Обґрунтування параметрів процесу гідротранспортування мінеральної сировини з використанням гідродинамічно активних речовин

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М.С. ПОЛЯКОВА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ГІДРОТРАНСПОРТУВАННЯ МІНЕРАЛЬНОЇ СИРОВИНИ З ВИКОРИСТАННЯМ ГІДРОДИНАМІЧНО АКТИВНИХ РЕЧОВИН

05.15.09 - «Геотехнічна і гірнича механіка»

НИКИФОРОВА Ніна Анатоліївна

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Блюсс Борис Олександрович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, завідуючий відділом геодинамічних систем і вібраційних технологій (м. Дніпропетровськ).

Офіціальні опоненти: член-кореспондент НАН України доктор технічних наук, професор Волошин Олексій Іванович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, завідуючий відділом вібропневмотранспортних систем і комплексів (м. Дніпропетровськ).

доктор технічних наук, професор Кириченко Євген Олексійович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри гірничої механіки (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться «17» жовтня 2008 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 462426.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий «15» вересня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук В.Г. Шевченко

АНОТАЦІЯ

Никифорова Н.А. Обґрунтування параметрів процесу гідротранспортування мінеральної сировини з використанням гідродинамічно активних речовин. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність: 05.15.09 - “Геотехнічна і гірнича механіка”. ? Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної Академії наук України, Дніпропетровськ, 2008 р.

Розроблено метод розрахунку критичної швидкості й гідравлічного ухилу при течії гідросуміші в присутності гідродинамічно активних речовин (ГДАР), які є флокулянтами для окремих компонентів матеріалу, що транспортується. Розроблено модель процесу формування флокул з полідисперсних частинок твердої фази і полімерних іонів гідродинамічно активних речовин під час напірної течії, яка враховує геометричні розміри частинок, їх масову долю в матеріалі й заряд поверхні, а також тип та молекулярну масу полімеру. Сформульовано умову зважування флокул потоком рідини в трубопроводі, яка враховує геометричні й густинні характеристики флокул, вплив частини ГДАР, що залишилася в розчині, та осереднені параметри турбулентних пульсацій швидкості. Встановлено залежність додаткового гідравлічного ухилу від коефіцієнта гідравлічного опору, що дозволило отримати залежність для розрахунку гідравлічного ухилу гідросуміші, в якій використовується емпірична константа, яка не залежить від гранулометричного складу матеріалу, що транспортується, Отримано залежність для розрахунку критичної швидкості гідротранспортування твердих матеріалів з крупністю, меншою за 2 мм, в присутності ГДАР. В результаті експериментальних досліджень обґрунтовано можливість використання ланцюгових поліелектролітів як флокулянтів або ГДАР залежно від природи глинястих мінералів, що транспортуються. Розроблено й упроваджено в промислове виробництво й практику наукових досліджень і проектно-конструкторських робіт методики розрахунку параметрів гідротранспорту твердих матеріалів з гідродинамічно активними домішками й параметрів флокул при взаємодії частинок твердої фракції пульпи з гідродинамічно активними домішками.

Ключові слова: гідротранспорт пульп, критична швидкість, гідравлічний ухил, коефіцієнт гідравлічного опору, гідродинамічно активна речовина, флокуляція.

гідротранспорт домішок швидкість гідродинамічний

АННОТАЦИЯ

Никифорова Н.А. Обоснование параметров процесса гидротранспортирования минерального сырья с использованием гидродинамически активных веществ. ? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность: 05.15.09 - «Геотехническая и горная механика». ? Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной Академии наук Украины, Днепропетровск, 2008 г.

Работа посвящена разработке методов расчета критической скорости и гидравлического уклона при течении гидросмеси в присутствии гидродинамически активных веществ (ГДАВ), являющихся флокулянтами для отдельных компонентов транспортируемого материала, что позволяет снизить энергоемкость и водопотребление процесса гидротранспортирования руд и россыпей. На основе теоретических исследований разработана модель процесса формирования флокул из полидисперсных частиц твердой фазы и полимерных ионов гидродинамически активных веществ при напорном течении, учитывающая геометрические размеры частиц, их массовую долю в материале и заряд поверхности, а также тип и молекулярную массу полимера. Разработанная модель позволяет определять геометрические размеры и форму образующихся флокул, а также изменение гранулометрического состава транспортируемого материала.

Теоретическим путем на основе анализа сил, действующих на флокулу в напорном потоке, обоснована причина выпадения флокул на дно трубопровода. Это позволило сформулировать условие взвешивания флокул потоком жидкости в трубопроводе, учитывающее геометрические и плотностные характеристики флокул, влияние оставшейся в растворе части ГДАВ и осредненные параметры турбулентных пульсаций скорости.

На основе анализа существующих методик расчета гидравлического уклона при течении пульпы с частицами крупностью от 0,2 до 2 мм, а также обработки результатов экспериментов впервые установлена зависимость дополнительного гидравлического уклона от коэффициента гидравлического сопротивления. Это позволило получить зависимость для расчета гидравлического уклона гидросмеси, в которой используется эмпирическая константа, не зависящая от гранулометрического состава транспортируемого материала, и повысить точность расчетов.

На основе принципа М.А. Великанова, определяющего возникновение критического режима течения, и предложенной методики расчета гидравлического уклона получена зависимость для расчета критической скорости гидротранспортирования твердых материалов с крупностью менее 2 мм в присутствии ГДАВ. Зависимости параметров гидротранспорта получены в явном виде, что дает возможность производить аналитические исследования режимов работы гидротранспортных систем и обосновывать скорости и концентрации пульпы.

В результате экспериментальных исследований установлено, что применение катионных полиэлектролитов в качестве ГДАВ при гидротранспорте пульпы, содержащей большое количество глинистых минералов, может быть эффективным только в том случае, если при набухании этих минералов в воде преобладает осмотическая стадия. Если же при набухании глины в воде преобладает адсорбционная стадия, то катионные полиэлектролиты лучше применять в качестве флокулянтов. Применение анионных полиэлектролитов при высоком содержании глинистых минералов в гидросмеси неэффективно ни для флокуляции, ни для снижения гидравлического сопротивления потока пульпы. Однако выдерживание глины в растворе анионного полиэлектролита может быть рекомендовано в тех случаях, когда необходимо увеличить ее прочность и пластичность.

Разработаны и внедрены в промышленное производство и практику научных исследований и проектно-конструкторских работ методики расчета параметров гидротранспорта твердых материалов с гидродинамически активными добавками и параметров флокул при взаимодействии частиц твердой фракции пульпы с гидродинамически активными добавками.

Ключевые слова: гидротранспорт пульп, критическая скорость, гидравлический уклон, коэффициент гидравлического сопротивления, гидродинамически активное вещество, флокуляция.

ABSTRACT

Nykyforova N.A. Substantiation of parameters of hydrotransportation process of minerals with using of drag reducing agents. - Manuscript.

The dissertation for a candidate of technical science degree by specialty 05.15.09 - “Geotechnical and mining mechanics”. - Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics of National Academy of Sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2008.

The method of calculation of critical velocity and hydraulic gradient when slurry flowing in the presence of drag reducing agents, which are flocculants for several components of transporting material. The model of process of flocculas formation out of polydisperse solid phase particles and drag reducing agent polymer ions during the enforced flow is elaborated, which takes into account particles geometrical size, their mass part in material and surface charge as well as polymer type and molecular mass. The criterion of floccula deliberation by liquid flow in the pipeline is formulated, which takes into account flocculas geometrical and density characteristics, influence of drag reducing agent part that is left in solution and averaged parameters of velocity turbulent pulsations. The dependence of complementary hydraulic gradient on drag coefficient is established that allowed receiving of dependence for calculation of slurry hydraulic gradient with empirical constant independent on transporting material particles size distribution. The dependence for calculation of critical velocity during hydrotransportation of solid materials with the size less than 2 mm in the presence of drag reducing agents is obtained. As a result of experimental investigations the ability of using of chain polyelectrolytes as flocculants or drag reducing agents depending on the nature of transporting clay minerals. The procedures of calculation of parameters of solid materials hydrotransport with drag reducing agents and flocculas parameters during interaction of particles of pulp solid fraction with drag reducing agents are offered.

Keywords: hydrotransport of slurries, critical velocity, hydraulic gradient, drag coefficient, drag reducing agent, flocculation.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Актуальність теми визначається необхідністю розв'язання проблем використання напірного трубопровідного гідротранспорту в технологіях видобутку й переробки мінеральної сировини. Цей вид транспорту має очевидні переваги перед іншими: простота експлуатації, компактність, технологічна сумісність з процесами гравітаційного збагачення й технологіями складування відходів переробки, можливість забезпечення безперервних високих значень вантажопотоків. Однак зі зміною економічних й екологічних умов проявилися недоліки гідротранспорту - високі енергоємність і водоспоживання, а також використання в технологіях переробки флокулянтів, які змінюють параметри несучого середовища й матеріалу, що транспортується, а це не враховують існуючі методики розрахунку параметрів гідротранспорту.

За цих умов застосування гідродинамічно активних речовин (ГДАР), які зменшують гідравлічний опір трубопроводів напірним потокам гідросуміші, є найбільш раціональним шляхом комплексного розв'язання існуючих проблем. У цьому зв'язку вкажемо на позитивний дослід застосування таких речовин для потоків однорідної рідини в технологіях пожежегасіння й у холодильних установках. ГДАР також використовуються в технологіях згущення пульп, що забезпечує технологічну спадкоємність процесів, які розглядаються. Застосування спеціально підібраних ГДАР, які є флокулянтами для окремих частинок, може стати також перед- або дозбагаченням матеріалу в процесі транспортування.

Однак у теперішній час адекватні моделі й методи розрахунку параметрів процесу флокуляції під час гідротранспорту розсипів, руд та концентратів відсутні. Тому встановлення закономірностей процесу гідротранспортування мінеральної сировини в присутності ГДАР з урахуванням їх флокулюючої дії на тверді частинки є актуальною науковою задачею, розв'язання якої має важливе значення для гірничої промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дослідження, результати яких наведено в дисертації, виконані у відповідності з «Концепцією розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року»; державними програмами, затвердженими постановами Кабінету Міністрів України, - № 1205 від 1.09.2001 р. «Українське вугілля» та № 1918 від 18.10.99 «Комплексною програмою розвитку кольорової металургії України на період до 2010 року»; в рамках державних бюджетних тем НАН України 1.3.5.75 «Розвиток наукових основ механіки гірничо-металургійних машин, процесів видобутку й переробки мінеральної сировини для енерго- й ресурсозберігаючих технологій» (№ ГР 0102U005237), а також ІІІ-32-07 «Науково-технічні основи розрахунків параметрів процесів і машин, які забезпечують надійність, екологічну безпеку та ресурсозбереження технологій видобутку, транспортування та переробки мінеральної сировини» (№ ГР 0107U001266), в яких автор є виконувачем.

Ідея роботи полягає в використанні встановлених залежностей гідравлічного ухилу й критичної швидкості від концентрації ГДАР й параметрів флокул, утворених з частинок матеріалу, який транспортується, для обґрунтування параметрів насосного устаткування й витратно-напірних характеристик трубопроводів, що дозволяє зменшити енергоємність і водоспоживання процесу гідротранспортування мінеральної сировини.

Мета роботи обґрунтування параметрів процесу гідротранспортування мінеральної сировини з використанням гідродинамічно активних речовин на основі встановлених залежностей гідравлічного ухилу й критичної швидкості для зменшення енергоємності й водоспоживання гідротранспортних комплексів.

Для досягнення мети поставлено й розв'язано такі наукові завдання:

1. На основі теоретичних досліджень розробити модель процесу формування флокул з твердих частинок матеріалу, що транспортується, і макромолекул ГДАР при напірній течії в трубопроводі, яка враховує геометричні розміри частинок, їх масову долю в матеріалі й заряд поверхні, а також тип та молекулярну масу полімеру.

2. Експериментальним шляхом дослідити процеси взаємодії кускових агломератів глин з водою та розчинами ГДАР різної концентрації.

3. Дослідити взаємодію флокул, утворених з полідисперсних твердих частинок, з напірним потоком рідини в горизонтальному трубопроводі й обґрунтувати умови зважування флокул потоком.

4. Розробити й упровадити методику розрахунку геометричних розмірів й форми флокул, що утворюються при взаємодії частинок твердої фракції пульпи з ГДАР.

5. Розробити й упровадити методику розрахунку гідравлічних ухилів та критичних швидкостей гідротранспортування мінеральної сировини з гідродинамічно активними домішками.

Об'єкт дослідження - процеси взаємодії твердих частинок з ГДАР у напірному потоці рідини й їх вплив на гідравлічні ухили та критичні швидкості.

Предмет дослідження - напірний потік гідросуміші, яка містить полідисперсний твердий матеріал і розчин ГДАР.

Методи досліджень. У роботі використано комплексний метод досліджень, який базується на аналізі й узагальненні даних експериментальних досліджень, методах чисельного та математичного моделювання, а також методах та алгоритмах обробки зображень, методах фізичної хімії. При цьому використано фундаментальні положення й методи гідромеханіки гетерогенних середовищ.

Наукові положення.

1. Флокули, утворені при адсорбції макромолекул ГДАР на твердих частинках, зважуються потоком, якщо гідравлічний ухил, обумовлений течією розчину ГДАР, перевищує критичне значення, прямо пропорційне густині й довжині флокул й обернено пропорційне діаметру трубопроводу.

2. При використанні розчинів ГДАР додатковий гідравлічний ухил, обумовлений наявністю частинок крупністю від 0.2 до 2 мм, збільшується обернено пропорційно кореню квадратному з коефіцієнта гідравлічного опору, а критична швидкість гідротранспортування збільшується прямо пропорційно діаметру трубопроводу й масовій долі ГДАР.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше розроблено модель процесу формування флокул з полідисперсної твердої фази, що взаємодіє з гідродинамічно активними речовинами під час напірної течії, яка враховує геометричні розміри частинок, їх масову долю в матеріалі й заряд поверхні, а також тип і молекулярну масу полімеру. Розроблена модель дозволяє визначати геометричні розміри й форму утворених флокул, а також зміну гранулометричного складу матеріалу, який транспортується, що забезпечує оцінку реально необхідного водоспоживання гідротранспортних комплексів.

2. Вперше теоретичним шляхом на основі аналізу сил, що діють на флокулу в напірному потоці гідросуміші, обґрунтовано причину випадіння флокул на дно трубопроводу й сформульовано умову зважування потоком рідини флокул, утворених з полідисперсної мінеральної сировини, яка враховує геометричні й густинні характеристики флокул, вплив частини ГДАР, що залишилася в розчині, та осереднені параметри турбулентних пульсацій швидкості. Це дозволяє оцінювати величини енергоємності й водоспоживання процесу гідротранспортування, які необхідні для переміщення флокул заданої густини й крупності.

3. Вперше обґрунтовано можливість використання ланцюгових поліелектролітів як флокулянтів або ГДАР залежно від природи глинястих мінералів, що транспортуються. Це дозволяє не тільки здійснювати вибір ГДАР, які забезпечують зменшення загального гідравлічного ухилу, але й управляти гранулометричним складом у трубопроводі матеріалу, що транспортується, що відкриває додаткові можливості для зменшення енергоємності й водоспоживання процесів гідротранспортування розсипів і руд.

Наукове значення роботи полягає в одержанні критерію, що визначає характер процесу формування флокул при взаємодії полідисперсної твердої фази з гідродинамічно активними речовинами під час напірної течії; в установленні закономірності впливу ГДАР на додатковий гідравлічний ухил та критичну швидкість за рахунок зміни коефіцієнта гідравлічного опору.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено й упроваджено «Методику розрахунку параметрів флокул, що утворюються при взаємодії частинок твердої фракції пульпи з гідродинамічно активними домішками», яка дозволяє розраховувати геометричні параметри флокул, масові долі флокул та сфлокульованих твердих частинок, а також залишкову концентрацію ГДАР, що забезпечує зниження коефіцієнта гідравлічного опору.

2. Розроблено й упроваджено «Методику розрахунку параметрів гідротранспорту твердих матеріалів з гідродинамічно активними домішками», яка вперше дозволяє розраховувати гідравлічний ухил та критичну швидкість під час гідротранспорту мінеральної сировини в присутності гідродинамічно активних речовин, а також оцінювати енергоємність та водоспоживання процесів гідротранспортування з урахуванням густини та гранулометричного складу твердої фази, концентрації та молекулярної маси ГДАР.

Реалізація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи впроваджено у ВАТ НДПІ «Механобрчормет» (Довідка від 13.12.2007 р.), ВАТ ППКІ «Металургавтоматика» (Акт від 4.10.2007 р.), ВАТ «УКРГІПРОРУДА», Інституті гідромеханіки НАН України (Довідка від 10.03.2008 р.), в Національній металургійній академії України (Довідка від 14.11.2007 р.) та в Донецькому Національному технічному університеті (Акт від 30.01.2008 р.). Розроблені методики використовувалися для розрахунків параметрів і режимів роботи системи гідротранспорту відходів ПівдГЗК при проектуванні другої карти сховища відходів «Об'єднане» в рамках ТЕО «Реконструкція хвостосховища «Об'єднане». Хвостосховище II карта для підтримання потужності комбінату», а також для оцінки можливих параметрів і режимів роботи гідротранспортних установок вузла попереднього збагачення Центрального гірничо-збагачувального комбінату (ЦГЗК) на стадії проведення проектних розробок.

Очікуваний річний економічний ефект при експлуатації ділянки попереднього збагачення ЦГЗК за рахунок відмови від насоса другого підйому та підвищення концентрації пульпи, що транспортується на збагачувальну фабрику, а також за рахунок можливості збільшення довжини трубопроводів між земснарядами і ділянкою попереднього збагачення складає 54.57 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано мету роботи й задачі дослідження, наукові положення, висновки та рекомендації з їх практичної реалізації, розроблено моделі й на їх основі алгоритми процесів утворення й руху флокул з частинок матеріалу, що транспортується, і ГДАР, запропоновано залежності для розрахунку критичної швидкості й гідравлічного ухилу, створено «Методику розрахунку параметрів флокул, що утворюються при взаємодії частинок твердої фракції пульпи з гідродинамічно активними домішками» та «Методику розрахунку параметрів гідротранспорту твердих матеріалів з гідродинамічно активними домішками». Автор брала безпосередню участь в експериментальних дослідженнях, а також в апробації й упровадженні результатів роботи. Текст дисертації написаний автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на ІІІ Міжнародній конференції “Стратегія якості в промисловості і освіті” (м. Варна, Болгарія, 2007 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2008” (м. Кривий Ріг, 2008 р.) і на Восьмій щорічній міжнародній конференції “Ефективність реалізації наукового, ресурсного та промислового потенціалу в сучасних умовах” (с. Славське, Карпати - Київ, 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, з них 9 - у спеціалізованих виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел з 172 найменувань, містить 306 сторінок машинописного тексту, в тому числі 218 рисунків, 97 таблиць, 133 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі на основі літературних даних здійснено аналіз проблем гідротранспорту твердих полідисперсних матеріалів з урахуванням застосування ГДАР у технологіях збагачення мінеральної сировини для різних цілей на різних стадіях технологічного процесу. При розгляді режимів роботи обладнання й технологій гідротранспортування сипких матеріалів, спираючись на праці спеціалістів Інституту гідромеханіки НАН України, таких як М.О. Силин, В.М. Карасик, І.А. Асауленко, Ю.К. Вітошкін, аналізуються шляхи підвищення ефективності роботи гідротранспортних систем і можливості використання ГДАР за допомогою існуючих технічних засобів. Розглянуто також моделі гідродинамічних процесів течії пульп і методики розрахунків гідравлічних ухилів і критичних швидкостей при гідротранспорті твердих матеріалів, запропоновані відомими вченими - С.І. Крілем, В.І. Войтенком, А.Є. Смолдирьовим, Г.П. Дмитрієвим, С.Г. Коберником, Т.Ш. Гочиташвіли й М.І. Николаєвим, а також спеціалістами провідних інститутів у галузі гідротранспорту - ІГТМ НАН України: О.І. Волошин, Б.О. Блюсс; НГУ: В.І. Самуся, Є.О. Кириченко, В.Б. Виноградов; ЛГІ ім. Г.В. Плеханова: В.М. Покровська, В.І. Александров, В.П. Докукін; ДНТУ: В.Б. Малєєв, А.П. Кононенко. В результаті аналізу методик розрахунку параметрів гідротранспортування виявлено ті параметри, на які можуть впливати домішки ГДАР до несучого середовища.

ГДАР у водних розчинах є головним чином розчинні у воді полімери, які складаються з лінійних молекул, здатних витягуватися в довгі ниті, з яких найбільш вивченим є поліакриламід [-CH₂-CH(CONH₂)-]_n. Докладно розглядається вплив на величину зменшення гідравлічного опору різних факторів, найбільш значущими з яких є молекулярна маса полімеру, його концентрація в розчині та число Рейнольдса. Введення ГДАР у потоки суспензій також викликає зменшення коефіцієнта гідравлічного опору, однак, меншою мірою, ніж за відсутності в потоці частинок твердої фази. Слід відзначити, що дослідження течії розведених розчинів полімерів є численними й містять фундаментальні результати, які відображено в працях таких учених, як І.Л. Повх, В.Г. Погребняк, О.Б. Ступін, О.П. Симоненко, П.В. Асланов, Ю.А. Войтинська, Ю.Ф. Іванюта, В.В. Чернюк, В.М. Жук, тоді як досліджень течій гідросумішей, що містять тверду фазу, небагато, й у них не враховується той факт, що полімери, які застосовуються як ГДАР, водночас є флокулянтами для частинок окремих компонентів матеріалу, що транспортується.

Однак в результаті процесу флокуляції відбувається укрупнення частинок, тобто, змінюється гранулометричний склад матеріалу, що транспортується. При цьому концентрація ГДАР у пульпі зменшується, оскільки полімер стає невід'ємною частиною флокул. Оскільки флокули мають несиметричну форму, то у зсувному потоці змінюються умови їх обтікання і взаємодії зі стінкою труби. Відзначимо, що вплив ГДАР на останні три фактори раніше не розглядався.

У другому розділі наведено результати теоретичних досліджень взаємодії частинок твердої фази, які мають заряджену поверхню, з ГДАР, які є поліелектролітами, при гідротранспортуванні пульпи. Можливість флокуляції частинок твердої фази при гідротранспорті в присутності ГДАР в цій роботі розглядається вперше. При моделюванні процесу флокуляції було прийнято, що адсорбція полімерних іонів на твердих частинках відбувається тільки за рахунок сил електростатичного притягнення, а інші види зв'язків (водневий зв'язок, зв'язок за рахунок сил Ван-дер-Ваальса) під час гідродинамічної дії не утворюються.

При утворенні флокул з полідисперсного матеріалу пропонується багатоетапний опис процесу формування флокул. При цьому враховувалося, що у багатьох полімерів не всі елементарні ланки мають заряд, і припускалося, що в загальному випадку в адсорбції бере участь кожен -й заряджений центр з тих, що є в наявності. Також вважалося, що найбільш крупні частинки взаємодіють з полімерними іонами першими, а потім з рештою заряджених центрів взаємодіють більш дрібні частинки, укорінюючись у проміжки між більш крупними. Цей процес повторюється, доки на полімерному іоні залишаються вільні заряджені центри, в матеріалі, що транспортується, існують частинки, які здатні взаємодіяти з цими центрами, і довжина іона, на якій розглядається взаємодія, більша за довжину елементарної ланки. Виходячи зі ступеня полімеризації n полімеру, що застосовується в конкретних умовах, і діаметра d частинок, здатних адсорбувати цей полімер, розраховується форм-параметр

,

де - довжина елементарної ланки полімеру; d - діаметр твердої частинки; n - ступінь полімеризації ГДАР.

У зсувному потоці ланцюгові полімерні іони витягуються в лінію, і їхні розміри визначаються геометричними розмірами елементарної ланки полімеру, тобто довжинами хімічних зв'язків між атомами, і ступенем полімеризації n. Для поліакриламіду, на прикладі якого розглядався процес флокуляції, діапазони зміни ступеня полімеризації й ступеня гідролізу відомі. Це дозволило визначити числові коефіцієнти в розрахункових формулах для параметрів, які характеризують флокули, що формуються, і визначити можливі діапазони зміни (табл. 1).

Характер формування флокул на кожному етапі визначається величиною для цього етапу. Якщо <0.155, то з таких частинок можуть бути утворені флокули тільки двох видів: з однієї частинки даного діаметра з розташованими на полімерному іоні частинками меншої крупності; з двох однакових частинок даного діаметра з розташованими на перемичці частинками крупністю, меншою за довжину полімерного іона. Якщо 0.155<<0.262, то флокули будуть утворені з трьох однакових частинок, між якими будуть знаходитися частинки меншого діаметра. Якщо 0.262<<1, то флокули можуть бути утворені з трьох частинок даного діаметра з розташованими на молекулі ГДАР частинками меншої крупності. Якщо >1, то для вибору форми флокул відстань між точками адсорбції порівнюється з діаметром частинки

,

де - ступінь гідролізу або дисоціації полімеру.

Якщо >1, то будуть формуватися флокули, у яких всі заряджені центри беруть участь в адсорбції, якщо 0.262<1 - то флокули, у яких не всі заряджені центри беруть участь в адсорбції. Якщо <0.262, то це варіант флокул з невикористаними зарядженими центрами, і в цьому випадку збільшується в разів, і здійснюється порівняння з характерними значеннями (див. табл. 1)

.

Якщо >1, то будуть формуватися флокули, у яких всі заряджені центри беруть участь в адсорбції, а якщо 0.262<1, - то флокули, у яких не всі заряджені центри беруть участь в адсорбції. До невикористаних центрів можуть приєднуватися частинки менших діаметрів.

Таблиця 1 - Параметри флокул для різних значень величини

Значення	Довжина , м	Діаметр , м	Кількість частинок	Кількість заряджених центрів
				вихідних	тих, що залишилися
<0.077
0.077<<0.155
0.155<<0.262
0.262<<1
>1 и >1
>1 и =1
>1 и 0.262<<1
<0.262 и 1<
<0.262 и =1
<0.262 и 0.262<<1

Для довільного кількість використаних у флокулі частинок, вільних частин полімерного іона, заряджених центрів, що залишилися на кожній частині, і кількість вихідних заряджених центрів при даному значенні визначаються згідно з залежностями

; ; ; ; .

Якщо 0.155<<0.262 на кількох етапах поспіль, то на кожному з етапів можуть бути використані такі залежності для розрахунку кількості заряджених центрів, що залишилися, кількості частинок у флокулі й кількості частинок, які взаємодіють з молекулою полімеру,

; ; .

Значення збільшується від 2, доки не стане більшим за 0.262, однак величина не повинна перевищувати граничної величини, котра на початковому та наступних етапах формування флокул визначається за формулами

, .

Якщо при даному значенні величина <0.262, то такі частинки не можуть взаємодіяти з зарядженими центрами полімеру, що залишилися. У другому розділі розглянуто процес формування флокул для всіх можливих діапазонів зміни (див. табл. 1). Після того, як визначено вид і параметри флокул, що утворюються, розраховуються зміна концентрації й гранулометричного складу твердої фази пульпи, а також залишкової концентрації полімеру. В дисертації наводяться формули для розрахунку цих параметрів для монодисперсного й полідисперсного матеріалів.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесу взаємодії агломератів глин з водою й водними розчинами катіонного й аніонного поліакриламіду різної концентрації в статичних і динамічних умовах.

При проведенні досліджень у статичних умовах зразки глини попередньо вимірювали й поміщували в посудину з водопровідною водою або розчином поліакриламіду, й усі зміни фіксували за допомогою цифрового фотоапарата. Далі вміст посудини перемішували й спостерігали процес седиментації суспензії. Динамічні умови створювали за допомогою мішалки з електроприводом. Зразками глин були агломерати зеленувато-сірої глини кар'єрів Вільногірського гірничо-металургійного комбінату (ВГМК) (глина 1) та агломерати глин, які утворилися під час проходження гідросуміші по трубопроводу гідротранспортного комплексу ВГМК від кар'єра до збагачувальної фабрики (глина 2).

Установлено, що під час взаємодії з водопровідною водою гідродинамічна дія збільшує як швидкість дезинтеграції агломератів глин, так і швидкість седиментації суспензії після зруйнування агломератів. Поведінка обох видів глин в розчинах катіонного (ПАА К) й аніонного (ПАА А) поліакриламіду істотно відрізнялась. Спостерігалися також відмінності в поведінці зразків глини 1 і глини 2 в розчинах ПАА К. Поведінка глини 1 і глини 2 при контакті з водою дозволила зробити висновок про те, що в першому випадку переважає адсорбційна стадія процесу набухання, а в другому - осмотична стадія. Поведінка агломератів цих глин в розчинах ПАА К різної концентрації підтвердила цей висновок. В процесі адсорбційного набухання молекули води, адсорбуючись на поверхні глинястого мінералу, здійснюють розклинювальну дію на його кристалічні грати. В результаті агломерат руйнується головним чином з поверхні. Це приводить до утворення великої кількості тонких частинок, швидкість осідання яких дуже мала. При осмотичному набуханні відбувається одностороння дифузія малих за розміром молекул води в проміжки між шарами кристалічних грат мінералу. Осмос відбувається під дією градієнта концентрації іонів у рідкій фазі й у міжшарових проміжках глинястого мінералу. В результаті осмотичного набухання збільшується внутрішньокристалічний тиск, який руйнує агломерат. При цьому утворюються більш крупні частинки, швидкість осідання яких вища, ніж у першому випадку.

Залежність швидкості дезинтеграції агломератів глини 1 від концентрації ПАА К у розчині має максимум, який відповідає концентрації, що забезпечує найбільшу швидкість процесу дезинтеграції. При масовій долі ПАА К 0,01 і 0,02 % процес дезинтеграції прискорювався, оскільки мала кількість полімерних іонів не перешкоджає доступу к поверхні агломератів молекул води й їхній розклинювальній дії на кристалічні грати глини. Істотне сповільнення процесу дезинтеграції агломератів у 0,05 % -ому розчині ПАА К можна пояснити заповненням поверхні агломератів адсорбованими полімерними іонами й обмеженням внаслідок цього доступу молекул води к поверхні агломератів.

При переважанні адсорбційної стадії процесу набухання просвітлення розчину після перемішування осаду, що утворився в результаті дезинтеграції агломератів в розчині ПАА К, відбувалося практично миттєво, що свідчить про практично повну флокуляцію частинок глини. При цьому під час гідродинамічної дії зважування флокул було утрудненим. При переважанні осмотичної стадії процесу набухання поява поблизу поверхні агломерату глини полімерних іонів і супутніх їм протиіонів зменшує градієнт концентрації молекул води, що утруднює дифузію молекул води в міжшарові проміжки й зменшує осмотичний тиск. В результаті руйнування агломератів відбувалося з тим меншою швидкістю, чим більшою була концентрація ПАА К. При цьому флокуляція частинок хоча й відбувалася, але значно меншою мірою, ніж у першому випадку, що забезпечувало здатність частинок осаду зважуватися.

У статичних умовах під час взаємодії зразків глини 1 і глини 2 з 0,01 %-им і 0.05 %-им розчинами ПАА А руйнування практично не відбувалося. При гідродинамічній дії відбувалася часткова дезинтеграція агломератів, причому в 0.05 %-ому розчині ПАА А частинки, що відкололися, не зважувалися навіть при роботі мішалки. Поведінку глини 1 і глини 2 в розчинах ПАА А в статичних і динамічних умовах можна пояснити таким чином. Полімерні аніони відштовхуються від негативно зарядженої поверхні глини й не можуть на ній адсорбуватися. Однак водночас з полімерними аніонами в розчині обов'язково знаходяться їхні протиіони ? позитивно заряджені прості іони, які концентруватимуться поблизу поверхні глини й використовуватимуть частину молекул води для утворення власних гідратних оболонок. Це зменшує розклинювальний вплив молекул води на кристалічні грати. Під час гідродинамічної дії розрив хімічних зв'язків й утворення дрібних і тонких частинок стають можливими тільки за рахунок механічних напружень. Підвищення концентрації іонів поблизу поверхні глини знижує також градієнт концентрації молекул води між розчином і внутрішнім простором кристалу глини, що утруднює дифузію молекул води в міжшарові й міжпакетні проміжки глини й зменшує внутрішньокристалічний осмотичний тиск. У результаті руйнування зразка утруднюється навіть у динамічних умовах. Підвищену міцність агломератів як глини 1, так і глини 2 в 0.05 %-ому розчині ПАА А можна пояснити зміною напрямку осмосу. Концентрація іонів у розчині поблизу поверхні агломерату стає високою, що приводить до дифузії молекул води з внутрішньокристалічного простору глини в розчин, що, в свою чергу, приводить до збільшення густини агломерату й міцності хімічних зв'язків.

Таким чином, застосування катіонних поліелектролітів як ГДАР при гідротранспорті пульпи, яка містить велику кількість глинястих мінералів, може бути ефективним лише в тому випадку, якщо при набуханні цих мінералів у воді переважає осмотична стадія. Якщо ж при набуханні глини в воді переважає адсорбційна стадія, то катіонні поліелектроліти краще застосовувати як флокулянти. Застосування аніонних поліелектролітів при високому вмісті глинястих мінералів у гідросуміші неефективно ні для флокуляції, ані для зниження гідравлічного опору потоку пульпи. Однак витримування глини в розчині аніонного поліелектроліту може бути рекомендовано в тих випадках, коли необхідно збільшити її міцність і пластичність.

У четвертому розділі пропонуються методи розрахунку критичної швидкості й гідравлічного ухилу при течії гідросуміші в присутності ГДАР, які є флокулянтами для окремих компонентів матеріалу, що транспортується. В їх основу покладено методику А.Є. Смолдирьова для полідисперсних частинок крупністю до 2 мм, в яку внесено зміни, що дозволяють ураховувати вплив ГДАР на коефіцієнт гідравлічного опору, додатковий гідравлічний ухил і критичну швидкість гідротранспортування.

Для врахування додаткового гідравлічного ухилу, викликаного обтіканням флокул, запропоновано виділити флокули в окремий клас частинок, вплив яких описується новим доданком. Цей доданок ураховує особливості формування флокул й їх обтікання несучою рідиною. Флокули є витягнутими пластівцями, геометрична й гідравлічна крупність котрих залежить від діаметра частинок і кількості заряджених центрів у полімерному іоні. Частинки, що утворюють флокулу, в зсувному потоці втрачають здатність до обертального руху. З урахуванням цього, а також існуючого обґрунтування ефекту Томса припускалося, що під час руху флокули на неї діють лише сили Бассе, Архімеда, сили інерційної природи, пов'язані з наявністю приєднаних мас, а також сила аеродинамічного опору, сила ваги й підйомна сила, яка виникає за рахунок обтікання флокули потоком рідини.

Для вертикальної швидкості флокули отримано вираз, який містить два доданки, перший з яких описує коливання за періодичним законом біля стаціонарного значення, а другий не змінюється з часом. З цього випливає, що потоком пульпи зважуватимуться флокули, для яких середня за період турбулентної пульсації величина другого доданка більша за нуль, а флокули, для яких ця величина менша за нуль, не зважуватимуться й осядуть на дно трубопроводу. В результаті досліджень отримано умову зважування флокул

,

де - гідравлічний ухил, обумовлений течією розчину ГДАР; - параметр Архімеда флокул; - подовження флокули; - прискорення вільного падіння, м/с²; - довжина флокули, м; - діаметр трубопроводу, м; - коефіцієнт, який ураховує наявність турбулентних пульсацій; - величина кута атаки, рад.; - кінематичний коефіцієнт в'язкості, м²/с.

Формула А.Є. Смолдирьова для розрахунку додаткового гідравлічного ухилу, обумовленого присутністю частинок дрібних класів крупності, може бути записана в вигляді

; ; ;

де с - емпіричний коефіцієнт; - параметр, який залежить від густини й концентрації матеріалу, що транспортується; - швидкість стиснутого падіння частинок, м/с; - середньозважений діаметр частинок дрібної фракції, м.

При цьому згідно з даними А.Є. Смолдирьова значення с змінюється в широкому діапазоні й залежить від швидкості потоку, діаметра трубопроводу, густини й крупності частинок, що транспортуються. З урахуванням комплексу величин, від яких залежить с, а також значної ролі, яку відіграє в процесі зважування твердих частинок величина турбулентної пульсації, яка пропорційна динамічній швидкості, було висунуто припущення, що величина с залежить від коефіцієнта гідравлічного опору. У цьому зв'язку запропоновано таку залежність:

,

де с - новий емпіричний коефіцієнт; коефіцієнт гідравлічного опору.

Аналіз експериментальних даних А.Є. Смолдирьова дозволив розрахувати значення с, і с. Залежності цих коефіцієнтів від швидкості потоку показано. З видно, що коефіцієнт с залежить як від гранулометричного складу матеріалу, так і від швидкості потоку, тоді як коефіцієнт с від цих факторів практично не залежить, що дозволяє зробити висновок про інваріантний відносно швидкості й гранулометричного складу вид одержаної залежності і, як наслідок цього, про її універсальність.

Виявлена залежність дозволила запропонувати таку формулу для розрахунку гідравлічного ухилу з урахуванням процесу флокуляції:

,

, ,

де - гідравлічний ухил при течії пульпи, м вод. ст./м; S₁, S₂ - об'ємні концентрації відповідно частинок крупністю менш за 0.2 мм і частинок крупністю від 0.2 до 2 мм; - параметр Архімеда; и - масова доля ГДАР у пульпі; - емпіричний коефіцієнт.

Для коефіцієнта гідравлічного опору при течії розчинів ГДАР були зроблені розрахунки за відомими рекурентними формулами. Обробка результатів цих розрахунків з урахуванням того, що труби при гідротранспорті є гідравлічно гладкими, дозволила запропонувати для визначення величини таку залежність:

; , ,

де - число Рейнольдса.

Формула для розрахунку критичної швидкості в присутності ГДАР, яку одержано на основі принципу М.А. Великанова й відомих методів розрахунку критичного гідравлічного ухилу, а також отриманих залежностей для гідравлічного ухилу й коефіцієнта гідравлічного опору, має вигляд

, ,

де - константа М.А. Великанова.

Таким чином, з використанням отриманих залежностей у широкому діапазоні густини пульпи визначаються гідравлічний ухил і критична швидкість при транспортуванні частинок крупністю від 0,2 до 2 мм в присутності ГДАР, що дозволяє оцінювати витратно-напірну характеристику магістралі й вибирати необхідний напір насосів. Оскільки залежності параметрів гідротранспорту отримано в явному вигляді, то це дає можливість виконувати аналітичні дослідження режимів роботи гідротранспортних систем й обґрунтовувати швидкості й концентрації пульпи.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій визначаються коректністю постановок задач, що розв'язувались; відповідністю розроблених моделей, що дозволяють розраховувати ефект зниження гідравлічного опору з відносною похибкою, що не перевищує 16%, та гідравлічного ухилу з відносною похибкою, що не перевищує 10%, результатам експериментальних досліджень процесів гідротранспорту мінеральної сировини з ГДАР та процесу флокуляції рудних пульп; використанням апробованих методів гідравліки гідросумішей та відомих експериментально-аналітичних залежностей коефіцієнта гідравлічного опору, а також підтверджуються позитивними результатами промислових іспитів.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій розв'язано актуальну наукову задачу встановлення нелінійних аналітичних залежностей гідравлічного ухилу й критичної швидкості гідротранспортування мінеральної сировини з гідродинамічно активними речовинами (ГДАР), що флокулюють частинки деяких компонентів сировини, від концентрації ГДАР, ступеня полімеризації, а також геометричних розмірів і концентрації флокул, що дозволяє знизити енергоємність і водоспоживання процесу гідротранспортування й має важливе народногосподарське значення.

Основні наукові й практичні результати дисертаційної роботи:

1. Аналіз існуючих методик розрахунку гідравлічного ухилу й критичної швидкості гідротранспортування розсипів і руд показав, що жодна з них не враховує присутності ГДАР, хоча необхідність у таких методиках диктується використанням ГДАР у технологіях переробки мінеральної сировини, а також можливістю зниження за допомогою ГДАР гідравлічного опору при течії гідросуміші.

2. Вперше розроблено модель процесу формування флокул з полідисперсних частинок твердої фази і полімерних іонів гідродинамічно активних речовин під час напірної течії, яка враховує геометричні розміри частинок, їх масову долю в матеріалі й заряд поверхні, а також тип та молекулярну масу полімеру. Розроблена модель дозволяє визначати геометричні розміри й форму флокул, що утворюються, а також зміну гранулометричного складу й концентрації матеріалу, що транспортується.

3. Вперше теоретичним шляхом на основі аналізу сил, що діють на флокули в напірному потоці гідросуміші, обґрунтовано причини їх випадіння на дно трубопроводу. Це дозволило сформулювати умову зважування флокул потоком рідини в трубопроводі, яка враховує геометричні й густинні характеристики флокул, вплив частини ГДАР, що залишилася в розчині, та осереднені параметри турбулентних пульсацій швидкості.

4. В результаті експериментальних досліджень установлено, що застосування катіонних поліелектролітів як ГДАР при гідротранспорті пульпи, яка містить велику кількість глинястих мінералів, може бути ефективним лише в тому випадку, якщо при набуханні цих мінералів у воді переважає осмотична стадія. Якщо при набуханні глини в воді переважає адсорбційна стадія, то катіонні поліелектроліти краще застосовувати як флокулянти.

5. В результаті експериментальних досліджень установлено, що застосування аніонних поліелектролітів при високому вмісті глинястих мінералів у гідросуміші неефективно ні для флокуляції, ані для зниження гідравлічного опору потоку пульпи. Однак витримування глини в розчині аніонного поліелектроліту може бути рекомендовано в тих випадках, коли необхідно збільшити її міцність і пластичність.

6. На основі аналізу існуючих методик розрахунку гідравлічного ухилу при течії пульпи з частинками крупністю від 0,2 до 2 мм, а також обробки результатів експериментів вперше встановлено залежність додаткового гідравлічного ухилу від коефіцієнта гідравлічного опору. Це дозволило отримати залежність для розрахунку гідравлічного ухилу гідросуміші, в якій використовується емпірична константа, яка не залежить від гранулометричного складу матеріалу, що транспортується, й підвищити точність розрахунків на 10%.

7. На основі принципу М.А. Великанова, який визначає виникнення критичного режиму течії, й запропонованої методики розрахунку гідравлічного ухилу отримано залежність для розрахунку критичної швидкості гідротранспортування твердих матеріалів з крупністю, меншою за 2 мм, в присутності ГДАР.

8. Розроблено й упроваджено «Методику розрахунку параметрів флокул, що утворюються при взаємодії частинок твердої фракції пульпи з гідродинамічно активними домішками», яка дозволяє розраховувати геометричні параметри флокул, масові долі флокул та твердих частинок, що не взаємодіють з полімером, а також залишкову концентрацію ГДАР.

9. Розроблено й упроваджено «Методику розрахунку параметрів гідротранспорту твердих матеріалів з гідродинамічно активними домішками», яка вперше дозволяє розраховувати гідравлічний ухил та критичну швидкість з урахуванням густини та гранулометричного складу матеріалу, що транспортується, а також концентрації та молекулярної маси ГДАР. Відносне відхилення результатів розрахунків ефекту зниження гідравлічного опору за запропонованою методикою в порівнянні з результатами відомих експериментів не перевищує 16%.

10. Результати дисертаційної роботи впроваджено у ВАТ «УКРГІПРОРУДА», ВАТ НІПІ «Механобрчормет», ВАТ ППКІ «Металургавтоматика», Інституті гідромеханіки НАН України, Національній металургійній академії України та в Донецькому Національному технічному університеті. Розроблені методики використовувалися для розрахунків параметрів і режимів роботи системи гідротранспорту відходів ПівдГЗК при проектуванні другої карти сховища відходів «Об'єднане» в рамках ТЕО «Реконструкція хвостосховища «Об'єднане». Хвостосховище II карта для підтримання потужності комбінату», а також для оцінки можливих параметрів і режимів роботи гідротранспортних установок вузла попереднього збагачення Центрального гірничо-збагачувального комбінату (ЦГЗК) на стадії проведення проектних розробок. Очікуваний річний економічний ефект при експлуатації вузла попереднього збагачення ЦГЗК за рахунок відмови від насоса другого підйому та підвищення концентрації пульпи, що транспортується на збагачувальну фабрику, а також за рахунок можливості збільшення довжини трубопроводів між земснарядами і ділянкою попереднього збагачення складає 54.57 тис. грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ Й РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В ТАКИХ РОБОТАХ:

1. Метод проектировочного расчета внутрифабричных гидротранспортных комплексов, обеспечивающий надежность технологии по производительности / Семененко Е.В., Шмелев Н.А., Сидорина О.В., Никифорова Н.А. // Геотехнічна механіка: (міжвід. зб. наукових праць) / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2004. - Вип. 51. - С. 204 - 210.

2. Шурыгин В.Д. Анализ способов повышения эффективности работы гидротранспортного комплекса / В.Д. Шурыгин, Е.В. Семененко, Н.А. Никифорова // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005. - № 6. - С. 70 - 74.

...