Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность и состояние вопроса гидротранспорта полидисперсных гидросмесей на горных предприятиях 12
1.1. Общая характеристика систем гидротранспорта горныхпредприятий 12
1.2. Особенности гидравлического транспортирования полидисперсных смесей 19
1.2.1. Влияние твердых частиц на турбулентные характеристики потока 21
1.2.2. Зависимость турбулентных характеристик потока гидросмеси от концентрации твердой фазы 22
1.3. Относительные скорости движения твердой фазы в потоке гидросмеси 25
1.4. Критическая скорость потока гидросмеси 36
1.5. Обобщение результатов анализа 41
1.6. Цель, задачи и методы исследования 46
2. Теоретические исследования зависимости удельных потерь напора от скорости течения гидросмеси 51
2.1. Потери давления в трубопроводе с учетом межфазового скольжения 51
2.2. Потери напора при течении мелкодисперсных гидросмесей 54
2.3. Потери напора при течении крупнодисперсных гидросмесей 57
3. Экспериментальные исследования гидравлического транспортирования полифракционных гидросмесей по промышленным трубопроводам 66
3.1. Описание экспериментального опытно-промышленного стенда на Качканарском ГМК 66
3.2. Характеристика экспериментов на гидросмесях 70
3.3 Измерения потерь давления в области течения первой граничной скорости и опытные данные 72
3.4. Анализ и обработка экспериментальных данных удельных потерь напора 83
3.5. Общие результаты экспериментальных исследований удельных потерь напора 87
3.6. Экспериментальные исследования критической скорости полифракционных гидросмесей 102
3.6.1. Характеристика гидросмесей хвостов обогащения железной руды 102
3.6.2. Результаты измерений критической скорости 107
3.6.3. Обработка результатов экспериментальных исследований критической скорости течения 111
3.7.Основные выводы по результатам экспериментов 113
4. Технико-экономическая эффективность гидравлического транспортирования полидисперсных гидросмесей 115
4.1. Удельная энергоемкость гидравлического транспорта 116
4.2. Расчет системы гидротранспорта крупнодисперсных хвостов обогащения железной руды 117
4.3. Удельная энергоемкость существующей системы гидротранспорта хвостов обогащения и экономическая эффективность вариантов 124
Заключение 127
- Особенности гидравлического транспортирования полидисперсных смесей
- Потери напора при течении мелкодисперсных гидросмесей
- Измерения потерь давления в области течения первой граничной скорости и опытные данные
- Расчет системы гидротранспорта крупнодисперсных хвостов обогащения железной руды
Введение к работе
Одним из важных направлений интенсификации горнорудного производства, повышения его эффективности и конкурентоспособности в условиях современных рыночных отношений является создание мощной транспортной базы, способной значительно повысить производительность транспортных систем при одновременном снижении себестоимости транспортных перевозок минерального сырья и продуктов его переработки. Развитие такой базы связано с внедрением непрерывных видов транспорта, среди которых наибольшее распространение получил гидравлический трубопроводный транспорт.
Удельные потери напора и критическая скорость течения гидросмеси являются главными интегральными характеристиками гидротранспорта, так как от этих параметров зависит эффективность гидротранспортной системы в целом. Гидротранспортные системы хвостов обогащения на горно-обогатительных комбинатах России, число которых к настоящему времени около 400, были спроектированы и построены в основном в 50-60-е годы прошлого столетия и характеризуются весьма низкой эффективностью и высоким энергопотреблением. Можно перечислить целый ряд причин такого состояния, главной из которых, по мнению специалистов, является несоответствие напорно-расходных характеристик системы трубопровод-насос, действительным параметрам и характеристикам, перекачиваемой полидисперсной гидросмеси.
Характеристики полидисперсных гидросмесей, перекачиваемых на горно-обогатительных предприятиях, определяются, прежде всего, гранулометрическим составом твердых частиц и их объемным содержанием (концентрацией). Твердые частицы в своем движении отстают от потока, вмещающей их воды, чем и определяются удельные потери напора, включающие в себя потери на перемещение несущей среды (воды) и потери на перемещение твердой фазы. Чем мельче частицы, тем меньше их отставание (скольжение) от жидкой фазы, а чем больше их содержание, тем меньше критическая скорость потока гидросмеси, что в итоге приводит к снижению удельных потерь напора, а гидросмесь по своим кинематическим характеристикам приближается к однородной (гомогенной) жидкости. Факт наличия относительного межфазового скольжения подтверждается многочисленными исследованиями, однако до сих пор в методиках расчета параметров гидротранспорта полидисперсных гидросмесей влияние скольжения на удельные потери напора не учитывается.
Существующие методики расчета систем гидравлического транспортирования полидисперсных гидросмесей, базируются на утверждении турбулентного характера движения гидросмеси и устанавливают эмпирические и полуэмпирические зависимости кинематических и динамических параметров гидравлического транспортирования от характеристик твердого материала, гранулометрического состава частиц, их концентрации в объеме гидросмеси и критической скорости потока. Основой этих методик являются гравитационная модель взвесенесущих потоков, разработанная академиком М.А. Великановым и диффузионная модель проф. В.М. Мак-кавеева. Главной задачей этих методик является определение значений потерь напора при минимально допустимых (по условиям гравитационного взвешивания твердой фазы в осредненном пульсационном поле скоростей) средних скоростях транспортирования и соответствующих значениях диаметров трубопроводов.
На протяжении нескольких десятков лет усилия многих ученых в области исследований взвесенесущих потоков были направлены на создание основ теории - системы дифференциальных уравнений для двухфазных и многофазных потоков, построенных методами механики сплошной среды. Несмотря на значительный прогресс в этой области теоретических исследований, единая теория, охватывающая все многообразие гомо- генных и гетерогенных, жидких сред, требует дальнейшего развития. Области использования предложенных уравнений, как правило, ограничены малыми концентрациями и большими крупностями дискретной твердой фазы и, следовательно, эти уравнения применимы для решения лишь ограниченного числа задач гидравлического транспортирования сыпучих твердых материалов.
От крупности частиц твердого материала и его концентрации зависят свойства транспортируемой гидросмеси. С уменьшением крупности и увеличением концентрации роль критической скорости снижается, а при некоторых предельных значениях этих характеристик влияние критической скорости на кинематические и динамические параметры потока исчезает, так как само понятие критической скорости в этих условиях теряет свой обычный общепринятый смысл. С уменьшением крупности твердых частиц и увеличением концентрации их в объеме смеси снижается диссипация энергии потока на взвешивание твердой фазы за счет снижения относительного межфазового скольжения. В этом случае полидисперсную гидросмесь можно рассматривать как однородную, или гомогенную систему, отличающуюся по своим физическим свойствам от гидросмесей гетерогенных, с относительно крупными частицами и невысокими концентрациями.
Существующие подходы к расчету систем гидротранспорта при их проектировании и реконструкции исходят из средневзвешенного диаметра твердой фазы и не учитывают эффекта относительного скольжения твердой и жидкой фаз при течении полидисперсной гидросмеси в трубопроводе, что в итоге приводит к несоответствию напорных характеристик системы трубопровод - насос и завышенным значениям удельных потерь напора.
С другой стороны, более половины суммарной энергии, расходуемой на горных предприятиях, включая добычу минерального сырья (руды), переработку в обогатительном комплексе с получением конечного продукта (концентрата), расходуется в технологическом процессе удаления хвостов обогащения, т.е. на гидротранспорт.
Из сказанного выше следует, что снижение потерь напора при транспортировании полидисперсных гидросмесей является актуальной проблемой, для предприятий горной промышленности, решение которой непосредственно связано с совершенствованием теории взвесенесущих потоков и общим повышением эффективности систем гидротранспорта.
Эта проблема входит в федеральную целевую программу развития рудно-сырьевой базы металлургической промышленности Российской Федерации на 2000-2010 годы (ФЦП "Руда") по направлению "Производственные энергосберегающие технологии трубопроводного транспорта руды и продуктов ее переработки"; в программу научных исследований, проводимых кафедрой рудничных стационарных установок СПГГИ(ТУ) по соответствующим координационным планам госбюджетных и хоздоговорных работ на предприятиях горнодобывающей промышленности; в перечень НИОКР комплексного плана повышения технического уровня и эффективности производства АО "Норильский комбинат".
Научная идея работы заключается в том, что наименьшее значение удельных потерь напора наблюдается при балансе напоров, создаваемого насосом и потребного в трубопроводе, что может быть обеспечено при учете взаимного влияния мелких и крупных частиц на кинематические характеристики потока полидисперсной гидросмеси.
Мелкие частицы за счет снижения гравитационной составляющей в своем движении в смеси с водой, образуют несущую среду с плотностью большей, чем вмещающая их вода. При этом снижается доля энергии потока, затрачиваемой на взвешивание крупных частиц в движущемся потоке несущей среды из-за увеличения архимедовой силы. Таким образом, возникает перераспределение энергии на перемещение твердой фазы, с одной стороны самопроизвольное взвешивание мелких частиц, на которое прак- тически не затрачивается энергия и несамопроизвольный процесс на взвешивание крупных частиц, протекающий при меньшей затрате энергии. В результате при гидравлическом транспортировании полидисперсных гидросмесей из двух составляющих энергии потока, расходуемых на взвешивание и на перемещение твердых частиц, первая принимает наименьшее значение, что и приводит к снижению удельных потерь напора.
Научные положения, выносимые на защиту диссертационной работы, сводятся к следующим двум постулатам:
Увеличение содержания в объеме полидисперсной гидросмеси мелкодисперсных частиц средневзвешенного диаметра меньшего 0,1 мм способствует установлению равномерного распределения твердой фазы в объеме транспортируемой гидросмеси, снижению межфазового скольжения и уменьшению удельных потерь напора.
Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что критическая скорость течения полидисперсной гидросмеси пропорциональна диаметру трубопровода в степени 0,33 и концентрации гидросмеси в степени 0,17 и зависит от вида функции гранулометрического состава, определяющего коррективный коэффициент крупности, коэффициент раз-нозернистости и коэффициент транспортабельности.
Относительно первого научного положения необходимо отметить, что разделение гранулометрического состава, характеризующегося в общем случае непрерывной функцией d(P),(здесь d - размер фракций твердых частиц, мм; Р - содержание частиц данного размера, %) на мелкие и крупные по граничному зерну, равному 100 мкм (ОД мм) является достаточно условным. Однако, экспериментально установлено, что в формировании несущей среды с плотностью большей, чем вмещающая их вода, основная роль принадлежит частицам крупностью меньшей, чем 100 мкм. Уменьшение граничного зерна (например, до 74 или до 44 мкм и менее) приведет к снижению межфазового скольжения мелких частиц в пределе до нуля, и к большему уменьшению удельных потерь напора.
Второе научное положение основывается на общем положении механики о равенстве внешних и внутренних сил, возникающих при равномерном движении материальной системы (в данном случае гидравлической энергии, генерируемой насосом и энергии, достаточной для движения потока полидисперсной гидросмеси в трубопроводе с расчетной средней скоростью). Внутренние силы определяют все сопротивления, которые в применении к потоку полидисперсной гидросмеси складываются из сопротивлений на взвешивание твердой фазы и сопротивлений трения при течении гидросмеси.
Гранулометрический состав твердой фазы определяет силы, необходимые для взвешивания частиц при перемещении их в потоке гидросмеси. Физико-механические свойства твердых частиц и диаметр определяет условия перемещения частиц с минимально допустимой скоростью.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается использованием теоретических положений гидромеханики, анализом и сравнением обработанных с помощью математической статистики результатов экспериментов, а также промышленных данных. Удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов на различных гидросмесях, трубопроводах, концентрациях и гранулометрических составах с результатами теоретических исследований.
В ходе проведения исследований были проанализированы теоретические и экспериментальные результаты, полученные рядом авторов при гидравлическом транспортировании различных твердых частиц (общее число исследований более 40), а также результаты, полученные лично автором, в ходе проведения опытно-промышленных исследований полидисперсной гидросмеси хвостов обогащения железной руды на ОАО Качка-нарский ГМК «Ванадий». Результаты анализа сопоставлялись с получен- ными теоретическими расчетными зависимостями, что в совокупности подтверждает достоверность теоретических результатов и научных положений.
Практическое значение работы: обоснована методика определения баланса напорных характеристик насоса и трубопровода на стадии проектирования и реконструкции систем гидротранспорта, обеспечивающий наименьшие значения удельных потерь напора, и учитывающий влияние межфазового скольжения на распределение энергии между твердой и жидкой компонентами потока полидисперсной гидросмеси; получена новая формула для расчета критической скорости как функции производительности системы гидротранспорта по твердому материалу и концентрации в объеме полидисперсной гидросмеси разработан алгоритм и методика расчета гидравлического транспорта полидисперсных гидросмесей хвостов обогащения на предприятиях горной промышленности на примере гидротранспорта хвостов обогащения железной руды Качканарского ГМК.
Реализация результатов работы: полученные научные результаты и разработанная методика расчета приняты гидротехническим отделом ЗАО "Механобр инжиниринг" для использования при проектировании гидротранспортных систем на горно-обогатительных предприятиях металлургической промышленности и использованы при разработке проекта реконструкции системы гидротранспорта хвостов обогащения железной руды на Качканарском ГМК «Ванадий».
Личный вклад автора - разработан стенд и методика экспериментальных исследований поли дисперсных гидросмесей; выполнены опытно-промышленные исследования и обработаны экспериментальные данные. установлены оптимальные с точки зрения энергетических затрат соотношения между мелкими и крупными фракциями гранулометрического состава твердых частиц в потоках транспортируемой гидросмеси; разработана методика инженерного расчета систем гидравлического транспорта полидисперсных гидросмесей.
Апробация работы - отдельные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых СПГТИ(ТУ), «Полезные ископаемые России и их освоение» - апрель 2003, 2004, 2005 г.г., на Международной конференции по проблемам горной промышленности, г, Любин (Польша), ноябрь 2005 г.
Публикации: научные результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в 5 печатных трудах, подана заявка на патент.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 75 наименований; изложена на 135 страницах, содержащих 54 рисунка, 29 таблиц.
Автор выражает благодарность проф. В.И. Александрову, проф., заведующему кафедрой рудничных стационарных установок, Б.С. Махови-кову, проф. К.Г. Асатуру, доц. ОЗ. Кабанову, доц. А.Б. Незаметдинову и другим сотрудникам кафедры РСУ СПГГИ (ТУ) за неоценимую помощь и консультации в процессе выполнения работы.
Особенности гидравлического транспортирования полидисперсных смесей
Основными параметрами, определяющими эффективность систем гидравлического транспорта, являются скорость транспортирования и концентрация твердого материала в потоке гидросмеси. До настоящего времени еще недостаточно изучен процесс транспортирования гидросмесей высоких концентраций с объемным содержанием твердого материала 30 - 50 % и практически не имеется таких систем в промышленных условиях. Полученные теоретические и экспериментальные результаты относятся в основном к транспортированию смесей с низкой концентрацией твердого материала, не превышающей 10 % по объему смеси.
Существующие расчетные зависимости основных параметров гидравлического транспорта основаны на концепции турбулентного переноса твердой фазы потоком жидкости, а эффективность процесса рассматривается в связи с влиянием твердых частиц на турбулентные характеристики потока. Эти вопросы изучались в работах Юфина А.П., Трайниса В.В., Офенгендена Н.Е., Витошкина Ю.К., Виссарионова В.И., Бороховича А.И.и др., в работах которых даны теоретические основы гидротранспорта смесей различной концентрации [2-15], но только в работах Н.А. Силина (ЙГМ АН Украины) и проф. В.Н.Покровской рассматриваются режимы течения гидросмесей высоких концентраций, в применении к конкретным условиям эксплуатации систем гидротранспорта (в работах Н.А. Силина - транспортирование угля и во-доугольных суспензий, в работах В.Н. Покровской - закладочных смесей) [16-17].
Установлено, что возникновение в потоке скоростного поля связано с образованием в нем вихрей разных форм и масштабов. Эти вихри обладают определенной энергией, величина которой зависит от интенсивности пульсации скорости при соответствующем частотном спектре [17]. Присутствие в жидкостном потоке твердых частиц изменяет структуру потока и воздействует на его турбулентные характеристики.
При оценке влияния твердой фазы на турбулентные параметры потока некоторые исследователи приходят иногда к прямо противоположным результатам. Некоторые полагают, что твердые частицы в потоке гидросмеси принимают на себя часть его энергии и тем самым снижают турбулентность, по результатам других, наоборот, твердые частицы способствуют возникновению вихрей малых масштабов, в результате чего возникает дополнительная турбулентность потока. В работах [10,17, 18] установлено различное воздействие твердых частиц на турбулентные характеристики потока смеси. В некоторых условиях твердые частицы способствуют снижению турбулентности, а в других вызывают резкое увеличение турбулентности. В работах [13, 19, 20] отмечается увеличение турбулентности при введении в поток твердого материала.
Противоположные результаты исследований объясняются разными условиями экспериментов. Это, прежде всего различные характеристики твердого материала по крупности, гранулометрическому составу и плотности различные характеристики экспериментальных гидросмесей (плотность, концентрация, вязкость, РН); различные методики проведения исследований и аппаратурное оформление экспериментов и т. д.
Вопросы, связанные с воздействием твердой фазы потока на турбулентные характеристики течения являются наиболее важными в теории взве-сенесущих потоков при гидротранспорте насыпных материалов.
Основное влияние на турбулентные характеристики потока гидросмеси оказывает крупность частиц транспортируемого материала. Твердые частицы изменяют структуру потока. Интенсивность воздействия частиц на турбулентный поток обусловливается их концентрацией, размерами, формой, плотностью и соответствием их масштабу потока - отношению диаметра твердых частиц к диаметру трубопровода. Относительно мелкие, в сравнении с масштабом потока, частицы твердого материала образуют в смеси с водой непрерывный континуум и не оказывают значительного влияния на параметры турбулентности. С увеличением крупности частиц возникает явление скольжения, проявляющееся в отставании твердой фазы от жидкой составляющей потока [13]. Скольжение в потоке связано с ростом волнового числа турбулентности, особенно в диапазоне больших волновых чисел.
Крупные частицы в потоке жидкости взаимодействуют с крупномасштабными турбулентными вихрями. При большой массе, они выпадают из потока на дно трубопровода или переходят в слои жидкости с другими параметрами турбулентного вихря. Такой характер движения частиц твердого (с одной стороны - отставание от потока несущей жидкости, а с другой - переход от одного слоя потока в другой), создает дополнительное поле относи тельных скоростей в потоке смеси, что способствует увеличению турбулентности течения.
Анализ зависимости частотного спектра турбулентности в функции крупности частиц твердого материала, показывает, что интенсивность турбулентного перемешивания при однородных частицах практически не отличается от интенсивности турбулентности для чистой жидкости, а при высоких (сверхкритических) скоростях течения изменение турбулентности отсутствует. В этом случае сопротивления движению потока чистой воды и сопротивления для потока гидросмеси уравниваются.
При движении в потоке неоднородных по крупности частиц (гетерогенные гидросмеси) интенсивность турбулентных пульсаций возрастает в связи с возникновением дополнительных вихрей из-за различного характера обтекания частиц несущей жидкостью. Степень воздействия крупности частиц твердого на интенсивность турбулентных пульсаций должна учитываться не только абсолютным значением среднего диаметра твердого материала (d0), но и величиной отношения среднего диаметра частиц к диаметру трубы так называемым масштабом потока гидросмеси [21].
Потери напора при течении мелкодисперсных гидросмесей
Рассматривается течение гидросмеси мелкодисперсных твердых частиц. Твердые мелкодисперсные частицы в смеси с водой образуют среду, которая в независимости от скорости течения будет иметь одинаковый профиль плотности, так как отдельные мелкодисперсные частицы равномерно распределены по поперечному сечению трубопровода. Частицы будут перемещаться с такой же скоростью, как и сама жидкость. Такую гидросмесь можно определить как вязкую жидкость с плотностью большей, чем вмещающая твердые частицы вода. Модель вязкой и плотной жидкости можно использовать для частных видов гидросмесей, включающей частицы полидисперсные, т.е., как мелкие, так и крупные.
Известно, что потери давления при течении вязких жидкостей определяются балансовым классическим уравнением энергии Дарси-Вейсбаха в котором коэффициент гидравлических сопротивлений Хср (среды) для случая течения гидросмесей может быть вычислен по уравнению Колебрука-Вайта [53].
Динамический коэффициент вязкости вязкой и плотной жидкости (лср является функцией концентрации твердых частиц [54,55]. Величина концентрации твердых частиц является фактором, который определяет рассматриваемую среду, несущую твердую и жидкую фазы как жидкость чисто вязкую, описываемую моделью Ньютона, или вязкопластическую, при течении которой явно проявляется зависимость касательных напряжений сдвига от скорости течения. Величина концентрации, при которой текущая среда из ньютоновской вязкой жидкости переходит в вязкопластическую будет граничной концентрацией [56].
Удельные потери напора при течении гидросмеси, несущей мелкодисперсные твердые частицы в сравнении с потерями напора при течении чистой жидкости (воды) будут всегда больше (рис. 2.2), т.е.
Величина потерь напора для гидросмеси больше, так как коэффициент гидравлических сопротивлений %ср для рассматриваемой текущей среды всегда больше, чем его величина при течении чистой жидкости. Это объясняется тем, что величина числа Рейнольдса Recp для гидросмеси всегда меньше, чем для чистой жидкости (при одинаковых условиях течения), что подтверждается кривыми Никурадзе и Колебрука-Вайта, рис. 2.3, так как вязкость гидросмеси всегда больше вязкости чистой жидкости. Это справедливо, как в ламинарной, так и турбулентной области течения.
Фактически имеем, что с увеличением концентрации твердых мелкодисперсных частиц в объеме гидросмеси повышается плотность жидкой текущей среды, что приводит к изменению коэффициента гидравлических сопротивлений А,ср и удельных потерь напора. Следовательно
Кривая Д/с = f\y ) проходит выше аналогичной кривой, построенной для чистой жидкости и с увеличением скорости течения все более и более отдаляется от кривой для чистой жидкости, что хорошо иллюстрируется на рис. 2.2, а.
При течении гидросмесей, содержащих преимущественно крупные фракции твердых частиц, в области скоростей меньших, чем критическая скорость, частицы будут перемещаться в основном в придонной части поперечного сечения гидротранспортного трубопровода со скоростью меньшей, чем скорость транспортирующей их жидкости, что является результатом динамического взаимодействия твердой и жидкой фаз взвесенесущего потока. Это взаимодействие, эффект которого возникает из-за скольжения твердой и жидкой фаз, приводит к диссипации внутренней энергии гидросмеси. Увеличение скорости течения приводит к некоторому упорядочению движений твердых частиц, их относительному «разрежению» по поперечному сечению трубы, что выражается в выравнивании профиля плотности потока гидросмеси и в уменьшении эффекта проскальзывания твердых частиц, относительно жидкости. Уменьшение межфазового скольжения приводит к уменьшению диссипации энергии в потоке гидросмеси и снижению дополнительных потерь энергии на транспортирование твердых частиц. Такое влияние межфазового скольжения на величину дополнительных потерь напора можно обосновать следующим: при течении двух гидросмесей с одинаковой средней скоростью, но с разными скоростями движения твердых частиц, различие скоростей гидросмеси определяется в соответствии с приведенной выше формулой (1.8). Жидкая фаза будет перемещаться с большей скоростью в гидросмеси, если твердые частицы будут распределены в потоке более свободно, т.е. разреженно. Большей скорости гидросмеси будут соответствовать большие потери энергии. Отсюда следует вывод, что с увеличением межфазового скольжения потери энергии на транспортирование полидисперсной гидросмеси возрастают.
Величину потерь энергии при гидротранспорте грубодисперсных гидросмесей можно определить с помощью номограммы, разработанной Моле-русом и Велманном [57,58]. Номограмма построена по результатам экспериментальных исследований различных авторов с учетом того, что фактором, определяющим величину потерь давления при течении полидисперсных гидросмесей является межфазовое скольжение (1.10). Физико-механические характеристики гидросмесей учитываются двумя параметрами, подобными числам Фруда для твердых частиц для потока гидросмеси в поперечном сечении трубопровода, записываемых в виде
Измерения потерь давления в области течения первой граничной скорости и опытные данные
Течение гидросмесей при скоростях близких к первой критической, когда начинается движение донного осадка характеризуется значительной сложностью. Характерные особенности такого режима можно рассмотреть на примере транспортирования гидросмеси морского песка (поз. 9 в табл. 3.1) в трубопроводе диаметром 50 мм. При концентрации 6% по объему при неоднократном повторении экспериментов были получены два различных вида кривых потерь напора в области потоков близких к первой критической скорости, рис. 3.4 (№ 9, табл. 3.1) Начало движения при увеличении концентрации значительно различается по величине потерь напора. При малых скоростях движение твердых частиц происходит волочением. Частицы группируются в скопления и некоторые из них перемещаются скачкообразно.
С увеличением средней скорости потока режим движения стабилизируется, а кривая потерь напора сближается с кривой для воды. Результаты измерений потерь напора при изменении средней скорости потока показывают, что получаемые кривые имеют различную форму в зависимости от гранулометрического состава твердого материала. Гидросмеси содержащие грубые фракции твердых частиц требуют больших дополнительных потерь напора в сравнении с транспортированием чистой жидкости или гидросмесей, содержащих мелкие частицы. При этом значение первой критической скорости (момент начала движения донного осадка) для частиц больших размеров также возрастает. На рис. 3.5 приведены графические зависимости потерь напора от средней скорости потока для хвостов обогащения медной руды в трубопроводе D = 100 мм, (состав D, табл. 3.1), а на рис. 3.6 - в трубопроводе D = 200 мм. На рис. 3.7 и рис, 3.8 приведены графики потерь напора для гидросмесей Н, которые отличаются содержанием мелких частиц. Так хвосты D содержат % частиц класса 0,074 мм, а хвосты Н - 75%. На рис. 3.9 и рис. 3.10 приведены графики потерь напора для гидросмесей G, которые по содержанию частиц d = 0,074 мм находятся между гидросмесями D и Н. На рис, 3.15 приведены результаты измерения потерь напора течения гидросмеси кварцевого песка состава ВВ (табл. 3.1) в трубопроводе D = 50 мм, полученные на лабораторном стенде. На графиках хорошо видны величины дополнительных потерь напора по отношению к потерям напора при течении чистой воды при скоростях близких к первой критической скорости. На рис. 3.16 - рис.3.18 приведены кривые изменения удельных потерь напора от средней скорости потока для гидросмесей песка речного состава В, песка сортированного состава DD и песка сортированного с примесями глины состава СС, соответственно, в трубопроводах D = 100 мм - (В) и D = 200 мм - (DD, СС). Эти графики построены по ограниченному числу экспериментальных точек, ввиду недостаточного количества материала. Кроме того, кривая напора по воде построена по формуле Кнороза, а не получена в ходе экспериментов. Это объясняется тем, что целью указанных экспериментов было получение данных по изменению плотности гидросмеси в поперечном сечении трубопровода и распределения концентрации, а не собственно потерь напора. На рис. 3,19 - графики для гидросмеси грубодисперсного песка в трубопроводе D = 150 мм.
Расчет системы гидротранспорта крупнодисперсных хвостов обогащения железной руды
Задачей настоящего расчета является определение удельных потерь напора, критической скорости и диаметра трубопровода при транспортировании хвостов обогащения железной руды с гранулометрическим составом в соответствии с данными (рис.3.3, табл. 3.1, пункт 13) и установленным в ходе экспериментальных работ гранулометрическим составам по серии опытов 2 (табл. 3.23). Отметим в качестве пояснения, что если коэффициента 1, на его величину необходимо умножить расчетное значение дополнительных потерь напора (Д1в), расходуемых на транспортирование твердой фазы. В связи с этим, в расчетах желательно, чтобы средняя скорость потока пульпы несколько превышала критическую скорость. Если это условие не соблюдается, то трубопровод будет работать с неподвижным слоем осадка (слой заиления). 5. Для расчета удельных потерь напора в соответствии с методикой, учитывающей межфазовое скольжение (раздел 2): - выделим из общего гранулометрического состава частицы с диаметром йшк =0,1 мм и определим соответствующие значения объемных концентраций частиц мелких (смлк), образующих с жидкой фазой однородную жидкость, и соответствующих концентраций крупных частиц (сфП) - рассчитаем средневзвешенный диаметр йкрп крупных частиц, в соот ветствии с заданным исходным гранулометрическим составом твердого ма териала, по формуле ,0,17.3 где для vKp принимаем значение по формуле v = 7,8 с0 б yD. Для определения необходимого диаметра трубопровода воспользуемся полученными в ходе экспериментальных работ опытными данными и, исходя из условия, когда средняя скорость потока будет равна критической скорости потока. В этом случае можно записать - определяется суммарная величина удельных потерь напора где lw - удельные потери напора на транспортирование воды. Потери напора lw определяются по формуле Дарси-Вейсбаха. где коэффициент гидравлических сопротивлений X определяется как функция числа Рейнольдса и шероховатости поверхности трубопровода.
Для больших диаметров трубопроводов и действующих критических скоростей режим течения всегда автомодельный с постоянным значением коэффициента гидравлических сопротивлений - X и 0,014; - определяется суммарная величина удельных потерь напора что соответствует 46,3 м на 1 км трассы трубопровода. При общей длине трассы L = 2 км потребный напор в системе должен быть не менее Аналогичные расчеты можно произвести и для других значений объемной концентрации хвостов обогащения железной руды и производительности системы по твердому материалу. Анализ выполненных расчетов показывает, что на величину дополнительных потерь напора, определяемых межфазовым скольжением, значительное влияние оказывают гранулометрический состав твердой фазы и концентрация исходной гидросмеси. От гранулометрического состава зависит количество твердых частиц мелких фракций, с размерами 6мт =0,1, которые в смеси с водой образуют несущую среду с плотностью, большей, чем вмещающая их вода и, тем самым, уменьшают величину относительной плотности S = доля мелких классов в объеме гидросмеси составила всего сшк = cvPmK = 0,011, при которой плотность несущей среды составила Рн.с = (/7,-1)+1 = 0,011ф450-ШО)+1000 = 1027 кг/м3, т.е. практически равна плотности вода. Поэтому при расчете плотность несущей среды во внимание не принималась, так как ее влияние было несущественно, а полученные значения дополнительных потерь напора на межфазовое скольжение являются в этом случае несколько завышенными. Величина исходной концентрации cv является вторым параметром непосредственно, определяющим величину дополнительных потерь напора на межфазовое скольжение 1ск, так как входит в расчетные формулы для критической скорости потока и диаметра трубопровода. С увеличением исходной концентрации уменьшается диаметр D трубопровода, а за счет увеличения относительной плотности s снижается и критическая скорость v . Изменение параметров D и s непосредственно влияет на величину числа Фруда FrD, а, следовательно, его увеличение приводит к большей стабильности потока транспортируемого потока гидросмеси, так как происходит увеличение сил инерции потока по отношению к силам тяжести. За счет повышения количества транспортируемого материала при увеличении концентрации твердых частиц в объеме гидросмеси происходит увеличение абсолютной величины дополнительных потерь напора на межфазовое скольжение, за счет увеличения количества материала. Однако, при этом большая часть общей энергии потока расходуется именно на транспортирование твердой фазы, т.е. при этом повышается эффективность гидравлического транспортирования, за счет снижения удельной энергоемкости процесса, определяемого затратами энергии на 1 тонну твердого материала при перемещении его на 1 км трассы трубопровода В табл. 4.1. приведены основные расчетные величины, определяющие величину дополнительных потерь напора на межфазовое скольжение и общую величину потерь напора гидравлического транспорта при изменении концентрации твердого материала.
