CC BY
60
□ Химия и металлургия
/ I
УДК 622.734:622.76
АНАЛИЗ ОПЫТА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ В НАПРАВЛЕНИИ ГРАВИТАЦИОННОГО И ЦЕНТРОБЕЖНОГО ОБОГАЩЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
В.В.Мельников1, А.Н.Роговой2, К.Л.Ястребов3
1Иркутское высшее военное авиационное училище (Военный институт), 664009, г. Иркутск, ул. 1-я Советская, 176. 2Фирма "OLANA GHANA LTD", Республика Гана.
3Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены гипотезы и теории гравитационного обогащения: суспензионная, энергетическая, массово-статистическая, - в которых не анализируются действующие силы и вопросы гидродинамики. Формулируются перспективные задачи изучения на основе гидроаэромеханики физических условий разделения в конкретных процессах и в конкретном оборудовании, а также разработки методов измерения и количественного выражения их конструктивных и рабочих параметров, совершенствования методов оптимизации физических условий и широкого использования полученной информации для решения практических задач и теоретических обобщений. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: теории гравитационного обогащения; модель взвешенного слоя; равнодействующая гравитационных и гидродинамических сил; суспензионная, энергетическая, массово-статистическая теории; сегрегационное разделение; масштаб циркуляции.
THE ANALYSIS OF THE EXPERIENCE OF HOME AND FOREIGN RESEARCHERS IN THE FIELD OF GRAVITATIONAL AND CENTRIFUGAL CONCENTRATION OF DISPERSED MINERALS V.V. Melnikov, A.N. Rogovoy, K.L. Yastrebov
Irkutsk Military Aviation Engineering Higher School (Military Institute)
176 First Soviet St., Irkutsk, 664009
"OLANA GHANA LTD"
The Republic of Ghana
Irkutsk State Technical University
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors consider the hypotheses and theories of gravitational concentration: suspension, energy, mass and statistic ones where effective forces and issues of hydrodynamics are not analyzed. They formulate long-term goals of investigation based on hydroaeromechanics of physical conditions of separation in specific processes and in the specific equipment, the development of measuring methods and quantitative expression of their design and operating parameters, perfection of optimization methods of physical conditions and wide use of the obtained information to solve practical problems and theoretical generalizations. 12 sources.
Key words: theories of gravitational concentration; model of a suspended layer; resultant of gravitational and hydrody-namic forces; suspension, energy, mass and statistic theories; segregation; circulation scale.
Металлоносные дезинтегрированные пески обычно подвергаются промывке и первичному гравитационному обогащению. Но несмотря на то, что гравитационные методы широко используются для обогащения измельченных руд и песков россыпей, содержащих различные ценные минералы, не существует точного математического описания гравитационных
процессов. Современное состояние теории гравитационного обогащения не удовлетворяет запросам практики [8, 11]. Большинство практических задач решается либо методом аналогий, либо прямым экспериментом. Метод аналогий достаточно эффективен для решения типовых задач, но неприемлем, когда приходится сталкиваться с новыми нестандартными
1Мельников Василий Викторович, преподаватель 21 цикла ИВВАИУ, аспирант ИрГТУ, тел.: 89148766664, e-mail: [email protected]
Melnikov Vasiliy Victorovich, a lecturer of the 21 cycle of Irkutsk Military Aviation Engineering Higher School, a postgraduate of Irkutsk State Technical University, tel.: 89148766664, e-mail: [email protected]
2Роговой Александр Николаевич, первый заместитель генерального директора фирмы "OLANA GHANA LTD", тел.: (+233) 202020001, e-mail: [email protected]
Rogovoy Alexander Nikolaevich, the first Deputy Director of the firm "OLANA GHANA LTD", tel.: (+233) 202020001, e-mail: [email protected]
3Ястребов Константин Леонидович, доктор технических наук, профессор, тел.: (3952)405651, e-mail: [email protected] Yastrebov Konstantin Leonidovich, a doctor of technical sciences, a professor, tel.: (3952)405651, e-mail: [email protected]
□ Химия и металлургия
/ I
задачами. В этом случае теоретический подход перспективен лишь при наличии хорошо разработанной теории. В теории гравитационного обогащения главной моделью является модель взвешенного слоя, образованного восходящим потоком. В этой модели принято, что взвешенные частицы и слой в целом находятся в равновесии под действием гравитационных и гидродинамических сил, а поток жидкой фазы равномерно обтекает все зерна взвеси. На основе данной модели удачно описываются закономерности, относящиеся к взвешенному слою в целом: потери напора, расширение слоя. Однако для объяснения процессов расслаивания, массо- и теплообмена она оказалась непригодной, что заставило привлекать дополнительные модели [3]. По существующим представлениям, расслоение - это процесс перемещения зерен к уровням их равновесия, где гравитационные силы полностью уравновешиваются гидродинамическими. Для мономинеральной взвеси теоретический расчёт и фактические результаты совпадают - сплоченность взвеси, условная плотность слоёв и крупность зерен в отдельных слоях закономерно увеличиваются сверху вниз. Однако расслоение по плотности биминераль-ной и тем более полиминеральной взвеси, в которой тяжелые зерна имеют меньшую гидравлическую крупность, чем легкие, по данной схеме объяснить невозможно. Анализ действующих сил приводит к выводу, что при любом разрыхлении взвеси должны расслаиваться по гидравлической крупности. При расслоении зерна тяжелого минерала переходят из менее разрыхленного слоя в более разрыхленный. Если в последнем гравитационные силы уравновешиваются гидродинамическими, то в более сплоченной исходной смеси гидродинамические силы были больше. Следовательно, равнодействующая гравитационных и гидродинамических сил для тяжелых зерен была направлена вверх. Тогда неясно, под действием каких сил мелкие тяжелые зерна все же перешли в нижний слой [9, 11].
Для объяснения разделения по плотности предложены различные гипотезы - суспензионная, энергетическая, массово-статистическая, в которых не анализировались действующие силы и вопросы гидродинамики. Разделение по плотности было объявлено «естественным» [11]. Тем самым был снят вопрос о механизме разделения, а основными стали вопросы кинетики разделения. Массово-статистический метод оказался более плодотворным и позволил решить ряд важных и качественно новых задач. Однако только на статистических закономерностях полноценной теории гравитационного и гравитационно-центробежного обогащения построить не удалось и многие вопросы остались вне теории. Это те вопросы, для теоретического подхода к которым требуется знание механизма разделения: совершенствование конструкции аппаратов, повышение тонкости разделения, рационального комплексирования аппаратов в технологических схемах, разработка систем управления работой аппаратов, процессами и, наконец, комплексом промышленных циклов. В течение длительного времени исследователи изучают механизм действия этого оборудова-
ния. Однако не существует единой признанной теории гравитационного обогащения полезных ископаемых. Анализ существующей модели взвешенного слоя выявил наличие в ней ряда ошибочных положений: о равномерном омывании всех частиц; о равновесии отдельных частиц взвеси; об усилении гидродинамического воздействия потока на отдельные частицы, не согласующиеся с известным из гидравлики эффектом «аэродинамической тени». В действительности фильтрационный поток проходит через взвешенный слой не равномерно, а по так называемым «очагам кипения», периодически возникающим в слое в результате слияния отдельных струек, протекающих по элементарным поровым каналам. Процесс образования очага кипения носит лавинный характер. Как только в каком-то канале сопротивление прохождению фильтрационного потока окажется меньше, чем в окружающих, сюда устремляется поток жидкой среды, расширяющий канал и выносящий твердые частицы. Образуется восходящая циркуляция - структурный элемент взвешенного слоя. Фильтрационному процессу способствует движение вертикально вниз твердых частиц с разной гидравлической крупностью. Затем боковое смещение материала, втягиваемое вслед восходящей циркуляции, перекрывает путь фильтрационному потоку, а в другом месте развивается новый очаг кипения. Скорость потока в очагах кипения превышает гидравлическую крупность частиц слоя. Вне очагов кипения скорость потока незначительная и происходит массовое осаждение частиц, формирующих при этом нисходящие циркуляции. При увеличении фильтрационного потока возрастают количество восходящих циркуляций и их суммарная площадь сечения [1, 2, 4-7, 10, 11].
Установлено, что твердые частицы во взвешенном слое имеют тенденцию агрегировать и перемещаются с одинаковой скоростью преимущественно в виде «пакетов». Преимущественное направление движения частиц вертикальное, причём скорость «пакетов», движущихся вверх (восходящих циркуляций), больше, чем движущихся вниз (нисходящих циркуляций). Взвешенный слой можно представить как совокупность восходящих и нисходящих циркуляций, непрерывно образующихся, движущихся и распадающихся в объёме слоя среды подчиненного количества «неорганизованных» частиц и мелкомасштабных структур, заполняющих пространство между крупномасштабными циркуляциями вертикального и горизонтального направлений. Расслоение взвешенного слоя осуществляется в процессе его турбулентного перемешивания и перемещения. Движение восходящих циркуляций контролируется гидростатическими и гидродинамическими силами, действующими в противоположных направлениях. Гидростатическая сила возрастает по мере подъёма циркуляции в верхние слои взвеси, где локальная относительная плотность взвеси снижается. Гидродинамическая сила в это время уменьшается, так как часть потока, проходящего по очагу кипения, уходит через его боковые стенки. Вынос циркуляции продолжается до тех пор, пока результирующая действующих сил направлена вверх. Циркуляции с
□ Химия и металлургия
/ I
малой относительной плотностью, составленные преимущественно легкими частицами, выносятся в верхние слои взвеси, поскольку для них разность относительных плотностей мала, следовательно, невелика и гидростатическая сила. Для циркуляций, составленных тяжелыми частицами, гидростатическая сила значительна и быстро становится равной гидродинамической. Тогда подъём циркуляции прекращается и она распадается, не доходя до верхних слоев, а фильтрационный поток уходит через боковые стенки очага кипения. Движение нисходящих циркуляций контролируется гидростатическими силами, которым противостоят силы механических сопротивлений. В таких условиях донного слоя могут достигать только циркуляции, составленные преимущественно тяжелыми частицами, а циркуляции, составленные лёгкими частицами, распадаются, не доходя до середины слоя. В процессе турбулентного перемешивания как восходящие, так и нисходящие циркуляции разделяются по относительным плотностям, что приводит к расслоению взвеси. Если обеспечить продольное движение смеси, образуется веер минералов, позволяющий либо отсечь мономинеральную часть, либо выделить в коллективный концентрат минералы повышенной плотности. Этот механизм расслоения зернистого слоя путём турбулентного обмена, в котором участвуют не отдельные зерна, а их агрегаты, является главным во всех процессах гравитационного обогащения. В сплоченных взвесях он обеспечивает разделение по плотности, а в менее сплоченных - по равнопадаемо-сти. В чистом виде он реализуется в гидравлических классификаторах с восходящим потоком и стесненной разгрузкой нижнего продукта. В других процессах -обогащение в тонком слое и в тонких потоках - на него накладываются сегрегационный и гидродинамический механизмы разделения. Сегрегационное разделение наблюдается в сплоченных равно зернистых слоях, в которых зерна находятся в состоянии опоры, когда гидростатические силы недостаточны для взвешивания, но контакты между ними периодически разрываются внешними силами [1, 2, 4-7, 10, 11, 12]. При этом более мелкие и гладкие зерна проникают в нижние слои, где и концентрируются. Гидродинамический механизм разделения характерен для разбавленных взвесей, где твердые частицы взаимодействуют со средой индивидуально, разделяясь по скоростям их свободного падения. В этом важность и влияние разбавления водой взвеси. Степень влияния каждого из механизмов разделения определяет фактический разделительный признак: плотность, крупность, форма и свойства поверхности зерен в процессе разделения. Она зависит от физических условий разделения и в первую очередь от разрыхленности слоя и структуры потоков среды и твердых частиц в нем. В свою очередь, физические условия разделения задаются входными параметрами процесса - характеристиками разделяемого материала, аппарата, технологического режима. Образуется цепочка: входные параметры -физические условия разделения - результаты разделения. Зная связи между её звеньями, можно управлять процессами разделения, совершенствовать сис-
тему управления, конструировать и изготовлять для реализации процессов разделения оборудование. Масштаб циркуляции определяется геометрией зоны разделения, конструктивными особенностями оборудования и кинематической структурой потоков в зоне разделения. Уменьшение масштаба циркуляции по сравнению с высотой взвешенного слоя может быть достигнуто разделением сортировочной камеры или изменением геометрии рабочей зоны разделения, с помощью которой осуществляется изменение кинематической структуры потоков. Этот принцип может быть реализован: изменением формы и соотношения размеров рабочих камер отсадочных машин, классификаторов, гравитационно - центробежных аппаратов; введением в аппарат успокоительных, формирующих поток элементов, наклонных пересыпных полок и иных устройств. При этом увеличивается секционность рабочих камер, обеспечивающая многократную перечистку конечных продуктов; снижается турбулентность потоков, что повышает скорость и эффективность расслоения, снижает возможность разубоживания концентрата и выноса не расслоившегося материала. Одним из наиболее эффективных способов улучшения разделения является использование для разрыхления зернистого слоя одновременно нескольких видов возмущений, направленных взаимно перпендикулярно (гетерогенное псевдоожижение). Расслоение взвешенного слоя осуществляется в процессе его турбулентного перемешивания, которое может быть использовано для повышения качества, точности разделения и ускорения всего процесса обогащения полезных ископаемых и дополнено воздействием центробежной силы, вызывающей дополнительные продольные и поперечные циркуляции, разрушающие агрегаты минеральных частиц, а также снижающей степень солидарности осаждения, то есть улучшающей отмывку частиц одной крупности и одной величины плотности от другой.
Дальнейшими перспективными задачами являются углубленное изучение на основе гидроаэромеханики физических условий разделения в конкретных процессах и в конкретном оборудовании, разработка методов измерения и количественного выражения их конструктивных и рабочих параметров, совершенствование методов оптимизации физических условий и широкое использование полученной информации для решения практических задач и теоретических обобщений.
Для решения сформулированных задач выполнены анализ теории, научных направлений, гипотез и математических моделей переработки руд, выдвинута новая гипотеза предварительного и первичного обогащения горного сырья. Сформулирована задача всестороннего комплексного рассмотрения проблем переработки минерального сырья с единой методологической позиции современной системотехники.
Библиографический список
1. Великанов М.А.Динамика русловых потоков. Л.: Гидро-метеориздат,1949.
2. Великанов М.А. Русловый процесс. М.: Физматгиз, 1958. 395 с.
□ Химия и металлургия
/ I
3. Иванов В.Д., Прокопьев С.А. Винтовые аппараты для обогащения руд и песков в России. М.: Изд-во «ДАКСИ», 2000.
4. Кизевальтер Б.В. Закономерности разрыхления слоя частиц стационарным потоком жидкости // Научные труды института Механобр. 1956. №2. С. 33-36.
5. Кизевальтер Б.В. Разрыхление слоя частиц в процессе отсадки // Горный журнал. 1957. №3.
6. Кизевальтер Б.В. Об определении конечной скорости свободного падения частиц неправильной формы. Обогащение руд. 1974. №4. С. 28-32.
7. Кочан И.Н. Скорости стесненного падения мелких минеральных зёрен в воде // Научные труды ин-та Механобр.
1953. Вып.88. С. 57-60.
8. Полькин СИ., Адамов Э.В. Обогащение руд цветных и редких металлов. М: Недра, 1975.
9. Соломин К. В. Обогащение песков россыпных месторождений полезных ископаемых. М.: Госгортехиздат, 1961. 301 с.
10. Чугаев P.P. Гидравлика (техническая механика жидкости). Л.: Энергоиздат, 1982.
11. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. М.: Недра, 1980. 400 с.; 1993. 350 с.
12. Ястребов К.Л., Куликов И.М., Леонов СБ. Гидроаэромеханика процессов обогащения полезных ископаемых. Иркутск: ИГУ, 1991. Ч. I, II.
УДК 66.074
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ С ЗАКУПОРИВАНИЕМ ПОР
Н.М.Самохвалов1, Е.В.Скачков2, С.А.Сенотова3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрена математическая модель процесса фильтрования запыленных газов с закупориванием пор. Получены теоретические зависимости, определяющие скорость перемещения фронта пыли, глубину проникновения пыли в фильтрующий слой и остаточную запыленность при очистке газов от пыли в зернистых фильтрах. Предложен показатель, определяющий стационарность процесса фильтрования. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: процесс; фильтрование; пылеулавливание; гидравлическое сопротивление; эффективность.
MODELING OF THE FILTERING PROCESS WITH PORE BLOCKING N.M.Samohvalov, E.V. Skachkov, S.A. Senotova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors consider a mathematical model of the filtering process of dusty gases with pore blocking. They obtained theoretical dependences determining dust front speed travel, the depth of dust penetration into a filtering layer and residual dust content under gas cleaning from dust in granular filters. The authors propose an indicator determining filtering process stationarity. 5 figures. 1 table. 5 sources.
Key words: process; filtering; dust catching; hydraulic resistance; efficiency.
Считается [1], что эффективность осаждения частиц в зернистом фильтре в начальный период работы невелика из-за относительно крупных пор в фильтрующей перегородке, но по мере накопления пыли эффективность очистки повышается. Исследуя влияние накопления пыли в зернистом слое, установили [2], что, чем больше скорость фильтрования и меньше толщина зернистого слоя, тем быстрее падает эффективность очистки. При постоянной скорости фильтрования эффективность очистки непрерывно снижается во времени.
Изучение механизма взаимодействия пыли и фильтрующего слоя показало, что вначале пыль кон-
центрируется на лобовой поверхности зернистого слоя. По мере фильтрования каналы все больше и больше забиваются пылью. Из-за этого свободное сечение слоя уменьшается, а истинная скорость потока в каналах увеличивается, что приводит к распределению уловленной пыли по всему сечению и фронтальному перемещению ее в глубину слоя (рис.1).
По мере накопления и перемещения пыли растет гидравлическое сопротивление. В результате возрастания турбулентности и давления набегающего запыленного потока происходит ослабление аутогезионных связей осажденных частиц. Возникает и непрерывно усиливается вторичный унос пыли.
1Самохвалов Николай Митрофанович, кандидат технических наук, профессор кафедры химической технологии неорганических веществ и материалов, тел. (3952)405497, e-mail: [email protected]
Samohvalov Nikolay Mitrofanovich, a candidate of technical sciences, a professor of the Chair of Chemical technology of inorganic substances and materials, tel.: (3952)405497, e-mail: [email protected]
2Скачков Евгений Васильевич, аспирант, тел.: (3952)405497. Skachkov Evgeniy Vasiljevich, a postgraduate, tel.: (3952)405497.
3Сенотова Светлана Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры общеинженерных дисциплин. Senotova Svetlana Anatoljevna, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of General engineering disciplines.
