Кинематика движения минеральных частиц в воздушно-песчаном потоке на вращающейся параболической поверхности

© С.М. Фелосеев, В.Р. Ларионов, 2002

УЛК 622.02:551.

С.М. Фелосеев, В.Р. Ларионов

НОВАЯ ПОЗИЦИЯ В КЛАССИФИКАЦИИ ГИЛРАТОСОЛЕРЖАШИХ ГОРНЫХ ПОРОЛ

В настоящее время в геологических науках и в горном деле используется классификация горных пород по генетическим признакам, хотя она не связана со свойствами пород и поэтому не может быть принята за основу для изучения их физических свойств [1].

С обнаружением природных газовых гидратов на дне Мирового океана и в недрах Земли, а также с перспективами применения техногенных газогидра-тов в горном деле [2] встает актуальная научно -практическая задача исследования физических свойств гидратонасыщенных горных пород и их классификации по тем или иным параметрам.

Впервые классификация гидратонасыщенных горных пород разработана Истоминым В.А. и Якушевым В.С. на базе ранних исследований Российских и зарубежных ученых [3]. За основу классификации авторами взято фазовое состояние поровых флюидов. Разработанная ими классификация содержит 8 позиций и авторы допускают ее расширение за счет учета не перешедшей в гидрат воды, а также засоленности пород и других факторов.

Ранее в ходе исследования процесса гидратооб-разования из природного газа и порового рассола метегеро-ичерского водоносного комплекса, с целью оценки применения гидратов в качестве цементирующего материала нами получена устойчивая четырехфазная система, состоящая из двух твердых фаз - смешанных гидратов природного газа и кристаллогидратов хлорида натрия [4].

Дальнейшие исследования, проведенные в ИГДС, позволили нам дополнить и уточнить результаты предварительных исследований.

Механизм перехода растворенных солей в процессе гидратообразования из жидкой фазы (пластовой воды) в твердую фазу в виде кристаллогидратов солей можно объяснить следующим образом. При гидратообразовании как и при замораживании минерализованной воды происходит опреснение воды в твердой фазе в результате чего повышается концентрация солей в жидкой фазе, находящийся в равновесии с твердой фазой. По мере перехода воды в твердую газогидратную фазу концентрация той или иной соли в растворе достигает насыщения и его избыток легко переходит в твердую фазу в виде кристаллогидрата соли с формулой М*пН20, где М - молекула

соли, п - число молекул воды, приходящийся на молекулу соли (гидратное число).

Концентрации насыщенных растворов, численно определяющие растворимость солей, содержащихся в пластовой воде метегеро-ичерского водоносного комплекса приведены в табл. 1.

Малое содержание солей таких как СаСЬ2, МдБ04, Ма2Б04, ИаИСОз входящих в состав порового рассола не позволяет достичь концентрации насыщенного раствора и получения кристаллогидратов этих солей. Поэтому твердая фаза представлена смешанными газогидратами природного газа и кристаллогидратами хлорида натрия.

Исследование состава четырехфазной системы при гидратообразовании природного газа Северо -Нельбинской ГКП с минерализованной водой мете-геро-ичерского водоносного комплекса проведены в типичной камере высокого давления из прозрачного органического стекла (рисунок).

Для этого в реакционную камеру 1 с объемом 200 мл помещалось 100 мл минерализованной пластовой воды 2. Заправка газом производится из газового баллона 9, через вентиль 8. Затем заправленная камера помещается в термостат 10 при определенных температурах, которая контролируется термометром 11. Предварительно в исходной воде обычным методом определяется процентное содержание солей. Образец пластовой воды метегеро-ичерского водоносного горизонта содержит 153 г/л ИаСЬ, до 34 г/л солей СаСЬ2, МдБ04, Иа2Б04, ИаИС03 и до 120 мг/л (0,079л/л) Н2Б в растворенном виде. Температура и давление в камере контролируются термопарой 3, выведенной на микровольтметр Ф 116/1 4 и образцовым манометром 5.

Гидраты получались при температуре -1 0С и давлении 3,0 МПа в течении 2-3 суток. Для интенсификации процесса синтеза гидратов реагенты пе-

Лабораторная установка для исследования состава четырехфазной системы: 1 - реакционная камера из оргстекла; 2 - пластовая вода; 3 - термопара; 4 - микровольтметр Ф116/1; 5 - образцовый манометр; 6 - сетка-отсекатель; 7, 8 - вентили; 9 - газовый балон; 10 - термостат; 11 - термометр

Таблица 1

КОНЦЕНТРАЦИИ НАСЫЩЕННЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ [5, 6]

Соль Растворимость г/л Гидратное число

і 00С і 200С і 400С

ИаСЬ 357 450(интерполяц) 359 364 2

СаСЬ2 20(интерполяц) 45 69 745 1155 6

МдБ04 351 447 7

Иа2Б04 192 484 10

ИаИС03 96 127 1

Таблица 2

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И РАСЧЕТНЫЕ ЛАННЫЕ СОСТАВА ЧЕТЫРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ

риодически перемешиваются путем встряхивания и по мере перехода газа в твердую фазу, в камеру запускается следующая порция газа. Таким образом, гидрато-образование происходит в проточных условиях, при постоянстве состава надгидратного газа.

После прекращения перехода газа в гидрат камеру термостатируют при - 8 0С в течение 10 часов. Затем при перевернутом положении камеры через отсекатель 6, представляющий собой сетку из капронового моноволокна с ячеей 10 мкм, и вентиль 7 под давлением газа - гидратообразователя удаляют из камеры не перешедшую в гидрат жидкую фазу, представляющую собой раствор солей. Весовым методом определяют концентрацию солей в этом растворе. Оставшиеся в камере кристаллы смешанных газогидратов и кристаллогидратов хлорида натрия представят собой белую дисперсную масйосле отделения жидкой фазы газогидрат разлагают при комнатной температуре и атмосферном давлении, измеряют объемы выделившегося гидратного газа и воды, отбирают пробу газа на хроматографический анализ.

Объем воды измеренный после разложения гидратов равен 80 мл и представляет собой сумму емов вод включенных в кристаллические структуры газогидрата и кристаллогидрата хлорида натрия. Дальнейший переход воды в газогидрат

ется повышением в жидкой фазе концентрации растворенных солей, являющимися ингибиторами

образования. В условиях данного эксперимента в равновесной жидкой фазе концентрация ИаСЬ достигает 357 г/л, а суммарная концентрация солей СаСЬ2, МдБ04, Иа2Б04, ИаИС03 составляет 170 г/л. Для ного перехода воды в газогидрат нужны большие давления порядка 810 МПа.

Количество воды включенной в кристаллическую структуру газового гидрата рассчитывается из состава гидрата. При образовании

ных гидратов из природных газов добного состава как Северо-Нельбинской ГКП наиболее вероятны степени заполнения и1 = 0,85 ± 0,05, и2 = 0,98 ±0,02, что отвечает

ному числу п = 6,1 - 6,5 [3]. При ратном числе п = 6,5 и фактическом объеме гидратного газа равном 14,35 л расчетное количество перешедшего в газогидрат воды равно 75 мл.

Соли в том числе хлориды не страиваются в кристаллическую структуру газового гидрата. Поэтому полученный после выпаривания ратной воды осадок представляет бой хлорид натрия, включавшийся в состав кристаллогидрата хлорида трия. Количество ИаСЬ в гидрате ИаСЬ*2Н2О определяют взвешиванием осадка после доведения его до постоянного веса при t = 120 0С на аналитических весах. При этом удаляется кристаллизационная вода.

По результатам анализа в табл. 2 приведен материальный баланс четырехфазной системы

В результате гидратообразования получается четырехфазная система следующего состава:

МаСІ *2Н20(тв)- 16МЦсн4 н25) *8М2(н6,с3н8с4н10) *136Н20(тв)№СЬ *2Н20(тв) - водный р - р (№СЬ + СаСЬ 2 +

+ МдБ04 + Иа2Б04 + ИаИС03)(жидк) - природный газ(газ). Из четырехфазной системы две фазы твердые - смешанные кристаллогидраты природного газа и кристаллогидраты хлорида натрия с двумя молекулами воды ИаСЬ*2Н2О.

Пластовая вода метегеро - ичерского водоносного горизонта преимущественно содержит хлоридно натриевые соли и при пластовых условиях ^ =-1 0С Рпласт.=1,5 - 2,0 МПа) четырехфазная система проявляет устойчивость.

Данная устойчивая четырехфазная система в пластовых условиях на наш взгляд является основой новой (девятой) позиции в классификации гидратосодержащих пород по фазовому состоянию поровых флюидов, а именно водный раствор солей - газ -кристаллогидрат хлорида натрия - газогидратная порода.

Ингредиенты Равновесные фазы

Твердая жидкая раствор солей газовая

газогидрат кристаллогидрат №^*2^0

Вода, мл 75 5,0 20 -

(ИаСЬ) г -- 8,12 7,14 -

СаС1_2, МдБ04, -- -- -

Иа2Б04, ИаИ- - 3,4

С03 14,35 -

Газы, л 53,93 70,63

СН4 (%об) 14,70 17,91

С2Н6 21,00 2,10

С3Н8 8,94 0,615

I - С4Н10 1,10 0,872

П - С4Н10 следы 7,63

N2 следы 0,23

02 0,05 -

Н2Б 0,25 0,01

СО2

«HEdEk" r0PH"KA-2002» СEМИHAP < 6

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ржевский В.В, Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Наука,1964. - 207 с.

2. Ларионов В.Р, Федосеев С.М, Иванов Б.Д. Перспективы практического использования газовых гидратов в горном деле. Якутск: Изд - во ЯНЦ СО РАН, 1993, - 224 с.

3. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. - М.: Недра, 1992. - 235 с.

4. Ларионов В.Р, Порохняк АМ, Федосеев С.М, Апросимова С.А. Исследование состава гидратов природного газа с высокоминерализованной водой. // Физико - технические проблемы освоения месторож-

дений Севера. - Якутск.: Из - во ЯГУ, 1992. - С. 120 - 123.

5. Ефимов А.И., Белорукова Л.П., Василькова И.В. и др. Свойства неорганических соединений. Справочник - Л.: Химия, 1983 - 392 с.

6. Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Справочник по неорганической химии - М.: Химия, 1987 - 318 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Федосеев С.М. - научный сотрудник, ИГДС СО РАН, г. Якутск.

Ларионов В.Р. - кандидат химических наук, ст. научный сотрудник, ИГДС СО РАН г. Якутск.

© В.Е. Филиппов, И.Ф. Лебелев, 2002

УЛК 622.767:55

В.Е. Филиппов, И.Ф. Лебелев

КИНЕМАТИКА ЛВИЖЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В ВОЗЛУШНО-ПЕСЧАНОМ ПОТОКЕ НА ВРАШАЮШЕЙСЯ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

оНу^ная классификация представляет процесс разделения материалов по плотности и крупности, основанный на разнице физических и аэродинамических свойств отдельных зерен. В качестве среды, в которой происходит разделение порошкообразных материалов по крупности, используется воздух или горячие дымовые газы [1]. Направление разработки считается одной из перспективных, так как газы, обладая низкой вязкостью, обеспечивают высокую селективность разделения минералов по их плотности и крупности.

Между тем, значительных успехов в пневматической сепарации достигли только при удалении или обогащении частиц весьма высокой уплощенности и небольшой плотности. К примеру, это наблюдается при удалении плевел от зерен или обогащении частиц слюды весьма выраженной упло-щенностью. При обогащении тяжелых минералов таких успехов

не достигнуто, хотя, как это не парадоксально, последняя стадия очистки золота от посторонних шлиховых минералов очень часто представляет собой отдувку.

Анализ результатов экспериментальных исследований по изучению причин указанных противоречий показал следующее:

Высокие показатели сепарации тяжелых минералов происходит в условиях применения низких скоростей потока. При повышении скорости потока селективность процесса резко падает. Причина этому — квадратичное повышение транспортирующей способности потока по мере увеличения еП скорости. Одновременно с этим увеличивается количество перемещаемого легкого материала. Следовательно, с этим повышается частота соударения этих частиц с зернами полезного компонента, что приводит к повышению их перемещаемости. Вместе с тем, низкие скорости потока не позволяют добиться достаточно высокой

производительности сепарации из-за низкого дебита удаления легких минералов. Попытки повышения производительности за счет увеличения рабочей поверхности приводят к формированию песчаных завалов. Между песчаными завалами образуются коридоры пробоя с высокими скоростями потока [2]. Еще один недостаток, большинства рассмотренных сепараторов - это встречное движение удаляемых легких частиц и тяжелых минералов, выводимых в накопитель.

С целью решения вышеуказанных проблем пневматического обогащения тяжелых минералов было проведено изучение поведения минеральных частиц в воздушно-песчаном потоке. На основе полученных результатов разработан и испытан в лабораторных условиях пневматический сепаратор с рабочей поверхностью в виде вращающейся параболической чаши, на который получен патент РФ. в 1999 г.

Сепаратор схематично изображен на рис. 1. Представляет он собой вращающуюся воронку 1 в виде параболической чаши. На внутренней поверхности рабочей чаши выполнены углубления в виде спирали Архимеда, установлена неподвижная воронка 2. В рабочую полость между воронками через патрубок 3 нагнетается воздух, который от отражателя 4 направляется вверх. Через патрубки 5 подается исходный мате-

риал. Легкий материал подхватывается потоком воздуха и выносится за пределы чаши 1 в емкость 6, из которой выводится через патрубок 7 в хвосты. Тяжелые минералы, преодолевая встречный поток, через патрубок 8с выпускным клапаном 9 попадают в накопитель концентрата.

Под воздействием силы Карио-лиса исходный материал распадается на отдельные потоки частиц, в соответствии с их миграционной способностью в воздушно-песчаном потоке. На рис. 2 показаны траектории движения частиц различной плотности на горизонтальной развертке рабочей поверхности чаши. По траектории а, совместно с воздушным потоком, переносится пылевидный материал. Песчаный материал низкой и средней плотности движется по траектории б и с. Минералы с высокой плотностью определенной крупности перемещаются по плотной спирали & Более крупные из них движутся по искривленной траектории У не к кромке чаши, а по направлению к центру.

Преимущества рабочей поверхности в виде вращающейся чаши заключаются в следующем.

1. Благодаря вращению чаши большая часть работы по транс-

портировке обломочного материала перекладывается на центробежную силу. В нашем случае это составляло 60—70%. В соответствии с этим удалось снизить скорость воздушного потока, необходимой для удаления легких материалов. Это, в свою очередь, позволило значительно повысить качество селективности минералов по плотности при высоком дебите удаления легких минералов;

2. На вращающейся рабочей поверхности не формируются песчаные завалы, что существенно упрощает управление воздушно песчаным потоком;

3. По мере продвижения об-

ломочного материала к верхней кромке чаши увеличивается площадь рабочей поверхности. В соответствии с этим, снижается частота соударений обломков породы с частичками полезного компонента, что способствует повышению извлекаемости полезного компонента;

4. При движении частиц обломочного материала по вращающейся поверхности, на них воздействует сила Кариолиса. Вследствие этого они движутся не в радиальном направлении от днища чаши к еП верхней кромке, а по спирали. Следовательно, удлиняется путь их перемещения, а в соответствии с этим, улучшается качество перечистки;

5. Благодаря определенной направленности траекторий частиц с различной плотностью векторы движения выводимого легкого материала и тяжелого полезного компонента направлены не в одну сторону, а под некоторым углом, что способствует повышению селективности.

Селективность разделения значительно повышается при нанесении углублений на рабочей поверхности в виде спирали. При этом рисунок спирали закручивается от кромки чаши к еП центру против направления вращения и зависит от плотности частиц, и меняется от искривленно радиальной (для тяжелых минералов) до многоходовых спиралевидных углублений с плотно закрученными витками (для минералов средней плотности). Обусловлено это тем, что траектории движения частиц полезного компонента и направление углублений должны, в идеальном случае, должны пересекаться под прямым углом. Частицы полезного компонента попадают в углубления и вдоль них сползают в накопитель концентратора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смышляев Г.К. Воздушная классификация в технологии переработки полезных ископаемых. - М:. Недра, 1969. -102 с.

2. Филиппов В.Е, Матвеев А.И., Лебедев И.Ф. Воздуш-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------

ная сепарация// Драгоценные металлы и камни - проблемы добычи и извлечения из руд, песков и вторичного сырья: Тез.докп. Междунар. науч.-практич. конфер. и выставки. -Иркутск: Иргиредмет, 2001.- С.56-58.

Филиппов В.Е. - доктор геолого-минералогических наук, ИГДС СО РАН, г. Якутск.

Лебедев И. Ф. -

. научный сотрудник, ИГДС СО РАН, г. Якутск.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ФЕДОСЕЕВ

G:\По работе в универе\2002\Папки 2002\giab8_02 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm УДК 622

Матвеев А И

10.07.2002 22:33:00 17

28.11.2008 18:52:00 Таня

74 мин.

28.11.2008 19:04:00 5

2 392

13 636