Do wyznaczenia parametrów pracy układu przepływowego wykorzystano krzywą sedymentacyjną zamieszczoną na rysunku (rys. 8.1), dla testu sedymenta-cyjnego realizowanego w cylindrze ustawionym pod kątem 60° względem podłoża z dawką flokulanta 200 ppm. Podstawowym elementem decydującym o posłużeniu się tą krzywą sedymentacji był sposób przeprowadzenia procesu flokulacji, który dla tej krzywej był zbliżony do sposobu realizacji procesu flokulacji w układzie przepływowym – czyli realizacji procesu flokulacji w osobnym zbiorniku, a następ-nie prowadzenastęp-nie procesu sedymentacji na stanowisku laboratoryjnym.
Dawka flokulanta wynosząca 200 ppm została przyjęta z dwóch powodów, po pierwsze jest to dawka stosowana w zakładzie wzbogacania węgla, ponadto w ba-daniach statycznych realizowanych dla różnych dawek flokulanta dawka na pozio-mie 200 ppm pozwoliła uzyskać największy poziom kompresji spośród stosowa-nych dawek. Dawka flokulanta na poziomie 175 ppm pozwalała na uzyskanie zbli-żonej wartości prędkości sedymentacji do procesu z dawką 200 ppm, jednakże z obserwacji wynikało, iż cała frakcja dyspersyjna została wytrącona w postaci szyb-kosedymentujących kłaczków w dłuższym czasie niż dla dawki 200 ppm.
W ramach badań przepływowych zrealizowano 4 serie pomiarowe:
zawiesina surowa, bez dodatku flokulanta, obciążenie powierzchniowe wyno-szące 0,06 m/h (m3/(m2·h)) – P1,
zawiesina z dodatkiem flokulanta, obciążenia powierzchniowe wynoszące: 0,6 m/h, 0,4 m/h i 0,3 m/h – P2, P3, P4.
Pomiar w warunkach przepływowych w układzie bez flokulacji
Pomiar P1 został przeprowadzony dla zawiesiny surowej bez dodatku floku-lanta, przy założeniu obciążenia powierzchniowego wynoszącego 0,06 m/h. Wy-znaczone na podstawie testu sedymentacyjnego T190 parametry przepływowe sta-nowiska laboratoryjnego wynosiły odpowiednio:
strumień nadawy Qn=40 cm3/min, strumień przelewu Qp=20 cm3/min, strumień wylewu Qw=20 cm3/min.
Udział strumienia wylewu w stosunku do strumienia nadawy wynosił 50%. Średnie stężenie nadawy w trakcie pomiaru wynosiło Sn=54,953 kg/m3. Uzyskane wartości średnie stężenia w przelewie i wylewie wynosiły odpowiednio (tab. 9.1): Sp=5,844 kg/m3 i Sw=84,112 kg/m3. Uzyskana efektywność sedymentacji wyniosła η = 94,9%.
Tabela 9.1. Średnie stężenie zawiesiny węglowej w warunkach przepływowych – P1
Strumień Sn Sp Sw
116
W przeprowadzonym pomiarze uzyskano relatywnie wysoką efektywność se-dymentacji. Jednakże zostało to osiągnięte przy bardzo niskim obciążeniu po-wierzchniowym i jednocześnie bardzo wysokim udziale strumienia wylewu wyno-szącym 50% strumienia nadawy co skutkowało bardzo niskim stężeniem zawiesiny w wylewie – stopień zagęszczenia zawiesiny wyniósł 1.7 (tab. 9.2).
Tabela 9.2. Średnie stężenie zawiesiny węglowej w warunkach przepływowych – P1
Nr. Obciążenie powierzchniowe q Udział wylewu uw
Natężenie przepływu Efektywność sedymentacji η Stopień zagęszczenia Z Nadawy Qn Przelewu Qp Wylewu Qw
– m/h % cm3/min cm3/min cm3/min % –
P1 0,6 50 40 20 20 94,9 1,7
Pomiary w warunkach przepływowych w układzie z flokulacją
Kolejne trzy pomiary to proces sedymentacji realizowany dla różnych obcią-żeń powierzchniowych wynoszących odpowiednio: P2=0,6 m/h, P3=0,4 m/h i P4=0,3 m/h z zachowaną stałą dawką flokulanta wynoszącą 200 ppm. W prowa-dzonych pomiarach starano się zachować udział strumienia wylewu na poziomie 30% strumienia nadawy. Pobór próbek odbywał się co 5 min. Sumaryczny czas pomiaru wyniósł 30 minut.
Zestawienie uśrednionych parametrów przepływowych oraz uzyskanych efek-tywności sedymentacji oraz stopieni zagęszczenia zamieszczono w tabeli (tabela 9.3). Natomiast szczegółowe wyniki dla pomiarów P2, P3 oraz P4 zostały przed-stawione w tabeli (tabela 9.4).
Tabela 9.3. Zestawienie parametrów oraz wyników uśrednionych dla pomiarów w warunkach
przepływo-wych (P2, P3, P4) Lp. Obciążenie powierzchniowe q Udział wylewu uw Natężenie przepływu Efektywność sedymentacji η Stopień zagęszczenia Z Nadawy Qn Przelewu Qp Wylewu Qw
– m/h % cm3/min cm3/min cm3/min % –
P2 0,6 27 424 308 116 99,6 2,95
P3 0,4 28 286 206 79 97,9 2,97
117
Tabela 9.4. Zestawienie parametrów oraz wyników dla pomiarów w warunkach przepływowych (P2, P3, P4)
N um er p om ia ru O bc ią że ni e po w ie rz ch ni ow e
Zawartość części stałych przepływu Natężenie
E fe kt yw no ść se dy m en ta cj i Z ag ęs zc ze ni e
Nadawa Wylew Przelew Wylew Przelew
m3/m2/h g/dm3 g/dm3 g/dm3 m/h m/h - - 2.1 0,61365 47,072 128,43 0,0684 0,3118 0,9138 0,9989 2,7285 2.2 0,61365 46,552 125,72 0,1304 0,3118 0,9232 0,9979 2,7008 2.3 0,61365 44,821 139,59 0,2081 0,3118 0,9232 0,9966 3,1144 2.4 0,61365 44,534 138,24 0,3525 0,3170 0,9232 0,9943 3,1042 2.5 0,61365 43,978 135,43 0,6181 0,3103 0,9138 0,9897 3,0796 3.1 0,41536 47,114 129,14 0,2204 0,2145 0,6133 0,9966 2,7411 3.2 0,41536 45,788 129,77 0,2637 0,2153 0,6176 0,9959 2,8341 3.3 0,41536 46,596 136,34 0,3184 0,2139 0,6176 0,9950 2,9261 3.4 0,41536 45,746 137,56 0,4068 0,2133 0,6133 0,9935 3,0071 3.5 0,41536 45,484 140,77 0,6564 0,2138 0,6218 0,9895 3,0949 3.6 0,41536 45,146 140,43 1,0876 0,2134 0,6218 0,9825 3,1106 3.7 0,41536 44,492 139,89 2,5424 0,2157 0,6133 0,9588 3,1443 3.8 0,41536 48,664 140,06 5,4696 0,2161 0,6050 0,9193 2,8784 4.1 0,31152 48,116 124,74 0,0652 0,1577 0,4455 0,9990 2,5924 4.2 0,31152 47,804 133,85 0,0488 0,1555 0,4455 0,9992 2,8000 4.3 0,31152 48,294 133,89 0,0621 0,1614 0,4326 0,9990 2,7724 4.4 0,31152 47,632 136,24 0,0732 0,1599 0,4389 0,9989 2,8605 4.5 0,31152 46,116 138,66 0,1125 0,1583 0,4389 0,9982 3,0069 4.6 0,31152 46,656 138,48 0,1184 0,1612 0,4347 0,9982 2,9682
118
W pomiarze dla obciążenia powierzchniowego q=0,6 m/h (pomiar P2) średnie stężenie nadawy wynosiło Sn=45,387 kg/m3. Uzyskane wartości stężenia w przele-wie i wyleprzele-wie wynosiły odpoprzele-wiednio Sp=0,275 kg/m3 i Sw=133,000 kg/m3. Uzy-skana średnia efektywność sedymentacji wyniosła η=99,6%.
W pomiarze dla obciążenia powierzchniowego q=0,4 m/h (pomiar P3) średnie stężenie nadawy wynosiło Sn=46,128 kg/m3. Uzyskane wartości stężenia w przele-wie i wyleprzele-wie wynosiły odpoprzele-wiednio Sp=1,370 kg/m3 i Sw=136,000 kg/m3. Uzy-skana efektywność sedymentacji wyniosła η=97,9%.
W pomiarze dla obciążenia powierzchniowego q=0,3 m/h (pomiar P4) średnie stężenie nadawy wynosiło 47,436 kg/m3. Uzyskane wartości stężenia w przelewie i wylewie wynosiły odpowiednio Sp=0.080 kg/m3 i Sw=136 kg/m3. Uzyskana efek-tywność sedymentacji wyniosła η=99,9%.
Zależność efektywności sedymentacji od obciążenia powierzchniowego za-mieszczono na rysunku 9.3, a zależność stopnia zagęszczenia od obciążenia po-wierzchniowego na rysunku 9.4.
Rys. 9.3. Zależność efektywności sedymentacji od obciążenia powierzchniowego
dla pomiarów P2, P3 oraz P4
119
Podsumowanie
Z przeprowadzonych pomiarów w warunkach przepływowych, bez dodatku flokulanta (9.4.1) jednoznacznie wynika, że jest możliwe skuteczne (1,7-krotny wzrost stężenia zawiesiny w wylewie względem nadawy) wydzielenie części stałej z zawiesiny w układzie bez flokulacji. Jednakże proces ten prowadzony przy bardzo niskim obciążeniu powierzchniowym w układzie rzeczywistym skutkowałoby bar-dzo dużym zapotrzebowaniem na powierzchnię sedymentacyjną.
Prowadzenie procesu sedymentacji bez wspomagania flokulacją skutkuje rów-nież uzyskaniem bardzo niskiego stężenia zawiesiny w wylewie i jednocześnie jej dużym strumieniem, co powoduje, że taki sposób prowadzenia procesu jest nie do zaakceptowania, gdyż wymagałby kolejnych etapów zagęszczania wylewu, aby uzyskać ten sam poziom odwodnienia co w przypadku zastosowania flokulacji.
Z przeprowadzonych badań statycznych oraz z pomiarów jednoznacznie wy-nika, iż prowadzenie sedymentacji badanej zawiesiny w układzie klasycznym, bez wspomagania procesem flokulacji jest nie do zaakceptowania, ze względu na ponad 10-cio krotny wzrost zapotrzebowania na powierzchnię sedymentacyjną w sto-sunku do układu z flokulacją, oraz ze względu na bardzo niskie stężenie końcowe zawiesiny oraz jej duży strumień w wylewie.
Analizując wyniki przeprowadzonych badań procesu sedymentacji zawiesiny węglowej w warunkach przepływowych (9.4.2) dochodzi się do zaskakującego wniosku, że niezależnie od obciążenia powierzchniowego, przy jego zmienności z przedziału 0,3÷0.6 m/h, uzyskane wartości stężenia zawiesiny w wylewie były na zbliżonym do siebie poziomie, przy zachowaniu stężenia nadawy na stałym pozio-mie. W przeprowadzonych pomiarach stężenie nadawy znajdowało się na poziomie 44,5÷47 kg/m3, w przelewie uzyskano stężenia na poziomie 0.08÷1,3 kg/m3, a w wylewie uzyskano stężenie na poziomie 133÷136 kg/m3. W efekcie uzyskano efek-tywności sedymentacji na poziomie 98÷99% oraz stopień zagęszczenia na pozio-mie 2,8÷3.
Na podstawie uzyskanych wyników z badań statycznych oraz pomiarów wy-konanych w warunkach przepływowych jednoznacznie wynika, że proces sedy-mentacji zawiesiny węglowej koniecznie powinien być wspomagany procesem flo-kulacji oraz stosowaniem wkładów wielostrumieniowych. Zastosowanie jednocze-sne tych technik wspomagania procesu sedymentacji powoduje, iż efekt końcowy uzyskany jedną metodą jest zwielokrotniany poprzez efekt wnoszony przez drugą metodę.
Z przeprowadzonych pomiarów można wysnuć podstawowy wniosek, iż w trakcie procesu flokulacji, uzyskuje się zawiesinę kłaczkowatą, posiadającą fazę dyspersyjną o strukturze kłaczków i stężeniu, powodującym występowanie sedy-mentacji skrępowanej, co jest związane z strefowym opadaniem zawiesiny.
Należy jednak pamiętać, że zwiększając obciążenie powierzchniowe przy pew-nej wartości (której w trakcie prowadzonych badań nie udało się ustalić) można uzyskać prędkość przepływu zawiesiny (w strefie sedymentacji) równą prędkości sedymentacji (opadania) zawiesiny, co przy przypadku niewielkiego zwiększeniu obciążenia powierzchniowego skutkowałoby całkowitym uniesieniem położenia warstwy rozdziału faz zawiesiny w stronę przelewu (zmniejszenie stopnia zagęsz-czenia w wylewie).
120
10. Modelowanie efektywności sedymentacji
w zależności efektywności od obciążenia
powierzchniowego na podstawie wyników
doświadczeń
Analizując potencjalne możliwości wykorzystania procesu sedymentacji do oczyszczania zawiesiny bardzo pomocnym elementem jest znajomość zależności efektywności sedymentacji od obciążenia powierzchniowego. Na podstawie takiej zależności jest możliwe określenie jakości działania urządzenia, parametry zawie-siny, po procesie, przy założonym dowolnym obciążeniu powierzchniowym. W zależności o potrzeb jesteśmy w stanie określić parametry geometryczne (wy-miary) urządzenia pozwalającego na uzyskanie zawiesiny po oczyszczeniu o odpo-wiednio niskim (wymaganym) stężeniu części stałej. Teoretyczną zależność efek-tywności sedymentacji dla dowolnej zawiesiny możemy określić na podstawie jej właściwości fizycznych (i parametrów procesu), przy dodatkowym założeniu wy-stępowania sedymentacji swobodnej.
Zakładając, że prędkość opadania ziarna o wielkości granicznej vdg jest równa obciążeniu powierzchniowemu q (10.1):
= (10.1)
wyznaczając ze wzoru Stokesa ziarno graniczne (10.2):
= 18 ⋅ ⋅
( − ) ⋅ (10.2)
można, korzystając np. z modelu Kowalskiego (10.3) [2] wyznaczyć teoretyczną zależność efektywność sedymentacji od obciążenia powierzchniowego:
( ; , ) = 1 − ( ) −
+ 2 − ( ) − ⋅ ( ) − − 2 (10.3)