Закономірності процесу класифікації

Теоретичні уявлення щодо процесу гідравлічної класифікації базуються на двох основних положеннях:

– швидкість обтікання зерна у вертикальному напрямку u в гідравлічному класифікаторі дорівнює швидкості його стисненого падіння V_ст при заданому значенні розпушення пульпи (u = V_ст) або при класифікації в розведених пульпах швидкості вільного падіння (u = V₀);

– швидкість руху зерна щодо нерухомих стінок класифікатора V_абс дорівнює різниці між швидкістю висхідного потоку u і швидкістю стисненого падіння V_ст зерна (V_абс = u – V_ст).

Частинки V_ст > u, повинні опуститися на дно і потрапити в пісковий продукт, а частинки з V_ст < u, повинні бути винесені в злив. Однак на практиці такого чіткого розділення немає.

В апаратах з горизонтальним потоком, що працюють без подачі нижньої води, розділення матеріалу відбувається в неоднакових умовах.

В.А. Олевським запропоновано таку схемі процесу: тверді частинки переміщаються потоком води в горизонтальному напрямку зі швидкістю:

 

     м/с,                             (4.3)

 

де Q_c – об'ємна продуктивність класифікатора по зливу, м³/с; B – ширина класифікатора, м; h – перевищення рівня пульпи над рівнем зливного порога, м.

У той же час частинки опускаються вниз з різною швидкістю V_у, що залежить від їх крупності, густини і форми. Частинки, що встигли по вертикалі пройти шлях, рівний h, за період їхнього транспортування на довжину L від місця завантаження до зливного порога, опустяться на дно і будуть транспортуватися в піски, якщо ні - будуть винесені в злив:

 

 м/с.                                        (4.4)

Недоліком цього методу розрахунку є припущення про рух частинок з постійною швидкістю і відсутність урахування взаємного впливу частинок різної крупності на зміну швидкості їхнього падіння.

У класифікаторах з використанням відцентрових сил ефективність розділення визначається співвідношенням швидкостей руху частинок і рідини. Для розрахунку швидкості руху частинок спочатку визначають число Архімеда:

 

                              (4.5)

де r – радіус обертання частинки навколо осі апарату, м/с; ω – частота обертання рідини, с^-1.

З використанням обчисленого параметра Архімеда за формулами (2.35) і (2.22) визначають коефіцієнт гідродинамічного опору і швидкість руху частинки.

 

ЕФЕКТИВНІСТЬ КЛАСИФІКАЦІЇ

При ідеальній роботі класифікатор повинен виділяти з вихідного матеріалу всі дрібні фракції і не допускати вилучення великих зерен у дрібний продукт. Отже, поняття ефективності класифікації повинне відбивати як кількісну характеристику процесу – ступінь вилучення дрібного класу в злив, так і якісну – гранулометричний склад зливу.

Ефективність класифікації визначається за формулою:

,                            (4.6)

де  – вилучення зерен крупністю менше мм у злив, %; – вилучення зерен крупністю більше  мм у піски, %.

Оцінка якості продуктів класифікації і самого процесу здійснюється за допомогою ситового аналізу.

У загальному випадку ефективність класифікації збільшується при зниженні питомих навантажень, при класифікації розріджених пульп, а також при розділенні матеріалів з малим вмістом зерен проміжних розмірів (близьких до граничного крупності). Ефективність класифікації сучасних апаратів коливається від 70 до 90 %.

 

КЛАСИФІКАТОРИ

На збагачувальних фабриках класифікатори використовують для замикання циклу подрібнення, знешламлювання продуктів, розділення вихідного матеріалу перед збагаченням, зневоднення продуктів. Апарати гідравлічної класифікації підрозділяють за двома основними ознаками: за силовим полем, під дією якого здійснюється розділення суспензії, і за способом розвантаження пісків.

 

Механічні класифікатори

Механічні класифікатори працюють за принципом розділення вихідного продукту в горизонтальному потоці на крупну фракцію – піски і дрібну – злив. Розвантаження пісків здійснюється механічним способом – примусово.

 Залежно від конструкції розвантажувальних пристроїв розрізняють механічні класифікатори: спіральні, скребкові, елеваторні (багер-зумпфи) і ін.

 

Спіральні класифікатори найбільше часто використовують у замкнених циклах подрібнення для одержання готового за крупністю продукту, що направляється в збагачення, рідше їх використовують для відмивання глинистих матеріалів, а також для зневоднення зернистих продуктів. Максимальна крупність живлення спіральних класифікаторів малих розмірів складає 6 мм, великих – до 12 мм.

Спіральний класифікатор (рис. 4.1) складається з нахиленої під кутом 14 – 20° ванни 1, у якій поміщені один або два вали 2 із закріпленими на них спіралями 3.

 

 

Верхня цапфа вала шарнірно закріплена в опорних підшипниках, що дозволяє робити запуск апарата під навантаженням без очищення ванни від пісків (після його аварійної зупинки).

У процесі класифікації в апараті залежно від стану і режиму руху пульпи розрізняють чотири шари по висоті ванни і три зони по довжині (рис. 4.2).

Чотири шари по висоті ванни класифікатора мають різні густину і крупність:

– шар 1 – нерухомий і густий (постіль класифікатора);

– шар 2 – осілі піски, що безупинно переміщуються і розвантажуються;

– шар 3 – густа суспензія, що перемішується і розділяється на шари 2 і 4;

– шар 4 – висхідні і горизонтальні потоки, спрямовані до зливного порогу

Перемішування пульпи в трьох зонах відбувається з різною інтенсивністю:

– зона І характеризується малою глибиною й інтенсивним перемішуванням пульпи;

– зона ІІ – зона класифікації зерен при незначній інтенсивності перемішування;

– зона ІІІ характеризується висхідними потоками, що виносять зерна в злив.

 

Продуктивність класифікатора визначається з використанням емпіричних формул:

по зливу:                    Q _зл = 4,56 m k _β k _δ k _c k _α D ^1,768, т/год;            (4.7)

по піскам:                  Q _п = 5,45 m k _δ k _α D ³ n, т/год                              (4.8)

де m, D, n – число, діаметр (м) і частота обертання спіралей (хв^-1); k _β, k _δ, k _c, k _α – коефіцієнти, що враховують відповідно крупність зливу, густину руди, розрідженість зливу і кут нахилу ванни класифікатора.

Елеваторні класифікатори (багер-зумпфи) з механічною видачею осаду (рис. 4.3) застосовуються в практиці вуглезбагачення для попереднього зневоднення і відділення шламів із дрібного концентрату і рідше для виділення грубозернистої частини з дрібних продуктів і знешламлювання рядового вугілля. Гранична крупність класифікації складає приблизно 0,5 мм.

 

 

Елеваторний класифікатор являє собою залізобетонну ємність, з якої осілий матеріал вивантажується елеватором з перфорованими ковшами.

Об’ємна продуктивність елеваторного класифікатора розраховується за формулою:

               м/с,                                  (4.9)

 

де q₀ – питома об’ємна продуктивність, м³/год•м²; F – площа дзеркала класифікатора (звичайно F = 36 м²).

 

Скребкові класифікатори відстійного типу призначені для знешламлювання рядового вугілля і дрібного концентрату, а також для попереднього зневоднення дрібного концентрату відсаджувальних машин.

Скребковий класифікатор являє собою металеву ванну 1 прямокутної форми з горизонтальною і похилою частинами (рис. 4.4).

Принцип дії скребкового класифікатора, як і елеваторного, оснований на осадженні грубозернистого матеріалу під дією сили ваги. Розділення на грубозернисту фракцію і шлам відбувається в горизонтальній частині ванни, а похила частина, у днище якої встановлене щілинне сито, служить для видачі і зневоднення осаду.

 

Гідравлічні класифікатори

Гідравлічні класифікатори працюють за принципом розділення вихідного продукту в горизонтальних і вертикальних потоках на крупну фракцію – піски і дрібну – злив. Розвантаження пісків здійснюється самопливом.

 

Конусний класифікатор – найбільш простий гідравлічний класифікатор. Розділення матеріалу відбувається в горизонтальному потоці. Класифікатори цього типу використовуються на збагачувальних фабриках в основному як буферні ємності і значно рідше (у зв'язку з низькою ефективністю) у допоміжних операціях для відділення пісків від шламів або для зневоднення знешламленого дрібнозернистого матеріалу. Конусний класифікатор являє собою конус 1 з кутом 60 - 65º, установлений на рамі вершиною вниз (рис. 4.5).

 

 

 

Крупність розділення в конусних класифікаторах складає 0,15 мм. Характерним для цих класифікаторів є високе розрідження пісків (30 – 40 % твердого) і невисока ефективність (50 – 60 %).

 

Гідравлічні багатокамерні класифікатори використовують для підготовки подрібнених руд до збагачення. Вони призначені для розділення матеріалів на кілька класів за швидкістю їхнього осадження у водному середовищі (наприклад, перед концентрацією на столах).

Гідравлічні багатокамерні класифікатори (рис. 4.6) являють собою відкритий жолоб 1, У дно якого вмонтовані спіготи – пірамідальні класифікаційні камери 2 (число камер – 4, 6 або 8) з мішалками 3, камерами 4 тангенціального підведення води (вортексами) і конусами 5 для розвантаження крупних фракцій.

Крупність пісків, що послідовно розвантажуються з камер класифікатора, зменшується в напрямку потоку вихідного матеріалу. Швидкість висхідних потоків води в камерах також поступово зменшується оскільки вона повинна бути рівною кінцевій швидкості стисненого падіння зерен граничної крупності. Найдрібніший продукт видаляється через зливний поріг.

Об’ємна продуктивність гідравлічних багатокамерних класифікаторів розраховується за формулою:

 

               м³/год,                  (4.10)

 

де L і B – довжина і ширина ванни класифікатора, м; V – кінцева швидкість осадження граничного зерна, м/с.

 

 

Гідроциклони застосовуються для класифікації за крупністю і знешламлювання дрібних і тонких продуктів. Вони використовуються також для згущення пульпи і збагачення.

Класифікаційний гідроциклон являє собою циліндроконічний апарат (рис. 4.7). Живлення під тиском подається у верхню частину циліндра за допомогою тангенціально розташованої живильної насадки 3. Злив вивантажується через зливний патрубок 4 у циліндричній частині 1 гідроциклона, а піски – через піскову насадку 5, розташовану в конічній частині 2.

 

 

Швидкість руху частинки в гідроциклоні можна описати як векторну суму тангенціальної V_t, радіальної V_r і осьової V_x складових. Тангенціальна швидкість пульпи збільшується зі зменшенням відстані від осі, тому в гідроциклоні спостерігається різке зростання відцентрової сили від стінок до осі. Осьова швидкість частинки в зовнішньому потоці спрямована вниз, а у внутрішньому – вгору. Положення частинки по радіусу гідроциклона визначає, куди вона буде винесена вертикальним потоком – у злив чи у піски. Відносно рідкої фази пульпи частинки рухаються одночасно в осьовому і радіальному напрямках відповідно до діючих на них сил, головними з яких є відцентрова і сила опору середовища.

Диференціальне рівняння руху частинки в радіальному напрямку має вигляд:

              ,           (4.11)

 

звідки радіальна швидкість переміщення частинки в рівноважному стані:

 

                        .                                 (4.12)

де d – діаметр частинки, м; δ і Δ – густини частинки і середовища, кг/м³; μ – в’язкість середовища, Па·с; r – радіус обертання частинки, м.

Таким чином, з рівняння (4.12) видно, що крупність є основним розділовим параметром (інші параметри практично однакові).

 

ТЕХНОЛОГІЯ КЛАСИФІКАЦІЇ

На показники роботи гідроциклонів впливають конструктивні і технологічні фактори. До конструктивних факторів належать: форма і геометричні розміри гідроциклона, піскової насадки, живильного і зливного патрубків, спосіб установки гідроциклона; до технологічних факторів – тиск на вході і властивості оброблюваної пульпи (вміст твердого, його гранулометричний і речовинний склади).

 

Конструктивні фактори:

– діаметр D (м) гідроциклона визначає його продуктивність по твердому:

Q = 200 D ², т/год;                               (4.13)

 

– розмір і форма живильного патрубка d_Ж мало впливають на якісні показники роботи гідроциклона, у той же час продуктивність гідроциклона прямо пропорційна розміру живильного патрубка:

 

              d_Ж = (0,08 – 0,25) D, м;                         (4.14)

 

– діаметр зливного патрубка d_ЗЛ впливає на всі показники роботи гідроциклона. Збільшення діаметра зливного патрубка викликає пропорційне збільшення продуктивності і приводить до одержання більш грубих зливів:

 

              d_ЗЛ = (0,2 – 0,4) D, м;                            (4.15)

              d_ЗЛ = (1,20 – 1,25) d_П, м;                       (4.16)

– діаметр піскової насадки d_П практично не впливає на продуктивність, однак впливає на якісні показники роботи гідроциклона.

                  

                    d_П = (0,03 – 0,20) D, м;                             (4.17)

 

              d_П = (0,15 – 0,80) d_ЗЛ , м;                      (4.18)

 

 – п итома продуктивність гідроциклона по пісках q_П, що проходять через піскову насадку обраного розміру d_П складає:

q_П =Q_П / (0,785n d_П ² ), т/год•м²,                    (4.19)

де Q_П – продуктивність гідроциклонів по пісках, т/год; n –число обраних гідроциклонів.

Нормована питома продуктивність вибраного гідроциклона - 5•10³ – 2,5•10⁴ т/год•м².

– розвантажувальне відношення d_П / d_ЗЛ є основним чинником, що визначає показники роботи гідроциклона. Ефективність класифікації досягає максимуму при оптимальному розвантажувальному відношенні, що складає 0,3 – 0,5;

– кут конусності α визначає об’єм гідроциклона і час перебування в ньому матеріалу. Зі збільшенням кута конусності збільшується крупність класифікації, зменшуються вихід пісків і об'ємна продуктивність:

Q₀ = 3ּ10⁴ k_α k d_Ж d_ЗЛ р₀^0,5, м³/год,                (4.20)

де р₀ – тиск пульпи на вході в гідроциклон, МПа; k_α – поправка на кут конусності α гідроциклона; k – поправка на діаметр гідроциклона;             

– спосіб установки гідроциклона залежить від його розміру і тиску на вході.

 

Технологічні фактори:

– тиск р₀ на вході в гідроциклон повинен бути постійним і досить високим. Підвищення тиску сприяє зменшенню граничної крупності розділення і одержанню більш дрібних зливів;

– вміст твердого у вихідній пульпі β впливає на крупність і розрідженість продуктів розділення;

– гранулометричний склад вихідного матеріалу впливає на якісні показники процесу розділення. При виборі гідроциклона його типорозмір визначають з урахуванням крупності одержуваного зливу. Номінальна крупність частинок зливу d_Н:

  , мкм,                    (4.21)

 

де  - діаметри гідроциклона, зливної і піскової насадок, м; - вміст твердого в живленні гідроциклона, %; - поправочний коефіцієнт на діаметр гідроциклона;  - об’ємна густина твердої фази, т/м³; - тиск на вході в гідроциклон, МПа.

Гідроциклони в порівнянні з механічними класифікаторами більше витрачають електроенергії, не можуть класифікувати більш крупний матеріал, мають менш тривалі міжремонтні періоди. Основні їхні переваги – низька вартість, більші питома продуктивність і ефективність, малі габаритні розміри. З цієї причини перевагу при виборі класифікаційного апарата віддають гідроциклонам.