Сепарация в тяжелых средах

6.2.1. Технология сепарации в суспензиях

В промышленных условиях в качестве тяжелых сред используют суспензии. Их особенностью является нестабильность, связанная с осаждением частиц утяжелителя. Это приводит к неравномерному распределению его концентрации в объеме суспензии и, соответственно, к изменению плотности суспензии.

Стабилизацию суспензии можно осуществить за счет:

ü уменьшения крупности частиц утяжелителя;

ü снижения времени пребывания суспензии в рабочем объеме сепаратора;

ü создания восходящих потоков суспензии;

ü изменения поверхностных свойств частиц утяжелителя за счет применения реагентов;

ü изменения реологических свойств дисперсионной среды, например, путем увеличения ее вязкости при использовании глинистых растворов.

Суспензия при ее длительном использовании насыщается тонкодисперсными шламами, содержащимися в исходном для сепарации продукте (первичные шламы), и образующимися при истирании и размокании обогащаемого материала в процессе сепарации (вторичные шламы). Такое насыщение приводит к увеличению вязкости суспензии за счет увеличения объемной концентрации твердой фазы, и изменения ее дисперсности. Для восстановления реологических свойств суспензий применяют регенерацию утяжелителя. Ее сущность состоит в извлечении из насыщенной шламами суспензии утяжелителя и возвращения его в приготовления кондиционной суспензии. Для извлечения утяжелителя, в зависимости от его свойств, используют наиболее рациональный процесс сепарации, например, гидравлическую классификацию, магнитную сепарацию, флотацию. В случае использования магнетита или ферросилиция для регенерации применяют магнитную сепарацию.

Рис. 6.6. Принципиальная схема обогащения полезных ископаемых в тяжелых суспензиях.

После извлечения утяжелителя насыщенная шламами вода направляется на обработку в отдельный цикл. Количество шламов, выводимых с этой водой должно быть больше или равно суммарному количеству первичных и вторичных шламов, поступающих в суспензию. При соблюдении этого условия накопления шламов в суспензии не происходит, и рабочая суспензия будет сохранять свои реологические свойства.

На регенерацию направляют всю некондиционную суспензию, образовавшуюся при отмывке утяжелителя с поверхности кусков продуктов сепарации, а также часть кондиционной суспензии для выполнения условия не накопления шламов, сформулированного выше.

В процессе сепарации требуется поддержание необходимых свойств рабочей суспензии и сохранение утяжелителя. Поэтому технология обогащения в тяжелых суспензиях должна включать: подготовку исходного материала по крупности и его дешламацию, которая осуществляется при мокром грохочении, отделение суспензии от легкого продукта, отмывку утяжелителя от продуктов сепарации, регенерацию некондиционной и части кондиционной суспензии (рис.6.6).

6.2.1. Сепараторы для обогащения в суспензиях и их классификация

Обогащение в тяжелых суспензиях средне- и крупнокускового материала производят в сепараторах, принцип работы которых основан на всплывании кусков, плотность которых меньше плотности суспензии. Обогащение мелкозернистого материала осуществляется в центробежных сепараторах (гидроциклонах).

Сепараторы для обогащения в тяжелых средах должны обеспечивать подачу исходного материала, разгрузку продуктов сепарации, подвод рабочей суспензии. Собственно сепарация осуществляется в рабочем пространстве, представляющем собой ванну у сепараторов со статическими условиями сепарации, либо вращающийся барабан у сепараторов с динамическими условиями сепарации. В качестве примера рассмотрим принцип действия сепаратора со статическими условиями сепарации и с разгрузкой тяжелой фракции с помощью элеваторного колеса (рис.6.7).

Рис. 6.7. Принципиальная схема сепаратора для обогащения в тяжелых средах

В рабочий объем сепаратора, ограниченный его ванной поступает тяжелая суспензия заданной плотности. Ее подача осуществляется снизу (примерно 2/3 общего расхода) для создания восходящего потока для поддержания равномерной концентрации утяжелителя. Примерно 1/3 суспензии подается в верхнюю часть ванны со стороны подачи исходного продукта. Это необходимо для поддержания необходимой горизонтальной скорости течения суспензии в сторону сливного порога.

Исходный продукт по наклонному щиту равномерно вводится в суспензию. Куски с плотностью, большей плотности суспензии, тонут и попадают в ковши элеваторного колеса, образованные перфорированными перегородками. При вращении колеса они поднимаются выше уровня суспензии. Захваченная суспензия стекает в ванну, а отделенный от нее тяжелый продукт выгружается при дальнейшем вращении колеса.

Куски, плотностью, меньшей плотности суспензии, остаются в ее верхних слоях, а оказавшиеся при загрузке на определенной глубине – всплывают, формируя легкий продукт. Суспензия, подаваемая в сепаратор, вытекает из него через сливной порог, вынося легкий продукт за пределы сепаратора. Для облегчения преодоления сливного порога крупными кусками сепаратор имеет механическое гребковое устройство.

Классификация тяжелосредных сепараторов приведена в табл. 6.2, а их схемы на рис. 6.8 .

В целом технологическая эффективность сепараторов убывает для аппаратов, представленных схемами от а к е и от ж к н, а эксплуатационные расходы возрастают соответственно в том же порядке.Для сепараторов, представленных схемами г, з-л эти показатели примерно одинаковы.

В сепараторах с малой удельной производительностью благодаря значительному объему ванны плотность суспензии является более стабильной, но труднее поддается регулировке по сравнению с сепараторами со средней и большой удельной производительностью.

Таблица 6.2

Классификация тяжелосредных сепараторов

Разгрузка легкой фракции осуществляется. Как правило, переливом суспензии через сливной порог сепаратора.

Тяжелая фракция разгружается при помощи аэролифта, сифоном или различными механическими приспособлениями (ковшовыми или колесными элеваторами, шнеком).

По режиму сепарации сепараторы подразделяются на прямоточные (разгрузка продуктов осуществляется в одном направлении) и противоточные (разгрузка продуктов осуществляется в противоположных направлениях). Прямоточные сепараторы позволяют найти наиболее экономичные конструктивно-компоновочные решения при делении обогащаемого полезного ископаемого на два продукта. При делении на три продукта применение противоточных сепараторов является более предпочтительным.

Сепарационная характеристика в практике обогащения полезных ископаемых описывается с помощью интеграла вероятности Гаусса. Т.е. при следующем значении

.

Среднее вероятное отклонение является функцией крупности частиц и плотности разделения, поскольку она примерно равна плотности суспензии и с ее возрастанием увеличивается вязкость суспензии, что приводит к увеличению .

а) б) в) г)

д) е) ж) з)

и) к) л)

м) н)

Рис. 6.8. Схемы сепараторов для обогащения в тяжелых суспензиях: И – исходный продукт; Л – легкий продукт; Т – тяжелый продукт. Разгрузка тяжелой фракции: а, б – аэролифтная; в – гидротранспортная; г-е, з-к, м, н – элеваторным колесом; ж – ковшовым элеватором; л – шнеком.

По результатам практических данных по обогащению каменных углей установлена следующая зависимость:

,

где х – крупность обогащаемого материала, мм.

Отсадка

6.3.1. Сущность и теоретические основы отсадки

Отсадка – процесс сепарации различных по плотности частиц в водной или воздушной среде, колеблющейся (пульсирующей) относительно разделяемой смеси в вертикальном направлении с заданной амплитудой и частотой. В процессе отсадки материал, помещенный на решете, периодически разрыхляется и уплотняется, результате чего происходит его сегрегация, при которой в нижней части слоя концентрируются преимущественно куски с большей плотностью, в верхнем – с меньшей плотностью.

Процесс отсадки включает собственно отсадку (расслоение материала по плотности) и разгрузку расслоившихся кусков.

Основной задачей при разгрузке продуктов является удаление их без нарушения результатов расслоения.

Необходимым условием расслоения материала по плотности является повторяющиеся в каждом цикле его взвешивание и разрыхление постели, осуществляемые вертикальными колебаниями среды (или решета) и восходящим потоком воды.

Слой материала, находящийся на отсадочном решете, и состоящий из кусков, больших размера его отверстий, и имеющих плотность, большую плотности разделяемого материала, называется постелью.

Постель бывает естественной, если она формируется из кусков, находящихся в сепарируемом материале и искусственной, она состоит из кусков иного материала, удовлетворяющих требованиям процесса отсадки.

Постель играет доминирующую роль при удалении тяжелой фракции, накапливающейся в нижней части слоя сепарируемого материала. Восходящий поток жидкой среды постель разрыхляет, и в нее внедряются расположенные непосредственно вблизи нее куски, проходят через нее и через отсадочное решето. Нисходящий поток постель уплотняет и в сомкнутом состоянии она пропускает через себя только жидкую среду. В связи с этим динамика разрыхления и уплотнения слоя постели должна соответствовать условиям эффективного удаления тяжелой фракции. Эта динамика определяется зависимостью вертикальной скорости жидкой среды относительно неподвижного отсадочного решета (или решета относительно жидкой среды) от времени. Эта повторяющая в времени зависимость характеризуется циклом отсадки.

Циклом отсадки называется закономерность вертикального перемещения сред (или решета) в течение одного периода колебаний. Элементами цикла являются подъем, пауза, опускание среды. Основным циклом отсадки является гармонический (рис.6.9а), при котором перемещение среды и изменение ее скорости происходит по синусоидальному закону (без учета подачи подрешетной воды).

Используются и другие циклы, отличающиеся от гармонического продолжительностью элементов цикла.

Рис. 6.9. Циклы отсадки: а – гармонический; б – Майера; в – Берда; г – Томаса.

Так, цикл Майера (рис.6.9б) характеризуется кратковременностью подъема и опускания среды и большой паузой, цикл Берда (рис. 6.9в) – большой скоростью подъема и меньшей скоростью опускания при отсутствии паузы, цикл Томаса (рис. 6.9г) – малой скоростью подъема и большой скоростью опускания.

Параметры цикла могут оказывать существенное влияние на отсадку лишь при небольшой частоте колебаний среды – менее 100 мин^-1, используемой при отсадке крупного материала.

Единого представления о механизме расслоения материала при отсадке в настоящее время не существует. Известны два основных направления в изучении явлений расслоения: детерминистское и вероятностно-статистическое.

При детерминистском направлении изучается движение отдельной частицы, имеющей определенный размер, форму и находящейся среди частиц таких и других размеров и плотности. Рассматриваются силы, действующие на отдельные частицы, составляются и решаются уравнения движения с целью определения траекторий движения.

В результате развития детерминистского подхода предложены две гипотезы расслоения частиц при отсадке:

гипотеза начальных скоростей, согласно которой разделение частиц происходит в начальный период их падения в жидкости, когда скорости малы, а ускорения велики. В соответствии с ней частота колебаний жидкой среды должна быть существенно выше применяемой в практике обогащения полезных ископаемых;

гипотеза разделения в ускоренно движущейся жидкой среде, в соответствии с которой существенную роль в механизме расслоения играет кинетика разгона частиц. Выводы в отношении повышенной частоты колебаний среды и возможности отсадки неклассифицированного материала, следующие из этой гипотезы, практикой также не подтвердились.

Недостатком детерминистского направления является игнорирование массового характера процесса расслоения и случайных явлений, происходящих при отсадке (в частности, процесса перемешивания).

В соответствии со статистическим направлением отсадка рассматривается как массовый процесс, обусловленный многообразием физических характеристик частиц, подлежащих разделению, взаимодействием их с движущейся жидкой средой, состоянием системы частиц, подвергаемой в процессе отсадки непрерывному разрыхлению и уплотнению под действием колебания вертикальной скорости среды. В результате развития этого направления были последовательно предложены следующие гипотезы: энергетическая, суспензионная и вероятностно-статистическая.

Энергетическая гипотеза основана на принципе стремления к минимуму потенциальной энергии слоя, образованного частицами различной плотности.

Суспензионная гипотеза предполагает, что постель отсадки представляет квазижидкую среду, в которой частицы повышенной плотности тонут, а легкие – всплывают. Суспензионная гипотеза по существу представляет собой следствие энергетической гипотезы.

Вероятностно-статистическая гипотеза рассматривает процесс отсадки как стохастический, в котором вероятность перехода частиц в соответствующий слой определяется подвижностью частиц в системе, образованной их множеством и взаимодействующей с жидкой средой, движущей по закону цикла отсадки.

Для описания подобных процессов обычно используют уравнение типа Коломогорова-Фоккера-Планка (КФП):

,

где W – плотность распределения вероятности нахождения частиц в слое; А – коэффициент, характеризующий перемещение частиц вследствие силы тяжести и силы сопротивления жидкой среды движению; В – коэффициент перемешивания частиц вследствие воздействия случайных факторов; - операторы Гамильтона и Лапласа.

Для описания процесса отсадки можно воспользоваться одномерной моделью, при которой уравнение КФП может быть представлено в упрощенном виде:

.

Решение уравнений типа КФП весьма сложно, но возможно при определенных граничных и начальных условиях.

Если процесс отсадки рассмотреть в упрощенном виде: скорость перехода фракций в постель отсадки и, затем под решето, пропорциональна массе этих фракций в не расслоившейся смеси и подвижности частиц, представляющих данную фракцию, и определяемой их плотностью, крупностью и другими свойствами, влияющими на скорость, уравнение массопереноса примет вид: . Здесь т – масса частиц данной фракции плотности в не расслоившейся смеси, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от вероятности перехода частиц данной фракции под отсадочное решето и определяемый плотностью и крупностью разделяемых частиц.

Решение этого уравнения при начальных условиях: t=0; m=m₀ дает следующий результат:

,

тогда сепарационная характеристика процесса отсадки, как зависимость извлечений частиц, например, в легкий продукт, от их плотности и крупности при заданной длительности процесса t_n , может быть представлена уравнением: .

6.3.2. Осадочные машины

Процесс отсадки реализуется в отсадочных машинах. Отсадочная машина состоит их одного или нескольких последовательно соединенных отсеков (рис.6.10). Каждый из них включает горизонтально или слабо наклоненное вперед отсадочное решето, устройства для подвода исходного продукта, разгрузки легкого продукта (регулируемый сливной порог), разгрузки тяжелого продукта. Машины с естественной постели имеют устройство для регулируемого выпуска избытка постели для поддержания ее определенного уровня.

Рис.6.10. Схема двухкамерной отсадочной машины

Для создания цикла отсадки машины имеют привод для колебательных движений жидкой среды или отсадочного решета, а также устройства для подвода воды для постоянного восходящего потока, который в практике называют подрешетной (подаппратной) водой, и для постоянного горизонтального потока, регулирующего скорость перемещения сепарируемого материала вдоль машины (транспортная вода).

На рис.6.11 схематично представлены поперечные разрезы отсеков отсадочных машин с различными типами приводов.

а) б) в) г)

Рис.6.11. Схемы приводов отсадочных машин: а, б, в – с механическим приводом (а – поршневой; б – диафрагмовый; в – машина с подвижным решетом); г – с пневматическим приводом.

Механические приводы являются более сложными, но позволяют создать достаточные для сепарации более тяжелых продуктов (например, руд) частоты колебания жидкой среды с гармоническим циклом. Механические приводы являются более сложными, но позволяют создать достаточные для сепарации более тяжелых продуктов (например, руд) частоты колебания жидкой среды с гармоническим циклом. Пневматический привод позволяет формировать циклы отсадки довольно сложной конфигурации, но при невысокой частоте колебаний среды. Поэтому они получили распространение для полезных ископаемых с относительно невысокой плотностью, например, для каменных углей, антрацитов, марганцевых руд.

Среди используемых в промышленности отсадочных машин с пневматическим приводом жидкой среды наиболее удачной с точки зрения технологической эффективности и эксплуатационной надежности оказалась машина с подрешетным расположением воздушных камер, с клапанными пульсаторами, управляемыми микропроцессорами и регулируемой автоматической разгрузкой избытков постели (рис.6.12).

Рис. 6.12. Схема отсадочной машины с пневматическим приводом и расположением воздушных камер под отсадочным решетом: 1 – отсадочное решето; 2- пульсатор; 3 – воздушная камера; 4 – отверстие для впуска и выпуска воздуха; 5 – канал для подвода и распределения подрешетной воды; 6 – роторный затвор для регулируемого выпуска крупной тяжелой фракции

Наибольшее распространение получили машины серии МО (ранее ОМ). В маркировке этой машины далее расположены цифры, первая из которых показывает число отсеков, две последующие – площадь отсадочного решета в м², например, МО-312 это отсадочная машина указанного выше типа, состоящая их трех отсеков и имеющая общую площадь отсадочного решета 12 м².

6.3.3. Сепарационная характеристика отсадки

Для описания сепарационной характеристики отсадки используется интеграл вероятности Гаусса, т.е. .

При отсадке значение параметра х определяется следующей формулой:

,

где - плотность разделения; - плотность жидкой среды разделения (плотность воды – 1000 кг/м³); - средняя плотность фракции исходного продукта, извлечение которой определяется; - погрешность разделения.