CC BY
96
УДК 66.086.4
В. Н. Тыртыгин, Н. А. Собгайда, В. Л. Потеха, И. Г. Шайхиев
МАГНИТНАЯ ОЧИСТКА СУСПЕНЗИЙ ОТ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ПРИМЕСЕЙ
Ключевые слова: высокоградиентная магнитная сепарация, время фильтрации, зона фильтрации, сорбционная очистка.
Получена замкнутая система уравнений распределения парамагнитных частиц в зоне фильтрации высокоградиентного магнитного сепаратора. Предложена совместная магнитная и сорбционная очистка тонкодисперсных суспензий от ионов тяжелых металлов.
Keywords: high-gradient magnetic separation, filtration, filtration zone time, sorption cleaning.
Obtained closed system of equations ofparticle distribution in the paramagnetic high-gradient magnetic separator filter. Proposed joint magnetic and sorption cleaning of fine suspensions from ions of heavy metals.
Введение
Одним из перспективных и эффективных способов очистки суспензий от парамагнитных загрязняющих примесей с размером частиц менее 60 мкм (оксиды железа, титана, никеля, хрома и т. д., органические и неорганические взвешенные вещества, бактериальная флора), является высокоградиентная магнитная сепарация (ВГМС) [1]. Эффективность очистки суспензий методом ВГМС, зависит от ряда факторов, и может быть представлен как:
Э = f (Н, ^аа Н, Ь, аш, Х, Хч и, ач,"п, Хт.....), (1)
Э = [(Со-С)/Со] -100%, (2)
где Н - напряженность магнитного поля, grad Н -градиент напряженности магнитного поля, И - высота зоны фильтрации, аш, и х - размер и магнитные свойства рабочих тел матрицы, хч - магнитная восприимчивость частиц; и - скорость движения жидкости через рабочие тела матрицы, ^ - динамическая вязкость среды; -диаметра частиц фильтруемого материала; 5 - плотность вещества частицы, Х т - магнитных свойства частицы, Со и С - начальная и конечная концентрация частиц в очищаемой жидкой среде.
С рядом допущений, условие очистки в высокоградиентном магнитном поле суспензий от частиц размером менее 60 мкм следующее: магнитная сила, действующая на частицу должна быть больше или равна силе гидродинамического сопротивления [1]:
4 = Цо-Хч-Н^гаан > fg = 18"л ■ и / а2-р, (3) Существенное значение для нахождения важных технологических параметров ВГМС - оптимальной высоты (длины) зоны фильтрации (Ь^) и оптимального времени фильтрации (1о) имеет знание закономерности распределения задержанных частиц по высоте зоны фильтрации высокоградиентного магнитного сепаратора.
Результаты исследования и их обсуждение
Для нахождения значения Ьо, рассмотрим распределение задержанных парамагнитных частиц по высоте зоны фильтрации магнитного сепаратора. Зададим граничные условия [2,3]: в общей массе частиц с удельной магнитной восприимчивостью
0,1-10-6 - 430-10-6 м3/кг и эквивалентным диаметром меньших 60 мкм, процент частиц с эквивалентным диаметром 1-45 мкм должно быть в диапазоне 40 - 60 %; концентрация твердого в жидкой среде должна быть не более 14 %; индукция магнитного поля и градиент напряженности магнитного поля по всей длине зоны фильтрации ВГМС постоянны и лежат соответственно в диапазоне 0,2-1,6 Тл и 1,7-108-6-108 А/м2; вязкость очищаемой жидкой среды не более 5-6 мПа- с; температура жидкой среды не более 200 оС; скорость потока жидкости на выходе из зоны фильтрации ВГМС 0,006- 0,07м/с, высота (длина) зоны фильтрации магнитного сепаратора -до 0,6 м.
В этих условиях обработка опытных данных [2,3], показала, что распределение концентрации задержанных частиц по высоте зоны фильтрации высокоградиентного магнитного сепаратора достаточно хорошо описывается зависимостью:
С = Со(1-е-(к-Ь)), (4)
откуда высота зоны фильтрации:
Ь = [1п(1-Со/С)]/к, (5)
где С и Со - концентрация частиц в суспензии на выходе из матрицы и входе в матрицу, мг/л, к -безразмерный коэффициент, определяемый опытным путем, Ь - высота зоны фильтрации, м.
С рядом допущений 1о для матрицы из шаров диаметром может быть рассчитано по эмпирической формуле, приведенной в работе [4]:
(f) • # d0 3
яR2) • Kn • r+ p+
mt • P„ • 60 • S • v
(6)
где, Ьо - оптимальная высота зоны фильтрации высокоградиентного магнитного сепаратора, м; Я -радиус окружности, в которую заключен один слой, состоящий из шаров размером аш, м; Кп - коэффициент пористости шаров; гч - средневзвешенный радиус частиц, м; 5ч - плотность частицы, кг/м3; Со - концентрация частиц в очищаемой жидкой среде, кг/кг; 5ж - плотность жидкости, кг /м3; 8 - площадь сечения рабочей зоны магнитного аппарата, м2; и -скорость фильтрации жидкости через рабочую зону магнитного аппарата, м/с.
Задаваясь требуемой эффективностью очистки ВГМС и последовательно решая уравнения
to =
(2), (4), и (6) можно рассчитать Ьо и ^ Например, при очистке оборотных вод сталеплавильного производства от шлама с начальной концентрацией частиц 5200 мг/л, диаметром частиц < 45мкм, % т до 428-10-6 м3/кг с эффективностью ~ 98 %, оптимальная высота зоны фильтрации магнитного сепаратора составила Ьо ~ 0,15 м, время фильтрации ^ ~ 50 с. Для этого случая уравнение (4) имеет вид:
С=5200-(1-е-(24Ь)) (рис. 1).
§3)001
О 2)00,
£ Е_
t
0 0,0 (!1 015 0,2 0,25 (¡3 0,35 0,4 045 0,5
И м
Рис. 1 - Распределение задержанных частиц по высоте зоны фильтрации магнитного сепаратора
По данным гранулометрического анализа [3], в межшаровом пространстве и на поверхности шарового слоя матрицы происходит накопление «подложки» из наиболее крупных и сильномагнитных частиц диаметром d >10 мкм (рис.2).
70 60 50 40 "30 20 10 0
а" мм
0,045 0,045- 0,020- 0,010- 0,005 0,020 0,010 0,005
Рис. 2 - Гранулометрический состав шлама сталеплавильного производства: 1 - шлам до очистки, 2 - магнитный шлам; т - массовая доля
Из рис. 2 видно, что размер основной массы частиц магнитного шлама (более 80 %) лежит в диапазоне 0,010-0,045 мм. Очевидно, что в этом диапазоне : > fg. Дальнейшее увеличение высоты зоны фильтрации > 0,15 м, дает лишь незначительный прирост эффективности очистки суспензии от шлама по причине наличия в ней частиц диаметром d <10 мкм. Для этого случая :т < С ростом начальной концентрации шлама в очищаемой суспензии, например, для С = 7200 мг/л при индукции магнитного поля 0,21 Тл, решение системы уравнений (2), (4), (6) при эффективности магнитной очистки 99 %, дает оптимальное время фильтрации ^
~ 44 сек, (по опытным данным примерно 30 сек) и оптимальную высоту зоны фильтрации Ь, ~ 0.2 м. Для получения концентрации шлама в воде, например, 180 мг/л, при начальной концентрации 7200 мг/л, оптимальное время фильтрации составит примерно 1,9 мин (по опытным данным 2 мин) [2].
Несмотря на ряд преимуществ перед другими методами, метод высокоградиентной магнитной сепарации малоэффективен при очистке слабоконцентрированных суспензий от ионов металлов. Это связано в первую очередь с технической сложностью и дороговизной изготовления мощных магнитных систем, создающих большую магнитную силу | BgradB | [1], позволившую бы извлечь из воды ионы металлов, имеющих радиус порядка 0,2-10-9 м. С целью доочистки таких суспензий от ионов тяжелых металлов целесообразно дополнить метод ВГМС сорбционной очисткой с помощью отходов промышленного и сельскохозяйственного производства, предложенные в работах [4-6], что позволит существенно повысить эффективность очистки суспензий, в том числе от ионов тяжелых металлов.
Выводы
Таким образом, полученная система уравнений
Э = [(Со- С)/Со] -100%, С = Со(1-е-к-Ь),
U„ =-
(J-) • (16 R2) • K • r-p.
mi • pm • 60-S• u
в граничных условиях позволяет рассчитать важнейшие технологические параметры магнитной сепарации - оптимальную высоту зоны фильтрации ho и оптимальное временя фильтрации to, Литература
1. Кармазин В.И., В.В.Кармазин. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых, М.: МГУ, 2004. - 672 с.
2. Тыртыгин, В.Н., Секачев Ю.Н., Сб. трудов всероссийской научно-практической конференции «Промышленная и экологическая безопасность как условие обеспечения качества продукции и услуг», Тольятти: ТГУ, 167172 (2002).
3. Тыртыгин, В.Н. Каплан А. Л., Химическая технология, 8, 33-35 (2006).
4. Собгайда, Н.А., Ольшанская Л.Н., Макарова Ю.А., Химическое и нефтегазовое машиностроение, 9, 36-39 (2009).
5. Свергузова С.В., Сапронова Ж.А., Фетисов Р.О., Шамшуров А.В., Шайхиев И.Г., Вестник Казанского технологического университета, 7, 137-139 (2012).
6. Малахатка Ю.Н., Свергузова С.В., Шамшуров А.В., Шайхиев И.Г. Вестник Казанского технологического университета, 12, 137-139 (2012).
©В. Н. Тыртыгин - к.т.н., доц. каф. технической механики материаловедения Гродненского госуд. аграрного ун-та; Н. А. Собгайда - д.т.н., доц. каф. экологии и охраны окружающей среды Энгельского технол. ун-та (филиал) Саратовского госуд. технол. ун-та; В. Л. Потеха - д.т.н., зав. каф. технической механики и материаловедения Гродненского госуд. аграрного ун-та; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru.
