ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРАЦИИ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ ИМПУЛЬСНЫМИ ПОЛЯМИ

Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Назимко Е.И., Гарковенко Е.Е. Интенсификация процессов фильтрации тонкодисперсных угольных шламов импульсными полями // Горный информационно-аналитический бюллетень. М: Издательство Московского государственного горного университета. – 2003. – № 2. – с. 48-50

К товарным продуктам обогащения предъявляются определенные требования не только по качественным показателям, но и по влажности. Удаление влаги из осадков тонких классов, количество которых в сырье постоянно увеличивается, имеет наиболее высокие энергетические затраты.

Как установлено исследованиями [1-3], одним из основных параметров, характеризующих фильтрационные свойства осадков, является проницаемость, зависящая от пористости поровой среды осадка. При обогащении минерального сырья в большинстве случаев определяют влажность и реже гранулометрический состав осадков. Но микроструктура осадка определяется не только его гранулометрическим составом, а и параметрами динамического воздействия на осадок. Во многих аппаратах, применяемых при обезвоживании осадков, действуют сдвигающие усилия.

Например, в осадительных центрифугах при перемещении осадка при выходе твердой фазы из суспензии по стенкам осадительного ротора. В начальный период перед образованием слоя постели осадка, отжимаемая жидкость движется через зазор между кромкой витков шнека и поверхностью ротора вдоль его обечайки в осевом направлении в сторону увеличения диаметра ротора [4]. При этом происходит не только перемещение осадка вдоль ротора, но на осадок действуют и сдвигающие усилия со стороны шнека.

Эффективность процесса при этом определяется фактором осевой фильтрации Фос и зависит от величины осевой составляющей центробежной силы. В ходе работы центрифуги внутренняя поверхность ротора покрывается подушкой из частиц, зазор между кромкой витков шнека и обечайкой ротора плотно заполняется непроницаемым для жидкой фазы слоем измельченного шнеком осадка.

При формировании осадков происходит множество разных физических процессов. Основными являются гидродинамические, механические и фильтрационные.

Механические процессы включают компрессию (сжатие нормальными механическими усилиями), консолидацию (усадку твердой фазы во времени под действием постоянной нагрузки), сдвиг скелета твердой фазы от касательных напряжений.

Эти важные составляющие механической фазы формирования осадка характеризуются рядом параметров. Компрессионные характеристики осадка описываются коэффициентами компрессии, модулями деформации твердой фазы. При сдвиге твердой фазы касательными нагрузками необходимо знать предел прочности осадка на сдвиг, модуль сдвига, коэффициент разуплотнения, сопровождающие сдвиг и другие важные характеристики, которые не применялись в обогащении минерального сырья. Эти характеристики дают возможность оценить сжимаемость, прочность осадков, скорость фильтрации жидкости, а также энергоемкость механического обезвоживания. Эти параметры широко применяются в механике грунтов [5].

Микроструктура осадка определяется не только его гранулометрическим составом, но и параметрами динамического воздействия на осадок. Повышение эффективности обезвоживания труднофильтруемых осадков может быть достигнуто за счет использования динамического воздействия на осадок, являющегося наиболее простым и дешевым механическим методом. Это будет способствовать ускорению процесса переформирования каналов и агрегатов в осадке и как следствие повысит скорость перемещения жидкости. Одним из направлений использования динамического воздействия на осадок может быть наложение деформаций сдвига или сдвиговых полей.

Стандартным подходом для исследования различных сложных процессов является использование так называемых идеальных сред. В данном случае возможно рассмотрение идеальной среды осадка, сформированного сферическими частицами. При разных способах укладки частиц друг относительно друга получается осадок с различными свойствами пористого пространства [2]. Теоретически таких способов укладки можно набрать девять разновидностей. При этом пористость порового пространства будет изменяться в довольно широком интервале - от высокого значения n = 0.78 до низкого n = 0.26. В первом случае каждая сферическая частица касается трех соседних частиц, во втором касание обеспечивается с двенадцатью частицами и осадок соответственно имеет более плотную упаковку и капиллярные каналы меньшего диаметра.

Основным параметром, определяющим пористость осадка, является расположение шаровидных частиц друг относительно друга, т.е. способ их укладки. При различной упаковке частиц в осадке имеем капилляры, отличающиеся радиусом в 2.64 раза.

В реальных условиях формирование осадков носит случайный характер, т.к. форма частиц самая разнообразная и способы их укладки тоже. Соответственно случайным получается количество точек контакта и форма и размеры образующихся капилляров. Поэтому поровая среда реальных осадков имеет сложную структуру.

Схема изменения сложной структуры осадка при наложении сдвиговых деформаций к осадку при его гексагональной (наиболее плотной) упаковке показана на рисунке.

Сплошными линиями показана гексагональная упаковка сферических частиц в осадке. При приложении сдвиговых усилий происходит перемещение частиц 1 и 2 в положение 1' и 2', показанное пунктиром. Размер капилляров между частицами увеличивается от 3 до 3', (пунктир). При этом высота осадка также повышается на ΔН за счет увеличения капилляров. Происходит разуплотнение осадка при наложении сдвигающих усилий при наиболее плотной упаковке осадка.

Питанием фильтрования под действием перепада давления являются суспензии. С повышением концентрации твердой фазы в суспензии ее частицы (особенно при наличии тонких размокаемых глинистых пород) образуют сложные объемные структуры из агрегатированных частиц [5]. Когда агрегаты имеют достаточную устойчивость и сохраняют свою форму при образовании осадка на фильтровальной ткани, удаление жидкости происходит по межагрегатным каналам. При этом выделяют два вида пор: межагрегатные поры и поры в самих агрегатах. Размер сечения межагрегатных каналов зависит от крупности агрегатов и их гранулометрического состава. Размер пор в самих агрегатах обусловлен крупностью складывающих их частиц и порозностью агрегатов.

При продолжении процесса фильтрования вероятно сминание и разрушение агрегатов вследствие удаления влаги из них.

Осадки, содержащие в основном угольные частицы, относятся к несжимаемым зернистым, тонкие глинистые осадки относятся к связанным. Частицы здесь и агрегаты связаны между собой. Эти связи могут быть пластичными (водно-коллоидными) и жесткими (цементационно- кристаллизационными) [5]. При этом от связанности частиц в осадке зависит его сопротивление сдвигу, определяемое силами сцепления.

При свободном удалении жидкости любое внешнее давление, прилагаемое к водонасыщенным связанным осадкам, значительно изменяет их влажность и плотность, что в свою очередь влияет на общее сопротивление сдвигу. Параметры сопротивления сдвигу зависят от приложенного давления и условий в точках контакта частиц.

Исследование сложных процессов взаимодействия фаз при обезвоживании углей при различных способах воздействия на них позволяет определить пути повышения эффективности использования шламов в промышленности.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. М.: Химия. – 1980. – 398с

2. Бейлин М.И. Теоретические основы процессов обезвоживания углей. – М.: Недра, 1969. – 240 с.

3. Н. Anlauf and Н. R. Mutter, "Effect of the Weave Structure and Pore Size of Monofil Filter Cloths on the Process Result of Continuous Liquid Filtration with Cake Formation", Aufbereitungs Techmk 31(6), 293-303 (1990).

4. Каминский B.C. Центробежное обогащение углей и сланцев. М. : Недра. – 1967. – 278с.

5. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Выща школа. – 1979. – 272 с.