Gas dispersion measurements in industrial flotation cells

For nearly 100 years, the flotation plant metallurgist has often wondered what is happening 'beneath the froth'. To assist in unravelling this mystery, new technology has been developed as part of the Australian Mineral Industries Research Association (AMIRA) P9 project, to measure gas dispersion characteristics (such as gas hold-up, superficial gas velocity and bubble size) in industrial flotation cells. These measurements have been conducted in a large number of cells of different types and sizes by researchers from the Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre (JKMRC) and JKTech. A large database has been developed and the contents of this database are described in this paper. Typical cell characterization measurements show a wide spread in values, even in the same cell types and sizes performing similar duties. In conventional flotation cells, the typical gas hold-up values range from 3% to 20%, bubble sizes range between I and 2 mm, and superficial gas velocity ranges from 1 to 2.5 cm/s. The ranges of cell characterization measurements given in this paper will enable plant personnel to compare their operation to other similar types of operations from around Australia and the rest of the world, giving opportunities for further improvement to flotation plant operations. (C) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Gas dispersion measurements in industrial flotation cells

For nearly 100 years, the flotation plant metallurgist has often wondered what is happening ‘beneath the froth’. To assist in unravelling this mystery, new technology has been developed as part of the Australian Mineral Industries Research Association (AMIRA) P9 project, to measure gas dispersion characteristics (such as gas hold-up, superficial gas velocity and bubble size) in industrial flotation cells. These measurements have been conducted in a large number of cells of different types and sizes by researchers from the Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre (JKMRC) and JKTech. A large database has been developed and the contents of this database are described in this paper. Typical cell characterisation measurements show a wide spread in values, even in the same cell types and sizes performing similar duties. In conventional flotation cells, the typical gas hold-up values range from 3 - 20 per cent, bubble sizes range between 1 and 2 mm, and superficial gas velocity ranges from 1 to 2.5 cm/s. The ranges of cell characterisation measurements given in this paper will enable plant personnel to compare their operation to other similar types of operations from around Australia and the rest of the world, giving opportunities for further improvement to flotation plant operations.

Gas-liquid mass transfer in bubbly flow: Estimation of mass transfer, bubble size and reactor performance in various applications

Gas-liquid mass transfer is an important issue in the design and operation of many chemical unit operations. Despite its importance, the evaluation of gas-liquid mass transfer is not straightforward due to the complex nature of the phenomena involved. In this thesis gas-liquid mass transfer was evaluated in three different gas-liquid reactors in a traditional way by measuring the volumetric mass transfer coefficient (kLa). The studied reactors were a bubble column with a T-junction two-phase nozzle for gas dispersion, an industrial scale bubble column reactor for the oxidation of tetrahydroanthrahydroquinone and a concurrent downflow structured bed.The main drawback of this approach is that the obtained correlations give only the average volumetric mass transfer coefficient, which is dependent on average conditions. Moreover, the obtained correlations are valid only for the studied geometry and for the chemical system used in the measurements. In principle, a more fundamental approach is to estimate the interfacial area available for mass transfer from bubble size distributions obtained by solution of population balance equations. This approach has been used in this thesis by developing a population balance model for a bubble column together with phenomenological models for bubble breakage and coalescence. The parameters of the bubble breakage rate and coalescence rate models were estimated by comparing the measured and calculated bubble sizes. The coalescence models always have at least one experimental parameter. This is because the bubble coalescence depends on liquid composition in a way which is difficult to evaluate using known physical properties. The coalescence properties of some model solutions were evaluated by measuring the time that a bubble rests at the free liquid-gas interface before coalescing (the so-calledpersistence time or rest time). The measured persistence times range from 10 msup to 15 s depending on the solution. The coalescence was never found to be instantaneous. The bubble oscillates up and down at the interface at least a coupleof times before coalescence takes place. The measured persistence times were compared to coalescence times obtained by parameter fitting using measured bubble size distributions in a bubble column and a bubble column population balance model. For short persistence times, the persistence and coalescence times are in good agreement. For longer persistence times, however, the persistence times are at least an order of magnitude longer than the corresponding coalescence times from parameter fitting. This discrepancy may be attributed to the uncertainties concerning the estimation of energy dissipation rates, collision rates and mechanisms and contact times of the bubbles.

Modelo de escoamento multifásico para estudo da interação onda/sedimento

Modelos de escoamento multifásico são amplamente usados em diversas áreas de pesquisa ambiental, como leitos fluidizados, dispersão de gás em líquidos e vários outros processos que englobam mais de uma propriedade físico-química do meio. Dessa forma, um modelo multifásico foi desenvolvido e adaptado para o estudo do transporte de sedimentos de fundo devido à ação de ondas de gravidade. Neste trabalho, foi elaborado o acoplamento multifásico de um modelo euleriano não-linear de ondas do tipo Boussinesq, baseado na formulação numérica encontrada em Wei et al. (1995), com um modelo lagrangiano de partículas, fundamentado pelo princípio Newtoniano do movimento com o esquema de colisões do tipo esferas rígidas. O modelo de ondas foi testado quanto à sua fonte geradora, representada por uma função gaussiana, pá-pistão e pá-batedor, e quanto à sua interação com a profundidade, através da não-linearidade e de propriedades dispersivas. Nos testes realizados da fonte geradora, foi observado que a fonte gaussiana, conforme Wei et al. (1999), apresentou melhor consistência e estabilidade na geração das ondas, quando comparada à teoria linear para um kh   . A não-linearidade do modelo de ondas de 2ª ordem para a dispersão apresentou resultados satisfatórios quando confrontados com o experimento de ondas sobre um obstáculo trapezoidal, onde a deformação da onda sobre a estrutura submersa está em concordância com os dados experimentais encontrados na literatura. A partir daí, o modelo granular também foi testado em dois experimentos. O primeiro simula uma quebra de barragem em um tanque contendo água e o segundo, a quebra de barragem é simulada com um obstáculo rígido adicionado ao centro do tanque. Nesses experimentos, o algoritmo de colisão foi eficaz no tratamento da interação entre partícula-partícula e partícula-parede, permitindo a evidência de processos físicos que são complicados de serem simulados por modelos de malhas regulares. Para o acoplamento do modelo de ondas e de sedimentos, o algoritmo foi testado com base de dados da literatura quanto à morfologia do leito. Os resultados foram confrontados com dados analíticos e de modelos numéricos, e se mostraram satisfatórios com relação aos pontos de erosão, de sedimentação e na alteração da forma da barra arenosa

Kuplakokojakauman hallinta happidelignifioinnissa

Työn tarkoituksena oli uutta kuvantamistekniikkaa hyödyntäen tutkia erilaisten tekijöiden vaikutusta kaasun dispergoitumiseen kemikaalisekoittimessa, kun kaasua sekoitetaan keskisakeaan massaan. Lisäksi työssä pyrittiin selvittämään, kuinka paljon kuitususpensioon tuotettu kaasufaasin kuplakokojakauma vaikuttaa happidelignifioinnin tulokseen. Kaasumaisten aineiden käyttäytymistä keskisakeissa kuitususpensiossa ei tarkkaan tunneta. Mikäli kaasumaisen hapen käyttäytymisestä saadaan uutta tietoa, tarjoaa tämä muun muassa uusia mahdollisuuksia kaasua sekoittavien laitteiden tuotekehityksessä. Työn kokeellinen osuus koostui kahdesta osasta, joista ensimmäisessä osassa selvitettiin sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden, reaktorin kaasutilavuuden sekä suspension sakeuden vaikutusta muodostuvaan kaasun kuplakokojakaumaan. Työn jälkimmäisessä osassa arvioitiin yksivaiheisten keskisakeudessa tehtyjen happidelignifiointien perusteella suspensioon tuotetun kaasun kuplakokojakauman merkitystä happidelignifiointitulokseen. Kuplakokojakaumat määritettiin reaktoriin kiinnitetyllä kameralla kuvatuista valokuvista, joita otettiin sekoitustapahtuman aikana. Työn tuloksien perusteella sekoituksen voimakkuudella oli suurin vaikutus suspensioon muodostuvan kuplakokojakauman kannalta. Roottorin kierrosnopeuden kasvaessa kaasun keskimääräinen kuplakoko pieneni sekä havaittujen kuplien lukumäärää kasvoi huomattavasti. Myös suspension sakeuden kasvattamisen havaittiin vaikuttavan kuplakokoon pienentävästi. Happidelignifioinneissa saavutettiin paras kappareduktio, kun kaasun kuplakoko oli mahdollisimman pieni. Käytetty kuvantamistekniikka on tiettävästi ensimmäinen menetelmä, jolla saadaan reaaliaikaista tietoa vain muutamien kymmenien mikrometrien kokoisten kaasukuplien käyttäytymisestä oikeassa prosessitilanteessa.

Atmospheric chemistry and physics in the atmosphere of a developed megacity (London): an overview of the REPARTEE experiment and its conclusions

The REgents PARk and Tower Environmental Experiment (REPARTEE) comprised two campaigns in London in October 2006 and October/November 2007. The experiment design involved measurements at a heavily trafficked roadside site, two urban background sites and an elevated site at 160–190 m above ground on the BT Tower, supplemented in the second campaign by Doppler lidar measurements of atmospheric vertical structure. A wide range of measurements of airborne particle physical metrics and chemical composition were made as well as measurements of a considerable range of gas phase species and the fluxes of both particulate and gas phase substances. Significant findings include (a) demonstration of the evaporation of traffic-generated nanoparticles during both horizontal and vertical atmospheric transport; (b) generation of a large base of information on the fluxes of nanoparticles, accumulation mode particles and specific chemical components of the aerosol and a range of gas phase species, as well as the elucidation of key processes and comparison with emissions inventories; (c) quantification of vertical gradients in selected aerosol and trace gas species which has demonstrated the important role of regional transport in influencing concentrations of sulphate, nitrate and secondary organic compounds within the atmosphere of London; (d) generation of new data on the atmospheric structure and turbulence above London, including the estimation of mixed layer depths; (e) provision of new data on trace gas dispersion in the urban atmosphere through the release of purposeful tracers; (f) the determination of spatial differences in aerosol particle size distributions and their interpretation in terms of sources and physico-chemical transformations; (g) studies of the nocturnal oxidation of nitrogen oxides and of the diurnal behaviour of nitrate aerosol in the urban atmosphere, and (h) new information on the chemical composition and source apportionment of particulate matter size fractions in the atmosphere of London derived both from bulk chemical analysis and aerosol mass spectrometry with two instrument types.

Parâmetros de dispersão de ar em células mecânicas de flotação em usinas brasileiras

O objetivo desse trabalho é apresentar e discutir a determinação dos parâmetros de dispersão de ar em células mecânicas de flotação, em circuitos industriais brasileiros. Foram investigados os circuitos rougher e scavenger das usinas RPM, Taquari-Vassouras, Copebras e Fosfértil-Catalão (atual Vale Fertilizantes). Nas usinas RPM e Taquari-Vassouras, foram determinados a velocidade superficial do ar (Jg), o hold-up do ar (εg), o diâmetro médio de bolhas (d32) e o fluxo de área superficial de bolhas (Sb). Para as outras usinas, foram determinados somente o Jg e εg. Os resultados mostraram que, com exceção da RPM, todos os circuitos investigados apresentaram baixos valores para os parâmetros de dispersão do ar. Taquari-Vassouras apresentou os mais baixos valores médios para Jg e εg, respectivamente, 0,05 cm/s e 5%. Os maiores valores de Jg foram determinados no circuito rougher da Copebras, 1,17 cm/s, ao passo que a RPM apresentou os maiores valores para o hold-up e tamanho de bolha, respectivamente, 31% e 2,61mm. Os valores obtidos, para Sb, situaram-se abaixo daqueles reportados na literatura.

Medidas de dispersão de gás em células mecânicas industriais e seus condicionantes.

A qualidade da dispersão de gás em células de flotação é comumente caracterizada através de parâmetros como velocidade superficial do gás (Jg), hold-up do gás (?g), distribuição de tamanho de bolha (db ou D3,2) e fluxo de superfície de bolha (Sb). Sendo um processo de separação de minerais que é dependente da interação (colisão + adesão) entre partículas hidrofóbicas e bolhas de ar, a flotação tem seu desempenho dependente de uma dispersão de gás apropriada na polpa de minério. Desta forma, este trabalho objetivou caracterizar o estado da dispersão de gás de duas células em um banco composto por quatro células Wemco de 42,5 m³ (subaeradas), operando em série na usina da Vale Fertilizantes (Cajati-SP). Realizaram-se três campanhas de medidas que foram conduzidas sob diferentes condições operacionais: a) Diâmetro do rotor (D) de 1,09 m e rotação (N) entre 145 RPM e 175 RPM; b) D = 0,99 m e N entre 110 RPM e 190 RPM; c) D = 0,99 m e N de 120 RPM e de 130 RPM. Observaram-se os seguintes valores de dispersão de gás: 0,7 <= Jg <= 5,4 cm/s, 7 <= ?g <= 15%, 1,6 <= D3,2 <= 2,4 mm e Sb na faixa de 24 a 162 s-1. A magnitude de Jg medida na 1ª e 2ª campanhas mostrou-se acima dos valores reportados pela literatura, indicando necessidade de modificação de condições operacionais dos equipamentos, assim como cuidadosa manutenção. Posteriormente, a 3ª campanha indicou maior conformidade dos parâmetros de dispersão de gás em relação à literatura, constatando-se uma considerável melhora de desempenho do processo de flotação.

Análise quantitativa de dispersão de vazamentos de substâncias inflamáveis e/ou tóxicas em ambientes com barreiras ou semi confinados.

Com o atual desenvolvimento industrial e tecnológico da sociedade, a presença de substâncias inflamáveis e/ou tóxicas aumentou significativamente em um grande número de atividades. A possível dispersão de gases perigosos em instalações de armazenamento ou em operações de transporte representam uma grande ameaça à saúde e ao meio ambiente. Portanto, a caracterização de uma nuvem inflamável e/ou tóxica é um ponto crítico na análise quantitativa de riscos. O objetivo principal desta tese foi fornecer novas perspectivas que pudessem auxiliar analistas de risco envolvidos na análise de dispersões em cenários complexos, por exemplo, cenários com barreiras ou semi-confinados. A revisão bibliográfica mostrou que, tradicionalmente, modelos empíricos e integrais são usados na análise de dispersão de substâncias tóxicas / inflamáveis, fornecendo estimativas rápidas e geralmente confiáveis ao descrever cenários simples (por exemplo, dispersão em ambientes sem obstruções sobre terreno plano). No entanto, recentemente, o uso de ferramentas de CFD para simular dispersões aumentou de forma significativa. Estas ferramentas permitem modelar cenários mais complexos, como os que ocorrem em espaços semi-confinados ou com a presença de barreiras físicas. Entre todas as ferramentas CFD disponíveis, consta na bibliografia que o software FLACS® tem bom desempenho na simulação destes cenários. Porém, como outras ferramentas similares, ainda precisa ser totalmente validado. Após a revisão bibliográfica sobre testes de campo já executados ao longo dos anos, alguns testes foram selecionados para realização de um exame preliminar de desempenho da ferramenta CFD utilizado neste estudo. Foram investigadas as possíveis fontes de incertezas em termos de capacidade de reprodutibilidade, de dependência de malha e análise de sensibilidade das variáveis de entrada e parâmetros de simulação. Os principais resultados desta fase foram moldados como princípios práticos a serem utilizados por analistas de risco ao realizar análise de dispersão com a presença de barreiras utilizando ferramentas CFD. Embora a revisão bibliográfica tenha mostrado alguns dados experimentais disponíveis na literatura, nenhuma das fontes encontradas incluem estudos detalhados sobre como realizar simulações de CFD precisas nem fornecem indicadores precisos de desempenho. Portanto, novos testes de campo foram realizados a fim de oferecer novos dados para estudos de validação mais abrangentes. Testes de campo de dispersão de nuvem de propano (com e sem a presença de barreiras obstruindo o fluxo) foram realizados no campo de treinamento da empresa Can Padró Segurança e Proteção (em Barcelona). Quatro testes foram realizados, consistindo em liberações de propano com vazões de até 0,5 kg/s, com duração de 40 segundos em uma área de descarga de 700 m2. Os testes de campo contribuíram para a reavaliação dos pontos críticos mapeados durante as primeiras fases deste estudo e forneceram dados experimentais para serem utilizados pela comunidade internacional no estudo de dispersão e validação de modelos. Simulações feitas utilizando-se a ferramenta CFD foram comparadas com os dados experimentais obtidos nos testes de campo. Em termos gerais, o simulador mostrou bom desempenho em relação às taxas de concentração da nuvem. O simulador reproduziu com sucesso a geometria complexa e seus efeitos sobre a dispersão da nuvem, mostrando claramente o efeito da barreira na distribuição das concentrações. No entanto, as simulações não foram capazes de representar toda a dinâmica da dispersão no que concerne aos efeitos da variação do vento, uma vez que as nuvens simuladas diluíram mais rapidamente do que nuvens experimentais.

Colloidal gas aphrons (CGA): dispersion and structural features

Colloidal gas aphrons (CGA) have previously been defined as surfactant stabilized gas microbubbles and characterized for a number of surfactants in terms of stability, gas holdup and bubble size even though there is no conclusive evidence of their structure (that is, orientation of surfactant molecules at the gas–liquid interface, thickness of gas–liquid interface, and/or number of surfactant layers). Knowledge of the structure would enable us to use these dispersions more efficiently for their diverse applications (such as for removal of dyes, recovery of proteins, and enhancement of mass transfer in bioreactors). This study investigates dispersion and structural features of CGA utilizing a range of novel predictive (for prediction of aphron size and drainage rate) and experimental (electron microscopy and X-ray diffraction) methods. Results indicate structural differences between foams and CGA, which may have been caused by a multilayer structure of the latter as suggested by the electron and X-ray diffraction analysis.

High density flux of Co nanoparticles produced by a simple gas aggregation apparatus

Gas aggregation is a well known method used to produce clusters of different materials with good size control, reduced dispersion, and precise stoichiometry. The cost of these systems is relatively high and they are generally dedicated apparatuses. Furthermore, the usual sample production speed of these systems is not as fast as physical vapor deposition devices posing a problem when thick samples are needed. In this paper we describe the development of a multipurpose gas aggregation system constructed as an adaptation to a magnetron sputtering system. The cost of this adaptation is negligible and its installation and operation are both remarkably simple. The gas flow for flux in the range of 60-130 SCCM (SCCM denotes cubic centimeter per minute at STP) is able to completely collimate all the sputtered material, producing spherical nanoparticles. Co nanoparticles were produced and characterized using electron microscopy techniques and Rutherford back-scattering analysis. The size of the particles is around 10 nm with around 75 nm/min of deposition rate at the center of a Gaussian profile nanoparticle beam.

Numerical prediction of gas concentrations and fluctuations above a triangular hill within a turbulent boundary layer

The objective of the present work is to propose a numerical and statistical approach, using computational fluid dynamics, for the study of the atmospheric pollutant dispersion. Modifications in the standard k-epsilon turbulence model and additional equations for the calculation of the variance of concentration are introduced to enhance the prediction of the flow field and scalar quantities. The flow field, the mean concentration and the variance of a flow over a two-dimensional triangular hill, with a finite-size point pollutant source, are calculated by a finite volume code and compared with published experimental results. A modified low Reynolds k-epsilon turbulence model was employed in this work, using the constant of the k-epsilon model C(mu)=0.03 to take into account the inactive atmospheric turbulence. The numerical results for the velocity profiles and the position of the reattachment point are in good agreement with the experimental results. The results for the mean and the variance of the concentration are also in good agreement with experimental results from the literature. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Residence time distributions of gas flowing through rotating drum bioreactors

Residence time distribution studies of gas through a rotating drum bioreactor for solid-state fermentation were performed using carbon monoxide as a tracer gas. The exit concentration as a function of time differed considerably from profiles expected for plug flow, plug flow with axial dispersion, and continuous stirred tank reactor (CSTR) models. The data were then fitted by least-squares analysis to mathematical models describing a central plug flow region surrounded by either one dead region (a three-parameter model) or two dead regions (a five-parameter model). Model parameters were the dispersion coefficient in the central plug flow region, the volumes of the dead regions, and the exchange rates between the different regions. The superficial velocity of the gas through the reactor has a large effect on parameter values. Increased superficial velocity tends to decrease dead region volumes, interregion transfer rates, and axial dispersion. The significant deviation from CSTR, plug flow, and plug flow with axial dispersion of the residence time distribution of gas within small-scale reactors can lead to underestimation of the calculation of mass and heat transfer coefficients and hence has implications for reactor design and scaleup. (C) 2001 John Wiley & Sons, Inc.

Oxidation of toluene in waste gas streams using mesoporous Ti-hexagonal mesoporous silica

Various mesoporous catalysts with titanium loadings between 0.5 and 4 Ti wt. % and surface areas between 600 and 1,600 m(2)/g were synthesized using the molecular designed dispersion technique. These catalysts were tested using toluene oxidation in a fixed bed reactor at temperatures between 300 and 550degreesC. The reaction products were found to be CO2 and CO with selectivity towards CO2 above 80% for all catalysts. The catalytic activity of the catalysts increases with titanium loading. The total conversion at 550degreesC was not affected by the textural porosity, but increased textural porosity did significantly reduce the ignition temperature by up to 50degreesC. The Thiele modulus was calculated to be much less than one for all these materials indicating that the reaction rate is not diffusion, limited.