси. Установлено, что взаимодействие углеводородов носит не химический характер и обусловлено действием сил Ван-дер-Ваальса.

Однако смешивание может привести к изменению когезионного взаимодействия молекул углеводородов. Об этом свидетельствует неаддитивное изменение диэлектрической проницаемости углеводородов различных классов в бинарных смесях. "Так, диэлектрическая.проницаемость (с) смеси бензола (е=2.28) и гексана (е=1.89) в соотношении 50:50 составляет 2.02.

Одним из основных свойств при флотации, которое определяется действием сил когезии, является поверхностное натяжение на границе масло-вода.

Установленное на фотоэлектроколориметре повышение оптической плотности водной эмульсии синергической смеси непредельных и ароматических углеводородов в соотношении 70:30 фракции 200-230 0 с свидетельствует об увеличении дисперсности эмульсии и о снижении поверхностного натяжения 1?а границе раздела вода - смесь углеводородов по сравнению с границей раздела вода - компонент смеси (см. табл.1).

Следовательно, в соответствии с уравнением Гиббса (1* - - Г.Мщ - Г^сЗМг. где у -поверхностное натяжение на границе масло-вода, Дж/м2: IV - поверхностный избыток 1-того компонента на единицу площади, моль/мг; ,

йД! - химический потенциал 1*того компонента. Дж/моль,

поверхность капелек эмульсии смесей углеводородов в воде неоднородна и

отличается по составу от объема капельки.

Согласно правилу уравнивания полярностей фаз П.А.Ребиндера, на поверхности раздела вода - смесь углеводородов будут преимущественно концентрироваться и определять свойства поверхности те углеводорода, у которых полярность выше.

Сравнение величин диэлектрической проницаемости углеводородов по-

казало, что у ароматических и непредельных углеводородов полярность выше, чем у углеводородов жирного ряда. Следовательно, смесь должна состоять из углеводородов различных классов, причем ароматические, и непредельные будут преимущественно концентрироваться на поверхности, а углеводороды жирного ряда внутри фазы.

Снижение поверхностного натяжения на границе вода - реагент повышает- дисперсность эмульсии, увеличивая при флотации вероятность столкновений капелек собирателя с углем. Увеличение количества закрепивших-.ся на поверхности более мелких капель и последующее их слияние повышает вероятность более равномерного распределения собирателя на угольной поверхности.

Кроме того, наличие поверхностных пленок на границе реагент - вода снижает вероятность коалесценсии капелек эмульсии. При столкновении капелек происходит перераспределение компонентов смеси между обьемом -масляной фазы и её поверхностью, изменяется поверхностное натяжение на границе масловода, что приводит к повышению сопротивления пленки механическим воздействиям. Время достижения стабильных результатов оптической плотности водной эмульсии смеси непредельных и ароматических углеводородов в соотношении 70:30 фракции 200- 230 °С составляет 15 с, что ниже данного показателя для отдельных компонентов смеси (см. табл.1).

При этом, в отличие от пленок гетерополярных веществ, на поверхности масла углеводородные пленки не снижают вероятности закрепления капелек масла на угольной поверхности, поскольку между углеводородными пленками на капельках масла и молекулами воды отсутствуют водородные связи.

Когезионное взаимодействие в маслянной фазе влияет не только на поверхностное натяжение на границе масло-вода, но и на вязкость реагента.

Установлено, что в отличие от индивидуальных углеводородов, для которых прослеживается зависимость флотоактивности от вязкости, для их смесей подобные закономерности отсутствуют. Так, для смеси непредельных и ароматических углеводородов с температурами кипения 200-230 °С вязкость составляет 2.64 *10"6 м2/с. что несколько ниже, чем у самого эффективного компонента смеси (см. табл.1).

Следовательно, оптимальное значение вязкости для смесей углеводородов предсказать очень сложно и по ней нельзя судить о флотационной активности смеси собирателей. . 1

- и -

• Таким образом, в результате исследований установлено, что синер-гические смеси, применяемые в качестве собирателя, должны быть представлены смесью углеводородов различных классов. Совместное их использование способствует увеличению дисперсности и стабильности эмульсии ■ реагентов в воде без снижения их активности при взаимодействии с угольной поверхностью. В свою очередь, увеличение дисперсности эмульсии реагентов повышает:

- вероятность контакта с угольной поверхностью;

- равномерность распределения смеси по угольной поверхности по сравнению с компонентами, ее составляющими.

Все рассмотренные изменения, происходящие при смешивании углеводородов, приводят к повышению флотационной активности смесей углеводородов по сравнению с компонентами, их составляющими, т. е. к синергизму их действия при флотации.

Влияние свойств смесей углеводородов на упрочение контакта частица-пузырек и на синергизм их действия при флотации

Одним из важнейших факторов при флотации является закрепление собирателя на угольной поверхности, отличающейся энергетической и структурной неоднородностью.

Для анализа адсорбции углеводородов различных классов на угольной поверхности нами проведены исследования и построены изотермы адсорбции, чистых углеводородов на углях- и витринитах углей разной стадии метаморфизма. Для этого использовался метод газовой хроматографии.

Изотермы адсорбции являются выпуклыми, описываются уравнением Ленгмюра. Построенные зависимости

С/А-ИС).

где А - величина адсорбции,моль/мг;

С - равновесная концентрация сорбата в газовой фазе, моль/м3, являются линейными.

Установлено, что расположение изотерм адсорбции гептана и гепте-на на поверхности витринита газового угля обратно их расположению на витрините коксового угля' (рис.2). Основной причиной этого являются отличия в структуре поверхности витринитов разной стадии метаморфизма. Согласно элементному анализу органической массы витринитов, с

Изотермы адсорбции углеводородов на витринитах углей

Рис. 2

увеличением стадии метаморфизма количество кислорода уменьшается с 7. 9 до 5.0 %, т. е. поверхность витринита газовых углей содержит большее количество кислородсодержащих функциональных групп (-С00Н;-0Н и др.). чем поверхность витринитов коксовых углей.

За счет локализации электронной плотности на наиболее электроотрицательном атоме функциональной группы атом водорода приобретает частично положительный заряд. Главным структурным элементом, определяющим адсорбционную способность .гептена, является ж - связь, которая очень подвижна и легко поляризуется. Поэтому молекула гептена может закрепляться двойной связью на функциональной группе поверхности с образованием к - системы с протонизированным атомом водорода.

На поверхности витринита коксовых углей преобладает ядерная и углеводородная часть макромолекулы угля, связи которых насыщены и скомпенсированы. Взаимодействие может осуществляться преимущественно-за счет дисперсионных сил, как и для молекул насыщенных углеводородов. Поэтому на витринитах коксовых углей энергия адсорбции гептана выше, чем у гептена.

В отличие от витринитов углей, поверхность рядовых углей более неоднородна.' Однако закономерности адсорбции углеводородов на витринитах углей просматриваются и для рядовых углей. С увеличением стадии • метаморфизма углей при концентрации 20 * 10~г моль/м3 адсорбция цикло-'

гексана повышается с 0.41 до 0.49 моль/м3, а бензола снижается с 1.14 до 0.95 моль/м3.

Проведённые эксперименты по адсорбции доказывают, что углеводороды с различной способностью к взаимодействию адсорбируются избирательно. преимущественно на энергетически подобных участках угольной поверхности.

Из уравнения Лэнгмюра для адсорбции из многокомпонентной смеси следует, что она является конкурентной.

Поэтому на данном участке поверхности будут адсорбироваться преимущественно те химические соединения, энергия адсорбции которых выше и которые будут максимально снижать свободную энергию системы.

В итоге, реагент, включающий в себя углеводороды различного состава и структуры, более равномерно и прочно адсорбируется на поверхности, максимально повышая гидрофобность органической массы угля, обеспечивая более прочное прилипание угольных частиц к пузырькам воздуха, дополнительно способствуя синергизму действия сложного реагента.

Помимо селективной адсорбции углеводородов из смеси на прочность контакта' частица-пузырек влияет способность пленки реагента" на поверх ■ поста пузырька (возле трехфазного периметра контакта) изменять поверх ностное натяжение в момент действия дополнительных отрывающих усилий.

Согласно теории Гиббса, основной мерой, характеризующей способность пленки менять свое поверхностное натяжение в момент наложения эастягивающего или сжимающего усилия, является упругость пленки (Е). 5ля двухкомпонентной системы упругость пленки представляется в следу-ощем виде:

Е= 4(ГУ)г (брг/бШг). "де т2 - количество компонента на единицу площади пленки, моль: ^ - химический потенциал этого компонента, Дж/моль.

Г21 = -(С/Ш (сЦ/йС). 'де у - поверхностное натяжение на поверхности пузырька, Дж/м2; I - концентрация растворённого вещества, моль/м3:

При растяжении поверхности концентрацич вещества в пленке падает [ соответственно возрастает поверхностное натяжение,' препятствующее ¡азрыву пленки.

Для чистых жидкостей Е=0 и поэтому устойчивость пленки на поверх-юсти пузырька для них невелика.

Повышение прочности контакта частица-пузырек при применении сме-ей собирателей по сравнению с использованием отдельных их компонент'-г

сыпо подтверждено флотацией в монопузырьковом аппарате. Установлено, что выход концентрата при использовании смеси непредельных и аромати-• ческих углеводородов с температурой кипения 200-230 °С увеличивается с

28.2 до 33.3 % по сравнению с самым эффективным компонентом смеси -'непредельными углеводородами (см.табл. 1).

Таким образом, дополнительной причиной синергизма дейтвия углеводородов при флотации является упрочение контакта частица-пузырек из-за:

- наличия в них различных по адсорбционной активности компонентов и, как следствие их селективная адсорбция на энергетически- и структурно-неоднородной угольной поверхности;

- перераспределения компонентов смеси в пленке реагента на поверхности пузырька в момент действия.отрывающих усилий.

Способ получения эффективных композиций реагентов-собирателей

В результате проведенных исследований установлено, что областью действия реагента-собирателя, состоящего из смеси углеводородов, является поверхность угля, пузырька и самого реагента. Все факторы (состав, структура, свойства), определяющие флотоактивность реагентов-масел находятся между собой в тесной зависимости. Поэтому оптимальное соотношение углеводородов в смеси можно найти только, испытывая их комбинации в различных соотношениях.

На основании этого нами разработан способ получения эффективных композиций реагентов-собирателей для флотации углей из технических продуктов, включающий:

- выбор технических продуктов, в состав которых входят углеводороды различных классов с широким диапазоном температур кипения, включая температурн!'й интервал, соответствующий наибольшей флотоактивности углеводородов и составляющий 150-260°С;

- создание симплексно-центроидного плана для изыскания оптимальных соотношений между наиболее флотоактивным техническим продуктом и другими изучаемыми продуктами, при которых достигаются наибольшие извлечения горючей массы в концентрат на углях трудной или очень трудной степени обогатимости;

. - проверку флотационной активности смеси технических продуктов в оптимальном соотношении на различных углях.

Изыскание эффективных реагентов-собирателей из технических продуктов и их смесей

С целью подтверждения предложенного способа получения эффективных сомпозиций реагентов-собирателей для исследований были отобраны нефте-1родукты: ТПБ; керосин; ЛКГ: ТПД; Нефрас-А-150/330. Данные продукты ¡одержат углеводороды различных классов, обладают различными физико-шмическими характеристиками, в том числе и температурой кипения, которая колеблется в широких пределах от 150 до 360 °С.

При флотации карагандинских углей шахты им. Ленина очень трудной :тепени обогатимости установлено, что флотационная активность техни-1еских продуктов снижается в ряду: ТПД> керосмн> ЛКГ> ТПБ> Нефрас-А табл.2).

Причиной повышенной флотационной активности ТПД является наличие ; его групповом химическом составе 100 % полиизобутиленов. Повышенная лектронная плотность непредельных углеводородов способствует их вза-модействию с функциональными грушами на поверхности угля, что позво-яет реагенту более прочно адсорбироваться на поверхности угольных астиц. Радикалы молекул, имеющие изостуктуру. разрыхляют гидратные лои на поверхности угольных частац, увеличивая ей гидрофобность.

Установлено, что крупность эмульсии реагентов в воде уменьшается ряду Нефрас-А> ЛКГ> керосин> ТПД (см. табл.2), что свидетельствует о нижении поверхностного натяжения .данных реагентов на границе с водой . как следствие, интенсификации флотации в том же порядке.

ТПД обеспечивает более прочное закрепление угольных частиц на пу-фьках воздуха по сравнению с другими изучаемыми продуктами, что под-зерждается более высоким выходом концентрата при флотации в монопу-фьковом аппарате (см. табл.2).

Таким образом, в результате проведенных исследований найден эф-эктивный реагент-собиратель ТПД.

Для определения оптимальных соотношений между ТПД и другими изу-»емыми продуктами, которые обеспечивают высокие показатели флотации, ¡ли составлены три плана экспериментов для четырехкомпонентых смесей, >торые включали в себя: ТПД, керосин. ЛКГ-. Нефрас-А; ГПД, керосин. ТПБ. Нефрас-А; ТПДл ТПБ, ЛКГ, Нефрас-А.

Компоненты смесей подбирались по следующим принципам :

Таблица 2

Свойства технических продуктов и их смеси

Реагент — собиратель Извлечение горючей массы в концентрат, % Вязкость, Ю6и2/с Оптическая плотность водной эмульсии, А Выход концентрата в монопу— зырьковом аппарате,%

ТПД 82.5 2.52 0.47 41.4

Нефрас—А 51.6 4.59 0.17 23.3

Керосин 69.1 ' 2.25 0.34 35.8

лкг ' 57.1 4.73 0.26 29.6

ТПБ 41.6 15.6 - 19.5

ТПД:ЛКГ:НЕФРАС—А (60:20:20) 87.3 3.0 0.57 51.1

ТПД:ЛКГ:НЕФРАС—А (60:20:20) (раздельная подача) 84.3 - - 45.6

гентом и Нефрас-А-150/330 - продукт, который содержит 100 % ароматических углеводородов;

- в два плана были включены реагенты, широко применяемые на УОФ,- керосин и ТПБ.

На основании симплекс-центроидных планов нами были получены уравнения регрессии, построены диаграммы зависимости извлечения горючей массы в концентрат от состава смеси (рис.3).

При анализе полученных диаграмм установлено, что наибольшее извлечение горючей массы в концентрат достигается при соотношении ТПД. ЛКГ и Нефра~-А (70:20:10-60:20:20) и составляет 87.3 V что на 4.8 % выше, чем при использовании ТПД. самого эффективного реагента смеси (см. рис.3). В результате последовательной подачи компонентов данной смеси в флотомашину при тех ке условиях эксперимента извлечение горючей массы в концентрат снизилось до 84.3 % (см. табл. 2). ■ Наблюдается синергический эффект.

Синергические смеси реагентов-собирателей содержат молекулы углеводородов различной полярности, которые в соответствии с правилом уравнивания полярности фаз П.А.Ребиндера неравномерно распределяются

- 17 -

Диаграмма зависимости извлечения горючей массы в концентрат от соотношения реагентов в смеси XI (ТПД)

82.5

Рис.3

на поверхности и в объеме капелек масла в воде, увеличивая дисперсность эмульсии смеси. Оптическая плотность водной эмульсии синергичес-кой смеси увеличивается по сравнению с ТПД с 0. 47 до 0.57 (см. табл.2).

Селективная адсорбция углеводородов, входящих в смесь, приводит к более равномерному распределению реагента по поверхности, повышению устойчивости адсорбционного слоя по сравнению со случаями индивидуального применения тех же собирателей:

Изменение свойств смесей реагентов при их смешивании увеличивает прочность закрепления частиц на пузырьках. Об этом свидетельствуют результаты флотации в монопузырьковом аппарате.

Выход концентрата при применении смеси ТПД:ЛКГ:Бефрас-А (60:20:20) увеличивается с 41.4 до 51.1 % по сравнению с ТПД - самым эффективным компонентом смеси (см. табл.2).

Таким образом, доказана возможность практического применения разработанного способа получения эффективных комбинаций реагентов-собирателей.

На его основании была рассмотрена возможность совместного использования собирателей, производимых на одном нефтёхимическом производстве.

При флотации углей шахты "Юнь-Яга" в лабораторных условиях установлено, что применение смеси ТПД: ЛКГ(75:25) вместо керосина увеличивает извлечение горючей массы в концентрат с 93.0 до 98.3 %. а зольность отходов - с 66.2 до 86.4 % (табл.3).

К использованию в качестве реагента-собирателя предложен новый реагент - "флотополибутилен". представляющий смесь ТПД с "флегмой вис-брекинга" (смесь предельных и ароматических углеводородов, с температурой кипения 150-305 °С). При флотации шихты ЦОФ N2 ОАО "Северсталь" в лабораторных условиях установлено, что применение "флотополибутиле-на" вместо керосина повышает выход концентрата с 72.4 до 77.1 %. зольность отходов - с 62.0.до 70.8 % при снижении расхода реагентов с 0.432 до 0.382 кг/т (см. табл^З).

Кроме того, использование на УОФ предложенных в работе новых реагентов-собирателей увеличит масштабы применения ТПД на 25 % (в смеси с ЛКГ) и 40-60 % (в смеси с "флегмой висбрекинга").

В связи с более низкими расходами данных реагентов при флотации и одинаковой с керосином ПДК паров в воздухе, составляющей 300 мг/м3, их использование вместо керосина является предпочтительным.

Установлено, что на эффективность действия ТПД и смеси ТПД:ЛКГ (75:25) можно влиять, используя совместно с ним новые эффективные реа-генты-вспениватели. Так, применение их с вспенивателями 1,1-диизобу-токси-2-метилпропаном и 1,1.3,3- тетраэтоксиметаном вместо Т-80 позволяет при неизменном качестве концентрата снизить расход реагентов в 1.3-1.4 раза.

Таким образом, в работе реализован разработаный способ получения эффективных комбинаций реагентов-собирателей.

Разработаны новые высокоэффективные реагенты-собиратели из технических продуктов: ТПД; "флотополибутилен"; смесь ТПД с ЛКГ. в соотношении 75:25.

Промышленные испытания реагента-собирателя ТПД

Исследования в лабораторных условиях показали высокую флотационную активность технического продукта ЩД. содержащего 100 % полиизобу-тиленов.

Таблица 3

Результаты флотации углей с различными реагентами—собирателями

Исходный Реагентный режим Выход Золь- Золь- Извлечение

уголь собира- вспе- Расход рэагента. кг/г кон- ность ность горючей

с золь- тель ни— соби- вспе— цент- кон- отхо- массы в

ностью ва- рате- нива- рата, цент- дов, концент-

тель ля теля % рата. % рат,%

Печорские керосин Т-80 0.600 0.082 82.8 6.3 66.2 93.0

угли, шахта тпд+лкг

"Распадская" 75:25 Т-80 0.584 0.032 89.6 3.5 86.4 98.3

16.7%

Шихта керосин КОБС 0.350 0.082 72.4 9.5 62.0 86.2

ЦОФ N2 ОАО флото—

' 'Северсталь'' поли— КОБС 0.300 0.082 77.1 10.1 70.8 91.2

24.0% бутилен

На их основании в 1991 году на ЦОФ "Карагандинская" п/о "Караган-дауголь" были проведены промышленные испытания нового реагента-собирателя - ТПД.

В период испытаний технологическая схема фабрики и флотационного отделения не изменялись. В среднем зольность исходного питания находилась в пределах 24.8-25.3 55, а плотность пульпы 112-122 г/л.

Установлено, что при производительности флотоотделения по исходному питанию в пределах 384-392 т/смену расход собирателя ТПД с вспе-швателем КОБС снижается по сравнению с расходом собирателя ТПБ с КОБС 3-2.68 до 2.06 кг/т.- Выход концентрата повысился с 69.9 до 70. 9 %. а зольность отходов флотации с 60.0 до 63.8 %.

По результатам промышленных испытаний реагент-собиратель ТПД при-«т к проныиленному использованию.

Выводы

1. Доказано, что при смешивании углеводородов различных классов в штимальном соотношении наблюдается синергический эффект их флотоак-гивности.

2. Показано, что основными причинами синергизма собирательного ¡ействия углеводородов являются:

• неравномерное распределение компонентов смеси на поверхности и в >бьеме маслянной фазы, согласно правилу уравнивания полярностей П. А.

Ребиндера, что приводит к снижению поверхностного натяжения, на границе раздела реагент - вода, повышает дисперсность и стабильность эмульсии реагента в воде; .

- селективное закрепление различных по адсорбционной активности компонентов на энергетически- и структурно-неоднородной угольной поверхности, повышающее гидрофобность органической массы угля;

- перераспределение компонентов смеси в пленке реагента на поверхности пузырька, обеспечиващее повышение поверхностного натяжения в момент действия дополнительных отрывающих усилий, что снижает вероятность отрыва частиц от пузырьков воздуха.

3. Разработан способ получения эффективных композиций реагентов-собирателей для флотации углей из технических продуктов с температурами кипения, включающими.температурный интервал, соответствующий наибольшей флотоактивности углеводородов и составляющий 150-260 °С;

4. Разработаны новые высокоэффективные реагенты-собиратели: тяжелый полимердистиллят; смесь продуктов нефтехимии ТПД и ЛКГ в соотношении 75:25; "флотополибутилен" - смесь ТПД и флегмы висбрекинга в'соотношении 40:60-60:40. Применение данных реагентов позволяет улучшить результаты флотации, увеличить масштабы применения эффективного реагента-собирателя ТПД, улучшить экологическую обстановку в промышленной зоне за счет снижения сброса химических продуктов с отходами флотации.

5. Результаты промышленных испытаний нового реагентного режима с применением в качестве собирателя реагента ТПД показали, что использование его вместо ТПБ позволяет повысить выход концентрата с 69.9 до 70.9 % при снижении общего расхода реагентов с 2,68 до 2.06 кг/т. Зольность отходов флотации повышается с 60.0 до 63.8 %. Экономический эффект составил 1743870 руб. в ценах 1992 года.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. A.c. 1671358 СССР,МКИ В 03 D 1/008. Способ флотации угля.

2. A.c. 1688925 СССР.МКИ В 03 D 1/008. Способ флотации УГЛЯ.

3. Петухов В.Н,, Волощук Т. Г. Новые реагенты-собиратели для^флотации углей //Кокс И химия.- 1993,- N8. - С. 4-6.

4. Петухов В.Н.. Волощук Т. Г. Эффективные реагенты-собиратели для флотации углей //Кокс и химия,- 1994,- N4,- С.4-5.

5. Волощук Т. Г. Пути повышения качества кокса//Производство чугуна: Межвуз. сб. - Магнитогорск: МГМА, 1994. - С. 71-73.

6. Петухов В.Н. .Волощук Т.Г. Направления интенсификации процебса фло-

тации углеЙ//Состоякие и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона: Тез. межгос. науч.-те}сн. конф. - Маг нитогорск: МГМИ, 1994,- С.121-122.

7. Пат. 2046025 РФ, МНИ В 03 0.1/02, 1/006//В 03 0/03:08. Способ флотации угля.

8. Волощук Т.Г..Петухов В.Н. Расширение сырьевой базы коксования за счет эффективности обогащения.угольной мелочи// Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала: Тез. докл.межгос. науч.-техн. конф.- Магнитогорск: МГМА, 1995.- С.115-116.

9. Петухов В.Н..Волощук Т.Г. Совершенствование флотации углей с целью повышения технико-экономических показателей подготовки шихты перед коксованием//Фундаментальные проблемы металлургии: Тез. Рос. межвуз. науч. - техн. конф,- Екатеринбург: УГТУ. 1995,- С.36-37.

10. Волощук Т.Г., Петухов В.Н. Влияние физико-химических свойств апо-лярных реагентов на их гидрофобизационные и флотационные свойства// Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Тез. межгос. науч. - техн. конф,- Магнитогорск: МГМА, 1996,- С.61-62.

11. Волощук Т.Г., Петухов В.Н. Влияние физико-химических свойств апо-лярных реагентов-собирателей на синергизм их флотоактивности//Пробле-иы развития металлургии Урала на. рубеже XXI века: Сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГМА,, 1996.- С. 126-131.