Раздел 10

ОСАЖДЕНИЕ   ДИСПЕРСНОЙ   ФАЗЫ   ИЗ   ЖИДКОСТЕЙ   И   ГАЗОВ


10.1. Осаждение дисперсной фазы из жидкостных потоков

10.1.1. Сгущение

(Л.Ф. Биленко)

Основные принципы. Сгущение – процесс повышения концентрации твердого в пульпе, происходящий в результате осаждения в ней твердых частиц под действием массовых (гравитационных либо центробежных) сил.

Целью сгущения является получение в качестве конечного продукта высококонцентрированной суспензии (или осадка) либо осветленной жидкости.
В последнем случае для названия процесса используют термин «осветление». Часто требуется выполнять оба условия.

В зависимости от свойств пульпа может сгущаться с выделением чистой или замутненной жидкой фазы – слива. В первом случае между пульпой и жидкостью наблюдается четкая граница раздела, во втором видимой границы нет.

Аппарат для проведения этого процесса сгущения называется сгустителем.

В сгустителе при оптимальном заполнении его материалом и установившемся режиме существует несколько зон (рис. 10.1.1.1). Вверху располагается зона осветленной жидкости А (при отсутствии указанной границы раздела выделение зоны условно). Ниже – зона пульпы исходной плотности Б. Здесь, в зависимости от содержания твердого, происходит свободное или стесненное осаждение частиц. Внизу находится зона уплотнения (консолидации) Г. В этой зоне жидкость выделяется из пульпы в результате давления находящегося выше материала. В придонном слое пульпа дополнительно уплотняется гребками. Иногда между двумя последними зонами выделяют промежуточную зону В.

Перечисленные зоны можно показать на кривой, выражающей зависимость концентрации твердого от глубины сгустителя (рис. 10.1.1.2).



Рис. 10.1.1.1. Зоны осаждения пульпы в сгустителе:
1 – подача исходной суспензии;2 – слив осветленной жидкости; 3 – выгрузка осадка



Рис. 10.1.1.2. Изменение объемной доли частиц по глубине сгустителя

В пульпы, сгущающиеся с выделением мутного слива, для ускорения осаждения и выделения чистого слива обычно добавляют реагенты, способствующие образованию агрегатов частиц (флокул).

Удельную площадь сгущения (м2/1 т твердого материала в сутки) можно определить по формуле

,       (10.1.1.1)

где R – разжижение пульпы (отношение объема жидкости к объему твердого); RК – разжижение конечного (сгущенного) продукта; – скорость осаждения твердого при разжижении R, м/сут; – плотность жидкой фазы пульпы, т/м3; R, RК и определяются экспериментально.

Глубина сгустителя Н определяется по формуле

,       (10.1.1.2)

где h1, h2 и h – высота соответственно зоны осветленной жидкости, зоны пульпы начальной плотности
(h1 = 0,3÷0,9 м и h2 = 0,3÷0,6 м) и зоны уплотнения.

Высота зоны уплотнения определяется по формуле

,       (10.1.1.3)

где t – время пребывания твердой фазы в зоне уплотнения, ч; – плотность твердого, т/м3; Rср – среднее разжижение в зоне уплотнения (определяется экспериментально).

Факторы, влияющие на сгущение. На процесс сгущения, протекающий под действием силы тяжести, влияют минералогический и дисперсный состав материала, форма частиц, содержание твердого в исходной пульпе, плотность твердой и жидкой фаз, вязкость жидкости, температура пульпы, рН среды, наличие в пульпе реагентов и специально вводимых в нее добавок. Конечные результаты сгущения зависят также от конструктивных особенностей используемых аппаратов.

Влияние крупности частиц, плотности твердой и жидкой фаз, вязкости жидкости можно проследить по закономерностям и уравнениям скорости осаждения частиц.

Самые тонкие частицы в результате малой скорости падения, броуновского движения и отталкивания при одноименном заряде оседают медленно. 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. В жидких пульпах крупные частицы при осаждении вытесняют жидкость, в восходящих потоках которой выносятся тонкие фракции, попадая в слив. Это следует и из примера 3.3.3.1.

С повышением температуры снижается вязкость жидкой фазы пульпы – воды. Наиболее резко вязкость воды снижается при нагревании до 293–303 К (при 273, 303, 333 и 363 К она составляет соответственно 0,0018, 0,0008, 0,00047 и 0,00032 Па · с). С повышением температуры усиливается также действие присутствующих
в пульпе реагентов.

В зависимости от состава пульпы и специально вводимых в нее добавок твердые частицы при сгущении оседают раздельно или в виде агрегатов. Агрегаты частиц имеют значительно большую скорость осаждения, поэтому создание условий для их образования является основным способом интенсификации сгущения.

Конструкции сгустителей. Сгущение в основном производится в цилиндрических (радиальных) сгустителях с механической разгрузкой осадка [1, 2]. В зависимости от устройства механизма разгрузки осадка и, главным образом, от расположения привода этого механизма цилиндрические сгустители разделяются на два типа:
с центральным приводом и с периферическим.

Сгустители с центральным приводом бывают в двух исполнениях – с закреплением граблин на центральном консольном валу, опирающемся на неподвижную ферму (сгустители диаметром в основном до 18 м, рис. 10.1.1.3, а), и с креплением граблин к центральной конструкции (клетке), опирающейся на центральную колонну (рис. 10.1.1.3, б).

Сгустители с центральным приводом и граблинами, закрепленными на консольном валу, по высоте могут иметь один или несколько ярусов. По этому признаку сгустители подразделяются на одно- и многоярусные.

Одноярусный радиальный сгуститель (рис. 10.1.1.3) состоит из цилиндрического чана с горизонтальным или коническим днищем и кольцевым сливным желобом наверху, загрузочной воронки и механизма для разгрузки сгущенного продукта. Чан изготовляют из бетона, а у сгустителей небольших размеров – из листового железа или дерева. Днище сгустителей малого диаметра выполняют горизонтальным, а сгустителей большого диаметра – наклонным. Угол наклона днища до 12°. Если материал представлен тонкими частицами, допускается меньший уклон.

Край кольцевого желоба является порогом, через который переливается осветленная часть пульпы – слив. Для удаления слива самотеком днище кольцевого желоба имеет небольшой уклон. Сливной порог по всей окружности должен иметь одинаковый уровень. Для удобства выравнивания порога его делают из дерева. Иногда между бортом и деревянным порогом вставляют конвейерную ленту таким образом, чтобы край ее был выше этого порога на 30–40 мм (при необходимости уровень такого порога можно легко отрегулировать).

Питающая воронка, в которую по желобу или трубе поступает исходная пульпа, располагается в центре сгустителя. Нижний край ее заглублен по отношению к уровню слива приблизительно на 0,5–1 м. Для гашения скорости потока поступающей пульпы обычно в воронке на уровне слива или несколько ниже устанавливают решетку. Для этой же цели поток можно делить на две струи, направляя их на отдельные кольцевые полки навстречу друг другу. При разгрузке пульпы с полок скорости гасятся.

У сгустителей с граблинами, закрепленными на вертикальном валу, последний опирается на ферму и получает вращение от электродвигателя через червячный редуктор. Для предотвращения поломок механизма при перегрузках вал вместе с граблинами может перемещаться на некоторое расстояние в вертикальном направлении. Подъем и опускание вала с граблинами производятся вручную или автоматически специальным механическим устройством.



Рис. 10.1.1.3. Одноярусный радиальный сгуститель с центральным приводом в двух исполнениях (а) и (б):
1 – чан; 2 – сливной желоб; 3 – загрузочная воронка; 4 – разгрузочный конус; 5 – центральный вал; 6 – граблины;
7 – ферма; 8 – привод; 9 – механизм для подъема вала с граблинами; 10– указатель перегрузки сгустителя



Рис. 10.1.1.4. Сгуститель с периферическим приводом:
1 – рама; 2 – каретка; 3 – монорельс

У сгустителей с граблинами (обычно двумя длинными и двумя короткими), закрепленными на центральной конструкции (клетке), клетка крепится к зубчатому колесу, которое посредством шарикового или гидростатического подшипника опирается на колонну. На колонне расположен и привод: один или несколько электродвигателей, редукторы, промежуточные валы
с шестернями.

Существуют конструкции, в которых для выравнивания нагрузок в кинематическую схему привода введен дифференциал.

Граблины изготовляют в виде крестовин (ферм) с закрепленными снизу гребками. Гребки установлены под определенным углом, позволяющим перемещать осадок к центру. Каждый гребок перемещает материал на расстояние, достаточное для последующего захвата следующим гребком.

У сгустителей малого диаметра для ускоренной разгрузки сгущенного продукта вместо гребков на граблинах могут быть установлены полуспирали.

Разгрузочный механизм сгустителей с периферическим приводом (рис. 10.1.1.4) имеет вид рамы с гребками, которая опирается на центральную колонну и монорельс, уложенный вкруговую на стенке чана.
У периферии рама заканчивается кареткой, на которой размещены электродвигатель, редуктор, приводной ролик и балласт для увеличения силы сцепления роликов с рельсом. Ток к электродвигателю подводится через центральную колонну и контактные кольца.

Окружная скорость движения граблин или гребковой рамы у периферии обычно составляет 0,1 м/с. При сгущении тонких шламов скорость снижают до 0,05 м/с, а для грубозернистых пульп скорость может быть повышена до 0,15–0,2 м/с и более.

При сгущении флотационных концентратов, представляющих собой пенные продукты, для предотвращения потерь пены со сливом на близком расстоянии от сливного порога устанавливают пеноотбойник (экран), заглубленный ниже уровня слива.

Сгущение пульпы в сгустителях протекает следующим образом. Пульпа, выйдя из питающей воронки, сначала движется вниз, а затем растекается в радиальных направлениях. По мере замедления радиальных потоков из них выпадают все более мелкие частицы. Осветленная часть пульпы, достигнув стенки сгустителя, поднимается вверх и сливается через порог в кольцевой желоб. Выпавшие из потока твердые частицы оседают вниз. По мере их осаждения осадок уплотняется.

В донной части сгустителя осадок перемещается гребками к центру. Из центральной части днища (разгрузочный конус), которой придается больший уклон, сгущенный продукт разгружается через один или несколько патрубков.

В нижней зоне пульпа может уплотняться частично под действием гребков.

При сгущении хорошо сфлокулированных пульп содержание твердых частиц в начале и конце зоны уплотнения отличается незначительно. Дополнительное уплотнение в этом случае происходит в результате частичного разрушения флокул.

Сгустители небольших и средних диаметров обычно устанавливают на опорах. Сгустители больших размеров частично или полностью заглубляют в грунт. При этом доступ к разгрузочному конусу осуществляется через специально проложенную траншею.

Сгущенный продукт из сгустителей небольших размеров разгружается самотеком, а из больших сгустителей – насосами. Наиболее удобными аппаратами для откачки сгущенного продукта из сгустителей малого диаметра являются диафрагмовые насосы, устанавливаемые на уровне слива сгустителя. Производительность их регулируется изменением эксцентриситета.

У сгустителей большого диаметра устанавливают центробежные песковые насосы, размещая их в траншее вместе с дренажными насосами или в непосредственной близости от сгустителя. Насосы для откачки сгущенного продукта можно размещать в кессоне, сооруженном в центре под сгустителем. В случае открытых сгустителей кессон обогревают в зимнee время.

Многоярусные радиальные сгустители применяют при сгущении горячих пульп, когда требуется снизить разницу температур исходного и конечного продуктов, а также для промывки материала путем подачи жидкости через днище. Широко применяются двухъярусные сгустители как наиболее удобные по распределению нагрузки между отдельными ярусами.

В двухъярусные сгустители (рис. 10.1.1.5) питание подается в оба яруса, слив выделяется также из двух ярусов, а сгущенный продукт – только из нижнего.

Техническая характеристика сгустителей приведена в табл. 10.1.1.1 [1, 2].



Рис. 10.1.1.5. Двухъярусный сгуститель сбалансированного типа:
а) разрез; б) и в) коробки соответственно распределительная и сливная;
1 – аварийный люк; 2 – питающая трубка; 3 и 4 загрузочные трубы соответственно
верхнего и нижнего ярусов; 5 – сливная труба нижнего яруса.
Примечание. Сгустители диаметром 2,5; 4; 6; 9; 12; 15 и 18 м изготовляют в кислотостойком исполнении

Таблица 10.1.1.1
Технические характеристики сгустителей
Сгуститель Марка Диаметр чана, мм Глубина чана в центре, мм Площадь сгущения, м2 Время одного оборота граблин, мин Высота подъема граблин, мм Мощность привода,
кВт
Завод-изготовитель
С центральным приводом Ц1-2,5 2500 1500 5 2,0 250 0,8 «Востокмашзавод»
(г. Усть-Каменогорск)
Ц-4 М1 4000 2500 12 3,0 300 1,1
Ц-6 М1 6000 2500 28 4,0 400 2,2
Ц-9 М1 9000 3000 60 5,0 400 3,0
Ц-12 М1 12 000 3000 110 6,0 400 3,0
Ц-15 М1 15 000 3000 175 7,5 400 4,0
Ц-18 М1 18 000 3600 250 9,0 400 4,0
Ц-25 25 000 4000 500 11–45 1,9×2 Иркутский завод тяж. маш.
им. В.В. Куйбышева
Ц-30 30 000 4000 700 11–45 3,3×2
Ц-50 50 000 5000 1950 15; 18; 26; 33 5,5×2
С периферическим приводом П-25 25 000 3600 500 9; 13; 18 7,1; 8,3; 10,5
П-30 30 000 3600 700 11; 16; 19,3 7,1; 8,3; 10,5
Примечание. Сгустители диаметром 2,5; 4; 6; 9; 12; 15 и 18 м изготовляют в кислотостойком исполнении.


Гидросепаратор представляет собой невысокий сгуститель с центральным приводом. Он является классифицирующим аппаратом с низкой эффективностью классификации (для классификации в стесненных условиях в конус снизу по тангенциальным патрубкам подается вода). В качестве сгустителя используется для пульп, содержащих быстрооседающую твердую фазу.

Иногда в гидросепараторах совмещают две операции – сгущение и удаление шламистых частиц пустой породы.

В гидросепараторах диаметром 5 м, ранее установленных перед фильтрами на фабрике Южно-Криворожского горно-обогатительного комбината, содержание твердого в магнетитовой пульпе повышалось с 50–55 до 65 масс. %. При этом в сгущенном продукте содержание железа увеличивалось на 0,3–0,4 масс. % [2].

Показатели обезвоживания магнетитового концентрата в гидросепараторах диаметром 9 м (СГ-9) на одной из фабрик приведены в табл. 10.1.1.2.

Конструкция магнитного дешламатора разработана на основе обычного гидросепаратора. Отличительная черта дешламатора – наличие намагничивающего устройства, состоящего из четырех катушек, расположенных в питающей воронке. Напряженность магнитного поля: на полюсах 500–96 000 А/м, в рабочем зазоре 000–40 000 А/м. Испытания магнитных дешламаторов с автоматическим регулированием разгрузки при сгущении магнетитового концентрата крупностью 85 % класса –0,074 мм показали, что при нагрузке 60–65 т/ч (100–110 м3/ч) содержание твердого возрастает с 40 до 65 масс. %; выход твердого в слив составляет 1,5–2 %, содержание железа в сгущенном продукте повышается с 61,7 до 62,5 %.

Таблица 10.1.1.2
Показатели обезвоживания магнетитового концентрата
в гидросепараторе диаметром 9 м (СГ-9)
Продукт Содержание, % Производительность
по твердому, т/ч
твердого класса –0,074 мм Fe
Питание 17 86 59,5 53
Сгущение 52 85 63 47
Слив 2,6 91,3 31,3 6

Гидроциклоны иногда используются для сгущения пульп (табл. 10.1.1.3). В гидроциклонах, как и в классификаторах, чистый слив не выделяется. При установке гидроциклонов перед сгустителями слив гидроциклонов является питанием сгустителей, сгущенные продукты аппаратов часто объединяются. В результате выделения наиболее крупных классов твердой фазы питания улучшаются условия сгущения в сгустителе, а также достигается экономия коагулянта или флокулянта, если они применяются.

Таблица 10.1.1.3
Технологические показатели обезвоживания продуктов обогащения в гидроциклонах
Диаметр гидроциклона, мм Продукт Питание Пески Слив
Производи-
тельность по твердому, т/ч
Содержание, масс. % Производи-
тельность по твердому, т/ч
Содержание, масс. % Содержание, масс. %
твердого класса
–0,074 мм
влаги класса
–0,074 мм
твердого класса
–0,074 мм
350 Оленегорский немагнитный продукт основной магнитной сепарации 10,8 22,4 25,6 8,9 32,5 15,8 9,1 72
350 Кировоградский пирротиновый концентрат (I стадия обезвоживания) 40,5 22,8 73,7 24 38,9 64,2 12 98,8
Кировоградский пирротиновый концентрат (II стадия обезвоживания) 16,5 12 98,8 0,9 52,2 97,7 10,4 99,6
500 Гороблагодатский железный концентрат 180 52 56 30 19 20,1 44,5 59,4
Оленегорский промышленный продукт (перечистная магнитная сепарация) 3,5 2,6 35,3 2,5 14,4 16,6 0,9 74,6
Лебяжинский железный концентрат (30 % из богословской руды) 95,3 36,5 68,5 
(–0,063 мм)
17,7 17,9 21,3 
(–0,063 мм)
32,4 79,3 
(–0,063 мм)
Лебяжинские хвосты (30 % из богословской руды) 81,6 12,4 44,2 
(–0,063 мм)
35,1 29
(–0,063 мм)
7,7 74,5 
(–0,063 мм)

В пластинчатых сгустителях основными деталями являются близко расположенные наклонные плоскости, которые позволяют разделить поток на струи с ламинарным движением и уменьшить путь оседания твердых частиц.

Пластинчатый сгуститель представляет собой камеру (рис. 10.1.1.6), в которой установлен пакет параллельных пластин, расположенных на расстоянии 35–50 мм друг от друга под углом 25–60° к горизонту. Поверхность сгущения в этих аппаратах численно равна сумме горизонтальных площадей всех пластин. По принципу действия пластинчатые сгустители делятся на прямоточные, противоточные и с поперечным потоком.

В противоточных пластинчатых сгустителях, наиболее приемлемых для горнорудной промышленности (см. рис. 10.1.1.6), вводимое между пластинами питание и сгущенный продукт движутся в противоположных направлениях.

Наиболее важные условия работы сгустителя – равномерная подача питания во все каналы, образованные пластинами, и исключение взмучивания частиц, т. е. перемешивания исходного продукта со сгущенной пульпой.

Площадь выше ввода питания является зоной осветления. Ее можно увеличить, установив дополнительные короткие пластины между основными плоскостями. Содержащиеся в пульпе твердые частицы во время прохождения потока между пластинами выпадают на наклонные плоскости, в виде сгущенного продукта перемещаются по пластинам и заполняют трапециевидную часть сгустителя.



Рис. 10.1.1.6. Схема пластинчатого сгустителя:
1 – корпус аппарата; 2 – пакет пластин; 3 – подача исходной суспензии; 4 – выход сгущeнного осадка;
5 – вибрационная рама; 6 – измеритель плотности; 7 – выход осветлeнной жидкости

Разгрузка сгущенного продукта может быть автоматизирована. Регулирование его плотности может осуществляться при помощи g-лучей, ультразвука или измерением электропроводимости пульпы. От измерителя плотности 6 (рис. 10.1.1.6) сигнал обычно поступает на насос, который изменяет расход сгущенного осадка. При малых углах наклона пластин на них «накладываются» вибрации с малой амплитудой колебания. Для уплотнения осадка в трапециевидной части аппарата может быть установлен вибратор 5 (рис. 10.1.1.6), который также способствует выгрузке осадка из разгрузочного патрубка.

Противоточные пластинчатые сгустители изготовляют с площадью сгущения 50, 100 и 200 м2 (намечены к изготовлению с площадью сгущения до 1000 м2) [2], угол наклона пластин 45 и 55°. Пластины изготовляются из стеклопластика, пластмассы, стекла, нержавеющей стали и других материалов.

При обезвоживании свинцового (галенитового) концентрата крупностью 92 % класса –0,044 мм в сгустителе с площадью сгущения 100 м2 содержание твердого составило: в исходном продукте – 100 г/л, в сгущенном – 50–75 масс. %, в сливе – 120 мг/л.

Литература

  1. Справочник по обогащению руд / Гл. ред. О.С. Богданов. Т. I. Подготовительные процессы. М.: Недра, 1972. С. 448.


  2. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1982. 366 с.