CC BY
35
УДК 681.121.8, 532.517.4
В. Н. Петров, С. Л.Малышев, В. Г.Соловьёв, В. Ф. Сопин
К ВОПРОСУ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ РАСХОДА И ПЛОТНОСТИ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ПРОДУКТА В ТРЁХФАЗНОЙ СРЕДЕ ПУЛЬПЫ
Ключевые слова: флотация, трёхфазный поток, пульпа, структура течения, отрыв потока, пузырьковый режим,
расслоенный режим, узел учёта.
Представленная работа посвящена исследованию структуры течения потока двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы, транспортируемой по гидротранспортной системе, соединяющей подразделения горнообогатительного предприятия с целью выявления факторов, влияющих на метрологические характеристики приборов учёта расхода и плотности, установленных в каждом подразделении. Рассмотрены пути, позволяющие с наибольшей степенью точности производить взаиморасчёты между подразделениями предприятий.
Keywords: flotation, three-phase flow, pulp, the structure of the flow, flow separation, bubble mode, stratified mode.
The presented work is devoted to the study of the flow structure of the flow of two-component product in a three-phase environment of the pulp is transported to the hydrotransport system connecting unit mining enterprise in order to identify factors affecting the metrological characteristics of the metering and density that are installed in each unit. Consider ways that allow the greatest degree of accuracy to produce transactions between departments of the enterprises.
Взаиморасчёт между подразделениями горнообогатительных предприятий требует обеспечения достоверности измерений
передаваемой и принимаемой для дальнейшей переработки продукции на различных этапах производства.
Метрологические характеристики приборов учёта расхода и плотности, установленные в каждом подразделении горнообогатительного предприятия, рассчитаны на измерения параметров пульпы, состоящей из воды и находящейся во взвешенном состоянии измельчённой до порошкообразного состояния руды, с размерами частиц 0,5 ^ 2 мм. Трудности же, возникающие при проведении взаиморасчётов, как показала практика, в основном связаны с тем, что измеряемая среда - поток двухкомпонентного продукта пульпы, содержит газовую фазу. То есть, по пульпопроводу транспортируется трёхфазная среда, состоящая из твёрдой, жидкой и газообразной фаз. Это связано с существующим на предприятии технологическим процессом по обогащению руды, так при обогащении медно-никелевой руды на обогатительных комбинатах широкое
распространение получила флотация, при которой в камерах флотационных машин осуществляется дробление воздушных пузырьков, поступающих в неё, с непрерывным перемешиванием пульпы для поддержания во взвешенном состоянии твёрдых частиц. Частицы минерала, плохо смачиваемые водой (гидрофобные), при соприкосновении с воздушными пузырьками, закрепляются на их поверхности и всплывают, образуя слой минерализованной пены. Для усиления гидрофобности серо-сульфидных сростков, способствующих их прилипанию к воздушным пузырькам и образованию пенного продукта -серосульфидного концентрата, добавляют реагент -раствор бутилового ксантогената калия. При этом
флотация осуществляется в слабокислой среде, при значениях рН=3,5 ^ 4,8, что оказывает влияние на состав воды и концентрацию газовой фазы по длине пульпопровода. Минерализованная пена смывается с поверхности флотационной камеры в приёмник, откуда направляется в пульпопровод. В результате этого пульповый продукт, транспортируемый по пульпопроводу, представляет собой трёхфазную среду, в которой воздух находится в виде пузырьков, которые, в отличие от жидкости и твёрдых частиц, подвержены сжатию в пропорциональном отношении к давлению в пульпопроводе [1]. Проведя аналогию между течением трёхфазной среды пульпы и течением сырой нефти по нефтепроводу, можно, согласно классификации, приведённой в работе [2], данный режим течения отнести к пузырьковому. Рассмотрим, что происходит с трёхфазным пульповым продуктом, транспортируемому по пульпопроводу от обогатительного комбината на перерабатывающий. Обычно эти предприятия удалены друг от друга на несколько километров, однако, зная скорость движения потока трёхфазной пульпы, можно определить время, необходимое для транспортировки определённого выделенного объёма пульпы от одного подразделения к другому.
В соответствии с работой [3], средняя скорость течения по пульпопроводу составляет 2^4 м/с, следовательно, время прохождения некоторого выделенного объёма пульпы составляет несколько десятков минут (расстояние между подразделениями на горнообогатительных предприятиях достигает нескольких километров). Этого промежутка времени достаточно, чтобы пузырьки воздуха всплыли на поверхность, и в пульпопроводе образовалась граница раздела между двухфазной пульпой и воздушной фазой. Надо заметить, что концентрация бутилового ксантогената калия существенно уменьшается за
счёт воды, подаваемой для слива пены в лоток, подаваемой затем насосами в пульпопровод. Зависимость скорости всплытия пузырьков воздуха в воде при температуре 18 ^ 21 0С от их диаметра, приведённая в работе [4], представлена на рис.1. При всплытии пузырьков существенно меняется структура течения трёхфазного потока пульпы. Проведя аналогию с течением сырой нефти, как мы это сделали раньше, получим расслоённый режим течения.
ив10~2, м/с ,—50
—20
—10
— 5
1
V • 1 о 2
}
/
а,ао5 0,01 0,02 а,о5 о,1 о,г 1 ув.10~2,м
Рис. 1 - Скорость всплытия пузырей воздуха в неподвижной воде [4]: 1 - водопроводная вода; 2 - дистиллированная вода
Как было сказано выше, объём, занимаемый газовой фазой в трёхфазном потоке, зависит от давления, который при транспортировании трёхфазного потока от обогатительного комбината на перерабатывающее производство по мере уменьшения давления может увеличиться в несколько раз. В свою очередь, процесс перехода пузырькового режима в расслоённый оказывает существенное влияние на метрологические характеристики узлов учёта, расположенных на обогатительном и перерабатывающем комбинатах. В состав узла учёта пульпы входит объёмный расходомер и плотномер, установленные на вертикальных участках трубопроводов в соответствии с рекомендациями, приведёнными в нормативных документах и сопровождающей эксплуатационной документацией на приборы. В каждом подразделении горизонтальные
пульпопроводы, по которым движется трёхфазный поток, переходят в П - образное вертикальное колено, с углом поворота, равным 1800, высотой около 10м, которые необходимы для монтажа средств измерений и компенсации продольного расширения и сжатия труб. Узлы учёта
устанавливаются на вертикальном участке, при движении потока снизу вверх.
Вертикальная ориентация пульпопровода является наиболее эффективной для более точного измерения параметров многофазного потока. Это связано с тем, что такое расположение приборов имеет ряд преимуществ: при вертикальной ориентации пульпопровода задача становится осе симметричной, уменьшается влияние различных перегибов линий токов на характер движения фаз. При этом значение любого измерения в сечении по диаметру может быть присвоено всем точкам на окружности соответствующего радиуса. Однако, это справедливо при отсутствии помех, создаваемых потоку, таких как поворот, или других устройств, препятствующих течению. Приборы учёта, как правило, устанавливаются в середине вертикального участка на расстоянии 10БП от поворота (здесь БП -диаметр канала).
Поворот вносит существенные помехи в структуру течения трёхфазного потока. При повороте потока [5] возникают центробежные силы, повышающие статическое давление потока в направлении от центра кривизны. Полное давление вдоль радиуса кривизны остаётся постоянным, а повышение статического давления приводит к соответствующему понижению скорости в том же направлении. Наоборот, к центру кривизны статическое давление падает, и, соответственно, скорость возрастает, что приводит к отрыву потока на внутренней стенке канала. При угле поворота колена а = 900 и малом радиусе закругления максимальная ширина вихревой зоны может достигать размера равного половине поперечного сечения канала, а протяжённость её может быть 3 ^ 4 БП . Влияние этой зоны на поле осреднённой скорости распространяется на расстояние не менее 8БП , при этом за поворотом поле скоростей характеризуется большой несимметричностью. На характер поля течения в поворотах также оказывает влияние скорость потока, чем меньше число Рейнольдса [5], тем раньше начинается отрыв потока на внутреннем закруглении, тем шире зона отрыва и больше неравномерность распределения скорости. С увеличением числа Яе точка отрыва перемещается вниз по потоку, ширина зоны отрыва уменьшается, а поле скоростей становится равномерным.
Надо учитывать и тот факт, что течение в области отрыва и присоединения является неустойчивым и характеризуется интенсивными низкочастотными колебаниями или пульсациями скорости потока. При этом мгновенные координаты точек А и Б (рис.2) колеблются около некоторых средних значений. В экспериментальных исследованиях отрывных течений [6,7] частота таких колебаний не превышала 10 ^ 60 Гц.
Рассмотрев преобразование режимов течения двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы при её движении по пульпопроводу из пузырькового в расслоённый и структуру течения в вертикальном канале П-образного колена, где установлены приборы учёта, оценим, какое влияние
эти факторы оказывают на метрологические характеристики средств измерений расхода и плотности пульпы.
Рис. 2 - Схема отрыва пузырькового потока: 1 -внутренняя стенка; 2 - внешняя стенка; 3 - зона отрыва
На обогатительном комбинате в пульпопроводе образуется пузырьковый режим течения, следовательно, на узел учёта после поворота на П-образное вертикальное колено подаётся пульсационный поток пульпы с пузырьками воздуха, равномерно
распределёнными по сечению канала (рис.2). На узел же учёта перерабатывающего комбината поступает расслоённый поток трёхфазной пульпы (рис.3).
Л + ^ +
4 * 4- « 4 4, _>■-
Рис. 3 - Схема отрыва расслоённого потока: 1 - воздух; 2 - пульпа; 3 - зона отрыва
При переходе расслоённого потока из прямолинейного участка в вертикальный скорость потока вблизи внутренней стенки возрастает, способствуя эжекции воздуха из прослойки, это, в
свою очередь, приведёт к тому, что в зоне отрыва будет в основном воздушная фаза, которая, пульсируя, будет генерировать пузырьковый режим течения трёхфазной среды пульпы. Необходимо учитывать и факт снижения давления в пульпопроводе на перерабатывающем комбинате в несколько раз, что приведёт к увеличению объёмного содержания воздуха в пульпе и, следовательно, окажет существенное влияние на метрологические характеристики первичных измерительных преобразователей.
Всё вышесказанное объясняет расхождение в показаниях приборов при измерениях объёмного расхода передаваемого и получаемого сырья пульпы подразделениями горнообогатительного предприятия и, как следствие, трудности, возникающие при проведении взаиморасчётов между различными производственными
подразделениями. Результаты экспериментального исследования, представленные в работе [8] по измерениям объёмного расхода трёхфазной среды пульпы, подтверждают существенное увеличение пульсаций потока на перерабатывающем комбинате (рис.4б) по сравнению с обогатительным комбинатом (рис.4а), что в первую очередь связано с переходом пузырькового режима течения в расслоённый.
Ранее в работе [9] авторы на основе изучения влияния газовых включений в пульповом продукте на метрологические характеристики приборов предложили узел учёта [10], позволяющий проводить измерения расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы. С учётом материалов, представленных в данной статье, предложенный узел учёта может быть установлен на перерабатывающем комбинате. На обогатительном комбинате можно установить узел учёта, состоящий из двух блоков, как это показано в работе [11], однако на производстве предпочитают ставить одинаковые узлы учёта в различных подразделениях.
Приборов для измерений расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы на различных режимах течения, как это показано в работе [9], на рынке нет. Надо заметить, что и предложенные узлы учёта позволяют провести измерения расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы при объёмном содержании воздуха менее 4%. При концентрации воздуха в трёхфазной среде более 4% необходимо, как и в нефтедобывающей отрасли, разработать многофазные расходомеры, что потребует ещё и дополнительных средств на создание новых поверочных установок для проведения калибровки приборов на соответствующей многофазной среде.
а м з/ч
Т.лшн
ID 20 30 40 50 60 70 80 90
а
Q, м3/ч
580
Т,5ШН
4'."' 5'."'
б
Рис. 4 - Показания средств измерений объёмного расхода трёхфазной среды пульпы: а - на обогатительном комбинате; б - на перерабатывающем комбинате
Литература
1. ГОСТ Р 8.741-2011 ГСИ. Объём природного газа. Общие требования к методикам измерений;
2. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Розенберг Г.Д. Нефтегазовая гидромеханика. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.- 480с.;
3. Пособие по проектированию гидравлического транспорта (К СНиП 2.05.07-85). ПромтрансНИИПроект. М.: Стройиздат, 1986. - с.18;
4. Абрамович Г.Н. Гидродинамика подводных воздушных завес. Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М. 1986, т.20.- с. 85-139;
5. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов.-М.:Машиностроение, 1983.-351с.;
6. Симпсон. Обзор некоторых явлений, возникающих при отрыве турбулентного потока. Теоретические основы инженерных расчётов.-1981.т.103, с.131-149.;
7. Трёхмерные турбулентные пограничные слои.-М: Мир, 1985.-384с.;
8. Разработка рекомендаций по изменению технологических режимов, конструкций, внедрению технических устройств (СИ). Разработка алгоритмов обработки результатов измерений расхода и плотности. Научно-технический отчёт по договору № ВНИИР -12/596-9-12, этап 3. Казань - 2013.-24с.;
9. Соловьёв В.Г., Петров В.Н., Малышев С.Л., Кирпиченков И.А., Махоткин И.А. Влияние газовых включений в пульповом продукте на определение расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде. Вестник Казан. технол. ун-та - 2014. т. 17, №3.- с. 96-98;
10. Петров В.Н., Малышев С.Л., Кирпиченков И.А., Махоткин И.А. Измерение расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы. Вестник Казан. технол. ун-та - 2014. т. 17, №6.-с. 235-238;
11. Кремлёвский П.П. Расходомеры и счётчики количества. Справочник. Л.: Машиностроение 1989г. -701с.
© В. Н. Петров - к.т.н., доцент каф. «Экономики и управления на предприятии» КНИТУ-КАИ им.А.Н.Туполева, ot9vniir@yandex.ru, С. Л. Малышев - научный сотрудник отдела Метрологического обеспечения средств и систем измерений расхода и количества сырой нефти и газожидкостных потоков (НИО-9) ФГУП «ВНИИР», г. Казань, pamir.61@mail.ru, В. Г. Соловьёв - директор ФГУП «ВНИИР», vniirpr@bk.ru, В. Ф. Сопин - д.х.н., проф., зав. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, sopin@kstu.ru.
© V. N. Petrov - k.t.s., Professor of department. "Economy and management at enterprise" KNITU-KAI named after A.N. Tupolev, ot9vniir@yandex.ru, S. L. Malyshev - researcher of the department of Metrological provision of means and systems of measurement of quantity and quality of crude oil and gas-liquid flows (NIO-9) FGUP "VNIIR", Kazan, pamir.61@mail.ru, V.G. Soloviev - Director of FGUP "VNIIR", vniirpr@bk.ru, V. F. Sopin - d.c.s., Professor, head of department of analytical chemistry, certification and quality management of KNRTU, sopin@kstu.ru.
