Характеристика комплекса как управляемого объекта

На эффективность процесса сгущения влияют минеральный и гранулометрический составы твердой фазы, плотность и форма частиц, содержание твердого в исходной суспензии и сгущенном продукте, вязкость, pH и температура суспензии, а также конструктивные особенности используемых сгустительных аппаратов.

Плотность твердой фазы суспензии оказывает существенное влияние на скорость осаждения частиц. Чем выше плотность твердой фазы, тем с большей скоростью будут осаждаться частицы. На практике частицы оседают не изолированно друг от друга, а в виде агрегатов-флокул, плотность которых ниже, чем плотность твердой фазы, из-за наличия внутрифлокулярной влаги. С уменьшением вязкости суспензии скорость осаждения частиц возрастает. Существуют различные способы снижения вязкости суспензии, один из которых - нагревание. Вязкость воды наиболее резко снижается при нагревании до 20 - 30 °С. Так, при температурах 0 и 30 °С вязкость составляет соответственно 0,018 и 0,008 Па-с. Кроме того, с повышением температуры суспензии, усиливается эффективность действия применяемых реагентов. Однако, так как на сгущение подают значительные объемы суспензии, нагревание их экономически не оправдано.

Плотность суспензии при ее сгущении оказывает двоякое влияние: при сгущении более плотных суспензий увеличивается производительность сгустителя по твердому, но из-за более стесненных условий уменьшается скорость осаждения частиц и твердая фаза выносится в слив.

Для каждого сгущаемого продукта существует своя оптимальная плотность питания исходной суспензии, при которой сгуститель работает наиболее эффективно. Оптимальные условия работы сгустителя подбирают опытным путем. Если фактическая плотность суспензии для данного материала ниже оптимальной, то перед сгустителем часть воды необходимо удалить. Если фактическая плотность суспензии выше оптимальной, то перед сгущением добавляют свежую воду или возвращают часть слива для разубоживания питания. Свежую воду или слив подают в сгуститель и с целью разрушить пену на поверхности зеркала сгустителя, так как чаще всего сгущению подвергаются флотационные концентраты.

Содержание твердого в сгущенном продукте при работе сгустителей колеблется от 40 до 70 %. Чтобы повысить содержание твердого в сгущенном продукте, необходимо уменьшить массу откачиваемого сгущенного продукта, что приведет к снижению производительности сгустителя по твердому и может способствовать выносу твердой фазы в слив. В то же время с уменьшением плотности сгущенного продукта увеличивается производительность по твердому, но при этом не выполняется основная функция сгущения - не удаляется вода из обезвоживаемого продукта. Эффективность процесса сгущения в значительной степени определяется крупностью частиц: чем они крупнее, тем выше»скорость их осаждения. Суспензии состоят из частиц различной крупности. Осаждению крупных частиц в суспензии препятствуют более мелкие, опускающиеся с меньшей скоростью. В результате взаимодействия крупных и мелких частиц наблюдается сближение скоростей осаждения частиц различной крупности в сгустительных аппаратах. В реальных условиях крупность осаждаемых частиц регулируют с помощью эффектов коагуляции и флокуляции.

Таким образом, эффективность разделения твердой и жидкой фаз в первую очередь зависит от характеристик самой суспензии (содержание твердой фазы, размер частиц, значение pH ионной силы жидкой фазы, плотность и вязкость жидкой фазы, температура). Также важными влияющими факторами являются характеристика флокулянта (тип и заряд полимера, его молекулярная масса, концентрация рабочего раствора, дозировка) и сам технологический процесс (аппаратурно-технологическая схема, точки ввода флокулянта, перемешивание флокулянта с суспензией). Знание и понимание этих факторов позволяет правильно выбрать и наиболее эффективно применять флокулянт при разделении твердой ии жидкой фаз.

Исходя из этого, процесс сгущения в радиальном сгустителе, как объект управления структурно может быть представленным следующим образом (рис 1.2.)

Рис. 1.2 Схема технологического комплекса сгущения как управляемого объекта.

Процесс сгущения как управляемый объект характеризуется следующими параметрами:

А. Входные: объемный расход пульпы в сгустителе Q_п; плотность пульпы (содержание твердого) δ_п; гранулометрический состав α^п_-0.074; щелочность пульпы pH; температура пульпы Т_п; вязкость пульпы μ_п; расход флокулянта q_ф; концентрация флокулянта С_ф; площадь сечения разгрузочного отверстия сгустителя S_p; частота вращения привода насоса, откачивающего сгущенный продукт n_н.

Б. Выходные: объемный расход сгущенного продукта Q_пр; плотность сгущенного продукта δ_пр; щелочность сгущенного продукта pH_пр; объемный расход слива сгустителя Q_сл; мутность слива сгустителя (содержание твердого) М_сл; уровни зон ожиженной постели H_оп; осаждение постели H_ос; скорость фермы сгустителя υ_ф; момент на валу привода фермы М_ф; масса твердого в сгустителе G.

В качестве управляемых параметров могут использоваться плотность сгущенного продукта δ_пр и уровень ожиженной постели (граница постель/зона слива).

Управляющими воздействиями комплекса сгущения могут служить: изменение площади сечения разгрузочного отверстия сгустителя S_p, расход флокулянта q_ф, температура пульпы Т_п, подаваемой в сгуститель и частота вращения привода насоса n_н, откачивающего сгущенный продукт.

Частота вращения привода пескового насоса n_н влияет на объемный расход сгущенного продукта (производительность насоса). Это регулирующее воздействие может реализовываться как плавно(с применением частотно-регулируемого электропривода), так и ступенчатого (с изменением количества параллельно работающих насосов).

Температура пульпы, подаваемой в сгуститель, является эффективным управляющим воздействием, оказывая влияние на вязкость пульпы и эффективность флокулянтов и коагулянтов. Однако при значительных объемах пульпы, изменение ее температуры экономически нецелесообразно.

Основными возмущающими воздействиями являются объемный расход пульпы в сгустителе Q_п, и ее параметры (плотность δ_п, pH щелочность, α^п_-0.074 гранулометрический состав, μ_п вязкость пульпы). Сюда же можно отнести и температуру пульпы Т_п.

В качестве помех могут рассматриваться процессы, связанные с износом и старением отдельных элементов сгустителя.

Исходя из анализа комплекса сгущения как управляемого объекта, можно выделить основные каналы управления комплексом с учетом возможности их технической реализации: «расход флокулянта – уровень ожиженной постели»; «площадь поперечного сечения разгрузочного отверстия – плотность сгущенного продукта»; «частота вращения привода насоса – плотность сгущенного продукта».

Эффективность процесса сгущения в радиальных сгустителях зависит от множества факторов (размер частиц твердой фазы, вязкость плотность и температура пульпы, добавление флокулянтов и др.). на рис. 1.3; 1.4; 1.5; 1.6; 1.7; 1.8 приведены статические характеристики показывающие характер взаимосвязей параметров процесса сгущения.

Рис. 1.3 Зависимость вязкости жидкой фазы пульпы от температуры.

Рис. 1.4 Зависимость плотности жидкой фазы пульпы от температуры.

Рис. 1.5 Зависимость скорости сгущения от дозировки флокулянта при различном содержании твердой фазы пульпы.

Рис. 1.6 Зависимость скорости сгущения от дозировки флокулянта при различной концентрации рабочего раствора флокулянта.

Рис. 1.7 Зависимость скорости сгущения от дозировки флокулянта при постоянной дозировке реагента.

Рис. 1.8 Зависимость плотности сгущенного продукта от дозировки флокулянта при различной плотности питания сгустителя.

Зависимость основного технологического параметра – плотности сгущенного продукта от входных и выходных параметров (статический режим) важно получить, используя уравнения материальных балансов сгустителя расхода твердого

(1.1)

и по объемным расходам

(1.2)

С учетом 1.1 и.1.2 можно записать

,

Откуда

(1.3)

Пренебрегая, вследствие малости, плотности слива (), получим

(1.4)

Отсюда видно, что по каналу сгуститель является линейным объектом, а по каналу - нелинейным.

Динамические свойства радиального сгустителя определяются поведением частиц твердой фазы пульпы в различных зонах.

Аналитическими и экспериментальными методами были определены виды передаточных функций сгустителя по различным каналам:

а) по каналу, «площадь сечения разгрузочного отверстия сгустителя – плотность сгущенного продукта»

= ; (1.5)

б) по каналу «площадь поперечного сечения разгрузочного отверстия сгустителя –высота зоны сгущения»

; (1.6)

в) по каналу «расход пульпы в сгуститель – высота зоны сгущения»

; (1.7)

г) по каналу «расход пульпы в сгуститель – плотность сгущенного продукта»

; (1.8)

д) по каналу «расход пульпы в сгуститель – высота зоны сгущения»

; (1.9)

Где , , , , - передаточные коэффициенты сгущения по различным каналам; , – постоянные времени, характеризующие объем зоны ожиженной постели и зоны сгущения; – время осаждения частиц в зоне сгущения; m и n – величины зависящие от текущих значениях параметров зон сгустителя.

Радиальный сгуститель является инерционным объектом. Наименьшей инерционностью обладает канал «площадь поперечного сечения разгрузочного отверстия сгустителя – плотность сгущенного продукта», т.к. динамические свойства зоны сгущения определяются не в полном объеме осадка, а лишь небольшой его частью, расположенной в непосредственной близости к разгрузке. Транспортное запаздывание определяется временем осаждения частиц твердого в зоне сгущения.

На рис. 1.9. представлены экспериментальные переходные характеристика радиального сгустителя при различных возмущающих воздействиях, подтверждающие различную инерционность сгустителя по разным каналам связи:

Рис. 1.9 Динамические характеристики радиального сгустителя:

а - по каналу «объемный расход пульпы в сгуститель – плотность сгущенного продукта»;

б – по каналу «плотность пульпы, поступающей в сгуститель – плотность сгущенного продукта»;

в – по каналу «площадь поперечного сечения разгрузочного отверстия сгустителя – плотность сгущенного продукта».