Разделение полидисперсных суспензий в канале тонкослойных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Физика»

------------------------------------- © В.Г. Черкасов, 2004

УДК 622.7 В.Г. Черкасов

РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СУСПЕНЗИЙ В КАНАЛЕ ТОНКОСЛОЙНЫХ АППАРАТОВ

Семинар № 19

стощение запасов природного редкометального сырья предъявляет к вновь проектируемым обогатительным аппаратам более жесткие требования по полному и комплексному извлечению ценного компонента из исходного сырья.

При обогащении традиционными методами на россыпных месторождениях основные потери определяются мелким (-0,1 мм) и тонким (0,01 мм) классами. В связи с этим складываются два принципиальных подхода для решения этой проблемы:

1) снижение гидродинамических режимов массопотоков, при которых возрастает роль гравитационной составляющей в разделительном процессе;

2) создание дополнительного центробежного поля, при котором роль гравитационной составляющей резко падает.

Очевидно, из этих двух направлений при проектировании подобных аппаратов необходимо учитывать условия их эксплуатации, и особенно на первой стадии обогащения при переработке огромных объемов массо-потока, когда на первый план, применительно к условиям приисков, выступают критерии: надежность, энергоемкость, технологическая гибкость и эффективность.

Если два первых показателя при многовековой эксплуатации аппаратов проточного типа доведены до совершенства и определяют их “живучесть”, то два последних по улавливающей способности в сложившейся ситуации резко снижают их общую характеристику.

Сохранить положительную конструктивную преемственность гравитационных аппаратов проточного типа с существенным повышением улавливающей способности по тонким классам ценного компонента можно достичь в тонкослойных (канальных) аппаратах, где твердая фаза, переходящая в осадок в статическом состоянии, расслаивается по гидравличе-

ской крупности, а в динамическом состоянии образует стратифицированное (двухслойное) по плотности течение.

Однако, уже на стадии проектирования при выборе схем движения массопотоков, геометрии тонкослойного пространства, технологических режимов у проектировщиков возникают проблемы по оценки принимаемых параметров относительно физических свойств исходной твердой фазы и характеристике их распределения в полидисперсной системе.

Дать прогноз по технологическим показателям, количественную и качественную оценку процесса перераспределения исходной твердой фазы переходящей в осадок, а также объемную “деформацию” узких фракций по длине канала, можно провести, используя дифференциальную функцию распределения частиц полидисперсной смеси по выбранному их физическому свойству [1, 2].

Так как распределение твердых частиц в рабочей зоне канала протекает под действием гравитационной составляющей, то в качестве наиболее простого и комплексного признака, характеризующего физические свойства исходной твердой фазы, примем гидравлическую крупность частиц ^), которая меняется в пределах Wmm<W1<Wmax.

Пусть для всего объема полидисперсных частиц дифференциальная функция ?^) (у -функция) меняется непрерывно, и на входе в канал, и в осадке выполняется условие нормировки

№тах

|^(= 1, (1)

™тт

то есть весь входящий в канал объем твердых частиц переходит в осадок, а для узкой фракции объемная доля составляет

г, = Лщ ^.

Если твердая фаза на входе в канал распределяется по его высоте равномерно, то при прохождении тонкослойного пространства с ламинарным режимом легкая фракция ^т1п) осядет по предельной длине канала Ьтах, тяжелая ^тах) - по длине Ьт1п, а фракция w1 -по длине Ь1. Конечная длина распределения 1-ой фракции для ламинарного режима мас-сопотока в канале связана зависимостью Wl=w(Ll)

HVr

w, =-

ср

(2)

dw

dL

HVcp , L2 cos a

Aw = --

HV„

cp

получим Гі =_r[w(L,)].

HV„„

L cos a -AL.

L(wm

L(wm

Тогда условие (1) принимает вид

x)=-Lmn

j-r[AL)}

i)=Lma:

cp

L cos a

■dL --

jr WL)}

HV„

cp

L cos a

-dL = 1

АГ,Л.

r[w (ц)_

HVcp L, cos a

-AL = 1 —

HI,)

y(ws) Aw

на участок AC

Рис. 1. Трансформация у функции от физического параметра (гидравлическая крупность) к пара-

метру Ь( (предельная длина рассеивания частиц)

- HV

^У,АС = -A r[AL, )]l----------------— AL-

Li Lt cos a

Общая часть твердой фазы выше сечения А-А, которая могла осесть на участок АВ составит

Mh)

У TAB ~ J

1 —

К Lm

w(Lm„, )

Lmax Г Т

= j 1 - — r[w (L)]

la L max _

на участке AC УіАС = 1 _ У^АВ .

y(w ~)dw =

HVp

L2 cos a

-dL

По зависимостям, получаемых Уz = y{L)

(4)

(5) из (4) и

Lt cosа

где H - высота канала, Vcp - средняя скорость гидровзвеси в канале, (X - угол наклона канала. Очевидно, для анализа распределения твердой фазы по длине тонкослойного пространства интерес представляет зависимость

У, = у(L )AL.

Заменяя wi на W;=w(Li), из условия (2)

(5), вида ' ^ / в процессе проектирова-

ния можно оценивать уровень улавливающей способности канала с учетом характеристики полидисперсной массы частиц. Очевидно, доля твердой фазы на участке АС есть улавливаемая часть, а на участке АВ - потерянная, переходящая в слив.

Для каждой у- функции с увеличением гидравлической крупности частиц распределение соответствующих фракций по длине канала сокращается с изменением высоты слоя осевшей доли. Условная высота каждого і-го слоя составит в статическом состоя-

Ah, =

rlw, )Aw r[w(L)]HVcp AL

L, cos a

(3)

Этот переход графически дан на рис. 1. Изменение длины канала сечением А-А, рис. 2, разбивает улавливаемую долю 1-ой фракции на части:

на участок АВ попадает часть 1-ой доли

АГ,ЛВ

Если рассматривать высоту слоя в сечении А-А, то она складывается из к слоев долевых фракций, попавших под это сечение

i=1

ИЛИ

w(h)

j HwVoosadw = 'jr[w{L)]JHV^dL.

J HV j L cos a

HVrn t

wmm CP lA

(6)

Слово “высота” принята условно и представляет дифференциальную функцию распределения объемной доли твердой фазы по высоте канала при статическом состоянии

h

Рис. 2. Схема формирования осадка полидисперсной системы в тонкослойном канале

ет их взаимосвязь d2 g (Р~РЖ )

18^

- соответственно динамическая вяз-

осадка, и размерность этого параметра (1/м) перевернутая, как и у ^ - функции. Зависимость ^

= 1’(Ь)

характеризует “деформацию” объема исходной полидисперсной смеси частиц по длине канала согласно их физическим свойством.

Аналогичный переход от физического

параметра w1 или L1 к параметрам Р - плотность и &, - эквивалентный диаметр частиц для тонких классов, например, в пределах применимости формулы Стокса обеспечива-

где г ж и плотность и

кость жидкой фазы. Или с учетом (2)

L 18HVcpv

'L'i 2 .

dЭ g (Р~Рж )

Сравнительный анализ зависимостей (4),(5) и (6) для произвольно взятых характеристик исходной полидисперсной смеси частиц по-

7z(l)

казывает, что зависимость ' Е v ’ после интегрирования правой части учитывает только содержание полидисперсной системы (то есть саму у- функцию) и ее предельные границы, а зависимость дополнительно

включает параметры канала H, Vcp, а, причем изменением угла наклона а можно охватить схемы движения массопотоков. Ограничив параметры тонкого слоя массопотока числом Рейнольдса для сохранения ламинарного режима в канале

Re =

PmVc

S^H = 1000

для

экспериментальных значении w1 [3] определены предельные гра-

ницы Ьшах по полному переводу в осадок ряд тонких и мелких час-

Рис. 3. Влияние физических параметров (p;d3) минералов при их полном переходе в осадок на предельную длину канала (жидкая фаза - вода; схема массопотоков - противоточ-ная; а =60°, для канала Re = Ї000 = const):

1 - уголь, р = 1,35 г/см3; 2 - кварц, р = 2,65 г/см3; 3 - касситерит, р = 6,92 г/см3; 4 - галенит, р = 1,65 г/см3; 5 -золото, р = 11 r/cM3

w

тиц минералов, рис. 3.

Рассматривая осадок в рабочем пространстве канала со значительным продольным габаритом в динамическом состоянии, когда осевшие частицы, перемещаясь по дну к

канала, накапливают ^, можно установить из объемного баланса твердой фазы на входе и выходе, что уже при объемном содержании твердого 5% в исходном питании происходит закупорка канала, или резкое изменение его проходного сечения. Значительная длина каналов для полного осаждения тонкой фракции по традиционным схемам проектирования требует новых конструктивных решений по интенсификации процесса осаждения, которые можно получить, реализуя вскрытые резервы тонкослойного пространства [4], применив в конструкции аппарата комбинированную схему движения массопотоков (например, патент 1692028).

Так же схема перемещения потоков в тонкослойной зоне может оказать влияние и на выделение узкой фракции ценного компонента. Осевшая на дно канала твердая фаза в динамическом состоянии формирует стратифицированное течение, состоявшего из слоев гидровзвеси и слоя осадка. При прямоточной схеме, когда направления потоков совпадают, образуются благоприятные условия для

1. Тихонов О.Н. Закономерности эффективного разделения минералов в процессах обогащения полезных ископаемых. - М.: Недра, 1984.

2. Тихонов О.Н. Введение в динамику массопере-носа процессов обогатительной технологии. - Л.: Недра, 1973.

улавливания тяжелой фракции, так как тяжелые элементы в этом случае всегда оказываются в нижнем слое осадка и при транспортировке вдоль канала, например, самотеком они концентрируются и ими можно управлять. Противоточная схема наоборот, благоприятна для улавливания тонкой легкой фракции и приемлема в системе водоподго-товки. Поперечная схема дает возможность классифицировать твердые частицы по гидравлической крупности с дифференцированным выводом из тонкослойной зоны. В зависимости от характеристики исходной твердой фазы, определяемой у- функцией, и назначением аппарата, тонкослойная конструкция позволяет гибко подобрать рациональную комбинацию схем движения массо-потока.

Таким образом, использование дифференциальной функции распределения частиц в полидисперсной твердой фазе с возможной трансформацией по физическим признакам дает возможность при разработке новых тонкослойных (канальных) аппаратов учитывать влияние характеристики исходного питания на технологические и конструктивные параметры с качественной и количественной оценкой.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / Под. ред. О.С. Богданова, В.А. Оле-новского, 2 изд. - М.: Недра, 1982.

4. Черкасов В.Г., Черкасов А.В., Лисичников А.П. Формирование стратифицированного течения при обогащении тонкодисперсной фракции ценного компонента // Горный инф.-анал. бюл. -М.: Изд. МГГУ, 2002. -№3.

— Коротко об авторах

Черкасов В.Г. - ЧитГУ.