Отчет по проекту РФФИ-Урал 17-41-5900874 р_а Теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамических эффектов в многофазных потоках при воздействии ультразвука применительно к процессам флотационного разделения

Исследовано движение тяжелой частицы около газового пузырька под действием ультразвука при параметрах, близких к резонансу. Построены траектории движения частицы с учетом ее инертности, вибрационной силы, сил Стокса и Бассе. Результаты применены к вычислению сечения захвата всплывающим пузырем осаждающихся частиц, показано, что вибрации могут приводить к увеличению сечения захвата. Численно исследован захват малых твердых включений ансамблем газовых пузырьков в колеблющейся жидкости в двухмерной постановке без учета влияния внешних стенок области. Вибрации высокой, но конечной частоты, для которых проявляется эффект сжимаемости газа в пузыре, способны значительно увеличивать сечение захвата осаждающихся твердых частиц около одиночного пузыря, всплывающего в жидкости. Эффект вибраций также ослабляется внутри расположения ансамбля газовых пузырей, но не так значительно, как в несжимаемом случае. Экспериментально исследовано влияние УЗ воздействия на процессы возникновения, дрейфа, коалесценции пузырьков, а также образующихся пар пузырек твердая частица в многокомпонентных растворах, содержащих твердые, частично растворимые частицы, в том числе в растворах солей, состав которых, близок к производственному рассолу флотационной обогатительной фабрики. Первый этап исследований включал эксперименты по исследованию влияния УЗ воздействия на процессы возникновения, дрейфа, коалесценции пузырьков в дистиллированной воде. Эти эксперименты выявили наличие двух типов ультразвуковой кавитации. Первый тип это инерционная кавитация, которая характеризуется быстрым ростом пузырька в фазе отрицательного давления. Второй тип - неинерционная (или стационарная) кавитация, при которой пузырьки растут за счет ректификационной диффузии или сжимаются вплоть до резонансного размера в результате растворения газа, либо осциллируют длительное время. Второй этап исследований включал серию экспериментов по изучению формирования и динамики кавитационных пузырьков в растворах с различными концентрациями NaCl и KCl. Эти эксперименты показали, что при низких концентрациях солей (ниже 2%), одновременно существуют два вида кавитации, причем порог возникновения инерционной кавитации выше, чем в дистиллированной воде. Ниже данного порога, на протяжении всей серии опытов кометообразные стримеры не появляются. При увеличении концентрации с 2% вплоть до 13% частота возникновения стримеров растет, а средний диаметр левитирующих пузырьков уменьшается. При концентрации соли в 13% исчезают практически все левитирующие неинерционные пузырьки и в растворе наблюдается только инерционная кавитация. Исследована возможность интенсификации флотации рудного сырья с помощью внешних ультразвуковых волн, за счет увеличения вероятности прикрепления частиц и пузырьков при обработке ультразвуком. Показано, что основным механизмом воздействия ультразвука является изменение во времени объема пузырьков при колебаниях акустического давления. Найдено, что при уменьшении размера пузырьков вероятность захвата частиц пузырьками возрастает за счет увеличения вероятности столкновения и прилипания (за счет кавитационных микропузырьков). С помощью термодинамического подхода получены оценки температуры и давления внутри газовых пузырьков и исследованы энергетические обмены между флотационной жидкостью и пузырьками. Предварительные эксперименты, выполненные на калийной руде, подтвердили теоретические данные по повышению температуры полифазной пульпы на 2 градуса. Экспериментальное исследование влияния катионов на коалесценцию пузырьков в солевых растворах производилось в отсутствие и при наличии ультразвукового воздействия. Механизм, с помощью которого пузырек стабилизируется, представляет собой динамический процесс, на который влияет расположение как аниона, так и катионов внутри границы раздела газа и подповерхности, которое в конечном итоге сильно зависит от гидратации ионов. Высокогидратированный двухвалентный Mg2 + оказывает большое влияние на водородную связь в воде, приводящую к замкнутой сети водородной связи между катионами и анионами, которые могут иметь большую стабилизирующую способность против возрастающих гидродинамических напряжений. Менее гидратированный одновалентный Na+ оказывает менее заметное влияние на водородную связь, поэтому с увеличением гидродинамических напряжений граница раздела воздух / жидкость может стать дестабилизированной коалесценцией пузырьков даже при высокой концентрации электролита.