Формирование стратифицированного течения при обогащении тонкодисперстной фракции ценного компонента Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© В.Г. Черкасов, А.В. Черкасов, А.П. Лисичников, 2002

УДК 622.7

В.Г. Черкасов, А.В. Черкасов, А.П. Лисичников

ФОРМИРОВАНИЕ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЕЧЕНИЯ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ ТОНКОДИСПЕРСТНОЙ ФРАКЦИИ ЦЕННОГО КОМПОНЕНТА

П

роблемы извлечения тонких классов (-0,01 мм) ценного компонента гравитационными методами требуют резких изменений гидродинамических параметров в технологических процессах, что в свою очередь приводит к разработке новых конструкций обогатительного оборудования. Появление новых аппаратов на базе тонкослойных (канальных) разделителей, снижающих влияние турбулентности потока жидкой среды на снос мелкой и тонкой фракций с улавливающих покрытий, усиливает роль гравитационной составляющей при выделении твердой фазы из массопотока. При проектировании подобных устройств возникает ряд вопросов конструкторского и технологического характера по выбору геометрических параметров, формированию схемы тонкослойного пространства, распределению возможных массопото-ков. Для того чтобы установить принципы построения тонкослойной области рабочей зоны разделения, выявить ее потенциальные возможности, рассмотрим процесс формирование осадка и его движение в одном канале.

При противоточной схеме движения фаз, например между двумя наклонными параллельными пластинами, совокупность осевших частиц в канале образует сплоченный осадок, который, перемещаясь, создает механическую стратификацию (расслоение) потоков [1], вызванную разной плотностью по глубине встречных слоев (рис. 1а). Прямая стратификация, когда плотность потока с глубиной увеличивается, хаотичное перемещение частиц твердой фазы,

вызванное действием турбулентности, тормозится гравитационной составляющей оседающих частиц, и энергия турбулентности переходит в потенциальную энергию положения.

При установившемся режиме питания осадок образует встречное статически устойчивое течение и подавляет вовлечение частиц из низших слоев в верхние, при этом создаются благоприятные условия для дифференцированного вывода тонких классов и их транспортировки из зоны разделения.

Ранее выведенные закономерности для подобного разделения [2] показывают, что при рабочей длине канала L (рис. 1б), в котором полностью оседают частицы класса di и плотностью р, можно выделить начальный участок длиной AL = 0,115Ц на котором в осадок переходит более 40 % исходных частиц. Неравномерная относи-

тельная плотность X = ф), (рис. 1в), оседания монодисперсных частиц вызвана параболическим законом эпюры переносной скорости Vr жидкой фазы по высоте межпластинчатого пространства

Н. На входе в тонкослойное пространство частицы, прилегающие к верхней пластине из-за малой переносной скорости жидкой среды, оседают быстрее и увеличивают плотность верхнего слоя, но, проходя среднюю часть сечения, они переносятся центральным потоком с большей скоростью, вызывая рост X в конце канала, как и частицы, оказавшиеся на входе у нижней пластины, увеличивая X в начале канала.

Существенное влияние на формирование течения нижнего

слоя оказывает трение осадка о поверхность канала. Оценить этот фактор можно лабораторным путем через эффективный коэффициент трения f = tg5min , где 5тт -угол наклона канала, обеспечивающего непрерывное сползание осадка в жидкой среде. Основное влияние на значения этого коэффициента оказывают шероховатость поверхности Rz и высота осадка 1г При тонком слое перемещение частиц происходит в форме "дюн". Критическая толщина слоя, при котором начинается его сдвиг, составляет (5-10^. Начало сдвига характеризуется периодическим лавинообразным отрывом части слоя, а с увеличением угла наклона на 3-5° наступает непрерывное перемещение

Рис. 2. Конструкция тонкослойного разделителя (а) и схема массопотока в его полости (б)

Рис. 3. Влияние площади улавливания и положения смежных секций на снос твердой фазы в слив

осадка по всей длине канала. Для практических расчетов при шероховатости поверхности Rz<40 мкм для глинистой фракции в воде значение эффективного коэффициента трения можно принять равным f = (1,1-

1,15). Добавки флокулянта увеличивают его до 1,2-1,3. Меньшие значения соответствуют концентрации твердого в исходном питании > 30 г/дм3, большие - < 30 г/дм3.

Разработанная модель формирования стратифицированного течения показывает резервы тонкослойного процесса разделения гидропотока взвеси, которые в практике конструирования подобных аппаратов не реализуются, а именно:

• в формировании осадка участвует 50 % объема межпластинчатого пространства;

• основная масса тонкодис-перстных частиц формируется в осадок в верхних и нижних слоях;

• свыше 40 % частиц исход-

ной монодисперсной твердой фазы улавливается 20-25 %

всей полезной площади пластин.

Исследования потенциальных возможностей существующих схем массопотоков в канале показывают, что для интенсивного процесса осаждения тонкодисперсных частиц необходимо эффективно использовать начальные участки входа суспензии в тонкослойное пространство. Многократного прохождения исходной суспензии начальных участков можно достичь простым делением всего тонкослойного пространства на участки (секции) с поперечным сдвигом (рис. 1г), при этом плотность осевшей твердой фазы перераспределяется в нижнюю область (рис.1д). Такое геометрическое построение интенсифицирует пограничные слои по переводу взвешенной твердой фазы в осадок, но отрицательно влияет на

процесс удаления осадка. При противоточной схеме движения фаз сгущенный продукт, перемещаясь по пластине, переходит с одного участка на другой, уровнем ниже, через встречный поток исходной пульпы, и частицы сформированного осадка вновь увлекаются потоком и рассеиваются в нижнем слое. Если рассматривать такой процесс в целом, то вывод осадка по противоточной схеме исключает положительный эффект начальных участков.

Для устранения рассеивания осадка при его переходе с одного уровня на другой необходимо изменить направление движения сгущенного продукта и выводить осадок из тонкослойной зоны в поперечном направлении к основному потоку, то есть использовать продольно-поперечную схему движения фаз. Движение пульпы в наклонном канале по противоточной схеме снизу вверх обеспечивает короткую траекторию осаждения частиц, а поперечное движение осадка позволяет по короткому пути выводить сгущенный продукт из зоны тонкослойного разделения и классифицировать его по плотности и крупности.

Практически реализовать подобную схему массопотоков возможно в конструкции, состоящей из продольной оболочки на базе трубы большого диаметра, заполненной секциями параллельных пластин путем разворота смежных секций в поперечном сечении (рис. 2а) на угол р (патент 1692028). Установка улавливающих карманов с выпускными клапанами вдоль всей оболочки позволяет непрерывно выводить тяжелую фракцию осадка из нижней полости.

Такое компоновочное решение направлено на резкое снижение массы аппарата и достигается совмещением функций оболочки и несущего корпуса, а также за счет рационального деления тонкослойных элементов на секции, что делает конструкцию технологичной в изготовлении, снижает габариты и материалоемкость по сравнению с известными аналогами в 6-8 раз, придает ей мобильность в эксплуатации.

Промышленные испытания тонкослойного аппарата на базе трубы диаметром 530 мм, длиной 8 м, полезной площадью пластин 24 м2 и с пропускной способностью по пульпе до 100

м3/ч при промывке высокоглинистых песков показали, что снос тонкодисперсной фракции в слив можно снизить в 1,5-2 раза (рис. 3) без изменения площади улавливания за счет многократного использования эффекта интенсивного осаждения частиц на начальных участках и построения рациональной схемы массо-потоков в тонкослойном пространстве.

Заложенный в трубной конструкции принцип компоновки позволяет унифицировать ряд типоразмеров разделителей в виде модулей, объединяя их в батареи [3] по последовательной и (или) параллельной схемам соединения и работой в режимах классификации, сгущения, осветления.

Таким образом, рассмотренный процесс формирования и движения осадка при разделении двухфазного потока в канале как стратифицированное течение позволяет вскрыть потенциальные возможности тонкослойного пространства и реализовать их в новом техническом решении на повышение улавливания тонкодисперсных частиц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по гидравлике/Под ред. В.А. Большакова. - Киев: Вища школа, 1977.

2. Черкасов В.Г., Черкасов А.В., Лисичников А.П. Интенсифика-

ция процесса по выделению тонких классов ценного компонента из полидисперсного потока // Горный информ.-анал. бюл. -М.: Изд. МГГУ, 2000. - № 9.

3. Мязин В.П., Черкасов В.Г., Кармазин В.В. Совершенствование технологии переработки золотосодержащих песков с использованием систем замкнутого водоснабжения промприборов // Горный журнал. - 1996. - №9, 10.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------

Черкасов Валерий Георгиевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая механика» ЧитГТУ. Черкасов Антон Валерьевич - аспирант кафедры «Теоретическая механика» ЧитГТУ.

Лисичников Антон Павлович - аспирант кафедры «Теоретическая механика» ЧитГТУ.