[ «ВЛИЯНИЕ ФЛОТАЦИОННЫХ РЕАГЕНТОВ НА ФИЛЬТРУЮЩИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ ПРИ ОБЕЗВОЖИВАНИИ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОНЦЕНТРАТА ...»
o Распределительный клапан. 3-х ходовой пневматический клапан (рисунок 23) был использован для распределения вакуума и давления обратной промывки в главный вал фильтра Рисунок 23 – 3-х ходовой распределительный клапан: 1 – линия главного вала, 2 – линия обратной промывки, 3 – линия сбора o Датчик положения главного вала. Начало и продолжительность изображенным на рисунке 24. Магнитный датчик (1) закреплен неподвижно в районе окружности приводного колеса главного вала. Датчик расположен в области, в которой пластина фильтра проходит стадию разгрузки и попадает в стадию обратной промывки. Расположение ответной пластины (2) и ее ширина жидкости промывки и ее продолжительность.
Рисунок 24 – Магнитный датчик обратной промывки: 1 – электро-магнитный Пневматика Большинство клапанов на установке являются пневматическими.
Изначально источник сжатого воздуха отсутствовал в лаборатории, поэтому было принято решение использовать электрический компрессор с максимальным давлением 8 атм и редуктором, настроенным на 2 атм, для предотвращения подклинивания пневматических клапанов.
Сбор фильтрата Емкость для сбора фильтрата (рисунок 25) одновременно играла роль вакуумного буфера, обеспечивающего постоянный уровень вакуума, передаваемого на главный вал и фильтрующую пластину. Таким образом, удалость избежать скачков давления и его повышения во время переходных периодов между стадиями фильтрования, а уровень вакуума поддерживался постоянно на отметке -0.96 атм. Емкость фильтрата была помещена на весы, подключенные к автоматизированной системе сбора данных об эксперименте.
Рисунок 25 – Емкость сбора фильтрата: 1 – вакуумный эжектор, 2 – Оперативной сложностью в использовании данной емкости являлся максимальный предел измерений на весах, равный 120 кг, тогда как масса пустой толстостенной емкости составила 75 кг. Таким образом, допустимая масса фильтрата в емкости составила 45 кг жидкости. По достижению этого значения, вакуум должен быть выпущен, емкость опорожнена, и вакуум набран вновь. На данную процедуру уходило около 40 минут, что значительно увеличивало время проведения всего эксперимента.
Линия сбора фильтрата была выполнена из прозрачной трубки, что позволяло фиксировать наличие воздуха в трубке и характер потока фильтрата.
Для опустошения емкости применялся дополнительный шланг, подсоединяемый к штуцеру разгрузки (5). Из этого же штуцера брались образцы фильтрата.
воздействием собственного веса осадок, снятый скребками с пластины, проваливался в короб, расположенный на весах. Вес короба составлял 2 кг, при максимуме измерений в 120 кг. Таким образом, количество собираемого между разгрузками осадка составило более 110 кг. Основной проблемой сбора осадка было довольно узкое разгрузочное отверстие, в котором наблюдалось периодическое закупоривание массивными пластами осадка (рисунок 26).
Рисунок 26 – Пластина на этапе разгрузки осадка (слева) и контролировать максимальную толщину осадка, ограничивая минимальную скорость вращения вала и максимальную концентрацию твердого в суспензии.
Система видео мониторинга так же позволяла удаленно наблюдать и предотвращать закупоривание отверстия.
Панель управления помощью панели управления, изображенной на рисунке 27. Панель управления стала довольно простым, но эффективным способом управления, позволяющим регулировать широкий спектр параметров работы фильтра и менять режимы функционирования. За время всей работы с оборудованием проблем по части электрики и автоматики не возникло.
Из возможных настроек: промывка осадка не применялась во время работы, автоматический режим был использован клапана подачи пульпы с применением уровнемеров в ванне с мешалкой. Обратная промывка также была выставлена в автоматический режим на период фильтрования и период настройки обратной промывки. Ручной режим применялся во время измерения проницаемости пластин.
Система сбора данных В целях проведения максимально точного сбора данных о параметрах процесса разделения была разработана система сбора данных, позволяющая фиксировать следующую информацию о протекающем процессе:
Толщина осадка, измеряемая лазером, Масса собранного фильтрата, После пробных запусков стало ясно, что наиболее ценными данными об эксперименте являются массы собранного фильтрата и осадка. Эти данные были необходимы для выведения математических зависимостей между различными параметрами эксперимента и влияние на них засорения керамической перегородки. Данные поступали с весов и фиксировались каждую секунду.
Пример анализа данных представлен на рисунке 28.
Рисунок 28 – Анализ цикла фильтрации,, P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, Единичный цикл разделения представлен на графике 28 как «ступень» на кривой собранного осадка (серая). Ступень здесь соответствует моменту разгрузки осадка и отделению, а именно попаданию его в короб, после отделения скребками. То есть, количество разгруженного осадка за один оборот вала может быть оценено при измерении высоты ступени на определенной разгрузке. В данном случае, такой метод оценки количества осадка был более надежен, чем измерение его толщины на пластине лазером, так как толщина осадка была переменной по площади и не равна на разных пластинах, в виду особенностей их изготовления.
Прямая область на графике массы осадка в совокупности с графиком фильтрата соответствует стадии формирования слоя осадка на пластине и стадии его обезвоживания, когда моментальной разгрузки осадка не происходит, но присутствует истекание фильтрата в буферную емкость. «Эффект задержки»
соответствует времени, необходимому для прохождения фильтратом участка 2-х метровой трубной линии от фильтра до ёмкости сбора фильтрата, перед тем как жидкость воздействует на весы.
Давление обратной промывки было установлено на этапе его калибровки и контролировалось с помощью манометра в течение всех экспериментов. Также было решено отказаться от счётчика количества оборотов, так как эту информацию можно было получить путем анализа данных о ходе процесса.
Видео мониторинг При проведении экспериментов было обнаружено две серьезных сложности с экспериментальной установкой. Первая – опустошение ванны в результате неточности настройки ручного крана разгрузки ванны фильтра, вторая – закупоривание отверстия разгрузки осадка. В виду большой продолжительности экспериментов (каждый эксперимент продолжался в течение 16-18 часов, включая такие процедуры как приготовление пульпы, настройка оборудования, забор образцов, обслуживание оборудования и уборка лаборатории) невозможно было находиться в непосредственной близости от установки все время эксперимента, тогда как любая из перечисленных ситуаций могла возникнуть непредвиденно и сделать дальнейшую оценку результатов эксперимента крайне неточной. Таким образом, введение системы видео наблюдения для постоянного удаленного наблюдения за протеканием эксперимента стало наилучшим решением данной проблемы для предотвращения сбоев в течение эксперимента и своевременного вмешательства в процесс. Созданная система видео наблюдения, состоявшая из видео регистратора и сервера передачи данных изображена на рисунке 29.
Видео сигнал транслировался в сеть Интернет по зашифрованному каналу таким образом, что за процессом можно было наблюдать с любого устройства, подключенного к интернету. Данная система неоднократно оправдывала себя, обнаруживая проблемы в протекании процесса во время перерывов на прием пищи и других ситуаций, пока оператор был удален от установки.
Фильтрующие пластины Использование описанного лабораторного фильтра обуславливало применения фильтрующих элементов определенной формы и геометрических размеров. Не представлялось возможным заказать и приобрести готовые фильтрующие пластины ввиду ограниченности их выпуска и окончании их производства. По этой причине было решено изготовить необходимое количество пластин нужной формы из промышленных керамических дисковых фильтров Ларокс. Собственное производство тестовых пластин стало причиной множественных сложностей, связанных с протечками, некачественной проклейкой швов и мест уплотнений, различиями в форме пластин и их проницаемости, обусловленной неоднородностью внутренней структуры промышленных пластин по рабочей площади. Заявленные производителем рабочие свойства керамических пластин: проницаемость – 5.5 м3/м2чатм, разница давлений, при котором пластина проницаема для воздуха – 1 атм, размер пор – 1.7 мкм.
В течении экспериментов на рабочей площади пластин были обнаружены зоны, через которые поток фильтрата отсутствовал, в виду наличия слоя клея между пористым носителем и керамической мембраной фильтра, что обусловлено технологией производства пластин-фильтров. Вероятно, неравномерное распределение данных зон по площади изготовленных в лабораторных условиях пластин могло стать причиной в имеющейся разнице в средней проницаемости тестовых пластин.
Для вычисления средней гидравлической проницаемости площадь каждой изготовленной пластины была рассчитана отдельно через размеры пластины, как это представлено на рисунке 30.
Площадь рабочей поверхности каждой пластины была рассчитана при использовании уравнения 4.
площадь, ограниченная отрезком DE и дугой DE, [м2] Измеренные размеры пластин представлены в приложении Б. Площадь рабочей поверхности каждой пластины близка к 0.01 м2.
3.5 Железорудный концентрат для проведения экспериментов Для обеспечения максимального подобия проводимых экспериментов реальному технологическому процессу обезвоживания на обогатительных фабриках было закуплено 2 тонны магнетитового концентрата с месторождения Сюдварангер Грюве (Норвегия). Для определения гранулометрического состава было использовано оборудование Beckman Coulter LS 13 320. Результаты анализа представлены на рисунке 31.
Анализ показал, что мода размера частиц 30.42 мкм, что в 18 раз больше моды размера пор керамического материала (1.7 мкм). Тем не менее, магнетитовый ЖРК также содержит частицы размером менее 1.7 мкм, что могло стать причиной закупоривания пор частицами ЖРК и вызывать дополнительные сложности в оценке влияния засорения фильтрующего материала при участии флотационных реагентов. Данным фактом была подтверждена необходимость обратной промывки в цикле фильтрования. В главе 4.6 описано, как было обнаружено, что обратная промывка оказалась достаточно эффективной мерой для предотвращения закупоривания пор частицами твердой фазы. Напротив, в отсутствие обратной промывки закупоривание и резкое снижение потока фильтрата наступало на самых ранних этапах отдельно взятых экспериментов.
Отдельно следует заметить, что измеренная влажность ЖРК составила 7.52%.
Методики измерения гидравлической проницаемости Было разработано две методики измерения гидравлической проницаемости тестовых пластин. Первая основана на проведении измерений вне экспериментального стенда и описана в данной главе. Вторая методика обеспечивала проведение измерений при установке пластины на главном валу непосредственно перед и после экспериментов по разделению [74].
В первом случае пластина подсоединялась к вакуумной буферной емкости при уровне вакуума -0.96 атм. с использованием фитинга, изображенного на рисунке 32.
Изначально пластина подсоединялась к источнику свежей воды для проведения обратной промывки, наполнения пор жидкостью и достижения удовлетворительного уровня гидравлической проницаемости. Таким образом, каждая пластина была смочена для достижения капиллярного эффекта в ее порах.
На следующем этапе пластина подсоединялась к источнику вакуума и погружалась в воду в градуированной прозрачной емкости таким образом, что рабочая поверхность была полностью покрыта водой. Температура воды при всех измерениях поддерживалась на постоянном уровне 25 °C.
При открытии крана, соединявшего пластину с вакуумным, буфером одновременно запускался отсчет времени. Фиксировались промежутки времени, за которые 100, 200 и 500 мл воды выкачивались через пластину из мерной емкости. Данная процедура повторялась от двух до четырех раз для каждой пластины, в зависимости от повторяемости результатов измерений.
Расчет проницаемости и результаты измерений Гидравлическая проницаемость каждой пластины рассчитывалась с использованием уравнения 2 и данных, полученных в результате измерений площади и проницаемости пластин. Результаты измерений представлены в таблице 1, а полученные графики – в приложении В. Данные из колонки «Объем воды» вычислены используя опцию определения линейной зависимости в программе Excel для каждой пластины в отдельности на основании полученных при испытаниях точек.
Таблица 1 – Результаты измерения проницаемости (P=-0.98 атм, T=25°C) Было обнаружено, что первоначальная гидравлическая проницаемость пластин варьируется для каждого из образцов. Особенно низкой проницаемостью обладали пластины 1,2 и 4. Это означало, что расчет первоначальной проницаемости перегородки с использованием заводских данных о средней проницаемости материала, рабочей площади, перепада давления и времени фильтрования недопустим и влечет вероятность появления большого количества неточностей в течение дальнейших исследований. Более того, полученные результаты должны быть подтверждены при измерении проницаемости пластин, установленными непосредственно на лабораторном фильтре, когда при измерениях используется обратная промывка, в соответствии со второй методикой измерения проницаемости. Тем не менее, полученные данные были использованы для предварительной оценки качества произведенных пластин и выбора пластин с наилучшими показателями для дальнейших экспериментов по обезвоживанию.
Подготовка суспензии На основании литературного обзора было определено, что концентрация твердого в пульпе для проведения экспериментов должны быть в пределах 65- масс.%. Приданной концентрации суспензия имеет состав, аналогичный пульпе, проходящей стадию обезвоживания в промышленности.
В состав суспензии входил магнетитовый ЖРК и деионизированная вода.
Необходимое количество твердой и жидкой фаз рассчитывалось с поправкой на первоначальную влажность ЖРК, составлявшую 7.9 масс.%. Таким образом уравнение 5 было использовано для расчета состава суспензии с заданной концентрацией твердого.
Рассчитанное количество воды и ЖРК добавлялись емкость пульпы с мешалкой. После нескольких пробных запусков было определено, что высота пульпы не должна превышать высоту перегородок емкости для обеспечения надлежащего перемешивания и избежание расплескивания пульпы. Данного количества суспензии было достаточно для проведения одной серии фильтрации до полного заполнения емкости для сбора фильтрата, что позволяло совмещать опустошение емкости с замешиванием суспензии. Мешалка включалась сразу после добавления суспензии в емкость и далее перемешивание не прекращалось до опустошения емкости.
Подготовка установки Основная часть подготовительных операций была проведена в течение пробных запусков экспериментальной установки. Длительность большинства операций по настройке и калибровке оборудования требовали значительных временных затрат и наработки навыков контролирования установки. Калибровка оборудования, обеспечивающая его бесперебойную работу в течение всего эксперимента, включала в себе следующие мероприятия: смазка редуктора мешалки, протягивание хомутов на шлангах, настройка положения скребков и датчиков уровня пульпы, настройка шаровых кранов питания пульпы и крана, регулирующего самотек из ванны фильтра.
Период вращение главного вала был выбран равным 34 секундам в соответствии с руководством пользователя промышленным вакуумным дисковым керамическим фильтром Оутотек, где период вращения 30 секунд соответствовал максимально допустимой скорости вращения. При настройке скорости вращения главного вала возникало большое количество сложностей, связанных с отсутствием тонкой настройки скорости вращения вала. Далее, рубашка емкости с мешалкой подключалась непосредственно к источнику холодной воды, к которому так же был подключен эжектор для экономного потребления водопроводной воды.
Таким образом, основные параметры установки были выбраны в соответствии с описанием выше и оставались неизменными при всех экспериментах. В случае, если настройки аппаратуры сбивались, оборудование калибровалось заново в соответствии с выше описанными параметрами.
Подготовка фильтровальных пластин Проницаемость неиспользованных пластин сразу после их изготовления была крайне низкой, что обуславливало необходимость проведения процедур для повышения проницаемости. С этой целью была использована последовательность действий, описанная в главе 2.4, а именно с использованием обратной промывки и ультразвука.
Пластины вымачивались в воде для заполнения пор жидкостью и обеспечения действия капиллярного эффекта, но было выявлено, что вымачивание в чистой воде приводит к снижению проницаемости. Тем не менее, выдерживание пластин 5%-ном растворе азотной и щавелевой кислоты позволило увеличить проницаемость всех пластин. Например, проницаемость пластины № возросла с 3.4 до 6 м3/м2чатм после 5 дней в растворе кислот. В результате для большинства пластин удалось достичь уровня проницаемости выше 5. м3/м2чатм, заявленных в руководстве пользователя промышленных вакуумных дисковых капиллярный фильтров.
3.7 Методика измерения проницаемости с использованием лабораторного В целях максимально точного контроля изменения проницаемости фильтра была разработана процедура ее измерения с использованием лабораторного фильтра. Данная процедура содержала ниже описанные этапы:
1. Пластина, подготовленная к экспериментам, фиксировалась на главном валу фильтра. При этом для каждого эксперимента выбиралась ранее не использованная пластина, для исключения 2. Давление обратной промывки устанавливалось на уровне 1 атм.
3. На весы для емкости осадка устанавливалась пустая емкость для 4. Штуцер слива ванны фильтра открывался для обеспечения прямого слива жидкости на емкость, расположенную на весах.
5. Главный вал останавливался в таком положении, когда был обеспечен непосредственный слив фильтрата в емкость на весах.
6. Подача жидкости обратной промывки начиналась непосредственно с менялась или проходила повторную процедуру регенерации, с использованием ультразвука, кислот и длительной обратной промывки. Получаемые в результате измерений графики отображены на рисунке 33, где наглядно видна сходимость измерений для всех пластин.
Cumulated liquid, kg Рисунок 33 – Зависимость массы собранной жидкости о времени (P=1 атм, Проницаемость рассчитывалась с использованием уравнения 2.
Результаты первоначальных измерений проницаемости для всех пластин представлены в таблице 2, из которой исключены данные для неиспользованных пластин 5 и 9, поврежденных в ходе пробных запусков установки.
Таблица 2 – Начальная проницаемость пластин (P=1 атм, T=20°C) Пластина Поток фильтрата, Рабочая площадь, Главной целью регенерации способом обратной промывки является закупоривания поверхностных пор перегородки. В соответствии с этим, для эффективной обратной промывки было достаточно минимального проникновения фильтрата из внутренней структуры пластины. Таким образом, в пульпу проникало минимальное количество фильтрата, снижающего концентрацию твердого в суспензии (оценка стадии промывки показала, что за каждый час эксперимента в суспензию проникало около 600 грамм фильтрата, уже необходимое давление обратной промывки составляло 1.8 – 2.2 атм. Отсюда были выведены два главных условия для проведения обратной промывки: давление 1. – 2.2 атм и минимальное проникновение фильтрата обратно в суспензию на стадии регенерации.
Пробная настройка обратной промывки показала, что необходимо уменьшение длительности промывки для предотвращения истекания фильтрата в ванну с суспензией. В то же время пропускная способность редуктора давления на линии обратной промывки не позволяло достигнуть минимально необходимого давления жидкости на пластине (рисунок 34), когда давление на редукторе распределительного клапана в режим промывки выставлялась на значение менее 1 секунды.
Наличие цикла обратной промывки стало причиной возникновения сложности, связанной с корректность сбора данных о массе фильтрата. А именно, 3-х ходовой клапан распределения давления был произведен и включен в линию трубопроводов таким образом, что в момент переключения положения клапана с избыточного давления на вакуум в емкость сбора фильтрата попадала часть жидкости обратной промывки, учитываемая при этом как фильтрат. Количество этой жидкости за цикл оказалось соизмеримым с количеству фильтрата, извлекаемого из суспензии за тот же цикл. Таким образом, необходимо было найти способ оценки данного количества жидкости и внести поправку в экспериментальные данные.
В результата пробных запусков установки были подобраны следующие параметры работы оборудования, относящегося к обратной промывке: редуктор давления выставлен на давление 5.1 атм, продолжительность промывки – несколько миллисекунд.
Калибровка обратной промывки проводилась следующим образом: на весы для сбора осадка устанавливалась емкость для сбора жидкости с пластины, аналогично процессу сбора жидкости при измерениях проницаемости.
Продолжительность калибровки устанавливалась на 10 минут, чего было достаточно для получения данных для дальнейшей обработки.
Идея процесса калибровки заключалась в том, что установка включалась на режим разделения суспензии, но суспензия в ванне отсутствовала. То есть в емкость на весах под фильтром попадала жидкость обратной промывки, проникающая в суспензию при каждом цикле промывки, а в емкость для сбора фильтрата проникала жидкость, задерживающаяся в трубопроводах установки.
Получаемые данные из емкости для фильтрата вычитались из данных о массе собранного фильтрата во время разделения суспензии с использованием функции вычитания в Excel. По причине значительной продолжительности каждого эксперимента, нецелесообразно было проводить столь же длительную процедуру калибровки, а поправочные данные были получены с использованием линейного тренда в Excel для первых десяти минут измерений. Данная операция была признана приемлемой по причине отсутствия какого-либо влияния состояния фильтрующей перегородки на количество смешивающейся с фильтратом трубопроводов. Наглядно вычисления представлены на рисунке 35.
Рисунок 35 – Калибровка учета жидкости, разбавляющей суспензию во время обратной промывки: голубой – данные с весов о массе собранного за время разделения суспензии фильтрата, зеленый – данные с весов о массе собранной жидкости во время калибровки и продолженные с использованием функции линейного тренда в Excel, фиолетовый – данные о расчетном количестве фильтрата, полученные вычитанием данных зеленого графика из данных голубого (с учетом поправки на жидкость обратной промывки).
Большинство оперативных параметров лабораторной установки были окончательно определены и выставлены на этапе калибровки оборудования.
Калибровка обратной промывки и измерение проницаемости перегородки занимали приблизительно 30 минут, в то время как приготовленная суспензия уже находилась в емкости с включенной мешалкой. Процедура проведения экспериментов по разделению суспензии описана далее.
Емкость для сбора жидкости при калибровке обратной промывки заменялась на емкость для сбора осадка и устанавливалась на весы. Линия самотека из ванны фильтра направлялась на слив в емкость перемешивания суспензии. Мешалка в ванне фильтра устанавливалась на максимальную скорость для предотвращения осаждения твердой фазы. Весы обнулялись, а питание фильтра устанавливалось на автоматический режим, что обеспечивало открытие питающего клапана при фиксируемом снижении суспензии в ванне. Сбор и запись информации о протекающем процессе начинались при полном заполнении ванны фильтра. Тестируемый флотационный реагент добавлялся в емкость с пульпой в виде своего водного раствора, после чего включался таймер отсчета времени эксперимента.
По мере проведения пробный запусков было выявлено, что сбор информации с весов не является единственно достаточным для корректной интерпретации результатов эксперимента, поэтому была разработана форма сбора данных о протекающем процессе разделения, содержащая основные оперативные параметры процесса и суспензии. Пример формы представлен в приложении Г.
Ниже приведены комментарии к графам, содержащимся в форме:
Оперативные параметры Уровень вакуума. Использование вакуумного буфера позволило поддерживать постоянное разряжение на протяжении всех стадий Давление обратной промывки. В данной графе указывалось максимальное давление, достигаемое на главном валу во время Параметры суспензии Время забора пробы. Время заборы проб при отсчете с начала Концентрация твердого, %. Концентрация твердого измерялась вначале эксперимента и далее в течение каждого часа.
Параметры суспензии Параметры аналогичны суспензии с фиксированием влажности осадка вместо концентрации твердого.
Все манипуляции и событие, происходившие во время проведения эксперимента фиксировались в его Хронологии. Примером такой манипуляции является обновление суспензии или опустошение емкости сбора фильтрата.
Время событий фиксировалось в соответствии с временем эксперимента для возможности сопоставления событий с теми или иными изменениями, проявляющимися на графиках, отображающих ход процесса разделения суспензии.
Пример формируемого слоя осадка на пластине представлен на рисунке 36. Процесс разделения нуждался в непрерывном контроле оператора посредством визуального наблюдения, непосредственного или через систему видео мониторинга. Закупоривание отверстия разгрузки осадка и опустошение ванны фильтра являлись наиболее частыми проблемами в течение всего эксперимента. Другим немаловажным аспектом являлась процедура сбора проб для измерения влажности осадка и концентрации твердого в суспензии. Описание данной процедуры приведено далее.
Отбор проб включал в себя одновременный забор суспензии и осадка через каждые 45 минут во время проведения эксперимента и отмечался в хронологии эксперимента. Основной задачей отбора проб являлся сбор информации о концентрации твердого в пульпе и определение ее влияния на показатели процесса разделения, такие как производительность фильтра и влажность осадка.
Данная информация позволяла получить дополнительную информацию о ходе фильтрации и учесть свойства суспензии и осадка.
На рисунке 37 показано, что отбор проб с питающего штуцера был затруднен, так как штуцер находился ниже уровне пульпы в ванне фильтра во время его работы. Отбор из линии рециркуляции и линии самотека был найден наиболее удобным. Однако, концентрация твердого в суспензии, взятой из разных источников, могла различаться ввиду технологических особенностей оборудования.
Рисунок 37 – Способы отбора проб: A – из линии рециркуляции, B – самотек, C Для определения приемлемого источника проб суспензии и дальнейшей надежной обработки данных был сделан сравнительный анализ суспензии из каждого источника. С этой целью во время проведения пробного эксперимента одновременно были взяты пробы по каждому методу без изменения оперативных параметров системы, что обеспечивало постоянность состава суспензии, прокачиваемого в ванну фильтра, а разница в концентрации твердого каждой пробы была обусловлена особенностями распределения суспензии в по объему установки и трубопроводов. Результаты данного анализа представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Концентрация твердого в суспензии, отобранной из разных источников Результаты анализа показали, что концентрация твердого в пульпе из линии самотека оказалась наиболее высокой, что может быть объяснено сгущением пульпы у дна ванны в результате недостаточного перемешивания. С другой стороны, пробы, взяты поверхности ванны фильтра содержали наименьшую концентрацию твердого в результате быстрого осаждения тяжелых твердых частиц. В свою очередь пробы из линии рецикла и питающего штуцера были практически идентичны по содержанию твердого, и данные показатели принялись как средняя концентрация твердого в суспензии по системе. Данный факт также подтверждает отсутствие застойных явлений в питающем клапане фильтра. Ввиду удобности забора проб и приемлемости показателей по суспензии, было принято решения все пробы брать и линии рецикла.
Пробы осадка забирались непосредственно из отверстия разгрузки фильтра, что обеспечивало постоянность периода забора осадка в течение фильтрационного цикла, а именно, полное завершение стадий формирования и обезвоживания осадка, непосредственно влияющих на его влажность.
После отбора пробы взвешивались и помещались в печь на три часа при температуре 150°C для полного испарения жидкости. Далее массы сухих образцов взвешивались снова и концентрация твердого и влажность осадка рассчитывались при использовании выражений 6 и 7 с дальнейшим фиксированием в протоколе проведения эксперимента.
Важной особенностью проведения экспериментов было использование различных реагентов, добавляемых в суспензию, при этом необходимо было исключить смешивание реагентов, тестируемых в разных экспериментах. С этой целью после каждого эксперимента емкость с мешалкой и ванна фильтра тщательно промывались водой и горячим водяным паром. Потоком горячей воды промывались системы трубок и клапанов установки до исчезновения твердых частиц в жидкости.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты экспериментов Для исследования влияния флотационных реагентов на материал керамических вакуумных дисковых фильтров при разделении суспензии ЖРК полнофункциональные эксперименты по разделению суспензии были выполнены с использованием описанной экспериментальной установки и методики. В качестве испытуемых реагентов были использованы: растворимый крахмал, депрессор Депрамин Ц, коллектор Флотигам 2835-2Л, вспениватель метилизобутилкарбинол, трансмиссионной масло. Далее представлены результаты экспериментов [73].В целях получения опорных данных по разделению суспензии было проведено два опорных эксперимента без добавления реагентов. Важно, что оба теста показали наличие существенного падения проницаемости.
Протокол эксперимента представлен в приложении Г. В данном разделе будет дана интерпретация результатов одновременно с разъяснением общих принципов анализа получаемых в ходе исследования.
Наиболее значимая информация о ходе экспериментов собиралась с весов, фиксировавших массу собранного фильтрата и осадка. Однако в ходе экспериментов было выяснено, что графики массы фильтрата и осадка должны объясняться при одновременном использовании информации о свойствах суспензии. На рисунке 37 представлен результат анализа калибровочного теста.
На графике учтена информация о концентрации твердого в пульпе, влажности осадка, а так же хронология эксперимента. Подобным образом формировались графики для всех экспериментов по фильтрации.
Наиболее удобным и информативным для рассмотрения результатов экспериментов был определен график в осях Собранная масса (Cumulative mass) и Время (Time), так как с точки зрения оценки степени засорения фильтра проницаемость являлась важнейшим параметром. В свою очередь, изменение проницаемости могло быть оценено через изменение угла наклона графика собранного фильтрата. Иными словами, угол наклона касательной к графику собранного фильтра или его первая производная по времени является зависимостью величины потока фильтрата от времени эксперимента.
График массы собранного осадка, по большей мере, имеет второстепенное значение, и используется для более тщательной интерпретации изменений в величине потока фильтрата через фильтрующую перегородку. Масса осадка, образующегося в ходе разделения суспензии, была большей, чем масса фильтрата, поэтому оценка этих данных способствовала более тщательному анализу эффективности разделения.
Рисунок 37 – Калибровочный тест 1 (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) На графике 37 видно, что имеет место критичное снижение величины потока фильтрата при отсутствии обратной промывки. Напротив, проницаемость перегородки увеличивается сразу после начала регенерации фильтра. Данное явление разъяснено на рисунке 38, где первый час эксперимента представлен в меньшем масштабе и большем количестве деталей. На графике видно, что снижение проницаемости пластины наблюдается в течение первых 10 минут, после чего графики для фильтрата и осадка приобретают линейный характер.
Рисунок 38 – Калибровочный тест 1, первый час (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, График на рисунке 38 показывает, что в момент времени 1: (часы:минуты) имеет место изменение угла наклона на кривой осадка и фильтрата. Этому моменту соответствует обновление суспензии в накопительной емкости, что объясняет изменение характера процесса и связано с уменьшением концентрации твердого в разделяемой пульпе. Отсюда следует снижение количество отделяемого осадка. Однако падение величины потока фильтрата объясняется уменьшением количества фильтрата, подающегося в вакуумную емкость-накопитель в течение фазы обезвоживания осадка. Снижение толщины осадка на пластины также вызвало снижение его конечной влажности. На основании полученных результатов было установлено, что поддержание постоянного состава суспензии играет важную роль в достоверности дальнейшего анализа результатов. С этой точки зрения использование быстро испаряющего оборудования для определения влажной и сухой масс образцов необходимо для своевременной коррекции концентрации твердого в суспензии. При следующем обновлении суспензии удалось сохранить концентрацию твердого без критичного изменения, и как результат, отсутствие перелома графика фильтрата и осадка в 4:30. Вышеприведенное объяснение представлено здесь для описания основных принципов интерпретации графиков с использованием протоколов экспериментов с информацией о суспензии и осадке.
Для изучения влияния обратной промывки на процесс разделения в самом конце эксперимента промывка была отключена. На графике видно, что поток фильтрата значительно снизился в 7:12, что свидетельствует о значительном положительном влиянии регенерации на материал керамических фильтров.
Обратная промывка была снова включена через 10 минут перед окончание эксперимента для восстановления проницаемости перегородки перед ее измерением. Результаты измерения проницаемости представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Падение проницаемости в Калибровочном тесте 1 (P=1 атм, T=20°C) Падение проницаемости в 38% было определено как значительное в сравнении с результатами дальнейших измерений. Это было объяснено выключением обратной промывки в конце фильтрования. В связи было решено повторить калибровочный тест без вариаций с исключением того или иного цикла в фильтрации.
Результаты второго калибровочного теста представлен на рисунке 39, а протокол эксперимента в приложении Г. Концентрация твердого в суспензии была выше во время второго теста, и были сделаны следующие наблюдения: на графиках не было найдено точек перегиба, даже при различии концентрации твердого в пульпе при ее обновлении.
Рисунок 39 – Калибровочный тест 2 (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) Результаты проведения измерений проницаемости представлены в таблице 5.
Таблица 5– Падение проницаемости в Калибровочном тесте 1 (P=1 атм, T=20°C) Проницаемость начальная, м3/м2 ч атм 6. Проницаемость конечная, м /м ч атм 4. Вопреки ожиданиям, второй калибровочный тест показал то же значительное падение проницаемости и потока фильтрата через керамическую перегородку. Не было обнаружено никаких очевидных факторов, которые могли бы вызвать столь значительное снижение данных показателей. Деионизированная вода использовалась для приготовления суспензии. Возможно, снижение проницаемости в экспериментах в чистой суспензией связано с факторами, не относящимися к тестируемым флотационным реагентам, но связанным непосредственно с суспензией и взаимодействием частиц твердого с материалом фильтра. Результаты, полученные в калибровочных тестах, должны быть приняты во внимание в дальнейших исследованиях разделения суспензий ЖРК при использовании керамических фильтров.
После испытания Флотигам 2835-2Л был сделан вывод о положительном влиянии данного коллектора на поддержание проницаемости керамической перегородки. Данный реагент был добавлен в суспензию после 30 минут перемешивания, когда суспензия была уже надлежащим образом взвешена, и начался процесс разделения. С первых минут после добавления реагента началось активное пенообразование в емкости с мешалкой (рисунок 40). Значительное количество пены проникло в ванну фильтра и повлияло на образование осадка, как это показано на рисунке 40, а именно, снижением массы образующегося осадка за счет образования полостей в его структуре.
Рисунок 40 –Образование пены (слева), пузырьки и полости в структуре осадка Через 30 минут после начала разделения суспензии все оборудование, контактировавшее с суспензией покрылось пленкой суспензии (рисунок 41). Есть предположение, что данная пленка в основном состояла из кремнезема, так как функционал данного реагента непосредственно направлен на связь кремнезема и удаление его из пульпы, а анализ состава используемого ЖРК показал наличие в нем кремнезема. Предполагалось повышение влажности осадка, но анализ показал, что влажность осадка осталась без существенных изменений, а максимального значения влажность достигла в конце эксперимента и оказалась на отметка 8.83%.
Рисунок 41 – Вид суспензии во время разделения суспензии, содержащей График и результата эксперимента представлены на рисунке 42.
Протокол эксперимента представлен в приложении Г.
Рисунок 42 – Флотигам 2835 (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) Анализ эксперимента с Флотигамом говорит о том, что концентрация твердого в пульпе варьировалась при каждом ее обновлении. Однако полученные графики не выявляют каких-либо значительных изменений в производительности фильтра и величине потока фильтрата. Единственным нетипичным искривлением графиков стало их искривление в середине эксперимента, когда возникла проблема с охлаждением питающей емкости. В данный момент температура суспензии увеличилась до 32.2 °C в момент времени 3:30, а затем снова снизилась до нормального значения 17 °C. Данный инцидент явно продемонстрировал влияние температуры и вязкости жидкости в суспензии на величину потока фильтрата и производительность фильтра.
В свою очередь, поведение системы на первоначальном этапе совпадает со всеми экспериментами, а именно, на первоначальной стадии процесс сопровождается снижением проницаемости керамической перегородки в течение первых 10 минут и дальнейшей стабилизацией показателей разделения (рисунок 43).
Рисунок 43 – Флотигам 2835 (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) Общее падение проницаемости фильтрующей пластины вначале и в конце эксперимента представлено в таблице 6 установлено как 21%, что является вдвое меньшим показателем относительно калибровочного теста.
Таблица 6 – Падение проницаемости в Флотигам тесте (P=1 атм, T=20°C) подтверждает результаты лабораторных исследований, и Флотига действительно предотвращает преждевременное засорение керамической фильтрующей перегородки. В добавление необходимо отметить, что на этапе анализа литературы не было найдено каких либо сведений о негативном влиянии аминов (Флотигам состоит в основном из аминов) на керамический материал. Возможные механизмы влияния Флотигама представлены далее вместе с результатам СЭМСЭД анализа.
В течение лабораторных исследований в растворах было обнаружено, что раствор МИБК серьезно снижает проницаемость фильтрующего материала.
пенообразование (рисунок 44), но характер пены отличался от пены в эксперименте с Флотигамом. Пена в текущем эксперименте не была насыщена твердыми частицами и не оседала на оборудовании. Влажность осадка так же не повысилась с добавлением вспенивателя.
Рисунок 44 –Пена в эксперименте с МИБК (слева) и структур осадка (справа) Структура осадка отличалась наличием полостей, образовавшихся на стадии формирования осадка в результате наличия пены. Однако средний диаметр полостей был визуально меньше по сравнению с апредыдущим экспериментом.
Результаты эксперимента представлены на рисунке 45.
Рисунок 45 – Метилизобутилкарбинол (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) Эксперимент с МИБК был проведен в два этапа. После 5-ти часового процесса разделения был сделан 12-ти часовой перерыв в целях проверки влияния МИБК на керамический материал в отсутствии потока фильтрата. В результате было зафиксировано резкое падение в производительности фильтра по осадку, что означало снижение проницаемости даже в отсутствии потока фильтрата аналогично испытаниям в растворах. Отсутствие перепада давления так же исключало закупоривание пор мелкими твердыми частицами.
На начальной стадии эксперимента с МИБК (30 минут) было зафиксировано характерное для всех экспериментах падение проницаемости (рисунок 46) Рисунок 46 – Метилизобутилкарбинол, начальная стадия (P=-0.96 атм, Результаты измерения проницаемости в начале и в конце эксперимента представлены в таблице 7. Отчет о проведении эксперимента представлен в приложении Г.
Таблица 7 – Падение проницаемости в МИБК тесте (P=1 атм, T=20°C) Падение проницаемости на 80% стало максимально в сравнении со всеми остальными экспериментами и подтвердило ожидания насчет крайне негативного влияния МИБК на керамический материал. В то же время данный эксперимент длился вдвое дольше, что частично объясняло столь высокую степень падения проницаемости. Тем не менее, увеличение сопротивления фильтровальной пластины в отсутствие потока фильтрата, изменение угла наклона графика фильтрата и его перегиб в точке 5:00 явно свидетельствуют о необратимом засорении фильтра, не связанном с закупориванием пор твердой фазой. Угол наклона графика фильтрата изменялся в сторону уменьшения потока фильтрата на протяжении всего эксперимента, что подтверждает постепенное увеличение сопротивления фильтрующей перегородки, вызванное ее засорением. Влияние спирта объясняется в теоретической части данного исследования, как взаимодействие гидроксильных групп с активными центрами на керамической поверхности. Для подтверждения или опровержения данного предположения необходимо проведение дальнейших исследований в области механизмов взаимодействия спиртов и алюмины. Возможным способом проверки влияния взаимодействия алюмины с данным типом реагентов является использование модифицированной керамики, не реагирующей с гидроксильными группами.
Стандартная методика проведения экспериментов была применена для эксперимента с депрессором Депрамин. Раствор реагента был приготовлен в теплой воде и перемешивался в течение 24 часов перед добавлением в суспензию.
Раствор был добавлен на 8-й минуте эксперимента, результаты которого представлены на рисунке 47.
Рисунок 47 – Депрамин (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) Величина потока фильтрата упала до нуля уже после 4 оборотов коллекторного вала после добавления реагента. Количество формируемого осадка представлено на рисунке 48.
Рисунок 48 – Влияние Депрамина на формирование слоя осадка На поверхности пластины уже за 2 минуты фильтрации образовался липкий слой, который не удалялся при воздействии обратной промывки, а требовалось механическое воздействия для его удаления. Тем не менее, очистка поверхности фильтра от осажденного на ней гелевого слоя не способствовала увеличению потока фильтрата.
В течение 10-ти минут после окончания перемешивания поверхность пульпы покрылась тонким желтым слоем неопределенного состава, что изображено на рисунке 49. В то же время, основная часть пульпы свой цвет не изменила.
Рисунок 49 – Вид суспензии после остановки перемешивания Результаты измерения проницаемости представлены в таблице Таблица 8 – Падение проницаемости в тесте Депрамином (P=1 атм, T=20°C) Падение проницаемости величиной 21% являлось наименьшим в серии проведенных экспериментов, включая тест с Флотигамом. Таким образом, наблюдалось резкое с потока фильтрата при одновременном минимальном снижении проницаемости, измеренной методом обратной промывки. Данный феномен объясняется пагубным влиянием КМЦ (основным компонентом Депрамина) на верхний слой фильтрующей перегородки, а именно, «склеивание»
пор внешнего слоя и ухудшение «всасываемости». Однако этой слой никак не влияет на поры, расположенные в глубине пластины фильтра, а падение проницаемости на 21 % вызвано первоначальным падением проницаемости, типичным для всех тестов. Падение проницаемости также незначительно в сравнении с калибровочным тестом, что объясняется отсутствием длительной фильтрации и проникновения особо мелких частиц твердой фазы в глубину способными критически снизить производительность фильтра. Механизм влияния данного реагента должен быть изучен в будущем, так как КМЦ позиционируется как потенциальная замена многим современным депрессорам.
Результаты эксперимента с трансмиссионным маслом представлены на рисунке 50 и в приложении Г.
На графике наблюдается существенное искривление угла наклона графика для осадка и фильтрата в промежутке времени между 2:45 и 3:55, когда была временно отключена обратная промывка для изучения ее влияния на процесс разделения и определения степени закупоривания пор частицами твердой фазы, меньшими чем диаметр пор. В результате было обнаружено значительное снижение на 50% в производительности фильтра по осадку и фильтрату в отсутствие стадии регенерации. Однако повторное включение обратной промывки позволило вернуть показатели разделения на уровень, близкий к начальному.
Рисунок 50 – Трансмиссионное масло (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) Результаты измерения проницаемости представлены в таблице 9.
Таблица 9 – Падение проницаемости в тесте трансмиссионным маслом (P=1 атм, Итак, результаты экспериментов говорят о том, что степень влияния трансмиссионного масла на проницаемость керамического материала умеренная, и зарегистрировано падение проницаемости меньшее, чем в калибровочном тесте.
Необходимо отметить, что дозировка масла составила 1000 г/т твердой фазы.
Однако в случае с маслом его количество в пульпе определяется только масштабом неисправности оборудования, в последствии которого происходит утечка смазочного материала.
Изменение технологических параметров в течение разделения внесло значительные искажения в графики для осадка и фильтрата, что должно быть учтено при дальнейшем анализе результатов теста и при сравнении их в общем объеме исследований. Таким образом, основными выводами о результатах теста является заключение о влиянии обратной промывки на производительность фильтрации.
На фоне резко отрицательных результатов опыта с Депрамином Ц и схожести его функций с крахмалом, как реагентов-депрессоров, ожидалось наличие пагубного влияния крахмала на процесс фильтрования. Растворимый крахмал был замешан в горячей воде для обеспечения процесса его желатинизации и далее поставлен на перемешивание в течение одного часа. Для обеспечения возможности отслеживания резкого падения проницаемости крахмал был добавлен в суспензию спустя несколько минут после начала фильтрации.
Однако резкого снижения проницаемости не последовало, а гидравлическое сопротивление достигло недопустимо низкого значения к 6-му часу эксперимента. Результаты эксперимента представлены на рисунке 51.
Постепенное, но достаточно быстрое снижение проницаемости подтверждается непрерывным изменением угла наклона кривой осадка и фильтрата с выходом их в параллель с осью абсцисс, что свидетельствует о значительном снижении скорости фильтрации.
Рисунок 51 – Крахмал (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с) Подобно тесту с Депрамином, падение проницаемости проявилось уже через 5-6 циклов фильтрования после добавления крахмала в пульпу, что проиллюстрировано на рисунке 52.
Рисунок 52 – Крахмал, начало фильтрования (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, Общее падение проницаемости представлено в таблице 10, а отчет о ходе эксперимента в приложении Г.
Таблица 10 – Падение проницаемости в тесте крахмал (P=1 атм, Общее падение проницаемости в 79%, что приближено к максимальному значению по результатам данного исследования. Кроме того, влияние крахмала на керамический материал проявлялось постепенно в течение всего эксперимента, что свидетельствует о необратимом закупоривании пор в глубине фильтра, что так подтверждается значительно возросшим сопротивлением, измеренным методом обратной промывки. Механизм влияния крахмала будет изучен далее.
По результатам эксперимента были отобраны три ключевых показателя, позволяющие судить о степени засорения фильтровальной перегородки в каждом эксперименте:
Накопленная масса фильтрата, Накопленная масса осадка, Относительное падение проницаемости.
Данные показатели сравнивались между собой для каждого эксперимента.
Тем не менее, заключение о степени влияния флотореагентов не могло быть основано исключительно на этих данных, т.к. начальная проницаемость пластин и концентрация твердого в суспензии различалась для каждого из экспериментов.
Таким образом, при целостном анализе влияния реагентов учитывалась совокупность полученных в результате экспериментов данных. Сравнительная зависимость накопленного фильтрата во времени для каждого эксперимента представлена на рисунке 53.
Рисунок 53 – Общий график, масса фильтрата. (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, Обобщенные результаты для осадка представлены на рисунке 54.
Рисунок 54 – Общий график, масса осадка. (P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, Сравнительная диаграмма для падения проницаемости в каждом эксперименте так же представлена на рисунке 55 в удобном для сравнительного анализа виде.
Рисунок 55 – Падение проницаемости. (P=1 атм, T=20°C) На графике для фильтрата отчетливо видно, что наиболее линейным характером обладает кривая для калибровочных тестов, что свидетельствует о минимальном снижении величины потока фильтрата. Данное наблюдение наиболее наглядно выражено при сравнении кривых для второго калибровочного теста и эксперимента с МИБК, где в течение первых пяти часов фильтрования накопленная масса фильтрата была выше для МИБК, однако влияние флотореагента вызвало его снижение и пересечение фиолетового и зеленого графиков с дальнейшим падением проницаемости в тесте с МИБК, что так же подтверждается возрастанием гидравлического сопротивления на 80%.
С другой стороны, первоначальная проницаемость пластины в тесте с Флотигамом была ниже, чем в калибровочных тестах, вследствие чего соответствующая кривая расположена ниже соответствующих калибровочным экспериментам кривых. Однако к 8-му часу фильтрации кривая Флотигама вплотную приближается к результатам 2-го калибровочного эксперимента, что позволяет прогнозировать дальнейшую положительную динамику накопления фильтрата. Более того, относительное падение проницаемости для Флотигама значительно меньше аналогичного значения для чистой суспензии (21% против 38%).
трансмиссионным маслом всего на 30% выше минимального значения, что не может быть названо значительным. Одновременно график для масла расположен ниже кривых, соответствующих уже вышеупомянутым реагентам. Это объясняется наличием «сдвига» кривой в результате отключения обратной промывки в середине эксперимента с маслом, итогом которого стало временное значительное снижение проницаемости перегородки и величины накапливаемой массы фильтрата. При отсутствии данного сдвига можно предполагать о близости пролегания кривой масла (голубая) к МИБК-графику (коричневая). Это свидетельствует об ошибочности принятого решения отключить на время обратную промывку с точки зрения точности дальнейшей интерпретации результатов.
Наиболее показательным в рамках анализа снижения проницаемости фильтра является график для эксперимента с крахмалом. Оранжевая кривая демонстрирует выход в плоскость, соответствующую нулевому потоку фильтрата, к завершительной стадии эксперимента. В соответствии с результатами для осадка и фильтрата относительное падение проницаемости составило близкое к максимальному значение в 79%. Данные результаты свидетельствуют о крайне пагубном влиянии содержащихся в пульпе примесей крахмала на керамический материал фильтра.
Графики для Депрамина Ц не приведены в общей совокупности результатов, т.к. данный эксперимент продлился не более 10 минут, а влияние флотореагента признано очевидным.
В итоге, наиболее показательным, с точки зрения тенденции уменьшения проницаемости фильтровальной перегородки, стал график для эксперимента с крахмалом, что подтверждается также результатами анализа собранной массы осадка, где профиль кривой подобен профили кривой массы фильтрата.
Относительное падение проницаемости 79% так же подтверждает высокую степень влияния суспензии с примесью крахмала на керамический материал фильтра и его закупоривание.
Касательно эксперимента с МИБК было отмечено, что величина потока фильтрата стала снижаться в течение последней стадии эксперимента. Данное снижение проницаемости также подтверждается относительным падением проницаемости перегородки. Однако поведение кривой для массы осадка не выявляет какого-либо значительного снижения в производительности фильтра.
СЭМ и СЭД анализы пластины, испытанной с МИБК были проведены для объяснения возможных причин и механизмов засорения фильтрующего материала. Результаты анализа представлены в следующей главе 4.8.
Итак, данные о калибровочных тестах, экспериментах с Флотигамом и маслом не являлись достаточными для окончательных выводов. В дополнение, изменение оперативных параметров в эксперименте с маслом не могло обеспечить подобие экспериментов друг другу, что делало данный тест несопоставимым со всей серией экспериментов.
Измерение проницаемости было определено как наиболее приемлемый способ сравнения степени засорения фильтровальной перегородки. Однако в эксперименте Депрамином снижение потока фильтрата не соответствует величине падения проницаемости. Есть предположение, что столь резкое снижение производительности скорее связано с образованием гелевого слоя на поверхности фильтра.
Падение проницаемости в калибровочных тестах было определено как весьма значительное, что могло стать причиной закупоривания пор частицами предположения был выполнен СЭМ-СЭД анализ структуры фильтров.
Результаты теста с Флотигамом сходятся с результатами тестов в водных растворах. Объяснение данного эффекта приведено в главе 4.8.
Сравнительный анализ результатов экспериментов по фильтрации и экспериментов в водных растворах.
проницаемости, которое было основано на сравнении гидравлической проницаемости в начале и в конце эксперимента. Данный параметр сравнивался для каждого типа реагентов кроме крахмала, т.к. крахмал не испытывался в вводном растворе. Результаты сравнительного анализа представлены на рисунке 56. Температура воды при измерениях проницаемости составляла 16°C для первой серии и 20°C для второй серии экспериментов. При расчете проницаемости показатели приводились к 20°C во избежание погрешности, вызванной различием в вязкости воды при различных температурах. В обеих сериях экспериментов использовался одинаковый тип материала фильтра.
Рисунок 56 – Сравнение результатов между сериями. (P=1 атм) На диаграмме представлено, что результаты для калибровочного, Флотигам и МИБК тестов сопоставимы между собой. Падение проницаемости для калибровочного теста даже выше в серии экспериментов в водных растворах.
Данное явление неоднократно проявлялось в ходе исследования, и требует дальнейшего изучения.
Степень падения проницаемости для Депрамина при тесте в водном растворе 71% против 21%. По мнению автора, данная разница вызвана разницей во времени контакта керамического материла с реагент-содержащей субстанцией.
В случае с фильтрованием время контакта не превысило и 10 минут, в то время как в лабораторных испытаниях время контакты превысило 258 часов. В рамках данного предположения можно сделать вывод о наличии взаимодействия активных компонентов данного депрессора и его негативном влиянии на проницаемость керамической перегородки.
Сканирующая электронная микроскопия Сравнительный анализ производительности фильтра по фильтрату и осадку демонстрирует только общие тенденции в поведение системы суспензияфильтр, но для определения механизма засорения материал были проведены СЭМ и СЭД анализ материала использованных фильтров. Пластины были разломаны на приемлемые образцы для проведения анализа наружной и внутренней поверхностей (анализ поперечного сечения).
Внешняя поверхность фильтра при увеличении 2000 представлена на рисунке 57.
Рисунок 57 – Поверхность фильтровальных пластин Заметно, что пластина, использованная с Флотигамом, обладает наибольшей поверхностью не закупоренных пор по сравнению. Напротив, материал фильтра из МИБК теста закупорен практически полностью, что сходится с результатами измерений проницаемости поверхности пластин.
Количество закупоренных пор на секциях 3 и 4 примерно совпадает, однако существует заметная разница в природе осаждений. В тесте с Депрамином осаждения представляют собой мелкие острые, крайне диспергированные по поверхности. В то время как пластина 4 покрыта гладким, который предположительно имеет маслянистую природу. Срез поперечного сечения представлен на рисунке 58.
Рисунок 58 – Внешний слой поперечного сечения пластины Все исследованные пластины содержали твердые частицы мелкого диаметра в глубине пор. Тем не менее, в случае с Флотигамом эти средний размер этих частиц был крупнее и они не проникали в глубину пластины. Мелкие частицы в пластинах 2 и 4 были обнаружены на глубине слоя более 50 мкм, причем количество частиц в случае с МИБК намного большее. Пластина после теста с Депрамином содержит частицы, сходные по размеру с пластинами 2 и 4, но в меньшем количестве.
Было выдвинуто предположение, что мелкие частицы являются оксидом кремния, который проникал в глубину пор материала фильтра при разделении.
Данное предположение было сделано на основании факта обнаружения меньшего количества мелких частиц в порах Флотигам-пластины, в то время как данный реагент является коллектором оксида кремния, вынося мельчайшие его частицы на поверхность суспензии, чем частично снижая его содержание в основной массе суспензии. Следовательно, частицы кремнезема в меньшей степени блокируют поры и только крупные частицы проникают в самые верхние слои материала, откуда могут быть удалены с помощью обратной промывки. В случае с коротким тестом с Депрамином мелкие частицы не успели проникнуть в глубину перегородки. Данное предположение подтверждается СЭД анализ поперечного сечения пластины, представленного на рисунке 59, где пластины 2 и 4 отличаются высоким содержанием молекулярного кремния.
Рисунок 59 – Спектроскопия энергетической дисперсии поперечного Необходимо отметить, что кремний входит в состав керамического материала, однако его содержание значительно больше на пластинах и МИБК и масляного тестов.
Содержание кремния на поверхности представлено на рисунке 60.
Рисунок 60 – Спектроскопия энергетической дисперсии поперечного СЭД-анализ поверхности подтверждает более высокое содержание кремния на поверхности керамических фильтров для экспериментов с МИБК и трансмиссионным маслом, так же обнаруживая значительно содержание данного элемента в гелевом слое Депрамина.
Так как все флотореагенты содержат достаточное большое количество углеродсодержащих компонентов, необходимо было сравнить содержание углерода в структуре каждого фильтра. СЭД анализ на содержание углерода представлен на рисунке 61.
Рисунок 61 – Спектроскопия энергетической дисперсии СЭД анализ поперечного сечения пластин на содержание углерода представлен на рисунке 62.
Рисунок 62 – Спектроскопия энергетической дисперсии поперечного сечения:
Общее содержание углерода близко по своему значению для всех пластин.
Содержание углерода для поверхностных пор выше для МИБК и масла, ниже в структуре пластины с Депрамином, в то время как содержание углерода значительно выше для Флотигама.
На основе данных наблюдений можно подытожить, что присутствует значительное количество кремния и углерода для пластин, использованных с МИБК и маслом. Данный факт косвенно свидетельствует о наличии аномального количества частиц суспензии и реагентов, осевших на стенках пор пластин, уменьшив их средний диаметр, за счет чего возросло гидравлического сопротивление перегородки в целом и стало причиной значительного снижения производительности данных фильтров.
Разработка математической модели Математическая модель процесса была получена на основании дифференциального уравнения для скорости фильтрования [3]:
– продолжительность фильтрования (с), – константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки (м3/м2), – константа фильтрования, учитывающая режим процесса и физикохимические свойства осадка и жидкости (м3/м2), Для каждого отдельно взятого эксперимента константа разделения К, связанная с удельным сопротивлением осадка и режимом процесса остается неизменной.
фильтрующую перегородку 1 м3 фильтрата (кг/м3), сопротивление фильтрующей перегородки, изменяется в сторону увеличения удельного гидравлического сопротивления перегородки.
– удельное сопротивление фильтрующей перегородки (м/м2), Таким образом, основной задачей при выводе математической модели процесса стало определение зависимости, описывающей изменение гидравлического сопротивления перегородки во времени.
В ходе экспериментов было выявлено, что наиболее полную информацию о процессе разделения суспензии несет в себе зависимость кумулятивной массы фильтрата и осадка в зависимости от времени эксперимента, позволяющая получить необходимую информацию на стадии обработки данных эксперимента.
В результате обработки данных эксперимента по разделению суспензии ЖРК, не содержащей флотационных реагентов был получен массив данных о процессе, позволяющий провести дальнейший анализ показателей эксперимента.
При преобразовании обобщенного уравнения фильтрования для непрерывного процесса с постоянной разностью давления на перегородке относительно ее сопротивления была выведена зависимость, позволяющая оценить величину гидравлического сопротивления фильтра в любой момент фильтрования:
На основе Уравнения 11 и экспериментальных данных о проницаемости была получена зависимость величины собственного удельного сопротивления фильтрующей перегородки от времени разделения, характеристик суспензии и параметров фильтра (рисунок 63).
Рисунок 63 – Зависимость удельного сопротивления фильтра от длительности фильтрации, суспензия ЖРК без флотореагентов, параметры процесса: P=-0.96 атм, Pbw=1.8 атм, trev=34 с).
представляет собой совокупность уравнения скорости фильтрования (Уравнени 8) и зависимости удельного сопротивления перегородки от времени, которая после приведения к единому дифференциальному уравнению имеет вид:
– характеристика материала фильтра (м/м2), – параметр, описывающий конкретную систему разделения (-).
Использование данной модели позволяет создать детальное описание процесса разделения при условии эмпирического определения параметра a, константы и известного начального гидравлического сопротивления перегородки R0.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертационная работа представляет собой законченную научноквалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной для металлургической промышленности задачи - контроль и прогнозирование засорения керамических фильтров при обезвоживании и подготовке ЖРК к дальнейшему металлургическому переделу.Основные результаты выполненных исследований состоят в следующем:
1. Разработана автоматизированная лабораторная установка, позволяющая исследовать процесс фильтрования суспензий ЖРК с использованием вакуумного фильтра с керамическими пластинами с фиксированием скорости накопления фильтрата и осадка при различных условиях и составе суспензии.
2. Получено математической описание процесса фильтрования и введен обобщенный параметр, характеризующий процесс фильтрования при выбранном составе суспензии и материале фильтрующей перегородки.
3. Исследовано влияние различных флотореагентов на скорость фильтрования и интенсивность закупорки пор.
4. Выбраны реагенты, обеспечивающие минимальную закупорку пор.
5. Предложена методика определения режима фильтрования с учетом чередования стадий фильтрации и регенерации в зависимости от состава суспензии и используемых флотореагентов.
6. Предложена методика определения режима работы промышленных фильтров на основе испытания процесса в лабораторных условиях и заданной производительности узла разделения суспензии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Белоглазов И.Н. Фильтрование технологических пульп// — М.: ФГУП «Издательский дом «Руда и металлы», 2003. 320 с.2. Бондарь В.В. Состояние и перспективы применения дисковых вакуумных фильтров с керамическими фильтрующими элементами в технологии обезвоживания горно-обогатительных производств //Обогащение руд.-2007.стр. 39-43.
3. Воловиков А.Ю. Разработка математической модели засорения керамических вакуумных дисковых фильтров при обезвоживании железорудного концентрата /А.Ю. Воловиков, Ю.В. Шариков // Горный информационноаналитический бюллетень (ГИАБ), выпуск №5, г. Москва, 2014г., стр. 39-41.
4. Воловиков А.Ю. Влияние отдельных флотационных реагентов на засорение материала керамических вакуумных дисковых фильтров /А.Ю. Воловиков, Ю.В. Шариков// Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ), выпуск №5, г. Москва, 2014г., стр. 35-38.
5. Воловиков А.Ю. Методика проведения экспериментов в рамках исследования процесса обезвоживания железорудного концентрата с использованием вакуумных дисковых фильтров// Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ), выпуск №8, г. Москва, 2013г., стр. 296-299.
6. Воловиков А.Ю. Экспериментальная установка для исследования процесса обезвоживания железорудного концентрата с использованием вакуумных дисковых фильтров// Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ), выпуск №8, г. Москва, 2013г., стр. 300-303.
7. Веселова Е.Л. Определение закономерностей обезвоживания в вакууме и разработка структуры автоматизированного оборудования: Дис. канд. техн.
наук:05.13.07. -М., 1998.- 181 с.
8. Гольдберг Ю.С., Гонтаренко А.А., Баришполец В.Т. Процессы и оборудование для обезвоживания руд. — М.: Недра, 1977. 168с.
9. Кутлубаев И.М., Садыков В.Х., Третьяк Б.А., Усов И.Г. Анализ влияния режима отдувки на влажность осадка при обезвоживании железорудных концентратов на дисковых вакуум-фильтрах // Вестник МГТУ им.Г.И.Носова.
-2008. №2. - стр. 12-14.
10. Araujo, A.C., Viana, P.R.M. and Peres, A.E.C., Reagents in iron ores flotation.
Minerals Engineering, 18(2), 2005, pp. 219-224.
11. Arol, A.I. and Aydogan, A., Recovery enhancement of magnetite fines in magnetic separation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 232(2–3), 2004, pp. 151-154.
12. Barto, J., Durham, J.L., Baston, V.F. and Wade, W.H., The gas phase autophobicity of alcohols adsorbed on alumina. Journal of colloid and interface science, 22(5), 1966, pp. 491-501.
13. Bhave, R. and Fleming, H.L., Removal of oily contaminants in wastewater with microporous alumina membranes. AIChE Symposium Series, 841988, pp. 19-23.
14. Bilstad, T. and Espedal, E., Membrane separation of produced water. Water Science and Technology, 34(9), 1996, pp. 239-246.
15. Bowen, W.R., Calvo, J.I. and Hernndez, A., Steps of membrane blocking in flux decline during protein microfiltration. Journal of Membrane Science, 101(1–2), 1995, pp. 153-165.
16. Bulatovic, S., Handbook of Flotation Reagents. Amsterdam: 2007 Elsevier.
17. Burt, R., The role of gravity concentration in modern processing plants. Minerals Engineering, 12(11), 1999, pp. 1291-1300.
18. Byhlin, H. and Jnsson, A.S., Influence of adsorption and concentration polarisation on membrane performance during ultrafiltration of a non-ionic surfactant.
Desalination, 151(1), 2003, pp. 21-31.
19. Charles, A. Chapter 13. Application of Surfactants in Lubricants and Fuels. In: Uri Zoller, ed.Handbook of Detergents. 2008. CRC Press, pp. 331-342.
20. Christiansen, L. and Nielsen, D.A., Thin anti-fouling film deposition on commercially available ceramic membrane filters. Aalborg Institute of Physics and Nanotechnology.2012.
21. Dafinov, A., Garcia-Valls, R. and Font, J., Modification of ceramic membranes by alcohol adsorption. Journal of Membrane Science, 196(1), 2002, pp. 69-77.
22. Dickenson, T.C., Filters and filtration handbook. Oxford: 1997 Elsiever Advanced Technology.
23. Dumont, M. Iron Ore. In: Canadian Minerals Yearbook by Natural Resources Canada. Ottawa: 2008. Mineral and Metal Sector, pp. 221-229.
24. Faibish, R.S. and Cohen, Y., Fouling and rejection behavior of ceramic and polymer-modified ceramic membranes for ultrafiltration of oil-in-water emulsions and microemulsions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 191(1–2), 2001, pp. 27-40.
25. Fernndez, E., Benito, J.M., Pazos, C. and Coca, J., Ceramic membrane ultrafiltration of anionic and nonionic surfactant solutions. Journal of Membrane Science, 246(1), 2005, pp. 1-6.
26. Field, R., Hang, S. and Arnot, T., The influence of surfactant on water flux through microfiltration membranes. Journal of Membrane Science, 86(3), 1994, pp. 291Filippov, L.O., Filippova, I.V. and Severov, V.V., The use of collectors mixture in the reverse cationic flotation of magnetite ore: The role of Fe-bearing silicates.
Minerals Engineering, 23(2), 2010, pp. 91-98.
28. Fleming, H.L. and Goodboy, K.P., Alumina Chemicals: Science and Technology Handbook. Westerville: 1990 American Ceramic Society.
29. Font, J., Castro, R.P. and Yoram, C., On the Loss of Hydraulic Permeability in Ceramic Mambranes. Journal of Colloid and Interface Science, 1811996, pp. 347Gersten, J.I. and Smith, F.W., The Physics and Chemistry of Materials. New York:
2001 Willey.
31. Goldstein, J.I., Newbury, D.E., Echlin, P., Joy,D.C.,Lyman,C.E.,Lifshin,E., Sawyer, L. and Michael, J.R., Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. 3rd edn. New York: 2003 Kluwer Academic / Plenum Publishers.
32. Grres, G., Alvares da Silva, J.N. and Nuutinen, J., Experiences with modern dewatering technologies in Fine Iron Ore application. The 2nd International Symposium on Iron Ore of ABM. September 22-26. Sao Luis City, Brazil.2008.
33. Gourram-Badri, F., Conil, P. and Morizot, G., Measurements of selectivity due to coalescence between two mineralized bubbles and characterization of MIBC action on froth flotation. International Journal of Mineral Processing, 51(1–4), 1997, pp.
197-208.
34. Gross, G.A., Geology of iron deposits in Canada. Ottawa: 1965. Queen's Printer and Controller of Stationery.
35. Grzdka, E., The Adsorption Layer in the System:
Carboxymethylcellulose/Surfactants/NaCl/MnO2. Journal of Surfactants and Detergents, 152012, pp. 513-521.
36. Gungor, K., Production of heavy-media-quality magnetite concentrate from Kesdkkopu iron ore tailings. Middle East Technical University.2010.
38. Jones, K.L. and O’Melia, C.R., Protein and humic acid adsorption onto hydrophilic membrane surfaces: effects of pH and ionic strength. Journal of Membrane Science, 165(1), 2000, pp. 31-46.
39. Kennedy, B.A., Surface Mining. 2nd edn. Baltimore, Maryland: 1990 Port City Press Inc.
40. Koch, W., Hflinger, W., Pongratz, E. and Oechsle, D., Comparison of different scraper designs for crossflow filtration with rotating discs and cake limitation by scrapers. Separation and Purification Technology, 26(1), 2002, pp. 111-119.
41. Kulkarni, S.S., Funk, E.W. and Li, N.N. Membranes. In: W.S. Winston and S.
Kamalesh, eds. Membrane Handbook. New York: 1992. Van Nostrand Reinhold, pp. 408-431.
42. Kumsah, C.A., Pass, G. and Phillips, G.O., The interaction between sodium carboxymethylcellulose and water. Journal of Solution Chemistry, 51976, pp. 799Kyllonen, H., Electrically or ultrasonically enhanced membrane filtration of wastewater. Lappeenranta University of Technology.2005.
44. Laitinen, N., Development of a ceramic membrane filtration equipment and its applicability for different wastewaters. Lappeenranta University of Techology. 45. Laitinen, N., Michaud, D., Piquet, C., Teilleria, N., Luonsi, A., Levnen, E. and Nystrm, M., Effect of filtration conditions and backflushing on ceramic membrane ultrafiltration of board industry wastewaters. Separation and Purification Technology, 24(1–2), 2001, pp. 319-328.
46. Liu, Q., Zhang, Y. and Laskowski, J.S., The adsorption of polysaccharides onto mineral surfaces: an acid/base interaction. International Journal of Mineral Processing, 602000, pp. 229-245.
47. Lobo, A., Cambiella,, Benito, J.M., Pazos, C. and Coca, J., Ultrafiltration of oilin-water emulsions with ceramic membranes: Influence of pH and crossflow velocity. Journal of Membrane Science, 278(1–2), 2006, pp. 328-334.
48. Mnttri, M., Nystrm, M. and Ekberg, B., Influence of flocculants on the performance of a ceramic capillary filter. Filtration & Separation, 33(1), 1996, pp.
49. Mata, J., Patel, J., Jain, N., Ghosh, G. and Bahadur, P., Interaction of cationic surfactants with carboxymethylcellulose in aqueous media. Journal of colloid and interface science, 297(2), 2006, pp. 797-804.
50. Moritz, T., Benfer, S., rki, P. and Tomandl, G., Influence of the surface charge on the permeate flux in the dead-end filtration with ceramic membranes. Separation and Purification Technology, 25(1–3), 2001, pp. 501-508.
51. Morris, G.E., Fornasiero, D. and Ralston, J., Polymer depressants at the talc–water interface: adsorption isotherm, microflotation and electrokinetic studies.
International Journal of Mineral Processing, 67(1–4), 2002, pp. 211-227.
52. Mulder, M., Basic principles of membrane technology. Dordrecht: 1996 Kluver academic publishers.
53. Mullet, M., Fievet, P., Szymczyk, A., Foissy, A., Reggiani, J.-. and Pagetti, J., A simple and accurate determination of the point of zero charge of ceramic membranes. Desalination, 121(1), 1999, pp. 41-48.
54. Northrop, S. Limonite. In: Minerals of New Mexico. Albuquerque, New Mexico:
1959. University of New Mexico Press, pp. 329-333.
55. Nystrm, M., Surface Chemistry and Electrochemistry of Membranes. Journal of Membrane Science, 181(2), 1999, pp. 295-296.
56. Paria, S. and Khilar, K.C., A review on experimental studies of surfactant adsorption at the hydrophilic solid–water interface. Advances in Colloid and Interface Science, 110(3), 2004, pp. 75-95.
57. Peri, J.B., A model for the surface of gamma-alumina. Journal of Physical Chemistry, 691965, pp. 220-230.
58. Pirkonen, P., Grnroos, A., Heikkinen, J. and Ekberg, B., Ultrasound assisted cleaning of ceramic capillary filter. Ultrasonics sonochemistry, 17(6), 2010, pp.
1060-1065.
59. Potapova, E., Adsorption of Surfactants and Polymers on Iron Oxides: Implications For Flotation and Agglomeration of Iron Ore. Lule University of Technology.2011.
60. Qibing, C., Jian-er, Z., Yongqing, W., Jinming, W. and Guangyao, M., Hydrophilic modification of Al2O3 microfiltration membrane with nano-sized -Al2O3 coating.
Desalination, 262(1–3), 2010, pp. 110-114.
61. Rajagopalan, N., Andes, R.P., Han, I.S., Pickowitz, T.C., Lindsey, T.C., Wu, W. and Barkan, C.P.L., Evaluation of ultrafiltration for recycling alkaline cleaners at railroad facilities, Report R-904. Washington, D.C.: 1998. Association of American Railroads.
62. Roe, L.A., Iron ore beneficiation. Ann Arbor: 1957 Edwards Brothers Inc.
63. Sondhi, R. and Bhave, R., Role of backpulsing in fouling minimization in crossflow filtration with ceramic membranes. Journal of Membrane Science, 186(1), 2001, pp. 41-52.
64. Sparks, T. Chapter 6 - Slurry Filterability. In: Solid-Liquid Filtration. Oxford: 2012.
Butterworth-Heinemann, pp. 75-80.
65. Steenberg, E. and Harris, P.J., Adsorption of carboxymethylcellulose, guar gum and starch onto talc, sulphides, oxides and salt type minerals. South African Journal of Chemistry, 371984, pp. 85-90.
66. Suslick, K.S., Acoustic cavitation and its chemical consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 3571999, pp. 335-353.
67. US EPA, Extraction and benefication of ores and minerals: Iron. Washington, D.C.:
1994. U.S. Environmental Protection Agency.
68. USGS, Mineral Commodity Summaries. Reston, Viginia: 2012. U.S. Geological Survey.
69. Vigneswaran, S., Boonthanon, S. and Prasanthi, H., Filter backwash water recycling using crossflow microfiltration. Desalination, 106(1–3), 1996, pp. 31-38.
70. Vijayakumar, T.V., Reverse flotation studies on an Indian low grade iron ore slimes.
International Journal of Engineering Science and Technology, 22010, pp. 637-641.
71. Wagner, J., Membrane Filtration Handbook. 2nd edn. Minnetonka, Minnesota:
2001 Osmonics.
72. Wakeman, R.J. and Tarleton, E.S., Solid/Liquid Separation. Oxford: Butterworth-Heinemann.
73. Wakeman, R.J. and Tarleton, E.S., Filtration: Equipment, Selection, Modeling and Process simulation. 1st edn. Oxford: 1999 Elsiever Advanced Technology.
74. Wills, B.A., Will's mineral processing technology: an introduction to the practical aspects of ore treatment and mineral recovery. Oxford: 2006 Elsevier/ButterworthHeinemann.
75. Yang, D.C. Reagents in iron ore processing. In: P. Somasundaran and B.M.
Moudgil, eds. Reagents in mineral technology. New York: 1988. Marcel Dekker, pp. 579-644.
76. Zhao, Y., Xing, W., Xu, N. and Wong, F., Effects of inorganic electrolytes on zeta potentials of ceramic microfiltration membranes. Separation and Purification Technology, 42(2), 2005, pp. 117-121.
«