Обогащенные продукты питания. Основы обогащения полезных ископаемых Обогащение продуктов питания

(конспект лекций)

В.Б.Кусков

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

ВЕДЕНИЕ 2

1. подготовительные процессы 8

1.1. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ 8

1.2 ДРОБЛЕНИЕ 10

1.3. грохочение 14

1.4. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ 17

1.5. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ 20

2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБОГАЩЕНИЯ 23

2.1. ГРАВИТАЦИОННЫЙ МЕТОД ОБОГАЩЕНИЯ 23

2.3. МАГНИТНЫЙ МЕТОД ОБОГАЩЕНИЯ 35

2.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОГАЩЕНИЕ 39

2.5. специальные МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ 43

2.6. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБОГАЩЕНИЯ 48

3 ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ОБОГАЩЕНИЯ 49

3.1. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ 49

3.2. ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЕ 53

3.3. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД 54

3.3 ОПРОБОВАНИЕ, КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ 55

4. ОБОГАТИТЕЛЬНЫЕ ФАБРИКИ 55

Ведение

Полезные ископаемые - природные минеральные образования земной коры, химический состав и физические свойства которых позволяют эффективно использовать их в сфере материального производства. Месторождение полезного ископаемого – скопление минерального вещества в недрах или на поверхности Земли, по количеству, качеству и условиям залегания пригодного для промышленного использования. (При больших площадях распространения месторождения образуют районы, провинции и бассейны). Различают твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые.

Твердые полезные ископаемые (руды), в свою очередь, подразделяются на горючие (торф, сланец, уголь) и негорючие, которые бывают: агрономические (апатитовые и фосфоритовые и др.), неметаллические (кварцевые, баритовые и др.) и металлические (руды черных и цветных металлов). Эффективность использования того или иного полезного ископаемого зависит, прежде всего, от содержания в нем ценного компонента и наличия вредных примесей. Непосредственная металлургическая или химическая переработка полезного ископаемого целесообразна (технически и экономически выгодна) только в том случае, если содержание в нем полезного компонента не ниже некоторого предела, определяемого уровнем развития техники и технологии (и потребности в данном сырье) в настоящее время. В большинстве случаев непосредственное использование добытой горной массы или её переработка (металлургическая, химическая и др.) экономически нецелесообразны, а иногда и технически невозможны, т.к. годные к непосредственной переработке полезные ископаемые в природе встречаются редко в большинстве случаев их подвергают специальной обработке – обогащению.

Обогащение полезных ископаемых  совокупность процессов механической переработки минерального сырья с целью извлечения полезных (ценных) компонентов и удаления пустой породы и вредных примесей. В результате обогащения из руды получают концентрат (концентраты) и хвосты.

Концентрат – это продукт, куда выделяется (концентрируется) большая часть полезных минералов (и незначительное количество минералов пустой породы). Качество концентрата в основном характеризуется содержанием ценного компонента (оно всегда выше, чем в руде , концентрат богаче по цененному компоненту отсюда и название - обогащение), а также содержанием полезных и вредных примесей, влажностью и гранулометрической характеристикой.

Хвосты – продукт, в который выделится большая часть минералов пустой породы, вредных примесей и незначительное количество полезного компонента (содержание ценного компонентов в хвостах ниже, чем в концентратах и руде)..

Кроме концентрата и хвостов возможно получение промпродуктов , т.е. продуктов, характеризующихся более низким по сравнению с концентратами и более высоким по сравнению с хвостами содержанием полезных компонентов.

Полезными (ценными) компонентами называются химические элементы или природные соединения, для получения которого добывается и перерабатывается данное полезное ископаемое. Как правило, ценный компонент в руде находится в виде минерала (самородных элементов в природе мало: медь, золото, серебро, платина, сера, графит).

Полезными примесями называют химические элементы или природные соединения, которые входят в состав полезного ископаемого в небольших количествах и улучшают качество готовой продукции (либо выделяются в ходе дальнейшей переработки). Например, полезными примесями в железных рудах являются такие легирующие добавки как хром, вольфрам, ванадий, марганец и др.

Вредными примесями называют отдельные элементы и природные химические соединения, содержащиеся в полезных ископаемых в небольших количествах и оказывающие отрицательное влияние на качество готовой продукции. Например, в железных рудах вредными примесями являются сера, мышьяк, фосфор, в коксующихся углях – сера, фосфор, в энергетических углях – сера и т.д.

Обогащение полезных ископаемых позволяет повысить экономическую эффективность их дальнейшей переработки , также, в некоторых случаях, без стадии обогащения дальнейшая переработка становится вообще невозможной. Например, медные руды (содержащие, как правило, весьма мало меди) нельзя непосредственно переплавить в металлическую медь, так как медь при плавке переходит в шлак. Кроме того, обогащение полезных ископаемых позволяет:

 увеличить промышленные запасы сырья за счет использования месторождений бедных полезных ископаемых с низким содержанием ценных компонентов;

 повысить производительность труда на горных предприятиях и снизить стоимость добываемой руды за счет механизации горных работ и сплошной выемки полезного ископаемого вместо выборочной;

 комплексно использовать полезные ископаемые, так как предварительное обогащение позволяет извлечь не только основные полезные компоненты, но и сопутствующие, содержащиеся в малых количествах;

 снизить расходы на транспортирование к потребителям более богатых продуктов, а не всего объема добываемого полезного ископаемого;

 выделить из минерального сырья те вредные примеси, которые при дальнейшей его переработке могут загрязнять окружающую среду и тем самым угрожать здоровью людей и ухудшать качество конечной продукции.

Обогатительные методы также можно использовать при переработке твердых бытовых отходов (их образуется 350 – 400 кг/год на человека).

Полезные ископаемые на обогатительных фабриках проходят целый ряд последовательных операций, в результате которых полезные компоненты отделяются от примесей. Процессы обогащения полезных ископаемых по своему назначению делятся на подготовительные, вспомогательные и основные.

К подготовительным относят процессы дробления, измельчения, грохочения и классификации. Их задача  разъединить полезный минерал и пустую породу («раскрыть» сростки) и создать нужную гранулометрическую характеристику перерабатываемого сырья.

Задача основных процессов обогащения  разделить полезный минерал и пустую породу. Для разделения минералов используются различия в физических свойствах разделяемых минералов. Сюда относят:

Наименование метода обогащения	Физические свойства, используемые для разделения	Основные виды полезных ископаемых, обогащаемые данным методом
Гравитационный метод обогащения	Плотность (с учетом крупности и формы)	Угли (+1 мм), сланцы, золотосодержащие, оловянные руды…
Флотационный метод обогащения	Смачиваемость поверхности	Руды цветных металлов, апатитовые, фосфоритовые, флюоритовые руды...
Магнитный метод обогащения	Удельная магнитная восприимчивость	Железные руды…
Электрический метод обогащения	Электрические свойства (электропроводность, трибозаряд, диэлектрическая проницаемость, пирозаряд)	Доводка алмазных руд, редкометальных: титан-циркониевых, тантало-ниобиевых, оловянно-вольфрамовых, редкоземельных (монацит-ксенотимовых). Стекольные пески, электронный лом…
Рудосортировка: Рудоразборка Радиометрическое обогащение	Внешние признаки: цвет, блеск, форма Способность частиц испускать, отражать поглощать различные виды энергии	Драгоценные камни, листовая слюда, длинноволокнистый асбест Руды черных и цветных металлов, алмазосодержащие, флюоритовые и др. руды
Избирательное дробление	Различие по прочности	Фосфоритовые руды, угли и сланцы
Обогащение по форме
Комбинированные методы	В схему помимо традиционных процессов обогащения (не затрагивающих химического состава сырья) включены пиро- или гидрометаллургические операции, изменяющие химический состав сырья.	Урановые, золотосодержащие (коренные) руды, медно-никелевые руды…

Кроме перечисленных есть и другие методы обогащения. Также, иногда к обогатительным относят процессы окускования (увеличения крупности материалов).

К вспомогательным относят обезвоживание, пылеулавливание, очистку сточных вод, опробование, контроль и автоматизацию. Задача этих процессов  обеспечить оптимальное протекание основных процессов, довести продуты разделения до необходимых кондиций.

Совокупность последовательных технологических операций обработки, которым подвергают полезные ископаемые на обогатительных фабриках, называется схемой обогащения . В зависимости от характера сведений, которые содержатся в схеме обогащения, ее называют технологической, качественной, количественной, качественно-количественной, водно-шламовой и схемой цепи аппаратов.

Обогащение, как и любой другой технологический процесс, характеризуется показателями. Основные технологические показатели обогащения следующие:

 Q  масса продукта (производительность); P – масса (производительность) расчетного компонента в продукте. Выражаются обычно в тоннах в час, тоннах в сутки и т.д.;

 содержание расчетного компонента в продукте – ,  это отношение массы расчетного компонента в продукте к массе продукта; содержание различных компонентов в полезном ископаемом и в полученных продуктах принято вычислять в процентах (иногда содержание в исходном материале обозначают , в концентрате – , в хвостах – ). Содержание полезных компонентов в добываемом сырье (руде) может составлять от долей процента (медь, никель, кобальт и др.) до нескольких процентов (свинец, цинк и др.) и нескольких десятков процентов (железо, марганец, ископаемый уголь и некоторые другие неметаллические полезные ископаемые);

 выход продукта –  и,  к,  хв  это отношение массы продукта к массе исходной руды; выход любого продукта обогащения выражают в процентах, реже в долях единицы;

 извлечение ценного компонента –  и,  к,  хв  это отношение массы расчетного компонента в продукте к массе этого же компонента в исходной руде; извлечение выражается в процентах, реже в долях единицы.

Выход i – го продукта вычисляется по формуле:

 i = (Q i /Q исх)100,%

Также, для случая разделения на два продукта – концентрат и хвосты их выход можно определить через содержания по следующим формулам:

 к = 100,%;  хв =
100,%;

Сумма выходов концентрата и хвостов равна:

 к +  хв = 100 %.

Очевидно, что

Q кон + Q хв = Q исх.;

Р кон + Р хв = Р исх.

Зачем? Тем, кто следит за весом, часто приходится ограничивать себя в еде и страдать от дефицита витаминов. Тем, кто худеет на белковых диетах, не хватает витаминов С и группы В. Вегетарианцам — витаминов А, Д, Е и К. Тяжелее всего приходится поклонникам низкокалорийных меню. Попробуйте уместить суточную норму элементов в 1200 ккал! Ведь только для того, чтобы набрать дневную норму витамина В2, придется съесть кирпич черного хлеба!

Кроме того, в овощах-фруктах, выращенных по современным технологиям, меньше биологически активных веществ. Например, тепличные томаты содержат в 10 раз меньше каротина и витамина С, чем грунтовые.

Кстати, «перебрать» витаминов из обогащенных продуктов невозможно. Многие витамины и минералы действительно могут быть токсичными, но, если вы не пьете витаминные препараты в ударных количествах, «передоза» можно не опасаться. Из обогащенных продуктов витамины усваиваются хуже, чем из натуральных. Но лучше, чем из синтетических таблеток, потому что поступают в организм привычным физиологичным путем (вместе с едой) и усваиваются постепенно.

Куда добавляют. Чаще всего обогащают самые ходовые продукты — хлеб, муку (витамины группы В и РР, йод и железо), масло и спреды (жирорастворимые витамины А, Д, К и Е), молоко, творог и йогурты (кальций, витамины, йод, железо), соль (йод), соки (витамины А и С), «быстрые» каши (витамины группы В).

По правилам порция обогащенного продукта должна покрывать 30-50% суточной нормы конкретного элемента. Остальное мы получим вместе с обычными продуктами.

Кстати. Повышенные нагрузки в фитнес-зале «вымывают» витамины из организма — не помешает восполнить потерю после тренировки. А дополнительный прием продуктов с витаминами С и Е уменьшает боль в мышцах после интенсивных занятий.

С пробиотиками

Зачем? Ни минералы, ни витамины не могут нормально усваиваться в организме, если нарушена кишечная микрофлора. Полезные микроорганизмы делают нужную работу, в том числе борются с болезнетворными бактериями, повышают иммунитет и нормализуют углеводный обмен. Ученые из Имперского колледжа (Лондон) наглядно продемонстрировали пользу пробиотиков на колонии мышей. У тех из них, что ели «живые йогурты», ускорилось всасывание желч ных кислот, нормализовалось расщепление жиров и вес уменьшился.

Куда добавляют. В кефир, йогурты, творожки — из этих продуктов пробиотики прекрасно усваиваются.

Кстати. В самые прогрессивные продукты наряду с пробиотиками добавляют и пребиотики — инулин и лактулозу. В качестве подкормки для полезных бактерий.

С клетчаткой

Зачем? Суточная норма — 30 г растительных волокон в сутки. А мы обычно довольствуемся жалкими 10-15 г. И тем самым добровольно отказываемся от возможности избавить себя от многих потенциальных проблем со здоровьем: от атеросклероза до рака прямой кишки. Худеющим от клетчатки тоже сплошная польза. Растительные волокна стимулируют работу кишечника, выводят токсины из организма, замедляют всасывание жиров и углеводов, снижают выработку инсулина и, соответственно, не позволяют набирать лишний вес. Кроме того, клетчатка создает ощущение заполненного желудка, притупляя чувство голода.

Куда добавляют. В каши, йогурты, кефир, мюсли, хлеб, низкоуглеводные десерты, хлебцы и диетические напитки в порошках (их надо разводить водой).

Кстати. У избыточного поедания клетчатки есть свои минусы — метеоризм и непроходимость кишечника. Поэтому чем больше клетчатки вы едите, тем больше воды надо выпивать за день — до 2,5 литра.

Личное мнение

Сергей Белоголовцев:

— Чтобы не толстеть, я стараюсь питаться пищей с минимальным количеством мучных изделий. В последнее время стараюсь заменять мясо морепродуктами, насколько мне это позволяют мои финансы.

Сейчас во всем мире довольно популярны обогащенные продукты питания. Действительно ли это назревшая необходимость или же очередное модное течение в диетологии? Что дает такая пища? На эти вопросы корреспонденту " MedPulse . ru " ответил член-корреспондент РАМН, доктор медицинских наук, профессор, заместитель директора НИИ питания РАМН (Москва) Минкаил Магомед Гаппаров.

Прежде всего, это продукты, обогащенные пищевыми волокнами, бифидо- и лактобактериями, витаминами, минеральными веществами и микроэлементами. Сюда входят и специальная пища для спортсменов, и диетические продукты для больных, и значительная часть биологически активных добавок.

Цель такого питания - улучшение здоровья людей и профилактика наиболее распространенных заболеваний. Обогащенные продукты способствуют повышению физической выносливости, иммунитета, улучшают пищеварение и регулируют аппетит.

К наиболее ценным категориям относится пища, обогащенная так называемыми бифидобактериями. Они есть в организме человека и необходимы любому из нас, так как ведут неустанную борьбу за здоровье с полчищами вредных микробов. Причем это сражение с вредной микрофлорой начинается с рождения и продолжается всю жизнь. Другое дело, что бойцов за наше здоровье в организме часто не хватает, и они не в силах помочь иммунной системе. А, ослабев, сами нуждаются в поддержке.

Эту миссию и выполняют обогащенные продукты питания. Поставляя в организм живые бактерии, они укрепляют его, наливают жизненной силой, которая помогает противостоять различным недугам. Мало того, эти помощники в профилактических целях полезны и здоровым людям. Продукты и напитки с бифидобактериями - пища на каждый день, которая не помешает никому. Она может сопровождать и завтрак, и обед, и ужин.

Продукты с живыми бактериями улучшают деятельность желудочно-кишечного тракта, помогают при болезнях печени и поджелудочной железы, при аллергиях, нарушениях иммунной системы. Некоторые из них неоценимы даже при онкологических заболеваниях, когда больные проходят курс химио- и лучевой терапии, и естественная микрофлора кишечника гибнет.

Лидером по производству и потреблению обогащенных продуктов считается Япония. Там живыми бактериями снабжают хлеб, сыры и даже супы- концентраты. В других странах выпускают обогащенные кефир, мороженое, масло, творог, соки и даже жевательную резинку...

Есть такая пища и у нас. Чаще всего это кисломолочные продукты с приставкой "био" - и их уже достаточно много. Для облегчения производства целебные просто добавляют к другим заквасочным культурам. Так поступают, например, при изготовлении бифидока и биокефира: они заквашиваются кефирной закваской, а на каком-то этапе производства к ним добавляются бифидобактерии.

Полезные кисломолочные продукты

Бифидок. Кефир, обогащенный бифидобактериями. Сочетает в себе лечебные и питательные свойства. Продукт предназначен для диетического и лечебно-профилактического питания детей, начиная с 6-месячного возраста, при искусственном и смешанном вскармливании, а также для детей старшего возраста и взрослых.

Бифифрут . Лечебно-оздоровительный кисломолочный продукт. Содержит бифидо- и лактобактерии, которые регулируют работу кишечника, препятствуют образованию газов, участвуют в обменных процессах организма.

Бифилайф . Кисломолочный продукт, для приготовления которого используют комплексную закваску, где присутствуют 5 видов бифидобактерий. Он содержит низкомолекулярные белки, незаменимые аминокислоты, витамины, микроэлементы и, что особенно ценно, живые клетки молочнокислых бактерий. Бифилайф повышает иммунитет, нормализует работу кишечника, улучшает обмен веществ.

В большинстве случаев получаемые продукты обогащения содержат значительное количество воды и не пригодны для транспортирования и металлургической обработки. Для удаления воды (влаги) из продуктов обогащения применяют ряд операций, называемых в общем случае обезвоживанием. В более широком смысле под обезвоживанием понимают процесс отделения жидкой фазы от твердой.

Влажность материалаопределяется отношением массы воды в продукте к общей массе влажного материала и обычно выражается в процентах:

W = (Q 1 - Q 2)100/Q 1 ,

где Q 1 - масса влажного материала; Q 2 - масса сухого материала.

Для характеристики продуктов обогащения часто используют разжижение R , определяющее отношение массы жидкости в продукте к массе твердого. Влажность продукта в процентах определяется через разжижение выражением

W = R × 100/(R + 1).

Получаемые на фабриках при обогащении руд продукты, как правило, представлены жидкими пульпами. Присутствующую в продуктах влагу подразделяют на внутреннюю и внешнюю.

Внутренней влагой называют влагу, содержащуюся в кристаллической решетке минерала. Ее именуют кристаллизационной, если она присутствует в виде молекул Н 2 О (например CuSO 4 · 5H 2 O), или конституционной, если присутствует в виде ионов ОН - , Н + , Н 3 О + (например, Cu(OH) 2). Удалить ее можно при обжиге или прокаливании материала.

Внешнюю влагу делят на гравитационную, капиллярную, пленочную и гигроскопическую:

· свободная (гравитационная) удаляется под действием сил тяжести; продукты обогащения представляют собой суспензии;

· капиллярная удерживается силами капиллярного давления и удаляется с помощью внешних сил; продукты называются влажными (мокрыми);

· пленочная удерживается на поверхности частиц силами молекулярного притяжения между молекулами воды и частиц; продукты называют воздушно-сухими;

· гигроскопическая содержится в сухих продуктах и удерживается на поверхности частиц адсорбционными силами в виде мономолекулярных пленок.

В зависимости от содержания влаги про­дукты подразделяют на жидкие (обводненные), мокрые, влажные, воздушно-сухие, сухие и прокаленные.

Жидкие продукты характеризуются большим разжижением и текучестью. Влаги в них содержится не менее 40 %.Такие продукты хорошо транспортируются.

Мокрые продукты содержат меньше воды (от 15-20 до 40 %), чем жидкие. Если такие продукты представлены мелким мате­риалом, они растекаются, часть воды из них выделяется при транспортировании, перегруз­ках и непродолжительном хранении. Для жидких и мокрых продуктов харак­терно присутствие всех видов влаги.

Влажные продукты являются промежуточными между мокрыми и воздушно-сухими. Содержание влаги в них составляет от 5-6 до 15-20 %. Они нетекучи. Во влажных продуктах содержится гигроскопическая, пленочная, часть капиллярной и внутренняя влага.

Воздушно-сухие продукты представляют собой сыпучие материалы, поверхность которых вследствие гигроскопичности незначительно увлажнена находящимися в воздухе парами воды. Иногда воздушно-сухими называют продукты с влажностью в несколько процентов. Они содержат внутреннюю и гигроскопичную влагу.

Сухие продукты не содержат внешней влаги.

Прокаленные – это продукты, из которых термически удалена химически связанная вода.

Процесс удаления влаги из продуктов обогащения называется обезвоживанием. В зависимости от крупности материала и его влажности используют различные методы обезвоживания.

В зависимости от крупности материала и его влажности используют различные методы обезвоживания: для сравнительно крупных частиц - дренирование, иногда центрифугирование; для мелких частиц - сгущение и фильтрование. Часто последовательно применяют несколько способов обезвоживания. Последней операцией обезвоживания является сушка. Чем мельче материал и больше его влажность, тем сложнее (и дороже) эту влагу удалить. Например, для удаления влаги из крупных классов углей (-150 + 13 мм) используют только дренирование, из средних классов (-13 + 1 мм) дренирование и центрифугирование, из мелких классов (- 1 мм) – сгущение, фильтрование и сушку.

Простейшим способом обезвоживания является дренирование. Дренирование – процесс обезвоживания, основанный на естественной фильтрации жидкости через промежутки между твердыми частицами (кусками) под действием силы тяжести. Иногда для ускорения фильтрации жидкости на фильтрующий слой воздействуют механическими колебаниями. Дренирование производится в неподвижном состоянии и в движении. Процесс обычно используется для крупных и средних частиц. Для дренирования используют разные приемы и аппараты. Обезвоживание в штабелях. Продукт загружают в емкость или на ровную поверхность, имеющую дренажную систему. Вода под действием силы тяжести просачивается между отдельными зернами и собирается в специальные приямки, откуда ее периодически откачивают. Такой способ обезвоживания требует длительного времени. В качестве обезвоживающих дренированием аппаратов в движении применяют классификаторы, грохоты, элеваторы. На этих аппаратах отделяют, как правило, гравитационную влагу.

Центрифугированием называются операции обезвоживания мелких мокрых продуктов обогащения и разделения суспензии на жидкую и твердую фазы под действием центробежных сил. Процесс применяется обычно для обезвоживания средних классов углей и для минеральных солей. Центрифугирование осуществляется в центробежных машинах – центрифугах, представляющих собой вращающиеся вокруг своей оси с большой скоростью роторы цилиндрической или конической формы с перфорированными или сплошными стенками. Различают фильтрующее и осадительное центрифугирование. В первом случаеобезвоживаемый материал загружается в перфорированный ротор центрифуги и совершает вместе с ним вращательное движение. Под действием центробежной силы происходит принудительная фильтрация воды, находящейся в продукте, через осадок твердых частиц, отлагающийся на стенках ротора, и дырчатую его поверхность. Прошедшая через дырчатую поверхность ротора жидкая фаза называется фугатом, а движущаяся по ротору твердая фаза – осадком (готовым обезвоженным продуктом). Центрифуги с перфорированным ротором называются фильтрующими.

Осадительное центрифугирование осуществляется в центрифу­гах со сплошным ротором. Под действием центробежных сил твердые частицы оседают на стенки ротора и уплотняются, вода выжимается из промежутков между частицами и удаляется в виде фугата через сливные окна ротора. Осадок на стенках ротора шнеком перемещается в конец ротора и удаляется из него через отверстия. При перемещении осадка шнеком из него выжимается вода, стекающая к сливным окнам.

Сгущение – процесс осаждения твердой фазы и выделения жидкой фазы из пульпы, происходящий в результате оседания в ней твердых частиц под действием силы тяжести или центробежных сил (гравитационное или центробежное). При этом под термином «сгущение» подразумевается, получение уплотненного конечного (сгущенного) продукта (пески). Процесс сгущения сопровождается процессом осветления, т. е. получением свободной от твердой фазы жидкости – слива. Сгущение обычно применяется для пульп, содержащих твердую фазу в виде мелких частиц размером < 0,5 мм. Основным аппаратом, применяемым для сгущения, является радиальный сгуститель, представляющий собой цилиндр диаметром 2,5 – 100 м и более и высотой 1,5 – 10 м (высота увеличивается с увеличением диаметра) с коническим днищем, образующая которого наклонена под небольшим углом к горизонтальной плоскости. Загрузка пульпы происходит через центральный патрубок, разгрузка продуктов – через отверстие в центре дна сгустителя (сгущенный продукт) и желоб у края цилиндра (слив). Для улучшения разгрузки сгущенного продукта около дна сгустителя установлены грабли, вращающиеся с периферической скоростью 3-12 м/мин. Для улучшения показателей сгущения в пульпу добавляют коагулянты и флокулянты.

Фильтрование представляет собой процесс разделения жидкой и твердой фаз пульпы с помощью пористой перегородки под действием разности давлений по обе стороны перегородки, создаваемой разрежением воздуха (вакуум – фильтры), или избыточным давлением (пресс – фильтры). Фильтровальной перегородкой в промышленных фильтрах может быть: фильтроткань (хлопчатобумажная, металлическая, из синтетических материалов) или пористая керамика.

Фильтры, работающие под вакуумом делятся на барабанные с внешней и внутренней фильтрующей поверхностью, дисковые, и ленточные. Барабанные и дисковые фильтры хорошо работают при фильтровании относительно мелких продуктов, ленточные – при более крупном материале. Влажность отфильтрованных продуктов обычно бывает в пределах 20 – 40 %.

Дисковый фильтр (рис.3.1) состоит из полого вала на котором закреплены диски, состоящие из отдельных пустотелых секторов. Секторы имеют ребристую поверхность с отверстиями, на которой натянута фильтровальная ткань. Питание подается по трубе через патрубки в ванну, заполненную до переливного окна. Диски по окружности так же, разделены на зоны: фильтрования; подсушки; перехода от вакуума к отдувке, называемая «мертвой» отдувки; «мертвая» - переход от давления к вакууму. Для снятия оставшегося после отдувки осадка установлены ножи. Подача воздуха и создание вакуума в секторах осуществляются через каналы, имеющиеся во вращающемся валу, при помощи распределительной головки.

В барабанный фильтр с наружной фильтрующей поверхностью (рис.3.2) исходный продукт загружается через трубу в ванну и поддерживается во взвешенном состоянии мешалкой. Полый барабан имеет несколько секторов, разделяющих его на зоны: набора осадка, подсушки, отдувки и продувки ткани. Вся цилиндрическая поверхность барабана покрыта фильтровальной тканью или сеткой. Для съема осадка смонтирован специальный нож. Центральный вал барабана, имеющий специальные отверстия, соединяет зоны набора осадка и подсушки с вакуум системой, а отдувки и продувки с системой воздуходувок. По сравнению с дисковыми – барабанные вакуум-фильтры позволяют получить несколько более сухой кек (на 1 – 2 %) но имееют меньшую удельную производительность.

Ленточные фильтры (рис.3.3) выпускаются со сходящим полотном и полотном, закрепленным на ленте. Принцип работы их одинаков. Отличаются они только тем, что у фильтров со сходящим полотном фильтровальная ткань на холостой ветви отделяется от ленты и лучше промывается. Фильтруемый материал через питающий лоток загружается на поверхность фильтровальной ткани, которая лежит на рифленой ленте, имеющей в средине отверстия. Лента вместе с фильтровальной тканью и продуктом на ней движется благодаря вращению приводного барабана. Отверстия на ленте совмещены с отверстиями на вакуум-камере. Вакуум-камера создает разрежение, в результате чего через фильтровальную ткань отсасывает фильтрат, который отводится по трубопроводу; осадок с помощью ножа разгружается в конце фильтра. Борта фильтра предотвращают рассыпание осадка по сторонам. Брызгала служат для промывки ткани.

Пресс – фильтры позволяют получить более сухой продукт, чем вакуум – фильтры (в отдельных случаях с кондиционной влажностью, позволяющей избежать дальнейшей сушки), но они имеют более низкую производительность и дороже.

Сушкой называют операции обезвоживания влажных продуктов обогащения, основанные на испарении содержащейся в них влаги в окружающую их газовую (воздушную) среду при нагревании сушимого продукта.

Аппараты, применяемые для сушки, называются сушилками. В зависимости конструкций различают барабанные, подовые, конвейерные, трубы-сушилки и сушилки кипящего слоя. В практике обогащения полезных ископаемых наиболее широко применяют барабанные, трубы – сушилки и сушилки кипящего слоя. Барабанные сушилки (рис 3.4) представляют собой вращающийся наклонный барабан, с одной стороны которого загружается материал и от топки подаются горячие газы. За счет специальных насадок внутри барабана материал постоянно поднимается на некоторую высоту и сбрасывается. Горячие газы проходят сквозь этот падающий материал за счет разрежения, создаваемого дымососами. Барабанные сушилки изготовляются диаметром 1000 – 3500 мм и длиной 4000 – 27000 мм. Время пребывания материала в барабане зависит от характеристики продукта, подвергаемого сушке, его начальной и конечной влажности и составляет 29 – 40 мин. Влажность высушенного материала составляет 4 – 6 %, а в некоторых случаях 0,5 – 1,5%.

В трубе – сушилке материал сушат во взвешенном состоянии. Установка для сушки материала в трубе-сушилке (рис. 3.5) состоит из топки со смесительной камерой и вертикально установленной трубой. Материал из бункера с помощью конвейера подается к питателю – забрасывателю. Забрасыватель подает материал в трубу, по которой он горячими газами транспортируется вверх. Движение горячего газа от топки вверх обеспечивается разрежением, создаваемым вентилятором – дымососом. Верхний конец трубы входит в циклонообразную емкость. За счет увеличенного по сравнению с трубой объема емкости разрежение в ней падает, и материал оседает вниз, откуда он периодически выгружается с помощью затвора – мигалки. Двигаясь в потоке горячего газа, частицы материала высушиваются.

Установки для сушки материала в кипящем слое работают на принципе псевдосжижения сыпучего материала потоком горячего газа, который получается от сжигания топлива в топке.

В процессе обогащения руд получают различные продукты (рис. 2.1):

Концентрат (один или несколько);

Отвальные хвосты;

Промежуточный продукт.

Исходная руда

Рис. 2.1 Продукты обогащения
Исходная руда это горная масса, поступающая из шахт или карьеров состав которой должен быть постоянным. Для чего используется усреднение.

Концентратом называется продукт, который имеет повышенную, по сравнению с рудой, массовую долю полезного компонента, удовлетворяющюю ГОСТам, ОСТам, ТУ, в которых указывается минимальное содержание ценного компонента и максимально допустимое количество вредных примесей. Название концентрата определяется по металлу (Pb концентрат, Си концентрат, Zn концентрат, Cu-Ni коллективный концентрат, Cu-Mo концентрат).

Хвостами называются отходы обогащения с большим количеством пустой породы и незначительным (часто называемым отвальным) количеством ценного компонента.

Промежуточные продукты - по величине массовой доли ценного компонента занимают промежуточное значение между концентратом и хвостами и должны подвергаться дальнейшему обогащению (направляются в оборот или подвергаются специальному химико-металлургическому переделу).

Концентраты и хвосты являются окончательными или конечными продуктами обогащения.

Для оценки обогатительных процессов существуют различные показатели.

Степень сокращения:


где W р – количество руды;

W к – количество концентрата.
Степень сокращения характеризует, во сколько раз уменьшилось количество руды в результате обогащения и определяет, сколько нужно переработать сырья для получения определенного количества концентрата.
Выход продукта:


где W i – количество i-ого продукта;

W р – количество руды.
Выход - это отношение массы продукта обогащения к массе исходной руды, выраженное в процентах.

Массовая доля ценного компонента - это отношение массы ценного компонента к массе продукта, в котором он находится.

Определяется обычно химическим анализом в % или г/т (для благородных металлов, табл. 2.1).

Обозначается:

α - массовая доля металла в исходной руде

β - массовая доля металла в продуктах обогащения

Массовая доля полезного компонента в концентрате характеризует его качество.

Таблица 2.1

Примеры руд и концентратов с различной массовой долей

Ценный компонент	Массовая доля ценного компонента в руде	Массовая доля металла в концентрате
Pb	1-3	60-70
Cu	0,5-2	20-40
Zn	1,5-3	45-50
WO3	0,06-0,4	55-65
Mo	0,1-1(0,05-0,5)	48-50
Zr	1-4	45-56
Nb	0,1-0,3	50-60
Fe	29-40	62-68

Извлечение ценного компонента - это отношение массы полезного компонента в продукте обогащения к массе полезного компонента в исходной руде, выраженное в процентах.

Связь основных показателей:


где γ - выход продукта, %

β - массовая доля металла в продукте обогащения, %

α - массовая доля металла в исходной руде, %
Уравнения технологического баланса:

Из уравнений следует:


Количество металла в руде равно сумме его количеств в концентрате и хвостах.
Баланс ценного компонента:


где
- количество металла в исходной руде

- количество металла в концентрате

γ хв β хв – количество металла в хвостах

Степень обогащения или степень концентрации:


где: α - массовая доля в исходной руде, %;

β - массовая доля в продукте обогащения, %.
Степень обогащения характеризует, во сколько раз массовая доля ценного компонента в концентрате повысилось по отношению к массовой доле его в руде в результате обогащения.

1. Методы обогащения полезных ископаемых

Обогащение руд основано на использовании различий в физических и физико-химических свойствах минералов, от величины вкрапленности ценных минералов.

Физические свойства минералов - это цвет, блеск, плотность, магнитная восприимчивость, электропроводность, смачиваемость поверхности минерала.

Существуют различные методы обогащения.

Гравитационный метод обогащения основан на использовании разницы в плотностях , размеров и форм минералов. Применяется этот метод для золота, олова, вольфрама, россыпей, редких металлов, железа, марганца, хрома, угля, фосфоритов, алмазов.

Разделение минералов по плотности можно производить в воде, воздухе и тяжелых средах. К гравитационным процессам относятся:

Обогащение в тяжелых средах – применяется для руд с крупной вкрапленностью 100-2 мм;

Отсадка – основана на разности в скоростях падения частиц в вертикальной струе воды, применяется для крупно вкрапленных руд 25-5 мм;

Обогащение на концентрационных столах – связано с разделением минералов под действием сил, возникающих в результате движения стола и потока воды, текущего по наклонной плоскости стола, применяется для руд крупностью 3-0,040 мм;

Обогащение на шлюзах – разделение минералов происходит под действием горизонтального потока воды и улавливания тяжелых минералов покрытием дна шлюзов, применяется для руд крупностью 300-0,1 мм;

Обогащение на винтовых, струйных и конусных сепараторах – разделение происходит под действием потока воды, движущейся по наклонной плоскости для руд крупностью 16-1 мм.

Магнитный метод обогащения основан на разделении минералов за счет разницы минералов в удельной магнитной восприимчивости и различии траекторий их движения в магнитном поле.

Флотационный метод обогащения основан на различии в смачиваемости отдельных минералов и как следствие избирательном прилипании их к воздушным пузырькам. Это универсальный метод обогащения, применяется для всех руд, особенно для полиметаллических. Крупность обогащаемого материала 50-100% класса –0,074 мм.

Электростатическое обогащение основано на различии в электропроводности минералов.

Кроме того, существуют специальные методы обогащения, к которым относятся:

Декрипитация, основана на способности минералов растрескиваться по плоскостям спайности при сильном нагревании и сильном охлаждении;

Рудоразборка по цвету, блеску, бывает ручная, механическая, автоматизированная; применяется обычно для крупного материала >25 мм;

- радиометрическая сортировка , основана на различной способности минералов испускать, отражать и поглощать те или иные лучи;

Обогащение по трению, основано на различии в коэффициентах трения;

Химическое и бактериальное обогащение, основано на свойствах минералов (например, сульфидов) окисляться и растворяться в сильно кислых растворах. Металл растворяется, и затем его извлекают химико-гидрометаллургическими методами. Присутствие в растворах некоторых типов бактерий интенсифицирует процесс растворения минералов.
2.3 Операции и процессы обогащения
Обогатительная фабрика является промежуточным звеном между рудником и металлургическим заводом. Обогатительная фабрика - это сложное сочетание всевозможных машин и аппаратов. Мощность фабрики определяется обычно количеством переработанной руды и бывает, различна от 15 тыс. т до 50 млн. т в год. Крупные фабрики располагаются в нескольких зданиях.

Руда различной крупности (D max = 1500-2000 мм – характерна для открытых горных работ, D max = 500-600 мм – характерна для подземных горных работ), поступающая с рудника на обогатительной фабрике проходит различные процессы, которые по своему назначению можно разделить на:

Подготовительные;

Собственно обогатительные;

Вспомогательные.

Подготовительные процессы включают, прежде всего, операции уменьшения размеров кусков руды: дробление, измельчение и связанную с ними классификацию руды на грохотах, в классификаторах и гидроциклонах. Конечная крупность измельчения определяется крупностью вкрапленности минералов.

К собственно обогатительным процессам относятся процессы разделения руды и других продуктов по физическим и физико-химическим свойствам минералов, входящих в их состав. К этим процессам относятся гравитационное обогащение , флотация, магнитная и электрическая сепарация и другие процессы.

Большинство процессов обогащения проводится в воде, поэтому на определенной стадии возникает необходимость ее сокращения или удаления, что возможно осуществить с помощью вспомогательных процессов. К вспомогательным процессам относятся операции обезвоживания: сгущение, фильтрация, сушка.

Совокупность и последовательность операций, которым подвергается руда при переработке, составляют схемы обогащения, которые принято изображать графически. Схемы бывают:

Принципиальные (рис. 2.2);

Качественные (если не приводятся данные о количестве и качестве продуктов) (рис. 2.3);

Качественно-количественные;

Водно-шламовые;

Схемы цепи аппаратов (рис. 2.4).

Рис. 2.2 Принципиальная схема обогащения (отражает только главные особенности технологии)	Рис. 2.3 Качественная схема обогащения (на качественной схеме представлены операции, продукты обогащения и путь движения их по схеме)	Рис. 2.4 Схема цепи аппаратов 1 – бункер исходной руды; 2, 5, 8, 10 и 11 – конвейеры; 3 и 6 – грохоты; 4 – щековая дробилка; 7 – конусная дробилка; 9 – бункер дробленой руды; 12 – мельница; 13 – спиральный классификатор; 14 – флотационная машина; 15 – сгуститель; 16 – вакуум-фильтр; 17 – сушильный барабан.

15
Лекция 3. ГРОХОЧЕНИЕ
План лекции

1. 
   Процесс грохочения
2. 
   
3. 
   Виды операций грохочения
4. 
   Эффективность грохочения

1. 
   Процесс грохочения

Грохочение – это процесс разделения зернистого и кускового материала на классы по крупности (продукты грохочения) путем просеивания его через одно или несколько сит. В промышленности нижний предел просеивающей поверхности составляет 100 мкм.

При грохочении смесь кусков различной крупности пропускается через одно или несколько сит (до 8 штук) с отверстиями определенного размера.

Продукт, прошедший через сито называется подрешетным и обозначается знаком "-" минус, продукт, содержащий только зерна больше отверстия сита , называется надрешетным и обозначается знаком "+" плюс (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Продукты грохочения
Если материал просеивался через n сит с различными размерами отверстий, то число полученных продуктов будет n+1. При этом материал прошедший через сито с отверстие а 1 , но оставшийся на сите с отверстием а 2 называется классом и обозначается -а 1 +а 2 , например класс –25+10 мм.

В случае разделения мелкого и тонкозернистого материала по крупности процесс носит название классификации и дешламации.

1. 
   Гранулометрический состав руды и продуктов обогащения

Обрабатываемое на обогатительной фабрике минеральное сырье и продукты обогащения представляют собой смесь зерен неправильной формы различного размера. Распределение зерен по классам крупности характеризует гранулометрический состав исходного сырья и продуктов обогащения.

Для определения гранулометрического состава всей массы руды, состоящей из мелких частиц различных размеров и непра­вильной формы, проводят следующие анализы: ситовые, седиментационные или дисперсионные, микроскопические.

Ситовые анализы - это рассев материала на ситах или решетах с отверстиями различной величины на классы круп­ности. При этом диаметр зерна определяется размером отверстия, через которое оно проходит.

Ситовые анализы выполняются сухим, мокрым или комбини­рованным способами. Два последних способа применяются для анализа глинистых и шламистых материалов. Ситовые анализы позволяют определять крупность частиц до 40 мкм (минимальный размер отверстий применяемых сит).

Существует несколько систем стандартных сит. Последователь­ный ряд размеров отверстий сит, применяемых для грохочения или классификации, называется шкалой классификации, а отно­шение размеров отверстий двух соседних сит называется модулем шкалы. При крупном и среднем грохочении модуль равен двум. Например, набор сит с этим модулем будет состоять из сит с отверстиями размером 50, 25, 12, 6 и 3 мм. Для более мелких сит применяется стан­дартная система с модулем
. В этой системе за основу принято сито 200 меш с отверстиями размером 0,074 мм. Меш - число отверстий , приходящееся на один линей­ный дюйм (25,4 мм). Пользуясь мо­дулем, можно определить размер от­верстий предыдущего и последу­ющего сит.

Для ситового анализа берется набор стандартных сит, результаты ситового анализа заносятся в таблицу (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Результаты ситового анализа

Размер отверстий сит	Частный выход		Суммарный выход, %
мм	г	%
-0,59+0,42 0,074+0	15	7,32	7,32
Исходный продукт	205	100,00	-

Данные ситового анализа можно изобразить графически, по­лучив характеристику крупности материала (рис. 3.2). Обычно строят кривую суммарной характеристики «по плюсу», т. е. по суммар­ному остатку материала на ситах, начиная с самых крупных. При этом на оси абсцисс в масштабе откладывается размер отвер­стий сит, на которых производился ситовый анализ, в милли­метрах, а на оси ординат - суммарный остаток на ситах в про­центах.

Рис. 3.2 Характеристика крупности материала
Суммарные характеристики крупности (рис. 3.3) бывают: вы­пуклыми (кривая 1), прямолинейными (кривая 2) и вогнутыми (кривая 3). По характеру кривой можно судить о крупности материала. Если кривая имеет прямолинейный характер, значит, материал характеризуется равномерным распределением зерен всех размеров. При преобладании в материале крупных зерен кривая имеет выпуклый характер, а при преобладании мелких зерен - вогнутый характер.

Рис. 3.3 Кривые суммарных характе­ристик крупности
Пользуясь кривой суммарной характеристики, можно опре­делить выход класса любой крупности.

Седиментационный (дисперсионный) ана­лиз. При необходимости по­лучения гранулометрической характеристики материала мельче 40 мкм обычно применяют дисперсионный анализ, который основан на разделении минеральных зерен различной крупности по их скорости падения в воде.

Скорость оседания минеральных частиц в вязкой среде зависит от крупности частиц и их плотности. Эту скорость можно опре­делить по формуле Стокса:

где d - диаметр частиц, мм;

δ - плотность материала;

Δ - плотность воды.

Пользуясь этой формулой, можно определить время t оседания частиц определенного размера с заданной высотой оседания h . Время оседания частиц


Дисперсионный анализ проводят методом отмучивания или гидравлической классификацией в специальных аппаратах. Этот метод дисперсионного анализа является продолжительным.

Микроскопический анализ проводится для изу­чения не только минерального состава руды , но и для определения размера частиц с последующим определением количества и харак­тера сростков полезных минералов между собой и с минералами пустой породы. Микроскопический анализ различных классов крупности позволяет определять крупность прорастания и коли­чество сростков в каждом классе крупности, что дает возможность характеризовать эффективность некоторых процессов, например измельчения и флотации.