Гравітаційне збагачення
Галузі застосування гравітаційних процесів. Методи та умови проведення збагачення корисних копалин. Закономірності вільного та стисненого руху тіл у середовищі; основи розділення сипких продуктів за густиною. Класифікація вугілля за збагачуваністю.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 12.09.2010 |
| Размер файла | 137,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
ВВЕДЕННЯ
Гравітаційне збагачення - один з найбільш важливих способів переробки корисних копалин. Принципи гравітаційного збагачення були відомі ще 2 тис. років тому і вперше описані Плінієм, а потім Аґріколою. Гравітаційне збагачення залишалося домінуючим методом обробки мінералів протягом 2 тис. років, і тільки в ХХ ст., з розвитком таких процесів як флотація, магнітна сепарація, вилуговування, його питома вага трохи зменшилася.
У земній корі нараховується близько 3000 основних (базових) мінералів, з них 250 вилучаються гравітаційними процесами. Гравітаційними процесами збагачують марганцеві, залізні і поліметалічні руди, руди благородних і рідкісних металів, алмазовмісні і радіоактивні руди, розсипи, вугілля і багато інших металічних і неметалічних корисних копалин. Гравітаційне збагачення може бути використане як процес попередньої, так і процес остаточної концентрації, при цьому воно дозволяє вилучати не тільки основні мінерали, але і виділяти супутні цінні компоненти з руд і продуктів збагачення.
Різноманітне застосування гравітаційних процесів обумовлено їх високою технологічною ефективністю при розділенні мінеральних сумішей у широкому діапазоні характеристик сировини (крупності і густини) і продуктивності апаратів при відносно низьких матеріальних, трудових і енергетичних витратах.
При гравітаційному розділенні використовуються розходження в густині, крупності і формі мінеральних частинок, внаслідок чого вони набувають різних швидкостей і напрямків руху в середовищі під дією сил гравітаційної і опору.
До гравітаційних процесів належать: відсадка, концентрація на столах, збагачення на шлюзах і у гвинтових сепараторах, збагачення у важких середовищах, гідравлічна класифікація, згущення і промивка.
Як середовища при гравітаційному збагаченні використовують воду, повітря, розчини електролітів, важкі суспензії і рідини. Розділення відбувається звичайно в рухомому середовищі з високим вмістом твердого. У цих умовах на частинку що рухається діють сили гравітаційна, гідродинамічного опору і тертя, взаємодія яких і приводить до розділення мінеральних сумішей.
1. ГРАВІТАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ
1.1 ГАЛУЗІ ЗАСТОСУВАННЯ ГРАВІТАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ
Гравітаційними називаються процеси збагачення корисних копалин, що ґрунтуються на використанні гравітаційного поля, в якому розділення мінеральних частинок відбувається внаслідок різниці їх густини, крупності і форми. Застосування гравітаційних процесів у практиці збагачення корисних копалин визначається: речовинним складом збагачуваного матеріалу і його крупністю, характеристикою збагачуваності корисної копалини, кліматичними умовами регіону, техніко-економічними показниками. Розділення звичайно відбувається в рухомому середовищі з досить високим вмістом твердого. У цих умовах на частинку діють сили ваги, гідродинамічного опору і тертя.
Гравітаційні процеси збагачення здійснюються на високопродуктивному і високоефективному обладнанні, що дозволяє спрощувати схему фабрики, більш економічно використовувати виробничі площі і об'єми будівель, в результаті чого знижуються капітальні витрати на будівництво фабрик, зростає продуктивність праці і знижується собівартість переробки сировини. Крупність корисних копалин, що переробляються гравітаційними процесами, складає від 0,1 до 300 мм. З цих причин гравітаційні процеси займають провідне місце в практиці переробки вугілля, золотовмісних, олов'яних, вольфрамових, молібденових руд і руд чорних металів. У комбінованих схемах переробки корисних копалин гравітаційні процеси використовують для видалення на початку технологічного процесу до 30 % відвальної породи, що сприяє підвищенню економічності збагачувального переділу за рахунок скорочення фронту подрібнення і флотації.
Гравітаційні процеси можуть використовуватися як самостійно, так і в поєднанні з іншими процесами збагачення: флотацією, промивкою, магнітною або електричною сепарацією та ін. Переробка корисних копалин у цих випадках здійснюється за більш складними технологічними схемами.
За широтою діапазону вихідних характеристик збагачуваної сировини, різноманітністю умов застосування у технологічних схемах збагачувальних фабрик, простотою виробничого комплексу, високою продуктивністю збагачувальних апаратів гравітаційні процеси перевершують багато інших процесів збагачення і забезпечують ефективне розділення мінеральних сумішей при відносно низьких матеріальних, трудових і енергетичних витратах.
1.2 МІНЕРАЛИ, ЯКІ ЗБАГАЧУЮТЬ ГРАВІТАЦІЙНИМИ ПРОЦЕСАМИ
Гравітаційні процеси збагачення є основними при переробці багатьох корисних копалин.
При гравітаційному розділенні використовуються відмінності у властивостях мінералів за густиною, крупністю і формою зерен.
Густина мінералу - маса одиниці об'єму мінералу; на практиці визначається як відношення маси зерна в моноліті до його об'єму:
д = m / W, (1.1)
де д - густина мінералу, кг/м3;
m - маса зерна, кг;
W - об'єм зерна, м3.
За абсолютною величиною густина мінералів, які збагачуються гравітаційними процесами складає від 1300 до 19000 кг/м3. Відомості про густину деяких мінералів наведені в табл. 1.1.
Таблиця 1.1 - Густина деяких мінералів
|
Мінерал |
Хімічна формула |
Густина, кг/м3 |
Корисний компонент |
Вміст корисного компоненту в мінералі, % |
|
|
Золото самородне Платина самородна Галеніт Вольфраміт Каситерит Гематит Пірит Піролюзит Циркон Хроміт Барит Халькопірит Сфалерит Флюорит Магнезит Кальцит Каолініт Кварц Антрацит Вугілля |
Au Pt PbS (Fe, Mn) WO4 SnO2 Fe2O3 FeS2 MnO2 ZrSiO4 FeO • Cr2O3 BaSO4 CuFeS2 ZnS CaF2 MgCO3 CaCO3 Al2O3 2SiO2 2H2O SiO2 C C |
16000-19000 14000-19000 7400-7600 7100-7400 6900-7000 5000-5200 4900-5200 4800-5000 4700-4800 4600-4800 4300-4500 4100-4300 3900-4100 3000-3100 3000-3060 2700-2730 2600-2700 2500-2650 1600-2200 1300-1800 |
Au Pt Pb WO3 Sn Fe S Mn ZrO2 Cr2O3 BaO Cu Zn F MgO CaO Al2O3 SiO2 C C |
до 99,7 до 96,0 86,6 до 75,0 78,8 70,0 53,4 до 63,0 67,0 до 65,0 65,7 34,5 67,0 48,9 47,8 56,0 39,5 до 100,0 до 100,0 до 100,0 |
Однак для практики гравітаційного збагачення має значення не тільки абсолютна величина густини збагачуваних мінералів, але, - що навіть важливіше, - розходження в густині розділюваних фракцій. Чим більше розходження в густині мінералів, які розділяються, тим ефективніше і легше здійснюється їхнє розділення.
Крупність мінеральних зерен оцінюється лінійним розміром, так званим еквівалентним діаметром (dе), що визначається як діаметр кулі, рівновеликої за об'ємом реальному мінеральному зерну неправильної форми:
W= р dе3/6, (1.2)
звідки
dе = (1.3)
Крім того, крупність окремих зерен мінералу може бути визначена як середнє арифметичне або середнє геометричне розмірів зерен у тривимірному просторі (по осях Х, У, Z).
Крупність матеріалів оцінюється їх гранулометричним складом.
При гравітаційному збагаченні зі зменшенням крупності зерен мінеральної суміші зростають витрати на проведення процесу і знижується його ефективність.
Форма мінеральних зерен характеризується коефіцієнтом сферичності ц, що являє собою відношення величини поверхні кулі SК до величини поверхні рівновеликого йому за об'ємом зерна неправильної форми S:
ц = SК / S. (1.4)
Форма зерен залежить від природи мінералів. Мінеральні зерна корінних родовищ мають різну неправильну форму: кубічну (магнетит), кутасту (вугілля), пластинчасту (сланець), голчасту (азбест). Зерна мінералів розсипних родовищ під впливом руслових потоків набувають обкатаної форми, близької до сферичної.
Коефіцієнт сферичності мінеральних зерен наведений у таблиці 1.2.
Таблиця 1.2 - Коефіцієнт сферичності мінеральних зерен
|
Форма зерен |
ц |
Форма зерен |
ц |
|
|
Пластинчаста Голчаста Довгаста Циліндрична |
0,2 - 0,6 0,6 - 0,7 0,6 - 0,8 0,7 - 0,8 |
Кубічна Кутаста Округлена, обкатана Сферична |
0,7 - 0,8 0,8 0,8 - 0,9 1,0 |
Звичайно коефіцієнт сферичності мінеральних зерен ц ? 1. Чим більше наближається форма зерна до сфери, тим більша швидкість його руху в середовищі в порівнянні зі швидкістю руху зерен іншої форми. При гравітаційному збагаченні найбільш сприятливий варіант має місце в тому випадку, якщо зерна мінералу більшої густини будуть мати округлу форму, близьку до сферичної, а зерна мінералу меншої густини - плоску форму, близьку до пластинчастої.
1.3 СЕРЕДОВИЩА ГРАВІТАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ
При гравітаційному збагаченні корисних копалин як середовища використовують воду, повітря, важкі рідини і суспензії, розчини електролітів. Реологічні властивості середовищ, що впливають на результати розділення: густина, в'язкість і стійкість.
Густина середовища - відношення маси середовища до його об'єму:
Д = m* / W*, (1.5)
де Д - густина середовища, кг/м3;
m* - маса середовища, кг;
W* - об'єм середовища, м3.
Найчастіше як середовище при гравітаційному розділенні корисних копалин використовується вода, густина якої за нормальних умов (тиск р = 0,1 МПа; температура Т = 293єК) складає 1000 кг/м3. Густина повітря в нормальних умовах - 1,23 кг/м3.
Характеристики деяких важких рідин, застосовуваних в основному для аналізів і вивчення збагачуваності корисних копалин, наведені в табл. 1.3.
Таблиця 1.3 - Характеристики важких рідин
|
Назва |
Хімічна формула |
Густина, кг/м3 |
Розчинність у |
|||||
|
воді |
спирті |
бензині |
бензолі |
ефірі |
||||
Хлористий кальційХлористий цинкХлорне оловоБромоформТетраброметанРідина ТулеЙодистий метиленРідина Сушина-РорбахаСрібно-барієвий йодидРідина Клерічі |
CaCl2ZnCl2SnCl4CHBr3C2H2Br4HgI2 + KICH2I2BaI2 + HgI2BaI2 + HgI2 + AgICH2(COOTl)2·HCOOTl |
1650207028802890296031703320350035004200 |
++++-+-+++ |
---++-++-- |
---++-++-- |
---++-++-- |
---++-++-- |
Примітки.
У табл. 1.3 зазначена максимальна густина розчину, що може бути отримана при розчиненні даної речовини.
Знак “+” показує, що речовина розчинна в зазначеному розчиннику, знак “-”, що вона нерозчинна.
Важка рідина повинна відповідати наступним вимогам:
- густина рідини повинна бути значно більшою густини легкого мінералу, повинна бути регульованою і не повинна змінюватися з часом;
- в'язкість рідини і її розчинність у воді повинні бути мінімальними;
- токсичність рідини повинна бути в межах санітарних норм і вона не повинна взаємодіяти з розділюваними мінералами;
- рідина повинна мати високу здатність до регенерації, а її вартість не повинна бути високою.
Найбільш повно цим вимогам відповідає тетраброметан (нетоксичний, недорогий, не розчинюється в воді і т.д.).
Аналогічні вимоги висуваються і до суспензій. Крім того, суспензії не повинні бути абразивними.
Густина суспензій визначається густиною обважнювача і його об'ємним вмістом у суспензії:
(1.6)
або
, (1.7)
де Дс , Д , до - густина суспензії, води і обважнювача, кг/м3;
со - об'ємна концентрація обважнювача в суспензії, частки од.
Для приготування суспензії з заданими реологічними властивостями обважнювач повинний задовольняти наступним вимогам:
- густина обважнювача повинна бути достатньої для готування стійкої нев'язкої суспензії заданої густини;
- обважнювач повинен легко регенеруватися і не реагувати з водою;
- обважнювач повинен бути нетоксичним, недорогим і недефіцитним.
У практиці гравітаційного збагачення для приготування суспензій на вуглезбагачувальних фабриках використовують магнетитовий концентрат густиною 4400 - 4700 кг/м3, на рудозбагачувальних фабриках - феросиліцій густиною 6800 - 7200 кг/м3, які задовольняють усім вимогам до обважнювачів.
В'язкість - властивість середовищ чинити опір відносному руху їхніх сусідніх елементарних шарів. Причина опорів, що виникають при русі рідин, є внутрішнє тертя між сусідніми дотичними шарами. Таким чином, для взаємного переміщення частинок реальної рідини необхідна деяка витрата енергії.
Відповідно до закону Ньютона сили внутрішнього тертя, що виникають між сусідніми рухомими шарами рідини, прямо пропорційні швидкості відносного руху і площі поверхні зіткнення:
FT = S м , Н, (1.8)
де FT - сила внутрішнього тертя, Н;
S - площа дотичних шарів, м2;
м - динамічний коефіцієнт в'язкості, Па•с;
du - різниця швидкостей руху сусідніх елементарних дотичних шарів, м/с;
dh - відстань між осями сусідніх елементарних шарів, м;
du/dh - градієнт швидкості, с-1.
Поняття «в'язкість» характерне лише для динамічно рухливих середовищ, тому що з припиненням руху середовища швидкість ковзання шарів один відносно одного стає рівною нулю і сила внутрішнього тертя зникає. Сили внутрішнього тертя не залежать від тиску, але залежать від різновиду середовища. З підвищенням температури в'язкість рідини зменшується, а газу - збільшується. При нормальних умовах динамічний коефіцієнт в'язкості води м = 0,001 Па•с, а повітря м = 0,000018 Па·с.
В'язкість суспензії збільшується зі зростанням об'ємної концентрації обважнювача і його дисперсності і не залежить від природи обважнювача і його густини. Динамічний коефіцієнт в'язкості суспензії при об'ємній концентрації обважнювача до 40 % визначається за формулою Ванда:
, (1.9)
де мс , м0 - динамічні коефіцієнти в'язкості суспензії і води, Па•с;
со - об'ємна концентрація обважнювача, частки од.
Збільшення в'язкості розділового середовища при гравітаційному збагаченні приводить до зниження ефективності процесу. Магнетитові суспензії при високому вмісті обважнювача, наявності шламу і глини стають структурно в'язкими. У таких суспензіях погіршується процес розділення корисної копалини, особливо дрібних зерен, що не тонуть і не спливають, тому що не можуть перебороти опір середовища.
Нормальні умови розділення забезпечуються при динамічній в'язкості розділового середовища, яка не перевищує 0,007 Па•с.
Стійкість суспензії - здатність її зберігати задану густину у різних по висоті шарах. Безструктурні суспензії, які застосовуються найбільш часто в практиці гравітаційного збагачення, є вкрай нестабільними системами. В міру збільшення структуроутворення або підвищення вмісту в ній твердого підвищується і її стійкість.
Ступінь стійкості суспензії багато в чому визначає конструкцію збагачувального обладнання, режим і умови його роботи, точність розділення корисної копалини. Підвищення стійкості суспензій може бути досягнуто різними способами: створенням висхідних і горизонтальних потоків; застосуванням обважнювачів визначеного складу; додаванням реагентів-пептизаторів; фізико-механічними впливами.
Метод стабілізації суспензії шляхом створення в робочій зоні сепаратора висхідних і горизонтальних потоків є основним і тому найпоширенішим. Висхідний потік підвищує густину розділення в порівнянні з густиною суспензії, що подається у сепаратор. Тому, щоб не знизити точність розділення, при виборі швидкості висхідного потоку враховують тип сепаратора, склад збагачуваного матеріалу, тип обважнювача.
Стійкість суспензії підвищується при додаванні в неї тонких класів обважнювача і рудних шламів. Іноді додають 1 - 3 % глинистих матеріалів або застосовують суміш порошків матеріалів різної густини (наприклад, суміш феросиліцію з магнетитом або з піротином).
Підвищення стійкості суспензій при одночасному зниженні їхньої в'язкості на 15-35 % може бути досягнуто застосуванням реагентів-пептизаторів, що знижують ефект “злипаємості” частинок. Найбільш ефективні гексаметафосфат і триполіфосфат натрію. Реагенти-пептизатори застосовують при значному вмісті шламів в суспензіях і при збагаченні в суспензіях підвищеної густини (понад 2000 кг/м3). Вміст реагентів-пептизаторів у суспензії не повинен перевищувати 0,001-0,5 % від маси обважнювача.
Стійкість суспензії може бути підвищена при одночасному зниженні її в'язкості на 30-40 % за рахунок фізико-механічних впливів (напр., за рахунок коливань з частотою 5-8 Гц і амплітудою 6-10 мм).
2. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ГРАВІТАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ
При русі в рідинах, мінеральних суспензіях, газах тверде тіло обтікається середовищем. На частинки, що рухаються в середовищі, діють сили, величина яких залежить від фізичних властивостей середовища (його густини і в'язкості), а також від швидкості руху частинок, їхнього розміру і густини. Під дією цього комплексу сил частинки, що відрізняються розділовими властивостями, переміщаються за різними траєкторіями доти поки не відбудеться їхнє розділення, після чого кожна група частинок виділяється з процесу окремо.
Основним критерієм оцінки параметрів руху частинки служить швидкість її переміщення в середовищі. Якщо швидкість руху тіла щодо середовища невелика, відбувається безвідривне обтікання; опір руху тіла обумовлено в основному силами тертя. Зі збільшенням швидкості руху обтікання тіла відбувається вихроутворення, яке тим інтенсивніше, чим більша швидкість обтікання і шорсткість тіла. У цьому випадку переважає інерційний опір. Опір тертя переважає при ламінарних режимах руху, інерційний - при турбулентних.
Вивчення закономірностей руху тіл у середовищах виконують з урахуванням вільних і стиснених умов. Результати вивчення закономірностей руху частинок у рідинах, суспензіях і газах використовуються при розробці теорії гравітаційних процесів, розрахунку апаратів гравітаційного розділення.
2.1 ЗАКОНОМІРНОСТІ ВІЛЬНОГО РУХУ ТІЛ У СЕРЕДОВИЩІ
Вільним називається падіння окремих ізольованих одна від одної частинок у необмеженому об'ємі середовища.
Швидкість вільного падіння тіл у середовищах визначається взаємодією сил:
- гравітаційної
F1 = рd3 (д - Д) g / 6, Н, (2.1)
де d - еквівалентний діаметр кулі рівновеликої за об'ємом реальному тілу, м;
д - густина тіла, кг/м3;
Д - густина середовища, кг/м3;
g - прискорення вільного падіння, м/с2;
гідродинамічного опору
F2 = шV2d2Д , Н, (2.2)
де ш - коефіцієнт гідродинамічного опору середовища рухомому тілу;
V - швидкість тіла в середовищі, м/с.
Сила опору середовища рухомому в ньому тілу залежить від режиму руху - ламінарного або турбулентного. Режим руху характеризується безрозмірним параметром - числом Рейнольдса:
Re = VdД /м , (2.3)
де м - динамічний коефіцієнт в'язкості, Па * с.
Ламінарний режим обтікання відбувається при невеликих швидкостях руху (Re <1) частинок малої крупності (d < 0,1 мм). При ламінарному обтіканні елементарні шари середовища плавно сходять з тіла і не утворюють вихрів. У цьому випадку сила в'язкісного опору середовища обумовлюється силами тертя, що виникають у ньому внаслідок різниці швидкостей руху окремих елементарних шарів, і описується законом Стокса:
F2* = 3рмVd. (2.4)
Якщо динамічний коефіцієнт в'язкості м представити з використанням формули (2.3) як:
м = VdД / Re ,
то рівняння (2.4) можна перетворити в такий спосіб:
F2* = 3рV2d2Д / Re . (2.5)
Турбулентний режим обтікання характерний для високих швидкостей руху (Re >1000) великих частинок (d > 2 мм). Турбулентне обтікання супроводжується утворенням вихорів за рухомим тілом. Вихроутворення тим інтенсивніше, чим складніша конфігурація тіла і чим більша шорсткість його поверхні і швидкість обтікання. У результаті вихроутворення за рухомим тілом утворюється простір зі зниженим тиском. Різниця тисків визначає динамічний або інерційний опір середовища рухомому тілу, який описується законом Ньютона-Ріттінгера:
F2** = рV2d2Д / 16. (2.6)
Закони Стокса і Ньютона-Ріттінгера кожний окремо не відбивають повної картини опору середовища рухомому тілу. Тіло випробовує одночасно вплив двох опорів, але в різному ступені. При параметрах Рейнольдса Re <1 переважає дія сил в'язкості, при параметрах Рейнольдса Re >1000 переважає дія сил інерції.
Для проміжної області значень параметра Рейнольдса 1 ? Re ? 1000, що відповідають швидкостям руху частинок крупністю 0,1 ? d ? 2 мм, Аллен запропонував визначати опір тілу за формулою:
F2***= 5рV2d2Д / (8) . (2.7)
Формули (2.5) - (2.7) показують, що опір, який чинить середовище рухомому тілу, залежить від густини середовища, швидкості руху і крупності тіла. При цьому коефіцієнт гідродинамічного опору середовища залежно від режиму руху приймає значення:
ш = р / 16 - рух у турбулентній області;
ш = 5р / (8) - рух у проміжній області;
ш = 3р / Re - рух у ламінарній області.
У результаті узагальнення експериментальних даних Релеєм була отримана діаграма залежності коефіцієнта опору від параметра Рейнольдса ш = f (Re) для різних режимів руху кулястих тіл у воді, повітрі, важких рідинах і т.п. (рис. 2.1). Плавний вид кривої вказує на поступовий перехід від ламінарного режиму до турбулентного при зміні параметра Рейнольдса.
Для практичних цілей застосувати діаграму Релея досить складно і, крім того, визначення, виконані з її використанням, не виключають похибок, як і при будь-якому іншому графічному методі.
Запропоновано багато рівнянь для опису різних ділянок кривої ш = f(Re). Наприклад, для вільних умов падіння тіл і чисел Re < 6000 В.А.Олевським запропоноване рівняння:
ш = 3р / Re + (3 / Re)0,5 + 1/8. (2.8)
При значеннях чисел Re > 6000 рівняння (2.8) дає занижені значення коефіцієнту опору ш.
Аналітичний вираз для визначення швидкості руху тіла в середовищі з урахуванням основних сил - гравітаційної (2.1) і опору (2.2), може бути отриманий з рівняння:
.
При в диференціальної формі це рівняння має вигляд:
. (2.9)
При m = рd3д/6 прискорення падаючого в середовищі тіла складає:
, м/с2 . (2.10)
Спочатку тіло рухається в середовищі прискорено, тому що його сила ваги перевищує силу опору середовища. Цей момент часу малий і виміряється частками секунди:
t0 = 2,5 V0 / g0 , с, (2.11)
де t0 - час досягнення кінцевої швидкості руху, с;
V0 - кінцева швидкість руху тіла, м/с; g0 - початкове прискорення, м/с2:
, м/с2 . (2.12)
За час t0 тіло проходить шлях L0 :
L0 = 1,8 V02 / g0 , м . (2.13)
Після закінчення проміжку часу t0 настає рівновага сил і тіло рухається рівномірно зі швидкістю V0 = const, що називається кінцевою швидкістю вільного падіння. Прискорення тіла при V0 = const дорівнює нулю. З рівняння (2.10) кінцева швидкість падіння тіла в середовищі становить:
, м/с. (2.14)
З урахуванням коефіцієнта опору ш можуть бути отримані вирази для визначення швидкості руху тіл у різних режимах:
- у турбулентному:
ш = р / 16 :
, м/с ; (2.15)
- у перехідному:
ш = 5р / (8) :
, м/с ; (2.16)
- у ламінарному:
ш = 3р / Re :
, м/с . (2.17)
Аналіз формул (2.15) - (2.17) показує, що зміна температури рідини не позначиться на швидкості руху частинки в турбулентному режимі, слабко позначиться - у перехідному й істотно - у ламінарному.
П.В. Лященко розробив універсальний метод визначення кінцевої швидкості руху тіл будь-якої крупності, густини і форми в різних режимах. На основі діаграми Релея побудована в логарифмічних координатах діаграма
Re2ш = f(Re)
(рис. 2.2). Визначення кінцевої швидкості полягає в тому, що при відомих параметрах частинки і середовища розраховується параметр Re2ш :
Re2ш = рd3(д -Д)gД / (6м2). (2.18)
Потім за діаграмою (рис. 2.2) знаходять значення Re, після чого з використанням формули (2.3) визначають кінцеву швидкість:
V0 = Reм / dД . (2.19)
За методом Т.Г. Фоменка кінцеві швидкості падіння частинок у середовищі визначають з використанням параметра Архімеда:
Ar = d3(д - Д)gД / м2. (2.20)
Потім за діаграмою
ш = f(Ar)
(рис. 2.3) або за формулою (2.21) знаходять значення коефіцієнта опору ш і розраховують кінцеву швидкість падіння частинки (2.22):
; (2.21)
, м/с. (2.22)
При груповому русі мінеральних частинок різної густини і крупності завжди існує деяка кількість частинок, що мають однакові швидкості руху в середовищі. Наприклад, частинка вугілля з параметрами: дВ = 1500 кг/м3, dВ = 8 мм і частинка породи з параметрами дП = 1800 кг/м3, dП = 5 мм мають однакові швидкості руху.
Частинки, що при різній густині і крупності мають однакову кінцеву швидкість падіння в одному і тому ж середовищі, називаються рівнопадаючими, а відношення їхніх діаметрів - коефіцієнтом рівнопадання е:
e = d1 / d2 =Re1 / Re2 (2.23)
де індекс «1» відноситься до частинок меншої густини, індекс «2» - до частинок більшої густини. Використання співвідношення рівнозначно співвідношенню , тому що числа Рейнольдса і (2.3) відрізняються лише розмірами частинок.
З умови рівності кінцевих швидкостей руху частинок коефіцієнт рівнопадання може бути обчислений з використанням густини частинок і середовища:
e = [(д2 - Д) / (д1 - Д)] n . (2.24)
де n - показник степені, що залежить від режиму руху частинок; при русі в турбулентній області n = 1, у перехідній n = 2/3, у ламінарній n = 0,5.
За методом П.В. Лященка коефіцієнт рівнопадання визначають з використанням параметра ш/Re . Для частинки меншої густини параметр ш/Re визначають за формулою:
ш1/Re1 = рg(д1 - Д)м / (6V03Д2) . (2.25)
Потім по діаграмі Re = f(ш/Re) (рис. 2.2) знаходять число Рейнольдса для частинки меншої густини - Re1, з використанням якого визначають параметр ш / Re для частинки більшої густини:
ш2/Re2 = ш1 (д2 - Д) / [Re1 (д1 - Д)] , (2.26)
знаходять по діаграмі число Рейнольдса Re2 і визначають коефіцієнт рівнопадання по співвідношенню між числами Рейнольдса за формулою (2.23).
За методом Т.Г.Фоменка для частинки меншої густини розраховують відношення:
ш13/Ar1 = 64 м2(д1 - Д)2g2 / (27V06Д4) , (2.27)
за цим відношенням по діаграмі (рис. 2.4) знаходять значення Ar1.
Для частинки більшої густини параметр ш23/Ar2 визначають з використанням раніше обчисленого Ar1:
ш2 3/Ar2 = ш1 3(д2 - Д)2 / [Ar1(д1 - Д)2] (2.28)
і по діаграмі Ar = f(ш3/Ar) знаходять параметр Ar2 . Для визначення діаметрів рівнопадаючих частинок параметри Ar1 і Ar2 підставляють у формулу:
. (2.29)
Коефіцієнт рівнопадання визначається за формулою (2.23) як співвідношення діаметрів рівнопадаючих частинок.
2.2 ЗАКОНОМІРНОСТІ СТИСНЕНОГО РУХУ ТІЛ У СЕРЕДОВИЩІ
Закономірності вільного падіння ізольованого твердого тіла в необмеженому об'ємі середовища лише частково висвітлюють явища, що мають місце в гравітаційних процесах. При масовому русі частинок під впливом тих же сил, що і при вільному падінні, виникають більш складні гідродинамічні явища, обумовлені перемішуванням частинок у подовжньому і поперечному напрямках, тертям частинок одна об одну і стінки апарата, виникненням висхідних потоків середовища в проміжках між частинками. У результаті цього виникають додаткові сили опору, що різко змінюють характер руху кожної окремої частинки в порівнянні з умовами вільного падіння, унаслідок чого швидкість руху частинки значно зменшується.
Знання закономірностей стисненого руху маси частинок у середовищах використовується при рішенні багатьох практичних задач в галузі гравітаційного збагачення, гідротранспорту, процесів, що протікають у «киплячому» шарі.
Вивчення закономірностей стисненого падіння частинок базується на двох концепціях:
- перша концепція розглядає стиснене падіння як груповий рух частинок, що являють собою фільтраційне середовище, крізь яке рідина протікає у вертикальному напрямку знизу вгору;
- друга концепція розглядає стиснене падіння як падіння окремої частинки, що знаходиться в масі інших, при цьому за основу приймається швидкість вільного падіння, а умови стиснення враховуються поправочними коефіцієнтами.
Відповідно до цих концепцій запропоновано багато формул для визначення швидкості стисненого руху зерен у середовищах. Кожна з формул відбиває суть окремих явищ і базується на відповідних гіпотезах.
Характерною для першої концепції є формула, запропонована Б.В. Кізевальтером:
, м/с, (2.30)
де
, (2.31)
або
, (2.32)
де д, Д - густини частинки і середовища, кг/м3;
d - еквівалентний діаметр, м;
И - коефіцієнт розпушення (об'ємний вміст рідкої фази в розглянутому об'ємі):
И = WЖ / (WЖ + WТ) ; (2.33)
ц - коефіцієнт сферичності;
Ar - параметр Архімеда (2.20); v - кінематичний коефіцієнт в'язкості, м2/с:
v = м /Д; (2.34)
M, n - коефіцієнти, що визначаються залежно від L (табл. 2.1).
Таблиця 2.1 - Параметри M і n
|
Коефіцієнт |
L |
|||||
|
7 |
7 - 17 |
17 - 750 |
750 - 5000 |
5000 - 130000 |
||
Мn |
1,81,0 |
2,45/6 |
3,62/3 |
5,73/5 |
7,24/7 |
Формула (2.30) прийнятна при значеннях коефіцієнта розпушення И ? 0,8, коли сукупність падаючих тіл можна розглядати як фільтраційне середовище. При И > 0,8 за формулою (2.30) одержують завищені результати, а при И = 1 швидкість Vст прямує до нескінченності.
Формули, що базуються на першій концепції, громіздкі, незручні для інженерного розрахунку, тому вони застосовуються значно рідше формул, що базуються на другій концепції.
Найбільш розповсюдженою формулою, що базується на другій концепції, є формула:
Vcm = V0 И m, (2.35)
де Vcm і V0 - швидкості стисненого і вільного падіння, м/с;
И - коефіцієнт розпушення, частки од.;
m - показник степеня, що залежить від розміру, густини і форми частинок, а також від співвідношення розмірів частинок і апарата, у якому відбувається розділення, він приймає значення: m = 1 - у формулі Фінкея, m = 2 у формулі Ханкока, m = 3 - у формулі Лященка.
Результати досліджень залежності показника степеня m від параметра Рейнольдса наведено на рис. 2.5. Як легко простежити, величина показника степеня m змінюється від 4,65 до 2,39 у діапазоні чисел Рейнольдса 0,3 - 500, поза цим діапазоном величина показника степеня має постійне значення: при Re < 0,3 m = 4,65; при Re > 500 m = 2,39.
Швидкості, розраховані за формулою Фінкея, завищені, за формулою Лященко - занижені. Формула Ханкока для частинок крупністю 0,1 - 12,5 мм дозволяє одержати результати близькі до фактичних.
Запропоновано ряд інших формул, що визначають швидкості стисненого падіння на основі різних гіпотез. На основі подібності падіння поєднаної маси частинок до падіння у важкій рідині Річардс запропонував формулу:
Vcm= 0,174, м/с, (2.36)
де d - крупність частинок, м;
д і ДCP - густини частинок і середовища, кг/м3.
Відомий ряд формул для визначення швидкості стисненого падіння залежно від об'ємного вмісту твердої фази в пульпі:
- формула Стокса-Ейнштейна:
Vcm= V0 / (1 - 2,5 С) ; (2.37)
- формула Загустіна:
Vcm= V0 (1 - 2,5 С) ; (2.38)
- формула Годена:
Vcm= V0 (1 - С0,67)(1 - С)(1 - 2,5 С) , (2.39)
де С - об'ємна концентрація твердої фази, частки од.
Формули (2.37) - (2.38) можуть бути використані при розрахунку швидкостей частинок крупністю d > 1 мм, формула (2.39) - частинок крупністю d < 0,1 мм і об'ємної концентрації твердої фази С ? 0,3.
За методом Т.Г.Фоменка для обчислення швидкості стисненого падіння спочатку визначають параметр Архімеда (2.20), а потім по кривій шст = f (Ar) (рис. 2.6) або за формулою (2.40) знаходять коефіцієнт шст:
; (2.40)
Після визначення шст розраховують швидкість стисненого падіння за формулою (2.22), замінивши в ній V0 на Vcm і ш на шст. Результати розрахунку близькі до фактичного в діапазоні крупності частинок від 0,05 до 12,5 мм.
Коефіцієнт рівнопадання в умовах стисненого падіння визначається з урахуванням додаткових сил опору, які виникають при русі тіла. Додатковий опір враховується заміною у формулі (2.24) густини рідини Д на густину середовища ДСР :
e = [(д2 - ДСР) / (д1 - ДСР)] n . (2.41)
За методами П.В. Лященка та Т.Г. Фоменка визначення коефіцієнта рівнопадання при стисненому падінні виконується за тією ж методикою, що й при вільному, але з поправкою на густину середовища, що змінилася.
Коефіцієнт рівнопадання частинок у стиснених умовах значно більший, ніж у вільних, що дозволяє розширити шкалу класифікації. Наприклад, для вугілля і породи у вільних умовах він дорівнює 3, а в стиснених умовах - 12.
3. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОЗДІЛЕННЯ СИПКИХ ПРОДУКТІВ ЗА ГУСТИНОЮ
3.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЗБАГАЧУВАНОСТІ КОРИСНОЇ КОПАЛИНИ
Вибір технологічної схеми збагачення корисної копалини залежить від характеристики її збагачуваності.
Збагачуваність - це гранично можлива точність розділення корисної копалини на відповідні продукти, яка не залежить від ефективності роботи збагачувальної машини.
Збагачуваність корисної копалини залежить від її мінералогічного, гранулометричного і фракційного складу.
Мінералогічний склад подає дані про мінерали, що складають гірничу масу, їхню кількість, форму і розмір зерен, ступінь зрощення мінералів один з одним. Характеристика вкраплення мінеральних домішок у корисній копалині впливає на вибір числа стадій збагачення. При малому вмісті зростків - схема одностадійна (без дроблення і дозбагачення промпродукту), у протилежному випадку - двостадійна або багатостадійна (із дробленням і дозбагаченням промпродуктів).
Крупність дроблення корисної копалини залежить від крупності і форми вкраплення мінералів і їх зрощення один з одним.
У тих випадках, коли розділові властивості мінералів виявляються близькими виконують дослідження їхніх фізичних властивостей. З урахуванням фізичних властивостей розглядається питання про вибір схеми і методу збагачення;
Гранулометричний склад містить інформацію про максимальну крупність сировини, співвідношення в ній класів крупності і дозволяє вирішити питання про вибір схеми підготовчих операцій. Дані про гранулометричний склад корисної копалини (напр., вугілля) можна подати або у вигляді таблиці ситового аналізу (табл. 3.1), або у вигляді сумарної характеристики крупності (рис. 3.1).
Таблиця 3.1 - Ситовий аналіз вугілля
|
Клас, мм |
Вихід (г), % |
Зольність (Аd), % |
|
+2513-250,5-130-0,5 |
г1г2г3г4 |
А1А2А3А4 |
|
|
Разом |
100,0 |
АСР |
Вигляд сумарної характеристики крупності, побудованої по «+d», вказує на перевагу тих або інших класів крупності в збагачуваному матеріалі. Увігнута характеристика «1» вказує на перевагу дрібних зерен, опукла «3» - на перевагу крупних, прямолінійна «2» - на рівномірний розрозділення класів крупності.
Гранулометричний склад і зольність окремих класів вугілля впливають на вибір процесу і глибини збагачення. При вмісті крупних класів (+13 мм) понад 20 % доцільно використовувати важкосередовищну сепарацію. При малому вмісті крупних класів перевагу віддають відсадці. Крім того, якщо в крупних класах міститься понад 30 % породних фракцій, то незалежно від категорії збагачуваності рекомендується застосовувати важкосередовищну сепарацію.
Вміст у вугіллі класу -0,5 мм і його зольність впливають на вибір схеми і глибини збагачення. Якщо вихід і зольність цього класу малі, то він підшихтовується до концентрату в незбагаченому виді.
Фракційний склад являє собою кількісну оцінку можливості розподілу вільних мінеральних зерен і зростків по фракціях різної густини і крупності. Гранично можлива точність розділення називається збагачуваністю. Для оцінки збагачуваності корисної копалини (напр., вугілля) за даними фракційного аналізу (табл. 3.2) будують криві збагачуваності (рис. 3.2).
Таблиця 3.2 - Фракційний аналіз вугілля і дані для побудови кривих збагачуваності
|
Густина фракцій,т/м3 |
Вихідне вугілля |
Фракції, що спливають |
Фракції, що тонуть |
||||
|
г, % |
А, % |
гВ, % |
АВ, % |
гУ, % |
АУ, % |
||
|
< 1,3 |
г1 |
А1 |
г1В= г1 |
А1В= А1 |
100,0 |
АСР |
|
|
1,3-1,4 |
г2 |
А2 |
г2В |
А2В |
г5У |
А5У |
|
|
1,4-1,5 |
г3 |
А3 |
г3В |
А3В |
г4У |
А4У |
|
|
1,5-1,6 |
г4 |
А4 |
г4В |
А4В |
г3У |
А3У |
|
|
1,6-1,8 |
г5 |
А5 |
г5В |
А5В |
г2У |
А2У |
|
|
> 1,8 |
г6 |
А6 |
100,0 |
АСР |
г1У= г6 |
А1У= А6 |
|
|
Разом |
100,0 |
АСР |
- |
- |
- |
- |
Фракційний аналіз виконується послідовним розділенням проби матеріалу, що досліджується, в рідинах визначеної густини. Так, проби вугілля розшаровують в розчинах хлористого цинку густиною 1300, 1400, 1500, 1600 і 1800 кг/м3. Отримані фракції відмивають від розчину хлористого цинку, сушать, зважують і кожну з них аналізують на зольність. Результати фракційного аналізу записують в таблицю визначеної форми.
Криві збагачуваності будують у системі координат, де по осі нижній абсцис відкладають зольність фракцій (або вміст цінного мінералу), по верхній осі абсцис - густину розділення, по лівій осі ординат - сумарний вихід фракцій, що спливли, по правій осі ординат - сумарний вихід фракцій, що потонули.
При розрахунку показників фракцій, що спливають, вирішують питання про те який вихід і зольність були б у фракції при послідовному підвищенні мінімальної густини розділення:
- вихід і зольність фракцій при мінімальній густині розділення 1300 кг/м3 (ці показники відомі):
;
- вихід і зольність фракцій при мінімальній густині розділення 1400 кг/м3 розраховують так:
;
- вихід і зольність фракцій при мінімальній густині розділення 1500 кг/м3 розраховують так:
;
і т.д. до ;
При розрахунку показників фракцій, що тонуть, вирішують питання про те який вихід і зольність були б у фракції при послідовному зниженні максимальної густини розділення:
- вихід і зольність фракцій при максимальній густині розділення 1800 кг/м3 (ці показники відомі):
;
- вихід і зольність фракцій при максимальній густині розділення 1600 кг/м3 розраховують так:
;
- вихід і зольність фракцій при максимальній густині розділення 1500 кг/м3 розраховують так:
;
і т.д. до ;
Криві збагачуваності показують залежності між основними технологічними показниками збагачення:
л - залежність між сумарним виходом і зольністю елементарних фракцій;
в - залежність між сумарним виходом фракцій, що спливли, і їхньою зольністю;
И - залежність між сумарним виходом фракцій, що потонули, і їхньою зольністю ;
д - залежність між розділовою густиною і виходами фракцій.
Криві збагачуваності будуються в такій послідовності. Першою будується крива л. Для цього будують прямокутники, які символізують кількість золи в кожній фракції (вертикальна сторона - , горизонтальна - ). Середні точки вертикальних сторін з'єднують плавною кривою таким чином, щоб площа під кривою (кількість золи) дорівнювала площі прямокутників. Кінці кривої л не повинні доходити ні до 0 % (материнська зола), ні до 100 % (порода при контакті з вугіллям вуглефікується). Крива в будується по точках за показниками ( і ) фракцій, що спливають, крива И - по точках за показниками ( і ) фракцій, що тонуть. Крива д будується за даними виходу фракцій, що спливають, і мінімальній густині фракції.
За кривими збагачуваності визначають теоретичні показники збагачення корисної копалини, густину розділення, можливість шихтовки різновидів сировини. Крім того, по характеру кривої л можна судити про збагачуваність матеріалу, що переробляється. Залежно від характеру кривої л можна припустити три теоретичних випадки розділення матеріалу (рис. 3.3).
Крива л, що зображена ламаною лінією, характеризує матеріал, який не містить зростків і в процесі збагачення ідеально розділяється на два продукти (рис. 3.3 а). Якщо крива л має вигляд прямої лінії, нахиленої під деяким кутом ц, це означає, що матеріал містить значну кількість зростків при нерівномірному вкрапленні корисного мінералу, збагачуваність такого матеріалу винятково важка (рис. 3.3 б). У тому випадку, коли крива л зображена вертикальною прямою (ц = 90о), матеріал збагатити неможливо, тому що вся його маса складається із найтонших зростків мінералів, що не руйнуються при подрібненні (рис. 3.3 в).
Вплив категорії збагачуваності на вибір схеми переробки полягає у наступному: чим складніша збагачуваність корисної копалини, тим складнішою повинна бути схема збагачення і тим ефективнішими повинні бути використовувані в ній процеси збагачення.
При роздільному збагаченні двох машинних класів або корисних копалин двох шахт (кар'єрів) варіантів розділення може бути багато, але вибрати необхідно той, який дозволить одержати максимальний вихід концентрату заданої якості.
Відповідно до теореми про максимальний вихід концентрату: «При заданій якості сумарного концентрату його максимальний вихід може бути отриманий тільки в тому випадку, якщо розділення окремих класів (або матеріалів) у кожній окремій операції здійснюється за елементарними фракціями з однаковою розділовою ознакою (наприклад, зольністю)».
Так при збагаченні двох класів вугілля гравітаційної крупності будують криві збагачуваності не тільки цих класів, але й для їх шихти. На кривих збагачуваності для шихти при заданих сумарних зольностях концентрату і відходів визначають зольності елементарних фракцій розділення, які потім використовують на кривих збагачуваності машинних класів для визначення виходів і зольностей продуктів розділення цих класів. В цьому випадку вихід концентрату заданої зольності буде максимальним.
3.2 КЛАСИФІКАЦІЯ ВУГІЛЛЯ ЗА ЗБАГАЧУВАНІСТЮ
На даний час в практиці вуглезбагачення оцінку збагачуваності вугілля і його класифікацію за цією ознакою роблять за ГОСТ 10100-84. Відповідно до цього стандарту показник збагачуваності Т визначається як відношення сумарного виходу проміжних фракцій до виходу безпородної маси.
(3.1)
де - вихід проміжних фракцій (густиною 1400 (1500) - 1800 кг/м3 - для кам'яного вугілля і 1800 - 2000 кг/м3 - для антрацитів),
- вихід породних фракцій (густиною понад 1800 кг/м3 - для кам'яного вугілля і понад 2000 кг/м3 - для антрацитів).
Залежно від значення показника збагачуваності вугілля і антрацити підрозділяють на категорії збагачуваності від легкої до дуже трудної (важкої).
Розділення вугілля по категоріях збагачуваності наведено в табл. 3.3.
Таблиця 3.3 - Класифікація вугілля за збагачуваністю
|
Ступінь збагачуваності |
Категорія збагачуваності |
Показник збагачуваності, % |
|
|
Легкий |
1 |
До 5 вкл. |
|
|
Середній |
2 |
Більше 5 до 10 вкл. |
|
|
Важкий |
3 |
Більше 10 до 15 вкл. |
|
|
Дуже важкий |
4 |
Більше 15 |
Показник збагачуваності не відображає основних характеристик вугілля - зольності і виходу легких фракцій, що визначають можливу кількість і якість концентрату, а також режими розділення. У зв'язку з цим інститут УкрНДІВуглезбагачення (м. Луганськ) пропонує метод визначення індексу збагачуваності Т по виходу і зольності легких фракцій:
, % (3.2)
де - і - вихід і зольність легких фракцій, % ;
і - емпіричні коефіцієнти (табл. 3.4).
Подобные документы
Аналіз історії відкриття перших родовищ паливних копалин в Україні. Дослідження класифікації, складу, властивостей, видобутку та господарського використання паливних корисних копалин. Оцінка екологічних наслідків видобутку паливних корисних копалин.
курсовая работа [8,6 M], добавлен 20.12.2015Сутність, значення та використання вугілля. Особливості властивостей та структури вугілля, просторове розташування його компонентів. Характеристика пористості вугілля, процес його утворення. Спосіб видобутку вугілля залежить від глибини його залягання.
презентация [2,5 M], добавлен 13.05.2019Класифікація та призначення гірничих машин. Загальні фізико-механічні властивості гірничих порід. Класифікація та принцип дії бурових верстатів. Загальні відомості про очисні комбайни. Гірничі машини та комплекси для відкритих видобуток корисних копалин.
курс лекций [2,6 M], добавлен 16.09.2014Методика формування в студентів навичок самостійної роботи при вивченні предмета "Технологія гірничого виробництва". Вивчення основних і допоміжних виробничих процесів, технології та комплексної механізації при підземному видобутку корисних копалин.
методичка [29,4 K], добавлен 25.09.2012Загальна характеристика етапів розвитку методів гідрогеологічних досліджень. Дослідні відкачки із свердловин, причини перезволоження земель. Методи пошуків та розвідки родовищ твердих корисних копалин. Аналіз пошукового етапу геологорозвідувальних робіт.
контрольная работа [40,2 K], добавлен 12.11.2010Короткий висновок про геологічний розвиток Австралії. Корисні копалини Нового Південного Уельса, Північної території, Квінсленда, Південної Австралії. Металогенія острова Тасманія. Мінеральні ресурси Західної Австралії. Геологічна карта штату Вікторія.
реферат [2,5 M], добавлен 18.03.2014Геологічна будова, гідрогеологічні умови, вугленосність Боково-Хрустальського району з видобутку антрацитів. Характеристика ділянки шахтного поля: віку і складу порід, їх залягання, якості вугільного пласта. Результати геолого-розвідницьких робіт.
курсовая работа [114,1 K], добавлен 09.06.2010Геологічна та гірничотехнічна характеристика родовища. Об’єм гірської маси в контурах кар’єра. Запаси корисної копалини. Річна продуктивність підприємства по розкривним породам. Розрахунок висоти уступів та підбір екскаваторів. Об'єм гірських виробок.
курсовая работа [956,4 K], добавлен 23.06.2011Технологія та механізація ведення гірничих робіт, режим роботи кар’єру і гірничих машин, характеристика споживачів електроенергії. Розрахунок потужності що живиться кар'єром і вибір трансформатора ГСП. Техніка безпеки при експлуатації електропристроїв.
курсовая работа [395,1 K], добавлен 05.12.2012Організаційна структура підприємства "Західгеодезкартографія". Коротка характеристика фізико-географічних умов району проведення польових робіт. Методи і засоби виконання аерофотозйомки. Стандартизація і контроль якості продукції на виробництві.
отчет по практике [3,4 M], добавлен 27.09.2014
