Способ определения эффективности флокуляционного кондиционирования суспензий

 

Изобретение относится к области разделения суспензий с выделением осадка в качестве целевого продукта и может быть использовано в угольной, горно-рудной, химической, пищевой промышленности, а также при обработке сточных вод. Эффективность кондиционирования определяют с использованием величин удельного объемного сопротивления осадка и его механической устойчивости. Использование изобретения позволяет повысить эффективность в работе ленточных фильтр-прессов при обезвоживании суспензий за счет получения кондиционного осадка. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области процессов разделения суспензий с выделением осадка и может быть использовано в угольной, горно-рудной, химической, пищевой промышленности, а также при обработке сточных вод.

Обезвоживание суспензий тонкодисперсных продуктов на ленточных фильтр-прессах требует предварительного кондиционирования суспензии с применением флокулянтов для образования в зоне дренирования ленточного фильтр-пресса механически устойчивого осадка, легко отдающего влагу. Следовательно, предварительное флокуляционное кондиционирование оказывает существенное влияние на структурно-механические свойства осадка, его фильтрационные и другие характеристики, определяющие рентабельность выделения целевого продукта. Указанные характеристики должны соответствовать требованиям, предъявляемым к обезвоживаемым на ленточных фильтр-прессах продуктам: - в зоне дренирования осадок должен легко отдавать свободную влагу и не растекаться по ленте; к концу данной зоны должен образовываться осадок, на поверхности которого не должно быть жидкой фазы; - в клиновой зоне и зоне отжима осадок должен отдавать связанную (межпоровую и частично поровую влагу), при этом осадок не должен продавливаться сквозь ленты и выдавливаться за пределы лент.

Таким образом, для определения эффективности процесса флокуляционного кондиционирования суспензий необходимо определить: - фильтрационные характеристики образующегося осадка, поскольку процесс разделения в зоне дренирования представляет собой по существу фильтрование под действием переменного гидростатического давления; - структурно-механические характеристики осадка, в первую очередь предел его текучести.

Заявителю не известны на настоящее время способы и устройства, позволяющие определить вышеуказанные свойства продукта, подаваемого на ленточный фильтр-пресс.

Известны способы определения структурно-механических свойств вязкопластичных материалов, в частности грунтов (Цытович Н.А. Механика грунтов (Краткий курс). - М.: Высшая школа, 1983. - 288 с., ил.). Указанные способы не применимы к анализу осадков кондиционированных флокулянтами суспензий по причине различий физических свойств осадков и грунтов.

Известны способы определения предела текучести различных дисперсных систем (Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1976, - 512 с., ил.), основанные на тангенциальном смещении пластинки, закручивании цилиндра и т. д. . Вышеуказанные способы не позволяют получить удовлетворительные результаты при оценке такой специфической системы как осадок, состоящий из частиц твердой фазы, соединенных между собой макромолекулами флокулянтов. Следует отметить также, что величина предела текучести осадка не может служить объективным критерием эффективности удаления свободной влаги из осадка в зоне дренирования ленточного фильтр-пресса.

Известен способ определения фильтрационных характеристик осадков (Жужиков В. А. Фильтрование: теория и практика разделения суспензий. - М.: Химия, 1980. - 400 с.), в том числе и величины удельного объемного сопротивления осадка. Указанная величина позволяет судить о фильтруемости данного продукта. Однако до настоящего времени указанная величина не использовалась для характеристики процесса разделения в зоне дренирования ленточного фильтр-пресса.

Наиболее близким аналогом можно признать способ непрерывного контроля структурно-механических свойств вязкопластичных материалов (SU, авторское свидетельство 1516884), включающий одновременное измерение толщины и пенетрации осадка в зоне дренирования промышленного ленточного фильтр-пресса. Толщина осадка позволяет судить о величине нагрузки по твердому, а пенетрация осадка - о его структурно-механических свойствах. Способ применим только в промышленных масштабах и не может быть использован при отработке режимов кондиционирования флокулянтами суспензий.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в разработке предварительного лабораторного способа оценки эффективности флокуляционного кондиционирования суспензий.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в повышении эффективности работы ленточных фильтр-прессов при обезвоживании суспензий.

Указанный технический результат достигается использованием способа определения эффективности флокуляционного кондиционирования суспензий, в процессе реализации которого проводят кондиционирование исходной суспензии действием различных доз флокулянтов, кондиционированную суспензию отфильтровывают на воронке, экипированной фильтровальной сеткой, измеряют в процессе фильтрования гидростатическое давление, время фильтрования, толщину и объем осадка, рассчитывают величину удельного объемного сопротивления осадка с использованием формулы: α₀ = 2•P_экв•u•τ(h²•μ), (1) где α₀ - удельное объемное сопротивление осадка, м^-2; τ - время дренирования, с; h - толщина осадка, м; μ - вязкость фильтрата (0,001 Па • с);
u - отношение объема осадка к объему фильтрата, м³/м³;
Р_экв - среднее эквивалентное давление, Па:

Определяют зависимость величины α₀ от суммарного расхода флокулянтов (d)и находят минимальное значение α₀(α_min). Затем на вибрационной установке определяют механическую устойчивость отфильтрованного осадка по величине максимального ускорения колебательного движения J_mах, при которой сохраняется угол откоса пробы осадка:
J_max = 4π²•a•n²/3600, (3)
где а - амплитуда колебаний, мм,
n - частота колебаний, мин^-1.

Кондиционирование признают эффективным, если при данном суммарном расходе флокулянтов величина α₀ не превышает величину α_min более чем на 50%, а величина J_mах, по крайней мере, будет составлять не менее 13 м/с². Как показывают данные экспериментальных исследований, осадки, предварительно кондиционированные флокулянтами и теряющие механическую устойчивость (то есть изменяется угол естественного откоса пробы осадка) при величине J_max менее 12÷14 м/с² (в среднем - 13 м/с²), при обезвоживании на ленточном фильтр-прессе растекаются по ленте в зоне дренирования и выдавливаются за пределы лент в зоне отжима.

Все вышеуказанные численные значения определены экспериментальным путем.

Для реализации способа предлагается устройство, схематически изображенное на чертеже на котором приняты следующие обозначения: электродвигатель 1, вибропривод 2, кювета 3, стойка 4, лабораторный автотрансформатор 5, счетчик колебаний 6.

Предварительно на большом количестве образцов осадков, полученных при кондиционировании флокулянтами суспензий и обезвоженных на ленточном фильтр-прессе, определили значения α₀ и J_mах, соответствующих значениям расходов флокулянтов, обеспечивающих эффективное кондиционирование.

Исследуемую суспензию подвергали флокуляционному кондиционированию, причем тип и соотношение расходов используемых флокулянтов предварительно определяли опытным путем. Кондиционированную суспензию подвергали разделению на лабораторной воронке, экипированной фильтровальной сеткой, аналогичной применяемой на промышленных фильтр-прессах. При этом определялись: гидростатическое давление, время фильтрования, толщина осадка, объем осадка и объем выделившегося фильтрата. По вышеприведенной формуле рассчитывали удельное объемное сопротивление осадка. Затем определялись механическая устойчивость полученного осадка на вибрационной установке. Полученный осадок поместили в кювету 3 в виде валика с углом откоса свободной поверхности 45^o. Кювету 3 закрепили на стойке 4. От лабораторного автотрансформатора 5 на электродвигатель 1 подали питание. Электродвигатель 1 возбудил колебания вибропривода 2, и, соответственно, стойки 4 и кюветы 3. Постепенно увеличивая при помощи лабораторного автотрансформатора 5 напряжение, увеличивают частоту колебаний кюветы 3 с осадком. Визуально отмечают начало изменения угла откоса пробы осадка. В этот момент включают счетчик 6 и измеряют частоту колебаний кюветы 3 с осадком и рассчитывают величину J_max. Эксперимент повторяют при различных значениях суммарного расхода флокулянтов. Определяют значение α_min, соответствующее определенному значению суммарного расхода флокулянтов d_x. В дальнейшем рассматриваются только значения суммарного расхода флокулянтов, не превышающие величину d_x. Если при выбранных условиях величина α₀ не превышает значение α_min более чем на 50% и при этом значение J_max составляет не менее 13 м/с², то кондиционирование признается эффективным.

Изобретение иллюстрировано следующим примером.

При кондиционировании водоугольной суспензии последовательной подачей анионактивного и катионактивного флокулянтов (соотношение расходов - 2:1) были получены следующие результаты, представленные в таблице.

Величина удельного объемного сопротивления осадка α₀ рассчитывалась по формуле (1). При этом величина Р_экв определялась следующим образом. В ходе каждого опыта измерялась высота столба разделяемой суспензии в лабораторной воронке H_i (i - номер замера), затем рассчитывалось текущее значение гидростатического давления столба разделяемой суспензии Р_i по формуле:
P_i = ρgH_i, (4)
где ρ - плотность суспензии, кг/м³;
g - ускорение свободного падения (9,8 м/с²).

Затем рассчитывалась величина Р_экв по формуле (2) путем приближенного численного интегрирования зависимости текущего гидростатического давления столба разделяемой суспензии P_i от времени опыта τ. Величина J_max рассчитывалась по формуле (3).

Как видно из таблицы, минимальное значение удельного объемного сопротивления осадка (α_0min), равное 1,9•10¹⁰м^-2, достигается при суммарном расходе флокулянтов 120 г/т. Минимальное значение суммарного расхода флокулянтов, при котором получен кондиционный осадок, удельное объемное сопротивление которого не превышает значение α_0min более чем на 50%, а величина J_mах составляет не менее 13 м/с², равно 45 г/т. Следовательно, для эффективного флокуляционного кондиционирования данной суспензии необходим суммарный расход флокулянтов 45 - 120 г/т. Указанное лабораторное исследование было подтверждено практикой.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить эффективность работы ленточных фильтр-прессов при обезвоживании суспензий за счет получения кондиционного осадка.

Формула изобретения

Способ определения эффективности флокуляционного кондиционирования суспензий, включающий определение толщины осадка суспензии, отличающийся тем, что проводят кондиционирование исходной суспензии действием различных доз флокулянта, кондиционированную суспензию отфильтровывают на воронке, снабженной фильтровальной сеткой, измеряют в процессе фильтрования гидростатическое давление, время фильтрования, толщину и объем осадка, объем фильтрата, рассчитывают величину удельного объемного сопротивления осадка с использованием формулы
α₀ = 2•P_экв•u•τ(h²•μ),
где α₀ - удельное объемное сопротивление осадка, м^-2;
τ - время дренирования, с;
h - толщина осадка, м;
μ - вязкость фильтрата (0,001 Па•с);
u - отношение объема осадка к объему фильтрата, м³/м³;
среднее эквивалентное давление, Па,
определяют зависимость α₀ от суммарного расхода флокулянта (d) и находят минимальное значение (α_мин) указанной зависимости, на вибрационной установке определяют величину механической устойчивости отфильтрованного осадка по величине максимального ускорения колебательного движения J_max, при которой сохраняется угол откоса пробы осадка, причем J_max = 4π•a•n²/3600, где а - амплитуда колебаний, мм; n - частота колебаний, мин^-1, причем кондиционирование признают эффективным, если при используемом расходе флокулянта полученная величина α₀ не превышает величину α_мин более чем на 50%, а механическая устойчивость J_max по крайней мере превышает 13 м/с².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2