Aération et agitation des cellules de flottation : Comment obtenir un mélange parfait des phases gazeuse, liquide et solide ?

La flottation, l'une des technologies de séparation les plus largement utilisées et fondamentales dans l'industrie moderne du traitement des minerais, repose fortement sur le mélange et l'interaction efficaces des phases gazeuse, liquide et solide au sein de la cellule de flottation. Une cellule de flottation est plus qu'un simple conteneur ; c'est un réacteur complexe à écoulement polyphasique dont la mission principale est de créer une dynamique des fluides optimale pour la rencontre, la collision, l'adhésion et la minéralisation des particules minérales hydrophobes et des bulles. Cet article explorera les deux opérations clés des cellules de flottation : l'aération et l'agitation. Il expliquera systématiquement comment ces deux effets synergiques permettent d'obtenir un « mélange parfait » des phases gazeuse, liquide et solide, assurant une séparation minérale efficace et précise.

一 Le cœur du processus de flottation : l'essence et l'objectif du mélange triphasique

L'essence du processus de flottation est l'introduction d'air (phase gazeuse) dans la pulpe de minerai (un système diphasique liquide-solide). Grâce à des réactions physiques et chimiques, les particules minérales cibles se fixent sélectivement aux bulles d'air, formant des bulles minéralisées. Ces bulles montent à la surface de la pulpe sous forme d'une couche de mousse qui est raclée, tandis que les minéraux de gangue restent dans la pulpe et sont rejetés sous forme de résidus. Le succès de ce processus dépend directement des trois conditions suivantes :

1 Suspension efficace des particules solides :Une agitation adéquate doit garantir que les particules de minerai de tailles et de densités variables sont uniformément suspendues dans la pulpe, empêchant les particules grossières et lourdes de se déposer et garantissant que toutes les particules ont la possibilité d'entrer en contact avec les bulles.

2 Dispersion efficace du gaz : L'air introduit doit être cisaillé et divisé en un grand nombre de minuscules bulles de taille appropriée, qui sont ensuite réparties uniformément dans toute la cellule de flottation afin d'augmenter l'interface gaz-liquide et la probabilité de collision entre les bulles et les particules de minerai.

3 Un environnement hydrodynamique contrôlable :La cellule de flottation doit maintenir une turbulence suffisante pour favoriser la suspension des particules et la dispersion des bulles, tout en évitant une turbulence excessive qui pourrait provoquer le détachement des particules de minerai attachées. Il est nécessaire de construire un champ d'écoulement dans la cuve qui possède à la fois une zone de dissipation d'énergie cinétique turbulente élevée (pour favoriser la collision) et une zone relativement stable (pour faciliter la flottation des bulles minéralisées).

Par conséquent, le « mélange parfait » n'est pas une simple homogénéisation, mais fait référence à la répartition uniforme des trois phases au niveau macro et à la création de structures de turbulence et de champ d'écoulement contrôlées qui favorisent l'adhésion sélective des particules et des bulles au niveau micro.

二 Cellules de flottation à agitation mécanique : une fusion classique de l'aération et de l'agitation.

Les cellules de flottation à agitation mécanique sont actuellement les équipements de flottation les plus largement utilisés. Leur composant principal, le système de roue et de stator, combine organiquement les deux fonctions d'aération et d'agitation. 

1. Agitation :Les roues de pompage et de vortexage de la roue, entraînées par un moteur, tournent à grande vitesse, fonctionnant comme une pompe, réalisant principalement les effets d'agitation suivants :

Circulation et suspension de la pulpe :La rotation de la roue génère une puissante force centrifuge, aspirant la pulpe du centre et l'éjectant radialement ou axialement. Cette action de pompage crée un écoulement de circulation complexe à l'intérieur de la cellule, assurant que la pulpe reste en mouvement. Cela garantit que les particules denses et de grande taille sont efficacement agitées et maintenues en suspension.

Génération de turbulence :La rotation à grande vitesse de la roue crée un fort gradient de vitesse et une turbulence intense dans la zone environnante (en particulier au niveau des extrémités des pales). Cette zone très turbulente est le principal site de rupture des bulles et de collisions particules-bulles. 

2. Aération : Auto-aspiration et aération forcée.

Les cellules de flottation à agitation mécanique sont principalement classées par la méthode d'aération : auto-aspiration et aération forcée (ou aération-agitation).

Machines de flottation à auto-aspiration (telles que le modèle SF) :sont dotées d'une roue ingénieusement conçue qui crée une zone de pression négative à l'intérieur de la chambre de la roue lorsqu'elle tourne. L'air est automatiquement aspiré à travers le tuyau d'aspiration et mélangé à la pulpe à l'intérieur de la chambre de la roue. Ce type de machine de flottation offre une structure simple et ne nécessite pas de soufflerie externe.

Machine de flottation à alimentation en air forcée (telle que le type KYF) :Grâce à une soufflerie basse pression externe, de l'air comprimé est introduit de force dans la zone de la roue à travers l'arbre principal creux de la roue ou des tuyaux indépendants. Cette méthode permet de contrôler avec précision la quantité d'air, n'est pas affectée par la vitesse de la roue et le niveau de la pulpe, et a une plus grande adaptabilité aux conditions du processus, particulièrement adaptée aux grandes machines de flottation.

3. Effet synergique « roue-stator »

Le stator est un composant fixe installé autour de la roue, généralement avec des aubes de guidage ou des ouvertures. Sa synergie avec la roue est cruciale pour obtenir un « mélange parfait » :

Stabilisation et guidage de l'écoulement :L'écoulement mixte pulpe-air éjecté de la roue à grande vitesse a une forte composante de vitesse tangentielle, qui peut facilement former d'énormes vortex dans la cuve, provoquant une instabilité de la surface du liquide et affectant la stabilité de la couche de mousse. Les aubes de guidage du stator peuvent convertir efficacement cet écoulement tangentiel en un écoulement radial qui est plus propice à la dispersion des bulles et des particules.

Favoriser la dispersion des bulles :Grâce à l'effet de stabilisation de l'écoulement du stator, les bulles peuvent être réparties plus uniformément dans tout le volume efficace de la cuve de flottation, plutôt que d'être concentrées dans certaines zones.

Isoler la turbulence :Le stator agit comme une « barrière énergétique », séparant la zone de forte turbulence près de la roue de la zone de séparation et de la zone de mousse en haut de la cuve, créant un environnement relativement calme et stable pour la flottation et l'enrichissement stables des bulles minéralisées.

La rotation à grande vitesse de la roue permet la suspension de la pulpe et l'absorption/le broyage du gaz. Le stator stabilise et guide ensuite l'écoulement, créant trois zones de dynamique des fluides fonctionnellement distinctes à l'intérieur de la cuve : une zone de mélange très turbulente (près de la roue), une zone de séparation relativement stable (au milieu de la cuve) et une zone de mousse largement statique (à la surface de la pulpe). Cela permet un mélange efficace et une séparation ordonnée des phases gazeuse, liquide et solide.

三 Colonne de flottation : une autre façon intelligente d'obtenir un mélange triphasique.

Contrairement à l'environnement violemment turbulent des cellules de flottation à agitation mécanique, les colonnes de flottation représentent une philosophie de conception alternative, obtenant un mélange triphasique grâce à un contact à contre-courant dans un environnement relativement statique.

Le cœur de l'aération — le générateur de bulles :Les colonnes de flottation manquent d'agitateurs mécaniques. Leurs fonctions d'aération et de mélange reposent principalement sur un générateur de bulles situé en bas. Le générateur de bulles utilise de l'air sous pression, utilisant des milieux microporeux, un jet d'écoulement ou l'effet Venturi, pour générer un grand nombre de fines bulles dans la pulpe. Ces microbulles sont essentielles à la capture efficace des minéraux fins par la colonne de flottation.

Mécanisme de contact à contre-courant :La pulpe est alimentée à partir du centre supérieur de la colonne de flottation et s'écoule lentement vers le bas, tandis que de fines bulles sont générées à partir du bas et montent lentement vers le haut. Ce mécanisme de contact à contre-courant offre un temps d'interaction plus long et une probabilité de collision plus élevée entre les particules et les bulles.

Environnement à faible turbulence :La colonne de flottation manque de composants rotatifs à grande vitesse, maintenant un écoulement à faible turbulence, laminaire ou quasi-laminaire. Cet environnement « calme » réduit considérablement le détachement des particules minérales adhérentes, facilitant grandement la récupération des minéraux fins et fragiles.

Système d'eau de lavage :Un dispositif d'eau de lavage est installé en haut de la colonne de flottation pour éliminer efficacement les particules de gangue entraînées dans la couche de mousse, obtenant ainsi un concentré de qualité supérieure.

La colonne de flottation, grâce à sa technologie unique de génération de bulles et à sa méthode de contact à contre-courant, permet un contact et une séparation efficaces des phases gazeuse, liquide et solide d'une manière plus « douce », montrant d'excellentes performances, en particulier lors du traitement de matériaux à grains fins.

四 Développement technologique et orientation de l'optimisation

 Afin de rechercher un « mélange triphasique » plus parfait, la technologie d'aération et d'agitation de la cuve de flottation est toujours en cours d'amélioration :

Optimisation à grande échelle et du champ d'écoulement :Avec l'augmentation de la capacité de traitement, le volume des cellules de flottation augmente. Actuellement, des machines de flottation ultra-larges d'une capacité de centaines de mètres cubes sont en service. Cela impose des exigences plus élevées sur la conception de la structure roue-stator et le contrôle du champ d'écoulement. Les technologies de simulation numérique telles que la dynamique des fluides computationnelle (CFD) sont largement utilisées pour guider la conception d'optimisation des équipements afin d'assurer une suspension uniforme des particules et une dispersion du gaz à l'intérieur de l'immense cellule.

Nouvelles roues et stators :Le développement de diverses nouvelles roues (telles que les pales inclinées vers l'arrière et les roues multi-étages) et stators vise à obtenir une plus grande capacité de pompage de la pulpe et une dispersion des bulles plus idéale avec une consommation d'énergie plus faible.

 Contrôle intelligent :En installant divers capteurs pour surveiller en temps réel des paramètres tels que le niveau de la pulpe, l'épaisseur de la couche de mousse et l'aération, et en combinant la vision artificielle et les technologies d'intelligence artificielle pour analyser l'état de la mousse, un contrôle d'optimisation automatique de l'intensité de l'agitation et du volume d'aération est obtenu. Il s'agit d'une orientation clé pour améliorer l'efficacité de la flottation et se diriger vers le traitement intelligent des minerais.