5.2. Процесс сгущения

Сгущение – это непрерывный процесс разделения твердой и жидкой фазы, основанный на естественном осаждении твердых частиц пульпы под действием силы тяжести. Твердые минеральные частицы, осевшие в аппарате для сгущения (сгустителе), непрерывно разгружаются в виде сгущенного продукта, а осветленная жидкая фаза удаляется в виде слива.

Процесс сгущения осуществляется обычно в цилиндрических резервуарах большой емкости – сгустителях, получивших широкое распространение в практике обогащения различных руд. Помимо цилиндрических сгустителей в последнее время все более широкое распространение получают пластинчатые сгустители различной конструкции, где осождение осуществляется на наклонных пластинах.

В цилиндрическом сгустителе исходная пульпа поступает в центр сгустителя. При оптимальном заполнении материалом в установившемся режиме образуется несколько зон ( рис. 178).

Исходная пульпа

Рис. 178. Зоны сгущения в радиальном сгустителе

В верхней части располагается зона А – зона осветленной воды , которая поступает в кольцевой желоб сгустителя и удаляется в виде слива. Далее следует зона Б – зона пульпы первоначальной плотности, куда подается исходная пульпа. В этой зоне в зависимости от содержания твердого происходит свободное или стесненное осаждение частиц. В нижней части находится зона уплотнения или сжатия Г, в которой жидкость выделяется из пульпы в результате давления находящегося выше материала. Иногда между зоной Б и Г выделяют промежуточную зону В – зону осаждения или сгущения. Сгущенный материал разгружается через отверстия в центральной части днища сгустителя.

На процесс сгущения, протекающий под действием силы тяжести, влияют различные факторы такие, как минералогический и гранулометрический состав материала, содержание твердого в исходной пульпе, плотность твердой фазы, температура пульпы, рН среды, наличие реагентов, требования к чистоте слива и т.п.

С увеличением крупности и плотности частиц эффективность сгущении я повышается, т.к. скорость падения их соответствует закономерностям скорости осаждения частиц – закону Стокса. Чем мельче материал, тем медленнее идет процесс сгущения, а осаждение материала крупностью менее 0,1 мкм практически прекращается. В этом случае частицы уже являются коллоидными, для которых влияние молекулярных сил, броуновского движения и электрического отталкивания одноименно заряженных частиц, уравновешивает скорость падения частиц и они находятся во взвешенном состоянии.

Трудно сгущаются глинистые материалы, когда они разбухают и тончайшие глинистые частицы обволакиваю минеральные зерна и стабилизируют их.

Увеличение плотности пульпы и понижение температуры повышают вязкость пульпы, а следовательно, увеличивают сопротивление подения частиц и уменьшают скорость их осаждения. Эффективность сгущения повышается с разжижением пульпы, но только до определенного предела, т.к. в сильно разбавленных пульпах частицы настолько разрозненны, что не могут укрупняться. Оптимальное отношение Т:Ж при сгущении составляет около 1:6.

В зависимости от состава пульпы и от состава специальных реагентов твердые частицы при сгущении осаждаются раздельно или в виде агрегатов, которые имеют значительно большую скорость осаждения. Поэтому для интенсификации процесса осаждения применяются различные способы агрегации тонких минеральных частиц и прежде всего процесс коагуляции и флокуляции.

Как известно, тонкие коллоидные частицы как твердые тела обладают свойствами адсорбировать ионы на поверхности с образованием на них двойного электрического слоя, который имеет заряд одноименный с зарядом адсорбированных ионов. Поэтому эти частицы имеют одинаковые заряды и отталкиваются друг от друга. Изменение двойного электрического слоя частиц можно осуществить добавлением электролита, который не только изменяет общий заряд частицы, но и снижает величину электрокинетического потенциала ее до такого критического значения, при котором частицы теряют устойчивость и образуют крупные агрегаты, которые обладают большой массой и быстро осаждаются. Такое явление называется коагуляцией. В качестве электролитов коагулянтов применяется известь, серная кислота, сульфаты металлов и т.п.

Тонко диспергированные частицы можно укрупнять также с помощью поверхностно – активных высокомолекулярных органических соединений. Флокулянты адсорбируются на поверхности минеральных частиц, строго ориентируясь аполярными радикалами в водную фазу. Затем частицы образуют крупные агрегаты – флокулы. Такой процесс в отличии от коагуляции называется флокуляцией.

В качестве флокулянта на обогатительных фабриках применяются ваысокомолекулярные соединения – полиакриламид, сепаран, полиоксиэтилен и др.

Молекулярная масса полиакриламида (ПАА)

где n - число звеньев в молекуле, колеблется от 1· 10⁶ до 60 · 10⁶.

Применяется ПАА в виде водного раствора концентрацией 0,05…0,15%. Расход флокулянта составляет 40…100 г/т. Использование полиакриламида позволяет увеличить скорость осаждения минеральных частиц в 4…10 раз, уменьшить потери твердого со сливом в 4…5 раз и увеличить удельную производительность сгустителя на 30…40%.

Сгустители. На обогатительных фабриках для сгущения нашли наиболее широкое распространение цилиндрические сгустители непрерывного действия с центральным или периферическим приводом, а также пластинчатые сгустители.

Радиальный сгуститель с центральным приводом ( рис. 179)

состоит из цилиндрического чана с горизонтальным или коническим днищем и кольцевым сливным желобом. В центре чана на металлической ферме укреплен вертикальный вал , к нижнему концу которого прикреплен гребковый механизм с гребками . Исходная пульпа по желобу или трубе поступает в питающую воронку, которая располагается в центре сгустителя. Пройдя предохранительный диск и распределительный диск пульпа поступает в сгуститель. Частицы минералов оседают на днище сгустителя, имеющего угол наклона до 12°, и гребками перемещаются к разгрузочной воронке в центре чана. Осветленная вода в верхней части сгустителя переливается через бор и по кольцевому желобу удаляется через отверстие в стенке чана. Чан сгустителей большого диаметра изготовляется из бетона, а сгустителей небольшого размера – из железа. Сгущенный продукт из сгустителей небольшого размера обычно разгружается самотеком, а из больших сгустителей - диафрагмовыми насосами.

Сгустители с центральным приводом имеют диаметр от 2,5 до 50 м с глубиной чана в центре от 2,8 до 7,5 мм с площадью сгущения от 5 до 7850 м² ( табл. 71).

Сгустители с периферическим приводом отличаются от сгустителей с центральным приводом только устройством разгрузочного механизма, который состоит из рамы с гребками, опирающуюся на центральную колонну и монорельс, уложенный по всему периметру чана. У периферии рама заканчивается кареткой, на которой имеется электродвигатель, редуктор и приводной ролик. Каретка движется по монорельсу и приводит в движение гребковую раму с граблинами, окружная скорость которой у периферии обычно составляет 0,1 м/с. Слив удаляется через кольцевой желоб, а сгущенный продукт через отверстия в днище откачивается центробежными или диафрагмовыми насосами.

Сгустители с периферическим приводом выпускаются только двух диаметров – 25 и 30 м ( см. табл. 71).

Таблица 71 Техническая характеристика радиальных сгустителей

Параметры	С центральным приводом											С периферическим приводом
	Ц-2,5	Ц-4	Ц-6	Ц-9	Ц-12	Ц-15	Ц-18	Ц-25	Ц-30	Ц-50	Ц-100	П-25М1	П-30М1
Диаметр чана,м	2,5	4,0	6,0	9,0	12,0	15,0	18,0	25,0	30,0	50,0	100,0	25,0	30,0
Глубина чана в центре,м	2,8	3,0	3,4	3,6	3,8	4,0	4,3	4,0	4,0	5,0	7,5	3,6	3,6
Площадь осаждения, м2	5,0	12,0	28,0	63,0	110,0	175	250	490	700	1950	7850	490	700
Продолжительность одного оборота гребков, мин	1,3	2,0	3,0	4,5	6,0	7,5	9,0	10;13	23	17;26	33-80	11;13;	16;20
Мощность привода гребков, кВт	0,8	1,1	1,7	2,5	3,0	3,5	4,0	5,0	6,0	8,5	10,0	3,0	4,0
Габаритные размеры, м Внешний диаметр высота	3,0 5,2	5,0 5,4	7,0 8,5	10,5 8,7	13,0 9,7	16,0 10,0	19,0 10,5	27,0 13,0	32,0 13,5	52,0 13,5	106,0 20,5	27,0 8,0	32,0 8,0

Производительность сгустителей определяется по удельной производительности, т.е. по количеству твердого в сутки на 1 м² площади сгущения . Эта величина зависит от содержания твердого в сгущенном продукте, от содержания материала крупностью минус 0,074 мм в питании, от свойств ценного минерала и от свойств применяемого флокулянта. Значения удельной производительности устанавливается по практическим данным. В табл. 72 приведены значения удельной производительности сгустителя при сгущении различных концентратов.

Таблица 72. Удельная производительность сгустителя при сгущении концентратов

Концентраты	Содержание,%		Удельная производительность, т/(м2/сут)
	кл. -0,074 мм	твердого в сгущенном продукте
Свинцовые	90…95	65…70	0,7…0,8
Цинковые	85…90	60…70	0,7…0,9
Медные	80…85	60…65	0,6…0,7
Никелевые	85…95	60…65	1,1
Пиритные	75…85	70…75	2,2…4
Молибденовые	98	40…45	0,2
Апатитовые	75	48…49	4,7
Флюоритовые	55…60	60…70	1…2

В последнее время повсеместное использование находят высокопроизводительные цилиндрические сгустители типа Супафло фирмы Оутокумпу ( Финляндия). Производительность этих сгустители в 3…10 раз больше производительности обычных сгустителей. Они обеспечивают получение сгущенного продукта плотностью до 75% и чистого слива.

Отличаются эти сгустители наличием питающего колодца, в который питание и раствор флокулянта подается по касательной ( типа трубы Вентури), и в котором происходит эффективная флокуляция с деаэрацией поступающей пульпы, наличием перегородок для регулирования перемешивания и регулируемой скоростью подачи пульпы. Все это приводит к увеличению скорости осаждения, снижению расхода флокулянта, повышению производительности по твердому и увеличению плотности сгущенного продукта. Кроме того, сгуститель Супафло имеют небольшой размер и занимают значительно меньше площади, чем обычные сгустители. Диаметр наиболее широко применяемых сгустителей Супафло обычно составляет от 6 до 12 м.

В пластинчатых сгустителях используется принцип осаждения на наклонной поверхности. Пульпа в этих сгустителях проходят в каналах небольшой толщины, образуемых тонкими наклонно установленными пластинами под углом 55°. Это позволяет придать потоку пульпы ламинарный характер, значительно сократить путь и время осаждения твердых частиц, что значительно увеличивает ( в 5…10 раз) удельную производительность сгустителя на единицу занимаемой площади по сравнению с радиальным сгустителем.

Пластинчатый сгуститель ( рис.180) состоит из двух основных частей – верхней емкости с наклонными пластинами и нижней цилиндрической или конической емкости для отстоя.

Рис. 180. Плпстинчатый сгутитель

1 – подача питания; 2 – камера флокуляции; 3 – пакеты наклонных плстин; 4 – слив; 5 – выход слива; 6 – отстойная камера; 7 – сгущенный продукт; 8 – гребок сприводом; 9 – мешалка камеры флокуляции

Питание в пластинчатый сгуститель поступает через вертикальные камеры, которые расположены с двух сторон верхней емкости с наклонными пластинами и через щелевые питающие отверстия равномерно распределяется между пластинами без взмучивания. Твердая фаза осаждается на пластинах, которые изготовляются из стеклопластика или алюминиевого сплава, и попадает в нижнюю трапецевидную емкость, где происходит дальнейшее сгущение и уплотнение. Площадь выше ввода питания является зоной осветления В сгустителе предусмотрено регулирование процесса осаждения и получение сгущенного продукта, содержащего до 60% твердого, и слива с содержание твердого 0…1 г/л. Однако эти сгустители не могут применяться для сгущения крупного материала и материала, имеющего большую плотность, а также для пульпы с высоким содержанием пены.

В табл. 73 приведена техническая характеристика сгустителей пластинчатого типа СП.

Таблица 73. Техническая характеристика пластинчатых сгустителей СП

Параметры	Типоразмер сгустителя
	СП – 1А	СП -2А	СП – 4А	СП – 6А	СП- 8А	СП 12А	СП-18А
Производительность по твердому, м3/ч	25	50	100	150	200	300	450
Площадь поверхности зеркала слива, м2	1	2	4	6	8	12	18
Площадь осаждения, м2	20	40	80	120	160	240	360
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота	2250 1250 4900	2550 2250 5500	4150 2150 6260	3950 3300 6550	3950 4500 6200	6550 6500 6500	3950 9650 6500
Масса, кг	2650	5550	6800	12000	16000	24600	37500

Фирма Меtso Minerals выпускает пластинчатые сгуститель нескольких типов: сгустители с удлиненныи чаном LT с общим объемом пульпы от 1,1 до 72,8 м³, LTS c объемом от 0,8 до 65 м³, LTK c объемом от 4,5 до 112 м³ и комбинированный пластинчато - чановый сгуститель с диаметром чана от 6300 до 12000 мм, площадью осаждения от 220 до 1040 м² и объемом пульпы от 86 до 1004 м³.

Иногда для сгущения используются гидроциклоны, которые обычно устанавливаются перед сгустителями. Слив гидроциклонов является питанием сгустителей. В результате выделения в пески гидроциклона наиболее крупных классов улучшаются условия сгущения в сгустителе и снижается расход флокулянта. Пески гидроциклонов и сгущенный продукт сгустителя обычно объединяются.