книги из ГПНТБ / Циперович, М. В. Обогащение углей в тяжелых суспензиях

§ 2. СВОЙСТВА т я ж е л ы х с у с п е н зи й

Реологическая характеристика суспензий

К числу основных реологических свойств, определяющих теку­ честь таких дисперсных систем, как суспензий, относятся вязкость и пластичность.

Известно, что основными свойствами жидкости, определяющими ее природу, являются высокая подвижность частиц и сохранение постоянства объема. Реальные жидкости, в отличие от идеальных, не обладают абсолютной несжимаемостью и подвижностью, т. е. для взаимного перемещения частиц в них требуется некоторая за­ трата энергии. Причиной сопротивлений, возникающих при движе­ нии жидкостей, является внутреннее трение между частицами, на­ зываемое вязкостью. Это свойство жидкостей количественно харак­ теризуется коэффициентом вязкости ц .

С точки зрения молекулярной теории вязкость объясняется как движением молекул, так и наличием молекулярных сил, влияние которых у жидкостей является преобладающим.

Вязкость жидкости зависит от давления и температуры. По опре­ делению Максвелла [12], коэффициент вязкости жидкости численно равен тангенциальной силе, действующей на единицу поверхности одной из двух параллельных плоскостей, отстоящих друг от друга на единицу длины, причем пространство между этими плоскостями заполнено исследуемой жидкостью и одна из плоскостей передви­ гается относительно другой со скоростью, равной единице.

В простейшем случае для истинных жидкостей, подчиняющихся

где т — тангенциальная сила (касательное напряжение или напря­

коэффициент вязкости, зависящий от рода жидкости; ^ — градиент

скорости или скорость сдвига.

За единицу абсолютной вязкости (пуаз) принята вязкость такой жидкости, в которой на 1 см2 поверхности слоя действует сила, равная 1 дин, если скорость между слоями изменяется на 1 см/сек на 1 см расстояния между ними.

Для характеристики деформации систем применяют реологиче­ ские кривые, изображающие зависимость деформации от нагрузки, в частности, графики зависимости градиента скорости от напряжения сдвига.

Основы реологии были заложены исследованиями Ф. Н. Шве­ дова. Часто вместо градиента скорости используют расход Q

31

(в капиллярном вискозиметре) или число оборотов N цилиндра (в ротационном вискозиметре).

Основные типы реологических кривых показаны на рис. 8. Для ньютоновской жидкости любое малое напряжение сдвига создает градиент скорости, т. е. приводит жидкость в движение. Зависимость

между градиентом скорости dv и напряжением сдвига т в этом

случае выражается прямой линией 1, выходящей из начала коорди­ нат. Котангенс угла, образуемого такой линией с осью абсцисс, выражает вязкость т] = ctga. Чем меньше угол, тем больше вязкость.

Прямая 5 соответствует телу, обладающему свойствами, противо­ положными ньютоновской жидкости. Она характеризует идеально хрупкое тело. До некоторого пре­

начинается не от нуля. Выше предельного напряжения сдвига вели­ чина деформации пропорциональна напряжению, как и у ньюто­ новской жидкости.

Зависимость между градиентом скорости и напряжением сдвига

и суспензий, Ф. И. Шведов, Бингам, М. П. Воларович и другие исследователи обнаружили, что течение растворов не подчиняется этому уравнению. Оно начинается при весьма малых напряжениях, но градиент скорости непропорционален напряжению (рис. 8, кри­

выше некоторого критического они ведут себя как пластичные тела Бингама. Эти системы являются не ньютоновскими и получили назва­

32

ние псевдопластичных. У них при увеличении градиента скорости течения вязкость уменьшается до некоторого предела (рис. 8, кри­ вая 2, точка а), затем остается постоянной (прямой участок), а при наступлении турбулентного режима начинает снова возрастать (после точки в). Снижение вязкости с повышением градиента скорости отступает от закона Ньютона, что называется аномалией вязкости.

Для капиллярного вискозиметра признаками псевдопластич­

вращающего ротор. Вязкость псевдопластичных тел называют ка­ жущейся или эффективной вязкостью [94]. Последняя зависит не только от свойств тела, но и условий опыта (размеров прибора, пред­ варительных механических или термических воздействий). Поэтому сопоставлять результаты измерений вязкости псевдопластичных систем можно только при одинаковых условиях проведения опыта. Аномалия вязкости имеет место и у пластичного тела (тело Шведова) (рис. 8, кривая 3). У таких систем существует два предела текучести. Первый, отвечающий напряжению, при котором начинается течение, называется статическим предельным напряжением сдвига t s. Второй предел текучести определяется экстраполяцией прямолинейного участка кривой, отвечающего пластической вязкости, до пересече­ ния с осью абсцисс. Это напряжение называется динамическим пре­ дельным напряжением сдвига та.

Таким образом, у псевдопластичных тел (Шведова) имеется xs и та, а у псевдопластичных жидкостей — только та, у пластичных

в логарифмической системе, т. е. lg S от ]g т. Для ньютоновских жидко­ стей эта зависимость выражается прямой линией под углом 45°. Для неньютоновских систем углы наклона кривых отличны от 45°.

Реальные системы деформируются по различным законам в за­ висимости от условий, и их реологические кривые в значительной степени отличаются от приведенных на рис. 8 основных типов.

Применяемые в практике обогащения суспензии отличаются как от истинных жидкостей, так и от пластичных систем. От истинных жидкостей они отличаются наличием твердых частиц, находящихся в постоянном взаимодействии друг с другом. При невысокой кон­ центрации твердых частиц (бесструктурные суспензии) свойства суспензий приближаются к свойствам вязких жидкостей, и зависи­

мость между ^ и т описывается кривой, подобной 1 на рис. 8. Рео­

логическая характеристика этих суспензий определяется одним по­ казателем — вязкостью, которая возрастает с увеличением дисперс­ ной фазы.

Зависимость вязкости разбавленной суспензии от объемной кон­ центрации взвешенных шарообразных недеформирующихся частиц выражается формулой Эйнштейна

где ц 0 — динамический коэффициент вязкости дисперсионной среды; с — объемная концентрация твердой фазы.

Эта формула справедлива для с sg 0,03—0,05.

Зависимость вязкости суспензий от концентрации твердой фазы с учетом гидродинамического взаимодействия и столкновения частиц выражается формулой Ванда

ствует маловязким суспензиям.

При высоком содержании твердой тонкодисперсной фазы взаимо­ связь между частицами проявляется в большей степени, что вызвано образованием структур (структурированные суспензии). От пластич­ ных систем они отличаются тем, что в спокойном состоянии начинают быстро расслаиваться. Состояние структурированных суспензий выражается кривыми 2, 3 (см. рис. 8).

Обычно различают два типа структур: образующиеся вследствие повсеместного соприкосновения сольватных оболочек частиц дис­ персной фазы очень высокой концентрации (гели, эмульсии, пасты); образующиеся вследствие регионального сцепления частиц, име­ ющих неправильную форму, при концентрациях, недостаточных для образования структур первого рода.

Используемые при обогащении угля суспензии ближе подходят под структуры второго типа. Структура в них образуется при раз­ личной объемной концентрации и зависит при прочих равных усло­ виях от удельной поверхности утяжелителя, определяемой размером частиц. При очень тонкой дисперсности и высокой концентрации дисперсной фазы в суспензии могут возникнуть коагуляционная структура и явления тиксотропии, т. е. способность суспензии об­ ратимо загустевать с течением времени при постоянной температуре и обратимо разрушаться при механическом воздействии. Механиче­ ское разрушение структуры с ее последующим обратимым восстано­ влением можно наблюдать любое число раз. Явление тиксотропии, например, имеет место в суспензиях из бентонитовых глин или с их большим участием.

Поддержание в необходимых пределах реологических парамет­ ров суспензий, используемых при обогащении, достигается в основ­ ном подбором соответствующих утяжелителей.

Однако имеются и другие способы их улучшения, к числу которых относятся, в частности, добавление к суспензии различного рода реагентов и физическое воздействие на нее с помощью вибраций.

3i

Весьма обстоятельно эти методы изложены в книге В. И. Классена, В. И. Литовко, Г. Д. Краснова и 3. С. Благовой [55].

Действие реагентов связано с их пептизирующим влиянием на частицы утяжелителя и тонких шламов. При добавлении реагента на этих частицах образуются устойчивые гидратные оболочки, кото­ рые предотвращают слипание частиц. Этим снижаются вязкость и предельное напряжение сдвига суспензии.

Влияние реагентов на вяз­ кость и предельное напряжение сдвига магнетитовой суспензии с добавкой к ней глины по ла­ бораторным данным показано на рис. 9—11 [55].

Наиболее эффективными являются неорганические реагенты — гексаметафосфат натрия и жидкое стекло. Меньшее действие оказы­ вают органические вещества: сулькор, лигнин, полифенольный лесо­ химический понизитель вязкости. При расходе реагентов 0,2—1,0 г/л суспензии вязкость снижается на 17—26%, а предельное напряже­ ние сдвига — более чем на 50%. Заметное влияние реагенты оказы­ вают на плотные и сильно структурированные суспензии, хотя рас­ ход реагентов при этом несколько выше.

Реологические параметры магнетитовой суспензии высокой плот­ ности при обогащении крупного угля на обогатительных фабриках Донбасса без реагента и с его подачей приведены в табл. 12.

Измерения производились через один и тот же промежуток времени работы фабрик. В качестве реагента использовали 20%-ный водный раствор технического гексаметафосфата натрия при оптимальном расходе 0,5—1,0 г/л суспензии. Основная часть реагента (70%) подавалась в начале работы, а остальная —через 10—15 ч.

Эти результаты полностью подтверждают данные, полу­ ченные в лабораторных усло­ виях.

Плотность суспензий

Плотность суспензии, выраженная через вес утяжелителя, опре­ деляется по формуле

Плотность суспензии должна быть промежуточной между плот­ ностями разделяемых компонентов. При промышленном обогащении

концентратных фракций, а высокой — породных.

В процессе обогащения различают три типа суспензии: конди­ ционная, или рабочая (суспензия заданной плотности, подаваемая в аппарат для обогащения); некондиционная, или разбавленная

37

(суспензия, получаемая после отмывки утяжелителя от продуктов обогащения на обезвоживающих аппаратах); оборотная, или цир­ куляционная (суспензия, получаемая после отделения (дренажа) от продуктов обогащения).

Плотность оборотной суспензии при обогащении предварительно смоченного (дешламированного) угля несколько ниже плотности кондиционной суспензии вследствие уноса утяжелителя с продук­ тами обогащения. Чем выше плотность и вязкость кондиционной суспензии и чем мельче обогащаемый уголь, тем значительнее раз­ ница между плотностями кондиционной и оборотной суспензиями. Доведение плотности оборотной суспензии до рабочей производится

постоянного состава в различных аппаратах требуется разная плот­ ность суспензии. Она ниже для аппаратов, принцип разделенйя ко­ торых основан на действии центробежной силы (гидроциклоны), и выше для аппаратов, где разделение происходит под действием гра­ витационной силы.

При насыщении в процессе работы суспензии угольным шламом плотность ее снижается пропорционально его содержанию. Для определения плотности такой суспензии вначале определяется сред­ няя плотность такого составного утяжелителя по формуле

ние первого и второго утяжелителей, %.

38

Для быстрого определения плотности суспензии при различной плотности утяжелителя, его весового и объемного содержания, веса твердого и воды в единице объема суспензии предложен ряд диаграмм.

Рис. 13. Диаграмма Майера для определения параметров еуспеиани

Простейшая из них показана на рис. 12. Диаграммой удобно поль­ зоваться для контроля плотности твердой фазы суспензии. Для этого взвешивают 1 л суспензии и определяют после упарки вес твердого осадка. Соединив полученные две величины (точки А и Б) линией до пересечения с осью абсцисс, находят плотность твердого (точка С).

Диаграмма Ф. В. Майера для определения параметров суспен­ зии [132] показана на рис. 13. Она позволяет найти любые три из нанесенных параметров, если известны два остальных.

39