Общие сведения о дренировании

Глава 2. ДРЕНИРОВАНИЕ

Физико-химические свойства поверхности твердого

Материалы, подвергаемые обезвоживанию, представляют собой гетерогенные системы, состоящие из двух фаз – раздробленной твердой и сплошной жидкой. Прочность закрепления молекул воды на поверхности минеральных частиц в значительной мере определяется их смачиваемостью. Смачиваемость характеризует молекулярное взаимодействие воды с твердой поверхностью и проявляется в частичном или полном растекании капли воды на поверхности частицы. Количественно степень смачивания поверхности определяется величиной краевого угла смачивания q. Степень гидрофильности зависит от полярности молекул твердого тела. Карбонаты, силикаты, сульфаты, оксиды и гидроксиды – вещества полярные, обладают гидрофильной поверхностью, для них q < 90°. Например, малахит и барит имеют q=30°. Сульфидные поверхности обладают гидрофобными свойствами: для пирита q=135°, для халькопирита q=131°, для галенита q=90°.

Чем гидрофобнее поверхность частиц, тем меньше ее влагоудерживающая способность. Одним из методов интенсификации процессов обезвоживания является регулирование физико-хими­ческих свойств поверхности обработкой поверхностно-активными веществами, которые увеличивают гидрофобность поверхности.

Таким образом, в крупных классах продуктов обогащения промежутки (поры) между частицами имеют некапиллярные размеры, заполняемые гравитационной влагой, легко удаляемой при обезвоживании. В мелких классах размеры пор приближаются к капиллярным и влага, заполняющая их, удерживается силами капиллярного давления, которое необходимо преодолевать при обезвоживании. Мельчайшие частицы вода связывает, делая массу обезвоживаемого продукта вязкой. Поскольку крупные и мелкие классы продуктов обогащения обладают различной влагоудерживающей способностью, обезвоживание их стремятся производить раздельно. Крупные классы обезвоживают сравнительно простыми способами – дренированием, а мелкие классы более сложными способами – центрифугированием, сушкой. Еще более сложные способы – фильтрование, сушку – применяют для обезвоживания тонких классов (шламов). Чаще всего раздельно обезвоживают крупные классы (+10 мм для углей и +3 мм для руд), мелкие классы (–10+0,5 мм для углей и
–3+0,1 мм для руд) и тонкие классы – шламы (менее 0,1–0,5 мм).

Дренированием называют процесс обезвоживания обводненных и мокрых зернистых продуктов, основанный на естественной фильтрации жидкости через слой материала и пористую перегородку под действием силы тяжести.

Пористой перегородкой могут служить стальные перфорированные поверхности (решета), сетка, слой крупнозернистого песка, щебня, булыжника, самого обезвоживаемого материала.

Различают дренирование в статических условиях, когда частицы материала неподвижны и главным фактором является время обезвоживания; это дренирование в бункерах, в штабелях на дренажных складах, в элеваторах, на конвейерах. При дренировании в динамических условиях на слой материала воздействуют механические колебания, это обезвоживающие грохоты, дуговые сита. В обоих случаях материал удерживается на поверхности, по которой свободно стекает вода.

Типичным примером дренирования жидкости через слой твердых частиц является обезвоживание в штабелях. В штабелях обезвоживают кусковый материал крупностью 150–200 мм; нижний предел крупности 0,1–0,5 мм. В этих условиях хорошо удаляется гравитационная влага из межзерновых пустот. Отделяемая от материала вода носит название дренажной воды.

Наличие в продуктах мелких частиц, особенно крупностью менее 0,2 мм, резко снижает скорость фильтрации воды. Мелкие зерна, заполняя промежутки между крупными, уменьшают размеры пустот и увеличивают их число, вследствие чего промежутки между частицами превращаются в капилляры. Чем тоньше частицы обезвоживаемого материала, тем меньше диаметр капилляров и тем больше высота, до которой поднимается уровень воды в капилляре. Стекание воды из штабеля прекращается, начиная с высоты, равной высоте капиллярного поднятия жидкости h, м, которую можно рассчитать по формуле

, (2.1)

где – поверхностное натяжение воды, H/м;

q – краевой угол смачивания, град.;

r_к – радиус капилляра, м;

– плотность воды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Пример. Если принять диаметр капилляров равным 0,015 мм (r=7,5·10^-6м), при полном смачивании поверхности твердых частиц водой (q=0°, соsq°=1), при поверхностном натяжении воды s=73·10^-3 Н/м и ее плотности d=1000 кг/м³, то получим высоту капиллярного поднятия воды

м.

Таким образом, в бункерах и штабелях при дренировании различают по высоте две зоны: верхнюю, в которой промежутки между частицами обезвоживаемого материала преимущественно заполнены воздухом, и нижнюю, в которой промежутки между частицами заполнены водой. Высота нижней зоны определяется высотой капиллярного подъема жидкости.

Для снижения высоты капиллярного подъема под штабелем обезвоживаемого продукта укладывают постель из мелких частиц крупностью равной или несколько меньшей крупности материала. При этом высота капиллярного подъема воды не превышает высоты постели. Постель из очень мелкого материала (намного мельче обезвоживаемого продукта) оказывает большое сопротивление стеканию воды. Постель из крупнозернистого материала не уменьшает высоту капиллярного поднятия воды и на скорость обезвоживания не влияет.

Дренирование в статических условиях зависит от крупности обезвоживаемого материала, продолжительности процесса, высоты штабеля, гранулометрического состава постели, смачиваемости поверхности частиц, температуры окружающей среды. При дренировании в статических условиях из материала удаляется только свободная гравитационная влага.

При обезвоживании в динамических условиях – на грохотах – под действием сил инерции изменяется расстояние между частицами и уменьшается сопротивление стеканию жидкости, увеличиваются пустоты, освобождая удерживаемую в них влагу. При энергичном встряхивании возможны отрыв и удаление под действием сил инерции капелек адгезионной влаги.