СПОСОБ ГИДРОКЛАССИФИКАЦИИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА И УСТАНОВКА ДЛЯ ГИДРОКЛАССИФИКАЦИИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2008 года по МПК B03B9/00 B03B5/62 

Изобретение относится к технологии и устройствам для разделения твердых полидисперсных материалов по граничной крупности частиц в жидкой среде и может быть использовано в горнодобывающей, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также в производстве строительных материалов.

Известен способ гидроклассификации зернистых материалов путем разделения гидросмеси на крупную и мелкую фракции по заданному граничному размеру восходящим потоком чистой воды, в котором в зоне взаимодействия вертикального восходящего потока чистой воды с гидросмесью ее размывают горизонтальными струями поперечного потока воды с градиентом давления, превышающим давление восходящего потока (RU № 2165297, В03В 5/62, опубл. 20.04.2001).

Устройство, реализующее указанный способ, содержит корпус с приемно-разделительной и классификационной камерами с патрубками ввода исходной гидросмеси, вывода крупной и мелкой фракций и патрубком ввода чистой воды, соединенным с гидротрансформатором, причем приемно-разделительная камера образована обечайкой и расположена в корпусе с образованием полости, соединенной дополнительным патрубком подачи чистой воды с гидротрансформатором.

Известен способ гидроклассификации зернистых материалов, например природных песков, путем очистки от посторонних примесей с последующим разделением на фракции по крупности в восходящем потоке чистой воды. При этом исходная гидросмесь подается самотеком (безнапорно) сверху вниз в гидроклассификатор вертикального типа, где подвод чистой воды осуществляется с обеспечением вращательного движения воды в классификационной камере, что обеспечивает равномерное распределение крупных зерен продукта по ее сечению, которые под действием силы тяжести оседают вниз со скоростью их гидравлической крупности, а мелкие зерна в восходящем потоке чистой воды подхватываются и выносятся вверх в отдельную емкость (М.И.Хрусталев «Передовой опыт обогащения песков. Аналитический обзор», Промышленность строительных материалов 1-88, М, 1990 г., стр.14-18).

Известно устройство, реализующее указанный способ, а именно гидроклассификатор для разделения минерального сырья, включающий корпус с цилиндрической приемно-разделительной и конической классификационной камерами, входной патрубок с диффузором для подачи гидросмеси, внутри которого установлена направляющая крыльчатка, сливной патрубок для отвода мелкой фракции, расположенные в приемно-разделительной камере, сливной патрубок с поплавком и патрубок для подвода чистой воды, расположенные в классификационной камере, и разгрузочное приспособление. Причем в диффузоре установлена эластичная диафрагма, соединяющая корпус с разгрузочным приспособлением, а разгрузочное приспособление состоит из накопительной и компенсирующей емкостей и воздухонакопительной камеры, соединенных между собой и с конической частью корпуса системой трубопроводов (SU № 1085629, кл. В03В 5/62, опубл. 15.04.84).

В данном гидроклассификаторе процесс разделения происходит следующим образом: исходная гидросмесь, пройдя диффузор и крыльчатку, снижает скорость и приобретает вращательное движение, а встретившись с поплавком, попадает в кольцевую полость приемно-разделительной камеры и начинает движение вверх. При этом скорость потока уменьшается до того значения, при котором крупные зерна не могут быть вынесены вверх и зависают на некоторой высоте, образуя «кипящий слой», в котором происходит их разделение. Мелкие зерна проходят через этот слой и выносятся потоком воды наружу. В процессе кипения крупные зерна интенсивно перемещаются по всей нижней полости конической части корпуса, стремясь равномерно распределиться и заполнить все те места, где их мало, попадая в периферийную зону классификационной камеры. Попав в зону восходящего потока воды, крупные зерна оседают навстречу этому потоку вниз, так как скорость восходящего потока меньше скорости их падения, и попадают в разгрузочное устройство. Таким образом, происходит разделение исходного зернистого материала на две фракции: верхнюю - мелкую и нижнюю - крупную.

Указанные способ гидроклассификации полидисперсных зернистых материалов и устройство, реализующее указанный способ, являются наиболее близкими аналогами заявляемых способа и устройства.

Известна также установка для поэтапной гидроклассификации зернистых материалов, включающая металлоконструкцию с установленными на ней бункером-питателем и размещенными одна ниже другой несколькими секциями, состоящими из классифицирующих цилиндрических емкостей и сливных камер, площади поперечных сечений каждой из которых возрастают сверху вниз обратно пропорционально гидравлической крупности зерен классифицируемого материала, патрубки вывода сгущенных продуктов классификации. Металлоконструкция выполнена в виде замкнутой трубчатой системы с возможностью подачи в нее воды из магистрального водопровода, к которой закреплены опорные седла цилиндрических емкостей, и снабжена трубами подачи воды в каждую из цилиндроконических емкостей для их заполнения и промывки (RU № 2166996 В03В 5/62, В03В 7/00, опубл. 05.10.2001).

Общим недостатком известных способа гидроклассификации, гидроклассификатора, реализующего указанный способ, и установки для поэтапной гидроклассификации полидисперсных зернистых материалов является низкое качество получаемого продукта, заключающееся в недостаточной однородности получаемых фракций по гранулометрическому составу, особенно мелкой фракции выделяемого зернистого материала, а также в неполном отделении органических и неорганических примесей.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества получаемого продукта с одновременной интенсификацией процесса классификации и обеспечением его непрерывности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе гидроклассификации полидисперсных зернистых материалов, включающем подачу исходного материала в виде гидросмеси сверху вниз в цилиндрическую приемно-разделительную камеру вертикального гидроклассификатора, разделение гидросмеси в конической классификационной камере гидроклассификатора, создание «кипящего слоя», состоящего из частиц наибольшего размера выделяемой фракции, и поддержание скорости их витания потоком чистой воды, подаваемой снизу вверх с периодическим осаждением и выводом из классификационной камеры частиц, образующих «кипящий слой», и выводом мелких фракций восходящим потоком воды из приемно-разделительной камеры, согласно предлагаемому изобретению «кипящий слой» создают в нижней части классификационной камеры, а подачу потока чистой воды осуществляют через блок ламиниризации, установленный на выходе классификационной камеры, причем вывод частиц, образующих «кипящий слой», из классификационной камеры осуществляют через упомянутый блок ламиниризации за счет скачкообразного уменьшения заданного скоростного режима потока чистой воды в локальной зоне в виде кольцевого канала, образующегося во время импульсного прорыва столбом воды «кипящего слоя», с колебательным процессом самовыравнивания скорости потока воды вокруг этого столба жидкости, при этом блок ламиниризации потока чистой воды выполняют в виде конструкции условного тройника, состоящей из емкости-ресивера, в которую на 1/4 ее высоты по центральной вертикальной оси опущена первая часть тройника - вертикальный цилиндрический патрубок, совмещенный с выходным патрубком для вывода крупной фракции из классификационной камеры, вторая часть тройника - входной патрубок со струевыпрямителем, установленный на уровне 2/3 высоты емкости-ресивера, а третья часть тройника - выходной патрубок, установленный диаметрально входному патрубку на уровне 1/3 высоты емкости-ресивера.

Указанный технический результат также достигается тем, что:

- лабораторным путем определяют гранулометрический состав и плотность частиц исходного материала;

- исходный материал разделяют предварительным просевом на несколько фракций, согласно гранулометрического ряду, с определением граничного размера частиц в каждой фракции, с учетом коэффициента однородности таким образом, чтобы в каждой фракции наибольшая по размеру частица была равна наименьшей частице следующей фракции;

- рассчитывают скорость витания V_вит наибольшей частицы заданной для выделения фракции по формуле Тодеса для расчета скорости витания одиночной частицы:

где d -диаметр наибольшей частицы;

μ - динамическая вязкость рабочей жидкости (для воды при t=10°C равна 1305·10^-6 нсек/м²);

Ar - критерий Архимеда, который рассчитывается по формуле:

где q - гравитационная постоянная (9,81 м/сек);

ρ_ист - плотность зернового материала, кг/м³;

ρ_ср - плотность среды, в которой находится зерновой материал, кг/м³;

- смешивают исходный материал с водой в соотношении Т:Ж=(1:7)-(1:12);

- устанавливают дополнительные классификаторы, в каждый из которых подают из блока ламиниризации восходящий поток чистой воды, дезинтегрируемый струевыпрямителем.

Указанная задача также решается тем, что в гидроклассификаторе для классификации полидисперсных зернистых материалов, включающем корпус с цилиндрической приемно-разделительной и конической классификационной камерами, патрубок ввода исходной гидросмеси, переходящий внутри корпуса в диффузор, устройство ввода потока чистой воды и патрубки вывода крупной и мелкой фракций, согласно изобретению устройство для ввода потока чистой воды выполнено в виде блока ламиниризации, представляющего собой конструкцию в виде условного тройника, состоящую из емкости-ресивера, в которую на 1/4 ее высоты по центральной вертикальной оси опущена первая часть тройника - вертикальный цилиндрический патрубок, совмещенный с выходным патрубком для вывода крупной фракции из классификационной камеры, вторая часть тройника - входной патрубок со струевыпрямителем, установленный на уровне 2/3 высоты емкости-ресивера, при этом третьей частью тройника является патрубок для вывода крупной фракции, установленный диаметрально струевыпрямителю на уровне 1/3 высоты емкости-ресивера, диффузор огорожен с внешней стороны на 2/3 своей высоты цилиндрической стенкой, которая соединена с нижним концом диффузора кольцевой пластиной, а сверху они соединены между собой крышкой в виде усеченного конуса с конусностью не менее 60°.

Причем:

- диффузор имеет угол конусности 8÷12° и высоту, равную 0,8 высоты приемно-разделительной камеры;

- соотношение площади поперечных сечений нижнего конца раструба диффузора и цилиндра F_растр:F_цил=1:2,1÷2,2, соотношение высоты диффузора и цилиндрической стенки Н_растр:Н_цил=1,6÷1,7:1, а соотношение высоты приемно-разделительной и классификационной камер гидроклассификатора Н_пр:Н_к=1,35:1;

- струевыпрямитель представляет собой патрубок с размещенными внутри радиальными пластинами, делящими площадь сечения патрубка на 4÷8 равных секторов.

Указанная задача решается также тем, что предлагаемая установка для гидроклассификации полидисперсных зернистых материалов содержит каскад из трех модулей классификации, гидравлически связанных между собой, каждый из которых включает приемно-разделительный узел и два гидроклассификатора, снабженных блоками ламиниризации потока чистой воды с патрубком для подачи воды и вывода выделенной крупной фракции через блок ламиниризации, при этом гидроклассификаторы второго и третьего модулей идентичны по конструкции и включают корпус, состоящий из цилиндрической приемно-разделительной и конической классификационных камер, выходной патрубок для вывода мелкой фракции, подводящий патрубок для гидросмеси, переходящий внизу в диффузор с углом конусности 8÷12°, установленный внутри корпуса по центральной вертикальной оси, опущенный на 0,8 высоты приемно-разделительной камеры, огороженный с внешней стороны на 2/3 своей высоты цилиндрической стенкой, которая соединена с нижним концом диффузора кольцевой пластиной, а сверху они соединены между собой крышкой в виде усеченного конуса с конусностью не менее 60°.

При этом:

- соотношение площади сечений нижнего конца раструба диффузора и цилиндра F_растр:F_цил=1:2,1÷2,2, соотношение высоты диффузора и цилиндрической стенки Н_растр:Н_цил=1,6÷1,7:1, а соотношение высоты приемно-разделительной и классификационной камер гидроклассификатора Н_пр:Н_к=1,35:1;

- блок ламиниризации представляет собой конструкцию в виде условного тройника, состоящего из емкости-ресивера, расположенной вертикально, в которую на 1/4 ее высоты опущена по центральной вертикальной оси первая часть тройника - вертикальный цилиндрический выходной патрубок, верх которого совмещен с нижним выходом гидроклассификатора, вторая часть тройника - входной патрубок со струевыпрямителем, установленный на уровне 2/3 высоты емкости ресивера, и третья часть тройника - выходной патрубок, установленный диаметрально струевыпрямителю на уровне 1/3 высоты емкости-ресивера;

- соотношение площади поперечных сечений патрубков блока ламиниризации F_под:F_вх:F_вых=1,0:0,18:0,08,

где F_под - площадь поперечного сечения выходного патрубка для подачи чистой воды в гидроклассификатор;

F_вх - площадь поперечного сечения входного патрубка для подачи чистой воды в емкость-ресивер;

F_вых - площадь поперечного сечения выходного патрубка для вывода целевой фракции из гидроклассификатора через емкость-ресивер;

- приемно-разделительный узел всех модулей представляет собой гидрогрохот цилиндроконической формы с тангенциальным входом в верхней цилиндрической части для подачи гидросмеси и нижним выходом в конической части;

- гидрогрохот первого модуля классификации содержит верхний выходной патрубок для отвода мелких фракций в виде сифона, который опущен в корпус гидрогрохота на 1/3 его высоты по его центральной вертикальной оси, а нижний выход через тройник соединен с верхними тангенциальными входами двух гидроклассификаторов, представляющих собой гидроциклоны, верхние выходы гидрогрохота и первого гидроциклона соединены трубопроводом через регулирующие заслонки со входом гидрогрохота третьего модуля классификации, а верхний выход второго гидроциклона соединен трубопроводом через регулирующую заслонку с тангенциальным входом гидрогрохота второго модуля классификации;

- гидрогрохот второго модуля классификации снабжен сеткой, размещенной в конической части, и люком для вывода мусора, высота цилиндрической части корпуса в 1,5÷2 раза больше высоты конической части, причем конической частью он через патрубок соединен со входом первого гидроклассификатора;

- верхний выход первого гидроклассификатора второго модуля классификации соединен трубопроводом со входом второго гидроклассификатора, верхний выход которого в свою очередь соединен трубопроводом через отсечную арматуру со входом первого гидроклассификатора третьего модуля классификации;

- гидрогрохот третьего модуля классификации имеет удвоенную высоту цилиндрической части, снабжен сеткой, размещенной в цилиндрической части под входом, и люком для вывода мусора, а над сеткой по центральной вертикальной оси установлена ловушка в виде перевернутого усеченного конуса, также покрытого сеткой, который соединен трубопроводом, проходящим через нижнюю коническую часть гидрогрохота, с патрубком, соединенным со входом первого гидроклассификатора второго модуля классификации, а выход первого гидроклассификатора третьего модуля классификации соединен со входом второго гидроклассификатора этого же модуля;

- трубопроводы, соединенные с выходными патрубками блоков ламиниризации первого модуля классификации, выполнены в виде гидрозатворов, путем П-образного изгиба и поднятия верхней точки на уровень 0,9÷0,95 уровня соединения блока ламиниризации с тангенциальными входами гидроциклонов;

- на трубопроводе перед каждым блоком ламиниризации установлен прибор контроля подачи рабочей жидкости и регулирующий клапан с возможностью управления его работой с пульта управления посредством выходных сигналов дифманометров, установленных на гидроклассификаторах второго и третьего модулей классификации с раздельным управлением.

На фиг.1 представлена общая технологическая схема установки; на фиг 2 - гидроклассификатор (вид А-А на фиг.1), на фиг.3 - вид Б-Б.

Установка содержит каскад из трех модулей классификации, последовательно установленных и гидравлически связанных между собой, каждый из которых включает приемно-разделительный узел, который представляет собой гидрогрохот цилиндроконической формы с тангенциальным входом в верхней цилиндрической части для подачи гидросмеси и нижним выходом в конической части, и двух цилиндроконических гидроклассификаторов, снабженных на нижнем выходе блоками ламиниризации потока рабочей жидкости (чистой воды, подаваемой из магистрального водопровода).

Первый модуль классификации (I) содержит гидрогрохот 1, тангенциальный вход которого соединен с пульпопроводом 2, верхний выходной патрубок в виде сифона 3, который опущен в корпус гидрогрохота на 1/3 его высоты по центральной вертикальной оси как продолжение трубопровода 4 с регулирующей заслонкой 5, и нижний выходной патрубок, который через тройник 6 соединен с верхними тангенциальными входами двух гидроклассификаторов 7 и 8, представляющих собой гидроциклоны, снабженные блоками ламиниризации 9 и 10 с патрубками подвода рабочей жидкости. Верхний выход гидроциклона 7 соединен с трубопроводом 4 через регулирующую заслонку 11, на нижнем выходе установлен блок ламиниризации 9, выходной патрубок которого соединен с трубопроводом 12 для вывода заданной фракции продукта на свою карту, а входной патрубок соединен с ответвлением магистрального водопровода 13 через регулирующий клапан 14 и расходомер 15. Гидроциклон 8 имеет аналогичную конструкцию, его верхний выход через регулирующую заслонку 16 соединен с трубопроводом 17, на нижнем выходе установлен блок ламиниризации 10, выходной патрубок которого соединен с трубопроводом 18 для вывода заданной фракции продукта на свою карту, а входной патрубок соединен с ответвлением магистрального водопровода 13 через расходомер 19 и регулирующий клапан 20. Под заданной фракцией понимается продукт, содержащий крупные частицы, выделяемые на данном классификаторе.

Второй модуль (II) классификации содержит гидрогрохот 21 и два цилиндроконических гидроклассификатора 22 и 23. Гидрогрохот 21 имеет цилиндроконический корпус, снабжен сеткой 24, размещенной в конической части, и выходным люком 25 для вывода мусора на желоб 26, а его вход соединен с трубопроводом 17; внизу конической части гидрогрохота 21 установлен выходной патрубок 27, связывающий его с гидроклассификатором 22. Высота цилиндрической части гидрогрохота 21 в 1,5-2 раза больше высоты конической части. Гидроклассификатор 22, как и последующие идентичные по конструкции гидроклассификаторы модулей II и III, снабжен подводящим патрубком для гидросмеси, переходящим в диффузор 28, установленным внутри корпуса по центральной вертикальной оси (см. фиг.2), а его верхний выход соединен с трубопроводом 29. Соотношение высоты приемно-разделительной и классификационной камер гидроклассификатора 22 Н_ц:Н_к=1,35:1. Диффузор 28 огорожен с внешней стороны на 2/3 своей высоты цилиндрической стенкой, которая соединена кольцевой пластиной с нижним концом диффузора, а сверху они соединены между собой крышкой в виде усеченного конуса с конусностью не менее 60°, при этом соотношение площади сечений нижнего конца раструба диффузора и цилиндра F_растр:F_цил=1:2,1-2,2, соотношение высоты диффузора и цилиндрической стенки Н_растр:Н_цил=1,6-1,7:1, а сам диффузор имеет угол конусности 8-12° и высоту, равную 0,8 высоты приемно-разделительной камеры. Такая форма диффузора позволяет сохранить постоянство сечения приемно-разделительной камеры и создать условия для плавного выхода гидросмеси в полость камеры без вихреобразования. Гидроклассификатор 22 снабжен также дифманометром 30 для замера давления в цилиндрической его части и в вертикальном цилиндрическом патрубке блока ламиниризации 31. Блок ламиниризации 31 имеет выходной патрубок для вывода заданной фракции продукта по трубопроводу 32 на свою карту и входной патрубок, соединенный с ответвлением магистрального водопровода 13 через расходомер 33 и регулирующий клапан 34.

Вход второго гидроклассификатора 23 соединен трубопроводом 29 с верхним выходом гидроклассификатора 22, а его верхний выход соединен с трубопроводом 35, который имеет два ответвления, одно из которых соединено трубопроводом 36 через отсечную заслонку 37 со входом спирального гидроклассификатора 38, а второе ответвление соединено трубопроводом 40 через отсечную заслонку 39 со входом гидроклассификатора 41 третьего модуля классификации.

Гидроклассификатор 23 также снабжен блоком ламиниризации 42, выходной патрубок которого соединен с трубопроводом 43 для вывода заданной фракции продукта на свою карту, а входной патрубок соединен с ответвлением магистрального водопровода 13 через расходомер 44 и регулирующий клапан 45. Гидроклассификатор 23 также снабжен дифманометром 46.

Третий модуль классификации (III) содержит гидрогрохот 47, имеющий удвоенную высоту цилиндрической части по отношению к конической части, снабженный сеткой 48, размещенной в цилиндрической части под входом, люком 49 для вывода мусора на желоб 26, ловушкой 50 в виде перевернутого усеченного конуса, покрытого сеткой 51, расположенного по центральной вертикальной оси над сеткой 48 выше уровня входного канала трубопровода 4 и соединеного с патрубком 27 гидрогрохота 21 вертикальным трубопроводом, проходящим через коническую часть гидрогрохота 47 и переходящим в трубопровод 52. Выход конической части гидрогрохота 47 соединен трубопроводом 40 со входом гидроклассификатора 41, верхний выход которого в свою очередь соединен трубопроводом 53 со входом гидроклассификатора 59. Гидроклассификатор 41 также снабжен дифманометром 54 и блоком ламиниризации 55, выходной патрубок которого соединен с трубопроводом 56 для вывода заданной фракции продукта на свою карту, а входной патрубок соединен с ответвлением магистрального водопровода 13 через расходомер 57 и регулирующий клапан 58. Верхний выход гидроклассификатора 59 трубопроводом 60 соединен со входом спирального гидроклассификатора 61. Гидроклассификатор 59 также снабжен дифманометром 62 и блоком ламиниризации 63, выходной патрубок которого соединен с линией вывода заданной фракции продукта по трубопроводу 64 на свою карту, а входной патрубок соединен с ответвлением магистрального водопровода 13 через расходомер 65 и регулирующий клапан 66.

Блоки ламиниризации 9, 10, 31, 42, 55 и 63 - однотипны и выполнены в виде конструкции условного тройника, состоящего из емкости-ресивера 67, в которую на 1/4 ее высоты по центральной вертикальной оси опущена первая часть тройника - вертикальный цилиндрический патрубок 68, совмещенный с выходным патрубком для вывода продукта заданной фракции из классификационной камеры, вторая часть тройника - входной патрубок со струевыпрямителем 69 с размещенными внутри радиальными пластинами 70, делящими площадь сечения патрубка на 4-8 равных секторов, установленный на уровне 2/3 высоты емкости ресивера, а третья часть тройника - выходной патрубок 64, установленный диаметрально струевыпрямителю на уровне 1/3 высоты емкости-ресивера. Выходы спиральных гидроклассификаторов 38 и 61 соединены с трубопроводами 71 и 72, которые направлены каждый на свою карту. Все карты расположены на подготовленных площадках 73, которые снабжены сточными каналами 74 для сбора воды, ее фильтрации и возврата по трубопроводу 75 в водоем 76 для повторного использования.

При открытом вентиле 77 насосом 78 заполняют магистральный водопровод 13 для подачи воды во все гидроклассификаторы установки. Пульт управления 79 вынесен на местный щит.

Установка работает следующим образом.

Подготовка установки к технологической эксплуатации начинается в следующей последовательности: на пульте управления 79 устанавливают определенные расчетным путем значения объемного расхода воды, подаваемой на каждый блок ламиниризации. Причем предусматривается автоматическая корректировка расхода воды при помощи регулирующих клапанов в зависимости от показаний дифманометров, установленных на каждом блоке ламиниризации. Открывают отсечную заслонку 37, а заслонку 39 закрывают. Включают насос 78, открывают вентиль 77 и вода из водоема 76 подается по магистральному водопроводу 13 через блоки ламиниризации 9, 10, 31, 42, 55 и 63 в гидроциклоны 7 и 8, гидроклассификаторы 22, 23, 41 и 59 снизу вверх. Одновременно по пульпопроводу 2 от земснаряда (не показан) подается вода на гидрогрохот 1 через гидроциклоны 7 и 8 по трубопроводам 4 и 17, которая заполняет гидрогрохоты 21 и 47 и поступает в гидроклассификаторы 22, 23, 38, 41, 59 и 61. При герметичности всех трубопроводов и аппаратов установки вода должна выходить лишь из выходных трубопроводов 12, 18, 32, 43, 56, 64, 71 и 72. Регулирующими заслонками 5, 11 и 16 добиваются равенства потоков в трубопроводах 4 и 17.

После проведения всех подготовительных мероприятий дают команду на подачу гидросмеси (пульпы), которая готовится в соотношении Т:Ж=(1:7)-(1:12) и подается по пульпопроводу 2 на тангенциальный вход гидрогрохота 1, где приобретает вращательное движение. Крупные зерна перемещаются в потоке по поверхности решета, теряют скорость, по спирали увлекаются вниз и через тройник 6 поступают на тангенциальные входы гидроциклонов 7 и 8, где за счет центробежных сил осуществляется отделение мелких частиц от крупных с одновременной мокрой оттиркой зерен от глинистых включений и органических продуктов, а также разделение песчаной смеси на классы в цилиндроконических камерах гидроциклонов с выделением класса формовочных песков при помощи восходящих потоков воды из блоков ламиниризации 9 и 10, подаваемых с заданной скоростью. При этом более мелкие частицы, например, 0,3 мм и меньше, относящиеся к формовочным пескам, поднимаются вверх и выносятся по трубопроводам 4 и 17 во второй и третий модули для последующей гидроклассификации, а более крупные частицы (более 0,3 мм) оседают навстречу восходящему потоку и попадают в блоки ламиниризации 9 и 10, так как заданная скорость восходящего потока меньше скорости падения более крупных частиц (больше 0,3 мм). Затем они через выходные патрубки по трубопроводам 12 и 18 выводятся на карту песков другого класса (не относящегося к формовочным пескам).

При этом мелкие частицы песчаной смеси (класса формовочных песков), отделенные в гидрогрохоте 1, за счет центробежной силы поднимаются по центральной вертикальной оси и через сифон 3 по трубопроводу 4 транспортируются на тангенциальный вход гидрогрохота 47, а мусор, отделенный в гидроциклонах 7 и 8, для исключения попадания в выходные трубопроводы с классифицируемым материалом выводится на входы гидрогрохотов 21 и 47 за счет гидрозатворов на трубопроводах 12 и 18, образованных путем П-образного изгиба, поднятого на уровень 0,9-0,95 уровня центральной горизонтальной оси тройника 6, способствующих созданию подпора жидкости на этом уровне и выводу мусора из приемно-разделительных камер гидроциклонов 7 и 8.

Песчаная гидросмесь, состоящая из мелких частиц, транспортируемая по трубопроводу 17 на тангенциальный вход гидрогрохота 21, за счет центробежных сил еще раз промывается и проходит через сетку 24, а глинистые включения, мусор и органические продукты осаждаются на сетке 24 и через люк 25 выводятся на желоб 26. Песчаная гидросмесь, состоящая из мелких частиц, транспортируемая по трубопроводу 4 на тангенциальный вход гидрогрохота 47, за счет центробежных сил также промывается и, частично, в пределах 1/3 объема песчаной гидросмеси выводится из гидрогрохота 47 через ловушку 50 с сеткой 51, и по трубопроводу 52 подается на вход гидроклассификатора 22, а остальная часть песчаной гидросмеси проходит через сетку 48 и по трубопроводу 40 поступает на вход гидроклассификатора 41. При этом глинистые включения, мусор и органические продукты осаждаются на сетку 48 и через люк 49 выводятся на желоб 26, с которого направляются на утилизацию. Ловушка 50 предназначена для выравнивания объемов песчаных гидросмесей, поступающих на классификацию во второй и третий модули установки.

Подачу воды в гидроциклоны 7 и 8 осуществляют через блоки ламиниризации 9 и 10 из магистрального водопровода 13. При этом подачу воды контролируют расходомерами 15 и 19 и регулируют вручную регулирующими клапанами 14 и 20.

Гидроклассификацию формовочных песков осуществляют следующим образом: частицы, поступающие в виде гидросмеси на диффузорный вход 28 гидроклассификатора 22, осаждаются в его цилиндрическую часть, где встречаются с восходящим потоком воды заданной скорости, рассчитанной для данного классификатора, поступающим из блока ламиниризации 31. Так как скоростной режим потока воды рассчитан на скорость витания частиц максимальной крупности, содержащихся в заданной для выделения фракции гранулометрического ряда формовочных песков, и частицы большие по диаметру, чем свойственные для данной фракции, в песчаной смеси отсутствуют, то на уровне стыка низа классификационной камеры гидроклассификатора 22 и патрубка 68 блока ламиниризации 31 скорость осаждения частиц гасится (тормозится) до такого значения, при котором крупные частицы не могут быть вынесены вверх и зависают на некоторой высоте, образуя «кипящий слой», а мелкие частицы выносятся восходящим потоком воды вверх, выводятся в трубопровод 29 и попадают в диффузорный вход гидроклассификатора 23. В процессе «кипения» крупные зерна (заданная для выделения на данном гидроклассификаторе фракция) интенсивно перемещаются в горизонтальной плоскости по всей нижней полости над патрубком 68, стремясь равномерно распределиться и заполнить все свободное пространство образовавшегося слоя, а так как скорость восходящего потока равна скорости витания частиц максимальной крупности заданной фракции, то слой этих частиц начинает наращиваться и увеличиваться по толщине, а его проницаемость для потока воды уменьшается, и возникает возможность оседания на поверхность слоя более мелких частиц. При этом увеличивается давление воды под слоем, и, вследствие нарушения баланса между массой слоя и давлением воды под ним, он начинает вспучиваться, и затем происходит импульсный прорыв слоя столбом воды с одновременным резким (скачкообразным) уменьшением скорости восходящего потока в прилегающей зоне вокруг столба воды и колебательным процессом самовыравнивания скорости этого потока. Это колебательное изменение скорости потока воды нарушает паритет витания частиц в «кипящем слое» и они равноускоренно оседают в виде связанного потока в патрубок 68. За время кратковременного нарушения скоростного режима восходящего потока воды в патрубке 68 блока ламиниризации 31 скорость оседания крупных частиц, содержащихся в слое, успевает превысить скорость восстановленного до заданного значения восходящего потока воды, и они оседают на дно емкости-ресивера 67 блока ламиниризации 31, а затем по трубопроводу 32 выносятся на карту как конечный продукт. Частицы меньшего размера, при осаждении попадающие в восстановленный до заданного значения восходящий поток воды, не успевают развить скорость своего осаждения больше скорости восходящего потока воды и выносятся вверх по патрубку 68 в цилиндрическую приемно-разделительную камеру гидроклассификатора 22 и далее направляются по трубопроводу 29 на диффузорный вход гидроклассификатора 23, где производится выделение следующей заданной фракции. Так как гидроклассификаторы 22, 23, 41 и 59 и блоки ламиниризации 9, 10, 31, 42, 55 и 63 по конструкции и принципу действия идентичны, то процессы, описанные в гидроклассификаторе 22, протекают аналогично и в гидроклассификаторах 23, 41 и 59. Поэтому отклассифицированная заданная фракция из гидроклассификатора 23 выводится по трубопроводу 43 на карту как конечный продукт, а более мелкие частицы как следующая фракция по гранулометрическому ряду, направляются по трубопроводу 35 при открытой заслонке 37 и по трубопроводу 36 на вход спирального гидроклассификатора 38, где вся оставшаяся песчаная смесь еще раз промывается, обезвоживается и по трубопроводу 71 направляется на карту как конечный продукт.

Частицы, поступающие в виде гидросмеси из гидрогрохота 47 по трубопроводу 40 на диффузорный вход гидроклассификатора 41 сверху вниз, осаждаются также в цилин-дроконическую камеру, где встречаются с заданным для данного классификатора восходящим потоком воды, рассчитанным на скорость витания частиц максимальной крупности для заданной фракции гранулометрического ряда класса формовочных песков, классифицируются, аналогично вышеописанному, и выводятся через блок ламиниризации 55 по трубопроводу 56 на карту как конечный продукт. Остальные более мелкие частицы выносятся из гидроклассификатора 41 по трубопроводу 53 на диффузорный вход гидроклассификатора 59 сверху вниз, где также классифицируются по максимальной крупности зерна следующей заданной фракции гранулометрического ряда класса формованных песков. Выделенные частицы заданной фракции выводятся через блок ламиниризации 63 по трубопроводу 64 на карту как конечный продукт, а оставшиеся более мелкие частицы выводятся восходящим потоком воды из гидроклассификатора 59 по трубопроводу 60 на вход спирального гидроклассификатора 61, где они дополнительно отмываются, обезвоживаются и по трубопроводу 72 выводятся на карту как конечный продукт.

Гидроклассификатор 41 при открытой заслонке 39 на трубопроводе 35 и закрытой заслонке 37 на трубопроводе 36 позволяет классифицировать выделенные зерна на модуле III в дополнение к песчаной смеси из гидрогрохота 47.

Начальная плотность гидросмеси, поданной с земснаряда с соотношением Т:Ж=(1:7)-(1:12), при выводе отклассифицированной песчаной смеси из модуля I меняется в пределах (1:10)-(1:12). Все изменения плотности смеси, а также изменения производительности подачи гидросмеси на установку, преобразуются дифманометрами, установленными на каждом гидроклассификаторе, в перепад давления между давлением в цилиндрической камере гидроклассификатора и давлением восходящего потока воды в патрубке 68, и в зависимости от изменений корректируется скоростной режим потока воды в каждом блоке ламиниризации.

Все карты готового продукта расположены на подготовленных площадках 73 с обводными каналами 74, где вода фильтруется, осветляется и по трубопроводу 75 возвращается в водоем 76 для повторного использования.

На предложенной установке возможно получение до восьми различных фракций песков разных классов.

Примеры конкретного выполнения

Были доставлены лабораторно-технологические пробы формовочных песков с ближайшего месторождения в количестве 300 тонн, которые были упакованы в мягкие контейнеры типа МКР-1 с полиэтиленовыми вкладышами, вместимостью 1000 кг каждый.

Из разных контейнеров для лабораторных анализов были отобраны на ситовый рассев 10 навесок по 50 г каждая, из которых после смешения получили навеску 500 г. Лабораторные исследования навески технологической пробы показали, что в соответствии с ГОСТ 29234.0-91 в зависимости от массовой доли глинистой составляющей пробы, процентного содержания диоксида кремния, коэффициента однородности и среднего размера частиц (зерна) (см. таблицу 1) пробу можно классифицировать предположительно следующим образом. Исходный материал содержит:

песок формовочный - до 85%

песок строительный, тонкий, класс II по ГОСТ 8736-93 - до - 15%.

Предварительный просев на фракции по гранулометрическому ряду песка формовочного по ГОСТ 2138-91:

песок формовочный - 0,3 мм - 3К₄О₂03

песок формовочный - 0,25 мм - 3К₄О₃025

песок формовочный - 0,2 мм - 3К₄О₃02

песок формовочный - 0,16 мм - 3К₄О₄016

В основе технологического способа гидроклассификации и обогащения формовочных песков заложены следующие операции.

В первом модуле (I) фиг.1 установки происходит отделение глинистых агломератов от песчаной смеси, мелких зерен песчаной смеси от крупных, оттирка песчаных частиц от глины и органических продуктов при трении агрегатов смеси о стенки и соударении частиц разной величины друг о друга в вихревом потоке, закрученном за счет тангенциального ввода гидросмеси в аппараты блока, с одновременным разделением песчаной смеси на классы за счет вертикальной составляющей центробежной силы и с помощью восходящего потока чистой воды, подаваемой в аппараты со скоростью, равной скорости витания наибольших частиц самой крупной фракции гранулометрического ряда выделяемого класса.

Во втором модуле (II) фиг.1 осуществляется гидроклассификация песка формовочного по ГОСТ 2138-91 из 3К₄О₂03 на 1K₂O₁03, из 3К₄О₃02 на 1К₂О₁02 и из 3К₄О₄016 на 2К₂О₂016.

В третьем модуле (III) осуществляется гидроклассификация песка формовочного по ГОСТ2138-91 из 3К₄О₃025 на 1K₂O₁025, из 3К₄О₃02 на 1K₂О₁02 и из 3К₄О₄016 на 2К₂О₂016.

Одним из основных этапов технологического графика работ является проведение гидродинамического расчета движения потоков жидкости в гидроклассификаторах на установке в целом с учетом того, что гидроклассификаторы второго и третьего модулей идентичны, а также идентичны все блоки ламиниризации установки, но при этом режим выделения разных фракций гранулометрического ряда формовочного песка различный.

Расчет скорости витания наиболее крупных частиц, заданных для выделения фракций, производят по формуле Тодеса для единичной частицы (Псевдоожижение, под. ред. И.Ф.Девидсона и Д Харрисона, «Химия», М, 1974, стр.549-550)

откуда

,

где Ar - критерий Архимеда, рассчитывается по формуле:

где d - диаметр максимального граничного зерна;

q - гравитационная постоянная (9,81 м/сек²);

ρ_μ - плотность зернового материала, кг/м³;

ρ_ср - плотность среды, в которой находится зерновой материал, кг/м³;

μ - динамическая вязкость рабочей жидкости (для воды при t=10°С равна 1305,7·10^-6 нсек/м²);

По заключению лабораторного анализа исходного материала (см. таблицу 1) при гидроклассификации полидисперсного материала на классы по Гост 2183-91 определилась наибольшая фракция, равная 0,3 мм гранулометрического ряда формовочного песка.

По указанным выше формулам рассчитывают скорость витания наибольшей частицы заданной фракции d=0,3 мм, ρ_ср(при t=10°C, вода)=999,7 кг/м³, ρ_μ=2800 кг/м³; q=9,81 м/сек²

Однако скорость витания частиц не шарообразной формы меньше, чем частиц шарообразной формы, поэтому умножается на поправочный коэффициент ϕ<1,0. Для округлой формы ϕ=0,78 (А.Г.Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии», Химия, МД971, стр.99-104). Но в силу поставленной задачи разделения дисперсного материала с целью вывода фракции 0,3 мм необходимая скорость потока рабочей жидкости должна превышать скорость витания частиц на 10-15%, т.е. расчетная скорость витания шарообразных частиц 0,3 мм достаточна для вывода из гидроциклонов I модуля полностью песков формовочного класса.

Объем подачи воды в гидроциклоны через блоки ламиниризации для разделения исходного материала на классы песка определяется из равенства:

Q_вх=Q_вых+Q_под,

где Q_вх - объем рабочей жидкости на входе блока ламиниризации;

Q_вых - объем рабочей жидкости на выходе блока ламиниризации;

Q_под - объем рабочей жидкости, подаваемой в гидроклассификатор снизу вверх из блока ламиниризации.

При условии, что V_вит=V_вых=V_под,

Q_вх=(F_вых+F_под)·V_вит·3600,

где F_вых - площадь сечения выходного патрубка блока ламиниризации;

F_под - площадь сечения вертикального патрубка блока ламиниризации;

V_вит - расчетная скорость витания частиц заданной фракции.

Объем подачи воды в гидроклассификатор на классификацию формовочных песков в виде гидросмеси определяется по скорости витания частиц не шарообразной формы

V_вит ^0,3=0,043·ϕ=0,043·0,78=0,0335 м/сек.

Но при подаче в гидроклассификатор гидросмеси в объеме Q_вх.г на вход с площадью входного сечения F_вх.г со скоростью V_вх.т за время t_вх.г через выход из гидроклассификатора с площадью сечения выходного патрубка F_вых.г co скоростью V_вх.г за это же время t_вх.г пройдет объем Q_вых.г при соотношении площади сечений выходного и входного патрубков F_вых.г/F_вх.г=0,765625, тогда

Q_вх.г=F_вх.г·V_вх.т·t_вх.г;

Q_вых.г=0,765625·F_вх.г·V_вх.т·t_вх.т

откуда Q_вх.г-Q_вых.г=Q_ост.

Остальной объем гидросмеси Q_ост распространяется внутри гидроклассификатора в коническую часть F_ц за это же время t_вх.г со скоростью V_ц, т.е.

Q_ост/F_ц·t_вх.г=V_ц.

Поэтому объем подачи воды в гидроклассификатор восходящим потоком из блока ламиниризации для классификации формовочных песков определяется с учетом скорости V_ц, т.е.

Q=(F_вых+F_под)·(V_вит+V_ц)t.

При производительности установки 1000 м³/ч переработки гидросмеси полидисперсного материала с соотношением Т:Ж=1:10 м³/м³ воды, лабораторно-технологическая проба была переработана в течение 2 часов, в результате чего было получено:

- 25,5 т песка строительного II класса (тонкий) по ГОСТ 8736-93, что составило 8,5% от пробы;

- 54 т песка формовочного по ГОСТ 2138-91 марки 1K₂О₁03 (см. таблицу 3);

- 78 т песка формовочного по ГОСТ 2138-91 марки 1K₂O₁025;

- 112,98 т песка формовочного по ГОСТ 2138-91 марки 1K₂O₁02;

- 27,75 т песка формовочного по ГОСТ 2138-91 марки 2K₂O₂016;

Результаты использования предлагаемого способа гидроклассификации полидисперсных зернистых материалов с помощью предложенной установки отражены в таблицах 1, 2, 3, 4, 5 и 6.

Характеристика песка для строительных работ

Таблица 2Место ОтбораВлажность, %Выход, %Частые и полные остатки в % на ситахМодуль крупностиКласс2,51,61,00,630,3150,16<0,16   1,24Очень мелкий

Содержание глинистых частиц в песках после обогащения, определенное по ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний», составило 0,5%.

Из приведенных в указанных таблицах данных видно, что предложенные способ и установка позволяют выполнить задачу повышения качественных показателей формовочных песков по ГОСТ 2138-91.

Совокупность существенных признаков предложенного способа проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что предложенная последовательность операций с полидисперсным зернистым материалом создает условия, обеспечивающие разделение любой полидисперсной массы и составление технологического графика работ, предусматривающего выделение широкого спектра фракций зернистого материала с улучшенными основными показателями, к которым в соответствии с оценкой получаемого продукта относятся: средний размер зерен выделенной фракции, например, формовочного песка, процентное содержание диоксида кремния в зерне, коэффициент однородности и процентное содержание глинистых включений в выделенной фракции.

Изобретение относится к технологии и устройствам для разделения твердых полидисперсных материалов по граничной крупности частиц в жидкой среде и может быть использовано в горнодобывающей, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также в производстве строительных материалов. В способе гидроклассификации полидисперсных зернистых материалов «кипящий слой» создают в нижней части классификационной камеры, а подачу потока чистой воды осуществляют через блок ламиниризации, установленный на выходе классификационной камеры. Вывод частиц, образующих «кипящий слой», из классификационной камеры осуществляют через упомянутый блок ламиниризации за счет скачкообразного уменьшения заданного скоростного режима потока чистой воды в локальной зоне, в виде кольцевого канала, образующегося во время импульсного прорыва столбом воды «кипящего» слоя, с колебательным процессом самовыравнивания скорости потока воды вокруг этого столба жидкости. Способ гидроклассификации осуществляют на установке, содержащей классификаторы с блоком ламиниризации потока чистой воды, выполненным в виде конструкции условного тройника, состоящей из емкости-рессивера, в которую на 1/4 ее высоты по центральной вертикальной оси опущена первая часть тройника - вертикальный цилиндрический патрубок, совмещенный с выходным патрубком для вывода крупной фракции из классификационной камеры, вторая часть тройника - входной патрубок со струевыпрямителем, установленный на уровне 2/3 высоты емкости рессивера, а третья часть тройника - выходной патрубок, установленный диаметрально струевыпрямителю на уровне 1/3 высоты емкости-рессивера. Технический результат - повышение качества получаемого продукта, а также повышение однородности выделяемых фракций, с одновременной интенсификацией процесса классификации и обеспечением его непрерывности 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил., 6 табл.

1. Способ гидроклассификации полидисперсных зернистых материалов, включающий подачу исходного материала в виде гидросмеси сверху вниз в цилиндрическую приемно-разделительную камеру вертикального гидроклассификатора, разделение гидросмеси в конической классификационной камере гидроклассификатора, создания «кипящего» слоя, состоящего из частиц наибольшего размера выделяемой фракции, и поддержания скорости их витания потоком чистой воды, подаваемой снизу вверх с периодическим осаждением и выводом из классификационной камеры, частиц, образующих «кипящий слой», и выводом мелких фракций восходящим потоком воды из приемно-разделительной камеры, отличающийся тем, что «кипящий слой» создают в нижней части классификационной камеры, а подачу потока чистой воды осуществляют через блок ламиниризации, установленный на выходе классификационной камеры, причем вывод частиц, образующих «кипящий слой» из классификационной камеры, осуществляют через упомянутый блок ламиниризации за счет скачкообразного уменьшения заданного скоростного режима потока чистой воды в локальной зоне, в виде кольцевого канала, образующегося во время импульсного прорыва столбом воды «кипящего» слоя, с колебательным процессом самовыравнивания скорости потока воды вокруг этого столба жидкости, при этом блок ламиниризации потока чистой воды выполняют в виде конструкции условного тройника, состоящей из емкости-рессивера, в которую на 1/4 ее высоты по центральной вертикальной оси опущена первая часть тройника - вертикальный цилиндрический патрубок, совмещенный с выходным патрубком для вывода крупной фракции из классификационной камеры, вторая часть тройника - входной патрубок со струевыпрямителем, установленный на уровне 2/3 высоты емкости рессивера, а третья часть тройника - выходной патрубок, установленный диаметрально струевыпрямителю на уровне 1/3 высоты емкости-рессивера.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лабораторным путем определяют гранулометрический состав и плотность частиц исходного материала, исходный материал разделяют предварительным просевом на несколько фракций согласно гранулометрическому ряду с определением граничного размера частиц в каждой фракции с учетом коэффициента однородности таким образом, чтобы в каждой фракции наибольшая по размеру частица была равна наименьшей частице следующей фракции и рассчитывают скорость витания наибольшей частицы выделяемой фракции.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что величина скорости витания V_ВИТ рассчитывается по формуле Тодеса для расчета скорости витания одиночной частицы

где d - диаметр наибольшей частицы;

μ - динамическая вязкость рабочей жидкости (для воды при t=10°C равна 1305·10^-6 нс/м²);

Ar - критерий Архимеда, рассчитывается по формуле

,

где q - гравитационная постоянная (9,81 м/с²);

ρ_ист - плотность зернового материала, кг/м³;

ρ_ср - плотность среды, в которой находится зерновой материал, кг/м³.

где F_под - площадь поперечного сечения цилиндрического вертикального выходного патрубка;

F_вх - площадь поперечного сечения входного патрубка для подачи рабочей жидкости в емкость-рессивер;

F_вых - площадь поперечного сечения выходного патрубка для вывода целевой фракции из емкости-рессивера.