CC BY
21
УДК 622.767.555 В.Г. Черкасов
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ТОНКОСЛОЙНОГО ПРОСТРАНСТВА НА РАЗДЕЛИТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ ГИДРОВЗВЕСИ В ГРАВИТАЦИОННЫХ СЕПАРАТОРАХ
Семинар № 24
В последние время для интенсификации гравитационного процесса разделения гидровзвеси на твердую и жидкую фазу все шире в обогатительной практике находят применение тонкослойные аппараты (ТА). В зависимости от назначения их называют сгустителями, осветлителями, обезвоживателями, отстойниками с добавлением - канальные, многоярусные, полочные и т. д. Не зависимо от названия их рабочая полость представлена тонкослойным пространством, главный эффект которого заключается в резком сокращении глубины и увеличение в тех же пропорциях эффективной площади осаждения, что в свою очередь снижает время отстоя, объем и занимаемую площадь (по сравнению с радиальными отстойниками в 15...16 раз).
Отличительная особенность процесса выделения твердой фазы из гидровзвеси в ТА от обогатительных процессов в тонком слое известных устройств открытого типа (шлюзы, желоба, концентрационные столы) заключается в перемещении тонкодисперсных частиц, как правило, против ламинарного потока жидкой фазы с образованием прямой механической стратификации (двухслойного течения), причем образующиеся слои гидровзвеси ограничены стенками по всему периметру каналов.
Согласно проведенному анализу известных конструкций ТА как по назначению, так и по исполнению представлена их частная классификация, рис. 1. Из всего многообразия существующих технических решений объединяющим признаком этих аппаратов является наличие тонкослойного пространства, геометрия которого может быть весьма разнообразной и существенно влиять на разделительный процесс при сохранении неизменными всех остальных конструктивных и технологических параметров, материалоемкости.
Деление рабочего пространства на тонкие слои обеспечивает минимальное время tmin (с) нахождение минеральных частиц неустойчивой гидровзвеси во взвешенном состоянии с последующим выводом образовавшегося осадка с поверхности каналов, т.е.:
t — H — 0-отс (1)
min • _ о , (1)
w sin a <>w
где w, (м/с) - гидравлическая крупность частиц в объеме гидровзвеси 0отс, (м3), распределенной в тонкослойном пространстве с эффективной площадью S, (м2), расположенной под углом к горизонту а, высотой H, (м),.
Зависимость (1) показывает, что при фиксированном QOT(: добиться tmin
Рис. 1. Частная классификация тонкослойных аппаратов
можно уменьшением Н, увеличением ш, Б или одновременно применив Нтт, штах, Бтах. Поэтому активный подъем по внедрению ТА относится к 50-60-м годам прошлого века, когда с
бурным развитием химической промышленности и последующим использованием различных интенсификаторов (коагулянтов и флокулянтов) соотношение (1) заработало в полную силу.
Так как QOTC = SH/sina и a = const, то сохраняя QOTC= const и не нарушая технологического режима можно варьировать в широком диапазоне соотношением S и H, которые формируют геометрию тонкослойного пространства.
В известных конструкциях ТА наибольшее распространение получили плоские каналы как наиболее технологичные в изготовлении. В США признаны перспективными трубчатые элементы различной конфигурации, которые собираются в виде пакетов (модулей), что позволяет их изготовление из пластмасс методом экструзии, получая сотовидную структуру.
Для оценки влияния формы тонкослойных элементов на разделительный процесс песчано-глинистой гидровзвеси проведен ряд экспериментальных исследований на физической модели ТА, выполненной из прозрачных материалов и представляющей наклонную продольно вытянутую оболочку, заполненную сменными каналами.
Весь гравитационный процесс выделения твердой фазы из гидровзвеси в рабочем пространстве разбит на два этапа. На первом этапе частицы из взвешенного состояния ламинарного потока переходят на стенки каналов, и его максимальная продолжительность определяется согласно (1). На втором этапе образовавшийся осадок сползает по тонкослойным элементам в накопительную часть аппарата, при этом в каналах образуется прямая механическая стратификация [1], на значение которой в разделительном процессе должного внимания со стороны исследователей не уделяется.
Разделительная способность тонкослойного пространства оценивалась относительной концентрацией твердой фазы в сливе (ссл) с выходом
80 % от исходного питания с концентрацией сисх = 100 г/дм3 частиц класса - 74 мкм плотностью р = 2600 кг/м3. В зависимости от средней скорости исходного потока в тонкослойных элементах Уср на рис. 2 представлены графические зависимости качества слива от формы поперечных сечений каналов.
Повышение разделительной способности по варианту 2 в сравнении с вариантом 1 вызвано устойчивостью стратификации в канале за счет локальной концентрации твердой фазы в осадке и резкого сокращения динамического слоя с площадью контакта встречных потоков осадочного слоя и исходной гидровзвеси. Аналогичная зависимость проявляется и для вариантов 3; 4 и 5. При сохранении всех остальных параметров условный расход на материалы каналов из расчета по смоченному периметру составил: вариант 3-1,0; вариант 4-1,4; вариант 5-2,9. Полученные качественные показатели разделительной способности не совпадают с расходной частью на материалы каналов. Из сравниваемых вариантов по технологическим показателям с минимизацией затрат на материалы тонкослойных элементов (наиболее затратная часть ТА) эффективнее применять гофрированные элементы (вариант 4), которые позволяют локализовать осадок внутри каналов. Механизм формирования локального перемещения осадка из рабочего пространства снижает циркуляционные токи в каналах за счет сокращения площади динамического раздела потоков и, как следствие, снос твердой фазы в слив.
Учитывая, что в теоретических расчетах [2] используются параметры плоских каналов с высотой (Н) и шириной (В), то, при использовании элементов сложной конфигурации не нарушая расчетных зависимостей,
Скорость исходного потока, м/с
Рис. 2. Влияние формы поперечного сечения каналов на разделительную способность тонкослойного пространства
определены значения приведенных характеристик, как для сечения каналов, так и для сечения осадка, которые получены из равенства пропускной способности в сравнении с базовым вариантом. Для наиболее простых форм каналов с технологиче-
ской точки зрения их изготовления эти параметры приводятся в таблице.
Понизить динамическое действие подвижного слоя осадка на циркуляционные токи твердой фазы внутри канала можно путем комбинированного сочетания продольной и поперечной
Рис. 3. Влияние геометрии продольного деления тонкослойного пространства на разделительную способность ТА, где ] - число секций (кассет)
Таблица
Приведенные параметры каналов с различной конфигурацией формы поперечного сечения
Базовые варианты поперечного сечения канала
Парам
етры
Форма поперечного сечения канала и его приведенные параметры
_*_ВПр——*- Н в, ч Л /\ / г-—в, А
о. с д ж в, с Ж Ґ С - .Л, ,
^ ^ - — — —
Н; В3 0,890 1,61а
Н;В3 0,890 1,61а
Н
В,; ы*>
Н;
Я"
сое 0,5а
Н
В,;Ш
Базовые варианты поперечного сечения осадка
Парам
етры
Форма поперечного сечения слоя осадка и его приведенные параметры
пр
0,5Вз
В
пр
к
В.
в
гпах
В.
2Ь
0,5В3
Вхк
гО В,А
^тах П^тгл ^тах
пВ,
тах
Вщях
**>
п - количество шагов I по ширине В;
для симметричных сечений по двум осям за базовый вариант принят квадрат.
схем массопотков в тонкослойном пространстве, в результате чего осевший продукт выводится из зоны разделения на промежуточных этапах его транспортирования к разгрузочной насадке. При этом кратно снижается высота осадочного слоя в каналах и его скорость сползания.
Для этого тонкослойное пространство, сохраняя общие параметры, меняет геометрическую форму и представляет систему продольных каналов, выполненных в виде самостоятельных секций (кассет), установленных в оболочке последовательно с поперечным и продольным наклоном. Деление каналов на секции и сочетание продольно-поперечного наклона тонкослойных элементов обеспечивает рациональную схему массопотоков, а взаимный разворот смежных секций позволяет активизировать пограничные участки каналов, где наиболее интенсивно осаждается твердая фаза. Результаты проведенных экспериментов по трем вариантам геометрического деления тонкослойного пространства представлены на рис. 3. Исходные данные соответствуют выше приведенным исследованиям.
Количественная оценка повышения разделительной способности вто-
1. Черкасов В.Г., Черкасов A.B., Лисични-ков А.П. Формирование стратифицированного течения при обогащении тонкодисперсной фракции ценного компонента // Горн. информ.-аналит. бюл. - 2002. - №3. - С.240-242.
2. Черкасов В.Г. Аналитический метод оценки распределительных свойств обогатительных аппаратов полидисперсных потоков // Горн. информ.-аналит. бюл. - 2005. - №4. - С.331-335.
рой схемы по сравнению с первой схемой соответствует эффекту третьей схемы перед второй.
Проведенная серия опытов показывает, что на разделительную способность ТА оказывает влияние не только высота каналов (Н) и их эффективная площадь (Б), но и геометрия самого тонкослойного пространства. Не меняя рабочего объема и эффективной площади осаждения, при всех равных остальных параметрах ТА, можно интенсифицировать процесс выделения твердой фазы путем выбора рациональной конфигурации тонкослойных элементов и их расположения.
Локализация осадочного слоя с последующей транспортировкой из рабочей зоны создает благоприятные условия для сегрегации тяжелой фракции тонкодисперсных частиц ценного компонента с дифференцированным (по плотности частиц) вы-во дом концентрата из полости ТА [3, 4]. Такой подход расширяет функциональные возможности ТА и дает возможности использовать их как обогатительное оборудование.
Конструктивная реализация выявленных резервов тонкослойного пространства защищена патентами (1692028, 2248848).
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Мязин В.П., Черкасов В.Г. Разработка систем водооборота для мобильных обогатительных фабрик // Обогащение руд. - 2004. - №2. -С. 35-37.
4. Мязин В.П., Черкасов В.Г. Расширение функциональных возможностей тонкослойных аппаратов с целью извлечения тяжелой фракции ценного компонента // Горн, информ.-аналит. бюл. - 2005. - №1. - С. 326-330. ШИН
__Коротко об авторах_______________________________________________________________
Черкасов Валерий Георгиевич - кандидат технических наук, доцент, Читинский государственный университет (ЧитГУ).
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 24 симпозиума «Неделя горняка-2006». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.М. Авдохин.
