CC BY
58
КРУПНИКОВ Иван Владимирович, кандидат технических наук, главный инженер ОЛО «Сибпефте* транспроект», г. Омск.
ПОЛЯКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» ОмГТУ._
ШЛЛАЙ Виктор Владимирович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Транспорт и хранение
нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор ОмГТУ.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила и редакцию 30.06.2009 г. © С. А. Корнеев, И. В. Крупинко»,
С. Н. Поляков, В. В. Шалай
УДК *2-82:622.4 М. И. ЧИГРИН
В. Е. ЩЕРБА
Омский государственный технический университет
ОАО «Сибнефтетранспроект». г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ПЕСЧАНОЙ ПУЛЬПЫ В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ
В статье рассматривается движение песчаной пульлы по напорному трубопроводу. Исследуется процесс осаждения песка в нижнюю часть трубопровода при различных режимах течения жидкости и в зависимости от состава песчаной смеси. Показано, что по сравнению с расчетом в реальных условиях из-за соударения частиц песка и их формы фактическая скорость оседания ниже, чем расчетная. Увеличение турбулентности потока также уменьшает скорость опускания частиц песка.
Ключевые слова: гидронамыв песка, осаждение песка, скорость опускания.
Ведущее место в добыче полезных ископаемых принадлежит открытым способам разработки, как наиболее экономичным и безопасным.
Одним из направлений повышения эффективности открытых разработок месторождений является применение технологий с использованием средств гидромеханизации. Гидромеханизированным способом разрабатываются вскрышные породы на угольных карьерах, на карьерах химического сырья и строи тельных горных пород добываются эти породы, торф, золотоносные и алмазные пески, осуществляется сооружение котлованов, канав и углубление рек и водоемов, возводятся дамбы и плотины, строительные площадки и дорожные насыпи.
Гидромеханизация способствует снижению стоимости строительства объектов, сокращению трудовых затрат и внедрению природоохранных и ресурсосберегающих технологий.
Автор [ I) перечисляет существенные преимущества гидротранспорта:
— сокращение ввода карьера в эксплуатацию;
— транспортирование массы из карьера практически под любым углом (сокращение транспортных коммуникаций по сравнению с железнодорож-нымв 16 раз, автомобильным вбраз, конвейерным — в 3 раза;
— возможность монтажа трубопровода на неровной поверхности;
— сравнительно малый оГл>см капитальных затра т,
— создание условий для поточной технологии, автоматизации и дистанционного управления;
— создание благоприятных условий труда и снижение производственного травматизма;
— устранение пылеобразования, относительно благоприятные санитарно-гигиенические условия работы на объекте.
В настоящее время при добыче и транспортировке песка от источника (донные слои водоемов) на карту намыва (карьер, насыпь и т.д.) песок смешивается с водой и насосом по трубопроводу подается к месту назначения. При этом на привод насоса затрачивается энергия как на перемещение собственно песка, так и на перемещение несущей его воды, причем количественное соотношение воды и песка, а также скорость перемещения их смеси (пульпы) выбирается таким образом, чтобы песок не слишком сильно осаждался на нижней части трубопровода (пульпопровода) и не образовывал в его поперечном сечении сплошные пробки [2].
Использование такой технологии имеет негативные последствия как экономического, так и экологического характера, особенно в условиях севера Западной Сибири, в водоемах которых донные пески содержат большое количество илистых фракций и пылеватых частиц. Это обстоятельство приводит к тому, что. во-первых, на карту намыва подается песчаная смесь низкого качества, что приводит к снижению параметров используемого в строительстве песка (основание дорожной насыпи, кустовые площадки и др.), во-вторых, растекающаяся смесь образует протяженные «пляжные о ткосы», значительная часть которых недоступна дли последующего использо-
нация песка, и, в-третьих, стекающая с карты намыла вода заболачивает окружающую местность.
Традиционный способ борьбы с этими негативными явлениями заключается в применении сгустителей пульпы, которые устанавливаются на подающем конце пульпопровода. В сгустителях производится отделение излишек воды от песка, после чего песок подается на карту намыва, а вода направляется в исходный или неподалеку расположенный водоем.
Этот способ имеет определенные недостатки, затрудняющие его реальное использование и заключающиеся в следующем. Во-первых, эффективные сгустители достаточно громоздки, и для отсыпки осушенного песка их нужно постоянно перемещать. Во-вторых, для транспортировки освободившейся воды необходима прокладка дополнительного трубопровода. длина которого может составлять несколько километров, а для прокачки но нему воды необходимы дополнительные затра ты энергии.
В конце 90-х годов прошлого столетия группой ученых и производственников был предложен способ гидронамыва песка, при котором роль сгустителя играет собственно участок самого пульпопровода, на начальном участке которого из его верхней части отводится осветленная пульпа (3).
Приведенные в [2. 3) методы расчета движения пульпы по трубопроводу позволяют дать прогноз расстояния от насоса, на котором происходит расслоение пульпы и с которого можно начинать отводить находящуюся в верхней части пульпопровода обедненную пульпу в исходный водоем, что необходимо д\я реализации способа [3).
Однако в этих расчетах не учитываются разнообразие формы частиц песка, а также высокая вероятность их соударения, особенно если течение потока имеет турбулентный характер. Очевидно, что попытки учесть эти факторы в расчетах сопряжены с большими трудностями и достаточно корректно реализовать их не представляется возможным.
В связи с этим встает необходимость проведения экспериментальных работ, результаты которых мог ли бы уточнить величину расчетной дистанции отвода осветленной пульпы.
С целью проведения таких работ была создана установка, имитирующая движение пульпы но трубопроводу с заданным гранулометрическим составом и режимом течения пульпы (рис. 1).
Установка представляет собой сообщающиеся сосуды 1 и 10. в которых с помощью вентилей 3 и 12 устанавливается и поддерживается во время проведения опытов перепад давления Н. С помощью жидкостного расходомера турбинного типа 11 производится измерение расхода при установившемся течении жидкости. Термометры 13 служат для определения средней температуры жидкости с целью определения кинематического коэффициента вязкости воды V (м2/с) по известной эмпирической формуле Пуазейля:
0,179-10-*
У 1000+ 34 Г * 0,22-Т2 '
где Т - температура воды, *С.
Определив скорость \> течения воды по формуле о = 4 О/п-<?', где О — расход (м:Ус), а с! — диаметр трубки 7 (0,03 м), можно рассчитать число Рейнольдса по формуле
_ ос1
Яе =----
V
Рис. 1. Схема установки для определения траектории днижсиия частиц песка в потоке жидкости:
1 - напорная емкость. 2 - вода. 3 — напорный вентиль,
4 - емкость с пульпой, 5 — песчаная пульпа, б - пульпопровод, 7 - стеклянная трубка, 8 - частицы песка, 9 - точка уверенного образования слоя песка на дне трубки, 10 - приемная емкость, 11 — жидкостный расходомер,
12 — сливной вентиль, 13 — термометр,
14 - точка уверенного окончания осаждения песка
Подача песка в поток жидкости, текущей по трубке 7, производится в виде заранее приготовленной густой пульпы но пульпопроводу 6 (трубка с внутренним диаметром 4 мм) из емкости 4 при постоянном ее помешивании. Пульпа попадает н верхнюю часть трубки 7, смешивается с текущей в ней водой и движется вдоль трубки 7, оседая в ее нижней части. При этом на неко тором (в зависимости от скорости течения воды по трубке 7 и от состава пульпы) расстоянии I происходит образование устойчивого слоя песка, которое фиксируется наблюдателем.
Расстояние I измеряется стальной рулеткой РЗ-2 ГОСТ 7502-69 с ценой деления 1 мм. При величине I более 200 мм и гжепертно оцененной ошибке в опреде-лепии точки 9 в 2 — 3 мм погрешность измерения расстояния I составляет не более 1,5 %, что следует признать весьма удовлетворительным.
С помощью вентилей 3 и 12 устанавливается различный перепал высот Н и, соответственно, разный режим течения жидкости. Измерение расхода воды с помощью бытового расходомера 11 типа МТК-40 (по1решность2,5%) производится до введения песчаной пульпы в поток, т.к. песок в составе воды может существенно исказить показания расходомера.
После проведения каждого опыта производится тщательная промывка системы до полного удаления из нее песка.
Для формирования пульпы использовались металлические сита с ячейкой 2,5; 2,0; 1,5; 1,0 и 0,5 мм. В качестве рабочего вещества использовался обычный речной песок, который перед разделением на фракции тщательно нромьтался проточной водой через сито с ячейкой 0,2 мм до полного удаления различных примесей, очень мелких и илистых частиц.
Для проведения этой серии опытов на установке, изображенной на рис. 1, были приготовлены несколько порций обычного речного песка путем просеиванием его через сита:
— порция «А» — 0,2 — 0,5 мм.
— порция «Б» — 0,5 - 1,0 мм.
— порция «В» — 1,0 — 1,5 мм.
Рис. 2. Зависимость расстояния опускания частиц песка от его гранулометрического состава при Яе=4200,/.-расчетная величина
Рис. 4. Зависимость рассеивания ДІ опускания частиц песка от Не для частиц с ё~2 мм, I - фактическая величина
Рис. 3. Зависимость рассеивания ЛЛ опускания частиц песка от его гранулометрического состава при Ке = 4200, [. - фактическая величина
порция «Г» — 1,5 —2,0 мм.
— порция «Д» — 2,0 - 2,5 мм.
Объем каждой порции в сухом виде составлял около 1 л. Каждая порция песка была разделена на три части для проведения экспериментов при раз-шах /?е.
Процедура проведения экспериментов для каждой порции состояла в следующем:
1. Путем регулирования проходных сечений вентилей 3 и 12 устанавливался расход воды, соответствующий некоторому определенному значению Яе.
2. В постороннем сосуде готовилась густая водная пульпа из порции песка и воды, после, чего она при помешивании выливалась в емкость 4.
3. При дальнейшем помешивании пульпы в емкости 4 производилось наблюдение за осаждением песка в стеклянной трубке 7 и измерение расстояний /. иД£.
4. Результаты наблюдений сравнивались с результатами расчетов.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. В целом результаты экспериментов и качественно и количественно ссютветствуют расчетам но [2,3], расстояние и па котором опускаются частицы песка, превышает расчетное на 10-30 % (рис. 2), причем чем мельче частицы, тем отклонение выше. Это подтверждает результаты экспериментов по изменению скорости опускания частиц в зависимости от их формы, т.к., во-первых, форма частиц реаль-
ного песка далека от идеального шара, и, во-вторых, чем мельче песок, тем в среднем в большей степени форма его частиц о тличается от шара.
2. Величина рассеивания песка при его опускании Д/. существенно зависит как от размеров частиц, так и от числа Рейнольдса /?е (рис. 3, 4).
Эю еще раз говорит в пользу того, что при опускании частиц большое значение имеет явление их соударения. Особенно это явствует из результатов, показанных на рис. 4, — при увеличении /?е растут скорости вихреобразования и, следовательно, час-тота и интенсивность соударения частиц.
Необходимо также отметить, что с уменьшением размера частиц величина Л//Л растет и достигает 0,65 при /?е = 5000 и с1 = 0,5 мм.
3. Полученные результаты в целом могут быть использованы при уточнении дистанции, на которой необходимо дела ть отвод для возврата обедненной пульпы в исходный водоем.
Библиографический список
1.Ялтанец. И.М. Технология и комплексная механизация открытых горных пород. Часть 3. Гидромеханизированные и подводные горные работы. Кн. I: Разработка пород гидромониторами и землесосными снарядами/И.М.Ялтанец. — М.:Изд-во «Мир горной книги», 2006. — 546 с.
2. Юфии, А.Г1. Гидромеханизация / Л.П. Юфии. - М. : Стройнздлт, 1974. — 544 с.
3. Пат.К«2111313 Российская федерация. Способ повышения концентрации пульпы при гидронамыие / Ткаченко М.М.. Артюшин В.А., Савва Л.Г.. Чорнышков А.П., Щерба В.Е.. Болштяп-скийА-П., Казанцев В.В.. ЖанкоЮ.Н. - 5068139; заявл. 26.06.92; опубл. 20.05.98, Бюл. № 14.
ЧИГРИН Максим Иванович, ведущий инженер ОАО «Сибнефтетранспроект».
ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 28.12.2009 г.
© М. И. Чигрин, В. Е. Щерба
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ІССІНИК да 1 <вп 2010
