Instrukcja do ćwiczenia separacja elektrostatyczna na separatorze

Instrukcja do ćwiczenia separacja elektrostatyczna na separatorze

Separacja elektrostatyczna na separatorze HT 150
1. Wprowadzenie
Separacja elektrostatyczna ta polega na rozdziale ziarn w polu elektrycznym w oparciu o rodzaj
i wielkość ładunku elektrostatycznego zgromadzonego na ich powierzchni (rys. 11.1).
Nadawa
Elektryzacja
powierzchni
+ -
-
+
Separacja
Fel = Qt E
Fg = mg
Produkty
ele1
Rys.1. Ogólna zasada separacji elektrycznej. Istnieją różne sposoby elektryzacji ziarn i różne sposoby separacji.
Objaśnienia symboli w tekście
Separacja elektryczna jest możliwa dzięki sile Fel (N) działającej na ziarno posiadające ładunek
powierzchniowy Qt (C). Siła ta przemieszcza ziarna w zależności od wielkości i znaku ładunku elektrycznego Qt
na ziarnie, a jej wielkość zależy od natężenia pola elektrycznego E (V/m), ponieważ (Wróblewski i Zakrzewski,
1984):
Fel = Qt E = A q E
(11.1)
gdzie A oznacza powierzchnię ziarna (m2) ziarna, a q ładunek powierzchniowy ziarna (C/m2). Pogrubione
symbole F i E oznaczają, że wielkości te mają charakter wektorowy. Siła działająca na ziarno jest także
opisywana równaniem Coulomba i ma, w formie niewektorowej, postać (Nussbaum, 1985):
Fel = −
1 QQt
4πεo h 2
(11.2)
Prawo Coulomba opisuje siłę oddziaływań dwóch ładunków punktowych Q i Qt, nieruchomych
względem siebie i obserwatora znajdujących się w odległości h od siebie. εo jest przenikalnością elektryczną
próżni (8.854 ⋅10-12 C2 N-1m-2), π = 3.14. Równanie to stosuje się także do opisu oddziaływań naładowanych
ziarn. Równania 11.1 i 11.2 są równoważne, gdyż opisują ten sam układ, a ładunki Qt i Q stanowią źródło pola
elektrycznego E. Na ziarno w polu elektrycznym działa jeszcze inna siła zwana ponderomotoryczną. Siła ta
zwykle jest niewielka, a jej wielkość zależy od zmienności pola elektrycznego. Omówiono to w rozdziale 10. o
separacji dielektrycznej. Ważną siłą w separacji elektrycznej jest siła grawitacji związaną z masą ziarna (Fg =
(1/6) πd3ρg), gdzie ρ jest gęstością ziarna, d średnicą ziarna a g przyśpieszeniem ziemskim. W procesach
separacji elektrycznej mogą także brać udział inne siły, np. sił odśrodkowa wyrażana jako Fo = (1/6)πd3ρω2R,
gdzie R jest promieniem zataczanym przez ziarno, a ω jest prędkością kątową (Kelly and Spottiswood, 1982).
W zasadzie na każdej substancji można wymusić pojawienie się ładunku powierzchniowego, zwanego
także elektrycznością statyczną, a ładunek ten, w zależności od sposobu i warunków elektryzacji, może być o
różnej wielkości i o znaku dodatnim lub ujemnym. Elektrostatyczny ładunek powierzchni ziarn pojawia się w
wyniku przechodzenia elektronów z jednego ciała na drugie w wyniku pośredniego lub bezpośredniego
kontaktu.
Mimo, że ładunek powierzchniowy można utworzyć na dolnej substancji, to jednak nie wszystkie ciała
są zdolne do długotrwałego utrzymywania ładunku elektrycznego na powierzchni tak, aby można dokonać ich
separacji w polu elektrycznym. Rozpraszanie, czyli zmniejszanie się ładunku zależy od właściwości obwodu
elektrycznego utworzonego przez ziarno i otoczenie. Opisuje to zależność (Simorda i Staroba, 1970; Nussbaum,
1985):
Qt = Qo exp(-t/τ)
(11.3)
gdzie Qo jest ładunkiem elektrycznym w chwili powstania (t=0), Qt jest ładunkiem elektrycznym w danej chwili
t, a τ jest tzw. czasem relaksacji. Równanie 11.3 można przekształcić w bardziej użyteczna postać (Olofinskij,
1970; Nussbaum, 1985):
Qt = Qo exp(-σt/εεo)
(11.4)
gdzie σ jest przewodnictwem (Ω-1m-1), ε stałą dielektryczną ziarna (bezwymiarowa), εo przenikalnością
elektryczną próżni(8.854 ⋅10-12 C2 N-1m-2). Zatem substancje o dużym przewodnictwie, a więc metale i inne
przewodzące substancje, nie utrzymują długo ładunku elektrycznego na powierzchni. Natomiast substancje
nieprzewodzące (izolatory) utrzymują ładunek długo. Pośrednio zachowują się półprzewodniki.
Na stabilność nabytego przez ziarno ładunku powierzchniowego ma wpływ także wilgotność powietrza
i temperatura, które zmieniają przewodnictwo ziarn. Wpływ wilgotności na przewodnictwo opisuje równanie
empiryczne (Laskowski i Łuszczkiewicz, 1989):
log σ = a + b c
(11.5)
gdzie a oraz b to stałe, podczas gdy c to wilgotność względna powietrza.
Powyższe rozważania wskazują, że parametrem głównym separacji elektrodynamicznej jest ładunek
elektrostatyczny obecny na powierzchni ziarna w chwili, gdy ulega on działaniu pola elektrycznego w celu jego
separacji od innych ziarn. Dalszymi, pochodnymi od Qt, parametrami są ładunek początkowy (Qo), czas t jaki
upłynął od naładowania do separacji, przewodnictwo sumaryczne σ (zarówno objętościowe jak i
powierzchniowe) (rys. 11.2). Ładunek początkowy, z kolei, zależy od sposobu elektryzacji i rodzaju substancji,
co charakteryzowane jest takimi parametrami jak praca wyjścia elektronu, stała dielektryczna, kontaktowa
różnica potencjału i inne. Zagadnienia te są złożone i w małym stopniu poznane.
materiał
Qt
ele3
Qo, t, σ
w, ∆Φ , ε , tt
+
acji
ryz
lekt
e
b
só
spo
E
urządzenie
szybkość separacji
sposób pracy
Rys. 11.2. Parametrem głównym separacji elektrycznej jest powierzchniowy ładunek elektryczny( Qt) w
momencie separacji. Parametry pochodne to Qo ładunek początkowy, t czas, σ przewodnictwo elektryczne
(powierzchniowe i objętościowe), w praca wyjścia elektronu, ∆Φ kontaktowa różnica potencjałów, ε stała
dielektryczna ziarna, tt czas elektryzacji, pole elektryczne oraz sposób elektryzacji i szybkość rozdziału
Znane są różne sposoby elektryzacji powierzchni ziarn. Można tego dokonać przez pocieranie,
jonizację, indukcję oraz kontakt ziarna z powierzchnią naładowanej elektrycznie powierzchni. Istnieją także
różne sposoby dokonywania separacji, gdyż separacji można dokonać w powietrzu w obecności pola
elektrycznego oraz na naładowanych powierzchniach, a także w sposób mieszany. Dlatego też istnieje bardzo
wiele rodzajów urządzeń do separacji elektrodynamicznej. Na rys. 11.3a pokazano schemat działania separatora
tryboelektrycznego, w którym ładunek powierzchniowy (dodatni lub ujemny) pojawia się w wyniki tarcia ziarn,
a separacja odbywa się w powietrzu. Rysunek 11.3b zawiera separator jonizacyjny, w którym elektryzacja,
powodująca powstania ujemnego ładunku na wszystkich ziarnach, odbywa się w wyniku bombardowania ziarn
strumieniem elektronów i jonów powstałych z cząsteczek powietrza, jako efekt wyładowań elektrycznych
zwanych koronowymi. Z kolei, rys. 11.3c przedstawia separator indukcyjno - przewodzący, w którym
elektryzacja następuje w wyniku kontaktu ziarna z naładowaną elektrycznie powierzchnią i w jej pobliżu. W
wyniku kontaktu powstaje polaryzacja ładunku na ziarnach nieprzewodzących i dodatni ładunek na ziarnach
przewodzących. Gdy ziarna są w pobliżu elektrody następuje w nich indukcja prowadząca do polaryzacji
zarówno ziarn przewodzących jak i nieprzewodzących.
a
b
Nadawa
Nadawa
ele4
ele2
+
Koncentrat
+
Odpad
ziarna przewodzące
ziarna nieprzewodzące
c
nadawa
pole
elektryczne
+
ziarna
nieprzewodzące
ziarna
przewodzące
elekt7
Rys. 11.3. Elektryzację i separację można prowadzić w różny sposób, a) elektryzacja przez tarcie, separacja w
powietrzu w polu elektrycznym, b) elektryzacja przez jonizację (wyładowanie koronowe), separacja w polu
elektrycznym powodującym jonizację, c) elektryzacja przez kontakt z przewodzącą elektrodą (ścianą) oraz
przez indukcje, separacja w polu elektrycznym towarzyszącym elektryzacji elektrody
Separatory jonizacyjne nazywane są elektrodynamicznymi lub wysokonapięciowymi, a separatory w
których elektryzacja następuje przez pocieranie lub indukcję elektrostatycznymi. Istnieje wiele typów
separatorów elektrycznych. Oprócz typowych separatorów tryboelektrycznych, jonizacyjnych i indukcyjno-,
przewodzących pokazanych na rys. 11.3, skonstruowano także separatory taśmowe, ruchome stołowe, prądu
zmiennego, z elektrodą płomieniową, impaktowe, sitowo-płytowe itd. (Kelly i Spottiswood, 1982).
Tryboelektryzację stosuje się zwykle do rozdziału ziarn nieprzewodzących, podczas gdy elektryzację
przez indukcję, kontakt i jonizację do rozdziału ziarn przewodzących od nieprzewodzących.
Ponieważ nie jest łatwo przewidzieć jak dane ziarno, w zależności od sposobu i warunków elektryzacji,
może silnie zostać naładowane i do tego jaki mieć znak ładunku, zdolność do separacji składników rudy lub
surowców określa się metodami eksperymentalnymi (Bogdanov, 1983). Do separacji elektrycznej nie nadają się
ziarna bardzo drobne. Separacji elektrycznej można poddawać najróżniejsze rudy i surowce (Olofinskij, 1970).
Na rys. 11.4 przedstawiono krzywe wzbogacania dla frakcji polskich piasków morskich zawierającej granaty i
ilmenit, pokryty leukoksenem.
zawartość TiO2, %
60
50
ilmenit - granaty
40
30
20
0
20
40
60
80
100
uzysk TiO2 , Σ ε , %
elek6
Rys. 11.4. Wyniki wzbogacania elektrycznego frakcji piasków morskich bogatych w ilmenit i granaty w
laboratoryjnym separatorze LTH-6 z ujemną polaryzacją elektrody ulotowej przy napięciu 50 kV. Za
Łuszczkiewiczem i Kurzycą (1986)
wskaźnik selektywności Gaudina
Na wyniki separacji ma także wpływ ogrzewanie próbek przed separacją. Na rys.11.5 pokazano wpływ
temperatury, do jakiej podgrzano próbki przed poddaniem ich separacji tryboelektrycznej, na wskaźnik
selektywności procesu.
elek5
10
5
1
fluoryt - baryt
0
50
100
temperatura, oC
150
200
Rys. 11.5. Wpływ temperatury nadawy na selektywność rozdziału mieszaniny 1:1 barytu i fluorytu. Według
Carty i współ., (1974)
2. Wykonanie ćwiczenia
a) zasada działania separatora
Nadawa podawana jest na uziemiony obracający się bęben (walec) i podawany jest wyładowaniom
koronowym dodatnio lub ujemnie z elektrody znajdującej się pod wysokim napięciem. Kiedy przykładanie jest
wysokie napięcie do elektrody drucianej, powietrze jonizuje się i naładowane cząsteczki powietrza(dodatnie gdy
drut jest ujemnie naładowany lub negatywnie, gdy drut dodatnio naładowany) podróżują w dużej liczbie w
kierunku bębna gdzie uderzają one w ziarna . Ziarna posiadające dobre powierzchniowe
przewodnictwo(oporność mniejszą niż 1012 omów tracą ładunek nabyty od molekuł powietrza w krótkim
czasie(milisekundy) i są wyrzucane z poruszającego się bębna. Ziarna ze słabą powierzchniową
przewodnością(oporność większa niż 1013 omów) otrzymują ładunek nabyty od cząsteczek powietrza. Ładunek
nagromadzony w ziarnach indukuje równą ilość ale o znaku przeciwnym ładunków w bębnie. Dzięki temu nie
przewodzące ziarna ulegają adhezji do bębna, a następnie są usuwane mechanicznie z bębna przez szczotkę.
Efektywność separacji ziarn za pomocą separatora elektrostatycznego można regulować za pomocą
napięcia na elektrodzie drucianej, szybkości obrotu bębna, pozycji elektrody, położenia płytki rozdzielającej
strumień ziarn oraz polarności wysokości napięcia. Efektywność zależy także od wilgotności powietrza,
temperatury, a także reagentów chemicznych. Do separacji wykorzystać można różnice w przewodnictwie
powierzchniowym powodowane porowatością(ziarna porowate bardziej chłoną wilgoć), a także rozmiar ziarnziarna drobne zwykle mają większy ładunek przypadający na jednostkę powierzchni.
W tabeli 1 podano listę minerałów, które dzięki mniejszej przewodności ulegają adhezji do bębna i o
dużej przewodności nie ulegają adhezji a przez to spadają z powierzchni bębna.
3. Przeprowadzenie ćwiczenia
1.
Sprawdź, czy separator jest wyłączony (główny wyłącznik w pozycji OFF), czy separator jest uziemiony
(podłączony do żółto-zielonego uziemienia) oraz czy cienki drut elektrody nad bębnem separatora nie jest
złamany lub pozginany. Następnie zajrzyj do środka przez szybkę i sprawdź czy separator jest czysty.
2.
Jeżeli separator nie jest wyłączamy, nie jest uziemiony lub cienki drut elektrody jest uszkodzony lub
separator jest zanieczyszczony, nie przystępuj do pracy z separatorem. Zgłoś problem kierownikowi
Zakładu Przeróbki Kopalin i Odpadów lub osoby przez niego upoważnionej.
3.
Ustaw separator do pracy w następujący sposób:
4.
Po wykonaniu eksperymentu wyłącz kolejno grzejnik (HEATER), wibrator (SUPLLY), zasilanie wibracji
(MOTOR), napęd bębna (VARIABLE MOTOR SPEED DRIVE), a na końcu główne zasilanie separatora
(przełącznik na pozycję OFF).
5. Po upewnieniu się, że włącznik główny jest wyłączony (w pozycji OFF) i po uzyskaniu zgody kierownika
Zakładu Przeróbki Kopalin i Odpadów lub osoby przez niego upoważnionej, przystąp do czyszczenia
separatora.
Literatura
Bogdanov, O.S., (edytor), 1983. Poradnik przeróbki kopalin, Wyd.2., Nedra, Moskwa, w jęz. ros.
Carta, M., Cicccu, R., Delfa, C., Ferrara, G., Ghiani, M., Massacci, P., 1974. Improvement in electric separation
and flotation by modyfication of energy levels in surface layers, XIMPC., M.J. Jones (edytor), IMM, 1974
Kelly, E.G., Spottiswood, D.J., 1982. Introduction to mineral processing, Wiley, New York
Laskowski, J. Łuszczkiewicz, A., 1989. Przeróbka kopalin - wzbogacanie surowców mineralnych,
Wydawnictwa Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
Łuszczkiewicz, A., Kurzyca M., 1986. Wydzielanie ilmenitu z półproduktów przeróbki piasków drogą
wzbogacania elektrycznego, Fizykochemiczne Problemy Mineralurgii, 18, 179-191
Nussbaum A., 1985. Electrostatic fundamentals and elementary theory of electrical properties of solids, w: SME
Mineral Processing Handbook, SME/AIMM, New York, s. 6-3 - 6-5
Olofinskij, N.F., 1970. Elektryczne metody wzbogacania, Nedra, Moskwa, w j. ros.
Simorda, J., Staroba, J., 1970. Elektryczność statyczna w przemyśle, WNT, Warszawa
Wróblewski, K., Zakrzewski, J.A.,1984. Wstęp do fizyki, tom 1, PWN, Warszawa
Nieprzewodzące, przylegające do bębna
Anortyt
hyperstn
apatyt
cyjanit
badeleit
magnezyt
baryt
monacyt
bastenzyt
kwarc
beryl
szelit
celestyt
sepentyn+
korund
silimanite
dipsyd
sfaleryt*
epidot+
spinel
feldspar
staurolit+
granat
turnmalin+
gips*
wolanstonit
hornblenda+
cyrkon
*właściwości tych minerałów są zmienne
+ minerały podatne na separację magnetyczną
Przewodzące, odrzucane z bębna separatora
bizmutynit
limonit
brukit
magnetyt+
kasyteryt
manganit+
chromit+
pyrit
kolumbit+
rutyl
diament*
stibnit
ferberyt+
tantalit+
fluoryt
tungstyt
galenit
wolframit+
złoto
grafit
hematyt+
hibneryt
ilmenit
Instrukcja obsługi laboratoryjnego separatora elektrostatycznego HT 150
Laboratoryjny separator elektrostatycznego HT 150 składa się z dwóch jednostek: pulpitu zasilającego
oraz separatora z bębnem separującym.
Przygotowanie separatora do pracy
1. Upewnij się, że separator jest wyłączony
2. Upewnij się, że cienki drut elektrody nie jest złamany czy też pozginany
3. Ustaw elektrodę w odległości około 50 mm od bębna
4. Ustaw progi dzielące strumień ziarn w pozycji pionowej i przykręć je ręcznie w potrzebnej Ci pozycji za
pomocą znajdujących się przy nich pokręteł
5. Upewnij się, że szczotka czyszcząca bęben oraz odbieralnik ziarn są na swoim miejscu
6. Zamknij oszkloną pokrywę komory separatora i upewnij się, że czujnik zabezpieczający jest zamknięty.
Załączenie zasilania w pulpicie sterującym
7.
Włącz główny przełącznik przez ustawienie go w pozycji ON. Następnie włącz przełącznik w skrzyni
zasilającej i powoli ustaw wysokie napięcie na około 25 kV. Potem zamknij pokrywę skrzyni zasilającej tak,
aby czujnik zabezpieczający (mikroprzełącznik) był także zamknięty.
Włączenie separatora i przeprowadzenie separacji
8.
Włącz przełącznikiem napęd bębna (MOTOR) i ustaw go odpowiednie obrotym, najlepiej na około150
r.p.m. (obrotów na minutę)
9. Włącz grzałkę (HEATER)
10. Napełnij pojemnik zasilający nadawą i ustaw wibrator za pomocą pokrętła VIBRATOR tak, aby uzyskać
cienką warstwę ziarn nadawy na bębnie.
11. Obserwuj zachodzącą separację.
12. Jeżeli zauważyłeś jakiekolwiek problemy w pracy separatora lub zakończyłeś eksperyment, przystąp do
wyłączania separatora
13. Wyłączaj separator zachowując następującą kolejność: wyłącz grzałkę, wibrator, pulpit zasilający, napęd
bębna, a na końcu wyłącznik główny zasilania.
Regulacja separacji
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Przebieg i selektywność separacji można regulować.
Zmień ustawienie progów dzielących strumień ziarn. Jeżeli nie chcesz otrzymać półproduktów – ustaw
progi obok siebie.
Zmień wielkość wysokiego napięcia. Siła adhezji ziarn do bębna wzrasta wraz ze wzrostem napięcia. Jeżeli
niektóre ziarna nieprzewodzące są odrzucane z bębna, zwiększ napięcia. Jeżeli niektóre ziarna przewodzące
ulegają adhezji do bębna, niezbędne staje się zmniejszenie napięcia. Reguluj napięcia razem z regulacją
prędkości obrotu bębna. Sprawdź tabelę 1 i zobacz, które ziarna powinny przywierać do bębna, a które
powinny być z niego wyrzucane.
Zmień polarność wysokiego napięcia (H.T. Polarity). Najlepszą separację otrzymuje się gdy elektroda jest
ujemnie naładowana w stosunku do uziemienia . Sporadycznie może zastosować odwrotną polarność tj.
dodatnią. Najlepiej zdecydować o polarności rozdziału na podstawie wstępnych testów rozdziału z różna
polarnością. Aby zmienić polarność wysokiego napięcia wyłącz zasilanie separatora i otwórz pokrywę
skrzynki zasilającą. Odłącz fizycznie przwody i zamień ich. Dodatni koniec jest zaznaczony.
Zmień odległość elektrody od bębna. Zmniejszając przerwę pomiędzy drutem i bębnem powoduje się
zwiększenie efektu przywierania ziarn. Uważaj, aby elektroda nie była za blisko bo mogą zachodzić
wyładowania elektryczne. Jeżeli wystąpią wyładowania zwiększ odległość elektrody od bębna.
Wyładowania elektryczne mogą także wystąpić, gdy nadawa zawiera ziarna metaliczne.
Zmień prędkość obrotu bębna. Prędkość bębna nie reguluje szybkości przepływu nadawy, ale jest jednym ze
sposobów regulacji toru ziarn. Zbyt niska prędkość powoduje, że materiał spada w gęstym strumieniu ziarn,
bez możliwości uzyskania ładunku elektrycznego.
Zmień prędkość podawania nadawy. Prędkość nadawy jest kontrolowana za pomocą amplitudy oscylacji
wibratora oraz poprzez wysokości regulację położenia przegrody umieszczonej powyżej tacy podajnika
nadawy. Ustaw je tak, aby otrzymać maksymalną prędkość podawania nadawy przy zadawalającej Cię
separacji.
UWAGA
Rozmiar ziarn. Nadawa nie powinna zawierać ziarn powyżej 1.6mm oraz poniżej 0.065 mm. Dla dobrych
wyników separacji zaleca się stosowanie wąskich klas ziarnowych nadawy.
Grzałka. Nadawa musi być sucha a wilgoć musi być z niej usunięta zanim materiał umieszczony zostanie w
podajniku nadawy. Grzałka umieszczona jest w punkcie zasilania separatora i ma na celu usunięcie tylko
wilgoci resztkowej bezpośrednio przed separacją.
Wyłączanie separatora
Przy wyłączaniu przestrzegaj następującej kolejności wyłączania: grzałka (HEATHER), wibrator
(VIBRATOR), zasilanie (power pack), napęd bębna (ROLL MOTOR) oraz przełącznik podawania nadawy.
Utrzymanie separatora w czystości i inne okresowe regulacje
Czyszczenie separatora. Upewnij się, że jest wyłączone zasilanie elektryczne separatora. Usuń nylonowa
szczotkę z uchwytu przy bębnie i wyczyść ją przez wytrząsanie włosia szczotki. Usuń szczotką wszystkie
cząstki kurzu z bęba, wnętrza separatora, płytek rozdzielaczy strumienia ziarn, itp. do specjalnej tacy pod
bębnem. Wyciągnij tacę, wyczyść ją, a następnie wyczyść dno separatora.
Pulpit zasilająca (power pack), wspornik izolujący elektrodę, kable wysokiego napięcia i wszystkie
końcówki muszą być utrzymane w czystości i być suche.
Okresowo sprawdzaj naprężenie paska klinowego a jeżeli zajdzie potrzeba dokonaj jego regulacji.
Rekomendowane części zamienne pasek napędu separatora, grzałka, drut elektrody oraz zestaw do
przyłączania napięcia w pulpicie zasilającym.