Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы организации замкнутых систем водоснабжения промывочных комплексов 10
1.1. Характеристика технических решений по совершенствованию системы водоподготовки для мобильных обогатительных комплексов 10
1.2. Анализ технологических возможностей тонкослойных аппаратов в практике горно-перерабатывающих производств 27
1.3. Состояние теории и практики разделения двухфазных сред в тонкослойных аппаратах 35
1.4. Выводы и задачи исследований 44
2. Теоретические основы разделения полиминеральной гидровзвеси в тонкослойном пространстве 49
2.1. Особенности гравитационного процесса выделения твердой фазы эфельных хвостов в тонкослойном пространстве 49
2.2. Математическая модель процесса осаждения монодисперсных частиц в наклонном канале со стабилизированным потоком 57
2.3. Влияние начального участка тонкослойного пространства на формирование осадочного слоя 76
2.4. Формирование полидисперсного и полиминерального осадка в тонкослойном пространстве 85
2.5. Стратификация двухфазной среды в процессе массопереноса по продольно ограниченному пространству 101
2.6. Выводы по главе
3. Потенциальные резервы тонкослойного пространства и конструктивне пути по их реализации в разделительном процессе двухфазных сред 118
3.1. Анализ и оценка особенностей отдельных элементов и зон
тонкослойного пространства в разделительном процессе 118
3.2. Обоснование конструктивного подхода по выделению тяжелых компонентов в процессе тонкослойного разделения гидровзвеси 127
3.3. Конструктивные пути по реализации потенциальных возможностей тонкослойного пространства 137
3.4. Выводы по главе 150
4. Экспериментальная оценка процесса тонкослойного разделения эфельных хвостов 152
4.1. Задачи и общая методика экспериментальных исследований... 152
4.2. Реологические свойства тонкодисперсного слоя осадка в водной среде наклонного канала 161
4.3. Исследование устойчивости процесса стратификации в тонкослойном канале 168
4.4. Исследование влияния геометрических параметров, формирующих тонкослойное пространство на разделительный процесс двухфазной среды 181
4.5. Исследование возможностей тонкослойного пространства по дифференцированному выводу твердой фазы 188
4.6. Влияние реагентых добавок на разделительный процесс гидровзвеси эфельных хвостов в тонкослойном пространстве 200
4.7. Выводы по главе 211
5. Разработка аппаратурного оформления процесса разделения тонкодисперсных эфельных хвостов на базе тонкослойных модулей 215
5.1. Характерные особенности и задачи при проектировании разделительных аппаратов для мобильных обогатительных комплексов 215
5.2. Обоснование основных принципов аппаратурного оформления процесса тонкослойного разделения гидровзвеси 222
5.3. Сепарационная характеристика тонкослойных аппаратов 227
5.4. Формирование конструкции и типоразмерного ряда тонкослойных модулей для технологических процессов промывки металлоносных песков 230
5.5. Промышленные испытания тонкослойных модулей 246
5.6. Выводы по главе 267
6. Разработка схем и обоснование технологических средств системы водоподготовки при создании локальных контуров на основе тонкослойных модулей при промывке металлоносных песков 270
6.1. Методологические аспекты построения схем локальногоконтура в системе водоподготовки применительно к мобильным промывочным комплексам 270
6.2. Аппаратурное оформление технологического процесса разделения массопотоков эфельных хвостов 282
6.3. Эколого-экономическая оценка разработанных систем водоснабжения и технологических средств их реализации 294
6.4. Выводы по главе 300
Заключение 303
Список литературы
- Анализ технологических возможностей тонкослойных аппаратов в практике горно-перерабатывающих производств
- Математическая модель процесса осаждения монодисперсных частиц в наклонном канале со стабилизированным потоком
- Обоснование конструктивного подхода по выделению тяжелых компонентов в процессе тонкослойного разделения гидровзвеси
- Реологические свойства тонкодисперсного слоя осадка в водной среде наклонного канала
Введение к работе
Половина российского золота и редкометального сырья добывается на россыпных месторождениях с преобладанием гидромеханизированного способа промывки песков, и эта пропорция продолжает сохраняться в связи с более простой технологией и меньшими капитальными затратами. В результате перехода к рыночной экономике на объектах россыпной металлодобычи обостряется целый блок противоречий, вызванных с одной стороны истощением сырьевой базы, ростом цен на энергоносители, ужесточением природоохранных требований; с другой стороны - вовлечением в переработку мелких, труднопромывистых и энергоемких месторождений с высоким содержанием глины, мелких классов ценного компонента. Отсутствие в этой отрасли надежных аппаратов по комплексной переработке тонкодисперсного минерального сырья с одновременным выполнением природоохранных функций усиливает эти противоречия.
По технологической сущности современные обогатительные комплексы в мобильном варианте тесно увязаны с системой водоподготовки, которая базируется на кондиционировании оборотной воды через замыкание массопотоков на внешние пруды-отстойники. Только обеспечение экологической безопасности естественных водоемов в районах ведения горных работ путем сооружения каскада плотин, дамб, руслоотводных каналов ставит под сомнение разработку небольших месторождений, что требует значительных затрат времени до 10 - 15% от промывочного сезона и в таких же пределах средств от себестоимости добытого металла. Проблема водообеспечения промывочных комплексов является ключевой и при ведении работ в безводной местности или с отрицательным балансом водопотребления.
Другой смежной проблемой при промывке металлоносных песков является высокая потеря (до 45-50%) ценного тонкодисперсного компонента на первой стадии обогащения. В связи с этим обеспечение мобильных обогатительных комплексов надежными техническими средствами по комплексному разделению массопотоков гидровзвеси приобретает все большую остроту. Решение данной проблемы в настоящее время невозможно без глубоких научных, технических и технологических обоснований, опытно-конструкторских проработок и экспериментальных исследований.
Прогрессивное направление, которое активно развивается в отечественной и зарубежной практике разделения гидровзвесей, базируется на энергосберегающей технологии, в основе которой лежит принцип тонкослойного отстаивания. Однако при острой проблеме создания высокоэффективных разделительных агрегатов и расширяющихся областях использования тонкослойных аппаратов в настоящее время эти конструкции при разработке россыпных месторождений применение не находят. Сопоставлением удельных параметров известных аналогов по массе и габаритам выделяются основные ограничительные причины: существующие конструкции рассчитаны на стационарный характер эксплуатации с узкой функциональной ориентацией и применительно к процессам водоподготовки при промывке металлоносных песков на россыпях эти параметры будут превышать в 3-5 раз обогатительный комплекс, ограничивая его мобильность.
Отсутствие научных рекомендаций, конструкторской проработки, глубоких экспериментальных исследований создает определенные проблемы по их широкому использованию в горно-обогатительных системах, работающих в сложных условиях приисков.
Ряд главных технологических и эксплуатационных достоинств тонкослойных конструкций и острая потребность в аппаратах кондиционирования оборотной воды для мобильных обогатительных комплексов, используемых при промывке металлоносных песков на россыпях, легли в основу по изучению, исследованию и поиску рациональных путей по совершенствованию технических решений на базе тонкослойного принципа разделения гидровзвеси эфельных хвостов.
Цель работы. Обоснование эффективности тонкослойного выделения минеральных частиц из массопотока хвостов промывки металлоносных песков для создания нового поколения технических средств кондиционирования оборотной воды.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель формирования, распределения, и состояния осадочного слоя стратифицированного массопотока полидисперсной и полиминеральной гидровзвеси в тонкослойном пространстве с учетом распределительной функции твердой фазы по физическому признаку, позволяющая оценить эффективность выделения минеральных частиц в осадок.
2. Методы интенсификации процесса разделения минеральной гидровзвеси эфельных хвостов в тонкослойном пространстве за счет изменения геометрии рабочей полости аппаратов, схем массопотоков, применения двойного тонкослойного эффекта и новых конструктивных решений, направленных на повышение эффективности процесса путем расширения функциональных возможностей.
3. Методология аппаратурного оформления процесса тонкослойного разделения гидровзвеси эфельных хвостов, обеспечивающая гибкий технологический подход к проблемам кондиционирования оборотной воды при промывке металлоносных песков на россыпях.
4. Новые конструкции аппаратов модульного типа на базе двойного тонкослойного эффекта по выделению твердой фазы из гидровзвеси, образующейся при промывке металлоносных песков, технологические режимы и граничные условия их использования в системах водоснабжения мобильных обогатительных комплексов. 5. Концептуальные принципы построения схем локальных контуров кондиционирования оборотной воды на основе тонкослойных модулей в системах водоснабжения при промывке металлоносных песков. Научная новизна работы заключается в том, что:
- диссертация является первой обобщающей работой по технологии и аппаратурному оформлению процесса тонкослойного кондиционирования оборотной воды применительно к мобильным комплексам промывки металлоносных песков;
- разработана математическая модель распределения твердой фазы гидровзвеси в тонкослойном пространстве, которая позволяет выделить активные и пассивные зоны, оценить их эффективность по переводу минеральных частиц в осадок;
- предложен математический метод трансформации исходной дифференциальной функции распределения твердой фазы гидровзвеси по физическим признакам (у-функция) к дифференциальной функции положения узких фракций в тонкослойном пространстве, что дает возможность получить качественно-количественную оценку образующегося слоя осадка в каналах и целенаправленно накладывать управляющие связи на массопотоки;
- установлена новая закономерность предельного состояния осадочного слоя и зависимость его перемещения в тонкослойных элементах, позволяющие оценить устойчивость стратифицированного массопотока;
- впервые вскрыты и исследованы потенциальные резервы тонкослойного процесса разделения полиминеральных и полидисперсных гидровзвесей, расширены функциональные возможности тонкослойного пространства, определены новые конструктивные пути их реализации;
- впервые предложен и исследован двойной тонкослойный эффект
разделения полиминеральной гидровзвеси, который дает возможность формировать локальный стратифицированный массопоток с усилением механизма сегрегации частиц в осадочном слое;
- впервые изучен процесс тонкослойного кондиционирования оборотной воды на объектах россыпной металлодобычи, обоснованы аппараты, граничные условия и режимы эффективного использования;
- предложена концепция модульного принципа построения систем водоподготовки с образованием локальных контуров на основе энерго- и водосберегающей технологии тонкослойного разделения гидровзвеси эфельных хвостов в мобильном варианте.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- разработан новый энерго- и водосберегающий класс аппаратов, обеспечивающий автономность и технологическую гибкость системы водоподготовки при промывке металлоносных песков отвечающий требованиям, предъявляемым к оборудованию эксплуатируемому в мобильном варианте;
- разработана технология тонкослойного кондиционирования оборотной воды для промывки металлоносных песков на россыпных месторождениях, позволяющая создавать локальные контуры водооборота с существенным (в 5...6 раз) сокращением объема воды и в тех же пропорциях отчуждаемых земельных угодий под отстойные сооружения и загрязняющих выбросов в естественные водотоки;
- достигнуто снижение удельной материалоемкости, массы и габаритов тонкослойных аппаратов в 5...8 раз по сравнению с аналогами, что позволило впервые обосновать конструкцию самоходного промывочного комплекса типа комбайна с автономной системой водоподготовки;
- впервые экспериментально на объектах россыпной металлодобыче дана оценка эффективности использования тонкослойных аппаратов в системах водоснабжения мобильных промывочных комплексов, установлены рациональные режимы, граничные условия, параметры (включая качественно-количественную характеристику потоков гидровзвеси эфельных хвостов на входе-выходе);
- разработан типоразмерный ряд тонкослойных аппаратов модульного типа на принципах унификации конструкции с расширением функциональных возможностей и технологической гибкости применительно к различным по составу гидровзвесей с одновременным сокращением комплектующих элементов, разработаны рекомендации по их выбору; разработанное оборудование и технология тонкослойного кондиционирования оборотной воды позволяет расширить минерально-сырьевую базу за счет вовлечения в переработку мелких высокоглинистых россыпных месторождений, а так же ведения промывки песков в безводной местности
Автор выражает свою признательность научному консультанту Заслуженному работнику высшей школы, Заслуженному изобретателю РФ, профессору, д. т. н. Мязину В.П., профессору, д. т. н. Баландину О.А. за ценные советы, постоянную поддержку и внимание при проведении исследований и написании диссертации.
Анализ технологических возможностей тонкослойных аппаратов в практике горно-перерабатывающих производств
За период со времени выдачи первого патента на тонкослойный аппарат в 1886 г. в Великобритании [135, 146] зафиксировано уже более 200 патентов и изобретений на конструкции и методы, в основе которых лежит процесс разделения фаз в тонком слое массопотока [28]. Однако до середины прошлого столетия этому процессу в разделительных системах уделялось мало внимания. В 1952 г. К.Гомеля [29] показал на практике неоспоримое преимущество ТА, позднее подобные конструкции были предложены зарубежными специалистами M.Szalay[216], T.Camp om [183], Humphreys om [198], Puddingtjn om [214] и, начиная с 1955 г., в США и Японии они начали внедряться. Уже в 1970 г. в США эксплуатировалось свыше 50 крупных объектов с использованием ТА производительностью до 240 тыс. м3/сутки. В Европе эти аппараты стали применяться в 60-е годы при очистке промышленных и бытовых вод. Первая промышленная разработка ТА, внедренная на обогатительной фабрике, осуществлена японской фирмой "Мацусимо Танко".
Следующим шагом было создание сгустителя "Ламелла", принципиально отличающегося от обычного круглого. Этот аппарат разработан фирмой "Сала" (Швеция) совместно с институтом Акселя Джонсона (Канада) и предназначен для обезшламливания тонкозернистых продуктов, сгущения концентратов и хвостов, очистки сточных вод и т.п.. Уже в 1978 г. в мире действовало 150 этих аппаратов [102]. Сгустители "Ламелла" выпускают с поверхностью осаждения 50, 100, 200, 500 и 1000 м2. Применение этих аппаратов по данным фирм-изготовителей (Швеция, США, Великобритания) экономит рабочую площадь на 85-90 % и повышает удельную производительность в 3-5 раз по сравнению с радиальными сгустителями [150].
Сгустители этого типа, выпускаемые австрийской фирмой "Реакс" с площадью поперечного сечения 24 м2, при 10-кратном увеличении эффективной поверхности пропускают 1150 м /ч гидровзвеси песка класса -0,5 мм при содержании твердой фазы 80-100 г/дм . Содержание взвеси в сливе не превышает 0,2 г/дм3. При работе сгустителя "Ламелла" другого класса с поверхностью осаждения 100 м (эффективная площадь 1000 м ) для обезвоживания галенитового концентрата, содержащего в исходной гидросмеси до 100 г/дм3 твердого компонента, из них 92 % частиц класса -0,044 мм, получался сгущенный продукт с содержанием твердой фазы 50-75%, а содержание взвеси в сливе не превышало 0,12 г/дм3 [102]. Сгуститель "Ламелла" выпускаемый шведской фирмой "Сала" с эффективной площадью осаждения 500 м2, производительностью 300 м3/ч пульпы, содержащей 3-4 % флотационного концентрата с крупностью частиц 0,03-0,04 мм, обеспечивает концентрацию твердого в сливе 1-Ю г/дм при удельной нагрузки на пластины 0,6 м3/м2ч с расходом полиакриламида - 200 г/т, [150]. Сгуститель "Ламелла" испытывался на золотоизвлекательной фабрике "Уэстер Дип Левелс" (ЮАР) [102]. На сгущение подавалась гидровзесь, содержащая твердый компонент, 80 % которого состояло из частиц класса 0,074 мм. Результаты сравнительных испытаний с радиальным сгустителем диаметром 23 м представлены в табл. 1.2.
На углеобогатительных фабриках США ("Ройалти Смоуклисс Коул") установлено несколько сгустителей "Ламелла" фирмы "Сала Джонсон" (Швеция). Аппараты легко подключаются к имеющемуся оборудованию, не требуют специальных помещений и обеспечивают на фабриках создание локальных контуров системы водоподготовки. Фирма "Хема унд Металл Реакс" (Австрия) поставляет стандартные сгустители "Реакс Ламелла" с поверхностью корпуса от 1 до 25 м , что соответствует эффективной площади осаждения от 20 до 720 м2.
Эти аппараты применяются в горной промышленности для осветления воды при производстве гравия и для уменьшения нагрузки на отстойные пруды, [64, 65]. На обогатительных фабриках США "Mesa", "Quecu Creek", "Sun City", "Salt Lake" при обогащении песка и гравия используют тонкослойные аппараты фирмы "Eagle Jron", которые представляют перевернутую ступенчатую пирамиду (аналог ТА института Уралмеханобр). Верхний ярус заполнен тонкослойными элементами, а нижний образует область накопления сгущенного продукта. При габаритах 5,5x5x13 м и массе 36 т аппарат развивает производительность по пульпе до 250 м /ч, восстанавливает 80-85 % технологической воды и заменяет 2-3 пруда-отстойника площадью 3-4 га, [208]. Стоимость 1 м2 поверхности осаждения обычного сгустителя равна 211 долл., сгустителя "Ламелла" -122 долл. (для аппаратов с производительностью 27 тыс. м3/сутки). По данным фирмы "Парксон Корпорейш" (США) стоимость ТА составляет 50 % стоимости обычного радиального.
В США обычно конструкции ТА отличаются тем, что рабочими элементами являются наклонно установленные трубки различной формы [170, 184]. Трубчатые элементы собираются в пакеты (модули), что позволяет изготавливать их из пластмасс методом экструзии, получая сотовидную структуру. Из тонкослойных элементов трубчатого, ячеистого и пластинчатого типов, наиболее перспективными в существующих ТА признаны плоские каналы. Они получили широкое распространение в России и в странах СНГ, Японии, Франции, Великобритании, ряде других стран [40, 42, 12, 191, 200, 211, 215 и др.]. В ТА "Ламелла" пластины изготавливаются из различных материалов, которые подбираются в зависимости от агрессивности среды. Обычно применяются сталь, пластмасса, стекловолокно. Расстояние между пластинами - 35-50 мм, угол наклона пластин - 40-60. Корпус изготавливается из нержавеющей стали, у крупных аппаратов - из бетона.
Математическая модель процесса осаждения монодисперсных частиц в наклонном канале со стабилизированным потоком
В дальнейшем через эти величины можно перейти к обобщенным параметрам, таким как производительность, габариты аппарата, удельная нагрузка, разделительная способность и др., или к более узкой характеристике, включая отельные фракции с их количественной и качественной оценкой, форму каналов в сечении, схемы перемещения потоков.
С целью уменьшения количества независимых параметров в первом приближении размер, плотность, морфологию твердых частиц заменим гидравлической крупностью w (м/с), а высоту канала, среднюю скорость исходного потока и вязкость жидкой среды объединим условием сохранения ламинарного режима в канале через число Рейнольдса - Re, понизив его критическое значение (компенсируя возможные технологические отклонения) VH в 1,5...2 раза, приняв Re 1000, т.е. для плоских каналовRe„ = 1000, и где Vcp (м/с) - средняя скорость исходного потока в канале высотой Н (м), v кинематическая вязкость, м /с. Для каналов со сложной формой сечения Re = ср Где sK - площадь живого сечения канала, м ; р - смоченный up периметр, м. В дальнейшем это соотношение сохраняем как условие ламинарного режима в канале. За базу жидкой фазы примем воду как основную среду при промывке металлоносных песков при температуре t=20C.
Согласно представленной расчетной схеме (рис. 2.1) в перемещении частиц из исходного положения А в конечное - В участвуют относительная скорость w и переносная скорость Vcp. При этом достигается максимальное продольное транспортирование частицы L„ а по вертикали НI cos a = const. Достигнув поверхности нижней стенки канала частицы при определенных значениях угла наклона канала, шероховатости стенок, высоты слоя осадка или занимают стационарное положение, или перемещаются вниз под действием гравитационной составляющей, преодолевая силы вязкого трения и силы трения о стенку канала. При этом в зависимости от направлений потоков исходного питания и слоя осадка выделяется несколько схем массопереноса твердой фазы, например, для плоского канала в поперечном сечении возможные варианты представлены на рис.1.11.
Противоточная схема обеспечивает короткую траекторию перемещения частиц в осадок. При этом тяжелая фракция, перемещающаяся с верхнего уровня, ложится на легкую фракцию, что можно рассматривать как положительный или отрицательный эффект в зависимости от назначения аппарата. В прямоточной схеме соблюдается приоритет расположения твердых частиц в осадке по гидравлической крупности и просматривается потенциальная возможность конструктивным путем усилить сепарационный фактор при транспортировке осадка вдоль канала. Поперечная схема обеспечивает благоприятные условия для классификации структурно неустойчивой твердой фазы по гидравлической крупности.
Кроме плоских каналов существуют варианты и других форм: круглые, сотовые, гофрированные и др. с переменным или постоянным значением Н в поперечном сечении, но с сохранением Н = const в продольном сечении.
По своей природе физический процесс выделения твердой фазы из гидровзвеси в наклонном канале включает два гравитационных этапа. Первый этап соответствует перемещению твердых частиц из взвешенного состояния исходного потока в придонный слой с формированием слоя осадка. На этом этапе на частицу действуют сила тяжести, выталкивающая (архимедова) сила и сила сопротивления среды. Инерционная составляющая не учитывается, так как для тонкодисперсных частиц время релаксации скорости оседания составляет доли секунд и протекает вне канала.
Второй этап гравитационного процесса перемещения твердой фазы в канале соответствует сползанию слоя образовавшегося осадка в виде квазижидкой среды повышенной вязкости и плотности с наложением дополнительных сил трения о днище канала. Существование этого этапа возможно при условии преобладания гравитационной составляющей в продольном направлении над всеми остальными действующими силами.
Совмещение одновременно двух направлений массопереноса в одном наклонном канале создает прямую механическую стратификацию (расслоение) [136] и характеризуется изменением плотности потоков по величине соизмеримой со значением самой плотности. В условиях прямой стратификации, когда плотность квазижидкой среды с глубиной увеличивается, совокупность осевших полидисперсных частиц образует на дне наклонного канала структурно устойчивый осадок, который при определенных градиентах скорости и плотности формирует область вязкого течения с образованием слоя скачка плотности. Если слой раздела между верхним исходным потоком и нижним слоем осадка по своей толщине невелик, то это дает возможность рассматривать движение двух неоднородных по плотности суспензий по двухслойной схеме: в верхнем слое преобладает жидкая фаза, в нижнем - твердая.
Предварительную оценку возможностей гравитационного процесса по выделению тонкой фракции в осадок в разбавленной водной среде можно провести, используя экспериментальные значения средней скорости wt [137] свободного падения минеральных частиц плотностью р, и условным размером dai (принятым как среднеарифметический размер двух смежных сит, на которых выделялся данный класс).
Наибольшее продольное перемещение L, в процессе массопереноса частиц, очевидно, возникает за время, при котором они преодолевают под действием гравитационной силы расстояние в вертикальном направлении H/cosor (от верхней граничной стенки к нижней), а в продольном - L, = L Re „ . При этом параметры Н и Vq, остаются свободными, но связанными wt cos а между собой условием ReM 1000, по которому, задаваясь Н, можно определить Vcp или наоборот. Хотя переносная скорость жидкой среды при ламинарном течении в поперечном сечении изменяется по параболическому закону, как будет показано далее, при перемещении частицы с верхнего пограничного уровня плоского канала в нижний придонный слой на величину L, форма эпюры скорости среды не оказывает влияние.
Для параметров ReH=1000 и а = 60 значения Lt = L(dai ,pt) применительно к схеме массопереноса согласно рис. 2.1 представлены графиком (рис 2.2).
Анализ полученных зависимостей показывает, что предельная длина канала для полного перевода тяжелой фракции (р 7 кг/дм ) в осадок с ламинарным режимом потока в тонкослойном пространстве (Ren=1000) может составить 2...5 м для частиц класса +10...-50 мкм, что в сравнении с габаритами подобных аппаратов проточного типа вполне приемлемо для обогатительного оборудования. При высоте канала Н=(0,02...0,04) м, средней скорости Vcp=(0,025...0,05) м/с и Ren=1000 характерное отношение L/H составляет 50...250. Представленные графики дают только предварительную оценку возможностей тонкослойного пространства по переводу в осадок твердой фазы, но не охватывают всех потенциальных особенностей гравитационного процесса и тем более путей их реализации.
Обоснование конструктивного подхода по выделению тяжелых компонентов в процессе тонкослойного разделения гидровзвеси
Разделение замкнутого объема гидровзвеси на тонкослойные потоки преследует главную цель, которая заключается в выделении тонкодисперсной структурно неустойчивой твердой фазы из жидкой среды благодаря созданию ламинарного режима и относительно небольшой глубине оседания частиц. Как показывает проведенный обзор существующих конструкций тонкослойных аппаратов по технологическому назначению, обогатительный признак, обусловленный выделением узкой фракции, например по плотности частиц, в этих конструкциях отсутствует, хотя для этого теоретически просматриваются возможности создания конструктивным путем благоприятных условий.
Разобьем гравитационный процесс, протекающий в тонкослойном пространстве, на два этапа. На первом этапе частицы гидровзвеси из исходного потока переходят в осадок, на втором - сгруппированные частицы по гидравлической крупности в осадке перемещаются вдоль наклонного канала. Если при проектировании тонкослойных аппаратов преследуется основная цель по переводу твердой фазы в осадок и задача сводится к первому этапу, то изучение и реализация потенциальных возможностей второго этапа со стороны исследователей должного внимания не находит.
Выделим на первый план процесс расслоения твердой фазы по плотности частиц, тогда формирование осадка необходимо рассматривать по узким фракциям. При этом, как результат первого этапа гравитационного перевода твердой фазы в осадок, выступает h-функция, которая характеризует объемное содержание и геометрическое положение каждой выделенной узкой фракции по длине канала. В результате расслоения твердой фазы по гидравлической крупности формируется определенный гранулометрический состав частиц различной плотности как по высоте осадка, так и по длине, создающий условия для их сегрегации. Задача на втором этапе уже при перемещении слоя осадка сводится к определению рациональных методов усиления в нем концентрации тяжелого ценного компонента, локализации и последующему выводу его из тонкослойного пространства.
Отметим два важных момента, играющих ключевую роль в формировании и усилении разделительного эффекта в процессе транспортирования осадка, применительно к тонкослойному пространству.
Сущность первого заключается в том, что в результате ламинарного режима в канале полидисперсные частицы, переходящие в придонное положение, накрывают перемещающийся осадок, образуя по высоте послойное образование, где приоритет занять нижнее положение, зависит не от плотности и крупности частиц и их потенциальных возможностей, а от выбранной схемы массопотоков.
Второй момент связан с расплывчатостью слоя осадка в придонной плоскости относительно малой толщины. За счет хаотического перемещения частиц по высоте затрудняется организация процесса перераспределения узких фракций по вертикали при их транспортировке на втором гравитационном этапе. Для этого требуются определенные условия для подавления пульсации частиц с образованием механизма сегрегации. Хотя перераспределение твердой фазы в осадке носит весьма сложный характер, [59, 114, 126], однако динамическое состояние нижнего слоя гидровзвеси при его перемещении вдоль канала удерживает полидисперсные частицы во взвешенном состоянии и дает возможность более тяжелым и мелким классам проникать в глубь рыхлого осадка, увеличивая их концентрацию в придонном слое.
Расположение узких фракций в слое осадка по его высоте неоднозначно и зависит от выбранной схемы движения фаз в канале, что немаловажно в проектных разработках уже на стадии назначения проектируемого аппарата по функциональным признакам (классификация, сгущение, обогащение, подготовка технологической воды и т.д.). Рассмотрим движение фаз по трем вариантам: противоточная схема, прямоточная и поперечная (рис. 3.3).
По первой схеме тяжелая фракция ложится на легкую, которая, перемещаясь с верхнего уровня канала, занимает перед выходом из него нижний слой в осадке. Эта схема благоприятна для аппаратов, работающих в режиме осветления технологической воды и сгущения осадка, так как тяжелая крупная фракция в этом случае накрывает легкую и мелкую и препятствует ее сносу в слив встречным потоком, а так же уплотняет слой осадка. По второй схеме наоборот, тяжелая фракция в начале канала оказывается в нижнем положении слоя осадка и при ее транспортировании концентрируется по нижней поверхности пластины. Этот вариант рационально применять в обогатительном режиме для улавливания тяжелых по плотности минералов. Третья схема позволяет распределять неустойчивую твердую фазу в осадке по длине канала в зависимости от гидравлической крупности частиц и благоприятна для классификации минералов по скорости их оседания в жидкой среде. Рассматривая процесс разделения эфельных хвостов в целом, для выделения узкой тяжелой фракции просматривается возможность применения комбинированной схемы.
Реологические свойства тонкодисперсного слоя осадка в водной среде наклонного канала
Полученные теоретическим путем закономерности состояния слоя осадка в наклонном канале (2.81, 2.82) содержат ряд физических параметров, взаимосвязь которых с геометрическими и технологическими значениями требует экспериментальной проверки. Существенное влияние на состояние осадка и скорость его перемещения согласно полученной зависимости (2.79) оказывает трение слоя осевшей твердой фазы о донную поверхность, высота этого слоя, форма проходного сечение канала, устойчивость образующегося двухслойного течения в целом и расслоение по плотности частиц для локализованного осадка. Известное исследование [42] по определению коэффициентов трения сцепления твердой фазы в наклонном канале ограничивается относительно крупными частицами из полистирола ((1,=0,8-3 мм) и не учитывает влияния плотности частиц, формы канала, высоты слоя, не охватывает тонкодисперсные фракции, для переработки которых и предназначены тонкослойные аппараты. В то время как опытные наблюдения подтверждают взаимосвязь этих факторов.
Расширяя факторное пространство, проведено исследование изменения значений эффективного коэффициента трения на физической модели, рис. 4.1, со сменным покрытием днища канала, изменяющимися углом наклона, высотой слоя осадка, плотностью и крупностью частиц. Критический угол трения а = arctg f определялся при переходе слоя осадка из статического состояния в динамическое и наоборот в соответствии с разделом 2.5. При этом скорость жидкой фазы также менялось от 0 до критического значения, при котором происходит снос верхнего слоя частиц, охватывая прямоточную и противоточную схемы массопереноса.
Визуальное наблюдение показывает, что поведение осевших частиц не однозначно. При тонком слое (h=l-2 мм) сползание осадка происходит в форме "дюн". Начало сдвига характеризуется лавинообразным отрывом части слоя, а с увеличением угла наклона на 3-5 наступает непрерывное перемещение осевшей твердой фазы по всей нижней поверхности канала при установившемся режиме. В статическом состоянии осадка с непрерывной подачей полидисперсной суспензии по противоточной схеме в верхней части наклонного канала наблюдается увеличение слоя осевших частиц в форме "трамплина" (рис.2.15). Образующийся нарост формирует естественный угол откоса, обеспечивающий взаимосвязь параметров осадка с полученной закономерностью (2.81,2.82).
Проведенные опыты позволили получить усредненные значения эффективных коэффициентов трения для тонкодисперсных частиц применительно к характерным горнорудным минералам как для узких классов, так и для полидисперсных фракций с целью использования этого параметра для определения состояния и расчетных значений скорости сползания осадка в наклонных каналах. Результаты приведены в табл. 4.2 Реологические проявления образовавшегося слоя осадка в жидкой среде (нейтральная вода, t=20 С) в зависимости от геометрической формы слоя, гранулометрического состава частиц и их плотности представлены на рис. 4.4. Размер частиц узких классов принимался как средний (арифметический) размер сит, на которых выделялся данный класс. Толщина и состояние осадка определялись визуально относительно калибровочных по высоте штифтов, установленных в днище канала, шероховатость которого менялась путем обработки сменной поверхности из оргстекла абразивным материалом. Значения эффективного коэффициента трения рассчитывались как f = tg0,5(a +аС), где а и а - соответственно предельные углы наклона каналов, при которых осадок переходит из статического состояния в динамическое и наоборот.
Значения эффективного коэффициента трения слоя осадка в воде Материал Шероховатостьповерхности, Ra,мкм Класс крупности частиц, мкм Высота осадка, мм сеК .I ей & » cefas . 2 ЭЄЙ Ьчі ев "їS І aсв »&i in канал частицы Стекло органическое ГлинаКварц Касситерит 0,3 1,2 6,3 10 20 20 20 -44-71 -71 0,5-1,0 48-5047-49 46-47 39-4137-39 35-37 0,980,93 0,86 Стекло Глина 0,2 -44 0,5-1,0 46-48 38-39 0,91 Поликарбонат (дифлон) Глина Кварц 0,5 0,5 -44 0,5-1,0 48-49 47-48 39-40 36-38 0,96 0,93 Полиэтилен Глина 0,2 -44 0,5-1,0 45-47 37-38 0,87 Целлулоид Глина 0,5 -44 0,5-1,0 47-49 37-38 0,90 Сталь оцинкованная Глина 2,5 -44 -71 -71 0,5-1,0 1,0-2,0 2,0-5,0 49-52 48-51 45-47 38-41 34-36 31-35 0,98 0,91 0,82
В отличие от трения твердых тел исследуемый эффективный коэффициент трения оценивает состояние слоя в целом и включает совокупность проявлений частиц в осадке: скольжение, качение, вязкое трение, их взаимодействие между собой и со стенками канала. Анализ результатов комплекса опытов табл. 4.2 (рис. 4.4,4.5 ) показывает: - устойчивое смещение осевших частиц наблюдается для различных сочетаний системы "канал - осадок" при угле наклона аст 55; - на состояние слоя осадка из полидисперсных частиц шероховатость поверхности заметного влияния не оказывает (табл. 4.2), что вызвано заполнением впадин неровностей тонкими классами, то есть шероховатость по плоскости сдвига слоя определяется размерами частиц; - для слоя осадка из узкого класса с увеличением размера частиц снижается их общая площадь контакта и соответственно составляющая сила сцепления с днищем, что приводит к снижению значений f (рис. 4.4); - с уменьшением плотности материала твердой фазы возрастают значения эффективного коэффициента трения f, так как в совокупности с действующими на частицы силами доля вязкого трения по сравнению с силами трения-скольжения в этом случае возрастает; - существенное влияние на состояние слоя осадка оказывает его высота, рис.4.5, так, при увеличении h в пять раз значение f снижается в 1,34 раза, и осадок начинает "течь": его нижний слой - неподвижный, а верхний ползет, что отражает сложный характер процесса взаимодействия между частицами; - дозирование исходного питания флокулянтами приводит к увеличению высоты слоя с одновременным снижением его плотности, что согласно расчетным зависимостям (2.81) уравновешивает значение f, а частичное увеличение согласно опытным данным, рис.4.6, возможно вызвано взаимодействием реагента со стенками канала, так как смена материала днища в этом случае приводит к значительному разбросу опытных точек.
