скачать книгу бесплатно
где ?
– предельное напряжение сдвига вязко-пластичной среды (суспензии); остальные обозначения прежние.
Определение величины ?? связано с решением дифференциального уравнения движения, учитывающего сумму действующих сил.
Коэффициент макродиффузии В определяется действием двух факторов: макроскопической неоднородностью скорости потока (градиент горизонтальной составляющей скорости по глубине потока в проточной части ванны сепаратора) В
и турбулизацией суспензии при движении крупных зерен обогащаемого материала В
. Очевидно, что эти факторы действуют независимо друг от друга и что полный коэффициент диффузионного массопереноса
В принципе такое равенство допустимо, так как при взаимном влиянии указанных возмущений результирующее воздействие может быть учтено введением поправочных коэффициентов
При движении зерен в потоке, имеющем градиент горизонтальной скорости, коэффициент диффузионного массопереноса (называемый в этом случае иногда турбулентной вязкостью) может быть выражен как
Таким образом, В
зависит от максимального размера стационарного вихря h
(он равен или меньше глубины ванны сепаратора), разности максимального ?
.
и минимального ?
.
значений скорости потока и коэффициента турбулентной вязкости K.
Объяснением вертикальных перемещений зерен может служить наличие стационарных циркуляций суспензии, переносящих зерна разделившегося материала в ниже- или вышележащие слои. По большей части такие циркуляционные потоки возникают в застойных зонах, т. е. в зонах с пониженной скоростью движения суспензии.
В процессе перемещения в ванне сепаратора за каждым крупным зерном возникает вихревая дорожка, взаимодействие таких вихрей турбулизует весь объем суспензии.
Учитывая, что размер застойных зон, где происходит образование циркуляционных потоков, сопоставим по порядку величин с размером ванны, а размер последней, как правило, на порядок и более превосходит максимальный размер зерна обогащаемого материала, для всех зерен коэффициент В
можно считать постоянным, зависящим только от гидродинамики потока суспензии в ванне сепаратора. Следовательно, в уравнении (2.12) ? ? 1.
Для коэффициента В
такое допущение неправомерно, так как линейные размеры турбулентных вихрей, вызываемых движением в ванне зерен обогащаемого материала, сопоставимы с их размером.
Для оценки взаимосвязи турбулентного режима движения суспензии с крупностью зерен обогащаемого материала следует определить размер зерна, для которого вязкостное сопротивление равно профильному.
Из уравнений равенства суммы движущихся сил и сил сопротивления
и сил вязкостного и профильного сопротивлений
решенных относительно v (при условии ? ? ?/10), получим:
– для вязкостного сопротивления
– для профильного сопротивления
Графическое решение системы уравнений относительно d при характерных параметрах работы тяжелосредного сепаратора (?
– ?
=100 кг/м
, ?
=2000 кг/м
, µ=10
Па·с, ?
=6 н/м
) дает размер граничного зерна d
= 15 мм, что близко к нижнему пределу крупности (примерно 13 мм) угля, эффективно обогащаемого в сепараторах.
Для зерен крупностью d ? d
при этих условиях преобладает вязкостное сопротивление, для зерен крупностью d ? d
– профильное сопротивление, т. е. в первом случае в качестве коэффициента диффузионного массопереноса превалирует В
(В ? В
), во втором – В
(В ? В
).
Исходя их этих соображений, можно полагать, что при выбранных параметрах процесса энергия турбулентных пульсаций в ванне сепаратора пропорциональна единовременной концентрации материала крупностью более d
, т. е. дисперсия турбулентных пульсаций D
зависит от производительности сепаратора, гранулометрического и фракционного состава питания, плотности, вязкости и предельного напряжения сдвига суспензии:
где Р(?
, d) – распределение обогащаемого материала по плотности и крупности.
Приняв линейный размер турбулентной пульсации L = d
, можно оценить случайную составляющую скорости турбулентных пульсаций:
где ?(t) – вертикальная скорость потока суспензии, м/с; ?? – среднее значение вертикальной скорости потока, м/с; ?
– максимальная скорость движения частицы размером d
, м/с; K
– коэффициент пропорциональности (K
<1);
Рассматривая отношение усредненной скорости потока суспензии к полному значению коэффициента диффузионного массопереноса, следует заметить, что при ??/B?0 разделение не происходит, при ??/B?? разделение приближается к идеальному.
Очевидно, что при прочих равных условиях наибольшая скорость закономерного перемещения зерна достигается при наименьших значениях динамической вязкости и предельного напряжения сдвига суспензии. Увеличение средней скорости перемещения зерна повышает отношение ??/B и уменьшает погрешность разделения.
Минимизация величины В также улучшает условия разделения, однако для этого необходимо уменьшить масштаб циркуляций h
и неоднородность горизонтальных скоростей потока суспензии ?
– ?
.
Приведенные теоретические предпосылки определяют следующие основные направления совершенствования процесса обогащения углей в тяжелосредных сепараторах:
оптимизация гидродинамической формы ванны путем устранения застойных зон и сведения к минимуму неоднородности горизонтальных скоростей потоков;
улучшение реологических параметров тяжелой среды;
разделение узких классов обогащаемого материала при минимальном содержании зерен, размер которых меньше нижнего предела крупности (обычно d
? 13 мм).
Как уже отмечалось, гидродинамические условия в ванне сепаратора существенно сказываются на характере движения разделяемых херен, причем возмущающее действие турбулентного перемешивания по масштабу сопоставимо с воздействием реологических факторов суспензии (вязкости и предельного напряжения сдвига).
Замеры скоростей потоков суспензии по всему объему ванны сепаратора с помощью датчиков скорости (термогидрометры) и методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) показали их существенную неоднородность. Неоднородность скоростей потоков суспензии, как было показано теоретически, является основной причиной возникновения вторичных циркуляций суспензии, наличия зон пониженных скоростей (застойных зон), что приводит к нарушению четкости разделения материала и неравномерности плотности суспензии в ванне сепаратора.
Выбор оптимального соотношения горизонтального (транспортного) и вертикального (восходящего) потоков позволяет несколько улучшить равномерность поля плотности суспензии, однако при любых соотношениях потоков полностью ликвидировать участки неравномерной плотности не удается. Радикальным способом создания более равномерного поля плотности и общего улучшения гидродинамических условий разделения в рабочей ванне сепаратора является оптимизация ее формы.
Исследование методом ЭГДА ванн наиболее распространенных отечественных двухпродуктовых тяжелосредных сепараторов с наклонным (СК) и вертикальным (СКВ) элеваторными колесами позволило получить гидродинамическую картину движения потоков суспензии.
Оценка поля скоростей производилась с помощью коэффициента неравномерности
Гидродинамическое совершенство формы ванны определялось по коэффициенту совершенства формы
где S
– площадь застойных зон в центральном сечении ванны сепаратора (зон с минимальными скоростями потока); S
– общая площадь сечения ванны.
В результате исследований установлено, что внутри проточной части ванн сепараторов СК и СКВ имеются застойные зоны, расположенные преимущественно под загрузочным и разгрузочным (для легкой фракции) желобами у боковых стенок. В сепараторе СКВП желоба вынесены за пределы ванны, улучшена конфигурация проточной части, кроме того, с помощью специального загрузочно-распределительного устройства упорядочена подача горизонтального потока суспензии.
Сравнение коэффициентов К
и К
, полученных И.А. Доброхотовой и В.И. Жорником. приведено ниже:
Внутри ванны оптимальной формы (сепаратор СКВП) отсутствуют зоны со значительной неоднородностью скоростей, вызывающей циркуляционные потоки, а также зоны с малыми значениями скоростей (застойные зоны), что способствует повышению производительности сепаратора и эффективности разделения обогащаемого материала.
Опыты на лабораторном сепараторе для углей крупностью 13–25 мм показали, что в ванне оптимизированной формы разделение проходит более интенсивно по сравнению с разделением в ванне обычной формы: время разделения уменьшается почти вдвое (соответственно растет производительность), а эффективность разделения существенно улучшается (Е
= 48 кг/м
и Е
= 25 кг/м
соответственно).
Более детальные экспериментальные исследования были проведены на полупромышленном сепараторе также с ваннами двух типов (стандартной и оптимизированной), имевшими одинаковую ширину 0,44 м.
Рис. 2.2. Зависимость показателя эффективности разделения Е
от производительности Q для ванны стандартной (1) и оптимизированной (2) форм
В качестве примера на рис. 2.2 показана зависимость эффективности разделения от производительности для одного и того же весьма труднообогатимого угля крупностью >13 мм при обогащении в сепараторе с ваннами двух типов.
Увеличение нагрузки на ванну стандартной формы сопровождается резким ухудшением эффективности разделения во всем диапазоне производительностей. Ванна оптимизированной формы позволяет достичь лучшей эффективности разделения до предела нагрузочной устойчивости, после чего показатели обогащения также ухудшаются.
В промышленных сепараторах суспензия обычно загрязнена угольным и породным шламами, что ухудшает ее реологические свойства. Поэтому снижение вязкости и предельного напряжения сдвига рабочей суспензии является одним из средств воздействия на результаты обогащения.
Введение в концентрированные, сильно зашламленные суспензии реагента-пептизатора (например, гексаметафосфата натрия) при расходе 1–1,5 кг/м
заметно улучшает реологические параметры среды и повышает эффективность разделения.
В опытах, проведенных на полупромышленном тяжелосредном сепараторе, было показано, что добавка гексаметафосфата натрия (1 кг/м
) в суспензию плотностью 1800 кг/м
(концентрация шлама около 35 %) снижает ее вязкость с 11,2·10
до 9,4·10
Па·с, а предельное напряжение сдвига – с 12 до 7,8 Н/м
. При этом эффективность разделения соответственно улучшается с Е
