УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ КЛАССИФИКАЦИИ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR HYDRAULIC CLASSIFICATION OF FINE-GRAINED MATERIALS

Изобретение предназначено для гидравлической классификации и фракционного рассева зернистых материалов, преимущественно песка.
Известен гидравлический классификатор (см. пат. 2053025 Росс. Федерация. МПК ВО3В 5/62. №4908365/03; заявл. 06.02.1991; опубл. 27.01.1996.), состоящий из цилиндра, конического корпуса с патрубками для подвода пульпы, отводов для песка и сливного желоба. Дополнительно содержит расширяющуюся перечистную камеру с песковым отверстием, вертикально установленной в ее верхней стенке сливной трубой и пневмогидравлическими сепараторами, равномерно размещенными в нижней части боковых стенок перечистной камеры, вдоль ее оси.
К недостаткам конструкции следует отнести: высокую сложность, металлоемкость, а также сложность при ее изготовлении и монтаже.
Согласно технологии ведения работ по фракционному рассеву песка в устройстве отмечается взаимодействие восходящего и нисходящего потоков внутри корпуса, что приводит к уменьшению турбулизации потоков, к переходам на ламинарный режим течения жидкости вниз, откуда через щели пульпа попадает в полость конической обечайки. Однако в описании работы устройства отмечается, что имеет место восходящий поток от подачи воды по тангенциальному патрубку внутрь конической обечайки. Далее отмечается, что при ламинарном течении пульпы по кольцевому пространству между цилиндром и корпусом, имеет место восходящий поток пульпы, который изливается через кромку камеры в сливной желоб при наличии твердых частиц мелкозернистой фракции. Откуда следует, что полного разделения по фракциям не происходит. Исключение составляет крупная фракция, поскольку скорость оседания частиц в восходящем потоке больше скорости нисходящего потока, имеющего ламинарный режим течения.
Сомнение вызывает необходимость удаления из пульпы газовой фазы, поскольку в дальнейшем осуществляют интенсивную аэрацию пульпы для создания неравномерного столба аэрированной жидкости.
Из конструкции видно, что удаление крупной фракции из закрытой перечистной камеры возможно только периодически, с соответствующей остановкой процесса разделения, что резко снижает эффективность работы установки.
Известен центробежный гидравлический классификатор (см. а.с. 1033203 СССР. М. кл. В03В 5/34; №3346541/29-03; заявл. 09.10.1981; опубл. 07.08.1983. Бюл. №29). Конструкция устройства представляет собой цилиндро-конический корпус с подводящим патрубком, патрубком сгущенного продукта и сливного патрубка.
Работа классификатора.
Исходная пульпа поступает в классификатор по тангенциально подводящему патрубку с одновременной подачей воздуха, с созданием вынужденных колебаний пульпы в полости корпуса. Под действием центробежных сил часть исходного материала размещается на внутренней стенке корпуса. Основная часть разделяемого материала, под действием центробежных сил перегруппировывается так, что крупность частиц убывает в направлении от стенки к оси корпуса. Под действием потока и наложения на него пульсаций увеличивается скорость осаждения. Эти частицы, совместно с наиболее крупными, перемещаются вниз по конической части корпуса и удаляются через нижний патрубок.
Классификация мелких фракций происходит в нижней части сливного патрубка в суммарном потоке, направленном вверх, и характеризуется большей скоростью выноса мелких частиц в слив.
Недостатки:
- возможно получение только одной, крупной фракции с выбросом оставшейся части в слив, что снижает эффективность процесса в целом;
- необходимость соизмерения расхода пульпы на подаче с расходом сгущенной пульпы через нижний и сливной патрубки, чтобы поддержать оптимальный уровень воды внутри корпуса и обеспечить непрерывность технологического процесса, что также негативно влияет на процесс обогащения.
Известен конусный гидравлический классификатор (см. АС 657851, СССР. М. кл. ВО3В 5/62; №2513383/22-03; заявл. 02.08.1977; опубл. 25.04.1979. Бюл. №15), состоящий из корпуса, патрубка для подачи исходной пульпы, патрубка для отвода мелкого продукта и патрубка для отвода сгущенного продукта.
Работа классификатора.
Исходная пульпа по подводящему тангенциальному патрубку поступает в конусный корпус через узкую нижнюю часть.
Восходящим потоком зернистый материал поднимается одновременно с вращением, что приводит к концентрации более крупной фракции у стенки. Определенная по размеру фракция задается с учетом соотношения сил гравитации, восходящего потока и центробежных сил. Мелкий материал поднимается восходящим потоком, и в виде пульпы отводится через центральный верхний патрубок. Крупный материал в виде сгущенной пульпы отводится из пристенной зоны в широкой части конического корпуса, через тангенциальный патрубок.
К недостаткам конструкции можно отнести следующее:
- классификация зернистого материала из пульпы происходит только по одной фракции, что нецелесообразно, поскольку в ряде случаев применяют и более мелкие фракции, например, в нефтегазовой промышленности для установки гравийных фильтров или при гидроразрыве;
Известен гидравлический классификатор мелкозернистых материалов (см. а.с.1479103 СССР. М. кл. ВО3В 5/62; №4270949/23-03; заявл. 01.06.1987; опубл. 15.05.1989. Бюл. №18), принятый авторами за прототип.
Классификатор содержит конусный грунтосборник с разгрузочным патрубком крупной фракции. Над грунтосборником расположена цилиндрическая классификационная камера с водораспределительными окнами. Снаружи камеры с окнами расположен кольцевой коллектор подвода дополнительной воды через тангенциальный патрубок подвода воды. Приемно-разделительная камера снабжена осевым патрубком для отвода мелкого продукта и тангенциальным патрубком для отвода среднего продукта. Внутри камеры соосно установлен стержень с конической вершиной.
Приемно-разделительная камера выполнена в виде сужающегося внизу усеченного конуса. Патрубок подачи пульпы размещен в расширенной части камеры. Обогатительная камера выполнена в виде усеченного конуса, где патрубок отвода среднего продукта размещен в узкой части обогатительной камеры. Камеры соединены между собой большими основаниями.
Работа устройства заключается в следующем:
Исходная пульпа через тангенциальный патрубок поступает в приемно-разделительную камеру с вращением потока, где под действием центробежных, гидродинамических и гравитационных сил происходит распределение фракций. Крупные фракции размещаются на периферии вниз, средняя фракция к периферии и вверх, мелкая - к центру и вверх. В обогатительной камере происходит обогащение средней фракции с отделением из нее мелкой фракции с выводом их вместе через выкидной патрубок. Обогащенный и сгущенный средний продукт выводится через тангенциальный патрубок в верхней части обогатительной камеры. Разделение среднего и мелкого продуктов по заданному граничному зерну достигается путем изменения диаметра осевого патрубка. В цилиндрической классификационной камере, в которой установлен центральный стержень, и она снабжена водораспределительными окнами, происходит вымывание смежных и мелких фракций из крупной фракции. При этом получают качественный продукт крупной фракции по размеру зерен, что обеспечивается путем регулирования скорости восходящего потока воды, по отношению к скорости осаждения крупной фракции, которая поступает в конусный сборник с выводом наружу через патрубок.
Дополнительная вода поступает в камеру, имеющую форму цилиндра, по тангенциальному патрубку.
В приемно-разделительной камере происходит распределение фракций в радиально-осевом направлении, а в классификационной камере подвод дополнительной воды стимулирует процессы ускорения и улучшения процесса разделения, путем направления снизу-вверх потока, содержащего мелкие и средние фракции.
В обогатительной камере процесс разделения ускоряется и увеличивается процесс обогащения среднего продукта за счет мелких фракций, с удалением их через верхний патрубок по мере увеличения окружных скоростей и скорости восходящего потока. При значительном увеличении окружных скоростей и скорости восходящего потока исключается попадание крупных фракций в обогатительную камеру. Состыковка разделительной и обогатительной камер широкими основаниями усеченных конусов обеспечивает плавный переход средних и мелких фракций из приемной в обогатительную камеру. Средний продукт по тангенциальному патрубку, установленному в узкой части обогатительной камеры, обеспечивает вынос потока пульпы со средним продуктом.
При вращательном движении потока пульпы в приемно-разделительной камере происходит радиальное разделение песка по фракциям.
При подаче дополнительной воды в камеру цилиндрической формы получают равномерно восходящий поток воды, за счет создания кольцеобразного течения между стенкой камеры и стержнем.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- наличие двух независимых потоков пульпы и воды, подаваемых в разные камеры, вызывает неопределенность в работе устройства. Это отмечается также в описании работы, когда отмечается наличие вращающегося потока пульпы в приемно-разделительной камере с направлением вниз.
Одновременно навстречу этому потоку направляется поток дополнительного объема воды из классификационной камеры, что служит препятствием для перемещения крупных фракций вниз из приемно-разделительной камеры и снижает эффективность процесса разделения фракций. Регулирование скорости восходящего потока воды по отношению к скорости осаждения крупных фракций носит проблематичный характер, поскольку необходимо одновременно регулировать также скорость подачи пульпы в приемно-разделительную камеру, что проблематично в сочетании с регулированием расхода выхода крупных фракций из грунтосборника. Все эти факторы негативно отражаются на технологическом процессе разделения фракций.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность обеспечения технологического процесса с рассевом песка на несколько фракций;
- возможность получения различных по крупности фракций в зависимости от фракционного состава исходного продукта путем увеличения или уменьшения расхода воды;
- возможность замены изношенных камер на новые;
- возможность перехода на рассев песка различного фракционного состава путем изменения диаметров камер и изменения расхода подаваемой воды.
Технический результат достигается тем, что устройство для гидравлической классификации мелкозернистых материалов состоит из приемно-разделительной, классификационной и обогатительной камер, подводящего и отводящего патрубков, патрубка подачи дополнительной воды, грунтосборника. Содержит загрузочный бункер, корпус, связанный с ним нижним концом, имеющим сужение, в котором размещается классификационная камера с вырезанным окошком для обеспечения гидравлической связи с грунтосборником крупной фракции, с опорой на донышко. Приемно-разделительная камера снабжена фланцем и установлена внутри классификационной камеры с выходом нижнего конца в полость загрузочного бункера, снабженного подводящим патрубком подачи воды со струйной насадкой на конце, входящей в осевой канал приемно-разделительной камеры.
Обогатительная камера выполнена в виде цилиндра и снабжена фланцем для связи с ответным фланцем корпуса. В ее теле выполнен вырез для обеспечения гидравлической связи с полостью грунтосборника средней фракции. Верхний конец классификационной камеры входит в осевой канал обогатительной камеры. Подводящий патрубок снабжен водоотводом с барботажной насадкой, введенной внутрь загрузочного бункера.
Конструкция гидравлического классификатора поясняется чертежом, где в разрезе показано его устройство.
Устройство состоит из загрузочного бункера 1, на днище которого установлен подводящий патрубок 2 подачи воды, связанный через задвижку 3 с подающим трубопроводом 4. К подводящему патрубку 2 дополнительно подсоединен водоотвод 5 с барботажной насадкой 6, выходящей в полость загрузочного бункера 1, который соединен с корпусом 7, на нижнем конце которого выполнено сужение, снабженное донышком 8. В сужении установлена классификационная камера 9 с окошком 10, внутри которой осесимметрично установлена приемно-разделительная камера 11 с фланцем 12, опирающаяся на донце 13 в классификационной камере 9 и выходящая в полость загрузочного бункера 1. Подводящий патрубок 2 подачи воды снабжен струйной насадкой 14, выходящей в осевой канал приемно-разделительной камеры 11.
Осесимметрично корпусу 7 установлена обогатительная камера 15, охватывающая с зазором верхний конец классификационной камеры 9 и снабженная вырезом 16. На внешней стороне обогатительной камеры 15 установлен фланец 17 для соединения с ответным фланцем 18 корпуса 7.
Кольцевой зазор между корпусом 7 и обогатительной камерой 15 перекрыт уплотнителем 19. Обогатительная камера 15 оснащена отводящим патрубком 20.
Корпус 7 снабжен грунтосборником 21 для средней фракции, полость которого через вырез 16 в теле обогатительной камеры 15 связана с ее осевым каналом. Ниже установлен грунтосборник 22 для крупной фракции, осевой канал которого через окошко 10 в классификационной камере 9 связан постоянно с ее осевым каналом.
Конструкция устройства предусматривает возможность последовательного демонтажа обогатительной 15, приемно-разделительной 11 и классификационной 9 камер из корпуса 7 для их замены и ремонта, в случае износа или, при необходимости, перехода на другой диаметр осевых каналов.
Внутренний диаметр осевого канала приемно-разделительной камеры 11 согласован с расходом подаваемой воды и известными диаметральными размерами песчинок.
Внутренний диаметр осевого канала классификационной камеры 9 подобран из условия обеспечения подъема частиц песка средней фракции с выходом в осевой канал обогатительной камеры 15 и сбросом этой фракции через вырез 16 в грунтосборник 21 для сбора средней фракции. Диаметр осевого канала обогатительной камеры 15 подобран из условия поддержания скорости восходящего потока, достаточной для транспортирования мелких фракций к отводящему патрубку 20.
Установка для фракционного рассева и гидравлической классификации мелкозернистых материалов работает следующим образом. Открывают задвижку 3 для подачи воды в полость устройства. В загрузочный бункер 1 осуществляют подачу песка с различной фракцией и струей воды, истекающей из барботажной насадки 6 в полость загрузочного бункера 1, создают пульпу, которая поступает в осевой канал приемно-разделительной камеры 11 через кольцевой зазор между ее стенками и телом струйной насадки 14. Пульпа через этот кольцевой зазор входит в осевой канал приемно-разделительной камеры 11 и транспортируется вверх с определенной скоростью восходящего потока. Скорость восходящего потока должна предотвращать оседание крупных фракций вниз. Поток пульпы выходит из осевого канала приемно-разделительной камеры 11 в осевой канал классификационной камеры 9, имеющей больший диаметр. Частицы песка крупной фракции выходят из потока пульпы и через окошко 10 попадают в грунтосборник 22. Далее поток пульпы, освобожденный от крупной фракции, перемещается в осевой канал обогатительной камеры 15 с уменьшением скорости потока. Частицы песка средней фракции через вырез 16 в теле обогатительной камеры 15 попадают в грунтосборник 21, где происходит их накопление.
Поток обедненной пульпы, имеющий мелкую фракцию, по осевому каналу обогатительной камеры 15 поступает к отводящему патрубку 20. Скорость восходящего потока должна быть достаточной, чтобы переместить все мелкие частицы для сброса в отвал мелкой фракции.
Подача песка различного фракционного состава в загрузочный бункер 1 осуществляется периодически отдельными порциями по мере его подачи на сортировку в приемно-разделительную камеру 11. При заполнении грунтосборников 21 и 22 средней и крупной фракциями песка процесс сортировки останавливают путем закрытия задвижки 3, сливают воду из устройства через кран в корпусе 7 (на рисунке не показано). Открывают последовательно грунтосборник 21 и извлекают среднюю фракцию, затем открывают грунтосборник 22 и отбирают крупную фракцию песка.
Закрывают крышки на грунтосборниках 21 и 22 и повторяют процесс сортировки по аналогии с вышеописанным ранее.
Габаритные размеры грунтосборников 21 и 22 дают возможность получать за один цикл среднюю и крупную фракции в объеме порядка 0,5 - 0,7 тонн каждой из них.