ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ОБЕЗВОЖИВАНИЕ
Основные принципы и сущность гидравлической классификации
Гидравлическая классификация —это процесс фракционирования зернистого материала по крупности в различных потоках жидкости. Аппараты, в которых осуществляются процессы фракционирования в водной среде, называются г и д р о к л а с с и ф и к а т ор а м и. Согласно этому определению, все рассмотренные сгустители (даже простейшие) могут быть названы гидроклассификаторами, так как процессы, происходящие в них сопровождаются частичным фракционированием зернистого материала. В этом смысле и река является прекрасным, но трудно управляемым и регулируемым классификатором, простой трубопровод или лоток, по которому осуществляется гидротранспорт, также являются гидроклассификаторами.
Гидравлические классификаторы е восходящим потоком воды делятся на две подгруппы. классификаторы со свободным падением зерен и классификаторы со стесненным падением. К первой подгруппе относятся классификаторы, исходная гидросмесь в которые поступает при объемной консистенции не выше 1:4. При этих значениях консистенции можно не учитывать стеснения зерен вследствие кучности при их падении. Ко второй подгруппе относятся классификаторы, исходная гидросмесь в которые поступает при больших значениях консистенции вода или , гидросмесь
В некоторых гидроклассификаторах используется одновременно классифицирующая способность горизонтального и вертикального потоков. На рис. 176 изображена значительно видоизмененная конструкция гидроклассификатора Ричардса. Горизонтальный лоток формирует поток так, что наиболее крупные придонные частицы попадают в очередной пирамидальный бункер, где, встречаясь с восходящим потоком воды дозированного расхода, дополнительно освобождаются от попавших мелких частиц и в виде хорошо отфракциони- рованного материала с узким диапазоном размеров граничных зерен поступают в закрытые емкости.
Сами головки, организующие восходящие потоки, могут быть приняты типа вортекс (рис. 177).
Первые классификаторы со стесненным падением в них зернистого материала выполнялись преимущественно в виде различных устройств с конусной или цилиндрической частью с различным обеспечением в них восходящего потока жидкости. Эта конусная или цилиндрическая часть осталась основным элементом всех современных конструкций гидроклассификаторов.
Преимуществом классификаторов со стесненным падением зерен является незначительная скорость восходящего потока, что обусловливает меньшие расходы воды на . классификацию. Современные классификаторы построены по принципу падения зерен в стесненных условиях, следовательно, основой теории процесса фракционирования является теория стесненного падения.
Стесненное падение в воде зернистых материалов
Изучение закономерностей стесненного падения твердых частиц в жидкостях вначале было связано с разработкой методов гравитационного обогащения полезных ископаемых. Основные положения этой проблемы и некоторые, главным образом опытные, зависимости были созданы известными в этой области учеными: Реттингером, Манро, Ричардсом, Финкеем, Лященко и др.
Монро уподоблял условия стесненного падения движению частицы в узкой трубке; тормозящее влияние стенок трубки отождествлялось с влиянием жидкой среды.
Ричардс на основе выполненных им опытов высказал гипотезу, согласно которой уменьшение скорости падения частиц при наличии стеснения объясняется в основном увеличением подъемной силы;- смесь твердых частиц и воды уподобляется при этом некоторой однородной фиктивной жидкости, объемный вес которой равен среднему значению между объемным весом воды и твердых частиц.
Ричардсом и Монро были составлены опытные зависимости для определения скорости стесненного падения. Однако эти зависимости не охватывали всей разносторонности факторов, определяющих значение скорости стесненного падения твердых частиц, хотя эти зависимости и используются до настоящего времени для ограниченных условий стесненного падения.
Одну из первых попыток многостороннего описания и определения сил, действующих на частицу, которая движется в условиях стеснения, сделал П. В. Лященко. Ой принимает, что при стесненном падении кроме силы взвешивания частица испытывает сопротивления:
а) гидро- или аэродинамические, возникающие в среде, в которой движется частица;
б) механические, как результат взаимного трения и ударов частиц между собой.
Второе сопротивление, которое испытывает падающий шар, зависит от обтекания шара в суженном кольцевом пространстве:
С учетом полученных сил П. В. Лященко записывает дифференциальное уравнение движения шара
Полагая, что стесненное падение происходит при наличии узких промежутков между отдельными зернами и к тому же в замкнутом пространстве, ограниченном стенками и дном трубы или сосуда, П. В. Лященко стесненное падение уподобляет падению в узких трубках, как это делалось Монро.
Необходимо отметить, что принятая им схема стесненного падения имеет существенное противоречие, суть которого сводится к следующему. При совместном стесненном падении равновеликих и одинаковых по форме частиц средняя скорость их относительно друг друга в направлении основного движения будет равна нулю (за исключением частиц, прилегающих к стенкам трубы), а при падении разнородных частиц их относительная скорость будет все же несоизмеримо меньше скорости частицы по отношению к неподвижной стенке трубы, что, естественно, повлияет на характер движения и величину сил, действующих на частицу при ее стесненном падении.
На основании опытов П. В. Лященко пришел к следующим выводам, которые дали ему возможность построить расчетную схему для определения основных характеристик стесненного падения.
1. Падающий в трубке шар оказывает на жидкость статическое давление, которое соответствует весу шара в жидкости, отнесенному к площади сечения трубки, т. е.
При дальнейших преобразованиях исходного уравнения равновесия (436) относительная скорость заменяется расходной скоростью жидкости и коэффициент сопротивления получается равным
Используя опытные данные Д. М. Минца, М. А. Дементьев пришел к следующим выводам:
1. В области обтекания Стокса (для группового падения) М. А. Дементьев установил, что турбулентность несущей жидкости уменьшает величину групповой гидравлической крупности.
При определении скорости стесненного падения частиц (групповой гидравлической крупности) М. А. Дементьев рассматривает равновесие взвешенного в вертикальном потоке слоя физически одинаковых твердых частиц.
Каждая из частиц слоя находится в равновесии при условии
а) для мелкозернистой твердой фазы в обоих случаях кривые имеют совершенно одинаковый характер с той только разницей, что у Никурадзе — общая прямая Блазиуса (наклон 1:4), а у Дементьева — прямая Стокса (наклон 1:1);
б) для крупнозернистой твердой фазы кривые имеют один и тот же характер. Общее различие состоит в том, что у Дементьева, в противоположность Никурадзе, кривые первой группы лежат выше кривых второй группы.
4. При стремлении 5 к нулю кривые плавно подходят к Cs для одиночных твердых частиц.
Таким образом, последние исследования (Д. М. Минц, В. В. Длоугий, М. А. Дементьев) устанавливают связь между коэффициентом гидравлического сопротивления шероховатых труб и коэффициентом сопротивления стесненному падению частицы. Однако никто из исследователей не утверждает о наличии закономерных связей между этими внешне различными явлениями.
Конструкция и расчет гидроклассификаторов
Гидравлическая классификация, как следует из изложенного выше, представляет собой сложный процесс разделения зерен по крупности в условиях стесненного падения зерен в водной среде. Процесс этот настолько сложен, что описание его простыми зависимостями, удобными для ведения расчетов, не представляется возможным, поэтому все существующие методы расчета классификаторов основаны на упрощенных схемах.
На твердые частицы, находящиеся в классификационном аппарате, которые участвуют в процессе фракционирования, могут действовать следующие силы:
1) массовые силы (сила тяжести, центробежные силы, архимедова сила);
2) силы гидродинамического сопротивления, обусловленные лобовым сопротивлением частиц при их относительном движении в жидкости и силой трения жидкости о частицу при обтекании;
3) силы, обусловленные взаимодействием частиц друг с другом и с твердыми стенками классификационных аппаратов.
Рассмотрим некоторые, наиболее широко применяемые классификаторы.
Гидроциклон. Ранее гидроциклон был рассмотрен как сгуститель, однако этот аппарат успешно применяют и для фракционирования зернистых материалов на классы крупности. При пользовании одним таким аппаратом можно получить только два класса. При последовательном пропуске сгущаемой гидросмеси через несколько аппаратов можно получить нужное число классов крупности зернистого материала.
В качестве основного параметра фракционирования принимается значение диаметра граничного зерна.
Для определения диаметра граничного зерна (диаметра сепарации) была получена ранее приведенная формула
Таким образом, для определения величины нужно найти значения и и R.
Гидроклассификатор ВНИИ Стройдормаша.
Этот гидроклассификатор относится к группе горизонтальных многокамерных классификаторов. Принцип его работы вполне аналогичен приведенному гидроклассификатору Ричардса улучшенной конструкции. Существенным его усовершенствованием является автоматизация разгрузки камеры, в которой собирается промытый и отфракционированный песок. При определенном наполнении камеры срабатывает датчик, разгрузочное отверстие открывается и песок выходит из камеры. Когда в камере остается незначительное количество песка, но достаточное для того, чтобы не допустить прорыва воды через это отверстие, срабатывает другой датчик, разгрузочное отверстие закрывается и процесс повторяется вновь.
Классификатор ВНИИСтройдормаша выпускается серийно в заводском изготовлении.
Гидроклассификатор НИИЖелезобетона относится к группе вертикальных (гравитационных) классификаторов с восходящим потоком воды. Освоено серийное изготовление этого классификатора. На рис. 178 приведен его более поздний вариант, отличающийся от предыдущих новым автоматически действующим затвором, который позволяет выдавать песок крупной фракции непосредственно на ленточный конвейер.
Отличительной чертой данного классификатора от других того же типа является наличие соосных цилиндров, в пространствах между которыми поднимается осветляемая жидкость.
Эти цилиндры-успокоители предназначены для ликвидации крупных возмущений в потоке. Применением таких цилиндров достигается некоторая ламиниризация потока, так как в число Re должен входить линейный размер — расстояние между двумя соседними стенками. Если в такой классификатор ввести и радиальные ребра, что придает потоку некоторые свойства изотропии, то, очевидно, условия классификации улучшатся, однако увеличится возможность его засорения.
Исходная гидросмесь подается в верхнюю часть классификатора, откуда сливается гидросмесь с мелкими частицами, а более крупный класс частиц отводится через регулируемое отверстие в нижней части аппарата.
Гидроклассификатор ВНИИГС. Этот гидроклассификатор также относится к группе вертикальных аппаратов с восходящими потоками жидкости (рис. 179).
В нем гидросмесь подводится снизу и впускается в аппарат факелов вверх. Из кольцевого пространства, образованного патрубком исходной гидросмеси и стенками корпуса, поступает в том же направлении чистая вода, причем скорость в этом кольцевом пространстве определяет в основном диаметр граничного зерна.
Масса подаваемой факелом вверх гидросмеси, как и жидкость любой направленной вверх струи, распадается и стремится падать обратно вниз. Направляемая стенками корпуса аппарата эта масса встречается с восходящим потоком чистой воды, в котором и происходит оседание более крупных частиц. Гидравлическая крупность (вернее, скорость стесненного падения) этих частиц преобладает над скоростью восходящего потока, а зерна меньшего размера, чем диаметр граничного зерна, выносятся потоком через сливной патрубок.
Гидроклассификаторы ВНИИГС хорошо зарекомендовали себя в работе, серийно изготовляются э заводских условиях. Их недостатком является большой расход воды, т. е. большая энергоемкость.
Гидравлический классификатор ВНИИ Неруда относится (рис. 180) к группе вертикальных классификаторов. Этот классификатор может работать как с подводом, так и без подвода дополнительной воды в зависимости от требований к конечному продукту и характеристики исходного фракционируемого материала.
В этом аппарате гидросмесь вводится в классификационную камеру 1 по трубе 5 и по кольцевому пространству 3, а дополнительная вода может поступать по трубе 6 и по центральной трубе 2. Крупная фракция выпадает по этой же центральной трубе вниз, а мелкая фракция зернистого материала устремляется вверх к сливному патрубку.
Дуговое сито является весьма простым классификатором (рис. 181), которое представляет собой металлическую конструкцию, имеющуют два искривленных канала с натянутой сеткой по делительной поверхности.
Гидросмесь поступает на сито из подсоединенного трубопровода в канал меньшего радиуса (внутренний). Двигаясь по искривленному каналу сверху вниз, крупнозернистый материал скатывается к выходу из сита, а вода с мелкими частицами, подвергаясь действию центробежной силы, устремляется через сетку в канал из которого по лоткам стекает в отстойник.
Естественно, что граничная крупность классификационных частиц зависит от размера ячеек устанавливаемой сетки.
Имеются конструкции сдвоенного сита применение которого оправдывается в том случае когда требуется большая производительность установки без значительного увеличения занимаемой ею площади.
Технологические схемы классификации нерудных материалов
Различные отрасли промышленности и отдельные крупные предприятия предъявляют к промышленности добычи и обработки нерудных материалов определенные требования касающиеся качества и состава поставляемой ею продукции. Пески, необходимые для изготовления бетона при возведении плотин и других массивных сооружений, для изготовления балок плит перекрытий, железобетонных ферм и труб, различны по гранулометрическому составу; гравии, как заполнитель бетона, укладываемый в фильтры гидротехнических сооружении, в покрытия откосов и т. д., также различается по крупности и допускает различную степень обогащенности. Естественно, что для обеспечения нужных качеств песка и гравия применяются различные технологические схемы фракционирования и обогащения. Причем конкретные звенья таких технологических схем представляющие собой различные обогатительные или фракционирующие аппараты, могут заменяться другими типами аппаратов которые постепенно совершенствуются, как и сами технологические схемы могут претерпевать во времени значительные изменения или перестраиваться коренным образом.
Приведено несколько типовых для, Западной Европы и СССР технологических схем обогащения и классификации песка и гравия.
Технологическая схема фракционирования песков для бетона, применяемая в США (рис. ) Исходная гидросмесь поступает на грохот 1 с которого отводится гравий класса -j-b мм. Затем песчаная гидросмесь направляется в многокамерный классификатор 2 типа классификатора Ричардса, из которого фракционированный песок поступает в механический отсек
Технологическая схема обогащения и классификации песка, применяемая в западноевропейских государствах (рис. 183). Первоначально исходная гидросмесь с дозированным расходом направляется в вертикальный классификатор 4 с восходящим потоком жидкости механический классификатор-обезвожива тель 7 и затем транспортером 8 подается на склад.
Поток гидросмеси с мелкой фракцией от классификатора 4 подается в многокамерный классификатор 6 типа классификатора Ричардса, после чего мелкая фракция — 0,15 мм сбрасывается, а кондиционные фракции направляются также на классификатор-обезвоживатель и транспортируются на склад.
Технологическая схема фракционирования и обогащения песка, применяемая в СССР (рис 184) Исходная гидросмесь поступает на виброгрохот 2, с которого отводится гравии класса +5 мм. Песчаная гидросмесь направляют затем гидросмесь землесосом подается в гидроклассификатор вертикального типа с восходящим потоком жидкости 5. Крупная фракция песка отводится к спиральным классификаторам- обезвоживателям 7, далее по транспортеру на склад 11, а мелкая фракция подается на гидроциклоны 6.
Прогресс науки и техники, а также растущие и изменяющиеся потребности производства естественно могут вносить изменения в существующие технологические схемы обработки нерудных материалов и в применяемое в настоящее время оборудование.
Существующие типы гидроклассификаторов можно сгруппировать по их характеристикам, как это показано в приведенной ниже схеме.
