مجله اینترنتی علمی، آموزشی عصرمس
تاریخ روز
چهارشنبه 28 شهریور ماه 1397 ساعت 21:50:28
نوع قلم :‌   اندازه‌ی قلم :‌

مدلی برای بهینه‌سازی عملکرد تیکنرها

چهارشنبه 26 اردیبهشت ماه 1397

> سیدمجید موسوی*

انتظار می‌‏رود تا سال 2030 معدن‏‌کاری به‌جای صفت بزرگ، صفت عظیم و غول‌پیکر به خود بگیرد؛ معادن به عمق بیشتر بروند و ذخایر با عیار کمتر استخراج شوند. این کاهش عیار به‌دلیل ورود به زون هایپوژن اتفاق می‌افتد؛ بنابراین، کارخانه‌های فرآوری به‌منظور تأمین مس محتوی ناشی از کاهش عیار، تناژ بیشتری را درخواست خواهند کرد. این افزایش تناژ مستلزم مصرف آب بیشتر است و از طرفی با توجه به موقعیت جغرافیایی خشک معادن و کمبود آب در این مناطق، بازیافت آب نقشی کلیدی در صنایع پیدا می‌کند.
تیکنرهای باطله به‌دلیل نقشی که در بازیافت آب دارند، یکی از گلوگاه‌های اصلی در چرخۀ بازگشت آب به مدار صنعت هستند. از این‌رو هرچه عملکرد این تجهیزات بهینه‌تر باشد، اثربخشی آن‌ها در صرفه‌جویی آب بیشتر است. تاکنون مطالعات متعددی در زمینۀ بهینه‌سازی فرآیند آب‌گیری در تیکنرهای باطله انجام شده است، اما در پروژه‌ای که تحت عنوان «شبیه‌سازی CFD برای بررسی عملکرد چاهک خوراک تغلیظ‌کننده (thickener) مس میدوک» انجام شد، یکی از اجزای کلیدی تیکنر یعنی FeedWell با استفاده از CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) مورد بررسی قرار گرفت.
چاهک خوراک محل اصلی فلوکوله شدن ذرات در تیکنر است و نقشی اساسی در هدایت سیال ورودی به نقاط مختلف تانک رسوب‌گذاری تیکنر دارد. کارکرد مناسب چاهک خوراک تغذیه در شرایطی روی می‌دهد که خوراک ورودی به شکل یکنواخت در تمام حجم تانک توزیع شود و لخته شدن نیز در چاهک خوراک تغذیه به شکل مناسبی به‌وقوع بپیوندد. برای اطلاع از چگونگی عملکرد چاهک خوراک در لخته کردن ذرات منعقدشده، پارامترهایی مانند گرادیان سرعت، نرخ کرنش، توزیع اندازۀ ذرات و سرعت مهم‌ترین نقش را ایفا می‌کند؛ بدین صورت که برای لخته شدن نیاز به گرادیان سرعت منفی است و در حالت کلی مطلوب است که ذرات آغشته به فلوکولانت ابتدا در معرض گرادیان سرعت بالا و پس از آن گرادیان سرعت‌های پایین‌تر قرار گیرند تا توده‌ها سنگین‌تر و با چگالی بالاتری تشکیل شود. این موضوع که مجموعه‌های متشکل از توده‌ها تا چه میزان در مقابل نرخ کرنش و گرادیان‌های سرعت و سایر پارامترها مقاومت دارند تا حد زیادی وابسته به نوع فلوکولانت است.
وظایف قابل انتظار از یک چاهک خوراک مناسب عبارت‌اند از:
• چاهک باید انرژی جنبشی را از جریان خوراک بگیرد و این انرژی را کاهش دهد.
• زمان ماند کافی، رقیق‌سازی خوراک، اختلاط، پراکنده‌سازی جامدها و فلوکولانت‌ها برای ماکزیمم کردن اندازه‌ توده‌‌ها در حین لخته‌سازی را فراهم آورد.
• همچنین، الگوی یکنواخت تخلیه برای ماکزیمم کردن استفاده از مساحت ته‌نشین در دسترس و همچنین برای جلوگیری از کاهش الگوهای گردشی جریان در تیکنر را فراهم آورد.

معمولاً خوراک ورودی به چاهک توربولانس است و انرژی زیادی دارد و تنش رو به پایین اعمال می‌کند و یک چاهک خوراک با بازده خوب باید بتواند از این انرژی اولیه برای مخلوط کردن یا رقیق کردن جریان استفاده کند و همچنین بتواند دارای خروجی یکنواخت و یک‌دستی باشد. اگر جریان تخلیه دارای سرعت بالایی باشد، تنشی را که به خاطر سرعتش در بستر ایجاد می‌کند، باعث می‌شود گردابه‌های کوچک ایجاد کند که این سرعت بالا تاثیر سوی در عملکرد تیکنر از جمله در دانسیته جریان زیرین در گشتاور پارو و در زلالیت جریان بالایی دارد.
در این پژوهش که کار تحقیقاتی سرکار خانم مهندس «نعیمه شمسی» در قالب پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد وی از دانشگاه علم‌وصنعت ایران بود و به مدت 12ماه در این مجموعه انجام شد، چاهک خوراک توسط مدل ترکیبی دینامیک سیالات محاسباتی مدل شد که در آن، مدل پایدار اولرین-اولرین دو فازی با استفاده از مدل تلاطم استاندارد  برای فاز پیوسته در نظر گرفته شد. معادلات مومنتوم به‌همراه معادلات میدان فشاری و نیروی دراگ بین فازها حل شدند. مدل موازنۀ جمعیتی از توزیع اندازه ذرات اولیه به‌دست‌آمده از آزمایش با دسته‏بندی 15تایی برای توزیع درصد اندازۀ ذرات به‌کار برده شد. برای کرل شکست مدل‏های لئو و لهر استفاده شد و برای مدل‏سازی از نرم افزار ANSYS Fluent 14 استفاده شد. جا دارد همین‌جا صمیمانه از زحمات خانم مهندس شمسی سپاس‌گزاری کنم که به‌حق در این پروژه زحمات زیادی کشیدند.
آنچه در جریان این پروژه اتفاق افتاد، این است که تاکنون در میدوک با نگاه شبیه‌سازی به تیکنرها اقدامی صورت نپذیرفته بود؛ اما با به پایان رسیدن این پروژه اثبات شد که طراحی فعلی FeedWell برای این شرایط عملیاتی نامناسب است و بنابراین، این پروژه توانست نگاه‌ها را به سمت طراحی مناسب پیش ببرد. این مهم با استفاده از CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) به‌دست آمد که باعث شد توانایی این شبیه‌سازی را در گویاتر نشان دادن تجهیزات نشان دهد و ما را به این نتیجه برساند که یکی از روش‌های مهم شبیه‌سازی می‌تواند با استفاده از شبیه‌سازی CFD انجام شود. به عبارت دیگر، این پروژه باعث شناخت بیشتر صنعت از شبیه‌سازی CFD و توانایی آن در حل مسأله شد.
به‌طور خلاصه می‌توانم نتایج این پروژه را به این ترتیب شرح دهم؛ با استفاده از نتایج شبیه‌سازی مشخص شد کاهش درصد جامد در دبی ثابت خوراک ورودی و افزایش دبی در درصد جامد ثابت خوراک ورودی، باعث اختلاط بهتر و رشد توده‌ها و در نتیجه افزایش قطر متوسط ذرات جامد در خروجی می‌شوند. اما هر دوی این پارامترها تاثیر نسبی داشتند و از مقداری به بعد نتیجه عکس مشاهده شد و کاهش درصد جامد، احتمال برخورد را کم کرد و افزایش دبی، شکست توده‌‏ها را در خروجی افزایش داد و درنتیجه قطر متوسط ذرات جامد در خروجی نسبت به قبل کاهش یافت. از طرفی، توزیع غیر یکنواخت سرعت و فاز جامد در خروجی چاهک خوراک و مشاهده رسوب‏گزاری در چاهک نمایانگر نامناسب بودن طراحی این چاهک برای این تیکنر و شرایط عملیاتی بود.

مدلی برای بهینه‌سازی عملکرد تیکنرها

البته به‌دلیل این‌که شبیه‌سازی در مقیاس صنعتی و ابعاد بزرگ بود که در نتیجۀ آن حجم زیاد شبیه‌سازی و Run Time بالای نرم‌افزار اتفاق افتاد در کنار این‌که سیستم در دست برای این پروژه ضعیف بود، پروژه با کندی پیش رفت. بنابراین، انجام این‌گونه پژوهش‌ها نیازمند کامپیوتر با قدرت و سرعت پردازش بالاست. از سوی دیگر، معادلات زیاد و پیچیدۀ حاکم بر شرایط مسأله باعث شد در روند اجرای مدل در نرم‌افزار گام به گام معادلات را وارد کنیم تا نرم‌افزار قدرت پردازش آن را داشته باشد و این از دیگر چالش‌های انجام این طرح بود.

در پایان، مایلم نقش و جایگاه این پروژه در رسیدن شرکت ملی صنایع مس ایران به اهداف خود را از منظر چرخۀ حیات تکنولوژی ارائه کنم. تکنولوژی، مانند همۀ سیستم‌ها سلسله‌مراتبی دارد. یک سیستم می‌تواند از چند زیرسیستم تشکیل شود. لزومی ندارد تکنولوژی حتماً نتیجه یک نوآوری باشد. تکنولوژی می‌تواند از چند تکنولوژی تشکیل شود و محصول چند نسل مختلف نوآوری باشد. بنابراین، هر نرم‌افزار یا سخت‌افزاری که برای کاربرد مهمی طراحی می‌شود، چند نسل مختلف تغییر را طی می‌کند. شرکت‌های فرآوری پیوسته در حال تغییر و نوآوری در محصول خود هستند. در این خصوص نیز FeedWellهای متعددی به‌منظور بهینه‌سازی و اثربخشی بهتر در بازیافت آب طراحی شده است. این پژوهش، تنها کار شبیه‌سازی بود که توانست با شفافیت یک دید مناسب از هر پارامتر و هر نقطه‌ای از FeedWell تیکنرهای میدوک را به ما بدهد و از طرفی، با تغییر طراحی FeedWell امید است تاثیر شگرفی بر بازیابی آب داشته باشیم و این به معنای بیشتر شدن آب ریکاوری و کم‌شدن آب مصرفی اولیه و کاهش هزینه زیادی است، آن‌هم در این محدوده از زمان که آب یکی از بحران‌های جدی کشور محسوب می‌شود.

*کارشناس‌ارشد امور تحقیق و توسعۀ معدن و فرآوری میدوک

لینک مطلب‌ :: http://asremesonline.ir/news/?Id=11022