CC BY
1
УДК 621.928.37
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-356-357
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ПИРИТНЫХ ОГАРКОВ
В ГИДРОЦИКЛОНАХ НАПОРНОГО ТИПА
С.Ю. Лозовая, Е.С. Бащева
В статье рассмотрена перспектива гидроклассификации материалов мелкой фракции (менее 60 мкм) в различных отраслях промышленности. Описана конструкция и принцип действия гидроциклонов напорного типа ГЦК-360-10 и модифицированного с разделительной областью в рабочей зоне, приведены их достоинства и недостатки. Представлена новая конструкция гидроциклона, позволяющая улавливать частицы подготовленных пи-ритных огарков размером менее 60 мкм. Описаны конструкция и принцип действия исследуемых устройств, созданы их цифровые модели для гидродинамического моделирования с использованием CAD/CAE - системы. Компьютерное моделирование актуально при разработке новых изделий, оно позволяет на ранних стадиях проектирования оценить функциональность и работоспособность будущего изделия, сравнить его эффективность с имеющимся оборудованием. Показано, что новая конструкция гидроциклона предоставляет возможность усовершенствования аппарата ГЦК-360-10, который используется на предприятиях различных отраслей промышленности. Установлено, что использование конструкции нового гидроциклона позволит сократить количество повторных подач в него, а также сократит количество повторных подач в мельницу для домола, что составит экономию электроэнергии в сотни млн. руб в год.
Ключевые слова: гидроклассификация, эффективность разделения частиц, проектирование, CAD/ CAE -система, энергоемкость.
Гидроциклоны [1,2] — это аппараты, которые широко используются в различных отраслях промышленности, например, в обогатительной, металлургической, цементной, химической промышленности и др. Они используются с целью классификации и обогащения в жидкой среде тонкоизмельченных материалов по скорости и направленности движения пульпы [3,4], для повышения качества и улучшения технических свойств готового продукта.
Гидроциклоны напорного типа имеют ряд преимуществ перед другими конструкциями [1, 5]: простота, компактность и дешевизна в изготовлении, надежность и удобство в эксплуатации, обладает высокой производительностью. Его можно применять как самостоятельный аппарат, либо объединенный в батареи в открытых или замкнутых циклах измельчения. Гидроциклоны напорного типа имеют существенный недостаток - отсутствие точной границы разделения частиц на фракции, что требует повторной подачи материала в гидроциклон для извлечения необходимой фракции готового продукта.
Обогащение при добыче полезных ископаемых очень энергоемкий и дорогостоящий процесс из-за больших потерь концентрата, добываемого минерала, при его извлечении из руды. Для снижения энергоемкости и повышения эффективности необходимо установить точную границу разделения частиц готового продукта. Предложено в используемых гидроциклонах напорного типа организовать разделительную область в тангенциальном притоке [6, 7], загружаемой пульпы, в которую будет подаваться вода, что даст возможность осадить крупный материал, при этом преобладающая часть мелких частиц останется в центральном потоке и будет выведена на верхний слив. Что предотвратит попадание частиц концентрата на нижний слив.
Высокую значимость при проектировании новых устройств имеет компьютерное моделирование, так как оно предоставляет возможность создать цифровые прототипы будущих изделий, провести анализ их функциональности, осуществить сравнительный анализ различных вариантов исполнения устройства, оценить их эффективность и надежность, что позволяет выбрать рациональное решение с учетом различных параметров. Компьютерное моделирование позволяет выявить потенциальные проблемы и дефекты в конструкции цифрового прототипа еще на ранних этапах проектирования, что позволяет существенно сократить затраты на доработки и исправления конструкции на последующих этапах разработки.
В качестве классифицируемого в гидроциклоне материала рассматривается пульпа, в состав которой входят измельченные пиритные огарки [6] - отходы производства серной кислоты. Они представляют собой мелкозернистый материал с влажностью около 20% с размером частиц менее 60 мкм для подготовки портландцементного клинкера [10 - 14].
В гидроциклон ГЦК-360-10 [1] пульпа подается через тангенциальный приток в цилиндрический сегмент, где под действием центробежной силы, частицы с размером менее 60 мкм остаются в центральном потоке и уходят на верхний слив, а частицы размером более 60 мкм уносятся к внутренним стенкам гидроциклона, и теряя скорость уходят на нижний слив через коническую часть. Недостатком гидроциклона ГЦК-360-10 [1, 5] является отсутствие точного разделения частиц на фракции, т. е. на верхний слив попадают частицы > 60 мкм, что требует дополнительной классификации, а на нижний уходит большое количество частиц < 60 мкм, которое вместе с крупными частицами уходит на домол [8, 9].
Предложено, для уменьшения содержания мелкозернистого материала в нижнем сливе циклона, в тангенциальный приток 4, 5, куда подается пульпа, добавить разделительную область 10 (рис. 1), которая создаст барьерный слой воды или другой текучей среды, которая даст возможность осадить крупнозернистый материал, а мелкозернистая фракция останется в изначальном потоке. Поток барьерной текучей среды 7 будет окружать, подаваемую пульпу в форме кольца. Что уменьшит в нижнем сливе или совсем отделит от крупной фракции содержание мелкозернистых частиц. Предполагается, что два потока должны течь далее, разделенными друг от друга. Конструкция разделительной области состоит из пластины, создающей возможность принимать 2 потока жидкости во входном патрубке гидроциклона, перфорирированной цилиндрической части, позволяющей крупным частицам уходить за разделительную область, и конической части, за стенками которой находится поток пульпы с крупными частицами > 60 мкм. Отверстия в цилиндрической части осуществляют соединение между подаваемой пульпой и потоком барьерной жидкости, что уравнивает давления между барьерной средой и пульпой.
Для проведения анализа эффективности улавливания частиц необходимой фракции стандартным гидроциклоном и новым гидроциклоном целесообразно использование цифрового моделирования гидродинамических
процессов, рассматриваемых аппаратов. В выборе программного обеспечения ключевым является комплексность предлагаемого решения. Такому требованию соответствует программный продукт - SolidWorks [10, 11], который позволяет спроектировать цифровую модель (CAD-система), а также произвести моделирование гидродинамического процесса (САЕ-система), что дает возможность при внесении необходимых изменений в модель быстро проводить гидродинамическое моделирование.
Рис. 1. Схема предлагаемого гидроциклона: 1 - гидроциклон: 2,3 - области притока и разделения: 4,5 - приток тангенциальный; 6 - пульпа; 7 - слой барьерной текучей среды; 8 - насадка нижнего слива; 9 - насадка верхнего слива; 10 - пластина; 11 - нижний слив; 12 - слив; 13 - отверстия
Для определения траекторий и скоростей потока пульпы первым этапом нужно построить цифровые мо-
дели нового гидроциклона с разделительной областью в рабочей зоне и ГЦК-360-10, затем необходимо проверить модели на зазоры и пересечения между деталями. Убедившись, что они отсутствуют можно перейти к моделированию потоков жидкости в гидроциклонах со следующими параметрами и граничными условиями [10, 11]:
- тип задачи - внутренняя - т. е. внутри полости агрегата;
- тип текучей среды - «Жидкость Ньютоновская», вязкость 2,3 сПз, плотность 1,5 кг/м3;
- условия на стенках задаются, исходя из шероховатости футеровки (карбид кремния) 0,36 мкм;
- температура 25°С;
- «Скорость на выходе» из гидроциклона 5 м/с;
- «Давление окружающей среды» 1 Атм;
- размер частиц 50-70 мкм;
- материал - пиритные огарки.
После проведения гидродинамического моделирования, были получены результаты для модели стандарт-
ного гидроциклона с представлением характера движения частиц (рис. 2) и в виде графика зависимости скорости частиц от их траекторий и удаления от нулевой точки (входной приток) (рис. 3) и для модели гидроциклона с разделительной областью (рис. 4, 5) соответственно.
Анализ характера движения частиц в рабочей области модели стандартного гидроциклона (рис. 2) пока-
зал, что частицы, поступающие через входной патрубок, попадают в цилиндрическую часть, где наблюдается большее их количество, после чего под действием центробежной силы более мелкие частицы движутся к центру и выходят через верхний слив, оставшиеся же частицы, теряя скорость попадают в коническую часть гидроциклона и затем выходят через нижний слив. Это соответствует теоретическому описанию, что подтверждает правильность заданных параметров и созданной модели.
Анализ траекторий частиц в модели стандартного гидроциклона показывает (рис. 3), что частицы, у кото-
рых скорости 8 м/с и более, потоком жидкой среды пульпы выносятся на верхний слив, не попадая в коническую часть гидроциклона. К таким относятся частицы 1, 2, 3 их траектории описывают поведение частиц, «мелкозернистой» фракции с размерами менее 60 мкм. Частицы скорость, которых менее 8 м/с попадают в коническую часть гидроциклона, постепенно теряют скорость (траектория частиц 4, 5, 6) (рис. 4) и уходят на нижний слив, что характерно для движения «крупнозернистой» фракции. Но траектория частицы 6 обрывается, что указывает на то, что эта частица относится к крупной фракции, т. е. она резко теряет скорость и уходит в нижний слив, а частицы 4 и 5 продолжают свое перемещение по спирали в конической части гидроциклона, т. е. это, как правило, частицы с размером 60 и менее мкм, которые по той или иной причине попали в нижний слив и через него постепенно удаляются.
Анализ характера движения частиц в рабочей области модели нового гидроциклона (рис. 4) показал, что частицы, поступающие через входной патрубок, попадают в цилиндрическую часть, после чего под действием центробежной силы более мелкие частицы движутся к центру и выходят через верхний слив, оставшиеся частицы попадают в коническую часть, где частицы размером > 60 мкм постепенно теряют скорость и уходят на нижний слив, а частицы с размером < 60 мкм стремительно теряют скорость и затем набирая ее, образуют направленный вверх водоворот из нижней части конуса.
Анализ траекторий частиц в гидроциклоне новой конструкции показывает (рис. 5), что частицы, у кото-
рых скорости примерно 8 м/с и более, потоком пульпы выносятся на верхний слив, не попадая в коническую часть гидроциклона. К таким относятся частицы 1, 2, 3, их траектории описывают поведение частиц «мелкозернистой» фракции с размерами менее 60 мкм. Частицы скорость, которых менее 8 м/с попадают в коническую часть гидроциклона и здесь возможны 2 варианта. Первый вариант: частицы постепенно теряют скорость (траектория частицы
4) (рис. 5) и уходят на нижний слив - характер движения соответствует «крупнозернистой» фракции. Второй вариант: частицы: 5 и 6 (рис. 5) резко теряют скорость и в нижней части конуса стремительно набирают ее при скорости чуть более 6 м/с (рис. 4, 5), образуя направленный вверх водоворот (рис. 4), т. е. частицы «мелкозернистой» фракции (<60 мкм) уходят в цилиндрическую часть, оставаясь в центральном потоке и выводятся на верхний слив, не выходя за разделительную область. Это можно объяснить тем, что за счет омывания стенок разделительной области водой, скорость которой выше скорости пульпы, частицы крупной фракции быстро попадают на нижний слив за счет того, что плотность воды гораздо меньше плотности пульпы, из-за чего в нижней части конуса создается разрежение, и поэтому организуется водоворот частиц размером < 60 мкм вверх. При том, что они при скорости чуть более 6 м/с попадают на верхний слив, на что показывает окончание их траектории (рис. 5).
Ытф&ия = 1 ВТ
7 979 7209 61Ю
£046
ЭВМ
2 683
г -»з
1443
0 7?! О
СжОрОСТЬ (пУ1]
Рис. 2. Траектории движения частиц в стандартной модели гидроциклона
-Траектории частицы ] -Траекторий частицы 2 -Траектории частицы 3 -Траектория частицы 4 -Траектории частицы 5 - Траектории частицы 6
4 6 8
Предельная длина траектории (гг]
Рис. 3. График зависимости скорости частиц и их траектории от нулевой точки входа потока в цилиндрическую часть гидроциклона из входного патрубка в модели ГЦК-360-10
При гидродинамическом расчете программным продуктом рассчитаны все возможные траектории частиц, при этом получен результат, что лишь 0,001 % мелких частиц попадают на нижний слив, что указывает эффективность работы модели напорного гидроциклона с разделительной областью в рабочей зоне в сравнении с эффективностью работы модели стандартного гидроциклона на нижний слив уходит 10-15% частиц < 60 мкм, что влечет за
собой увеличение количества материала в нижнем сливе, что увеличивает количество возвратов на домол в мельницу.
V
(Щ
1—1 ш
f?
. ' г- ., у 11 ■ =
ни
IS40 6W7 SOW 4S6: 3970 3 077 13» 0993 0
Скорость |nV5i
Шд
Рис. 4. Траектории движения частиц в модели гидроциклона с разделительной областью
—Траектория частицы 1 —Траектория частицы 2 -Тр«КТОрМЯ Ч«СТИЦЬ1 3
— Траектория частицы 4
— Траектория частицы 5
— Траектория частицы 6
■2 0 2 4 6 0 10
Градалмм длина траектории [т]
Рис. 5. График зависимости скорости частиц и их траектории от нулевой точки входа потока в цилиндрическую часть гидроциклона из входного патрубка в модели модифицируемого гидроциклона
Установлено, что использование гидроциклона новой конструкции сократит количество повторных подач материала в гидроциклон по сравнению с используемой стандартной конструкцией.
Стоит отметить, что характер движения частиц в рабочей области модели гидроциклона с разделительной областью (рис. 3) отличается от стандартной модели (рис.2), а именно в том, что те частицы, которые оказались в нижней части конуса гидроциклона за счет дополнительной стенки после потери скорости, начинают образовывать направленный вверх водоворот и вновь набирая скорость выносятся через верхний слив, что позволяет улавливать большее количество мелких частиц в сравнении со стандартной конструкцией.
Выводы.
1. Предложено основное направление повышения эффективности классификации частиц, путем модификации гидроциклона ГЦК-360-10, путем организации разделительной области во входном патрубке, принимающим 2 потока жидкости с разной плотностью, одна из которых позволяет выводить крупные частицы пульпы из разделительной области на нижний слив.
2. Установлено, что для разработки моделей гидроциклонов и моделирования гидродинамического процесса целесообразно использовать CAD/CAE - систему SolidWorks, позволяющую строить модели, чертежи, решать вычислительную гидродинамику, проводить прочностные расчеты и вариативные исполнения различных конструкций.
3. Сравнительный анализ гидродинамического процесса показал, что конструкция гидроциклона с разделительной областью обладает большей эффективностью классификации частиц, чем конструкция стандартного аппарата, что обусловлено наличием перегородки в конической части гидроциклона, которая позволяет мелким частицам материала, попавшим в коническую область выйти на верхний слив, за счет образования в нижней части конуса направленного вверх водоворота.
4. Выявлено, характер движения частиц в ГЦК-360-10 имеет траектории частиц с размером 60 и менее мкм, которые по той или иной причине попадают в нижний слив, что в свою очередь увеличивает количество подач на домол в мельницу.
5. Установлено, что за счет омывания стенок разделительной области водой, скорость которой выше скорости пульпы, частицы крупной фракции быстро попадают на нижний слив за счет того, что плотность воды гораздо меньше плотности пульпы, из-за чего в нижней части конуса создается разрежение, и поэтому организуется направленный вверх водоворот частиц размером < 60 мкм. Это позволяет мелким частицам выходить на верхний слив из нижней части конуса, что уменьшает количество подач в мельницу на домол и позволяет экономить электроэнергию в сотни млн. руб в год.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках реализации федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030» с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В. Г. Шухова.
Список литературы
1. Терновский И.Г., Кутепов А.М. Гидроциклонирование. М.: Наука, 1994. 350 с.
2. Бауман А.В. Гидроциклоны. Теория и практика. Новосибирск, Б29 Гормашэкспорт, 2020. 56 с.
3. Лозовая С.Ю., Строкова В.В., Соловьева Л.Н., Огурцова Ю.Н., Гринев А.П. Исследования влияния тонкомолотого цементного камня на свойства цементного вяжущего // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 4. С. 56-60
4. Telichenko V.I., Sharapov R.R., Lozovaya S.Yu., Skel V.I. Analysis of the efficiency of the grinding process in closed circuit ball mills // MATEC Web of Conferences (см. в книгах). 2016. С. 04040.
5. Бащева Е. С., Лозовая С.Ю. Обзор конструкций гидроциклона для классификации огарков // Национальная конференция «Машины, агрегаты и процессы в строительной индустрии». 2023. С. 14-19.
6. Бащева Е. С., Лозовая С.Ю. Повышение эффективности подготовки пиритных огарков для корректировки свойств высокомарочных цементов // Национальная конференция «Машины, агрегаты и процессы в строительной индустрии». 2023. С. 10-13.
7. Лозовая С.Ю., Бащева Е. С. Совершенствование конструкции гидроциклона цилиндроконического типа // Национальная конференция «Машины, агрегаты и процессы в строительной индустрии». 2023. С. 46-51.
8. Богданов В.С. Технологические комплексы и линии для производства строительных материалов и изделий: Учеб. пособие / В. С. Богданов, А.А. Борщевский, А. С. Ильин, В.С. Струков, Ю.М. Фадин; под редакцией А.С. Ильина. М.: Изд-во АСВ; Б.: Изд-во БелГТУ, 2003. 199 с.
9. Bogdanov V.S., Fadin Y.M., Lozovaya S.Yu., Latyshev S.S., Bogdanov N.E., Vasilenko O.S. Ball mill power calculation with inclined partition // International Journal of Pharmacy and Technology. 2016. Т. 8. № 3. С. 19031-19041.
10. Алямовский А.А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций в среде SolidWorks / А.А. Алямов-ский. М.: ДМК Пресс, 2010. 293 c.
11. Зиновьев Д.А. Основы проектирования в SolidWorks. М.: Студия Vertex 2015. 277 с.
Лозовая Светлана Юрьевна, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова,
Бащева Екатерина Сергеевна, аспирант, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF SEPARATION OF PYRITE CINDER PARTICLES
IN PRESSURE-TYPE HYDROCYCLONES
S.Yu. Lozovaya, E.S. Bashcheva
The article considers the prospect of hydroclassification offine fraction materials (less than 60 microns) in various industries. The design and principle of operation ofpressure-type hydrocyclones ГЦК-360-10 and modified with a dividing area in the working area are described, their advantages and disadvantages are given. A new design of the hydrocyclone is presented, which makes it possible to capture particles of prepared pyrite cinder with a size of less than 60 microns. The design and principle of operation of the devices under study are described, their digital models for hydrodynamic modeling using CAD/CAE systems are created. Computer modeling is relevant in the development of new products, it allows you to evaluate the functionality and operability of the future product at the early stages of design, compare its effectiveness with existing equipment. It is shown that the new design of the hydrocyclone provides an opportunity to improve the ГЦК-360-10 apparatus, which is used at enterprises of various industries. It is established that the use of the new hydrocyclone design will reduce the number of repeated feeds into it, as well as reduce the number of repeated feeds into the grinding mill, which will save electricity in the hundreds of millions of rubles per year.
Key words: hydroclassification, particle separation efficiency, design, CAD/CAE system, energy intensity.
Lozovaya Svetlana Yuryevna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Bashcheva Ekaterina Sergeevna, postgraduate, [email protected], Russia, Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
