gototopgototop

Обзор воздействий для управления реологическими свойствами суспензий в процессах переработки минерального и углеводородного сырья

Корчевенков Степан Алексеевич – кандидат технических наук, заведующий лабораторией кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Афанасова Анастасия Валерьевна – аспирант кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Управителева Анна Андреевна – студент кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Калмыкова Татьяна Дмитриевна – студент кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Аннотация: Данная научная работа посвящена обзору физико-химических воздействий для управления структурообразованием и реологическими свойствами суспензий в процессах переработки минерального и углеводородного сырья. На сновании проведенного литературного обзора было установлено, что наиболее эффективными способами изменения реологических свойств пульпы являются температурные, ультразвуковые, ультрафиолетовые, магнитные и механохимические воздействия.

Ключевые слова: Вязкость, реологические свойства, воздействия, пульпа.

Важность реологии в горнодобывающей промышленности обусловлена тем, что все перерабатываемые материалы представляют собой суспензии, то есть смеси твердых частиц и жидкостей, как правило, в воде. На обогатительных фабриках, вода смешивается с рудой до образования пульпы, которая является питанием мельницы. Слив мельницы снова смешивается с водой для того, чтобы отрегулировать содержание твердогодля эффективного классифицирования в гидроциклоне. При классификации в гидроциклоне, с увеличением вязкости среды общая производительность гидроциклона возрастает. Например, для гидроциклона диаметром 15 мм при одинаковом напоре повышение вязкости с 0,95 до 4,15 сП вызывает увеличение производительности в 1,18 раза [5]. Вязкость среды влияет также и на распределение объемов жидкости (или суспензии), уходящих через песковое или сливное отверстие.

Важную роль вязкостные свойства играют и в основных процессах обогащения полезных ископаемых. Например, одна из главных проблем в тяжелосредной сепарации — прогнозирование поведения рудной частицы в суспензии. Как правило, измеряют кажущуюся вязкость суспензии и рассчитывают конечную скорость рудной частицы из этого значения вязкости. Однако это может быть неправильным для неньютоновских жидкостей, для которых вязкость не является простой функцией[2].Установлено, что выше значений вязкости 3,2-3,4 Н/м2 находится область пластической вязкости, при которой разделение в суспензии частиц по плотности резко ухудшается. В работах [9-11] получено, что при увеличении вязкости пульпы, для углеводородов, имеющих различный состав, структуру и величину молекул, характерно усиление гидрофобизирующих свойств.

Все вышеперечисленное указывает на то, что управление реологическими свойствами в значительной мере позволяет интенсифицировать процессы сепарации и рудоподготовки.

Эйнштейном, а впоследствии Вандом были предложены формулы для расчета вязкости бесструктурных суспензий в зависимости от объемной концентрации утяжелителя в суспензии. Вязкость суспензий при низкой концентрации может быть смоделирована полиномиальным расширением уравнения Эйнштейна [7]:

Формула Эйнштейна справедлива для VT≤ 3 ÷ 5%:

μ = μ0 (1 - 1,5 VT)

где μ0 коэффициент вязкости воды ( μ0 = 0,001 Па·с), VT – объемная концентрация утяжелителя в суспензии.

Формула Ванда справедлива для VT≤ 40 (50)%:

μ = μ0 (1 - 2,5 VT + 7,349 VT2 + 16,2 VT3).

При более высоких концентрациях суспензии имеют Неньютоновское поведение. Несколько уравнений описывают это поведение; одним из наиболее часто используемых является уравнение Кригера Догерти (1972), в котором вязкость зависит от максимальной размера частиц:

где VTмакс – максимальная концентрация частиц в суспензии.

Недостатком данных формул является то, что вних учитывается только содержание твердых частиц в пульпе, а влияние других факторов компенсируется вводом коэффициентов.

В последние годы обширные исследования проводятся по использованию энергетических воздействий (рис.1) такихкак:температурные, ультразвуковые (рис.3),ультрафиолетовые (рис.2), механохимические, магнитные и др. [1].

Рисунок 1. Влияние факторов на изменение вязкости пульпы.

Рисунок 2. Лабораторная установка ультрафиолетового облученияв лаборатории кафедры обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Одним из наиболее часто используемых способов изменения вязкости является температурное воздействие. Экспериментально установлено, что с увеличением содержания твердого в питании гидроциклона и понижением температуры вязкость пульпы постепенно возрастет. В ходе проведения экспериментов установлено, что вязкость жидкости меняется в пределах от 0,70 мПа при температуре 55,1 градус до 1,92 мПа при температуре 17,3 мПа.

Одним из эффективных способов интенсификации технологических процессов в жидкой среде является ультразвуковое воздействие на нее. Положительное влияние ультразвукового воздействия на пульпу в основном сводится к двум процессам — очистке поверхности и разрушению сростков и частиц с дефектами на более мелкие. Оба эффекта способствуют повышению эффективности флотационного разделения различных минералов, что может также снизить расход реагентов. Также кавитация может оказывать и специфическое воздействие на минералы и реагенты, что иногда способно привести к синергетическим эффектам при прохождении химических реакций [6].

Рисунок 3. Лабораторная установка ультразвука ИНЛАБ И100-6/1-1 в лаборатории кафедры Обогащения полезных ископаемых Горного университета.

Исследования проводились на модельной смеси, состоящей из воды. Наложение ультразвукового воздействия осуществлялось на УЗ установке ИНЛАБ И100-6/1-1 в течении различных промежутков времени с последующей фиксацией коэффициента вязкости на вискозиметре SV 10 производства компании A&D (Япония). Результаты приведены на рисунках 3 -4.

На основании полученных результатов можно сделать выводы о наличии некой функциональной зависимости, связывающей как временные так реологические параметры. Максимально возможное воздействие УЗ при данных параметров наступает после 15 минут обработки. Дальнейшая обработка практически не меняет значение вязкости. Данные представленные на рис. 4 показывают, что с увеличением времени обработки УЗ разрушает внутренние связи в различной степени и после прекращения воздействия структура восстанавливается с различной скоростью[4,6,8].

Рисунок 4. Результаты обработки образцов.

Воздействие магнитными полями для повышения эффективности процесса флотации минералов пристально изучается многими специалистами в различных странах, в том числе и в России. Такой интерес обусловлен очевидными плюсами такого рода воздействия. Во-первых, это технологическая простота и безопасность данного метода, во-вторых, это экономичность его интегрирования в существующие технологии [8].Суть магнитной обработки заключается в пропускании воды или водных систем (пульпы, растворов реагентов) через наведенные магнитные поля, которые создаются электромагнитами, питаемые постоянным или переменным током. При этом напряженность магнитного поля колеблется от десятков до 2 - 3 тыс. Э. Обрабатываемый материал пропускают по трубе из диамагнитного материала (стекло, пластмасса, асбоцемент и др.), с установленной оптимальной скорость течения [12].

В результате выполненного исследования было изучено влияние различных факторов на изменение вязкости пульпы. В широких пределахизменение вязкости удалось достичь, направляя на объекты исследования температурное и ультразвуковое воздействия. Исследования в данной области продолжаются и, в перспективе, могут быть применены в одной из ключевых областей, обеспечивающих экономическую и сырьевую безопасность Российской Федерации, а именно при добыче и переработке сырья. Полученные новые знания могут стать предпосылкой к созданию технологий, являющиеся основой инновационного развития России и устойчивого положения на внешнем и внутреннем рынке, а также подтолкнут к переходу к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья.

Благодарности

Авторы выражают благодарность зав. каф. ОПИ Горного Университета, д.т.н., проф. Александровой Татьяне Николаевне, а также руководителю гранта доц. каф. ОПИ Горного Университета, к.т.н., Ромашеву Артёму Олеговичу.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации МК МК-5915.2018.5.

Список литературы

  1. Андреев Е. Е., Львов В. В., Ромашев А. О. Влияние реологии пульпы на показатели работы гидроциклонов в циклах мокрого замкнутого измельчения //Горный журнал. – 2011. – №. 2. – С. 42
  2. Берт Р. О. Технология гравитационного обогащения. – Рипол Классик, 1990.
  3. Вертухов М.В. Гравитационные методы обогащения: учеб для вузов – М.: МАКС Пресс, 2006. – 352с.
  4. Першина А. В., Ромашев А. О. Влияние физических свойств железорудной пульпы и геометрических параметров гидроциклона на показатели работы операции гидроциклонирования //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2015. – №. S12. – С. 3-9.
  5. Поваров А.И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. -М.: Недра, 1978. 267с.
  6. Хмелев В. Н., Цыганок С. Н., Хмелев С. С. Ультразвуковое оборудование для интенсификации технологических процессов в дисперсных системах с жидкой фазой //Н 766 Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. – 2014. – С. 400.
  7. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. Учебник для вузов. М., Недра, 1980. 400с.
  8. Черных С. И. К вопросу изучения влияния ультразвука, магнитных полей и электрического тока на флотацию золота / С. И. Черных, О. И. Рыбакова, Н. M. Лебедев, Т. И. Жирнова // Цветная металлургия № 6, 2003 г., с. 15
  9. Aleksandrova T. N., Romashev A. O., Aleksandrov A. V. About modeling of rheological properties of heavy oil suspensions //Oil Industry. – 2016. – Т. 5. – С. 68-70.
  10. Aleksandrova T., Aleksandrov A., Nikolaeva N. An Investigation of the Possibility of Extraction of Metals from Heavy Oil //Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. – 2017. – Т. 38. – №. 2. – С. 92-95.
  11. Aleksandrova T. N., Romashev A. O., Aleksandrov A. V. About modeling of rheological properties of heavy oil suspensions //Oil Industry. – 2016. – Т. 5. – С. 68-70.
  12. F. Concha, Solid – Liquid Separation in the Mining Industry, Fluid Mechanics and Its Application 105, DOI: 10.1007/978-3-319-02484-4_10, Springer International Publishing Switzerland 2014.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его изготовление и доставку, составляет 300 рублей для России и 600 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость печатного свидетельства о публикации составляет 100 рублей

Реквизиты для оплаты через банк