4. Гідравлічна класифікація

Мета розділу: вивчення закономірностей процесу, машин і апаратів гідравлічної класифікації.

4.1. Характеристика процесу

Гідравлічна класифікація – процес розділення суміші мінеральних зерен на класи крупності за швидкістю їхнього падіння у воді.

При гідравлічній класифікації розділення суміші на класи відбувається у відповідності з закономірностями рівнопадання. Цей процес можливий лише при розділенні сумішей, зерна яких досить однорідні за густиною і формою. У тому випадку, якщо компоненти суміші суттєво розрізняються за густиною і формою зерен, то при класифікації відбувається до деякої міри і гравітаційне збагачення.

Принцип процесу гідравлічної класифікації оснований на зміні траєкторії руху зерен матеріалу, який розділяють, під впливом гравітаційних сил, сил опору середовища руху зерен та інерційних сил. Залежно від напрямку цих сил гідравлічна класифікація може здійснюватися в горизонтальних, вертикальних і криволінійних потоках.

Гідравлічна класифікація є підготовчим, допоміжним і рідше збагачувальним процесом.

Як підготовчу операцію гідравлічну класифікацію застосовують на гравітаційних збагачувальних фабриках перед концентрацією корисних копалин на столах, відсаджувальних машинах, ґвинтових сепараторах і інших апаратах.

Як допоміжна операція гідравлічна класифікація застосовується для виділення недостатньо подрібненої частини матеріалу (пісків) на збагачувальних фабриках, що використовують процес подрібнення.

Значно рідше при переробці багатих руд (наприклад, залізних, марганцевих) класифікація має самостійне значення. Виділення з цих руд глинистих частинок дозволяє одержати товарні продукти.

Гідравлічна класифікація застосовується для розділення зерен за граничною крупністю більш 40 мкм, а знешламлювання – по зерну розміром – 10 – 70 мкм. Верхня межа крупності матеріалу, що направляється на класифікацію, складає для руд не більше 6 мм, для вугілля – 13 мм.

Коефіцієнтом шкали гідравлічної класифікації S називається відношення послідовних швидкостей висхідних струменів води в класифікаторі. Коефіцієнт шкали гідравлічної класифікації пропорційний коефіцієнту рівнопадання:

– для вільних умов:

, (4.1)

• для стиснених умов:

. (4.2)

4.2. Закономірності процесу класифікації

Теоретичні уявлення щодо процесу гідравлічної класифікації базуються на двох основних положеннях:

- швидкість обтікання зерна у вертикальному напрямку u в гідравлічному класифікаторі дорівнює швидкості його стисненого падіння V_ст при заданому значенні розпушення пульпи (u = V_ст) або при класифікації в розведених пульпах швидкості вільного падіння (u = V₀);

- швидкість руху зерна щодо нерухомих стінок класифікатора V_абс дорівнює різниці між швидкістю висхідного потоку u і швидкістю стисненого падіння V_ст зерна (V_абс = u – V_ст).

З цих положень випливає, що частинки з гідравлічною крупністю (кінцевою швидкістю) більшою швидкості висхідного потоку V_ст > u, повинні опуститися на дно і потрапити в пісковий продукт, а частинки з гідравлічною крупністю меншою швидкості висхідного потоку V_ст < u, повинні бути винесені в злив. Однак це справедливо лише для руху одиночних частинок у сталому вертикальному потоці. Класифікація ж є процесом масовим, тому на практиці такого чіткого розділення немає: піскові продукти засмічені дрібними зернами, а в зливах присутні крупні зерна. Причиною невідповідності теоретичних висновків і практики є надмірне спрощення явищ, що відбуваються при класифікації. На процес класифікації впливають різні випадкові фактори:

- постійне надходження потоку матеріалу в зону класифікації, а також стиснене розвантаження піскового продукту і пов'язані з цим зміни концентрації твердої фази, турбулентність потоку і тиск середовища;

- масовий характер руху частинок різної форми і маси, а також взаємодія частинок між собою і зі стінками апарата обумовлюють вирівнювання швидкостей руху частинок різної крупності, утворення агрегатів зерен що рухаються як єдине ціле, рух зерен у гідродинамічному сліді.

Таким чином, напрямок руху кожної конкретної частинки дуже не однозначно характеризується різницею між кінцевою швидкістю її осадження і швидкістю потоку.

Детальні дослідження процесу гідравлічної класифікації проводилися багатьма вченими: Ханкоком, П.В. Лященко, Б.В. Кізевальтером, М.Д. Барським, Л.Г. Подкосовим, В.А. Олевським та ін.

Л.Г. Подкосов розглядав гідравлічну класифікацію як масовий процес розділення завислого матеріалу залежно від крупності, густини і форми частинок, а також від режиму потоку. Кінетика розділення частинок у вертикальному потоці може бути описана такою залежністю:

, (4.3)

де x – повнота розділення суспензії, частки од.; t – тривалість розділення, с; f₁(d) – функція, що враховує вплив гранулометричного складу; f₂(Θ) – функція, що враховує вплив розпушення матеріалу.

З рівняння (4.3) випливає, що залежність повноти розділення суспензії від часу носить експонентний характер. Повне розділення (x = 1) досягається лише при t = ∞.

М.Д. Барський запропонував рівняння для розрахунку відносної швидкості руху частинок вузького класу крупності з урахуванням сил взаємодії між частинками і зі стінками апарата:

, (4.4)

де ε_d – вилучення у злив i-тої фракції із середньою крупністю d; B, k – постійні коефіцієнти; Fr – число Фруда:

, (4.5)

де V_i – швидкість витання частинки крупністю d.

При розрахунках за рівнянням (4.4) не враховуються вплив продуктивності по вихідному живленню і вміст твердого в пульпі, що є недоліком цього методу.

В апаратах з горизонтальним потоком, що працюють без подачі нижньої води, розділення матеріалу відбувається в неоднакових умовах. У верхніх шарах (поблизу дзеркала) пульпа більш розріджена, тут відбувається вільне або близьке до нього осадження частинок з максимальною швидкістю. В міру опускання частинок вміст твердого в пульпі збільшується і розділення відбувається в стиснених умовах, при цьому швидкість осадження зменшується до мінімального значення близького до нуля.

В.А. Олевським запропоновано розрахунок розділення частинок у механічному класифікаторі з горизонтальним транспортним потоком, оснований на такій схемі процесу: тверді частинки, надійшовши з живленням у механічний класифікатор, переміщаються потоком води від місця завантаження до зливного порога зі швидкістю V_x , рівною

м/с, (4.6)

де Q_c – об'ємна продуктивність класифікатора по зливу, м³/с; B – ширина класифікатора, м; h – перевищення рівня пульпи над рівнем зливного порога, м.

У той же час частинки опускаються вниз з різною швидкістю V_у, що залежить від їх крупності, густини і форми. Частинки, що встигли по вертикалі пройти шлях, рівний h, за період їхнього транспортування на довжину L від місця завантаження до зливного порога, опустяться на дно і будуть транспортуватися в піски, частинки меншої гідравлічної крупності будуть винесені в злив. Гідравлічна крупність (кінцева швидкість) граничного зерна визначається зі співвідношення:

м/с. (4.7)

Недоліком цього методу розрахунку є припущення про рух частинок з постійною швидкістю і відсутність урахування взаємного впливу частинок різної крупності на зміну швидкості їхнього падіння.

У класифікаторах з використанням відцентрових сил ефективність розділення визначається співвідношенням швидкостей руху частинок і рідини. Для розрахунку швидкості руху частинок спочатку визначають число Архімеда:

(4.8)

де r – радіус обертання частинки навколо осі апарату, м/с; ω – частота обертання рідини, с^-1.

З використанням обчисленого параметра Архімеда за формулами (2.40) і (2.22) визначають коефіцієнт гідродинамічного опору і швидкість руху частинки.