CC BY
29
1. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика / Под ред. Дортман Н.Б.М.: Недра. 1984. 456 с.
2. Галустян Л.А. Технология извлечения коллоидного золота из производственных и сточных вод золотоизвлекательных фабрик. Горный журнал. 2003. № 2. С. 61-62.
3. Zhukov E.A., Kuz'menko N.A., Nikolenko S.V., Kuz'menko A.P., Leonenko N.A. Laser ablation ZrO2 on a surface (111) silicone and treatment raw mineral containing superdispersed Au // "4th Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics", Proceeding 13-16 September, Khabarovsk, 2004, P. 74 - 77.
— Коротко об авторах -
Секисов Г.В. - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Проблем освоения месторождений открытым способом»,
Леоненко Н.А. - старший научный сотрудник лаборатории «Проблем освоения месторождений открытым способом»,
Институт горного дела ДВО РАН,
Кузьменко А.П. - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника»,
Кузьменко Н.А. - старший преподаватель кафедры «Физика» Хабаровский государственный университет.
© В.Г. Черкасов, 2006
УДК 622.75 В.Г. Черкасов
КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ДВОЙНОГО РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА В ТОНКОСЛОЙНЫХ (КАНАЛЬНЫХ) АППАРАТАХ
Семинар № 19
~П последнее время в обогатитель--О ной практике для выделения тонкодисперсной твердой фазы из гидровзвеси всевозрастающее применение находят тонкослойные (канальные, полочные, многоярусные) аппараты (ТА), в которых разделительный процесс базируется на прохож-
дении массопотока через систему наклонных параллельных каналов, образующих тонкослойное пространство. Такое "многоэтажное" осаждение относится к энергосберегающей технологии и позволяет резко сокращать производственные площади и время разделения. По технологической
сущности известные конструкции ТА выполняют функции сгустителей тонкодисперсной твердой фазы или отстойников.
В разделительном процессе, протекающем в тонкослойном пространстве, можно выделить два этапа гравитационного перехода. 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 ТА преследуется основная цель по переводу твердой фазы в осадок, и задача сводится к первому этапу, то изучение и реализация потенциальных возможности второго этапа со стороны исследователей и проектировщиков должного внимания не находит.
Сохраняя основное назначение, технические параметры и главную характеристику тонкослойных аппаратов - эффективную площадь осаждения, можно реализовать конструктивным путем более рациональную схему вывода продуктов распада двухфазной среды из тонкослойного пространства, усилив механизм сегрегации в подвижном слое осадка с последующим дифференцированным выводом тяжелой фракции осадочной части. Такой подход к процессу разделения гидровзвеси весьма актуален в технологических схемах водоподготовки при промывке металлоносных песков, когда с потоком эфельных хвостов теряется значительное количество тонких классов ценного компонента.
Анализ подобных конструкций показывает, что принципиальная компоновочная схема ТА включает распределительный узел исходного питания, систему тонкослойных элементов, камеру сгущения и уплотнения осадка. Причем выделенные узлы располагаются один под другим. Основной эффект разделения достигается по противоточной или поперечной схемам
перемещения продуктов разделения в тонкослойном пространстве. С позиции диф-ферен-цированного вывода сгущенного продукта такой подход (например, в конструкциях Ламелла, Уралмеханобра, НИИ ВОДГЕО и др.) не позволяет усиливать концентрацию отдельных узких фракций по плотности частиц с последующим их выводом, хотя принцип тонкослойного разделения благоприятен для такого процесса. Для реализации этой цели требуется кардинальное отступление от традиционной схемы компоновки конструкции ТА.
Заложив в основу компоновочного решения продольно вытянутое тонкослойное пространство и совместив противоточную или прямоточную схемы массопереноса с поперечной схемой, можно достичь снижения накапливающейся твердой фазы в канале и получить возможность выводить осадок из рабочего пространства на промежуточных этапах вне контакта с исходным потоком гидровзвеси. При этом формируются локальная зона осадка под тонкослойным пространством и зона всплывающих частиц над тонкослойным пространством с образованием вторичного контура перемещения продуктов разделения.
Такая схема потоков за счет гравитационной составляющей достигается путем применения наклонной системы каналов в продольном и поперечном измерениях. Следовательно, в этом случае базу конструкции представляет наклонная продольно вытянутая обо-лочка, заполненная системой перегородок. Не нарушая геометрической компоновки тонкослойного пространства, такой конструктивный подход обеспечивает в целом по аппарату противоточную или прямоточную схе-мы массопотоков за счет варьирования положениями входного и выходных элементов.
Рис. 1. Конструктивное решение тонкослойного аппарата по формированию двойного разделительного эффекта, где: а - компоновочный вариант ТА; б - схема двухконтурного массопотока в рабочей полости ТА; в - формирование осадка по прямоточной схеме массопотоков; г - перераспределение твердой фазы по высоте транспортируемого слоя осадка
Продольно вытянутое наклонное тонкослойное пространство дает возможность концентрировать осадок под каналами и формировать внизсходящий поток твердой фазы вдоль оболочки, (патент 1692028). Аналогичный процесс образуется и у верхней стенки оболочки, но для жидкой фазы или для всплывающих частиц.
Принятая компоновка тонкослойного пространства создает двойной эффект тонкослойного разделения: в первичном контуре в качестве разделительной области выступает система каналов, обеспечивающая перевод твердой фазы на их нижние стенки; вторичный контур - наклонная продольно вытянутая оболочка тонкослойного пространства, заполненная каналами. В отличие от традиционной схемы сбора оседающего продукта и осветленной жидкой фазы этот вариант обеспечивает дополнительную степень свободы по формированию и управлению трансформацией продуктов разделения в пространстве и во времени. Вторая схема мас-сопереноса формирует поток твердой фазы осадка вдоль днища и поток жидкой фазы или всплывающих частиц вдоль верхней части оболочки, рис. 1.
Рассматривая различные формы поперечного сечения днища или оболочки в целом, процесс массопереноса по второму контуру можно локализовать
конструктивным путем, применяя отдельно выделенные продольные каналы вдоль оболочки.
Применив прямоточную схему перемещения потоков относительно оболочки, когда тяжелая и крупная фракции переходят сразу в осадок, и его нижний слой в процессе транспортировки насыщается частицами высокой плотности, открывается возможность усилить механизм сегрегации частиц с последующим отсечением нижней части на выходе. В этом случае конструкция дополнительно выполняет функцию обогатительного устройства по выделению и улавливанию из потока осадка тяжелого ценного компонента.
Возможности этого решения не ограничены улавливанием тяжелой фракции, с изменением положения улавливающих элементов можно выводить легкую фракцию, щепу, нефтепродукты.
Формирование осадочного слоя и его транспортировка по второму контуру протекают по всей длине нижней полости рабочего пространства, при этом на процесс усиления концентрации частиц по их плотности в придонном слое оказывают влияние три основных механизма расслоения осадка. Гравитационный механизм является базовым и основан на разности скоростей перемещения частиц по вертикали в зависимости от их крупности, плотности и формы. Второй механизм зависит от выбранных схем мас-сопотоков в рабочей полости и относится к распределительному механизму положения узких фракций по гидравлической крупности в транспортируемом слое осадка. При прямоточной схеме в начале канала образуется постель осадка из относительно крупных и тяжелых частиц, которую по ходу сползания накрывают оседающие частицы с меньшей гидравлической крупностью. При про-тивоточной схеме характер формирования осадка обратный. Механизм сегрегации является следствием первых двух процессов и базируется на проникновении мелких и тяжелых частиц через зазоры, образующиеся между крупными, но легкими фракциями в ходе транспортировки.
Таким образом, кардинальное отступление от традиционной компоновки ТА путем создания второго контура массопо-токов, сформированных в первичном тонкослойном контуре, открывает возможность дополнительно наложить на эти устройства обогатительную функцию по выделению тяжелой тонкодисперсной фракции из структурно неустойчивой гидровзвеси.
«о , 1
0) с*
сЗ
° £ о о
и со $ &
Е о
Г^ Я
О н
2 >
0,25
Рис. 2. Изменение содержания твердой фазы в осадке (сос) по длине канала относительно первоначальной концентрации в питании (сисх) по фракциям: 1 - магнетит, класс -0,071 мм, сисх=10 кг/м3; 2 - песчано-глинистая фракция, - 0,071 мм, сисх=100 кг/м3
0,5 0,75 1,0
Относительная длина канала, / /1
Для оценки технологических возможностей второго контура проведено физическое моделирование процесса на искусственно приготовленных сме-сях, содержащих тяжелую фракцию.
Схема массопотоков и ориентация рабочего пространства опытной установки, выполненной из прозрачного материала, принята согласно рис. 1. Отбор исследуемых проб осуществлялся по длине гофрированного канала и высоте слоя осадка, а управление его скоростным режимом перемещения по второму контуру проводилось путем изменения угла наклона оболочки. Исходным питанием являлась пес-чано-глинистая гидровзвесь (класс -71 мкм, плотность рг = 2600 кг/м3) с добавлением магнетита (класс -71 мкм, рм =4950 кг/м3), массовая доля которого
составляла 10 %.
Анализ аналитических зависимостей перемещения частиц исследуемых материалов равных по размерам, но разных по плотности в пределах применимости формулы Стокса показывает, что частицы из магнетита в 2,43 раза быстрее достигают днища канала и их продольное перемещение во столько же раз короче. В совокупности селективное перемещение твердой
фазы еще на стадии перехода в осадок формируют постель в виде слоя осадка из тяжелой фракции.
Если исходное питание содержало тяжелую, легкую фракции и жидкую фазу соответственно в соотношении по массе 1:10:100, то, отсекая по высоте нижнюю половину осадка с последующим его выводом из рабочего пространства, достигалось соотношение 1:2:10. При этом усиливалась степень концентрация тяжелых по плотности частиц в отводимой твердой фазе в 5 раз, а доля отводимого потока составляла не более 11,7 % от исходного питания. Технологическая эффективность процесса обогащения по формуле Луйкена - Хенкока составила 93,6 %.
Перераспределение твердой фазы по длине канала вторичного контура и высоте слоя осадка представлено соответственно на рис. 2 и рис. 3. На этом этапе перехода под действием гравитационной составляющей осевшие частицы находятся в стесненном состоянии и более мелкие и тяжелые из них проникают вглубь осадка, образуя устойчивую структуру дисперсионной среды в придонном слое. В отличие от слоя, находящемся в статическом состоянии, продольное перемещение осевшей твердой фазы разрыхляет слой, и частицы получают дополнительные степени свободы как в вертикальном направлении, так и в сферическом движении, усиливая механизм сегрегации. Согласно результатам, рис. 3, в начале канала (I / Ь =0) магнетит распределяется по всей высоте слоя осадка с частичным преобладанием в дон-
ной части. В процессе транспортировки в конце канала (I / Ь = 1) вся тяжелая фракция сконцентрирована в нижнем слое осадка и распределяется в пределах половины его высоты. В общем случае такое перераспределение вызвано тремя причинами:
• селективностью перемещения твердой фазы еще на стадии формирования осадка (первичный контур тонкослойного пространства);
• сегрегацией частиц в стесненном состоянии при транспортировке осадка вдоль днища оболочки (ВТО-ричный контур);
• прямоточной схемой перемещения массопотоков.
При замене прямоточной схемы массо-потоков на противоточную (подача исходного питания снизу) разделительный эффект проявляется слабо, так как в этом случае тяжелая фракция накры-
Рис. 3. Перераспределение тяжелой фракции (магнетит рм = 4950 кг/м3, см = 10 кг/м3) по глубине слоя осадка из песчано-глинистой фракции (рг = 2600 кг/м3, сг = 100 кг/м3)
вает легкую уже на выходе из ТА. Такая схема благоприятна для режима осветления технологической воды.
Изменением угла наклона ТА с а = 50° до 40° регулируется скорость сползания осадка с и = 80-90 мм/с до 10 мм/с. При этом из условия баланса массопотоков высота осадка резко повышается. Изменить высоту осадка и время его транспортировки возможно и конструктивным путем за счет выбора рациональной формы поперечного сечения канала.
Таким образом, предложенное компоновочное решение ТА и результаты физического моделирования протее-кающего в нем процесса показывают, что примененный двойной эффект тонкослойного разделения гидровзвеси дает возможность расширить функциональные возможности подобных конструкций. Создание локальной концентрации осадка с последующим усилением механизма сегрегации частиц при их транспортировке позволяет использовать ТА не только как отстойники или сгустители, но и как обогатительное оборудование по концентрации и выводу тяжелой фракции ценного компонента из полидисперсной гидровзвеси.
— Коротко об авторах -
Черкасов В.Г. - Читинский государственный университет.
