Concentration dependence of sedimentation rate of particles in coal suspensions

• Autorzy: Kowalski W. P. , Banaś M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ stężenia zawiesiny na efektywność sedymentacji zawiesin węglowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper investigates the concentration dependence of the sedimentation rate of particles in coal-containing suspensions. Contradictory literature data on the effects of concentration on the sedimentation rate of solid particles in suspensions have prompted the research investigation in that field. Einstein's theoretical considerations lead us to the well-known conclusion that viscosity of a suspension increases with an increase of its concentration. An increase in viscosity brings about the reduction of the settling velocity, derived from the Stokes formula. Barfod, Pieńkowska and Herczyński identified another mechanism, revealed in a certain range of concentrations, which is responsible for an enhanced sedimentation rate. This mechanism is distinctly revealed during sedimentation of suspensions from metallurgical processes. This effect was also observed by Sontag who studied the sedimentation processes with tiny glass balls as the dispersed phase. The focus of this paper is on this particular effect in coal-containing suspensions. The research investigations were conducted to verify the hypothesis that in a certain range of concentrations the settling rate in diluted solutions is increased, thereby improving the sedimentation efficiency and even reducing the solid concentrations in a clarified suspension despite the increase in solid phase concentration of the suspension to be clarified. The research investigation involves the measurement of major parameters of statistical grain size distribution, followed by computation of the sedimentation efficiency for the given parameters. Finally, the concentration of the clarified suspension is derived, knowing the concentration of the suspension to be clarified for which the parameters of the statistical grain size distribution are established. The verification procedure and computations of grain size characteristics were executed using the laboratory facilities. The mathematical model was utilised to develop a package of computer software for simulations of the concentration dependence of the sedimentation rate. Evidence from this study suggests that the mechanism responsible for an increase of the sedimentation rate and eliminating its reduction due to increased viscosity is also apparent in the case of coal-containing suspensions. This effect might be attributable to auto-coagulation of grains. Practical applications of this research program include the processes where the solid concentration is enhanced to minimise the concentration of the clarified suspension. In practical solutions a proportion of thickened suspension might be returned to the stream of feed and by so doing the concentration of suspension in the overflow will be reduced. A similar technique has been successfully applied to water cycles in the metallurgical industry, supported by electromagnetic coagulation to which the investigated effect was attributed. As regards the modernisation of sedimentation tanks by providing lamella packets, the results of this study might be well utilised to determine the levels at which lamella packets are to be mounted, so far that has been mostly done intuitively.

PL

W artykule przedstawiono badania nad wpływem stężenia na efektywność sedymentacji zawiesiny węglowej. Geneza tego problemu wynika ze sprzecznych doniesień literaturowych na temat wpływu stężenia zawiesiny na prędkość opadania ziaren fazy stałej zawiesiny. Teoretyczne rozważania Einsteina prowadzą do uznanego wniosku, iż wraz ze wzrostem stężenia wzrasta lepkość zawiesiny. Wzrost lepkości powoduje zmniejszenie prędkości opadania obliczanej przykładowo ze wzoru Stokesa. Z kolei z badań Barfoda, Pieńkowskiej i Herczyńskiego wynika, ze istnieje dodatkowy mechanizm, występujący w pewnym zakresie stężeń, o silniejszym oddziaływaniu, którego wynikiem jest wzrost prędkości opadania. Ten mechanizm występuje ewidentnie w procesie sedymentacji zawiesin hutniczych. Badany efekt został zauważony przez Sontaga także w procesie sedymentacji zawiesin, w których fazę rozproszoną stanowiły kulki szklane. Rozpoznaniu tego problemu w odniesieniu do zawiesin węglowych jest poświęcone niniejsze opracowanie. Badania były podporządkowane weryfikacji tezy, iż w rozcieńczonych zawiesinach w pewnym zakresie stężeń, występuje wzrost prędkości opadania cząstek powodujący wzrost efektywności sedymentacji, a nawet zmniejszenie stężenia cząstek fazy stałej w sklarowanej zawiesinie pomimo zwiększania stężenia cząstek fazy stałej w zawiesinie poddawanej klarowaniu. Koncepcja badań była oparta na pomiarach wartości parametrów rozkładu statystycznego wielkości ziaren, następnie na obliczaniu efektywności sedymentacji dla zmierzonych parametrów i na koniec na obliczaniu stężenia zawiesiny sklarowanej przy znanym stężeniu zawiesiny poddawanej klarowaniu, dla której mierzono wartości parametrów rozkładu statystycznego wielkości ziaren. Weryfikację badań i obliczeń charakterystyk granulometrycznych przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym. Na podstawie modelu matematycznego opracowano pakiet programów komputerowych do symulacji zjawiska wpływu stężenia na efektywność sedymentacji. Wyniki badań prowadzą do wniosku, iż w zawiesinach węglowych także występuje mechanizm zwiększający prędkość sedymentacji i niwelujący obniżenie prędkości sedymentacji wynikające ze wzrostu lepkości zawiesiny. Można przypuszczać, że jest to wynik autokoagulacji ziaren. Praktyczne zastosowanie powyższych badań może polegać na takim zwiększeniu stężenia cząstek w zawiesinie podawanej klarowaniu, aby zminimalizować stężenie zawiesiny sklarowanej. Technicznie może to polegać na tym, że część zawiesiny zagęszczonej można zawracać ponownie do strumienia nadawy i w ten sposób zwiększać stężenie nadawy i w efekcie uzyskiwać niższe stężenie zawiesiny odbieranej w przelewie. Podobną metodę stosowano dla obiegów wodnych w hutnictwie stosując dodatkowo koagulację elektromagnetyczną, którą tłumaczono badany efekt. W odniesieniu do modernizacji osadników przez zastosowanie wkładów wielostrumieniowych wyniki powyższych badań mogą mieć zastosowanie do wyznaczenia poziomu położenia warstwy wkładów, przyjmowanego dotychczas intuicyjnie.

Słowa kluczowe

EN

sedimentation; suspension concentration; viscosity; sedimentation balance

PL

sedymentacja; stężenie zawiesiny; lepkość zawiesiny; waga sedymentacyjna

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 49, nr 3
• Strony: 387--404
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kowalski W. P.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Urządzeń Technologicznych i Ochrony Środowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Banaś M.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Urządzeń Technologicznych i Ochrony Środowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Banaś M., 2003: Badania wpływu stężenia cząstek fazy stałej na proces sedymentacji. Rozprawa doktorska, AGH, Kraków,2003, niepublik.
• [2] Barfod N., 1972: Concentration dependence of sedimentation rate of particles in dilute suspension. Powder Technology, 6, 39-43, 1972.
• [3] Binder H., Wiesmann U., 1983: Sedimentation in Lamellenabscheidem. Aufbereitungs-Technik, 2, 86-91, 3, 146.
• [4] Camp T.R., 1946: Sedimentation and the design of settling tanks. Trans. Amer. Soc. Civ. Engrs., 111 895-958.
• [5] Czetwertyński E., Utrysko B., 1969: Hydraulika i hydromechanika, PWN, Warszawa.
• [6] Einstein A.: Ann. Physik, 19 (1906, 1911)289-306,591.
• [7] Gambill W.R., 1959: How to Estimate Mixture Viscosities. Chem. Engng., 66, 5, 151-152.
• [8] Hazen A., 1904: On Sedimentation. Trans. ASCE, 53 45-88.
• [9] Kunitz M.J., 1926: Gen. Physiol., 9 715.
• [10] Kowalski W.P., 1991: Waga sedymentacyjna - metoda interpretacji informacji o składzie ziarnowym. Arch. Ochr. Śród. 1991, 1-2, 159.
• [11] Kowalski W.P., 1992: Analiza teoretyczna i badania procesu sedymentacji wielostrumieniowej. Problemy Inżynierii Mechanicznej I Robotyki, 3, Kraków, 2004 S.179.
• [12] Kowalski W.P., 1992: Generalization of Hazen’s Sedimentations Theory. Archiv. of Hydroengineering. 2, 85.
• [13] Kowalski W.P., Mięso R., 2000: Badania wielostrumieniowego procesu klarowania i zagęszczania zawiesiny ze stalowni konwertorowej. Probl. w Konstr. i Ekspl. Masz. Hutn. i Ceram., 2000, AGH, Kraków, t.2, 255.
• [14] Levin G. M., Panteljat G. C., Vainsein I. A., Supron Ju., M.: 1976: Zascita vodoemov ot zagraznenij smocnymi vodami. Izd. Metalurgia. Moskva.
• [15] Nowak A., 1981: Charakterystyki rozdziału jednorodnych ziarn mineralnych w wirówkach klasyfikujących. Warszawa-Kraków, PAN, Komitet Górnictwa, PWN.
• [16] Odeń S., 1916: Eine neue Methode zur Bestimmung der Kómerverteilung in Suspensionen. Kolloid.-Z., 18, 2, 33.
• [17] Pieńkowska I., Herczyński R., 1978: Settling velocity of Newtonian suspensions. Archiwum. Mechaniki Stosowanej. vol. 30, 4-5, 585.
• [18] Stokes G.G., 1851: On the Effect of the Internal Friction of Fluids on the Motion of Pendulums, Camb. Trans., v. 9.
• [19] Sztaba K., 1956: Metoda statystyczna badania procesu klasyfikacji mokrej. Archiwum Górnictwa, 1.1, 1, 33-53.
• [20] Sontag H., 1982: Koloidy. PWN, Warszawa.