9. Протитечійна водна сепарація
Мета розділу: вивчення особливостей процесу протитечійної сепарації і машин для реалізації цього процесу.
9.1. Загальні дані про процеси
Протитечійна водна сепарація – гравітаційний процес, який застосовується для збагачення енергетичного вугілля, антрацитів, розубоженої гірничої маси відкритих розробок, крупнозернистих шламів і видалення породи з гірничої маси на шахтах і розрізах. Протитечійні гравітаційні апарати відрізняються характером розділення збагачуваного матеріалу, способами транспортування продуктів і принципами регулювання робочого режиму. При цьому, незважаючи на розходження в конструктивних особливостях сепараторів, в них реалізуються спільні принципи, що полягають в підвищенні ефективності розділення внаслідок рециркуляції частини збагачуваного матеріалу в межах робочої зони. Вихідний матеріал у всіх протитечійних апаратах розділяється на два продукти: концентрат і відходи. Сформовані в процесі сепарації зустрічні транспортні потоки продуктів розділення рухаються в межах робочої зони з заданими гідродинамічним опором їх відносному переміщенню при цьому потік легких фракцій є попутним потоку розділювального середовища, а важких – зустрічним. Робочі зони сепараторів являють собою закриті канали, які оснащені системою обтічних потоком однотипних елементів, що обумовлюють створення визначеним чином організованої системи вторинних течій і вихорів. В таких системах при визначених умовах вихідний матеріал розділяється за густиною, що значно перевищує густину розділювального середовища.
Протитечійна сепарація реалізується з використанням крутопохилих (КНС) і шнекових (СШ і СВШ) сепараторів.
Суттєвою відмітною властивістю протитечійних гравітаційних апаратів є наявність специфічної природної постелі, яка значно відрізняється від відомих аналогів гравітаційного збагачення. В робочій зоні апаратів цього типу накопичуються важкі зерна і зростки, і тут їх вміст виявляється значно більшим, чим в вихідному живленні. Природна постіль виконує роль важкої суспензії, на її підтримку витрачається додатковий ґрадієнт тиску, що рівнозначно підвищенню густини середовища до деякого ефективного значення. Завдяки наявності взаємопроникних зустрічних потоків легких і важких фракцій природна постіль добре розпушена, а її довжина в напрямку сегрегації збагачуваного матеріалу достатньо велика. Крім того, природна постіль є саморегульованою, в ній краще гасяться випадкові засмічення і вона менше чутлива до коливань навантаження і речовинного складу живлення.
Застійні зони зі зворотною циркуляцією і зворотні течії виникають в місцях зміни перетину проточної частини каналу. При цьому робота, що пов’язана з прирощенням кінетичної енергії в зоні звужування потоку в більшій мірі витрачається на створення вихорів. Утворення вихорів відбувається тим активніше, чим гірше обтікається перепона.
В потоках, що несуть тверді частинки, неоднорідності в геометрії обмежувальних поверхонь приводять до появи зон з рециркуляцією твердих частинок і створення дюн. Сприятливіші умови для розділення за густиною виникають, якщо в робочій зоні апарату енергія хаотичного руху несучого середовища значно перевищує енергію направленого руху. Таким чином, внаслідок неоднорідності геометрії апарату зворотні течії повинні індукуватись вже при максимальних витратах несучого середовища і ефект класифікації збагачуваних частинок за крупністю зменшиться, а за густиною – збільшиться.
При виборі раціонального робочого простору протитечійного гравітаційного сепаратора головними є умови подачі вихідного матеріалу і первинного збагачення в центральній частині апарату, умови протікання процесів перезбагачення в периферійних частинах робочої зони, можливість і межі регулювання процесу, надійність елементів конструкцій.
Ці умови враховані в конструкціях відцентрово-гравітаційних сепараторів СШ і СВШ, що функціонують при низьких значеннях фактора розділення, а також в сепараторах КНС, в яких найбільш повно реалізована ідея сортувального шару.
Шнекові сепаратори горизонтального і вертикального типів належать до класу збагачувальних апаратів, в яких підвищення густини розділення обумовлюється відставанням руху частинок збагачуваного матеріалу від руху розділювального середовища, а також дією додаткового ґрадієнту тиску, що виникає при розбіжності векторів швидкостей частинок і середовища. Відставання руху частинок є результатом дії сил інерції і особливого характеру розрозділення окружних швидкостей в межах робочої зони. В цьому випадку ефективна густина розділення буде:
, кг/м3, (9.1)
де – окружні швидкості розділювального середовища і твердої частинки, м/с;– густина середовища, кг/м3.
Між ефективною густиною розділення і швидкістю руху частинок матеріалу існує зворотно пропорційна залежність. При визначених умовах виникає додаткова об’ємна сила, що направлена до центру кривизни ґвинтового потоку; вона й визначає ефективність розділення.
В сепараторах КНС, на відміну від шнекових сепараторів, спостерігається керована взаємодія між транспортними потоками легкої і важкої фракцій по всієї довжині їх контактування в робочій зоні. В умовах рівноваги частинок в нахиленому каналі, в якому створюються турбулентні збурювання потоку (напр., пластинами з перегородками), опір турбулентного потоку для одних і тих же частинок буде тим більше, чим більше задана інтенсивність турбулентності. Ця залежність може бути описана рівнянням уявної додаткової густини середовища:
, кг/м3, (9.2)
де – густина середовища і уявна додаткова густина середовища, кг/м3; – додатковий перепад тиску на одиницю довжини каналу, Па/м;– коефіцієнт повноти турбулізації потоку;– число перегородок на одиницю довжини каналу, м-1; – швидкості потоку середовища: максимальна на рівні перегородок і середня, м/с;– прискорення вільного падіння, м/с2.
Це рівняння отримано з припущення, що турбулізація потоку введенням в нього регулярних перепон створює додатковий перепад тиску за рахунок переходу надлишкової кінетичної енергії на рівні перепон в енергію турбулентних вихорів.