РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА ОСАДКОВ В ПРОЦЕССАХ МЕХАНИЧЕСКОГО
ОБЕЗВОЖИВАНИЯ
Наибольшие технологические трудности возникают при обезвоживании мелких и
тонких осадков, т.к. такие материалы имеют высокоразвитую поверхность, активно
взаимодействующую с водой. Кроме того, пористость и соответственно
проницаемость этих сред как правило низкая. Обезвоживание таких осадков обычно
выполняется в несколько стадий, чаще это сочетание механического обезвоживания
и термического. Последний процесс требует значительных энергетических затрат и
является наиболее дорогостоящим и невыгодным с точки зрения экологической
безопасности. Поэтому внимание многих авторов направлено на совершенствование
первой стадии обезвоживания – различных механических методов, одним из которых
является фильтрование под действием перепада давлений, с целью снижения
влажности его продуктов и затрат на последующую сушку.
При обезвоживании мелких и тонких осадков в поровой среде протекают довольно
сложные процессы, связанные с взаимодействием твердой, жидкой и газообразной
фаз. Работы многих отечественных и зарубежных исследователей посвящены изучению
истечения жидкости и повышению скорости процесса фильтрования [53, 66, 68, 84,
92]. В частности, установлены зависимости скорости фильтрации от свойств
поровой структуры осадка, представляющие основу современной теории фильтрации.
Теоретические и экспериментальные исследования влияния гранулометрического
состава шламов на структурную характеристику порового пространства осадка и его
проницаемость позволили исследовать изменение режима течения жидкости в осадке.
Кроме того, исследованиями было установлено сложное влияние газообразной фазы
на процесс истечения жидкости [96]. В ряде работ [102-106] было показано, что
воздух, адсорбируясь на поверхности частиц, может находиться в каналах довольно
долго, вызывая закупорку узких извилистых каналов в осадке. И эта закупорка
более устойчива, чем мелкими частицами неправильной формы.
Изучение свойств осадков на микроуровне свидетельствует о необходимости
продолжения исследований в этом направлении для более глубокого понимания
сложных явлений, протекающих в этой среде. Поскольку процесс фильтрования имеет
две основные фазы – собственно фильтрование и просушку осадка, когда в порах
осадка происходит перемещение не только жидкой, но и газообразной фазы, особый
интерес представляет исследование поведения этих фаз в каналах пористой среды.
Это связано с тем, что именно сеть открытых каналов в осадке является
магистралью для удаления влаги. Такое исследование позволит определить пути
совершенствования процесса обезвоживания тонких труднофильтруемых осадков.
2.1. Методика моделирования процесса истечения жидкости из поровой среды
осадков с использованием дискретных элементов
Процессы взаимодействия поверхности твердой фазы с водой при обезвоживании
тонких осадков представляют значительную трудность для исследования. Это
связано с тем, что протекающие процессы динамичны, находятся под влиянием
большого количества физических и химических факторов и происходят в маленьком
масштабе.
Одним из вариантов разрешения указанной проблемы является численное
моделирование, которое сочетает в себе динамику, точность и рассмотрение
широкого спектра деталей процесса и свойств взаимодействующих фаз [107].
Для численного моделирования сложных процессов, протекающих при механическом
обезвоживании под действием перепада давлений, разработана компьютерная модель
для моделирования кинетики взаимодействия фаз, которая базируется на дискретных
элементах.
Данная модель прошла широкую апробацию, в частности для решения задач,
связанных с прогнозированием поведения разрушающегося массива горных пород при
проявлении горного давления [107, 108].
Аналогичные модели используются при исследовании сегрегации частиц в постели
отсадочных машин, при вибрационном грохочении сыпучих материалов, при изучении
распределения частиц по крупности и плотности в процессе сухой сепарации
[109].
Зарубежными исследователями выполнено исследование кинетики насыщения зернистых
песков различными растворами [110].
Описанная выше модель развита для случая взаимодействия частиц при механическом
обезвоживании осадков различного вещественного и гранулометрического состава. В
дополнение были введены существенные особенности фаз, принимающих участие в
ходе процессов удаления влаги из каналов осадка. В этом случае частицы имеют
действительно комплексное поведение, отличающееся от поведения массива горных
пород. Процессы обезвоживания управляются при этом физическими и химическими
свойствами поверхности минералов при взаимодействии с жидкой фазой.
В основу модели положено рассмотрение взаимодействия минеральных частиц твердой
фазы при их контакте. Упрощенно схема такого взаимодействия представлена на
рис. 2.1.
В исходных условиях принято, что частицы имеют шарообразную форму с радиусами
R1 и R2. Любая частица движется под воздействием силы (F1 или F2) и вращается в
соответствии с законом Ньютона в прямоугольной системе координат X-Y , при
выполнении условия, что она ускоряется моментами M1 и M2. Движение частиц и их
взаимодействие рассматриваются в дискретные периоды времени. В компьютерной
реализации эти периоды моделируются как циклы счета. Координаты центров тяжести
взаимодействующих частиц X1, Y1 и X2, Y2, скорости V1 и V2, и силы являются
постоянными и рассчитываются на каждом цикле работы программы.
Все частицы движутся под действием результирующего ускорения G , которое
возникает от действия сил тяжести, Архимедовой (расположения) силы,
демпфирующей силы или силы сопротивления сре
- Київ+380960830922