Содержание к диссертации
Введение
1. Технология и аппараты фильтрования железорудных концентратов 10
1.1. Теоретические основы вакуумной фильтрации 11
1.2. Фильтрование железорудного концентрата, основные требования и характеристики процесса 16
1.3. Тенденции в развитии оборудования для фильтрования железорудного концентрата 19
1.4. Анализ направлений в совершенствовании дисковых вакуум фильтров 27
1.5. Структурная схема дискового вакуум-фильтра 32
1.6. Методы расчёта параметров дискового вакуумного фильтра 35
1.7. Анализ влияния режима работы на фильтрование железорудного концентрата на дисковых вакуумных фильтрах 38
1.8. Концепция совершенствования процесса фильтрования железорудного концентрата на дисковых вакуум фильтрах 44
1.9. Цели и задачи работы 47
2. Совершенствование процесса фильтрования железорудного концентрата на дисковых трубчатых вакуум-фильтрах 49
2.1. Анализ структуры дисковых вакуумных фильтров 50
2.2. Оптимизация параметров системы отвода фильтрата 54
2.2.1. Выбор оптимальных параметров канала ячейкового вала ДТВО и его связей с секторами 56
2.2.2. Особенности выбора параметров установки сектора 62
2.3. Интенсификация процесса набора осадка на ПФП в процессе фильтрации 65
3. Исследования влияния на процесс фильтрования изменения физико-химического состава железорудных концентратов 74
3.1. Исследование фильтрования железорудного концентрата с введением флюсующей добавки 74
3.2 Использование низкомолекулярных реагентов для снижения влажности осадков при фильтровании железорудных концентратов 80
4. Анализ работы систем фильтрации и режимов эксплуатации дисковых вакуум-фильтров 90
4.1. Исследование влияния режима работы на процесс фильтрования ЖРК на дисковых вакуумных фильтрах ДТВО -100-2.58 «Мастер» 90
4.2. Анализ эффективности использования коллекторных труб с коническими рабочими поверхностями 92
4.3. Оценка влияния импульсной отдувки на показатели фильтрования ЖРК 91
4.4. Практические рекомендации 101
4.4.1. Совершенствование основных частей и связей функционирования 101
4.4.2. Анализ работы и рекомендации по обслуживанию ПФП 105
4.5. Оценка экономической эффективности использования резуль татов исследований 112
Заключение 116
Литература 118
- Тенденции в развитии оборудования для фильтрования железорудного концентрата
- Анализ влияния режима работы на фильтрование железорудного концентрата на дисковых вакуумных фильтрах
- Выбор оптимальных параметров канала ячейкового вала ДТВО и его связей с секторами
- Использование низкомолекулярных реагентов для снижения влажности осадков при фильтровании железорудных концентратов
Введение к работе
На большинстве обогатительных фабрик России для удаления влаги (обезвоживания) из тонких обводненных концентратов железных, марганцевых руд и коксующихся углей используются дисковые вакуумные фильтры как отечественного, так и зарубежного производства. Высокий удельный вес этого способа обезвоживания концентратов полезных ископаемых и в цветной металлургии.
В последние годы на многих горно-обогатительных комбинатах обострилась проблема повышения качественных показателей обезвоживания концентратов [80]. Влажность отфильтрованного материала не удовлетворяет требованиям последующего передела. Это обусловлено, в частности, ростом требований металлургического передела к качеству концентрата по содержанию полезного компонента, что влечет увеличение тонины помола руды. В процесс обогащения вовлекаются концентраты с более развитой удельной поверхно-стью (более 220 м /кг). Эффективность обезвоживания ограничена техническими возможностями существующего основного оборудования - вакуумных фильтров.
Одно из решений этой проблемы - внедрение новых технологий и машин, их реализующих. Например, использование фильтр-прессов [22 - 24], капиллярной фильтрации [6, 8, 36, 47] или ленточных фильтров [83]. Этот подход является эффективным, но более затратным по капитальным и эксплуатационным расходам. Вместе с тем, возможности наиболее распространенной вакуумной фильтрации на дисковых фильтрах далеко не исчерпаны [55, 66, 82] и могут быть использованы в новых технологиях [41, 84]. Увеличение производительности данных систем вакуумной фильтрации при качественном соответствии получаемого продукта требованиям последующего передела возможно путем совершенствования процесса обезвоживания концентратов на основе выбора рациональной структуры и параметров дисковых вакуумных фильтров [37].
Это позволит на базе существующего оборудования (систем вакуума, ресиверов и др.) получить концентрат с требуемыми показателями влажности и меньшими затратами.
Необходимо отметить, что операция обезвоживания обводненных концентратов полезных ископаемых связана со значительными энергетическими затратами, в цикле обогащения занимает второе место по энергоемкости после измельчения. Удорожание энергетических ресурсов требует снижения энергозатрат на всех этапах обогащения, в частности фильтрации и последующих переделах.
Повышение эффективности работы фильтровального оборудования, снижение совокупных затрат на процесс обезвоживания и обеспечении требований к получаемому концентрату имеют важное значение для повышения конкурентоспособности и стабильности работы ГОКов в условиях рыночной экономики. Изучение процесса обезвоживания обводненных концентратов полезных ископаемых на дисковых вакуум-фильтрах, совершенствование соответствующего оборудования является актуальной научной задачей.
Целью работы является разработка методик проектирования узлов и элементов дискового трубчатого вакуум-фильтра (ДТВО), обеспечивающих совершенствование процесса фильтрования, повышение его производительности, уменьшение удельных энергозатрат процесса набора, сушки и снижение влажности осадка.
Идея работы состоит в использовании методов оптимизационного синтеза для расчета параметров узлов дискового трубчатого вакуум-фильтра от-дувкой с минимальными гидравлическими сопротивлениями.
Объект исследования - дисковый трубчатый вакуум-фильтр отдувкой (ДТВО).
Основные задачи исследований:
1. Формирование методики анализа дисковых вакуум-фильтров на базе построения их структурных схем.
2. Разработка технических решений, направленных на совершенствование структурной схемы дисковых вакуум-фильтров.
3. Разработка методик расчета конструктивных параметров ДТВО на основе поиска экстремума предложенных критериев оптимальности.
4. Экспериментальное исследование возможности снижения влажности осадка за счет изменения физико-химических свойств суспензии.
5. Исследование работы дискового вакуум-фильтра, реализующего новые технические решения и конструктивные параметры его частей, рассчитанные в соответствии с разработанными методиками.
Методы исследования. Работа представляет комплексное исследование, основанное на построении и анализе структурных схем, использовании теории оптимального проектирования. Исследования базируются на теории гидродинамики, методах нелинейного программирования и физического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием установки «Filtrates!» (Германия) и созданного ДТВО «Мастер».
Защищаемые положения:
1. Совершенствование процесса фильтрования железорудных концентратов на дисковых вакуум-фильтрах состоит в увеличении эффективной площади фильтрования и снижении потерь напора за счет выбора рациональной структуры ДТВО, связей функционирования и основных частей.
2. Увеличение производительности дискового вакуум-фильтра обеспечивается расчетом оптимальных параметров профиля рабочей поверхности его сектора при соблюдении равных условий съема осадка по высоте фильт-роткани.
Повышение эффективности работы дискового вакуум-фильтра достигается сокращением времени технологических пауз за счет выбора оптимального положения сектора на коллекторной трубе, созданием равного разреже ния по всем рядам секторов за счет конической формы коллекторной трубы и переменными по рядам параметрами соединительных патрубков.
Практическая значимость работы - на основании теоретических и экспериментальных исследований определены параметры и создана конструкция дискового трубчатого вакуум-фильтра с отдувкой, обеспечивающая увеличение эффективной площади на 14,2 %, времени сушки на 39,2 %.
Научная новизна работы:
1. Экспериментально установлена и аналитически выражена зависимость влажности осадка на этапе его сушки от параметров технологического процесса: толщины осадка, времени сушки и разности давлений на фильтрот- кани, что позволяет оценить значимость и степень влияния каждого из них.
2. Разработаны методики расчета конструктивных параметров:
- коллекторной трубы и узлов ее соединения с секторами, на основе обеспечения равных условий набора осадка по рядам секторов, полученного с использованием уравнений гидродинамики;
- профиля сектора, увеличивающего эффективную площадь пористой фильтровальной перегородки на 14,2 % и обеспечивающих реализацию дополнительной функции перемешивания суспензии элементами крепления секторов.
3. Разработан и обоснован критерий, определяющий положение сектора относительно коллекторной трубы, использование которого для расчета присоединительных размеров увеличивает время сушки осадка на 39,2 %, без изменения скорости вращения приводного вала.
Достоверность результатов. Достоверность выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также положительными результатами эксплуатации дисковых трубчатых вакуумных фильтров с отдувкой, спроектированных с использованием разработанных методик.
Теоретическое значение работы состоит в развитии теории проектирования дисковых вакуум-фильтров и заключается в разработке алгоритма и методик расчета конструктивных параметров, обеспечивающих создание дисковых трубчатых вакуум-фильтров с более высокими эксплуатационными характеристиками.
Реализация работы. Разработанные методики использованы при проектировании дисковых вакуум-фильтров с отдувкой «Мастер» в ОАО «Урал-химмаш», последующая эксплуатация которых в ОАО «Карельский окатыш» обеспечила годовой экономический эффект 16,593 млн руб. при производстве 9,123 млн т концентрата.
Личный вклад автора состоит в разработке методик расчета параметров дисковых трубчатых вакуум-фильтров, организации и проведении экспериментальных работ, внедрении новых фильтров в промышленных условиях
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались: на научном симпозиуме «Неделя горняка» (МГГУ, г.Москва, 2004 г.); на Сеульской международной выставке «SIIF-2006» (г.Сеул, 2006); на Международной научно-технической конференции «Комбинированная геотехнология: развитие физикохимических способов добычи» (г.Сибай, 2007); на 3- м Международном салоне новых технологий (г.Севастополь, 2007); на 18 Международной выставке инвестиций, инноваций и технологий ITEX 2007 (Малазия, 2007); на ежегодной научно-технической конференции МГТУ имГ.И.Носова (г.Магнитогорск, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 в изданиях ВАК рекомендованных к публикациям результатов диссертационных работ, 2 патента РФ на изобретения и 2 патента на полезную модель.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 патента РФ на изобретения и 2 патента на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, приложений. Основное содержание работы изложено на 127 страницах машинописного текста, включающих 37 рисунков и 26 таблиц, 4 приложения. Список литературы содержит 97 наименований.
Тенденции в развитии оборудования для фильтрования железорудного концентрата
В результате роста требований металлургического передела к качеству концентрата по содержанию полезного компонента, в процесс обезвоживания вовлекаются концентраты с более развитой удельной поверхностью. С увеличением удельной поверхности растет и удельное сопротивление концентрата. Чем выше удельное сопротивление, тем ниже удельная производительность при фильтровании и выше влажность осадка.
Для получения продукта, по качеству удовлетворяющего требованиям последующего передела, возникает необходимость интенсификации процесса обезвоживания, использования систем обезвоживания с более высокой дви Оборуд ование для обезвоживания суспензий Фильтры непрерывного действия Фильтры периодического действия Вакуум-фильтры барабанные с наружной фильтрующей поверхностью рамные Фильтр-прессы камерные Вакуум-фильтры дисковые со сходящим полотном Фильтры самоочищающиеся с внутренней фильтрующей поверхностью Вакуум-фильтры ленточные Фильтры листовые без ячейковые Пресс - фильтры ленточные без ячейковые с предварительно нанесенным слоем вспомогательного фильтрующего вещества Фильтры патронные Вакуум-фильтры тарельчатые Фильтры емкостные герметизированные Микро и ультрафильтрационное оборудование Вакуум-фильтры карусельные камерные Фильтры гравитационные дисковые барабанные Фильтры под давлением Фильтры динамические Рис. 1.2. Классификация оборудования для обезвоживания суспензий жущей силой процесса. Достижение этого возможно путем модернизации отделений фильтрации (вакуумных систем, аппаратов для обезвоживания, вспомогательного оборудования). Другой путь - замена существующих систем обезвоживания более эффективными [36, 48]. Данное мероприятие является весьма дорогостоящим [69].
Типы фильтров чрезвычайно разнообразны, что в значительной степени объясняется различием свойств обрабатываемых продуктов и предъявляемых к процессу фильтрования требований производства. В связи с этим отечественными производителями до 1991 года было освоено 268 типоразмеров фильтров. Виды оборудования для обезвоживания суспензий приведены на рис. 1.2. Назначение данного оборудования представлено в табл. 1.3.
Дисковые вакуум-фильтры (ДВФ) различаются по следующим наиболее существенным конструктивным особенностям [7, 25, 78] (рис. 1.3): устройству ванны (общая или секционная); устройству центрального ячейкового вала и распределительных головок; конструкции и материалу секторов дисков; конструкции системы перемешивания суспензии в ванне; устройству механизма для отдувки осадка и конструкции привода.
Рис. 1.3. Схема устройства дисковых вакуум-фильтров: 1 - диски с секторами; 2 - центральный ячейковый вал; 3 - мешалка вращающегося типа; 4 — мешалка качающегося типа; 5 - секционная ванна; 6 - общая ванна; 7 - шестерня привода; 8 - распределительная головка Таблица 1.3
Микро- и ультрафильтрационное оборудование Для осветления и предварительной фильтрации жидкостей перед стерилизацией, для тонкой очистки стерилизующей микрофильтрации жидкостей Принципиальная схема работы и распределения рабочих зон ДВФ представлена нарис. 1.4. Ванна 1 фильтра постоянно заполнена разделяемой суспензией, поступающей самотеком или подаваемой насосом. Избыток суспензии удаляется через переливной порог 2. Диски 3 фильтра, состоящие из обтянутых фильтровальным материалом секторов 4, частично погружены в ванну с суспензией. При вращении дисков каждый ряд секторов через каналы центрального ячейкового вала сообщается с различными полостями распределительной головки 5 и последовательно проходит зоны / фильтрования, II просушки и III отдувки (разгрузки) осадка, а также зону регенерации IV фильтровальных перегородок (зоны М являются промежуточными или «мертвыми»). Полости I к II распределительной головки соединены с линией вакуума, полости III и IV - с линией сжатого воздуха.
Принципиальная схема работы и распределения зон дискового вакуум-фильтра В зоне фильтрования секторы полностью погружены в суспензию и сообщаются с полостью / распределительной головки. Под действием разности давлений по обе стороны фильтровальной перегородки происходит разделение суспензии, сопровождающееся образованием слоя осадка на поверхности секторов. Набор осадка заканчивается по выходе секторов из суспензии. По мере поворота секторов вокруг оси вращения в трубе собирается фильтрат, достигающий уровня выходных отверстий. По каналу вала и через распределительную головку фильтрат удаляется в сборник. При подъеме секторов выше горизонтальной оси диска, т.е. в зоне просушки осадка они сообщаются с полостью II распределительной головки. Атмосферный воздух под действием вакуума проникает в поры осадка, вытесняя из них жидкость, которая присоединяется к фильтрату.
В зоне отдувки (съема осадка) секторы сообщаются с полостью III, которая либо постоянно находится под давлением сжатого воздуха, либо соединяется с источником воздуха специальным клапаном только в момент полного совмещения с полостью отверстия канала вала. Удаленный с поверхности дисков осадок через карманы 6 ванны выводится за пределы фильтра. Для предотвращения попадания осадка обратно в ванну на карманах по обе стороны дисков расположены специальные валики или ножи.
В зоне регенерации IV фильтровальные перегородки продуваются сжатым воздухом.
Промежуточная зона между зонами фильтрования и просушки позволяет поддерживать в них дифференцированный вакуум: больший - в зоне фильтрования и меньший - в зоне просушки. Остальные промежуточные зоны служат для предотвращения сообщения источников вакуума и давления между собой.
Соотношение длительности отдельных операций в ДВФ, так же как и в других ячейковых фильтрах, является постоянным. Общую длительность операций цикла фильтрования можно регулировать изменением частоты вращения дисков.
Годовые поставки в железорудную отрасль составляли не менее 65-70 ДВФ. Общее количество установленных на железорудных комбинатах ДВФ превышает 500 шт. [55]. В настоящее время на железорудных обогатительных фабриках России работают дисковые вакуум-фильтры (ДВФ) с поверхностью от 60 до 160 м" типа ДУ, ДШ (с подачей перегретого пара в зону сушки) и ДОО (до 250 м ), производства заводов «Прогресс», г. Бердичев, и «Уралхиммаш», г. Екатеринбург [78]. Технические характеристики ДУ68- 2,5-2 и ДШ68- 2,5У представлены в табл. 1.4 - 1.5.
Анализ влияния режима работы на фильтрование железорудного концентрата на дисковых вакуумных фильтрах
Секторы диска в начальный момент фильтрования должны сообщаться с зоной, находящейся под вакуумом, только после погружения их в суспензию. В этом случае время фильтрования и, следовательно, толщина отложившегося осадка оказывается различной, она зависит от расстояния рассматриваемого участка диска от оси его вращения.
Кроме того, в классических конструкциях дисковых фильтрах невозможна промывка осадка вследствие вертикального расположения фильтровальной поверхности. Последнее обстоятельство несколько сокращает объем технологических расчетов.
Основные допущения, сделанные при выводе уравнений фильтрации для дисковых вакуум-фильтров следующие: концентрация суспензии и дисперсионный состав твердых частиц остаются постоянными вдоль фильтрующей поверхности диска в течение всего процесса фильтрования. Более подробно общие теоретические положения промышленного фильтрования изложены в работах [26, 74].
Для расчета ДВФ используется РТМ 26-01-26-68 [67]. В ТГТУ и МГУИЭ разработаны методические пособия к расчету параметров ДВФ [17, 31,34].
В результате предварительного технологического расчёта ДВФ в соответствии с методическими материалами определяют: - время фильтрования; - частоту вращения дисков; - угол сектора зоны фильтрования; - среднюю скорость фильтрации, отнесенную к общей продолжительности рабочего цикла; - необходимую общую поверхность фильтрования; - поверхность одного фильтра. Из ряда параметров существующих фильтров принимается поверхность одного фильтра, радиус дисков и их количество. Далее рассчитываются: - расстояние от центра диска до внутренней поверхности фильтрования; - угол погружения диска по его внутренней поверхности; - расстояние от центра диска до уровня суспензии в ванне фильтра.
К числу немногочисленных работ, посвященных исследованию и выбору режимов работы ДВФ, следует отнести работы [20, 50 - 52]. Авторами работы [76] разработана методика определения расхода воздуха для обезвоживания, даны рекомендации по выбору режима работы ДВФ. В частности, обосновывается необходимость увеличения числа оборотов, разности давлений на этапе сушки и максимально возможной разности давлений на этапе набора осадка. В работе [52] расчет производительности основан на анализе качественного состава суспензии.
Таким образом, в настоящее время существуют методики для расчета основных частей ДВФ. Определение конструктивных параметров ДВФ, необходимых для физической реализации - связей функционирования, основано на опыте конструктора. Как правило, в основе выбора параметров лежит прочностной расчет, а не обеспечение рациональных технологических и эксплуатационных показателей. К числу параметров, оказывающих влияние на гидравлическое сопротивление потоку фильтрата в системе фильтра, следовательно, на скорость удаления фильтрата из полостей фильтра и на качественно-количественные показатели процесса обезвоживания концентрата, относятся параметры системы удаления фильтрата из полостей сектора. Данные параметры в рассмотренных методических материалах расчету не подлежат. Поэтому имеется настоятельная необходимость разработке методик расчета параметров связей обеспечивающих соединение между собой основных частей. Значительное число искомых параметров определяет необходимость применения оптимизационных методов их синтеза. Для их использования необходимо обоснованно выбрать критерии оптимальности. 1.7. Анализ влияния режима работы на фильтрование железорудного концентрата на дисковых вакуумных фильтрах
Влажность осадка и совокупные затраты на процесс обезвоживания определяются в значительной степени режимом работы и эксплуатационными параметрами процесса фильтрования.
В соответствии с данным циклом для определения зависимости влажности осадка от режима работы проведено натурное моделирование на установке «Filtratest» (рис.1.7). Экспериментальная установка "Filtratest" (пр-во Германия) Установка "Filtratest" включает (рис. 1.8): фильтрующую ячейку под давлением 4, мерную емкость 12 для сбора фильтрата, электронные аналитические весы 11, манометр 2 для контроля давления, 3- ходовой кран 1 для начала и остановки процесса фильтрования, персональный компьютер (ПК) 13 для непрерывной регистрации показаний измерений.
Для управления процессом фильтрования установка оснащена 3- ходовым краном 3, шаровым краном 7 и регулятором давления 8. Движущей силой процесса фильтрования и промывки осадка является перепад давления над фильтрующей перегородкой. Избыточное давление в фильтрующей ячейке устанавливается редуктором 8 и реализуется компрессором. Работа на установке осуществляется следующим образом. В нижней части фильтрующей ячейки 4 устанавливается фильтрующая перегородка из материала, выбранного типа. На манометре 2 с помощью редуктора 8 через 3-х ходовой кран 3 устанавливается необходимое значение давления для проведения процесса фильтрования. В фильтрующую ячейку 4 заливается необходимый объем исходной суспензии и ячейка герметизируется. 3-х ходовой кран 3 переводится в положение контроля давления в фильтрующей ячейке 4. Открывается кран шаровой 7 на линии одного из ротаметров 5.
Затем открывается 3-ходовой кран 1, и сжатый воздух подается в фильтрующую ячейку. Через 1-2 с закрывается кран 7 на байпасной линии б. Расход воздуха непрерывно измеряется ротаметром с выбранным размером сопла 5. Его показания фиксируются на персональном компьютере 13. Выход фильтрата осуществляется в емкость 12 и постоянно контролируется с помощью электронных аналитических весов 11. Показания весов непрерывно фиксируются на персональном компьютере 13.
Выбор оптимальных параметров канала ячейкового вала ДТВО и его связей с секторами
В результате анализа процессов, протекающих в ДТВО, и изучения опыта их эксплуатации установлено, что фактором, определяющим экономические показатели обезвоживания суспензий, является то, насколько рациональ но осуществляется набор и сушка осадка. Данное заключение верно при равных крупности, скорости движения фильтрующей поверхности, плотности суспензии, величины вакуума, величины технологических зон, качества ПФП, конструкции элементов фильтра и других параметрах.
На этапе набора осадка фильтрат переходит в турбулентный режим движения. Это обусловлено имеющимися в основных частях и связях функционирования значительных гидравлических сопротивлений. При этом увеличивается величина потерь давления, что при неизменном вакуум-насосе ведет к снижению производительности, т.е. уменьшается объем жидкой составляющей потока, удаляемой из полостей сектора и трубопровода на этапе набора и сушки осадка. Большая часть гидравлических сопротивлений конструктивно удалена быть не может, но может быть снижена.
Наименьшим сопротивлением движению потока в трубопроводе обладает прямой трубопровод с абсолютно гладкой внутренней поверхностью - гидравлический гладкий трубопровод. В силу конструктивных особенностей существующих дисковых вакуум-фильтров коллекторный вал представляет собой трубопровод с внезапными расширениями и сужениями, где скорость потока изменяется по величине и направлению движения. Величины сопротивлений в таких системах, как трубопровод для отвода фильтрата зависят от размеров и форм составляющих трубопровод частей.
Для эффективного отвода фильтрата из зоны сушки необходимо оптимизировать геометрические параметры как основных частей ДТВО, так и его связей. В качестве критерия следует использовать минимизацию потерь при движении фильтрата от ПФП до распределительной головки.
Помимо параметрической оптимизации, уменьшение потерь может быть достигнуто за счет снижения коэффициента гидравлического трения на участках, где значительна величина сопротивлений по длине [95]. В частности, за счет применение гидрофобных материалов.
Диаметр канала ячейкового вала определяется из условия обеспечения ламинарного движения фильтрата в зоне максимального расхода - в зоне связи III, т.е. выполнением условия Re=vd/v 2300, (2.1) где Re - число Рейнольдса; v - скорость движения фильтрата в зоне связи III, м/с ; d — диаметр ячейкового вала в минимальном сечении, м; v - коэффициент кинематической вязкости фильтрата, м2/с. Кроме того, параметры v и d связаны между собой условием обеспечения заданной производительности.
Средняя скорость движения фильтрата определяется исходя из требуемой величины массовой производительность фильтра по осадку Q0C,M , т/ч; Ст-массовой доли твердого в суспензии, %; Вос—массовой доли влаги в осадке, %. Массовый расход фильтрата составляет Qmo = Qocu (100/(Gn +BJ-J) . (2.2) В свою очередь объемный расход фильтрата в секунду Q1H2O = QH2O/(3600PH2O), где рн20 - плотность фильтрата. Скорость движения фильтрата по коллектору составит v = Q!H20 /((пк fa d2/4) (тци/гнаб)), (2.3) где пк - число каналов ячейкового вала; ?наб- время набора осадка на каждом канале; Цж - общее время работы одного канала за один оборот. Из совместного решения уравнений (2.1), (2.3) и соответствующих постановок следует: d = QOCM (100/( Gm +BJ-1) тцик /(206 104 пк тнаб ж v рн20). (2.4) Как видно из структурной схемы канал ячейкового вала связан с входным патрубком (связь IV) и распределительной головкой (связь II). Связь IV может быть реализована в двух вариантах: с пересекающимися осями входного патрубка (рис.2.3, б) и со скрещивающимися (рис.2.3, б). При этом в последнем варианте значение угла Д может быть как положительным, так и отрицательным [68]. При варианте со скрещивающими осями внешняя образующая входного патрубка является касательной к поверхности ячейкового вала. Варианты выполнения поперечных сечений ячейкового вала и входного патрубка различной формы, например эллиптическими, не рассматривались, как трудно реализуемые на практике. Кроме того, входной патрубок может быть заглубленным в ячейковый вал (см. рис.2.3,6). Это позволяет повысить скорость потока фильтрата в этих зонах, а следовательно и создавать дополнительный перепад давления в связи IV. Следует отметить, что параметр R2 (рис.2.4) является величиной постоянной для всех рядов по длине ячейкового вала.
Площадь живого сечения потока в / соединении связи IV можно с достаточной точностью в силу значительной величины Pi (75 ... 90) определить по формуле со si = ж (dKi) /4- (dm dj /2-0,5 (dKi) (Xj - sin lj), (2.5) где 11=2 arcs in ((hf + d,„) / (2 d )
При этом диаметр ячейкового вала следует выполнять переменным по длине, т.е. следует иметь в виду, что dia Ф const, где / - текущий номер связи IV.
С целью достижения равных условий набора осадка на всех секторах, установленных вдоль ячейкового вала, площадь поперечного сечения в зонах его соединения со связью IV должна обеспечивать равное разрежение на рубашке [93].
Использование низкомолекулярных реагентов для снижения влажности осадков при фильтровании железорудных концентратов
Число Рейнольдса меньше критического (ReKp= 2300), следовательно, режим движения ламинарный и величина гидравлических сопротивлений движению связи VI - пропорциональна vMax.
Дополнительные затраты мощности можно определить используя известные зависимости, полученные для лопастных насосов [11] N=Q у Нт , (2.26) где Q — объемный расход, м3/с , Q = УЛ2 n / to6; у — удельный вес суспензии, Н/м ; Нт - теоретический напор, м; НТ = Н + hnk, (2.27) Н - создаваемый напор; hn - потери напора; to6- время одного оборота, с; п - число рядов дисков на валу; к - число одновременно находящихся в суспензии связей VI.
В данном случае необходимо создавать напор, обеспечивающий преодоление гидростатического напора обусловленного высотой столба суспензии hCT и действующего в центре давлений Н = hCT . Центр давлений определяется как для случая затопленной стенки [11]. В соответствии с принятыми обозначениями на рис.2.7 hCT определяется выражением
Потери напора пропорциональны квадрату скорости и вычисляются по формуле Вейсбаха hn = {Xmp Iі/d1) D2/(2g), где Хщ, — коэффициент трения, для случая ламинарного движения Хтр= 64/ Re; Iі - длина связи VI, м; dl — гидравлический радиус, м. После соответствующих подстановок в формулу (2.26), можно получить окончательную зависимость: N=6 («R f-iR, +R2f) (Ьі-у)апог 1{к to6)) у ( R! +i (R, + R2) + + k (32 vc c/7 «;/((d fg)). (2.28) Анализ зависимости (2.28) показывает, что дополнительная мощность является функцией первой степени скорости движения наиболее удаленной точки сектора.
Величина дополнительной мощности для ДТВО «Мастер» 100-2.58 рассчитанная по формуле (2.28) составила ANnp.Bm=l,98 кВт. При этом принималось, что Iі равным длине связи VI погруженной в суспензию - 0,56 м , d1 = 0,1 м. Таким образом дополнительные затраты мощности на перемешивание увеличат установочную мощность привода дисков с 5,5 до 7,98 кВт
В традиционных конструкциях дисковых вакуум-фильтров для перемешивания суспензии используется мешалка, размещаемая в нижней части ванны (рис.2.1.). Небольшой диаметр мешалок (до 300 мм) определяет значительную скорость вращения (60 об/мин и более). Объем суспензии, перемещаемый частью мешалки размещенной под одним рядом секторов, составит VM = 0,53 м3 (при nM = 60 об/мин). Число Рейнольдса, для движущейся жидкости в этом случае, определяется в соответствии с формулой (2.25): Re2 = 0,15 6,28 /(8 10-6) = 117975. Фактическое число Рейнольдса значительно превышает критическое.
Следствием большой скорости мешалки является турбулентный режим движения суспензии относительно ее лопастей. Величина гидравлических со противлении в этом случае пропорциональна квадрату линейной скорости вращения лопасти мешалки.
Мощность привода вращения мешалки для дисковых вакуум-фильтров с площадью фильтрования 100 м составляет 6,5 ... 7,5 кВт.
Кроме того, при использовании мешалки направление ее вращения противоположно направлению вращения ячейкового вала. Данное обстоятельство увеличивает величину гидравлического сопротивления вращению ячейкового вала. Точное значение рассчитать затруднительно в силу сложного характера распределения скоростных потоков при взаимодействии их с секторами. Однако несомненно данное обстоятельство ведет к увеличению затрат мощности на вращение ячейкового вала.
Таким образом, использование связи VI с дополнительной функцией перемешивания, обеспечивает снижение затрат мощности на дисковом вакуум-фильтре с площадью фильтрования 100 м на 4,52 кВт.
На основании анализа конструкций ДТВО с использованием структурных схем, алгоритмизирован процесс выбора его параметров.
Для секторов с измененной конфигурацией рабочей поверхности предложен критерий для расчета его параметров, что обеспечивает увеличение эффективной поверхности фильтрования на величину до 14,2 %. Определение параметров ячейкового вала конической формы и измененной схемой соединения с секторами в оптимизационной постановке создает равные условия набора осадка по секторам, обеспечивая их более эффективное использование. Определение рационального угла установки сектора в плоскости вращения позволяет увеличить время сушки на 8,5 с.
Как отмечалось в гл. 1, методом вакуумного фильтрования из концентратов железных руд удаляется свободная и осмотически связанная влага, влага канатного и до 70% стыкового состояния. Из концентратов флотационного обогащения данным методом удаляется только свободная влага. Это обусловлено движущей силой вакуума, недостаточной для преодоления энергии связи воды с твердыми частицами.
Известны работы, направленные на использование катионного и анионного поверхностно — активных веществ для улучшения процесса обезвоживания [85]. Кроме того, добавки могут вводится для предварительного сгущения, например, алюмокремнивый коагулянт-флокулянт [9].
Для установления возможности уменьшения энергии связи воды с твердыми частицами ЖРК, и вывода из осадка форм влаги, удаление которых ограничено параметрами системы вакуумной фильтрации, проведена серия экспериментов по введению в состав суспензии реагентов. В первую очередь для достижения вышеизложенных целей рассматривалась целесообразность введения в состав суспензии веществ (связующие и флюсующие добавки), смешиваемые с ЖРК на последующих переделах. Также проведены экспериментальные исследования по обезвоживанию суспензии ЖРК с применением низкомолекулярных реагентов. Поскольку очевидно, что введение в суспензию связующей добавки (глины) отрицательно скажется на показателях процесса обезвоживания, то данный эксперимент исключен.
