Вспомогательные процессы

УДК 622.7:628.3 
С12 

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук J7.M. Леонова 

Самыгин В.Д., Коржова Р.В. 

С12 
Вспомогательные процессы: Лаб. практикум. - М.: МИСиС, 

2004. - 54 с. 

Лабораторный практикум содержит шесть работ но курсу «Вспомогательные процессы». В результате выполнения лабораторных работ студенты устанавливают зависимость между скоростью расслоения жидкой и твердой фаз от 
плотности суспензии, от вида и концентрации электролитов и полимеров. 

Полученные данные в дальнейшем используются при расчете удельной 
площади осаждения при сгущении. Четвертая лабораторная работа выполняется на ЭВМ и посвящена изучению процесса агрегирования твердых частиц. 

В пятой лабораторной работе студенты изучают процесс центрифугирования, знакомятся с конструкцией центрифуги и нефелометра, устанавливают зависимость степени осветления жидкой фазы от различных параметров. 

В шестой лабораторной работе студенты знакомятся с вакуумной фильтровальной установкой, изучают процесс фильтрования и рассчитывают 
удельное гидравлическое сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки. 

В постановке лабораторной работы № 4 «Изучение процесса агрегирования на ЭВМ» активное участие принимала Перепёлкина М. А. - ведущий 
инженер Учебно-методического Центра моделирования, вычислительной 
техники и средств автоматики МИСиС. 

Предназначен для студентов специальности 090300 «Обогащение полезных ископаемых». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2004 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Лабораторная работа 1. Влияние плотности пульпы на 
скорость ее расслоения 
4 

Лабораторная работа 2. Исследование влияния природы и 
концентрации электролитов и полимеров на скорость 
расслоения жидкой и твердой фаз 
10 

Лабораторная работа 3. Определение оптимальных условий 
сгущения 
18 

Лабораторная работа 4. Изучение процесса агрегирования 
частиц на ЭВМ 
24 

Лабораторная работа 5. Изучение работы лабораторной 
центрифуги 
36 

Лабораторная работа 6. Определение удельного 
гидравлического сопротивления осадка и сопротивления 
фильтроткани 
41 

Приложения 
47 

3 

Лабораторная работа 1 

ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ПУЛЬПЫ 
НА СКОРОСТЬ ЕЕ РАССЛОЕНИЯ 

(4 часа) 

1.1. Цель работы 

- Освоить методику определения скорости расслоения минеральных суспензий различной плотности. 

- Получить экспериментальные данные, необходимые для технологического расчета сгустителя. 

1.2. Теоретическое введение 

Расслоение минеральных суспензий на две фазы (жидкую и твердую) всегда имеет место при сгущении продуктов обогащения, чаще 
всего концентратов. Целью сгущения является повышение концентрации твердой фазы в сгущенном продукте с 5 до 50... 65 %. 

Сгущению подвергаются практически все концентраты, получаемые на обогатительных фабриках. Производительность сгустителей 
пропорциональна скорости расслоения двухфазной системы (v, см/с), 
которая зависит от многих факторов: 

V =ЯС.., 
'-ТВ, Утв, Ц, о), 

где С™- концентрация твердого в суспензии, %; 
г™ - радиус частицы, см; 
у™-плотность частицы, г/см^ 
ц - динамическая вязкость суспензии, г/см^ 
V - скорость расслоения; см/с. 

Большое влияние на скорость осаждения оказывает агрегирование 
частиц. Закон Стокса применим, когда С™ < 1 %, размер частиц не 
превышает 100 мкм, вязкость суспензии постоянна, о не превышает 
ее значения для ламинарного потока. К тому же в системе не происходит агрегирования частиц. Согласно закону Стокса: 

2 Арг^ 

V- 
— Q: 
, 

9 
ц 

4 

где г 
- радиус сферических частиц, см; 

Ар - разность плотностей твердого и среды, г/см^ 
ц - динамическая вязкость среды, г/см1 

Закон Стокса может быть применен только для зоны слива сгустителя, где очень низкая концентрация твердого. По формуле Стокса определяют размер частиц, уходящих в слив. 

Скорость движения частиц в стесненных условиях зависит не 
только от их размера и формы, физико-химических свойств среды, 
но и от объемной концентрации твердой фазы. Зависимость скорости 
движения частиц от их объемной концентрации обусловлена гидродинамическим взаимодействием между частицами. 

Скорость стесненного движения частиц, как правило, меньше 
скорости изолированной частицы. Вязкость среды, содержащей дисперсные частицы, больше вязкости чистой жидкости вследствие появления срезывающих напряжений при движении частиц. 

В процессе осаждения частиц вязкость суспензии изменяется, поскольку она зависит от концентрации твердого: 

|Яе = Цо-(1 + 2,5ф), 
(1.1) 

приф<10% 

Цс = Цо-(1 + 4,5ф), 
(1.2) 

приф>10% 

где Цс и Но - соответственно вязкость суспензии и воды; 
Ф 
- объемная концентрация твердой фазы. 

Формулы (1.1) и (1.2) применимы для таких концентраций твердой фазы, при которых суспензия еще обладает текучестью. 

При большей концентрации твердого (> 15...25 %), что характерно 
для концентрированных и компактных суспензий, расстояние между 
частицами настолько мало, что они приходят в соприкосновение. 
Вследствие этого, наряду с внутренним трением жидкости, возникают силы трения частиц друг о друга, и тогда гидравлическое течение 
переходит в пластическое, для которого формулы (1.1) и (1.2) не 
применимы. 

Жидкости, для которых вязкость постоянна и не зависит от скорости ее течения называются ньютоновскими, а жидкости, для которых величина вязкости изменяется, - неньютоновскими. 

В концентрированных суспензиях более мелкие частицы тормозят 
движение более крупных, а частицы больших размеров увлекают за 

5 

собой мелкие частицы, ускоряя их движение. В результате наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных 
размеров; возникает коллективное, или солидарное, осаждение частиц с близкими скоростями в каждом сечении аппарата, но различными по его высоте. Уменьшение скорости осаждения частиц при уплотнении суспензии объясняется не только возрастанием вязкости, но и 
тормозящим действием жидкости, вытесненной осаждающимися частицами и движущейся в направлении, обратном движению частиц. 

При проведении исследований по влиянию плотности пульпы на 
скорость ее расслоения решаются две задачи. Первая - определение 
площади осаждения, необходимой для получения чистого слива; 
вторая - определение объема сгустителя, необходимого для получения осадка требуемой плотности. 

1.3. Описание установки, материалы и приборы 

Все исследования проводятся в стеклянных цилиндрах объемом 
500 см^ и диаметром 35...40 мм. Каждой бригаде студентов выдается 
проба руды массой 1 кг (для выполнения двух последующих работ), 
весы с разновесом, секундомер, линейка, шпатель, кисточка, клеенка 
размером 40 х 40 см и промывалка. 

1.4. Порядок проведения работы 
и указания по технике безопасности 

В каждый из семи цилиндров поместить 10 г руды (средние пробы 
отбираются методом квадратования), затем добавить воду для получения различных соотношений твердого и воды Т:Ж, равных 1:3, 1:6, 
1:10,1:15,1:20. 

При отношении Т:Ж = 1:10 провести три параллельных опыта для 
расчета ошибки воспроизводимости и доверительного интервала (см. 
Приложение 1). 

Образующиеся в каждом цилиндре суспензии тщательно перемешать 5-7 раз методом опрокидывания, затем цилиндры установить в 
нужной последовательности на столе, включить секундомер и через 
возрастающие промежутки времени замерить высоту осветленного 
слоя и скорость расслоения фаз (табл. 1.1). По истечении 40 мин отстаивания измерить высоту осадка, общую высоту пульпы в цилиндре и диаметр каждого цилиндра. Результаты измерений занести в 
табл. 1.1. 

При выполнении данной работы и всех последующих необходимо 
соблюдать следующие правила техники безопасности: 

6 

- работать в спецхапатах; 
- при использовании химических реагентов соблюдать осторожность, особенно при работе с едким натром, кислотами, сульфидом 
натрия и др. Вносить реагенты в суспензию можно только шприцем 
или пипеткой с резиновой грушей; 

- аккуратно обращаться со стеклянными цилиндрами во избежании порезов. 

1.5. Обработка результатов 

По данным табл. 1.1 строят кривые осаждения для каждого значения Т:Ж. Из начального угла наклона кривых осаждения рассчитывают скорость осаждения суспензии по формуле 

где V - скорость расслоения фаз, мм/мин; 
АЯ- высота осветленного слоя, мм; 
^t - время отстаивания, мин. 

Таблица 1.1 

Влияние плотности нульны на высоту осветленного слоя и высоту осадка 

Время отстаивания, мин 

0 
1 
2 
3 
5 
10 
20 
40 

Высота осадка, мм 

Верхний уровень нульны в цилиндре, мм 

Диаметр цилиндра, мм 

Высота осветленного слоя, мм 

1:3 
1:6 
1:10 
1:10 
1:10 
1:15 
1:20 

Для каждой из исследуемых плотностей пульпы определяют разжижение - отношение Ж:Т в осадке {R^), для чего сначала рассчитывают объем осадка Voc (см^) по формулам 

7 

V = 
' ОС 

hnD^ 

V 

где h 
- высота осадка, см; 
D - диаметр цилиндра, см; 
Ртв - исходная навеска руды, 10 г; 
Ртв - плотность твердого (руды), г/см^. 

Плотность твердого принимается равной в диапазоне 2,7...3,0 г/см^ 
в зависимости от типа руды (месторождения). 

Затем рассчитывают массу воды в осадке Рж по формуле 

- ' ж 
V'oc 
'ТВ J " Рж? 

где /?ж - ПЛОТНОСТЬ воды, равная 1. 

По рассчитанным значениям массы воды и твердого определяют 
разжижение Roc ^ Ж:Т в осадке для каждой плотности пульпы по 
формулам: 

Р 

R = 

С 

ТВ 

100-Ст. 

с 
^тв 

_ 100 
' ~ R + 1 

где Ств - содержание твердого в осадке, %. 

Результаты заносят в табл. 1.2. 

Таблица 1.2 

Скорость расслоения фаз и конечное Д„с при различном отношении Т:Ж 

Параметры 

Скорость расслоения фаз, мм/мин 

Roc 

Значения Т:Ж 

1:3 
1:6 
1:10 
1:15 
1:20 

По результатам параллельных опытов рассчитывают выборочное 
значение среднеквадратичной ошибки (или отклонения) и их доверительный интервал (пример расчета приведен в Приложении 1). 

1.6. Отчет по работе 

Отчет должен содержать: 
- краткое теоретическое введение; 
- описание методики; 
- описание установки, материалы и приборы; 
- обработку результатов; 
- выводы. 

Литература 

Самыгин В.Д. Обезвоживание, пылеулавливание и очистка сточных вод: Курс лекций. Ч. 1. М.: МИСиС, 1975. С. 22-33. 

Чунаев Г.Г. Обезвоживание, пылеулавливание и охрана окружающей среды. М.: Недра, 1987. 259 с. 

Контрольные вопросы 

1. Как влияет плотность пульпы на скорость ее расслоения? 
2. Все ли суспензии дают четкую границу разделения фаз при отстаивании и от чего это зависит? 

3. По каким признакам суспензии делятся на классы? 
4. Почему скорость расслоения пульпы рассчитывают из начального угла наклона кривой осаждения? 

5. Как определить плотность пульпы, при которой ее целесообразно выгружать из сгустителя? 

6. Что называется критическим временем отстаивания? 
7. Как найти по графику точку начала уплотнения суспензии? 

9 

Лабораторная работа 2 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДЫ 

И КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 

И ПОЛИМЕРОВ НА СКОРОСТЬ РАССЛОЕНИЯ 

ЖИДКОЙ И ТВЕРДОЙ ФАЗ 

(4 часа) 

2.1. Цель работы 

- Изучить влияние наиболее широко применяемых электролитов 
на скорость сгущения исследуемых руд или продуктов обогащения. 

- Изучить влияние высоко- и низкомолекулярных полимеров на 
скорость расслоения фаз. 

- Установить зависимость между скоростью осаждения и концентрацией электролитов и полимеров. 

2.2. Теоретическое введение 

Скорость 
осаждения 
минеральных 
частиц 
крупностью 
0,01...0,1 мм очень мала и может быть определена по уравнению 
Стокса. Более мелкие частицы (< 5 мкм), содержание которых во 
флотационных концентратах велико, осаждаются чрезвычайно медленно и удаляются в слив при сгущении, что приводит к снижению 
извлечения ценных компонентов на 0,1.. .0,5 %. 

Для ускорения осаждения шламистых частиц применяются процессы агрегирования, которые могут протекать по одному из трех 
известных механизмов. 

Первый механизм - коагуляция. Наблюдается при введении в 
пульпу электролита. Образующиеся при диссоциации электролита 
ионы противоположного по отношению к минеральной поверхности 
знака адсорбируются на поверхности частиц, что приводит к резкому 
уменьшению их электрокинетического потенциала и следовательно, 
к снижению устойчивости суспензии. 

Уменьшаются электростатические силы отталкивания и частицы 
начинают образовывать между собой рыхлые агрегаты, в которых 
частицы слабо связаны друг с другом из-за наличия сольватных слоев воды. Наступает коагуляция. Наименьшая концентрация электролита, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции 
(ммоль/л): Величина порога коагуляции тем меньше, чем выше заряд 
коагулирующего иона. 

10 

Коагулирующее действие электролита возрастает с увеличением 
валентности иона, знак заряда которого противоположен знаку минеральной частицы. 

Согласно правилу Шульца-Гарди: 

n-z'-const, 

где п - концентрация электролита; 
Z - заряд иона. 

Концентрация электролита, необходимая для достижения порога 
коагуляции, в / раз меньше для многовалентных электролитов, чем 
для одновалентных. 

С другой стороны, коагулирующая способность ионов одной валентности различна. Поэтому, катионы металлов, связанные с одним 
и тем же анионом, например, NO's, по их коагулирующей способности можно расположить в ряд: 

Cs">Rb">r>Na^>Lr, 

где первый катион (цезий) обладает наибольшей коагулирующей 
способностью, а последний (литий) - наименьшей. 

Для положительно заряженных частиц по их коагулирующей способности одновалентные анионы также могут быть расположены в ряд 

Cr>Br->N0"3>r. 

Такие ряды, называемые литотропными, образуются вследствие 
различий при сольватации ионов. 

Действительно, ионы большего радиуса в меньшей степени гидратируются, но больше поляризуются, вследствие чего их адсорбционная способность возрастает в вышеприведенной последовательности. 

Большая адсорбционная способность, в свою очередь, обусловливает компенсацию заряда поверхности при меньшем расходе электролита. 

Второй механизм - флокуяяция. Наблюдается при искусственной 
гидрофобизации поверхности, происходящей в результате адсорбции 
собирателей во время флотации. Образующиеся агрегаты гидрофобны (собиратели частично или полностью разрушают сольватную 
оболочку воды) и достаточно прочны, даже при турбулентном режиме перемешивания. 

Третий механизм - мастиковая флокуляция. Наблюдается при 
введении в пульпу высокомолекулярных полимеров, активные 
(функциональные) группы которых, входящие в состав одной молекулы, закрепляются одновременно на нескольких частицах. 

11 

Как правило, образуются большие агрегаты (флокулы), которые 
чаще всего имеют вид хлопьев; флокулы непрочные и быстро разрушаются при турбулентном режиме перемешивания. 

Эффективность действия высокомолекулярных веществ определяется: сродством их активных групп к поверхности минералов, концентрацией их растворов, а также прочностью и структурой образующихся в пульпе полимерных молекул. 

Величина адсорбции молекул полимеров во многом определяется 
знаком и величиной заряда поверхности минеральных частиц; разноименные заряды на поверхности частиц и в молекуле полимера способствуют адсорбции. 

В качестве электролитов могут использоваться апюмокапиевые 
квасцы, известь (или известковое молоко), серная кислота, соли фосфорной, серной и соляной кислот, сода, едкий натр, поваренная соль. 
Наибольшее применение в промышленности нашли известь, сульфаты алюминия и железа. Расход электролитов составляет от 0,2 кг/т 
твердого до нескольких килограммов на тонну. 

Синтетические водорастворимые полимеры представляют собой 
линейные структуры с множеством функциональных групп, расположенных вдоль цепочки полимера. По знаку заряда полярных групп 
полимеры можно классифицировать на полианионные, поликатионные и неионогенные. 

Полианионные флокулянты при диссоциации в воде образуют 
сложный органический полианион и простой катион (Na^ К \ 
И\ 
NH4O. К ним относится полиакриламид (ПАА) гидролизованный: 

...-СН2-СН-СН2-СН-... 

I 
I 

соо- 
соо
Поликатионные флокулянты при диссоциации в воде образуют 
сложный органический поликатион и простой анион (СГ, 
SOt, 
СН3СОО"). К ним относится поливинилпиридин (ВА-2): 

...-СН2-СН-СН2-СН-... 

СН2 
СН2 

I 
I 

Неионогенные флокулянты содержат в молекуле неионизирующиеся полярные группы. К ним относится поливиниловый спирт 
(-СН2 - СН - ОН -)„, негидролизованный (технический) НАА: 
12