Моделювання гідродинамічних процесів у вугільній пульпі та обґрунтування параметрів нерухомих циліндро-конічних грохотів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання гідродинамічних процесів у вугільній пульпі та обґрунтування параметрів нерухомих циліндро-конічних грохотів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Споживча цінність енергетичних та технологічних вуглів визначається показниками їх якості: зольністю, сірчистістю, гранулометричним складом, питомою теплотою згоряння, вологістю, які за теперішніх умов значно знизились.

Постійне підвищення вмісту дрібязку у рядовому вугіллі зумовило необхідність зниження граничної крупності розділення з 118-20 мм до 8-10 мм і навіть до 6 мм для забезпечення перерозподілу навантажень між відсаджувальними машинами дрібного та крупного зерна або важкосередовищними сепараторами. Зі зменшенням граничної крупності розділення ефективність підготовчого грохочення зменшується, вміст некондиційних зерен, у тому числі й класу 0-1 мм, у машинних класах підвищується.

У вітчизняній та закордонній практиці не існує обладнання для знешламлювання дрібного машинного класу, яке б забезпечувало потрібну ефективність підготовки в однопотоковому виконанні.

У звязку з цим особливо важливого значення набуває підготовка машинних класів до збагачення. Невідповідність задач підготовки машинних класів можливостям її забезпечення, яка зараз існує, робить проблему інтенсифікації процесу знешламлювання дрібного машинного класу вельми актуальною.

Для вирішення зазначених вище проблем у ряді провідних інститутів, таких як УкрНДІ вуглезбагачення, Діпромашзбагачення, Діпромашвуглезбагачення, Національна гірнича академія України, Донецький державний технічний університет, Інститут геотехнічної механіки НАН України, проводяться дослідження, які дозволяють інтенсифікувати процеси збагачення вугілля та удосконалювати технічні засоби для збагачення корисних копалин.

У працях М.Г. Бедраня, Б.А. Блюсса, Б.В. Кізевальтера, В.П. Надутого, П.І. Пілова, Ю.Л. Папушина, О.Д. Полуляха, В.М. Потураєва, О.М. Туркенича, В.П. Франчука, А.Г. Червоненко, В.М. Шохіна та інших зроблено істотний внесок в обгрунтування наукових основ створення методів і засобів збагачення корисних копалин, у тому числі й вугілля. Однак у цих працях недостатньо повно відбиті питання підготовки дрібного машинного класу до збагачення в однопотоковому виконанні.

Тому розробка способів і технічних засобів підвищення ефективності процесу знешламлювання дрібного машинного класу при збагаченні вугілля є актуальною науково-практичною задачею, що має важливе народногосподарське значення для вугледобувної галузі.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано у межах державної програми з розробки екологічно чистих та ресурсозберігаючих технологій та повязано з планами робіт Мінвуглепрому України у 1996-2000 р., які спрямовані на підвищення ефективності збагачення вугілля.

Основна ідея роботи полягає у використанні ефекту наддуву внутрішньої порожнини циліндро-конічного грохота при знешламлюванні пульпи в процесі збагачення вугілля.

Метою роботи є півищення ефективності збагачення вугілля шляхом використання аерогідродинамічного діяння на вугільну пульпу під час її руху вздовж перфорованої криволінійної поверхні.

Для її реалізації поставлено і розвязано такі задачі:

1. Дослідити вплив відцентрового ефекту та внутрішнього тиску наддуву на витікання рідини крізь ситову поверхню циліндро-конічного грохота.

2. Дослідити гідравлічні характеристики під час обертально-поступального руху потоку по робочій поверхні.

3. Розробити спосіб інтенсифікації процесу знешламлювання й оцінити його ефективність.

4. Розробити методику розрахунку параметрів циліндро-конічного грохота з наддувом внутрішньої порожнини.

Наукове значення роботи полягає в розробці моделей обертально-поступального руху шару вязкої рідини по внутрішній перфорованій поверхні тіла обертання, які дозволили оцінити вплив відцентрового ефекту, ефекту наддуву й проточності закрученого потоку на параметр розділення пульпи; в обгрунтуванні умов існування докритичного й надкритичного режимів, а також формування всередині апарата гідравлічних стрибків, які визначають граничні витрати пульпи у циліндро-конічному грохоті з наддувом внутрішньої порожнини.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

Вперше розроблено математичну модель обертально-поступального руху пульпи в циліндро-конічному грохоті з наддувом внутрішньої порожнини. Одержані співвідношення дозволяють оцінити умови утворення гідравлічного стрибка.

Встановлено існування докритичного й надкритичного режимів течії та одержано розрахункові залежності, що визначають витрату рідини крізь ситову поверхню грохота з урахуванням відцентрового ефекту, ефекту наддуву та проточності закрученого потоку вздовж ситової поверхні.

Запропоновано й науково обгрунтовано способи розділення вугільної пульпи на грохоті, основою яких є додаткове аерогідродинамічне діяння на вільну поверхню пульпи.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці способу інтенсифікації процесів знешламлювання дрібного машинного класу, який реалізовано в розробленому аерогідродинамічному знешламлювачі АГО - 1,5-2000.

Обґрунтовано параметри процесу знешламлювання дрібного машинного класу на циліндро-конічних грохотах з наддувом внутрішньої порожнини. Розроблено «Методику розрахунку циліндро-конічних грохотів з наддувом внутрішньої порожнини», яку передано в інститути УкрНДІвуглезбагачення та ІГТМ НАН України, де її використовують для досліджень, розрахунку, конструювання й модернізації збагачувальних апаратів у вугільній та гірничо-металургійній промисловості.

Реалізація результатів роботи. Спосіб аерогідродинамічного знешламлювання дрібного машинного класу реалізовано в умовах ЦЗФ «Жовтнева». Методику розрахунку циліндро-конічного грохота з наддувом внутрішньої порожнини передано для використання в інститутах УкрНДІвуглезбагачення та ІГТМ НАН України.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на наукових семінарах в УкрНДІвуглезбагачення, Національній гірничій академії України, Інституті геотехнічної механіки НАН України, на Міжнародній науково-практичній конференції «XXI століття - проблеми та перспективи освоєння корисних копалин», 1998 р., 12-14 жовтня, м. Дніпропетровськ.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано у 7 статтях у наукових фахових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновку і додатків, її викладено на 170 сторінках друкованого тексту, з яких 32 рисунки, 14 таблиць, список використаних джерел із 124 найменувань, 5 додатків на 39 сторінках.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації визначено мету, ідею роботи, поставлено задачі досліджень, сформульовано наукові положення, висновки, рекомендації, проаналізовано та узагальнено результати теоретичних та експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження проводились за безпосередньою участю автора. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Методи досліджень. При моделюванні аерогідродинамічних процесів використано комплексний підхід, який включає лабораторні, промислові та аналітичні дослідження. Під час лабораторних досліджень використовувались відомі методи й обладнання. Теоретичні дослідження виконувалися на основі класичної гідродинаміки. Розвязок запропонованої моделі одержано чисельним методом.

Предмет і обєкт досліджень: гідродинамічні процеси в шарі пульпи, параметри процесів розділення вугілля на циліндро-конічному грохоті з наддувом внутрішньої порожнини.

Автор висловлює подяку працівникам ДХК «Добропіллявугілля» за допомогу в проведенні експериментальних досліджень.

Основний зміст роботи

знешламлювання наддув конічний грохот

В умовах зниження якості вихідного вугілля, що підлягає збагаченню, особливого значення набувають показники процесу знешламлювання дрібного машинного класу, підвищення якості якого є актуальною науково-практичною задачею.

Одним з напрямків підвищення ефективності знешламлювання є вживання інтенсифікуючого діяння на матеріал безпосередньо на робочій поверхні.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Критична, початкова та гранична товщина потоку пульпи монотонно зростають у діапазонах зміни гідродинамічного параметру : 0<<1, >1, де є прямо пропорційним витратам гідросуміші й обернено пропорційним добутку радіуса крутки і циркуляції швидкості, а критичній товщині потоку відповідають мінімальні значення імпульсу і повних витрат на вільній поверхні.

2. Коефіцієнт тертя під час руху гідросуміщі по перфорованій поверхні монотонно зростає в діапазоні 0,25-0,65 при збільшенні відношення ширини отвору до ширини колосника; під час знешламлювання продуктів збагачення крупністю менше 3 мм найбільш ефективним є суцільний аерогідродинамічний потік, а для дрібного машинного класу 0-13 мм доцільно використовувати дискретні аерогідродинамічні струмені, які діють на вільну поверхню пульпи.

Наукові положення були сформульовані на підставі результатів проведених досліджень моделі розділення рідини на циліндро-конічному грохоті з наддувом внутрішньої порожнини, який запропоновано як додаткове інтенсифікуюче діяння. У теоретичній частині роботи розглянуто якісні та кількісні закономірності, що визначають вплив відцентрового ефекту та ефекту наддуву на процес розділення рідини на ситовій поверхні. Припускалося, що реалізуються такі режими заповнення, при яких рідина достатньо тонким шаром розподіляється по всій боковій поверхні циліндро-конічного грохота.

Для розробки математичної моделі руху шару рідини всередині циліндро-конічного грохота проведено аналіз впливу відцентрового ефекту та внутрішнього тиску наддуву на швидкість витікання рідини крізь ситову поверхню. Одержано формули, що визначають витрати рідини крізь ситову поверхню, які враховують відцентровий ефект, ефект наддуву, а також ефект проточності закрученого потоку вздовж ситової поверхні.

Аналіз руху в шарі рідини всередині циліндро-конічного грохота проведено за допомогою безрозмірних залежностей повного напору і загального імпульсу потоку :

, (1)

де h - товщина потоку; h_kp - критична товщина потоку; - густина; g - прискорення сили ваги.

Залежності безрозмірних величин критичної _kp, початкової ₀ та граничної товщини шару від параметру наведені на рисунку 1, де праві вітки відповідають докритичному режиму, а ліві - надкритичному. На графіках видно, що довільний перехід у потенціальному потоку з вітки при постійному напорі (повній енергії) є неможливим, оскільки в докритичному потоку величина більша, ніж у надкритичному. Так, наприклад, для переходу з докритичного стану 1 до надкритичного стану 2 при =const необхідно відібрати від потоку надлишкову кількість імпульсу ₁-₂ за допомогою якогось пристрою. Перехід із надкритичного стану 3 у докритичний стан 4 здійснюється за допомогою гідравлічного стрибка, який згідно з (1) характеризується зберіганням імпульсу, але, як видно з рис. 1, енергія потоку зменшується.

Для аналізу зазначених властивостей розглянуто потенціальний обертально-поступовий потік у циліндричній трубі радіуса R, який має внутрішню вільну циліндричну поверхню радіуса R₀=R-h (h - товщина шару).

Тиск P_вн всередині циліндричної порожнини не відіграє в цьому випадку ніякої ролі, тому прийнято P_вн=0.

Розташування труби прийнято вертикальним, тому при розгляді руху в площині поперечного перерізу сила ваги з розгляду випадає.

Для потенціальної течії у всьому потоку H=const і циркуляція Г=const. З умови радіальної рівноваги і виразу колової складової швидкості одержано, що

(2)

З інтегралу Бернуллі випливає, що V_z від r не залежить.

Для заданих витрат і циркуляції Г вираз напору має вигляд

, (3)

де =h/R.

Розгядаючи Н як функцію , одержали, що вона має мінімум при значенні _кр, що відповідає рівнянню

. (4)

Залежності критичної, початкової та граничної величин товщини шару від параметру для обертально-поступального потоку графічно зображені на рис. 2.

Залежність визначає критичну товщину шару для обертально-поступального потоку.

Таким чином, для обертально-поступального потоку із заданими витратами Q і циркуляцією при H>H_min існують два можливі режими течії, а при H<H_min течія взагалі неможлива. Течія, яка відповідає <_кр, є надкритичною, а при >_кр - докритичною.

Для обертально-поступального потоку величина повного осьового імпульсу буде дорівнювати

. (5)

Як і у випадку плоскої задачі, мінімум імпульсу (5) збігається з умовою (4) мінімуму Н.

Під час обертально-поступального руху ідеальної невагомої рідини мають місце три закони зберігання: зберігається спільний напір Н (іинтеграл Бернуллі), зберігається спільний імпульс K (5), а також зберігається момент кількості руху або, що все одно, зберігається циркуляція

, (6)

Під час руху вязкої рідини зазначені величини не зберігаються через наявність сил ваги і тертя.

Рівняння для визначення критичної товщини шару має вигляд

. (7)

Рівняння має особливу точку, коли товщина шару h стає критичною. У критичній точці dh/dz, і при підході до цієї точки з боку h<h_kp відбувається різке зростання товщини h (формування гідравлічного стрибка), а при підході з боку h>h_kp - різке зменшення товщини (запирання потоку, при якому досягаються максимально можливі витрати крізь апарат).

Дослідження гідравлічних характеристик під час обертально-поступального руху потоку по робочій поверхні циліндро-конічного грохота проведено на підставі розробленої математичної моделі. Математична модель обертально-поступального руху шару рідини крізь циліндро-конічний грохот з витіканням рідини крізь зовнішню ситову поверхню, яку розроблено на основі інтегральних законів зберігання маси, моменту кількості руху та енергії, становить систему звичайних диференційних рівнянь, що визначають зміну вздовж осі апарата товщини шару рідини, осьової та колової складових швидкості, надситового та підситового продуктів, а також поточного тиску наддуву всередені порожнини.

Одержана система рівнянь дозволяє визначити зміну за довжиною апарата товщини шару рідини h, осьової та колової складових швидкості, знайти надситні та підситні витрати; крім того, вона дозволяє за допомогою прямого розрахунку встановити режими, під час яких існує тенденція до виникнення гідравлічного стрибка або запирання потоку рідини, а також максимально можливу прохідність апарата заданої конструкції.

Для розвязання системи рівнянь необхідно в початковому перерізі апарата x=0 задати витрати Q₀, момент M₀ (або інші величини, через які виражаєтся M₀), а також фіксувати початкову товщину шару h₀.

Для інтенсифікації процесу відділення рідини крізь ситову поверхню запропоновано використовувати наддув внутрішньої порожнини грохота газом з метою підвищення в ній внутрішнього тиску P_вн. При цьому верхня частини установки повинна бути герметизованою.

Організація подачі повітря підвищенного тиску до внутрішньої порожнини конструктивно може бути оформлена багатьма способами, але для визначеності прийнята така схема подачі, яка здійснюється за допомогою дренованої труби, що розташована вздовж осі установки.

Припущено, що роздача здійснюється крізь ряд отворів, які достатньо густо розміщені по довжині труби, тому роздачу можна вважати неперервно розподіленою по довжині труби. Інші види роздачі, в тому числі і зосередженої, можна вважати окремими випадками схеми, що прийнята до розгляду. Прийнято, що діаметр подаючої труби d малий у порівнянні з діаметром внутрішньої порожнини D_вн, тому захаращенням поперечного перерізу за рахунок труби можна знехтувати.

Підвищений тиск усередині порожнини може підтримуватися тільки за рахунок утрат тиску під час руху газу по тракту за рахунок конфузорності вихідної ділянки.

Для розрахунку параметрів рідини необхідно використовувати метод послідовних наближень, узгоджуючи тиск P_вн з параметрами рідини, одержаними із системи рівнянь.

Для вибору способу інтенсифікації знешламлювання та оцінки його ефективності розроблено лабораторну установку, яка становить елемент робочої поверхні ситових знешламлюючих апаратів. Схема показана на рис. 3.

В лабораторних умовах експериментально підтверджено теоретичне припущення про те, що вживання інтенсифікуючого діяння на матеріал, що оброблюється, під час його руху по робочій поверхні підвищує ефективність знешламлювання дрібного машинного класу. Експериментально встановлено, що найбільш інтенсифікуюче діяння на матеріал, що обробляється, досягається при вживанні наддуву повітря у внутрішню порожнину апарата.

Установлено, що при знешламлюванні шламових продуктів крупністю менше 3 мм найбільш доцільним є вживання наддуву у вигляді суцільного аеродинамічного потоку, а при знешламлюванні дрібного машинного класу крупністю 0-13 мм доцільним є вживання дискретно розміщених аеродинамічних струменів.

На основі проведених досліджень визначено основні технологічні параметри знешламлювання дрібного машиного класу й розроблено конструкцію аерогідродинамічного знешламлювача АГО - 1,5-2000, яка в порівнянні з грохотом ГК1,5 має три додаткові інтенсифікуючіх фактори:

- підвищення коефіцієнта використання робочої поверхні конічного сита за рахунок вибору швидкості подачі пульпи, вищої за критичну;

- зростання швидкості витікання пульпи крізь отвори сита за рахунок діяння аеродинамічних струменів та наддуву повітря;

- зростання часу перебування надситного продукту, що оброблюється, на робочій поверхні за рахунок герметизації випускного отвору цього продукту за допомогою спеціального розвантажника.

Досліждення основних технологічних та конструктивних параметрів аерогідрознешламлювача були проведені в промислових умовах ЦЗФ «Жовтнева», під час яких установлені залежності впливу навантаження, витрат і тиску повітря, величини зазора між соплом та робочою поверхнею, місця встановлення й кількості ярусів аерогідродинамічних струменів на показники аерогідродинамічного знешламлювання (рис. 4, 5).

Визначено режимні параметри роботи удосконаленого за рекомендаціями автора аерогідродинамічногознешламлювача АГО - 1,5-2000, що забезпечують діставання класу 0-0,5 мм у підситний продукт на рівні не менше 60%.

Промислові дослідження аерогідродинамічного знешламлювача в умовах ЦЗФ «Жовтнева» показали, що діставання класу 0-1 та 0-0,5 мм на АГО - 1,5-2000 на 28,3 та 23,0% вищі, ніж у грохота ГК1,5 і становлять відповідно 61,7 і 68,7%.

Підвищення ефективності знешламлювання за допомогою аерогідродинамічного знешламлювача на ЦЗФ «Жовтнева» сприяло поліпшенню роботи відсаджувальної машини. Після приведення якості продуктів до умов роботи відсаджувальної машини зі знешламлюванням на АГО - 1,5-2000 розрахунковий вихід концентрату відсадження з порога машини зростає на 0,3% с 53,3 до 53,6% (у порівнянні з роботою відсаджувальної машини з грохотом ГК1,5).

Результати промислових досліджень аерогідродинамічного знешламлювача на ЦЗФ «Жовтнева» виявили доцільність його застосування на вуглезбагачувальних підприємствах з мокрим способом підготовки машинних класів на операції знешламлювання дрібного машинного класу.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволили розробити методику розрахунку параметрів циліндро-конічного грохота з наддувом внутрішньої порожнини.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечується статистично значимим обсягом лабораторних і промислових експериментів, проведенням теоретичних досліджень з використанням фундаментальних положень гідродинаміки, відповідністю моделі реальним умовам. Достовірність одержаних результатів підтверджується задовільною збіжністю теоретичних та експериментальних даних (розбіжність не перевищує 9%, показники знаходяться в межах довірчої вірогідності відхилення). Відтворюваність одержаних результатів забезпечується використанням стандартних приладів, типової апаратури й методів вимірювання.

Висновки

У дисертаційній роботі дано розвязання актуальної науково-практичної задачі, яка полягає в розробці способів і технічних засобів підвищення ефективності процесу знешламлювання дрібного машинного класу при збагаченні вугілля і має важливе народногосподарське значення.

У процесі виконання робіт отримані такі підсумкові наукові висновки та практичні результати:

1. Вперше встановлені закономірності впливу відцентрового ефекту та параметрів аерогідродинамічного діяння на критичну товщину шару й витрати пульпи крізь ситову поверхню.

2. Розроблено математичну модель обертально-поступального руху пульпи по циліндро-конічному грохоту з витіканням крізь зовнішню ситовую поверхню, яка становить систему диференційних рівнянь, що визначають зміни вздовж осі апарата товщини шару й швидкості пульпи, а також тиску повітряного струменя.

3. Одержано співвідношення, які дозволяють оцінити граничні значення витрат і тиску подачі пульпи для прогнозування та запобігання всередині апарата гідравлічних стрибків.

4. Експериментально встановлено, що найбільш інтенсифікуюче діяння на матеріал, що оброблюється, досягається при вживанні наддуву повітря у внутрішню порожнину грохота у вигляді суцільного аерогідродинамічного потоку при знешламлюванні продуктів крупністю менше 3 мм та у вигляді дискретно розміщених аерогідродинамічних струменів при крупності 0-13 мм.

5. Визначено основні технологічні параметри процесу знешламлювання дрібного машинного класу, які використано при розробці конструкції аерогідродинамічного знешламлювача АГО - 1,5-2000.

6. Визначено основні технологічні параметри знешламлювання дрібного машинного класу й розроблено конструкцію аерогідродинамічного знешламлювача АГО - 1,5-2000, яка дозволяє підвищити коефіцієнт використання робочої поверхні, швидкість витікання пульпи крізь отвори сита та час перебування надситного продукту, що оброблюється, на робочій поверхні.

7. Визначені режимні параметри роботи аерогідродинамічного знешламлювача АГО - 1,5-2000 забезпечують діставання класу 0-0,5 мм у підситний продукт на рівні не менше 60%. Промислові дослідження показали, що діставання класу 0-1 та 0-0,5 мм на АГО - 1,5-2000 на 28,3 та 23% вище, ніж у грохотах ГК - 1,5, і становлять відповідно 61,7 та 68,7%.

8. В результаті виконаних досліджень розроблено «Методику розрахунку циліндро-конічного грохота з наддувом внутрішньої порожнини», яка передана і використовується в інститутах УкрНДІвуглезбагачення та ІГТМ НАН України при проектуванні циліндро-конічних грохотів вуглезбагачувальних фабрик, а також при конструюванні, розрахунку й модернізації збагачувального обладнання на підприємствах вугільної та гірничо-металургійної промисловості.

Сукупність отриманих результатів є вирішенням актуальної науково-практичної задачі з розробки способів і технічних засобів підвищення ефективності процесів знешламлювання дрібного машинного класу при збагаченні вугілля шляхом моделювання гідродинамічних процесів у вугільній пульпі та обгрунтування параметрів нерухомих циліндро-конічних грохотів, що має важливе значення для вугледобувної галузі народного господарства.

Основні положення та результати дисертації опубліковані в роботах

Булава Ю.И. Моделирование течения гидросмеси на поверхности вращения в задачах обогащения угля // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины.-Днепропетровск. - 1998.-Вып.4.-С. 100-109.

Булава Ю.И., Смирнов В.В. Система технической диагностики и оптимального управления качеством монтажа привода технического оборудования // Уголь Украины. - 1998. - №11.-С. 14-16.

Полулях А.Д., Булава Ю.И., Колесник Д.И. Аэрогидродинамический обесшламливатель // Уголь Украины. - 1998. - №8-9.-С. 64-65.

Полулях А.Д., Булава Ю.И., Колесник Д.И. Разработка технологии аэрогидродинамического обесшламливания мелкого машинного класса для углеобогатительных фабрик // Збагачення корисних копалин. - 1998. - №2.-С. 19-24.

Курченко И.П., Полулях А.Д., Булава Ю.И. Технологические регламенты углеобогатительных предприятий // Збагачення корисних копалин. - 1998. - №2.-С. 16-18.

Булава Ю.И. Исследование основных гидравлических характеристик цилиндро-конического грохота с наддувом внутренней полости // Збагачення корисних копалин. - 1999. - №3.-С. 28-35.

Булава Ю.И. Исследование основных технологических и конструктивных параметров аэрогидрообесшламливателя АГО - 1,5-2000 // Геотехническая механика. Сб. науч. тр. ИГТМ НАН Украины.-Днепропетровск. - 1999.-Вып.12.-С. 11-17.

Размещено на Allbest.ru