РМ Лекція 16 23.09.10

Химические производства стремятся, как правило, применять возможно более концентрированное сырье, что позволяет интенси­фицировать процессы и получать продукцию лучшего качества с меньшими затратами. Применение концентрированного сырья при­водит в одних процессах к уменьшению затрат топлива на нагрева­ние реагирующих масс, а в других процессах позволяет эффективно использовать тепло реакции, например, для производства пара.

ТЕХНОЛОГИЯ ОБОГАЩЕНИЯ СЫРЬЯ

Содержание полезных компонентов в природном сырье часто бывает недостаточным для его эффективного применения, поэтому производится предварительное обогащение сырья, т. е. повышение содержания в нем ценного компонента или разделение его на не­сколько компонентов, являющихся сырьем для различных произ­водств. При обогащении сырья на месте его добычи сокращаются транспортные расходы на перевозку его к месту переработки про­порционально увеличению концентрации полезного компонента в сырье.

Обогащение необходимо также потому, что запасы концентри­рованного сырья в природе постепенно истощаются и промышлен­ность вынуждена отделять полезные компоненты бедного сырья от большого количества еще не используемой пустой породы. В местах добычи сырья нередко строят крупные обогатительные фабрики, комплексно применяющие различные способы обогащения сырья. Методы обогащения принципиально различны для твердых мате­риалов, жидкостей и газов*. Рассмотрим их последовательно.

Твердое минеральное сырье находится в земной коре в составе горных пород, представляющих собой агрегаты ми­нералов более или менее постоянного состава.

Минералами называют физически обособленные вещества или смеси веществ в природе. Насчитывается более 2500 минералов, включающих органические и неорганические вещества. Одни и те же элементы могут быть в составе различных минералов.

Методы механического обогащения твердого сырья основаны на различных физических и физико-химических свойствах минера­лов, составляющих горную породу. Методы химического обогаще­ния твердого сырья, основанные на различных химических свойст­вах его составляющих (окисляемость, реакционная способность по отношению к различным реагентам), специфичны и рассматриваются, главным образом, при описании конкретных производств. Методы термического обогащения, основанные на различных температурах плавления компонентов сырья, применяются сравнительно редко.Для обогащения горная порода измельчается так, чтобы нару­шить связь между кристаллами или зернами различных минералов, которые затем и разделяются различными способами. При этом получаются две или несколько фракций. Фракция (или несколько фракций), обогащенная одним из полезных компонентов горной породы, называется -концентратом.

*Для жидкостного и газового сырья обогащение называют концентрировани ем.

Фракции, состоящие из мине­ралов, еще не используемых в данном производстве, т. е. из пустой породы, называются хвостами.

Применяются главным образом механические способы обогаще­ния твердых материалов: рассеивание (грохочение), гравитационное разделение, электромагнитная и электростатическая сепарация и флотация. На обогатительных фабриках обычно используют после­довательно несколько способов обогащения, например, грохочение, электромагнитный и гравитационный способы.

Рассеивание материалов по крупности их зерен как метод обогащения применяется в тех случаях, когда порода со­стоит из прочных (вязких) и непрочных (хрупких) минералов; по­следние измельчаются легче, чем прочные, и при рассеивании про­ходят через отверстия сита. Так, например, отделяется фосфорит от пустой породы. Рассеивание минерального сырья называется грохочением, а применяемые металлические сита — грохотами. Можно пропустить материал через несколько грохотов со все умень­шающимися отверстиями и получить несколько фракций. Рассеи­вание применяется также для сортировки по крупности зерен (ситовая классификация) более или менее однородного (по составу) материала, так, например, делят на несколько фракций уголь и кокс.

Применяются плоские и цилиндрические грохоты. Плоский гро­хот устанавливается с небольшим наклоном для скольжения по нему крупной фракции. При работе грохот при помощи различных меха­низмов качается или вибрирует, что и способствует быстрому про­хождению через отверстия мелких зерен. Реже применяют неподвиж­ные плоские грохоты. Цилиндрические грохоты рассеивают мате­риал, поступающий внутрь вращающегося цилиндра с отверстиями. Для разделения минералов, сильно отличающихся формой кристал­лов, например, асбеста от пустой породы, применяются грохоты с соответствующей формой отверстий.

Гравитационное обогащение (мокрое и сухое) основано на разной скорости падения частиц различной плотности и крупности в потоке жидкости или газа либо на действии центро­бежной силы. Данным способом можно разделить минералы, значи­тельно отличающиеся по прочности (как и при рассеивании) или по плотности. Мокрое обогащение чаще всего проводится в потоке воды. Если вода может растворить или испортить материал, то применяют другие инертные жидкости или же сухое обогащение. Для сухого обогащения нужен более мелкий помол, чем для мокрого. Сухое обогащение обычно проводят в потоке воздуха или реже применяют инертный газ.

Гравитационные способы широко применяются для обогащения сырья в производствах силикатных материалов, минеральных солей и в металлургии.

Принципиальная схема мокрого гравитационного обогащений, основанного на осаждении частиц, представлена на рис. 2. Измель­ченный материал, смешанный с водой в баке с мешалкой, подается в виде пульпы* в отстойник, разделенный вертикальными перегородкой на три осадительные камеры. Каждая камера снабжена в нижней части бункером. Самые крупные и тяжелые частицы оседают наиболее быстро в камере І, средние – в камере ІІ и легкие – в камере ІІІ. Наконец, наиболее легкие и мекие частички породы уносятся водой из отстойника. Можно получить в принципе любое количество фракций по количеству осадительных камер. В простейшем случае в одной камере освобождают ценный минерал от непрочной пустой породы (напрмер, глины или ила), уносимой с потоком воды в видемути. Такой способ называется отмучиванием.

Существует много типов машин мокрого гравитационного обога­щения, основанного на оседании частиц в потоке: гидравлические классификаторы, гравиемойки, концентрационные столы, отсадоч­ные машины и т. п.

В гидравлическом классификаторе (см. рис. 2) осаждение более легких фракций облегчается вследствие понижения скорости потока, благодаря расширению отстойника. Применяют также регулировку скорости осаждения подачей снизу через бункера дополнительного регулируемого потока воды или погружения в осадительные камеры полых емкостей (корыт), уменьшающих сечение отстойника при соответственном увеличении скорости потока.

* Пульпой называется концентрированная взвесь твердого измельченного материала в жидкости.

Очень эффективно применение центробежных гидравлических классификаторов.

Измельченная порода Н₂О

Рис. 2. Принципиальная схема мокрого гравита­ционного обогащения:

/, //, /// — осадительные камеры; 1— тяжелая (крупно­зернистая) фракция; 2 — средняя фракция; 3 — легкая (мелкозернистая) фракция

Примером гидравлического классификатора, основанного на действии центробежной силы, может служить гидроциклон. В этом аппарате происходит разделение суспензии (пульпы) на два потока, из которых один содержит более крупную, тяжелую фракцию, а другой — легкие, мелкие взвешенные частицы. Гидроциклои (рис. 3) имеет цилиндрическую и коническую части. Разделяемая пульпа подается под давлением через боковой патрубок по каса­тельной к цилиндрическому корпусу. При вращении потока в гидро­циклоне тяжелые частицы отбрасываются центробежной силой к стенкам, движутся по спиральной траектории вниз и удаляются в нижней части аппарата в виде уплотненной пульпы.

Мелкие, легкие частицы, взвешенные в основной части жидкости, движутся во внут­реннем спиральном потоке, поднимаются по центральному (шламовому) патрубку в ка­меру слива и удаляются из нее в виде потока тонкой взвеси. Разделяющее действие гидроциклона можно регули­ровать, изменяя глубину по­гружения центрального пат­рубка и сечение выходной части циклона, для удаления крупной фракции.

Эти аппараты имеют более высокую производительность и, следовательно, меньшие га­бариты, чем классификаторы, так как центростремительные ускорения в гидроциклоне во много раз выше ускорения силы тяжести при осаждении частиц.

Рис. 3. Схема гидроциклона: 1— цилиндрический корпус; 2 — коническая часть; 3 — перегородка; 4 — центральный (шламовый) патрубок; 5 — камера слива; А — вход разделяемой суспензии; Б — выход пото­ка легкой (мелкозернистой) фракции; В — вы­ход уплотненной суспензии тяжелой фракции

Производительность гидроциклонов определяется объемом сус­пензии, проходящей через аппарат, по эмпирической формуле

L=0,94d_BXd_Ш (1)

где L — объемный расход разделяемой суспензии, м³/ч; d_BX — диа­метр входного патрубка, см; d_Ш — диаметр центрального (шламо­вого) патрубка, см; Р — избыточное давление перед входным пат­рубком, атм.

В отсадочных машинах минералы разделяются в пульсирующей струе воды. Пульсации создаются различными способами, напри­мер, поршнем или колебанием решета, на котором находится обога­щаемый материал.

Расширяется применение тяжелых суспензий для обогащения. Смесь двух минералов загружают в суспензию, имеющую большую плотность, чем один из составляющих смесь минералов, и меньшую, чем другой. Легкий минерал всплывает, тяжелый тонет. Тяжелая суспензия создается взмучиванием в воде тонко измельченного материала (ферросилиция, кварца и т. п.). Воздушное обогащение подобно мокрому, также применяются классификаторы, столы и отсадочные машины. Используются и воздушные сепараторы, которые часто применяются также для сортировки материала после измельчения.

Схема воздушного сепаратора центробежного типа представлена на рис. 4. Тонко измельченный материал подается на тарелку и разбрасывается по сечению внут­реннего конуса.

Мелкие частицы увлекаются вверх потоком воз­духа, создаваемым вентилятором, выбрасываются в наружный конус, опускаются по его стенкам вниз и выводятся в виде мелких зерен. Крупные частицы падают вниз и выводятся из внутреннего цилиндра. Воздух циркулирует в сепа­раторе (как указано стрелками).

Э лектромагнитное обогащение применяется для отделения магнитновосприимчивых материалов от немагнитных, например магнитного железняка, хромистого железняка,

	Измельченный материал
		Рис. 5. Схема электромагнитного сепаратора: 1 — лента транспортера; 2 — барабан транспортера; 3 — электромагнит; 4,5 — бункер

Рис. 4. Схема воздушного сепа­ратора: 1 — вращающаяся тарелка; 2 — крылатка вентилятора; 3 — наруж­ный конус; 4 — внутренний конус  

рутила и других магнитных минералов от пустой породы. Действие магнит­ного сепаратора показано на рис. 5. Существуют сепараторы разных конструкций. Часто магнитные сепараторы применяются для из­влечения из материала, поступающего на дробление, различных стальных предметов, попадающих в породу при добыче. Попадание таких предметов в дробилки вызвало бы поломку последних.

Э л ектростатические сепараторы служат для разделения материалов, обладающих различной электропроводно стью. Принцип их устройства такой же, как и магнитных, но вместомагнита установлен электрод, соединенный с отрицательным полюсом выпрямителя электрического тока. Частицы минералов, обладающих высокой электропроводностью, заряжаются отрицательно и отталкиваются в удаленный бункер, а диэлектрики попадают в бункер, расположенный под лентой транспортера. Так можно отде­лять электропроводные руды от диэлектрических пород: известняка, силикатов, гипса и др.

Флотация — один из наиболее распространенных способов обогащения, применяемый в крупнейших масштабах. На обогатительных фабриках флотационным методом разделяют на несколько фракций полиметаллические сульфидные руды, отделяют апатит от нефелина, получают серный концентрат из серной руды, обогащают каменные угли и многочисленные минералы для производства различных солей. Флотация основана на различной смачиваемости минералов водой.

Основным показателем смачиваемости минералов служит величина краевого угла, смачивания 8, обра­зующегося на твердой поверхности вдоль периметра смачивания, т. е. вдоль линейной границы раздела: твердое тело — жидкость — воздух.

Положение на границе трех фаз твердое тело — жидкость — газ показано на рис. 6. Жидкость образует с несмачиваемой частицей 1 тупой краевой угол , а со смачиваемой 2 — острый. Силы поверхностного натяжения стремятся выравнять уровень жидкости, в результате этого несмачиваемая (гидрофобная) частица выталкивается * из жидкости (всплывает), а смачиваемая (гидрофильная) погру­жается

в жидкость. Чем мельче частицы, тем больше отношение

их поверхности к объему (и массе) и тем сильнее сказывается смачи­вание. Поэтому флотации предшествует

тонкое измельчение минералов в пределах размеров частиц

Рис. 6. Влияние смачивания: 1—несмачивающаяся частица; 2— смачивающаяся частица

0,1—0,3 мм. Мелкие гидрофобные частицы всплывают

независимо от плотности; таким образом при флотации

нередко всплывают более тяжелые гидрофобные частицы

полезного минерала, а более легкие частицы пустой породы тонут, поскольку они все же тяжелее воды.

Смачиваемость частиц характеризуется работой адгезии _ax_ (вода — минерал)

где _ж__г, _т__г и _Ж-Т — удельная свободная поверхностная энергия на границе соответствующих фаз.

Для ускорения флотации применяют ряд технологических приемов. Через смесь твердого измельченного материала с водой про

Дата добавления: 2014-01-20