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

Т а б л и ц а 22 Значение 'FCT в зависимости от числа Ar

Риг. 17. Зависимость между коэффициентом Ч'ст п критерием Архимеда Ar

Для определения скоростей стесненного падения частиц сначала подсчитывается число Аг, а затем по полученному Ат на кривой рис. 17 находится Тст.

Тогда скорость

51

Следовательно, скорость стесненного падения частиц прямо про­ порциональна квадратному корню из отношения произведения диа­ метра и разности плотностей частицы и среды к коэффициенту сопро­ тивления в стесненных условиях и плотности среды.

Число Ar для угольной частицы размером 0,5 мм п плотностью 1350 кг/м3, падающей в водной среде, будет

По найденному числу Аг на кривой рис. 17 находим значение ЧгСт, равное 57, 54.

Тогда

Коэффициент равнопадаемости частиц в стесненных условиях падения определяется с учетом дополнительного сопротивления падающей частице, создаваемого стесненными условиями.

Если в формуле (26) заменить ѵ0 на ѵст, А на эффективную плот­ ность среды р, т. е.

На основании экспериментальных данных рекомендуется среднее значение эффективной плотности среды рдля угля и породы 1300 кг/м3, для антрацита и породы 1470 кг/м3.

Тогда коэффициент равнопадаемости частиц в стесненных усло­ виях подсчитывается так же, как и при свободных условиях, но при замене А на р, т. е.

Если коэффициент равнопадаемости для частиц угля и породы

в свободных условиях составляет около 3, то в стесненных — около' 12.

3. КОЭФФИЦИЕНТ ШКАЛЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ

При классификации угольного шлама в горизонтальном потоке решающими факторами, влияющими на чистоту разделения, являются турбулентность потока и величина вертикальной составляющей скорости и.

Скорость осаждения частиц равна разнице между скоростью их свободного падения ѵ0 и вертикальной составляющей скорости потока и.

52

частица осядет в классификаторе или отстойнике и попадет в крупную

частица будет взвешена и вынесена струей воды в слив. Классификация шлама в отстойных классификаторах по высоте

происходит в неодинаковых условиях. В верхней части классифика­ тора пульпа более разжижена, в нижней части — имеет место мас­ совое осаждение частиц. Сле­

(рис. 18). Для нахождения точки а на кривой осаждения проведем дугу из точки О, касающейся этой кривой.

Скоростная теория разделения частиц шлама по скорости свобод­ ного падения на относительно крупные и более мелкие частицы не может полностью объяснить процесс гидравлической классифика­ ции. В условиях стесненного осаждения часть мелких частиц попа­ дает в крупную и относительно крупные частицы — в тонкую фрак­ цию материала. В силу этого процесс гидравлической классификации

53

Глава IV

ФЛОКУЛЯЦИЯ ШЛАМОВ

Во многих странах мира, в том числе и в СССР, улавливание шламов и осветление загрязненных вод на углеобогатительных фаб­ риках в недалеком прошлом осуществлялось только механическими средствами, т. е. в результате использования сил тяжести частиц шлама, центробежных сил, вакуума н давления. Полная очистка загрязненных вод при этом достигнута не была. Поэтому в послед­ нее десятилетне в СССР наряду с механическими средствами начали широко применять физнко-хнмические методы, т. е. флокуляцию шламов.

Совмещение двух направлений в улавливании и сгущении шла­ мов — механического и физико-химического — в настоящее время дало положительные результаты и позволило решить одну из важ­ ных проблем — осветление загрязненных вод.

Над решением этих вопросов долгое время работали многие ис­ следователи. Были достигнуты некоторые успехи благодаря приме­ нению коагулянтов: электролитов, неорганических соединений, та­ ких, как известь, едкий натр, хлорное железо, квасцы, и органиче­ ских — клей, крахмал и др. Эти коагулянты не нашли применения в углеобогатительной промышленности при осветлении шламовых вод ввиду их малой эффективности.

В отечественной практике обогащения углей получили большое распространение высокомолекулярные синтетические соединения. Эти полимеры обладают высокими флокулирующими свойствами и позво­

ляют значительно интенсифицировать процесс седиментации тончай­ ших шламов [25, 47, 50, 61, 62, 68].1

1. МЕХАНИЗМ ФЛОКУЛЯЦИИ

Образование флокул из частиц, находящихся в беспорядочном перемещении, вызванном броуновским движением и другими гид­ родинамическими факторами, называется перикинетической флоку­ ляцией. Образование флокул из частиц, имеющих направленное

56

флокуляции и приводит к образованию не только парных частиц, но и тройных, четверных и т. д. частиц, т. е. по типу полимолекулярных реакций.

Весьма оригинальной является количественная схема процесса ортокинетической флокуляции частиц, предложенная в 1927 г. Туорплом. Он построил схему флокуляции полидисперсной системы, частицы которой осаждаются под влиянием сил тяжести.

В простейшем случае для бидисперсной системы скорость флоку­ ляции частиц, или уменьшение их числа в объеме, выражается урав­ нением

ь=If («-д> [2f +(f)!- 2(■£)’- (£)‘]• т

Из формулы (45) видно, что 6 = 0 только при = 1.

Следовательно, ортокинетическая флокуляция возможна лишь при полидисперсных системах, когда г Ф г'.

Следует иметь в виду, что схема для полидисперсной системы даже пз частиц идеальной формы (правильно сферической) дает чрезвы­ чайно сложное выражение. Если учесть динамику соотношения числа частиц разной крупности и неправильную их форму, то этот путь вряд ли окажется приемлемым для разработки количественной теоретической схемы флокуляции полидисперсных систем.

Приведенный обзор некоторых теоретических работ, выполнен­ ных разными псследователями и являющихся по существу основами знаний в области динамики дисперсных систем, подтверждает преж­ де всего чрезвычайную сложность и многогранность явлений, при­ сущих этим спстемам.

Также очевидно, что теоретические исследования вначале были посвящены анализу отдельных сторон или частных случаев динамики седиментации и флокуляции обособленпо друг от друга и что эти исследования выполнены преимущественно для систем, обладающих кинетической устойчивостью, характерной для коллоидов и моноднсперсных систем при условии, что частицы имеют правильную сферическую форму, а для систем с осаждающимися частицами при­ нималось равномерное распределение последних по высоте.

Применение этих теоретических построений без существенных изменений для изучения свойств промышленных шламов углеобо­ гатительных фабрик явилось бы ошибочным.

Решение задачи независимо от рода и вида среды и дисперсной твердой фазы для любых полидисперсных систем, любой формы п строения частиц и, наконец, одновременного действия процессов седиментации и флокуляции представляет исключительный теоре­ тический и практический интерес.

Физический смысл механизма собственно флокуляции очень сложен и решение его весьма затруднено рядом факторов, недоста­ точно изученных в настоящее время. Вначале рассмотрим количе­ ственную схему процесса флокуляции.

58

Количественное изучение процесса флокуляции также предста­ вляет известные трудности, так как в единице объема число и круп­ ность частиц под влиянием происходящей седиментации все время

.меняется.

В теоретической схеме седиментации шламов большое значениеимеет флокуляция. При слипании частиц степень дисперсности шлама резко уменьшается и процесс осаждения интенсифицируется.

Например, для необогащенного и несфлокулированного уголь­ ного шлама коксующихся углей степень дисперсности равна 0,1 г после флокуляции она составляет 0,0077, для отходов флотации соответственно 0,13 и 0,00248, для концентрата флотации 0,05 и 0,025.

Следовательно, время осаждения шлама в этом случае резко уменьшается п приближенно

где г — время осаждения частиц шлама без флокуляции; а — сте­ пень дисперсности шлама после флокуляции.

Если минимальное время осаждения шлама на глубину 300 мм. подсчитанное по формуле (20) для необогащенного шлама коксу­ ющихся углей равно примерно 45 мин, то после флокуляции при

а= 0,0077 по формуле (46) оно составит

г'= 45 »0,0077 =0,3465 мни, или 20,1 с.

Изложенные теоретические соображения относительно процесса флокуляции шламов в какой-то мере освещают только количествен­ ную сторону и совершенно не затрагивают качественных явлений,, происходящих при этом. Качественная схема флокуляции предста­ вляет большой интерес, хотя она изучена недостаточно.

Шламовые пульпы являются кинетически неустойчивыми, так как представлены в основном частицами крупнее коллоидных, ис­ пытывающих превалирующее действие сил тяжести.

В естественном состоянии шламовые суспензии агрегативноустойчивы вследствие наличия на поверхности твердых частпц двой­ ного электрического слоя. Низкий потенциал осаждения объясняется: относительно малой крупностью шламовых частиц, вязкостью сус­ пензии и небольшой разницей плотностей среды и твердого. Агре­ гативная устойчивость шламовых суспензий, зависящая от заряда твердой поверхности и ее гндратированности, еще более возрастает- в условиях турбулентных режимов.

Известно, что лишь «чистые» свежераскрытые угольные частицы при частичном отсутствии сольватных оболочек в силу гидрофобности угольного вещества крупностью менее 250 и особенно 150 мкм коагулируют естественно благодаря сокращению свободной поверх­ ностной энергии под действием молекулярных сил. Однако в прак­ тике обычно имеем дело с окисленными поверхностями угольных частиц, и поэтому это явление не так интересно.

На частицы коллоидных размеров действуют силы притяжения (силы Вандер-Ваальса) и кулоновские силы отталкивания. Силы

5»