Tính toán, mô phỏng điện trường nhằm nâng cao hiệu quả của thiết bị phân tách tĩnh điện

- Giới thiệu mô hình thiết bị ứng dụng công nghệ máng nghiêng 19 1.5.
- TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG, NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG PHÂN TÁCH CÁC HẠT SA KHOÁNG CỦA CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ 22 2.1.
- Ảnh hưởng của cấu trúc thiết bị và trọng lực đến quỹ đạo bay của phần tử 25 2.3 Mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của điện trường trong thiết bị đến quỹ đạo bay của các hạt sa khoáng 30 2.3.1.
- Sử dụng chương trình Comsol Multiphysics mô phỏng điện trường đối với mô hình thiết bị phân tách tĩnh điện 36 2.4.
- PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ PHÂN TÁCH THỰC TẾ 50 3.1.
- Đo khối lượng, kích thước hạt sa khoáng sẽ đưa vào phân tách 51 3.1.2 Thiết lập cấu hình cho thiết bị phân tách 54 3.2.
- 2 Trong đó có các vấn đề tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật, lựa chọn công nghệ hợp lý và nghiên cứu thiết kế thiết bị phân tách và làm giàu khoáng sản sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện.
- Các hướng nghiên cứu này giúp Việt Nam có thể làm chủ được công nghệ, tự mình sản xuất và tối ưu thông số thiết bị.
- Mục đích nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu, đánh giá những thông số ảnh hưởng chính tới mô hình thiết bị phân tách tĩnh điện, đưa ra cấu hình thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả của thiết bị phân tách sử dụng công nghệ điện cao áp tĩnh điện.
- Đề xuất cấu hình thiết kế cho thiết bị phân tách tĩnh điện sản xuất trong tương lai tại Việt Nam.
- Các nghiên cứu được thực hiện trong luận văn trên cơ sở phương pháp mô phỏng lý thuyết cho mô hình thiết bị cụ thể nhằm đánh giá các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới kết quả vận hành thiết bị.
- Phần tổng quan lý thuyết trong luận văn áp dụng phương pháp điều tra, hồi cứu nhằm đề xuất mô hình thiết bị phù hợp.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài này được tiến hành từ nhu cầu thực tế trong việc sản xuất các thiết bị phân tách tĩnh điện phù hợp với điều kiện Việt Nam và hướng tới tối ưu, nâng cao hiệu quả phân tách, tuyển quặng của các thiết bị này.
- Tổng quan công nghệ - Tính toán, mô phỏng, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng phân tách sa khoáng của thiết bị - Phân tích, đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị phân tách thực tế - Kết luận và kiến nghị 5 CHƢƠNG 1.
- Trong đó kỹ thuật ứng dụng công nghệ cao áp tĩnh điện tỏ ra có nhiều ưu điểm và nhận được nhiều quan tâm do các ưu thế vượt trội về hiệu suất vận hành cũng như khả năng linh hoạt trong thiết kế và chế tạo thiết bị.
- Công nghệ phân tách khoáng sử dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện (electrostatic beneficiation.
- Công nghệ phân tách sử dụng kỹ thuật điện phân .
- Đa số thiết bị phân tách cao áp tĩnh điện sử dụng phương pháp thả rơi tự do các hạt khoáng chất qua môi trường điện trường.
- Các yếu tố này có thể điều chỉnh được nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị.
- Kỹ thuật cao áp tĩnh điện sử dụng điện trường tĩnh điện để phân tách các hạt vật liệu bay trong không gian điện trường được tạo ra và tối ưu trong thiết bị.
- Dễ dàng điều chỉnh điều khiển hoạt động và tối ưu hóa thông số thiết bị.
- Thiết bị phân tách sử dụng các điện cực phẳng Nguyên lý hoạt động của kiểu thiết bị này kết hợp tách các phần tử dựa vào trọng lượng riêng của chúng khi rơi tự do trong môi trường thiết bị và khác biệt lớn về khả năng tích điện của các phần tử.
- Hình 1.4 thể hiện mô hình chế tạo của thiết bị do công ty Plas-Sep Ltd, Ontario (Canada) sản xuất.
- Mô hình, nguyên lý làm việc ứng dụng công nghệ thiết bị sử dụng hai điện cực phẳng.
- Các phần tử điện môi Kiểu thiết bị này sẽ phát huy hiệu quả cao nhất khi ứng dụng phân tách các loại hạt là các phần tử tích điện có sự khác biệt lớn về trị số điện dẫn.
- Thiết bị phân tách sử dụng công nghệ kiểu trục quay hình trụ.
- Một trong các sản phẩm ứng dụng công nghệ kỹ thuật điện cao áp để phân tách các phần tử có tính dẫn điện khác nhau cần phải kể đến là thiết bị phân tách với điện cực kiểu trục quay hình trụ (hay còn gọi là kiểu trống quay - rotating drum electrode) đang được chế tạo bởi công ty StarTrace Private Ltd.
- Mô tả cấu tạo của loại thiết bị này được mô tả như trên hình 1.5, trong đó các hạt thành phần của chất thải điện tử hoặc sa khoáng cần phân tách sẽ rơi từ phễu cấp rung (hopper) xuống một máng nghiêng (feeder) và chuyển động xuống phía dưới nhờ tác động của hệ thống rung.
- Trong mô hình thiết bị này, điện cực hình trụ (trống quay) được nối đất và nối với động cơ có thể điều chỉnh tốc độ quay.
- Thiết bị trên thường được sử dụng để tách các phần tử tích điện có kích thước trung bình từ 75 μm đến 250 μm.
- Cụ thể, loại thiết bị này có thể được sử dụng hiệu quả đối với việc phân tách riêng các loại phần tử tích điện trong sa khoáng.
- Ngoài ra khi ứng dụng vào thực tế, để tăng hiệu quả phân tách các phần tử kim loại và phi kim này người ta thường dùng thiết bị gồm nhiều tầng ghép nối tiếp với nhau.
- Thiết bị phân tách kiểu máng nghiêng Khác với các loại thiết bị ứng dụng các công nghệ đã trình bày ở trên, thiết bị loại này không sử dụng trục quay hoặc các điện cực phẳng trong công nghệ.
- Bản thân các phần tử khi chuyển dịch trên máng nghiêng sẽ tích điện do ma sát với máng, các hạt này sau đó chuyển dịch trong điện trường được tạo ra bởi thiết bị phân tách.
- Khi thao tác, thiết bị cho phép điều chỉnh các thông số vận hành linh hoạt nhằm phù hợp với mỗi loại phần tử cần phân tách.
- Mô hình thiết bị được trình bày trên hình 1.6.
- Thiết bị phân tách sa khoáng sử dụng công nghệ máng nghiêng.
- Sử dụng công nghệ phân tách này, hiệu suất cao nhất của các thiết bị có thể đạt đến khi tuyển các phần tử là các hạt tích điện có kích thước trung bình từ khoảng 50 μm đến 3 cm.
- Các mô hình thiết bị trên đã được nghiên cứu cải tiến liên tục nhằm tăng hiệu suất của chúng.
- Giá thành thiết bị cũng như chi phí vận hành (nhất là mức độ tiêu thụ điện năng của thiết bị) thấp hơn so với các thiết bị ứng dụng các công nghệ khác do không có các thành phần chuyển động.
- Cấu tạo thiết bị tương đối đơn giản, không bao gồm quá nhiều chi tiết kỹ thuật phức tạp đòi hỏi công nghệ chế tạo cao cấp, có thể dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng.
- Thiết bị phân tách sử dụng công nghệ này có cấu trúc kín, không có các thành phần quay ngoại trừ bộ rung nạp liệu, nên giảm tiếng ồn, thiết bị khi hoạt động không tạo ra các sản phẩm phụ cũng như không gây ô nhiễm môi trường sau khi vận hành.
- Trên cơ sở phân tích cấu trúc, nguyên lý làm việc cũng như đánh giá các ưu nhược điểm nói trên, học viên thực đề xuất sử dụng công nghệ phân tách kiểu máng nghiêng cho các nghiên cứu trong luận văn ‘‘Tính toán, mô phỏng điện trường nhằm nâng cao hiệu quả của thiết bị phân tách tĩnh điện.
- Giới thiệu mô hình thiết bị ứng dụng công nghệ máng nghiêng Để thực hiện luận văn này, học viên đã tiến hành nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Cao áp và vật liệu, bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội, mô hình có cấu tạo như hình 1.7.
- Trên phễu có gắn thiết bị sấy.
- Mô hình thiết bị ứng dụng công nghệ máng nghiêng tại Bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, vận hành, bảo dưỡng.
- TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG, NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG PHÂN TÁCH CÁC HẠT SA KHOÁNG CỦA CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ Từ chương 1 chúng ta đã thấy được hiện nay tại nhiều quốc gia trên thế giới đã có những nghiên cứu và thử nghiệm các kỹ thuật sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện nhằm tách và phân loại các phần tử hoặc vật liệu có đặc tính khác nhau về điện.
- Đặc biệt, việc ứng dụng lý thuyết và các nghiên cứu công nghệ cần được thực hiện không chỉ trong điều kiện lý tưởng mà cả trong các điều kiện thực tế, do hiệu quả của quá trình tách phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng khác như độ ẩm, nhiệt độ, cấu trúc, thành phần, kích thước… của các phần tử cần phân tách cũng như môi trường thiết bị.
- Một trong những hướng nghiên cứu chính hiện nay tập trung chủ yếu vào việc mô phỏng, tính toán điện trường và tính toán phân tích quỹ đạo bay tối ưu của các phần tử trong môi trường thiết bị[3,5,6,11] nhằm đảm bảo thiết kế tối ưu cho thiết bị và điều chỉnh cường độ điện trường đạt đến trị số phù hợp với từng loại hạt đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả làm việc của thiết bị.
- thông qua tính toán, mô phỏng điện trường, ta sẽ cùng nghiên cứu khả năng phân tách của thiết bị đối với các mẫu sa khoáng titan trong những điều kiện khác nhau (không có điện trường, có điện trường.
- nhằm đưa ra những đánh giá về mặt lý thuyết đối với cấu trúc thiết bị phân tách tĩnh điện.
- Điện tích của thành phần Ilmenite trong sa khoáng khi chuyển động trong điện trường và tính toán theo lý thuyết[2] Trên hình 2.2 là kết quả đo đạc cho thấy quan hệ giữa cường độ điện trường thay đổi trong thiết bị với khả năng tích điện của mỗi thành phần Ilmenite và Zircon trong mẫu sa khoáng được sử dụng.
- Kết quả cho phép mô phỏng và điều chỉnh thông số nhằm tối ưu hóa quỹ đạo bay của các hạt và nâng cao hiệu suất phân tách của thiết bị[2].
- Tuy vậy để có thể đưa ra những đánh giá chính xác hơn, ta sẽ cùng xem xét ảnh hưởng của cấu trúc thiết bị cũng như điện trường đối với việc phân tách hai loại hạt trên như các trình bày dưới đây.
- Ảnh hƣởng của cấu trúc thiết bị và trọng lực đến quỹ đạo bay của phần tử Trước hết ta sẽ xem xét khả năng phân tách hạt trong điều kiện không đặt điện áp lên thiết bị phân tách, chỉ có lực trọng trường tác động đến sự chuyển động của các hạt sa khoáng.
- Dưới tác dụng của thiết bị rung, các hạt sẽ chuyển động từ phễu xuống máng nghiêng.
- Tuy nhiên, do khối lượng riêng của Ilmenite và Zircon rất nhỏ và gần bằng nhau, nên khi chỉ có trọng lực tác dụng hiệu quả phân tách của thiết bị đối với hạt này là không cao.
- 30 2.3 Mô phỏng, đánh giá ảnh hƣởng của điện trƣờng trong thiết bị đến quỹ đạo bay của các hạt sa khoáng 2.3.1.
- Ta sẽ đặt điện trường cho mô hình thiết bị bằng cách cấp điện áp âm.
- Sử dụng chƣơng trình Comsol Multiphysics mô phỏng điện trƣờng đối với mô hình thiết bị phân tách tĩnh điện Chương trình Comsol Multiphysics là phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, mô hình toán học được thể hiện bằng phương trình vi phân từng phần.
- Từ những tính toán mô phỏng ở các phần trên, ta có thể thấy được, hiệu suất của thiết bị phân tách bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như sau.
- Môi trường phân tách.
- Nếu các thiết bị phân tách chỉ sử dụng ảnh hưởng của trọng lực sẽ dẫn đến hiệu quả phân tách các hạt vật chất của thiết bị không cao, khả năng phân tách của thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào góc nghiêng α, kích thước và khối lượng riêng γ và vận tốc ban đầu V0 của các hạt.
- Nhưng như vậy yêu cầu đối với thiết bị sử dụng điện trường tĩnh điện là cần loại bỏ các hiệu ứng mũi nhọn trên bề mặt điện cực do chúng tăng khả năng tạo ra điện trường không đồng nhất.
- Khoảng cách giữa các điện cực cũng cần phải tính toán phân tích nhằm đảm bảo sự phân bố điện trường trong thiết bị.
- Khi sử dụng điện trường E để phân tách, do các hạt sa khoáng Ilmenite và Zircon có tính chất về điện khác nhau, nên có khả năng tích điện khác nhau khi chúng chuyển động trong điện trường, chính nhờ yếu tố này mà quỹ đạo bay của chúng trong điện trường có sự khác biệt rõ rệt, điều này giúp nâng cao khả năng phân tách của thiết bị.
- Lúc này khả năng phân tách của thiết bị chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố chủ yếu như góc nghiêng của máng, cường độ điện trường, khoảng cách điện cực.
- Có thể thấy rằng lực tác động lên các hạt sa khoáng và quỹ đạo bay của chúng chịu ảnh hưởng của các yếu tố chủ yếu là cấu trúc và cường độ điện trường được thiết bị tạo ra và tính chất tự nhiên của hạt được phân tách.
- Sau khi tính toán mô phỏng, ta có thể thấy, khi góc nghiêng α nằm trong dải điện trường trong môi trường phân tách đạt từ 2 – 3 kV/cm, thì thiết bị phân tách có thể thu được kết quả tốt nhất.
- PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ PHÂN TÁCH THỰC TẾ Trong chương 2, ta đã tiến hành nghiên cứu, tính toán, mô phỏng phân bố điện trường, từ đó xây dựng được quỹ đạo bay của các hạt sa khoáng ứng với các điều kiện khác nhau, chương 3 này để kiểm nghiệm lại tính chính xác của số liệu tính toán, mô phỏng đó thông qua so sánh, đánh giá chúng với các kết quả thử nghiệm thực tế được tiến hành trên mô hình thiết bị phân tách kiểu máng nghiêng dựa trên nguyên lý cao áp tĩnh điện tại Bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Do đề tài chỉ nghiên cứu công nghệ tuyển quặng bằng kỹ thuật cao áp tĩnh điện nên các sa khoáng lấy từ các mỏ quặng trên phải là các sản phẩm sẽ đưa vào thiết bị tuyển tĩnh điện của các Công ty trên.
- Tiến hành các công tác chuẩn bị, thiết lập cấu hình cho thiết bị phân tách.
- Thiết bị phân tách sẽ tách riêng cá hạt Zircon và Ilmanite vào các khu vực khay khác nhau dựa trên sự khác biệt về tính dẫn điện của chúng.
- Quy trình phân tách các hạt Ilmanite và Zircon 3.1.1.
- Phương pháp dùng kính hiển vi điện tử : Zircon Lấy mẫu sa khoáng Chưa đạt yêu cầu Phân loại các mẫu thử nghiệm theo kích thước Thiết lập cấu hình của thiết bị phân tách Sử dụng máy phân tách để tách sa khoáng Thu hạt đã tách từ các khay Đo đạc, kiểm tra hiệu quả phân tách Ilmanite Đo kích thước của các hạt được lấy mẫu 52 Trình tự tiến hành như sau.
- Phương pháp dùng thiết bị chụp ảnh kỹ thuật số : Mô hình thiết bị bao gồm các thành phần chính sau.
- Khay chứa các hạt khoáng sản kèm với thiết bị rung - Máng nghiêng.
- Thiết bị chụp ảnh (máy ảnh kỹ thuật số.
- Thiết bị tạo tia ánh sáng với tần số có thể thay đổi Trình tự tiến hành.
- Tỷ lệ phân bố kích thước hạt khoáng sản Sau khi đo đạc ta có thể thấy bán kính quy đổi của các hạt dao động trong khoảng từ 70 µm đến 230 µm rất phù hợp với việc tuyển bằng thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp tĩnh điện từ 50 µm đến 3cm.
- Các hạt được đưa vào thiết bị phân tách thông qua phễu cấp, phễu này được gắn với một mô tơ rung có thể điều khiển được để thay đổi tốc độ cấp liệu.
- Khi đặt điện trường để phân tách, hiệu quả của thiết bị tăng lên rõ rệt so với khi chỉ phân tách bằng trọng lực (lúc này hiệu suất chịu ảnh hưởng chủ yếu của góc nghiêng α và khối lượng của các hạt), hiệu suất có thể đạt từ 91.
- Ảnh hưởng của góc nghiêng α đối với hiệu quả phân tách của thiết bị.
- Khi α= 550: Máng nghiêng khá dốc so với phương nằm ngang, các hạt sa khoáng rơi nhanh do chịu ảnh hưởng của lực trọng trường P lớn, lúc này hiệu suất của thiết bị đạt khoảng 92.
- Do vậy, đối với các trường hợp thực nghiệm bằng các hạt sa khoáng lấy từ mở Cẩm Hòa có thể kết luận: đối với góc nghiêng α= 570, điện áp đặt vào các điện cực U=±25kV hiệu suất phân tách của thiết bị sẽ là lớn nhất và đạt khoảng 98%.
- Kết luận chƣơng 3 - Sau khi tiến hành các thực nghiệm, căn cứ vào kết quả thử nghiệm trên mô hình thiết bị với việc thay đổi nhiều thông số có thể nhận được kết quả tách với hiệu suất cao.
- Có thể thấy việc sử dụng mô hình thiết bị và công nghệ cao áp tĩnh điện với việc lựa chọn đúng các thông số kỹ thuật liên quan (cường độ điện trường, góc nghiêng của điện cực, vị trí các điện cực…) cho phép nâng cao đáng kể hiệu suất làm giầu quặng.
- Các kết quả nghiên cứu trên khẳng định lại một lần nữa lợi thế của dạng mô hình thiết bị này khi áp dụng để tách các loại khoáng sản khác có tính chất gần giống với sa khoáng của mỏ Cẩm Hòa.
- Công nghệ kỹ thuật điện cao áp và tĩnh điện nói riêng đóng một vai trò quan trọng trong việc chế tạo thiết bị công nghiệp, trong đó có thiết bị phân tách hạt.
- Đặc biệt, việc ứng dụng lý thuyết và các nghiên cứu công nghệ cần được thực hiện không chỉ trong điều kiện lý tưởng mà cả trong các điều kiện thực tế, do hiệu quả của quá trình tách phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng khác như cấu trúc, thành phần, kích thước… của các phần tử cần phân tách cũng như môi trường thiết bị.
- Một trong những hướng nghiên cứu chính hiện nay tập trung chủ yếu vào việc mô phỏng, tính toán điện trường và tính toán phân tích quỹ đạo bay tối ưu của các phần tử trong môi trường thiết bị.
- Khi nghiên cứu quỹ đạo bay của các phần tử cần tách này, có thể thấy rằng lực tác động lên chúng chịu ảnh hưởng của các yếu tố chủ yếu là cấu trúc và cường độ điện trường được thiết bị tạo ra.
- Do vậy việc đảm bảo thiết kế tối ưu cho thiết bị và điều chỉnh cường độ điện trường đạt đến trị số phù hợp với từng loại hạt đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả làm việc của thiết bị.
- Luận văn đã thực hiện các nghiên cứu tổng quan lý thuyết nhằm đánh giá ưu nhược điểm của các cấu trúc thiết bị phân tách ứng dụng công nghệ cao áp tĩnh điện.
- Từ đó rút ra các nhận xét và đề xuất cho việc chế tạo thiết bị phân tách sử dụng điện cực tĩnh kiểu máng nghiêng tại Việt Nam.
- Luận văn cũng thực hiện các đo đạc thực nghiệm thực tế trên mô hình thiết kế của thiết bị cụ thể tại phòng thí nghiệm cao áp của Bộ môn Hệ thống điện.
- Việc thực hiện các thí nghiệm này nhằm đánh giá quan hệ giữa hiệu suất phân tách của thiết bị và các thông số chính có thể điều chỉnh được của mô hình thiết bị, bao gồm: mức điện áp sử dụng để tạo ra điện trường tĩnh điện trong thiết bị, tốc độ di chuyển của hạt, kích thước và khoảng cách điện cực.
- Các kết quả nghiên cứu này cũng là tiền đề cho việc thiết kế và tối ưu hóa thiết bị phân tách sau này.
- Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể được mở rông đối với một số yếu tố quan trọng khác trong thiết kế và vận hành thiết bị

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt