docYTP luento 5, mekaaniset prosessit
download 
Report Transcription
YTP luento 5, mekaaniset prosessit
5.10.2015 CHEM-A2100, Mekaaniset yksikköprosessit CHEM-A2100 Yksikköprosessit ja mekanismit • • • • • • • Raaka-aineet Partikkelikoko Murskaus ja jauhatus Luokitus Neste-kiinteäerotus Vaahdotus Yhteenveto Prujun kappaleet: 4.10 Hienonnus 4.11 Neste-kiinteäerotus 4.13 Vaahdotus Mekaaniset yksikköprosessit Jari Aromaa Materiaalitekniikan laitos Hydrometallurgia ja korroosio CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 2 Raaka-aineet Raaka-aineet • Teollisuuden käyttämät raaka-aineet ovat sekä primäärisiä että sekundäärisiä. • Primääriraaka-aineet ovat luonnosta saatavia ja ne ovat muodostuneet pitkien aikojen kuluessa. • Primääriraaka-aineilla on ennustettavissa oleva käyttäytyminen. • Primääriraaka-aineita on hyödynnetty jo niin kauan, että tiedetään kuinka niiden kanssa toimitaan. • Sekundääriraaka-aineet ovat keinotekoisesti valmistettuja ja niissä esiintyy alkuaineyhdistelmiä, joita ei koskaan tavata luonnossa. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 3 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit Aineiden määrä tuotteissa kasvaa ja aineyhdistelmistä tulee monimutkaisempia, kierrättämisestä tulee vaikeampaa, Metal Recycling, UNEP, 2013 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 4 1 5.10.2015 Raaka-aineet Raaka-aineet • • • "Circular economy" Tavoitteena tuotelähtöinen materiaalien hyödyntäminen Tuotteet on suunniteltava niin, että kierrättäminen on mahdollista. Metalliromu Sulfidimineraali Paristoromu Suprajohderomu Elektroniikkaromu Metalliteollisuuden pölyt CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 6 5 Raaka-aineet • Primääriraaka-aineet: • • • Korkealaatuiset, yksi tai muutama arvometalli, joiden hyödyntämiseen on olemassa oleva ratkaisu. Kompleksiset, useita eri arvometalleja, jotka on kaikki saatava talteen. Heikkolaatuiset, köyhä, epäpuhdas tai mineralogialtaan hankala. Raaka-aineet • Sekundääriraaka-aineet: • • • • Käytöstä poistettuja tuotteita tai tuotannon poisteita. Usein komposiitteja, eli useita eri materiaaliryhmiä tiukasti kiinni toisissaan. Nykyään hyödynnetään lähinnä päämetallin mukaan. Tavoite saada kaikki metallit kierrätettyä. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 7 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit • Erotteluprosessia varten on tiedettävä: Raaka-aineen alkuainekoostumus Raaka-aineen eri yhdisteet Partikkelikoot Eri faasien fyysiset muodot ja mitkä ovat kiinni toisissaan • Pienten arvoaineiden jakautumat eri faaseihin • • • • CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 8 2 5.10.2015 Mekaaniset erotusmenetelmät Mekaaniset erotusmenetelmät • Mekaanisissa erotusmenetelmissä on kaksi vaihetta: • Puhtaaksijauhatus: • • • • • puhtaaksijauhatus (liberation) erottelu (separation) Murskaus Jauhatus Hienojauhatus • Tavoite on erilaisten jakeiden irrottaminen toisistaan mahdollisimman pienellä energiankulutuksella. • Tavoitteena on tuottaa raaka-aineesta mahdollisimman korkealaatuinen tuote mahdollisimman hyvällä saannilla. • Erottelu: • • • • • Partikkelikoko Ominaispaino Väri Magneettisuus Pintaominaisuudet • Tavoite on saada mahdollisimman korkealaatuinen tuote mahdollisimman hyvällä saannilla. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 9 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 10 Mekaaniset erotusmenetelmät Mekaaniset erotusmenetelmät • Raaka-aineen käsittelyllä voidaan saada joko korkealaatuinen, rikas tuote (high grade) tai paljon raakaaineen arvometallista tuotteeseen, korkea saanti (high recovery) • Jos halutaan korkea saanti mukaan tulee paljon sivumateriaalia, low grade. • Jos halutaan rikas tuote, paljon arvometallia (valuable) menee sivumateriaalin (gangue) mukana, poor recovery • Erotuksen tehokkuus (separation efficiency) SE = Rm-Rg % lasketaan arvomineraalin ja sivukiven saanneista (%). • Voidaan laskea myös kun syötteen ja tuotteen analyysit tiedetään • SE = 100 (c-f)/[(m-f) f ] % • C = tuotteen ja syötteen massasuhde, m, f ja c mineraalin, syötteen ja tuotteen metallipitoisuudet. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 11 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 12 3 5.10.2015 Partikkelikoko Partikkelikoko • Jauheilla partikkelikoko on alle 100 m. • Rakeisella aineella raekoko on 0,1-3 mm. • Kappalemaisella tavaralla raekoko on yli 3 mm. • Pallo: tilavuus, pinta-ala, laskeutumisnopeus, seulan aukko. • Ympyrä: projektiopinnan ala, piiri • Feret'n halkaisija: partikkelien ääripisteiden etäisyys. • Martinin halkaisija: jakaa pinta-alan kahteen yhtä suureen osaan. • 5 µm partikkelin tuntee sormenpäillä. • 40 µm partikkelin näkee paljain silmin. • Lietteessä • • • karkeat partikkelit 0,1-1 mm hienot partikkelit 1-100 µm kolloidit 0,001-1 µm CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 13 Partikkelikoko CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 14 Partikkelikoko x = 164 mm d10 = 55 m m d 50 = 150 mm d 80 = 235 m m d 90 = 290 m m CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 15 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit x = 164 mm d10 = 55 m m d 50 = 150 mm d 80 = 235 m m d 90 = 290 m m CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 16 4 5.10.2015 Partikkelikoko Partikkelikoko • Partikkelikoot ilmoitetaan usein johonkin malliin perustuvana jakaumana. • Normaalijakauma soveltuu käytettäväksi kapealle partikkelikokovälille luokitellulle materiaalille. • Soveltuu kokeiltavaksi kun taajuusjakauma näyttää Gaussin kellokäyrältä. • Aritmeettisen normaalijakauman yhtälössä x on partikkelikoko, x partikkelikoon aritmeettinen keskiarvo ja on keskihajonta. • Lähes kaikissa kokojakaumissa on pieniä partikkeleita runsaammin kuin isoja. • Normaalijakauma saadaan paremmin sopivaksi, kun käytetään partikkelikoon logaritmia, ln(x). • Logaritminen normaalijakauma soveltuu käytettäväksi, kun suurimman hiukkasen suhde pienimpään on noin 10. • xg on geometrinen keskiarvo ja sg on geometrinen standardipoikkeama. f (x) = é (x - x)2 ù 1 × exp ê2 ú s 2p ë 2s û f (x) = é (ln x - ln x )2 ù 1 g × exp êú êë 2(ln s g )2 úû x× ln(s g ) 2 p CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 17 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 18 Partikkelikoko Partikkelikoko • Potenssijakaumassa (Gaudin-Schumann-jakauma) verrataan suurimpaan raekokoon. • Potenssijakauma soveltuu käytettäväksi hienojakoisille jauheille. • Potenssijakauma esitetään alikokojakaumana, jossa xmax on jakauman suurin partikkelikoko ja n on potenssi, joka kertoo jakauman muodon. • Yleensä jakauman potenssi arvo on pienempi kuin yksi. • Rosin-Rammler –jakauma on eksponenttijakauma, jossa verrataan kokoon, jota suurempia on 36,8% partikkeleista. • Jakaumaa käytetään yleensä massajakauman yhteydessä, esimerkiksi tutkittaessa seula-analyysien tuloksia. • Rosin-Rammler alikokojakaumaa laskettaessa n on potenssi, joka kertoo jakauman jyrkkyyden ja xR on halkaisija, jota suurempia partikkeleja on 36,8 %. Potenssin arvo on korkea, jos hiukkaset ovat lähellä toisiaan. æ x ö F(x) = ç ÷ è xmax ø æ xö F(x) = 1- exp ç ÷ è xR ø n CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 19 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit n CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 20 5 5.10.2015 Partikkelikoko Murskaus ja jauhatus • Usein riittää kun ilmoitetaan massan aritmeettiseen keskiarvoon perustuva raekoko. • Keskimääräinen raekoko saadaan laskemalla partikkelikokojen fraktioilla painotettu keskiarvo, fraktioiden summa = 1 Murskaus, jauhatus yms. ovat menetelmiä materiaalin hienontamiseen eli partikkelikoon pienentämiseen. x = å f (xi )× xi • Lisäksi voidaan käyttää alikokoja kuvaavia jakauman kokoja d10, d50, d80, d90, eli 10%, 50%, 80% tai 90% jakaumasta on pienempää kuin kyseinen partikkelikoko. Hienonnusvaihe Tuotekoko Hienonnusvaihe Tuotekoko Louhinta 1m Karkea jauhatus 1 mm 1. murskaus 150-250 mm Hieno jauhatus 100 m 2. murskaus 50-80 mm Hyvin hieno jauhatus 10 m 3. murskaus 10-25 mm Erittäin hieno jauhatus 1 m Kun edetään hienonnuksessa eteenpäin, vaatimus on usein, että tuotteessa pitää olla 80% pienempää raekokoa kuin vaadittu raekoko. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 21 Murskaus ja jauhatus Helposti erotettavissa Erillisrakeet Melko helposti erotettavissa Isot lukkiutuneet rakeet Juonteet, kerrokset CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 22 Murskaus ja jauhatus Vaikeasti erotettavissa • Hienonnussuhde (reduction ratio) Pirotteinen Sisäkkäiset kerrokset Lamellit Widmanstätterrakenne Hyvin vaikeasti erotettavissa Eutektinen, kaksi yhtenäistä faasia CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 23 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit d(ennen) , d( jälkeen) d = dmax , d80 n= Kuori • Leuka-, kartio- ja valssimurskain puristavat ja hienonnussuhde 6-8. • Iskumurskain iskee tai paiskaa ja hienonnussuhde 20. Leuka Valssi Kartio Isku CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 24 6 5.10.2015 Murskaus ja jauhatus Murskaus ja jauhatus Murskauksella pyritään muutaman mm tai parinkymmennen mm raekokoon. Hienommat partikkelit jauhamalla. • Rumpumyllyissä jauhatus tapahtuu vaakatasossa pyörivässä rummussa, jossa on jauhinkappaleita. • Pyörimisliike nostaa jauhinkappaleet rummun kehälle, josta ne sitten putoavat, pyörivät tai liukuvat takaisin rummun pohjalle. • Jauhinkappaleet voivat olla kuulia, tankoja, lyhyitä lieriöitä tai jauhettavan materiaalin kappaleita (autogeeni). • Hienonnusaste voi olla tankomyllyille luokkaa 100, kuulamyllyille 1000 ja autogeenimyllyille 5000. Metso: Basics in Minerals Processing CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 25 Murskaus ja jauhatus Murskaus ja jauhatus • • • • • M. Oja, TKK-MT-176, 2006 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 26 Murskaus kolmessa vaiheessa Seulonta kolmannen murskauksen jälkeen. Seulan ylikoko palautetaan takaisin murskaukseen Seulan alikoko jauhetaan tankomyllyllä avoimessa piirissä Lopullinen jauhatus suljetussa piirissä, hydrosykloni palauttaa ylikoon kuulamyllyyn. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 27 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit • Energiankulutus kasvaa mitä pienempää partikkelikokoa tuotetaan. • • • • • Kivihiili kokoluokkaan d50 = 5-10 cm noin 0,5 kWh/tonni Kivihiili kokoluokkaan d50 = 0,1-0,5 mm noin 5-10 kWh/tonni. Malmit kokoluokkaan d50 = 50-100 m 10-100 kWh/tonni Elintarvikkeiden, kuten sokerin ja jauhojen hienonnus kokoluokkaan d50 = 5-10 m vaatii 50-100 kWh/tonni Väripigmenttien hienonnus kokoluokkaan d50 = 0,5-5 m vaatii 500-1000 kWh/tonni. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 28 7 5.10.2015 Murskaus ja jauhatus Murskaus ja jauhatus • Hienonnuslaitteissa rakeet rikkoutuvat samanaikaisesti, tuotteet sekoittuvat keskenään eikä yksittäisen rakeen tilanne ole tiedossa. • Yksittäisen rakeen särkyminen voidaan jakaa osiin kuormittaminen, muodonmuutos, sisäisen jännitystilan muodostuminen ja jännitystilan purkautuminen, jossa rae joko särkyy tai ei. • Raetta on kuormitettava toistuvasti, jotta saadaan tuotua siihen uutta energiaa. • Pienin mahdollinen partikkelikoko x riippuu murtumisvastuksesta R, energiasta E ja kimmomodulista s, esimerkiksi x = 0,4RE/s • Hienonnuksen energiankulutus Eu määritellään uutena pintana tehtyä työtä kohden Eu = DS/ W • Rittingerin laki, energiankulutus on suoraan verrannollinen tuotettuun uuteen pintaan, sopii alle 1 mm partikkeleille • Wm [kWh/t], x2 on tuotteen raekoko, x1 syötteen raekoko, KR Rittingerin vakio ja c on materiaalin puristuslujuus. æ1 1ö Wm = K R × s c × ç - ÷ è x2 x1 ø CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 29 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 30 Murskaus ja jauhatus Murskaus ja jauhatus • Kickin laki, energiankulutus on suoraan verrannollinen massaan, sopii murskaukseen • Ei ole sovellettavissa koko raekokoalueelle, koska sama määrä energiaa kuluisi hienonnettaessa 10 m rakeet kokoon 1 m ja murskattaessa 1 m lohkareet kokoon 10 cm. • Aliarvioi hienon jauhatuksen energian tarpeen. • Wm [kWh/t], x2 on tuotteen raekoko, x1 syötteen raekoko, KK Kickin vakio ja c on materiaalin puristuslujuus. • Bondin laki perustuu kokeellisiin tutkimuksiin • Bondin lakia hyödynnetään arvioitaessa energiankulutusta ja laitemitoitusta kun on jo olemassa käyttökokemusta vastaavista tilanteista. • Wm [kWh/t], x2 on tuotteen raekoko, x1 syötteen raekoko, Wi on Bondin työindeksi kun äärettömän suuri kappale hienonnetaan kokoon 100 mm. Wm = K K × s c × ln ( x1 x2 ) CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 31 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit æ 1 1 ö ÷ Wm = Wi × 100m m × çç x1 ÷ø è x2 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 32 8 5.10.2015 Luokitus Luokitus • Murskauksen ja jauhatuksen yhteydessä luokituksen tarkoituksena on säännöstellä tuotteen raekokoa. • Pyritään tehostamaan hienonnusta vähentämällä hienoaineksen määrää, jotta parannettaisiin kapasiteettia ja vähennettäisiin energiankulutusta. • Ideaalitapauksessa kiintoainetta sisältävä virta jakaantuu terävästi kahteen virtaan katkaisukoon perusteella. • Katkaisukokoa suuremmat rakeet ohjataan yhteen virtaan ja pienemmät rakeet toiseen virtaan. • Luokittimina käytetään seuloja ja dynaamisia luokittimia • Seulonnassa hienot rakeet läpäisevät seulan ja ohjautuvat alitteeseen ja karkeat rakeet seulapinnan päältä ylitteeseen • Dynaamisissa luokittimissa nopeammin laskeutuvat karkeat rakeet kulkeutuvat alitteeseen ja hitaammin laskeutuvat hienot rakeet ylitteeseen M. Oja, TKK-MT-176, 2006 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 33 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 34 Luokitus Luokitus • Yksinkertaisin tapa kuvata luokituksen tehokkuutta on mitata karkean jakeen osuus syötteestä • Luokituksen tehokkuuden voi määrittää myös syötteen, karkean jakeen ja hienon jakeen kumulatiivisista raekokojakaumista FS, FK ja FH ET = • Vastaava hienoainekselle FS(x) - FH (x) FK (x) - FH (x) • Lasketaan eri raekooilla erotukset ja piirretään x-akselille FK(x)-FH(x) ja y-akselille FS(x)-FH(x) • Erotustehokkuus on kulmakerroin. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 35 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 36 9 5.10.2015 Luokitus Luokitus • Hienoaineksen talteenoton tehokkuus R voidaan määrittää, kun jakaumat otetaan katkaisukoon kohdalta • Katkaisukoko = tätä kokoa hienommat talteen • Mitataan kumulatiiviset jakaumat F katkaisukokoon saakka. Raekokojakaumien perusteella R = 60% R katkaisukoko 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 37 Luokitus 100 150 200 250 300 350 400 450 500 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 38 Seulonta • Karkeaa seulontaa (seula-aukko xs > 100 mm) maa-aineksen ja kivien sekä malmien ja kivihiilen käsittelyssä. • Välialueen seulonnalla (xs = 10-100 mm) valmistetaan soraa, hiekkaa ja kivimurskaa. • Hienoseulontaa (xs =1-10 mm) käytetään kaikilla teollisuuden aloilla. • Hienoseulontaa ja ultrahienoseulontaa (xs <1 mm) käytetään muovien raaka-aineiden, täyte- ja päällystyspigmenttien ja väriaineiden valmistuksessa. • Seulontaa sovelletaan harvoin alle 0,1 mm raekoossa, sillä kapasiteetit ovat yleensä riittämättömiä. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 39 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit 50 • Rakeet, joiden koko on pienempi kuin puolet seula-aukon koosta, läpäisevät seulan helposti. • Rakeet, joiden koko on puolitoista kertaa aukon koko, ylittävät helposti. • Lähellä seula-aukon kokoa olevat rakeet läpäisevät seulan huonosti. • Seulan kapasiteetti on massa, joka syötetään aikayksikössä seulan pintaalayksikköä kohti. • Tarvittava pinta-ala määritetään syötössä olevan alitteen määrän perusteella. = + A, B, n vakioita, h on aukon koko. Valmistaja ilmoittaa Kapasiteetin. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 40 10 5.10.2015 Seulonta Seulonta • Seulonnan tehokkuus on osuus tiettyä partikkelikokoa pienemmistä, joka päätyy alitteeseen ja sitä suuremmista ylitteeseen. • Ylitteen ja alitteen tehokkuus, paljonko hienosta materiaalista päätyy väärin ylitteeseen ja oikein alitteeseen. • Tarvitaan massavirrat m tai haluttua partikkelikokoa pienempien osuudet c. • Seulonnan tehokkuus 1- cKARKEA 1- cHIENO • Ylitteen (ylikoon) tehokkuus EY = ET • Alitteen (alikoon) tehokkuus EA = (1- ET ) M. Oja, TKK-MT-176, 2006 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 41 Dynaaminen luokitus CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 42 Dynaaminen luokitus • Dynaaminen luokitus perustuu partikkelien liikkeeseen väliaineessa. • Laskeutumisnopeuteen perustuvassa luokituksessa nestettä raskaammat rakeet painuvat astian pohjalle tai reunoille. • Jos neste virtaa vaakatasossa ja painovoima erottelee niin kyseessä on laskeutusluokitin. • Jos neste ja laskeutettavat rakeet kulkevat vastakkaisiin suuntiin kyseessä on hydraulinen luokitin. • Keskipakoluokittimia ovat erilaiset lingot ja ei-mekaaniset hydrosyklonit. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 43 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit cHIENO cSYÖTE wraja = rajakokoa olevan partikkelin laskeutumisnopeus = syötön tilavuusvirta lammikon pituus*leveys Laskeutumisnopeuteen vaikuttavat partikkelin muoto, koko, tiheys, väliaineen tiheys ja virtauksen laminaarisuus tai turbulenttisuus, CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 44 11 5.10.2015 Dynaaminen luokitus Linko, partikkelit lentävät reunalle viipymäaikana Dynaaminen luokitus Hydrosykloni, rakeet tangentiaalisen virtauksen mukana seinille, keskellä pystysuora nestevirtaus ylös. • Dynaamisen luokittimen tehtävä on jakaa syöte eri fraktioihin partikkelien painon perusteella. • Jos partikkelit ovat kutakuinkin samaa materiaalia niin niiden tiheys on sama ja painot ovat verrannollisia partikkelikokoon. • Dynaamisten luokittimien tehokkuuksien laskentaan voidaan käyttää samoja kaavoja kuin seuloille. • Seulassa ylite on karkea ja alite on hieno fraktio. • Dynaamisissa luokittimissa alite on karkea ja ylite on hieno fraktio. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 45 Neste-kiinteäerotus Neste-kiinteäerotus • Mekaaniset neste-kiintoaine-erotusprosessit perustuvat laskeutukseen ja suodatukseen. • Laskeutuksessa nestettä raskaammat partikkelit painuvat astian pohjalle. • Suodatuksessa partikkelit kerääntyvät suodinkankaalle ja neste virtaa kankaan läpi. • Laskeutusta käytetään usein myös suodatuksen esikäsittelymenetelmänä. • Laskeutus toimii kuten dynaaminen luokitus. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 47 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 46 • Laskeutuksessa nestettä raskaammat rakeet laskeutuvat astian pohjalle tai reunoille • • • Painovoimainen Linkous Hydrosyklonit • Suodatuksessa väliaine kerää kiintoaineen ja neste virtaa väliaineen läpi • • • • Siivilöinti Kakkusuodatus Rakeissuodatus Membraanisuodatus CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 48 12 5.10.2015 Neste-kiinteäerotus Neste-kiinteäerotus • • • • • Laskeutuksessa saadaan kirkas neste ja paksumpi liete. Laskeutuksen tarkoitus voi olla kirkkaan nesteen tuottaminen, lietteen sakeuttaminen, partikkelien luokittelu. Jos tavoitteena on kirkas ylite kysymyksessä selkeytys, syöttöpitoisuus on alle 0,5 t-%. Jos tavoitteena on sakea liete kysymyksessä on sakeutus. Painovoimalaskeutuksen mitoitusta varten on määritettävä käsiteltävän lietteen laskeutumisnopeus sekä syötteen ja alitteen kiintoainepitoisuudet. æ1 1 ö W A = ç - ÷× è C Cu ø RS • • A on tarvittava pinta-ala (m2), C on syötteen ja Cu alitteen kiintoainepitoisuus (kg/m 3 vettä), W on kiintoaineen syöttönopeus (kg/s), R on laskeutumisnopeus (m/s) ja S on väliaineen ominaispaino. Ominaispaino on dimensioton, kuvaa tiheyttä suhteessa veden tiheyteen. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 49 Neste-kiinteäerotus CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 50 Neste-kiinteäerotus • Yleinen suodatusyhtälö • Suodatuksessa kiintoaine erotetaan lietteestä huokoisen väliaineen avulla. • Suodatukseen tarvittava paineero saadaan painovoimasta, alipaineesta suodospuolella, ylipaineesta lietepuolella tai keskipakovoimasta. Dp / mq = a avmc + Rm dt ma avc m Rm = + dV A2 Dp ADp M. Oja, TKK-MT-176, 2006 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 51 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit • • • • • • • • • Darcy'n yhtälö A× Dp mL Dp / mQ = L / (K × A) Q=K × q suodoksen näennäinen virtausnopeus, m/s mc, kuivan kakun massa pinta-alayksiköä kohti, kg/m 2 aav kakun keskimääräinen ominaisvastus, m/kg Rm suodinväliaineen vastus, m-1 , m viskositeetti, Pa s Dp paine-erot, Pa c on kiintoainepitoisuus kg/m3, A on suodatinala, m2 Q on suodoksen vuo väliaineen läpi, m3/s L on suodatinmateriaalin paksuus, m ja K sen permeabiliteetti, m 2 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 52 13 5.10.2015 Vaahdotus Vaahdotus • Vaahdotus on pintailmiöihin perustuva erotusmenetelmä, jonka tavoitteena on eri kiintoaineiden selektiivinen erottaminen. Talteenotto on sitä helpompaa mitä paremmin puhtaaksijauhatus on onnistunut CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 53 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 54 Vaahdotus Vaahdotus • Esivaahdotukseen (rougher) mahdollisimman suuri saanti • Ripevaahdotuksessa (scavenger) otetaan arvoaineet talteen esivaahdotuksen jätteestä. • Kertausvaahdotuksessa (cleaner) tehdään korkealaatuinen rikaste poistamalla sivukivi. • Haluttujen partikkelien pinnat saadaan sopivilla pintaaktiivisilla kemikaaleilla hydrofobisiksi, ja kuplat pystyvät tarttumaan niihin. • Kemikaalit ovat: • • • • CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 55 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit vaahdotteet, jotka tekevät riittävän pysyvän vaahdon kokoojat, jotka tarttuvat haluttujen partikkelien pintaan, aktivoijat, jotka helpottavat kokoojien tarttumista painajat, jotka estävät kokoojien tarttumista. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 56 14 5.10.2015 Vaahdotus Vaahdotus • Vaahdotusta kuvataan usein ensimmäisen kertaluvun kineettisellä yhtälöllä • Vaahdotuksessa suurin osa metallista saadaan nopeasti, loppujen kerääminen kestää kauan. • Vaahdotuksessa tuotteen laatu heikkenee kun aika kasvaa. • Optimointi ajan ja tuotteen laadun kanssa seuraavia vaiheita varten vaatii kokeita, ei ole mallinnettavissa. R=1- exp(-kt) R= RI [1- exp(-kt)] • R on kumulatiivinen saanti ajanhetkellä t, RI on teoreettinen maksimisaanti, k on nopeusvakio ja t on kulunut aika. • Rikasteen saanti pitoisuuksien avulla laskettuna on R= cRIKASTE cSYÖTE - cJÄTE × cSYÖTE cRIKASTE - cJÄTE CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 57 CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 58 Yhteenveto • Mekaaniset yksikköprosessit käsittelevät partikkeleita, jotka voivat olla myös lietteissä. • Yksikköprosessien mallinnus on työlästä koska eri laiteversioita on runsaasti, muuttujia on runsaasti ja käsiteltävien materiaalien ominaisuudet vaihtelevat. • Mitoitus perustuu kokeisiin. • Tärkeimmät tunnusluvut ovat: • • Energiankulutus, usein kWh/t sekä hienonnuksessa, erotteluprosesseissa että vaahdotuksessa Erottelukyky, halutun kokoiset tai haluttua koostumusta olevat partikkelit haluttuun virtaan. CHEM-A2100, Mekaaniset prosessit 5.10.2015 59 CHEM-A2100, mekaaniset yksikköprosessit 15
