188468. lajstromszámú szabadalom • Eljárás szuszpenziók ülepedési jellemzőinek mérésére
1 188 468 2 A találmány eljárás szuszpenzíók ülepedést jellemzőinek mérésére, közelebből eljárás elsősorban hidrometallurgiaí szuszpenzíókban a dinamikus ülepedés meghatározására. Ismeretes, hogy egyetlen merev golyó süllyedési sebessége a gravitációs és a súrlódási erők egyensúlya esetén végtelen kiterjedésű folyadéktérben állandó. Ha a golyó mozgása által létrehozott folyadékáramlás lamináris, vagyis a Reynolds-szám: Re < 0,2, az ülepedés sebessége a Stokes-formulával oldható meg. Híg szuszpenziókra, azaz ha a szemcsék mérete elhanyagolható a közöttük lévő távolsához és az ülepítő edény méreteihez képest, a szemcsék ülepedési sebességét az Einstein-Smoluchowsky formula (Einstein, A.: Eine neue Bestimmung der Holeküldimensionen, II. Berichtigung Ann. Phys. 34. /1911/, 591—592.) adja meg: u = Uo(I-ae) ahol: a dimenzió nélküli állandó, értéke merev gömbalakú részecskékre a = 2,5 e a szilárd anyag relatív térfogati koncentrációja a szuszpenzióban uQ az (I) képletben szereplő Stokes-sebesség. Az ülepedési sebesség formulák csak hidrát-, illetve szolvátburoktól mentes szemcsék mozgását írják le helyesen. Hidratált szemcsékre a d részecskeátmérő helyett a D > d hidratált részecskeátmérőt, az ún. aktuális Stokes-átmérőt, a szilárd fázis psz sűrűsége helyett pedig a szemcse és hidrátburok együttes effektiv sűrűségét kell behelyettesítenünk. A szuszpenziók ülepedésének sebessége és mechanizmusa eltér az egyedi merev gömbök szabad ülepedésétől az ülepedés során a szemcsék között fellépő kölcsönhatások miatt. Viszonylag híg szuszpenziókban az egyes szemcsék külön-külön mozognak az őket körülvevő folyadéktérben. Ebben az állapotban a szilárd anyag képezi a diszperz fázist. Az ülepedés során az edény fenekére rétegeződő szilárd anyag térfogati koncentrációja azonban nagyobb lesz, mint a kezdeti szuszpenzióban volt, a szemcsék érintkeznek, elrendeződnek egymáson. Itt már a folyadék tekinthető diszperz fázisnak, és a sűrűsödéssel járó folyadék-feláramlás a szilárd anyag pórusain keresztül megy végbe. A szilárd anyag további sűrűsödésekor a folyadékeltávozás, illetve -áteresztés mechanizmusa diffúzióként tárgyalható. A kis Reynold-szám biztosítására nagy viszkozitású ülepítő folyadékra van szükség, vagy a szilárd és folyadékfázis kis sűrűségkülönbségével, vagy nagy szilárdaanyag-tartalommal kell biztosítani a kellően kis ülepedési sebességet. Nem egyszerű és egyértelmű művelet a szilárdanyag-koncentráció változtatása sem. Ha növelését az egyforma szilárd szemcsék számának szaporításával valósítják meg, fennáll az a veszély, hogy a szemcsék érintkezésük, agglomerálódásuk esetén folyadékteret zárnak be. E folyadék a szemcsékkel együtt mozog, nem vesz részt a kiszorított folyadék felfelé áramlásában, és csökkenti a szilárd fázis effektiv sűrűségét is. Az ilyen jelenség kísérleti megfigyelése, és a számításokkal való nyomonkövetése gyakorlatilag lehetetlen. A szabályos alakú merev szemcsék alkotta ideális szuszpenziókra vonatkozó sebességformulák elvi szem pontból rendkívül fontosak, de közvetlenül nem alkal masak az ülepítők működésének leírásához. Például egyik sebességformula sem veszi figyelembe az ülepítő alján felhalmozódó szilárd anyag miatt megváltozó koncentrációt, tehát nem adnak számot az üledék tömörödéséről. A valóságos ülepítőben viszont alapvető cél a szilárd anyag koncentrálása. Bennük reális szuszpenziókat ülepítenek, amelyek hidratált szilárd részecskéi általában nem gömbalakúak, igen gyakran hoznak létre flokkulációt is, és az ülepedő pelyhek szerkezetváltozása miatt létrejövő konzisztencia változásnak is lényeges szerepe van a tömörödésben. A szuszpenziók ülepedési sebessége tehát a szilárdanyag koncentrációtól is függ, amely összefüggés levezetése a felsorolt jelenségek elméleti figyelembevételével, továbbá a számításokhoz szükséges paraméterek helyes megválasztása szinte megoldhatatlan problémát jelent. Ezért az ülepedési sebességre kísérleti úton állítottak fel sebe sségformulákat. Az ülepítők működésének vizsgálatához tehát olyan modellkísérletek szükségesek, amelyek a konkrét üzemi szuszpenzió ülepedési és tömörödési viszonyait jellemzik. Az ülepedési kísérleteket azonban gyakorlatilag lehetetlen elvégezni a nagyméretű folytonos üzemű ipari ülepítőkben, mert ha az üzem még nem működik, nem biztosíthatók a kívánt anyagmennyiségek, működés közben viszont a termelés érdekei zárják ki a tartós kísérletezéshez szükséges, esetenkénti extrém üzemi feltételek beállítását. Ha mindezek nem gátolnák a kísérleteket, akkor a rendkívül nagy méretek miatt adódó nagy időállandók zárják ki a megbízható kísérleti eredmények aránylag gyors elérését. Kisméretű, folyamatos üzemű (pilot scale) modelleken, vagy pedig — és kezdettől ez a kényszerű irányelv — kisméretű sztatikus ülepítéssel kell tehát azokat az ülepítési paramétereket meghatározni, amelyek felhasználásával az illető szuszpenziónak a folytonos üzemű ülepítőben való viselkedését számítani lehet. Az elméletileg megalapozott ülepítőtervezés Coe és Clevenger (Coe H.S., Clevenger G.H.: Methods for determining the capacities of slime-settling tanks. Am. Instn. Min. Engrs. 55. /1916/, 356-384) dolgozatával veszi kezdetét. Sztatikus i ülepítési kísérleteink során felismerték, hogy homogén szuszpenziók ülepedési görbéjén, amely az iszapnívó időbeli süllyedését írja le, jellegzetes töréspont figyelhető meg, melynél az ülepedési sebesség — az ülepedési görbe iránytangense — gyors átmenettel lecsökken. Ezt a pontot „kritikus pontnak”, az utána következőket pedig „kompressziós zónának” nevezték el. A sztatikus ülepedés néhány alapvető jelenségének helyes értelmezéséből kiindulva, ezeknek a folytonos üzemű ülepítőre való alkalmazásával jutottak el az ülepítő kapacitásának definiálásához: Pfu ahol : C az egységnyi ülepítő felületre vonatkoztatott kapacitás, kg m'2 óra'1, Hp a folytonos üzemű ülepítőbe betáplált szuszpenzió híg-szilárd súlyviszonya, a betáplálási konzisztencia, Hp, az elvételi konzisztencia, u a Hf betáplálási konzisztenciájú szuszpenzió ülepedési sebessége, m óra'1, Pp az ülepítő folyadék sűrűsége, kg m'3. A C kapacitást sztatikus ülepítési kísérletekben mintasorozat adataiból számították ki. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
