книги из ГПНТБ / Фоменко Т.Г. Водно-шламовое хозяйство углеобогатительных фабрик

30

величины объемной плотности частиц. Примерный ситовый состав и плотность разных шламов приведены в табл. 14.

Т а б л и ц а 14

Ситовый состав и плотность шламов

Втабл. 15 приведена насыпная плотность шламов концентрата

иотходов флотации как сухих свеженасыпанных и уплотненных Д так и влажных.

Данные показывают, что насыпная плотность флотационного концентрата в зависимости от содержания влаги в нем резко изме­

1 Насыпная плотность уплотненного шлама измерялась после прекращения изменения его объема в цилиндре при длительном встряхивании.

32

няется. Насыпная плотность флотационного концентрата с повыше­ нием влажности более чем на 2% резко меняется, достигая минималь­ ного значения при влажности шлама 12%, а затем снова возрастает. Это явление характерно как для свеженасыпанного и уплотненного флотационного концентрата с учетом влаги, так и для пересчитанного на сухой.

То же самое наблюдается для хвостов флотации. Минимальная насыпная плотность получается при влажности 14%. При влажности шламов не более 2% насыпная плотность в пересчете на сухой шлам остается одинаковой, т. е. не увеличивается и не уменьшается. С уче­ том влаги насыпная плотность шлама в этом случае повышается за счет веса влаги. Данные о влиянии влаги на величину насыпной плотности коксовой шихты приведены в работе [41], а для угольных и породных шламов — в работах [58, 68]. В них показано, что при изменении влажности насыпная плотность материала резко меняется.

При увлажнении материала сначала образуется связанная вода, распределяющаяся по поверхности частиц. Она влияет на величину насыпной плотности, так как, с одной стороны, увеличивает размеры частиц, а с другой — изменяет среднюю объемную плотность частицы вместе со связанной водой.

При увеличении содержания влаги от нуля до 2% насыпная плотность сохраняется почта постоянной. Следовательно, практи­ чески она не зависит в этом случае от связанной воды. Дальнейшее увлажнение шлама резко уменьшает насыпную плотность. Это явле­ ние уже связано с механизмом действия свободной воды, которая под влиянием капиллярных сил стремится занять объем с минималь­ ной поверхностью и потому сосредоточивается в наиболее узких промежутках между частицами, главным образом в точках их кон­ тактов.

Существующее поверхностное натяжение воды в менисках, об­ разуемых маленькими объемами воды вокруг точек контакта ча­ стиц, удерживает частицы друг около друга в определенном поло­ жении. И чем эти частицы меньше, тем легче силам поверхностного натяжения удерживать их.

Влияние сил поверхностного натяжения на насыпную плотность особенно велико, когда система свободна от других внешних сил. Когда же внешние силы значительные, тогда эффект разрыхления зависит от равнодействующей всех сил, приложенных к системе.

Указанная зависимость для шламов (с увеличением влажности материала насыпная плотность уменьшается) справедлива только до определенной влажности шламов, после которой насыпная плот­ ность шламов с увеличением их влажности возрастает. Такое по­ ложение указывает на наличие другого механизма — влияние влаги на насыпную плотность, начиная с ее минимального значения. При дальнейшем увлажнении шламов количество воды в них становится таким, что капиллярные силы в точках контактов уже не могут ее удерживать, и вода под влиянием силы тяжести частично начинает скапливаться в пустотах между зернами. Эти скопления

не оказывают влияния на величину сил сцепления, а лишь увеличи­ вают вес шлама. Как уже указывалось, начальная стадия этого явления соответствует минимальной насыпной плотности материа­ ла, при которой вода получает возможность частично вытекать из материала под влиянием силы тяжести. Вытекая из относительно больших промежутков, капли воды будут задерживаться в неболь­ ших промежутках, образованных мелкими зернами материала. После заполнения этих промежутков вода будет иметь свободную поверхность уже пе вокруг точек-контакта, а только с одной (внеш­ ней) стороны. Такое уменьшение свободной поверхности изменяет взаимное расположение частиц материала относительно друг друга, сжимая их в группы, обладающие минимальной, суммарной свобод­ ной поверхностью. В силу этого насыпная плотность материала бу­ дет повышаться не только благодаря добавляемой и удерживаемой воде, но и благодаря более плотной укладке частиц самого материала.

Материал различной крупности имеет разную укладку. Крупные и мелкие зерна (более 10 и менее 2 мм) укладываются менее плотно, чем зерна средних размеров и имеют значительно больше пустот. Частицы крупностью от 2 до 10 мм укладываются более плотно и пустот при этом значительно меньше.

Пористость шлама определяется по формуле

(И)

где б — плотность шлама, кг/м3; 5„ — насыпная плотность шлама, кг/м3.

Фактические данные пористости шлама приведены в табл. 16.

34

Удельная поверхность угольных шламов, измеренная методом проницаемости, характеризуется следующими данными [3].

Не менее интересно влияние влажности материала на величину угла естественного откоса отвалов шлама.

Результаты изучения формы конусов и углов естественного от­ коса приведены в табл. 17.

Допустимая влажность концентрата флотации при его складиро­ вании в конус не должна превышать 24%, так как при более высокой влажности концентрат растекается, и конус теряет форму. Даже при влажности 24% угол откоса уменьшается в два раза. При более высоком содержании влаги концентрат флотации растекается, и его хранение в конусе или штабеле сопряжено с большими трудностями.

Отходы флотации теряют форму конуса только при влажности 31%, а при влажности 42% они растекаются и теряют способность складироваться в конусы.

Таким образом, для предотвращения растекания влажных шла­ мов площадки для их складирования должны иметь ограничительные стенки.

Конечная скорость свободного и стесненного падений частиц угольного шлама плотностью 1350—1400 кг/м3 и частиц антрацито­ вого шлама плотностью 1550—1600 кг/м3в Еоде приведены в табл. 1S.

Глава III

ОСАЖДЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ШЛАМОВ

1. ОСНОВЫ ДИНАМИКИ СЕДИМЕНТАЦИИ ШЛАМОВ

Осаждение всего слоя частиц шлама монодисперсной системы описывается уравнением

(12)

откуда

где V — скорость осаждения слоя частпц, м/с; Н — высота, на кото­ рую монодисперсный слой частиц опустится за время t, м.

Накопление осадка описывается дифференциальным уравнением

где А — количество зерен, накопившихся в осадке за время t; С —

Эта формула отражает процесс накопления осадка монодисперсиой системы, предполагая равномерное распределение частиц по вы­ соте. Однако это не всегда справедливо. При свободном падении, т. е. при отсутствии стесненности, эта формула противоречит за­ кону Лапласа — Смолуховского. На частицы, находящиеся в жид­ кости, влияет с одной стороны, сила тяжести, направленная вниз, а с другой — сила диффузии (осмотическое давление), стремящаяся рассеять частицы по всем направлениям. Вследствие взаимодействия этих сил частицы располагаются по высоте неравномерно: внизу их больше, вверху меньше.

Распределение частиц по высоте можно уподобить гипсометриче­ скому закону Лапласа, по которому газовое давление зависит от высоты следующим образом:

(14)

37

где р — давление на высоте h над местом с давлением р0; М — моле­ кулярный вес газа; R — газовая постоянная; Т — абсолютная тем­ пература; g — ускорение силы тяжести.

Для частиц дисперсной системы это выражение можно представить

вдругом виде. Так как

R T

р ~ N п '

где п — число частиц в единице объема; N — число Авогадро (число молекул в одной грамм-молекуле, равное 6,06-ІО23)

М = ./Ѵ(р(5— А),

где ер — объем частиц; 6 — плотность частиц; А — плотность среды, то

где п0 — начальное число частиц в единице объема.

Таким образом, концентрация зерен монодисперсной системы убывает с увеличением высоты согласно закону, выражающемуся показательной функцией, подобно тому как изменяется бароме­ трическое давление с изменением высоты местности. При достаточ­ но крупных частицах показатель степени в формуле становится на­ столько большим, что практически все частицы будут находиться в нижнем слое. Достоверность этой формулы подтвердила экспери­ ментальная проверка.

Наиболее значительные теоретические работы, выполненные раз­ ными исследователями и являющиеся, по существу, осповами зна­ ний в области динамики дисперсных систем, показывают прежде всего чрезвычайную сложность и многогранность явлений, присущих этим системам. Также очевидно и то, что эти теоретические исследо­ вания проводились в области анализа отдельных сторон или частных случаев седиментации обособленно друг от друга и что они выпол­ нены преимущественно для систем, обладающих кинетической устой­ чивостью, характерной для коллоидов, монодисперсных систем с частицами правильной сферической формы и для систем с равно­ мерным распределением осаждающихся частиц по высоте.

Применение этих теоретических данных без существенных изме­ нений для изучения промышленных шламов углеобогатительных фабрик было бы ошибочным. Угольные шламы характеризуются более сложными свойствами, а именно: значительной полидисперсностыо, непрерывным ее изменением во времени, грубодисперсностыо, неправильной формой и неравномерным распределением частиц шлама по высоте, одновременно происходящими процессами коагу­ ляции и седиментации и т. д.

Ниже приводится приближенное решение этой сложной задачи для грубодисперсных шламовых систем углеобогатительных фабрик

[ 68] .

38

Исходными для построения теоретической схемы седиментации шламов являются два основных положения. Одно из них заключается в том, что седиментация частиц полидисперсной системы является функцией постоянного движения твердых частиц, вызываемого взаимодействием силы тяжести и силы сопротивления среды части­ цам. Второе условие — распределение по высоте отдельных соста­ вляющих полидисперсной системы подчиняется экспоненциальному закону, аналогичному барометрическому .закону Лапласа и закону Смолуховского о равновесии дисперсной системы под действием сил тяжести и диффузии.

Таким образом, закономерности, установленные для распреде­ ления части тонкого монодисперсного золя, могут описывать характер

Учитывая характер распределения частиц по крупности, процесс осаждения можно представить графически произвольной кривой, соответствующей скорости их падения (рис. 8). Эта закономерность на диаграмме выражается величиной ординаты п, соответствующей значениям переменной величины ѵ при t = t0. На рис. 8 площадь, ограниченная кривой ОА и осью абсцисс, выражает сумму всего количества частиц в момент t0, обозначенный через п0.

С течением времени в единице объема пульпы число частиц умень­ шается, и изменяется соотношение между крупными и мелкими ча­ стицами. Изменение соотношения частиц объясняется тем, что вследствие осаждения более крупных удельное участие мелких ча­

распределение частиц по скорости падения, изменяется. Изменение имеет определенную тенденцию, выражающуюся сдвигом влево и уменьшением общей площади, ограниченной данной кривой. Это хорошо наблюдается, если к осям координат п и ѵ добавлена третья ось t (время) и в соответствии с изменением времени нанесены ме­ няющиеся кривые и ограниченные ими площадки распределения частиц (рис. 9).

Если изменить расположение осей координат, как это показано на рис. 10, то зависимость изменения числа частиц в определен­ ном объеме можно представить ' в виде ряда опускающихся кривых.

39'