КОНКУРСНА РОБОТА ДО СТИПЕНДІАЛЬНОЇ ПРОГРАМИ ФОНДУ ВІКТОРА ПІНЧУКА "ЗАВТРА.UA", 2007 р.
Дослідження сепараційних характеристик гідроциклонів
Г.О.Сербіненко, О.І.Назимко
Донецький Національний Технічний Університет
ВСТУПНА ЧАСТИНА
В зв'язку з розвитком промисловостi забруднення атмосфери, грунту та водосховищ стало однією з найбільш гострих проблем сучасності. Проектування і експлуатація будь-якого підприємства повинні враховувати комплексне рішення технологічних та техніко-економічних завдань, зв'язаних з екологічними аспектами. Однім із дійових чинників боротьби з забрудненням водних басейнів є організація безвідходних виробництв і технологічних схем з оборотним водопостачанням.
При збагачуванні вугілля розходується 3-4 м3 води на тонну сировини. Вода, що проходить технологічний цикл, насичується тонкішими частинками твердого, мінеральними солями і різноманітними органічними речовинами. Для очищення вод, які використовуються багаторазово, від зависі на вуглезбагачувальних фабриках діють водно-шламові системи. Водно-шламове господарство уявляє собою складний комплекс, який включає класифікацію частинок по крупностi, прояснення шламових вод, згущення та зневоднення шламів, зневоднення та складування продуктів збагачення. В технології переробки вугілля водно-шламові процеси займають все більшу питому вагу в зв'язку з постійним збільшенням кількості дрібних класів у вугіллі, що добувається (до 30%). Встановлено, що при споруді фабрики витрати на водно-шламові процеси досягають 45-50%.
Внаслідок багаторазового використання великих кількостей води в технологічних процесах і неповного виведення тонкодисперсних частинок із замкнутих циклів відбувається накопичування шламів в системі. Тонкий шлам важко обробляється, підвищує в’язкість оборотної води, ускладнює гравітаційне збагачування, зневоднення. Оборотна вода, що містить шлам, набуває нові властивості в порівнянні з чистою технічною водою. Із-за насичення оборотної води тонкими глинястими частинками її в’язкість підвищується. При цьому тверді частинки знаходяться в воді в зваженому стані, хоча їх густина вище густини води. Наявність зависі, мінеральних і органічних домішків, а також динаміка накопичування їх в чималій мірі негативно впливають на показники не тільки гравітаційних сепараційних процесів, а й на флотацію, флокуляцію та зневоднення. При цьому підвищується нижня межа зернин, що збагачуються ефективно. Щоб добитися необхідного вмісту твердого в оборотній воді застосовуються різноманітні водно-шламові схеми.
Встановлено, що додаткове виникнення тонких шламів залежить від циркуляції продуктів і кількості зернистого шламу, що надходить в систему, а також від фізичних властивостей вугілля і супутніх порід [1]. Керуємим чинником є циркуляція струмів, що залежить від побудови замкнутої водно-шламової схеми. Для опрацювання раціональних варіантів побудови водно-шламових схем необхідно детальне дослідження режимів роботи апаратів, що складають ці схеми. Це дозволить надійно прогнозувати очікувані показники роботи окремих апаратів та системи в цілому.
Головною проблемою при класифікації і згущеннi шламів та проясненні оборотних вод є низькі швидкості осадження тонких часток. Підвищити швидкість їх руху можна з використанням відцентрової сили. Найбільш простими апаратами, принцип дії яких заснований на застосуванні відцентрового поля, є гiдроциклони, що широко застосовуються на підприємствах для класифікації, згущення і збагачування вугільних шламів.
Для опрацювання раціональних водно-шламових схем необхідно управляти кількістю струмів, що циркулюють, а також якістю розділення в апаратах системи. При накопиченні шламів в системі в процесі багаторазового використання оборотної води змінюються гранулометричний склад живлення гідроциклонів і відповідно їх сепараційні характеристики.
ОСНОВНА ЧАСТИНА
Достатньо широко в технологічних схемах застосовуються радіальні згущувачі та гідроциклони [2, 9, 18]. По дослідженню роботи радiальних згущувачів, в яких осадження іде в полі гравітаційних сил, відомий ряд робіт [3, 4]. Дослідженнями, що проводилися раніше для гідроциклонів [5] встановлено, що при обробці шламових вод відбувається перерозподілення фракцій крупності твердої фази. Головними параметрами, що визначають результати роботи апаратів є зміна густини пульпи, гранулометричного складу і швидкостей частинок [6].
Для моделювання роботи промислових гідроциклонів була використана лабораторна гідроциклонна установка, що призначена для проведення лабораторних і полупромислових випробувань мінеральної сировини при класифікації і збагаченні. Пульпа, яка опрацьовується, подається в зумпф, призначений для утворення умов її ефективного перемішування, звідки насосом перекачується в гiдроциклон. Вибір шламу для проведення лабораторних досліджень зроблений з урахуванням характерних особливостей мінеральних домішок [11], що розповсюджені в трьох основних вугільних районах Донбасу: Червоноармійському, Донецько-Макіївському і Центральному. Для експериментального дослідження прийнятий шлам крупністю 0-1 мм, виділений із підрешетних вод ЦЗФ "Пролетарська" Донецько-Макіївського району. Для проведення досліджень використалися штучні суміші різноманітних класів крупностi із цього шламу. Перед проведенням експериментів шлам тривалий час знаходився в воді, періодично перевірявся вміст класу -0,063 мм. Опити проводилися після встановлення постійного вмісту зазначеного класу в вихідному матеріалі. Така підготовка була необхідна для винятку розмокання порід і шламоутворення під час проведення експериментів. Необхідні класи крупностi підготовлялися шляхом відмивання на ситах з розміром отворів 0,1, 0,2, 0,3 і 0,5 мм. Крупність максимального зерна не перевищувала 1 мм, зольність коливалась в межах від 25 до 47% для класу 0,5-1 та <0,063 мм відповідно.
По даним робіт [8, 9] мінімальним розміром граничного зерна при класифікації вугілля в гiдроциклонах прийнято вважати 0,15 мм, проте при ретельному регулюванню можна одержати достатньо чітке розділення по зерну 50 мікрометрів. Спеціальні випробування показали, що за короткий час перебування матеріалу в гiдроциклоні подрібнення його незначне, незважаючи на наявність великих швидкостей руху пульпи.
Питанням моделювання роботи гiдроциклонів присвячено багато досліджень [12-14, 16, 17]. В основу гідродинамічної і технологічної подiбності процесів, що відбуваються в моделі і натурі гiдроциклонів, покладено додержання геометричної, кiнематичної і гідродинамічної подібності, подібності фізичних величин, початкових і граничних умов. Геометрична подібність дотримується при рівності відносин всіх схожих лiнійних розмірів натури і моделі гiдроциклонів.
Для гiдроциклонів ГЦ-500, ГЦ-1000 і моделі виконується геометрична подібність, константа геометричної подiбності рівняється 10 і 20 відповідно. Як зазначається в роботах А.І. Денисенко, для струмів, що рухаються подібно, в схожих крапках моделі і натури гiдроциклонів повинні дотримуватися умови рівності чинників розділення, числа Рейнольдса, і параметра швидкості Eu.
В роботі [13] відзначається, що одночасне виконання умов Re = idem, Fr = idem при μ = const та постійності об'ємної концентрації твердої фази досягти Ф = const неможливо. Тому моделювання треба виконувати роздільно, зокрема використати чинник розділення при дослідженні процесів руху і розділення частинок.
В роботі [1] приводиться залежність тангенціальної швидкості від радіусу гiдроциклона і тиснення, що одержана проф. Д. Кельсаллом, із якої слідує, що при тисненні майже 70 кПа при радіусі 25 мм тангенціальна швидкість складає приблизно 4,1 м/с. Там також приводяться відомості про те, що в гiдроциклоні діаметром 500 мм при напорі 120 кПа на радіусі 250 мм тангенціальна швидкість складає 13,2 м/с. При використанні цих даних одержані близькі значення чинника розділення для моделі і натури: 68,5 і 71 відповідно. Можна вважати, що по цьому критерію подібність натури і прийнятої фізичної моделі виконується.
При накопичуванні шламів в процесі роботи систем прояснення оборотних вод в різноманітних струмах збільшується вміст тонких класів. Тому для з'ясування напряму зміни коефіцієнтів розподілу шламів (витягів) при проведенні лабораторних досліджень вихідна пульпа підготовлялася з вмістом класу менш 0.1 мм від 20 до 50%. Вміст твердого в живленні лабораторної установки було прийнято постійним і дорівнював 180 кг/м3. На кожній крупностi живлення проводилася серія з трьох експериментів. Для оцінки технологічних результатів злив і згущений продукт піддавались мокрому ситовому аналізу, визначався вміст твердого в кожному із продуктів. В ході виконання досліджень роботи лабораторної гiдроциклонної установки розмір граничного зерна визначався по засобу Дальстрома (засіб d3). Для визначення граничної крупностi розділення дані розрахунків наносились на діаграму (рис. 1).
Проведені аналізи продуктів і обчислення показали, що крупність розділення на лабораторній установці залежить від крупностi живлення і змінюється в iнтервалі від 0.12 до 0.25 мм при зміні вмісту класу менш 0.1 мм в живленні від 50 до 20%, відповідно (рис. 1). Прийнята середня крупність розділення, яка дорівнює 0.2 мм.
Для умов гідродинамічної подiбності моделі і натури гiдроциклонів необхідно, щоб Re" = Re'. При граничній крупностi розділення моделі 0,2 мм і натури 0,08 мм (ГЦ-500, ЦЗФ "Луганська") одержані близькі значення Re" = 1,23х106 і Re' = 1,04х106, що свідчить про виконання гідродинамічної подiбності. Таким чином, лабораторна установка здібна моделювати роботу промислових гiдроциклонів (зокрема ГЦ-500).
По результатам досліджень були розраховані сепараційні характеристики. Оскільки вони симетричні, тому на рис. 2 приведена одна характеристика - для зливу. На підставі одержаних сепараційних характеристик виконані розрахунки середнього імовірного відхилення по залежності:
Epm = ( d25 -d75 ) / 2,
де d25 і d75 - середній розмір класів, 25 і 75% яких витягується в злив, відповідно.
Встановлене, що гранична крупність розділення зменшується від 0.25 до 0.12 мм, а середнє імовірне відхилення збільшується від 0.49 до 0.59 мм при збільшенні вмісту тонких часток в живленні лабораторної установки від 20 до 50%. Таким чином, при накопичуванні тонких частинок в живленні гiдроциклону гранична крупність розділення може змінюватися в межах від 0.1 до 0.75 мм.
По результатам мокрого ситового аналізу продуктів розділення в лабораторному гiдроциклоні розрахован витяг класів понад і менш прийнятої середньої граничної крупностi розділення в 0.2 мм в піски і злив, відповідно. Графіки зміни витягу залежно від крупностi живлення представлені на рис. 3.
Проведені експерименти свідчать про те, що зі збільшенням вмісту класу -0.1 мм в живленні гiдроциклона витяг тонких класів в злив зростає із 55 до 65%, а витяг зернистого матеріалу в піски знижується із 63 до 55%. Результати досліджень цілком узгоджуються з теоретичними передумовами робіт [7-10].
Експериментальні дані опрацьовувалися спеціальним пакетом програм Statistica. При цьому одержані рівняння залежності витягу класів понад і менш граничної крупностi в продукти розділення від вмісту тонких класів в живленні
Проведена статистична обробка свідчить про те, що одержані експериментальні дані з надійністю 95% дозволяють визначити зміну витягу граничних класів крупностi в продукти розділення лабораторної гiдроциклонної установки.
ВИСНОВКИ
Виконані теоретичні і експериментальні дослідження дозволяють укласти, що:
1. Лабораторна гiдроциклонна установка може моделювати роботу промислових гiдроциклонів, зокрема ГЦ-500.
2. Гранична крупність розділення зменшується від 0.25 до 0.12 мм при збільшенні вмісту тонких часток в живленні лабораторної установки від 20 до 50%.
3. В цих же умовах середнє імовірне відхилення збільшується від 0.49 до 0.59 мм.
4. При накопиченні тонких частинок в живленні гiдроциклону гранична крупність розділення може змінюватися в межах від 0.1 до 0.75 мм.
5. Зі збільшенням вмісту класу -0.1 мм в живленні гiдроциклону витяг тонких класів в злив зростає із 55 до 65%, а витяг зернистого матеріалу в піски знижується із 63 до 55%.
6. Одержані експериментальні дані з надійністю 95% дозволяють визначити зміну витягу граничних класів крупностi в продукти розділення лабораторної гiдроциклонної установки.
7. Результати досліджень можуть бути використаними при теоретичному прогнозуванні ефективності вловлювання шламів з оборотної води та при проектуванні топології водно-шламової системи підприємства. Це дає змогу вибрати найбільш ефективний варіант.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Оборотное водоснабжение углеобогатительных фабрик / И.С. Благов и др. - М.: Недра, 1998. - 215с.
2. Фоменко Т.Г., Бутовецкий В.С., Погарцева Е.И. Водно-шламовое хозяйство углеобогатительных фабрик.- М.: Недра, 1994. - 352с.
3. Самойлик Г.В. Применение радиальных сгустителей для осветления оборотной воды углеобогатительной фабрики // Уголь Украины. - 1996.-N9.-С.43-44.
4. Пилов П.И. Научные основы сепарации и водопотребления при обогащении руд. Автореф. дис...докт. техн. наук. - Днепропетровск, 1993. - 44с.
5. Рекомендации по применению гидроциклонов в водно-шламовых схемах углеобогатительных фабрик / А.А. Безверхий, С.М. Ходос, В.Е. Федорченко и др.-Луганск: УкрНИИуглеобогащение, 1999. - 36с.
©2008 ДонНТУ, Сербiненко Г.О.