Кинетика процесса сгущения. Экспериментальное определение удельной площади сгущения

Общие сведения о сгущении

Глава 3. СГУЩЕНИЕ

Сгущением называют процесс осаждения твердых частиц в суспензии (пульпе) под действием силы тяжести или центробежной силы с образованием сгущенного продукта (песков) и удалением основной массы воды в виде слива.

Сгущение под действием центробежных сил производится в осадительных центрифугах и гидроциклонах. На рудообогатительных фабриках центрифуги не применяются, только на углеобогатительных.

Целью операции сгущения может быть:

1) получение уплотненного сгущенного продукта с содержанием твердого 45–70% в зависимости от его дальнейшего назначения; в этом случае операцию называют сгущением;

2) получение относительно чистого слива и тогда операцию называют отстаиванием или осветлением;

3) часто одновременно решаются обе задачи и операцию называют сгущением.

Сгущение широко используется в технологических схемах обогатительных фабрик. Основное назначение сгущения – повысить концентрацию твердой фазы в сгущенном продукте по сравнению с исходной пульпой и выделить возможно большую массу воды из преимущественно тонких продуктов обогащения перед последующими операциями обезвоживания. Сгущению подвергают промпродукты для удаления части воды перед дальнейшим обогащением (например, сгущают коллективные флотационные концентраты с содержанием твердого 40% перед их доизмельчением до 60–70% твердого); концентраты сгущают перед фильтрованием; хвосты – для получения оборотной воды и уменьшения объемов хвостохранилищ.

В зависимости от крупности осаждающихся частиц различают суспензии:

а) грубые суспензии, содержащие частицы со средним размером d > 100 мкм; такие частицы быстро оседают под действием силы тяжести;

б) тонкие суспензии с частицами d = 0,5÷100 мкм; частицы медленно оседают под действием силы тяжести в спокойной среде;

в) мутности с частицами d = 0,1÷0,5 мкм; частицы находятся в броуновском движении и при обычных условиях не осаждаются;

г) коллоидные растворы с частицами d < 0,1 мкм; частицы осаждаются только при применении реагентов.

Например, зерно кварца диаметром 1 мкм имеет скорость осаждения 1 мм/ч, а то же зерно кварца размером 0,1 мкм осаждается со скоростью 1 мм/сут.

Трудно сгущаются тонкодисперсные глины и глинистые материалы (каолин, охра и др.). Глина разбухает в воде и образует устойчивую взвесь. Кроме того, тончайшие глинистые частицы обволакивают другие минеральные зерна и стабилизируют их.

Устройства и аппараты, в которых осаждение частиц происходит под действием силы тяжести, представляют собой большие чаны или бассейны, в которые непрерывно или периодически подается пульпа. Взвешенные в пульпе твердые частицы медленно оседают, образуя осадок, который уплотняется и по мере его накопления выдается из аппарата. Верхние слои осветленной воды переливаются через борта аппарата.

В сгустителях при установившемся режиме существует по высоте несколько зон (рис. 3.1). В верхних слоях концентрация твердых частиц невысокая, поэтому частицы осаждаются в условиях свободного падения. На частицу, находящуюся в жидкости, действуют:

1) сила тяжести тела в среде – для частицы шарообразной формы;

2) сила сопротивления среды падающему телу. Для граничного зерна размером менее 0,15 мм определяется по формуле Стокса .

Сила сопротивления по мере возрастания скорости частицы увеличивается и наступает момент, когда G₀ и P уравновешиваются и частица приобретает постоянную скорость осаждения, называемую конечной скоростью свободного падения.

Для условий ламинарного движения конечная скорость свободного падения , м/с, определяется по формуле Стокса

, (3.1)

где d, D – плотность твердой фазы и среды соответственно, кг/м³;

d – диаметр частицы, м;

m – вязкость среды, Па·с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Рис. 3.1. Зоны осаждения пульпы в сгустителе:
1 – зона осветленной жидкости; 2 – зона пульпы начальной плотности;
3 – промежуточная зона; 4 – зона сжатия; 5 – зона плотного осадка

По мере увеличения концентрации твердых частиц в нижележащих слоях пульпы скорость осаждения их уменьшается. Когда концентрация частиц достигает определенного предела, осаждение их происходит в условиях стесненного падения, характеризуемого оседанием частиц всей массой (вторая сверху зона). В начальный момент осаждаются с бóльшей скоростью более крупные частицы, на которые оказывают тормозящее действие более мелкие. Наоборот, скорость мелких частиц в присутствии крупных увеличивается вследствие соударений и толчков, получаемых от крупных частиц и ускоряющих движение мелких. Таким образом, наблюдается постепенное сближение скоростей падения крупных и мелких частиц и осаждение их происходит консолидировано, слоем.

При стесненном падении скорость осаждения частиц будет ниже

, (3.2)

где k – коэффициент снижения скорости свободного осаждения частиц в стесненных условиях.

Промежуточная зона – зона перехода от стесненного осаждения в зону сжатия. Следующая за ней – зона сжатия с каналами, по которым вода движется снизу вверх под давлением вышележащих слоев. В придонном слое концентрация твердых частиц максимальна, а скорость осаждения их приближается к нулю. Происходит дополнительное уплотнение осадка гребками.

По приведенным выше формулам невозможно точно рассчитать скорость осаждения частиц, поскольку формула Стокса получена при допущениях, что частицы имеют шарообразную форму и при осаждении не сталкиваются (свободное осаждение). В реальных условиях, когда сгущение осуществляется в ограниченных объемах аппарата и при значительном содержании твердой фазы в единице объема суспензии, взаимодействие частиц друг с другом при их осаждении оказывает превалирующее влияние на скорость осаждения. Величина коэффициента k в формуле скорости стесненного падения зависит от многих факторов (изменяющейся концентрации твердого в пульпе, гранулометрического состава твердых частиц и т. д.), влияние которых трудно поддается учету. Расчет скорости осаждения частицы в стесненных условиях по этой формуле часто приводит к значительным отклонениям от действительной скорости в силу сложности процесса сгущения. Поэтому обычно для расчета сгустителей скорость осаждения твердых частиц в пульпе определяют опытным путем при отстаивании пульпы в цилиндрах.

Исследования проводят в лабораторных цилиндрах вместимостью 0,5 или 1 л. Пробу помещают в цилиндр, многократно перемешивают, а по окончании перемешивания отсчитывают время осаждения. На цилиндры вертикально наклеивают полоску миллиметровой бумаги со шкалой, ноль шкалы должен совпадать с уровнем суспензии. В первом цилиндре (рис. 3.2, а) показана исходная пульпа. Через некоторое время в цилиндре (рис. 3.2, б) образуются следующие зоны: А – зона осветленной жидкости; В – зона свободного осаждения или зона суспензии исходной плотности; C –зона стесненного осаждения; D – зона уплотнения осадка.

По шкале цилиндра отмечают границу между зонами А и В. С увеличением времени отстаивания увеличивается высота зон А и D и уменьшается высота зон В и С (рис. 3.2, в, г). При дальнейшем осаждении зоны В и С исчезают, а зона А соприкасается с зоной D (рис. 3.2, д). Это происходит в критической точке в тот момент, когда скорость осаждения твердых частиц в пульпе резко снижается и дальнейшее сгущение ее считается невыгодным. В последнем цилиндре (рис. 3.2, е) показана пульпа после дальнейшего некоторого уплотнения замедленным темпом. Происходит небольшое уменьшение высоты зоны D. При этом жидкость как бы выдавливается из этой зоны в зону осветленного раствора и можно визуально наблюдать каналы чистой жидкости. Наблюдение прекращают, если положение границы не изменяется в течение 2–3 ч, а последний раз положение границы раздела определяют через 24 ч после начала опыта.

По данным эксперимента строится кривая сгущения: по оси абсцисс откладывается время осаждения частиц, а по оси ординат – высота столба осветленной жидкости (рис. 3.3).

Рис. 3.2. Процесс сгущения пульпы в стеклянном цилиндре

Рис. 3.3. Кривая процесса сгущения:
H – общая высота пульпы в цилиндре; H₁ – высота зоны свободного осаждения;
H₂ – высота зоны уплотнения (сжатия) осадка; H₃ – высота осадка;
t_кр – время осаждения частицы до критической точки;
t_П – полное время осаждения частиц и уплотнения осадка

На кривой сгущения можно выделить три характерных участка: KL – соответствует свободному осаждению частиц с максимальной скоростью (скорость определяется тангенсом угла наклона прямой); LM – соответствует периоду уплотнения осадка; MN – слабо наклоненная, практически горизонтальная прямая, характеризует конечное сжатие осадка, когда за продолжительный промежуток времени очень незначительно изменяется высота осветленного слоя.

Точка L на пересечении прямых KL и LM называется критической точкой. Она соответствует моменту перехода от свободного осаждения частиц к уплотнению осадка.

По кривой процесса сгущения можно определить скорости осаждения твердых частиц:

а) оптимальную скорость

; (3.3)

б) скорость при заданной степени сгущения пульпы (то есть в любой момент времени)

. (3.4)

Проводя опыты в градуированных цилиндрах, можно одновременно замерять не только высоту осадка Н, но и его объем V, что позволяет рассчитать разжижение сгущенного продукта

. (3.5)

Если принять, что разжижение в критической точке равно конечному , то это позволяет определить экспериментально удельную площадь сгущения.

Удельную площадь сгущения f, м²·ч/т, м²·сут/т, определяют по формуле

. (3.6)

Удельная площадь сгущения – это площадь, необходимая для осаждения единицы массы твердого в единицу времени, м²·ч/т или м²·сут/т.

По значению удельной площади сгущения можно рассчитать требуемую общую площадь осаждения F, м², и подобрать сгустительный аппарат.

, (3.7)

где Q – производительность по сгущаемому продукту, т/ч или т/сут.

Удельная площадь сгущения, рассчитанная на основании лабораторных экспериментов, оказывается заниженной. Поэтому в отечественной и зарубежной практике расчетную удельную площадь сгущения увеличивают на 20–30%.