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

Определение объемного содержания твердого, веса утяжелителя в объеме 1 л и весового содержания утяжелителя в процентах при известной плотности суспензии (1,8 г/см3) и плотности утяжелителя (4,0 г/см3) производится следующим образом.

Проведя из точки В (плотность суспензии 1,8 г/см3 на ординате справа) параллельную оси абсцисс прямую до пересечения с лучом ОА (плотность утяжелителя 4 г/см3), находим на этом луче точку S. Перпендикуляр, опущенный из точки S, отсечет на оси абсцисс от­ резок ОС, равный объемной концентрации твердой фазы (27%) в суспензии. Луч SD, проведенный из точки S влево вверх, парал­ лельно наклонным линиям, отсечет на оси ординат отрезок OD, равный весовому содержанию твердой фазы в единице объема сус­ пензии (1070 г/л). Луч SM, проведенный из точки S вправо вниз между сходящими лучами в этом направлении, отсечет на оси абс­ цисс отрезок ОМ, равный весовой концентрации утяжелителя (59%).

Если суспензия представлена магнетитом плотностью 4,5 г/см3 при объемной концентрации 20% и угольным шламом приобъемной концентрации 10%, то для графического определения других пара­ метров суспензии нужно из точки G на оси абсцисс, показывающей объемное содержание магнетита (20%), восставить перпендикуляр до пересечения в точке F с лучом плотности магнетита (4,5 г/см3). Также восстанавливается перпендикуляр из точки N на оси абсцисс, показывающей суммарную объемную концентрацию твердой фазы в суспензии (30%). Через точку F проводится прямая, параллельная лучу плотности угольного шлама (1,5 г/см3). На пересечении этой прямой с перпендикуляром, восставленным из точки N, получаем точку К, которая лежит на луче, выходящем из точки О, и показы­ вает среднюю плотность твердой фазы (3,5 г/см3). Проведя из точки К прямые KI, KL, КЕ, находим: на оси абсцисс — весовую концент­

Точность графического определения параметров суспензии за­ висит от масштаба диаграммы и соответствия фактических значе­ ний плотности магнетита и шлама принятым для построения (4,5

и 1,5 г/см3).

Устойчивость суспензии и способы ее повышения

Под устойчивостью, или стабильностью, суспензии понимается способность ее сохранять плотность во времени в различных по вы­ соте слоях.

Степень устойчивости суспензии во многом определяет конст­ рукцию основного и вспомогательного обогатительного оборудова­ ния, их режим и условия работы, точность разделения частиц обо­ гащаемого материала по плотности. Устойчивость суспензии опреде­ ляется скоростью осаждения твердой фазы, которая зависит от крупности, состава, плотности, объемного содержания утяжелителя в суспензии, ее температуры.

40

Неструктурированные суспензии являются крайне неустойчи­ выми системами. По мере увеличения структурообразованпя или повышения плотности суспензии увеличивается и ее устойчивость. В практике обогащения угля применяются неустойчивые суспензии, поэтому для поддержания заданной плотности суспензии илп пред­ отвращения осаждения крупных частиц утяжелителя в аппаратах затрачивается определенная энергия либо на перемешивание, либо на создание восходящих и циркулирующих потоков. Нормальной разницей плотностей в верхней и нижней зонах ванн сепараторов, где разделение происходит под действием гравитационных сил, обычно считают 0,1—0,2 г/см3.

Уменьшение этой разницы свидетельствует о повышении структурообразования, а увеличение — или о повышении крупности утя­ желителя, или о снижении скорости потоков суспензии.

Чем выше устойчивость суспензии, тем больше точность разделе­ ния, так как в этом случае требуются меньшие скорости восходящих потоков. Однако неустойчивые или малоустойчивые суспензии обла­ дают меньшей вязкостью, т. е. при прочих равных условиях обеспе­ чивают более четкое разделение или при одинаковой эффективности обогащения большую удельную производительность. Таким образом, при выборе суспензии оптимального состава должны быть учтены оба фактора.

Оценку статической устойчивости применяемых суспензий про­ изводят в лабораторных условиях либо по скорости образования осветленного слоя воды или осадка, либо по разности плотностей суспензии на различных уровнях сосуда.

Определение устойчивости суспензии по скорости образования осветленного слоя производится с помощью наблюдений в измери­ тельном цилиндре за изменением высоты осветленного слоя в опре­ деленный отрезок времени. По достижении постоянства высоты ос­ ветленного слоя вычисляется скорость осветления (мм/сек).

Измерение устойчивости по скорости образования осадка произ­ водится аналогичным способом, но мерой устойчивости является

друг от друга, либо отсифониванием суспензии из верхней и нижней половины цилиндра после ее отстаивания в течение 1 —2 мин. II в том и в другом случае в выпускаемой из различных слоев суспензии определяется ее плотность и затем подсчитывается скорость осажде­ ния по высоте в зависимости от плотности.

Для определения динамической устойчивости суспензии в сепа­ раторе по его длине отбираются пробы из верхнего и нижнего слоев суспензии. После определения плотности суспензии в этих слоях подсчитывается градиент осаждения.

В каждом конкретном случае при определенных скоростях дви­ жения суспензии в сепараторе может быть установлена зависимость

41

между статической и динамической устойчивостью и, следовательно, предварительным определением устойчивости суспензии можно ус­ тановить ее пригодность для практического использования.

Согласно методике, применяемой фирмой «Пик», устойчивость магнетитовой суспензии характеризуют высотой осветленного слоя суспензии плотностью 2 г/см3 в цилиндре емкостью 500 см3 после ее пятиминутного отстаивания. Магнетит считается пригодным для использования, если объем чистой воды, образовавшейся за указан­ ный промежуток времени, составляет 12—25 и 25—40% к общему объему соответственно для демагнетизированного и сфлокулированного магнетита.

В Бельгии и Голландии мерой стабильности суспензии является коэффициент устойчивости [7], который равен нулю, когда плотность 7 3 верхней части суспензии падает до единицы в течение 1 мин, и равен 100, когда плотность х/з верхней части суспензии не изме­ няется в течение 1 мин. Чем выше коэффициент устойчивости, тем лучше стабильность суспензии. Изменения коэффициента устой­ чивости от плотности магнетитовой суспензии одинакового ситового состава следующие:

Плотность магнетитовой суспен­ зии, г /с м з .................................... 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Коэффициент устойчивости . . . 29,8 57,5 79,0 87,1 92,0 94,0

П. П. Землянский рекомендует [40] характеризовать устойчи­ вость монодисперсной суспензии величиной, численно равной тан­ генсу угла наклона прямой скорости образования осадка (на гра­ фике количество осадка — время осаждения) к оси ординат

относительными и условными.

Повышение устойчивости суспензий может быть достигнуто раз­ личными способами: созданием восходящих и горизонтальных по­ токов; применением утяжелителей определенного состава; добавле­ нием в суспензию материалов, обладающих коллоидными и пептизирующими свойствами; физическим воздействием.

Метод стабилизации суспензий, т. е. поддержания постоянства ее плотности в рабочей зоне сепаратора за счет создания восходящих и горизонтальных потоков, в настоящее время является основным и поэтому наиболее распространенным. В сепараторах, где разделе­ ние происходит под действием силы тяжести (сепараторы типа СК, «Дрюбой», «Теска», конусы Чанса, барабанные и др.), вертикальные и горизонтальные потоки создаются в результате подачи суспензии или воды (конусы Чанса) снизу или в место загрузки угля в сепара­

42

§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СУСПЕНЗИЙ

В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Для измерения реологических параметров различных сред и систем применяют разнообразные вискозиметры. Измерение в них основано на различии: скорости истечения среды из капилляра (капиллярные вискозиметры), усилий, действующих на враща­ ющийся ротор (ротационные вискозиметры), скорости падения

козпметр Пннкевича

шарика в среде (метод падающего шарика), сопротивления среды движущейся в ней пластины (пластомер Марголина) [66].

В практике измерения реологических параметров суспензий наибольшее распространение получили капиллярные и ротационные вискозиметры. Прототипом первых является капиллярный виско­ зиметр Пинкевича (рис. 14), используемый для определения вязкости ньютоновских сред [23].

Наиболее простыми вискозиметрами капиллярного типа для определения вязкости суспензий являются капиллярный вискози­ метр Шелтона и де-Вани и измерительная воронка.

Вискозиметр Шелтона и де-Вани [158] состоит (рис. 15) из сте­ клянного цилиндра 1, плавно переходящего в капилляр 4. Внутри цилиндра вращается мешалка 2. Ребра 3 предотвращают вращение

44

суспензии в цилиндре при работе мешалки. Скорость вращения мешалки составляет 900 об/мин.

Определение вязкости суспензии производится следующим обра­ зом. Цилиндр заполняют водой и включают мешалку. Затем откры­ вают отверстие капиллярной трубки и определяют время истечения воды. Аналогично определяют время истечения того же объема сус­ пензии. Зная время истечения воды и суспензии, определяют отно­

ность измерений.

Аналогичным образом производится определение относительной вязкости в измерительной воронке на 100 см3 суспензии (фирма «Пик», Франция).

Вуказанных типах вискозиметров невозможно определять зна­ чение абсолютной вязкости суспензии.

Разновидностью вискозиметра Шелтона и де-Вани являются ка­ пиллярный вискозиметр с давлением [1] и капиллярный вискозиметр

свакуумом [10].

Встеклянный герметический резервуар 1 вискозиметра с давле­ нием (рис. 16) вводится суспензия через воронку 2, после чего во­ ронка закрывается и в резервуар через патрубок 3 подается сжатый азот из баллона 6. Измерение давления, при котором происходит истечение суспензии через капилляр, производится с помощью диф­ ференциального манометра 5, соединенного с сосудом посредством патрубка 4.

Время истечения суспензии через капилляр регистрируется се­ кундомером.

45

Капиллярный вискозиметр с вакуумом (рис. 17) состоит из стек­ лянного градуированного сосуда 1 с капилляром. Нижний конец капилляра погружен в цилиндр 2 с исследуемой суспензией, которая непрерывно перекачивается со скоростью 0,3—0,4 см/сек насосом 7 из приемника 3 в цилиндр 2. Сосуд 1 посредством трубки с краном 8

сообщается с резервуаром 4 и во­

Реологические параметры тяжелой суспензии определяются из графика зависимости касательного напряжения от градиента ско­ рости

Касательное напряжение определяют по выражению

где т — касательное напряжение сдвига, дин/см2; г — радиус капил­ ляра, см; Р — давление или вакуум, см рт. ст.; Z— длина капилляра;

^ — градиент скорости, сек-1; V — объем суспензии, проходящей

через капилляр, см3; t — время истечения, сек.

46

Для вискозиметра с давлением среднее эффективное давление Р определяется как сумма гидростатического давления Р 0, возника­ ющего от разности уровней столба суспензии в вискозиметре, и при­ ложенного давления Р х.

Титовой суспензии плотностью 2,4 г /см3

Объемное содержание твердой фазы

37,5% (т) = 22,8 спз, т — 100 дин/см2)

Среднее гидростатическое давление при истечении жидкости через капилляр определяется по формуле Мейсснера [33]

где Р 0 — среднее гидростатическое давление, дин/см2; х г и х 2 — на­ чальная и конечная высота столба жидкости в вискозиметре, см; б — плотность среды, г/см3; g — ускорение силы тяжести, см/сек2.

Если по оси абсцисс откладывать градиент скорости, а по оси ординат касательное напряжение сдвига, то при линейной зависи-

прямой к оси абсцисс, а предельное напряжение сдвига — на пере­ сечении прямой с осью ординат (рис. 18).

Ротационный вискозиметр Стормера [159] состоит (рис. 19) из емкости 1, в которую заливается испытываемая суспензия, ротора-

47

датчика 2 и измерительной системы, которая включает груз 3, под­ вешенный на нити 4, соединенной с ротором через шестеренчатую передачу 5. Частота вращения ротора фиксируется счетчиком 6. Время, в течение которого ротор делает 100 оборотов, отсчитывается секундомером. Для предотвращения осаждения твердых частиц суспензии и ее расслоения по высоте в измерительном сосуде смонти­ рована мешалка, вращающаяся в направлении, противоположном направлению вращения ротора. Заданная температура суспензии поддерживается подачей воды необходимой температуры в рубашку.

Однако эта конструкция вискозиметра имеет ряд недостатков. Учитывая недостатки вискозиметра Стормера, в ВУХИНе [2] была разработана новая конструкция ротационного вискозиметра

(рис. 20).

Ротационный вискозиметр состоит из двух сообщающихся ем­ костей 1 и 6, соединенных переточными патрубками 5 и 10. В первой емкости установлен ротор-датчик 3, а во второй — мешалка 8, приводимая во вращение двигателем 9. Суспензия подается в изме­ рительную емкость 1 с помощью вращающегося потока по танген­ циально расположенному к емкости 6 патрубку 10. В измерительной емкости при этом создается непрерывный восходящий поток и пол­ ностью устраняется вращательное движение суспензии. Для исклю­ чения кругового движения суспензии от вращения ротора-датчика 3 в измерительном сосуде установлен неподвижный цилиндр с вер­ тикальными отбойниками — ребрами 2. Для снижения трения в пе­ редаче нижняя часть ротора со вставкой из агата опирается на иголь­ чатый подшипник 4, а верхняя часть ротора вращается в подшипнике

48

из капрона. Игольчатый подшипник изолирован от опытной среды воздушной подушкой.

Уменьшает погрешности и повышает стабильность измерения фотоэлектрическая система отсчета времени вращения ротора. Она состоит из двух фотоэлементов 13, осветителей 14 и электросекундо­ мера 15, управляемого фотореле 16.

Ротор вращается благодаря падению груза 12, соединенного с верхней частью ротора нитью, перекинутой через блок 11. Ем­ кость 6 имеет рубашку 7, с помощью которой можно изменять тем­ пературу опытной среды в широких пределах благодаря циркуляции в ней жидкости с заданной температурой или размещению нагреватель­ ного элемента-спирали. В крышке этой емкости имеется отверстие для термометра. Измеряемая среда удаляется через патрубок 17 с кра­ ном, который находится в днище. Скорость потока циркулирующей суспензии можно регулировать изменением числа оборотов мешалки 8.

Приборы, составляющие вискозиметр, смонтированы на панели, которая крепится к станине по отвесу. Расстояние между фотоэле­ ментами определяется исходя из необходимости получения частоты вращения ротора 100 об/мин. Постоянная скорость падения груза между фотоэлементами устанавливается в период его движения от блока до первого фотоэлемента.

Порядок замера реологических параметров среды по скорости падения груза следующий: включается в сеть фотореле (ФРС-16), сблокированное с электросекундомером, стрелка которого предва­ рительно устанавливается на нуль. Затем включается электродвига­ тель мешалки и в емкость 6 заливается опытная среда, после чего регулируется число оборотов мешалки для достижения спокойного и постоянного перелива среды через патрубок 5 емкости 1. Регули­ ровкой температуры среды в рубашке или напряжения спирали уста­ навливается требуемая температура измеряемой среды. На вал ро­ тора наматывается в один слой нить до момента, когда чашечка 12 соприкоснется с блоком 11. Придерживая чашечку, в нее помещают минимальный груз, при котором начинается вращение ротора. Затем чашечка с грузом опускается для свободного падения и авто­ матически фиксируется время ее прохождения от первого до второго фотоэлемента. Измерения с этим грузом повторяют три раза и берут среднее значение, представляющее одну точку будущей реологиче­ ской кривой. Затем постепенным наращиванием массы груза таким же образом производят еще 5—10 замеров. По полученным значениям строят реологическую кривую, выражающую зависимость градиента

скорости (время прохождения груза - ) от напряжения сдвига (массы

груза Р). Угол наклона кривой к оси абсцисс и ее форма характери­ зуют реологическую характеристику среды. Угол наклона кривых

зависимости -----Р характеризует вязкость среды, а точка пересе­

чения с осью абсцисс Р — начальное сопротивление сдвигу плюс сила трения в подшипниках.