2.1.1 Обогащение в тяжёлых средах

Это процесс разделения частиц сыпучей смеси по плотности в среде, имеющей плотность, промежуточную между плотностями разделяемых компонентов. Для углей процесс протекает наиболее эффективно при крупности частиц 13 – 100 (150) мм и различии в плотности 1200 – 2400 кг/м³.

Процесс обогащения в тяжёлых средах основан на законе Архимеда.

На частицу, находящуюся в среде, действуют силы, имеющие различное направление: сила тяжести, направленная вниз и Архимедова сила, выталкивающая частицу на поверхность.

1. G – сила тяжести.

G = Vg H;

Где V – объём частицы м³

 - плотность частицы кг/м³

g – ускорение силы тяжести м/с²

2. G_А – архимедова сила

G_А = V_сg H;

Где _с - плотность среды кг/м³.

В данной среде на частицу воздействует равнодействующая сила G_о.

G_о = G - G_А Н.

При различной плотности частиц () и среды (_с) возможны следующие случаи разделения:

1.   _с – частица тонет;

2.   _с – частица всплывает;

3.  = _с – частица находится во взвешенном состоянии.

Подобрав необходимую плотность среды на основании фракционного анализа минерала (угля) можно получить продукты с заданным качеством. При этом основным условием разделения будет следующее соотношение:

₁  _с ₂;

где ₁, ₂, _с – соответственно плотности угля, породы и среды.

Характеристика тяжёлых сред

Тяжёлой средой называется жидкость, плотность которой более 1000 кг/м³.

Тяжёлая среда может быть однородной жидкостью, представленной неорганическими (хлористый цинк) и органическими соединениями (бромоформ).

Тяжёлая среда также может быть представлена неоднородной жидкостью – суспензией.

Суспензия – это взвесь твёрдых частиц в воде. Твёрдая фаза суспензии называется утяжелителем.

Утяжелителем могут быть следующие минералы: глина, песок, барит, магнетит (Fe₃O₄). Плотность утяжелителя должна быть относительно высокой. Обычно она колеблется в пределах 3000 – 7000 кг/м³.

Качество разделения в тяжёлых средах зависит от свойств утяжелителя. Поэтому утяжелитель должен отвечать следующим требованиям:

1. быть нерастворимым в воде;

2. обладать механическим сопротивлением истиранию;

3. не вступать в химическое взаимодействие с водой и продуктами разделения;

4. быть достаточно тонко измельчённым;

5. иметь сравнительно низкую стоимость;

6. легко отделяться от продуктов обогащения для повторного использования.

В настоящее время в практике обогащения углей и антрацитов в качестве утяжелителя применяется магнетит плотностью 4500 – 5000 кг/м³ и крупностью 0 – 0.1 мм.

От свойств утяжелителя зависят свойства суспензии, основные параметры которой:

1. плотность;

2. устойчивость;

3. вязкость.

1. Плотность суспензии зависит от плотности утяжелителя и от его объёмной концентрации в суспензии.

_с = с ( - 1000) + 1000 кг/м³

где с – объёмная концентрация утяжелителя в суспензии в долях единицы.;  - плотность утяжелителя, кг/м³.

^{Из формулы следует:}

При заданном объёме суспензии и объёмной концентрации утяжелителя можно определить массу утяжелителя.

М_у = W_c c , т;

Где W_c – объём суспензии, м³;

с – объёмная концентрация, доли ед.;

 - плотность утяжелителя, кг/м³.

2. Устойчивость суспензии способность сохранять одинаковую плотность во всех слоях по высоте ванны сепаратора.

Устойчивость суспензии достигается:

1. постоянной подачей суспензии в сепаратор снизу. При этом восходящий поток тормозит падение частиц утяжелителя;

2. сочетанием восходящего и горизонтального потока суспензии;

3. постоянным перемешиванием суспензии в ванне сепаратора элеваторным колесом.

3. Вязкость суспензии. Этот параметр характеризует трение между слоями суспензии и зависит от объёмной концентрации утяжелителя, определяется по эмпирической формуле.

_с =  1 + 1.84 с + (3.3с)⁹  Пас

 = 0.001 Пас – коэффициент вязкости воды.

Оптимальная объёмная концентрация утяжелителя в суспензии с = 12 - 25 % (0.12 – 0.25). При повышении концентрации (до 40%) начинается структурирование суспензии, т.е. взаимодействие частиц магнетита между собой, образование флокул, выпадение их в осадок. При этом нарушается однородность суспензии. Резко падает эффективность сепарации.