Среды для гравитационной сепарации.

 Виды сопротивления среды. Движение тел во взвесях

 

Сепарационные эффекты при гравитационной сепарации проявляются при взаимодействии частиц обогащаемого материала с жидкими средами и между собой. Средами для гравитационной сепарации являются вода, воздух, тяжелые жидкости и суспензии.

Существенное влияние на скорость перемещения сепарируемых частиц имеют физические и реологические свойства жидких сред.

Из физических свойств наибольшее влияние оказывает плотность жидкой среды, т.е. масса единицы объема жидкости.

Наибольшее применение в качестве разделительной среды при гравитационной сепарации имеют вода и воздух. Плотность воды при нормальных условиях составляет 1000 кг/м³, а воздуха – 1,23 кг/м³.

В качестве тяжелых жидкостей, плотность которых больше плотности воды, используются водные растворы хлоридов цинка и кальция, а также водный раствор хлористого цинка, водный раствор хлористого кальция, бромоформ, жидкость Туле и др.

Наиболее часто в практике обогащения полезных ископаемых используются водорастворимые жидкости и водные растворы хлоридов цинка и кальция. На их основе возможно приготовление растворов широкого диапазона плотностей, необходимых для осуществления фракционных анализов и сепарации.

 

                 Реологические свойства жидких сред

К реологическим свойствам жидких сред, определяющим их текучесть, относятся вязкость и предельное напряжение сдвига.

Вязкость – свойство жидкостей оказывать сопротивление их сдвиговому течению. Силы, возникающие при скольжении слоев жидкости относительно друг друга, называются внутренними силами трения, а жидкости, в которых это трение возникает, называются вязкими.

В соответствии с законом Ньютона сила внутреннего трения пропорциональна скорости сдвига жидкости и площади соприкасающихся сдвигаемых слоев:

,

    где Т – сила внутреннего трения;

         S –площадь соприкасающихся слоев;

        m - коэффициент динамической вязкости жидкости;

       - градиент скорости сдвига;

        U – скорость сдвига.

В результате внутреннего трения в вязкой жидкости возникают касательные напряжения, которые пропорциональны скорости деформации сдвига.

Вязкость можно рассматривать как меру передачи движения частиц жидкости в направлении перпендикулярном скорости их движения.

Коэффициент динамической вязкости жидкости зависит от температуры давления и энергии связи молекул и определяется экспериментальной формулой А.И.Бачинского:

,

    где v – удельный объем;

          C, w - постоянные.

В табл.1.3 приведены значения коэффициентов динамической вязкости некоторых жидкостей.

Таблица 1.3 - Коэффициенты динамической вязкости некоторых жидкостей

 

Жидкость	t, ^оС	µ, Па^.с
Воздух	20	0,00002
Вода	20	0,00101
Керосин	28	0,0025
Нефть легкая	18	0,025
Нефть тяжелая	18	0,14
Смазочное масло	20	0,172
Глицерин	20	0,87

 

Кинематическим коэффициентом вязкости называют отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости:

.

Реологические свойства гетерогенных (неоднородных) систем (суспензии, коллоидные растворы, эмульсии), в частности дисперсных, закону Ньютона не подчиняются. Из-за сцепления элементарных объемов они имеют напряжения сдвига даже при отсутствии движения.

 

Дисперсные системы

Дисперсные системы со всевозможной комбинацией фаз, различающихся природой и агрегатным состоянием, размером частиц и взаимодействием между ними, характеризует широкий спектр структурно-механических свойств.

Множество различных взаимодействий фаз в суспензиях можно объединить в три основные группы:

· гидродинамическое взаимодействие между жидкостью и диспергированными твердыми частицами, приводящее к увеличению вязкости жидкости;

· межчастичное взаимодействие, способствующее образованию хлопьев, скоплений, агломератов;

· столкновения частиц, вызывающие вязкостные взаимодействия.

Под каждым из таких взаимодействий подразумевается множество факторов, составляющих содержание приведенных выше групп, взаимосвязь которых представлена на рис.1.2.

 

Рис.1.2. Соотношение групп взаимодействий и факторов, определяющих вязкость суспензии

 

Реологические свойства суспензий зависят от преобладания того или иного вида взаимодействия.

С ростом меж частичного притяжения вязкость суспензии растет, т.к. частицы дисперсной фазы образуют формулы, скопления, агломераты, что приводит к появлению   псевдо пластичного характера течения суспензии.

При более сильном меж частичном притяжении вязкость суспензии растет, прочность флокул увеличивается, и они выдерживают некоторое напряжение сдвига без разрушения. Суспензия в данном случае приобретает предел текучести и становится вязко пластичной. При более высокой прочности флокул о суспензии можно говорить как о пластичной.

При слабом и среднем меж частичном притяжении, но высокой концентрации дисперсной фазы, проявляются свойства грануловязкости, и суспензия при этом превращается в пасту. Если такой же эффект возникает при сильном меж частичном притяжении, но при низких концентрациях дисперсной фазы, то суспензия превращается в гель. 

Суспензии представляют собой двухфазные системы, где дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой - жидкость.

В практике обогащения полезных ископаемых широко известны водные суспензии, представляющие собой взвесь тонкодисперсных частиц минералов в воде. Они фактически являются рабочими средами многих обогатительных процессов.

Суспензии характеризуются соотношением твердой и жидкой фаз, которое может быть представлено:

- объемной концентрацией твердой фазы, равной отношению объема твердой фазы суспензии к объему суспензии;

- массовой концентрацией твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к объему суспензии;

- массовой долей   твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к массе суспензии;

- разбавлением (разжижением) суспензии, равным отношению массы жидкой фазы к массе твердой фазы

- плотностью, равной отношению массы суспензии к ее объему.

 

 

 

Пример: масса пробы магнетитовой суспензии объемом 1 л составляет 1,3 кг. Масса отделенной от воды и высушенной твердой фазы составляет 375 г. Определить показатели, характеризующие соотношение фаз суспензии.

Решение: поскольку известны масса и объем суспензии, то ее плотность составит .

 Масса жидкой фазы равна разности массы суспензии и массы твердой фазы, т.е.

.

Массовая доля твердой фазы составит:

,

разжижение суспензии  

Этот показатель можно определить и по соотношению масс жидкой и твердой фазы,

 

т.е.

Массовая концентрация твердой фазы составляет

Если известна плотность твердой фазы, например, для рассматриваемого случая она равна 5000 кг/м³, то .

 

Контрольные вопросы

 

1. На каких явлениях и свойствах минеральных зерен основаны гравитационные методы обогащения полезных ископаемых?

2. Дайте понятия плотности и истинной плотности минералов. В чем различия между ними?

3. Что такое «эквивалентный диаметр» минерального зерна и как его определить?

4. Как найти пористость минерала? Каково влияние пористости на скорости движения минеральных зерен в жидкости.

5. Дайте понятие коэффициента формы минерального зерна.

6. Что такое коэффициент динамической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

7. Что такое коэффициент кинематической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

8. Что такое суспензия и каковы ее основные характеристики?

9. Перечислите факторы, определяющие вязкость суспензий и дайте пояснения их влиянию.

10. Запишите формулу для плотности суспензии.

 

 

Соотношение групп взаимодействий и факторов,

определяющих вязкость суспензии