mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.12.1951-1962mgssuvest-449Research ArticleГидравлика. Геотехника. Гидротехническое строительствоHydraulics. Geotechnique. Hydrotechnical constructionОсобенности проектирования систем гидротранспорта горнообогатительных фабрикDesign of hydraulic transport systems for mining and processing plantshttps://orcid.org/0000-0002-2349-5005ВолгинаЛ. В.VolginaL. V.

Людмила Всеволодовна Волгина — кандидат технических наук, доцент кафедры гидравлики и гидротехнического строительства

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ AuthorID: 289878, Scopus: 57208499016, ResearcherID: AAC-3242-2022

Lyudmila V. Volgina — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

RSCI AuthorID: 289878, Scopus: 57208499016, ResearcherID: AAC-3242-2022

VolginaLV@gic.mgsu.ruСергеевС. А.SergeevS. A.

Станислав Алексеевич Сергеев — кандидат технических наук, доцент кафедры гидравлики и гидротехнического строительства

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Stanislav A. Sergeev — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

Stanislav_sergeev91@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3467-4495РомановаА. А.RomanovaA. A.

Анастасия Андреевна Романова — главный специалист

115114, г. Москва, Дербеневская набережная, д. 7, стр. 10

РИНЦ AuthorID: 969058, Scopus: 57208482859

Anastasia A. Romanova — Chief Specialist

7 Derbenevskaya emb., build. 10, Moscow, 115114

RSCI AuthorID: 969058, Scopus: 57208482859

anastasiya.a.romanova@yandex.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian FederationАкционерное общество «Институт «Оргэнергострой» (АО ОЭС)РоссияJoint Stock Company “Institute “Orgenergostroy” (JSC IOES)Russian Federation202426122024191219511962Copyright © Волгина Л.В., Сергеев С.А., Романова А.А., 20242024Волгина Л.В., Сергеев С.А., Романова А.А.Volgina L.V., Sergeev S.A., Romanova A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/449Введение

Введение. Рассматриваются особенности проектирования системы гидротранспорта, являющейся частью технологической цепочки переработки руды. Проведен критический анализ текущих характеристик пульпопровода хвостового хозяйства горно-обогатительного комплекса «Рябиновый» (ГОК «Рябиновый), расположенного около г. Алдана. При гидравлических расчетах двухфазных потоков исходными данными были химический состав транспортируемой пустой породы, характеристики производительности обогатительной фабрики, геодезические данные места складирования твердых частиц.

Материалы и методы

Материалы и методы. На основе теории двухфазных потоков авторами приведены расчеты характеристик твердых частиц, потока и потерь энергии, необходимых при проектировании пульпопроводов. Инженерными задачами расчета двухфазных потоков являются расчеты потерь напора при гидротранспорте различных материалов по трубам, определение предельных скоростей, при которых транспортируемый материал еще не осаждается на дно потока, и выбор оборудования для осуществления гидравлического транспорта. Приведена зависимость удельных потерь энергии двухфазных потоков, при средних скоростях, рекомендуемых нормативными документами на основе экспериментальных данных, полученных на кафедре гидравлики МГСУ. Транспортировка твердых частиц возможна, если поток обладает для этого достаточной энергией и на дне трубопровода не образуется осадок. Средняя скорость, соответствующая режиму транспортирования без осадка, является критической скоростью двухфазного потока.

Результаты

Результаты. Сформулированные рекомендации о выборе эффективного режима гидротранспорта основаны на принципе минимизации потерь энергии. Выявлен дефицит энергии потока в рассматриваемом пульпопроводе и показана необходимость использования критерия о необходимости превышения средней скорости над критической скоростью двухфазного потока.

Выводы

Выводы. Обоснована необходимость использования коэффициента запаса скорости для достижения эффективного режима транспортирования. Особое внимание уделено расчету потерь напора при критической скорости транспортирования, что является основой для выбора насосного оборудования.

Introduction

Introduction. Peculiarities of design of the hydrotransport system, which is part of the technological chain of ore processing are considered. A critical analysis of the characteristics of the slurry pipeline of the tailing facility of the mining and processing complex “Ryabinovy” (MPC “Ryabinovy”), located near the city of Aldan, was carried out.

Materials and methods

Materials and methods. In the hydraulic calculations of two-phase flows, the initial data were the chemical composition of the tailings, the basic features of the processing plant, and the geodetic data of the place of tailing storage. Based on the theory of two-phase flows, the authors provide calculations of the characteristics of solid particles, flow and energy losses necessary for the design of slurry pipelines. The engineering tasks of calculating two-phase flows are the calculation of head losses during the hydrotransportation of various materials through slurry pipes, the determination of the maximum velocity at which the transported material is not yet deposited to the bottom of the flow and the choice of equipment for hydraulic transport. The dependence of specific energy losses of two-phase flows, at average velocity, below those recommended by regulations on the basis of experimental data obtained at the Department of “Hydraulics and Hydrotechnical Engineering”, NRU MGSU, is given. Solid particles transport is possible if the flow has sufficient energy for this without sediment formation at the bottom of the pipeline. The average speed corresponding to the sediment-free transport mode is the critical velocity of the two-phase flow.

Results

Results. The recommendation on the choice of an effective mode of hydrotransport is based on the principle of minimizing energy losses. The deficit of flow energy in the slurry pipeline is revealed and the necessity to use the criterion on the need to exceed the average velocity over the critical velocity of the two-phase flow is shown.

Conclusions

Conclusions. The necessity of using the speed reserve coefficient to achieve an effective mode of transportation was formulated. Particular attention is paid to the calculation of head losses at a critical transport speed, which is the basis for the choice of pumping equipment.

гидротранспортдвухфазные потокипульпопроводпотери напоракритическая скоростьрежим гидротранспортированиянасосное оборудованиеhydrotransporttwo-phase flowsslurry pipelinepressure lossescritical velocityhydration modepumpin equipmentReferencesАлешков М.В., Волгина Л.В. Кинематические характеристики двухфазных потоков при гидроабразивной резке // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. Вып. 12. С. 1610–1618. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.12.1610-1618. EDN MDNYHT.Aleshkov M.V., Volgina L.V. Kinematic characteristics of two-phase flows during waterjet cutting. Bulletin of MGSU. 2019; 14(12):1610-1618. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.12.1610-1618. EDN MDNYHT. (rus.).Аникина С.А. Утилизация и переработка резервуарных и амбарных нефтешламов // Экологические чтения-2014. 2014. С. 102–105. EDN TMFQED.Anikina S.A. Utilization and processing of tank and barn oil sludge. Environmental readings-2014. 2014; 102-105. EDN TMFQED. (rus.).Ржевский В.В. Открытые горные работы: Технология и комплексная механизация : учебник. М. : Книжный дом «ЛИБРО-КОМ», 2013. 552 с.Rzhevskij V.V. Open-pit mining: Technology and complex mechanization : textbook. Мoscow, LIBRO-COM Book House, 2013; 552. (rus.).Федотов А.И., Шамсутдинов Э.В. Алгоритм расчета систем гидротранспорта водоугольной суспензии на объектах промышленной теплоэнергетики // Современные проблемы науки и образования 2013. № 1. С. 181–188. EDN PWAZHP.Fedotov A.I., Shamsutdinov E.V. Algorithm of calculation and design of coal water slurry hydrotransport. Modern problems of science and education. 2013; 1:181-188. EDN PWAZHP. (rus.).Liu Y., Lv X., Zhou S., Pengfei Yu, Yun L., Bohui Sh. et al. Rheological study of low wax content hydrate slurries considering phase interactions // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2021. Vol. 94. Pр. 104–106. DOI: 10.1016/j.jngse.2021.104-106Liu Y., Lv X., Zhou S., Pengfei Yu, Yun L., Bohui Sh. et al. Rheological study of low wax content hydrate slurries considering phase interactions. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2021; 94:104-106. DOI: 10.1016/j.jngse.2021.104-106Chen Y.C., Shi B.H., Fu Sh., Li Q., Yao H., Liu Ya. et al. Kinetic and rheological investigation of cyclopentane hydrate formation in waxy water-in-oil emulsions // Fuel. 2021. Р. 119568. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119568Chen Y.C., Shi B.H., Fu Sh., Li Q., Yao H., Liu Ya. et al. Kinetic and rheological investigation of cyclopentane hydrate formation in waxy water-in-oil emulsions. Fuel. 2021; 119568. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119568Ran F., Xu Ch., Chen Yu., Cong R, Fang G. Numerical flow characteristics of microencapsulated phase change slurry flowing in a helically coiled tube for thermal energy storage // Energy. 2021. Vol. 223. Pр. 120–128. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120128Ran F., Xu Ch., Chen Yu., Cong R, Fang G. Numerical flow characteristics of microencapsulated phase change slurry flowing in a helically coiled tube for thermal energy storage. Energy. 2021; 223:120128. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120128Liu Z., Li Ya., Wang J., Zhang M., Liu W., Lang Chen et al. Rheological investigation of hydrate slurry with marine sediments for hydrate exploitation // Energy. 2022. Vol. 259. P. 124958. DOI: 10.1016/j.energy.2022.124958Liu Z., Li Ya., Wang J., Zhang M., Liu W., Lang Chen et al et al. Rheological investigation of hydrate slurry with marine sediments for hydrate exploitation. Energy. 2022; 259:124958. DOI: 10.1016/j.energy.2022.124958Ахмеров А.В., Осипов А.Л., Долгова А.Н., Файзуллина Г.Р. Энергосберегающая технология обезвоживания отработанного вторичного активного ила для последующего использования в качестве топливного вторичного энергетического ресурса // Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы 2018 : мат. IХ Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. 2018. С. 230–234. EDN RCKLSF.Ahmerov A.V., Osipov A.L., Dolgova A.N., Fajzullina G.R. Energy-saving technology for dewatering spent secondary activated sludge for subsequent use as a fuel secondary energy resource. Innovative engineering technologies, equipment and materials 2018 : proceedings of the IX International Scientific and Technical Conference. 2018; 1:230-234. EDN RCKLSF. (rus.).Беляков В.А., Купорова А.В. Добыча торфа в северной Якутии и экология // Актуальные проблемы машиноведения, безопасности и экологии в природопользовании : mат. IV Междунар. науч.-практ. конф. : в 2 ч. Ч. 1. 2018. С. 305–310. EDN UWWBTA.Belyakov V.A., Kuporova A.V. Peat extraction in Northern Yakutia and ecology. Current issues of mechanical engineering, safety and ecology in nature management : materials of the IV-th International Scientific and Practical Conference : in 2 parts. Part 1. 2018; 305-310. EDN UWWBTA. (rus.).Волгина Л.В. Экспериментальное исследование вязкости двухфазного потока // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании : сб. мат. Междунар. науч. конф. ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» 2017. 2017. С. 879–883. EDN XSNIMP.Volgina L.V. Experimental study of the viscosity of a two-phase flow. Integration, partnership and innovation in construction science and education : collection of materials of the international scientific conference. Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “National Research Moscow State University of Civil Engineering” 2017. 2017; 879-883. EDN XSNIMP. (rus.).Тарасов В.К., Гусак Л.Н., Волгина Л.В. Движение двухфазных сред и гидротранспорт : уч.-метод. пос. М., 2011.Tarasov V.K., Gusak L.N., Volgina L.V. Movement of two-phase media and hydraulic transport : an educational and methodical manual. Мoscow, 2011. (rus.).Волгина Л.В., Гусев И.А. О гидравлическом сопротивлении при гидроабразивной резке // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 3. С. 399–408. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.3.399-408. EDN OLJXFW.Volgina L.V., Gusev I.A. Hydraulic resistance during waterjet cutting. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(3):399-408. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.3.399-408. EDN OLJXFW. (rus.).Горбатов Ю.П., Мосейкин В.В., Хачатрян В.Д. О работе гидротранспорта в режиме частичного заиления труб // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № S4. C 376–381. EDN NENOHX.Gorbatov Yu.P., Mosejkin V.V., Hachatryan V.D. On the operation of hydraulic transport in the mode of partial silting of pipes. Mountain information and analytical bulletin. 2006; S4:376-381. EDN NENOHX. (rus.).Krishna R., Kumar K.N., Gupta K. CFD investigation of pressure drop reduction in hydrotransport of multisized zinc tailings slurry through horizontal pipes // International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Vol. 48. No. 43. Pр. 16435–16444. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.01.116Krishna R., Kumar N., Gupta P.K. CFD investigation of pressure drop reduction in hydrotransport of multisized zinc tailings slurry through horizontal pipes. International Journal of Hydrogen Energy. 2023; 48(43):16435-16444. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.01.116Абрамец В.С. Добыча песка и песчано-гравийной смеси в Приамурье средствами гидромеханизации // Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений : VIII Междунар. науч.-техн. конф. «Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений». Екатеринбург, 4–5 апреля 2019 г. 2019. С. 109–112. EDN IUBMVK.Abramec V.S. Extraction of sand and sand-gravel mixture in the Amur region by means of hydromechanization. Innovative geotechnologies in the development of ore and non-metallic deposits : VIII international scientific and technical conference “Innovative geotechnologies in the development of ore and non-metallic deposits”. Ekaterinburg, April 4-5, 2019. 2019; 109-112. (rus.). EDN IUBMVK.Cai L., Mi Sh., Luo Ch., Liu Zh. Numerical investigation of hydraulic and heat transfer characteristics of two-phase ice slurry in helically coiled tubes // Energy and Buildings. 2022. Vol. 256. P. 111773. DOI: 10.1016/j.enbuild.2021.111773Cai L., Mi Sh., Luo Ch., Liu Zh. Numerical investigation of hydraulic and heat transfer characteristics of two-phase ice slurry in helically coiled tubes. Energy and Buildings. 2022; 256:111773. DOI: 10.1016/j.enbuild.2021.111773Chami N., Salehy Ya., Burgner D., Delahaye A., Dalmazzone D., Pascal C. et al. Rheological study of mixed cyclopentane + CO2 hydrate slurry in a dynamic loop for refrigeration systems // Energy. 2023. Vol. 263. P. 125661. DOI: 10.1016/j.energy.2022.125661Chami N., Salehy Ya., Burgner D., Delahaye A., Dalmazzone D., Pascal C. et al. Rheological study of mixed cyclopentane + CO2 hydrate slurry in a dynamic loop for refrigeration systems. Energy. 2023; 263:125661. DOI: 10.1016/j.energy.2022.125661Li B., Zhang T.T., Wan Q.C. Wei W., Chen L-L, Feng J-Ch. et al. Kinetic study of methane hydrate development involving the role of self-preservation effect in frozen sandy sediments // Applied Energy. 2021. Vol. 300. P. 117398. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117398Li B., Zhang T.T., Wan Q.C. Wei W., Chen L-L., Feng J-Ch. et al. Kinetic study of methane hydrate development involving the role of self-preservation effect in frozen sandy sediments. Applied Energy. 2021; 300:117398. DOI: 10.1016 / j.apenergy. 2021. 117398Chami N., Bendjenni S., Clain P., Fournaison L., Delahaye A., Osswald V. et al. Thermodynamic characterization of mixed gas hydrates in the presence of cyclopentane as guest molecule for an application in secondary refrigeration // Chemical Engineering Science. 2021. Vol. 244. P. 116790. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116790Chami N., Bendjenni S., Clain P., Fournaison L., Delahaye A., Osswald V. et al. Thermodynamic characterization of mixed gas hydrates in the presence of cyclopentane as guest molecule for an application in secondary refrigeration. Chemical Engineering Science. 2021; 244:116790. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116790Волгина Л.В., Медзвелия М.Л., Чемерис О.Г. Влияние мелкодисперсных включений на расчет критической скорости двухфазного потока // Вестник МГСУ. 2014. № 11. С. 145–153. EDN SZCFEP.Volgina L.V., Medzveliya M.L., Chemeris O.G. The influence of fine inclusions on the calculation of the critical velocity of a two-phase flow. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2014; 1:145-153. EDN SZCFEP. (rus.).Леонов А.М., Михеев В.А., Москаленко Т.В., Данилов О.С. Гидравлический расчет трубопровода от станции Угольная до Нерюнгринской ГРЭС // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. № S10. С. 404–408. EDN LRGVBD.Leonov A.M., Miheev V.A., Moskalenko T.V., Danilov O.S. Hydraulic calculation of the pipeline from Ugolnaya station to Neryungrinskaya GRES. Mining information and analytical bulletin. 2009; S10:404-408. EDN LRGVBD. (rus.).Jaworska-Jóźwiak, Dziubiński M. Effect of deflocculant addition on energy savings in hydrotransport in the lime production process // Energies. 2022. Vol. 15. No. 11. P. 3869. DOI: 10.3390/en15113869Jaworska-Jóźwiak B., Dziubiński M. Effect of Deflocculant Addition on Energy Savings in Hydrotransport in the Lime Production Process. Energies. 2022; 15(11):3869. DOI: 10.3390/en15113869Ибад-Заде Ю.А., Гурбанов С.Г., Азизов С.Г., Алескеров В.Г. Гидравлика разноплотностного потока. М. : Стройиздат, 1982. 294 с.Ibad-Zade Yu.A., Gurbanov S.G., Azizov S.G., Aleskerov V.G. Hydraulics of multi-density flow. Мoscow, Stroyizdat, 1982; 294. (rus.).Юфин А.П. Напорный гидротранспорт. М. : Энергоиздат, 1950.Yufin A.P. Pressure hydraulic transport. Мoscow, Energoizdat, 1950. (rus.).Volgina L.V., Romanova A.A. Resistance coefficient of nonspherical solid particles in turbulent flow // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании : сб. мат. VI Междунар. науч. конф. 2018. С. 178–183. EDN YQGTVZ.Volgina L.V., Romanova A.A. Resistance coefficient of nonspherical solid particles in turbulent flow. Integration, partnership and innovation in construction science and education : proceedings of the VI International Scientific Conference. 2018; 178-183. EDN YQGTVZ.Волгина Л.В., Сергеев С.А., Романова А.А. О кинематических характеристиках селевых потоков // Гидротехническое строительство. 2018. № 10. С. 59–63. EDN YNAWUX.Volgina L.V., Sergeev S.A., Romanova A.A. On kinematic characteristics of mudflows. Hydraulic engineering construction. 2018; 10:59-63. EDN YNAWUX. (rus.).Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Гроссу А.Н. Технология гидродобычи железной руды на месторождениях Курской магнитной аномалии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № 3. С. 50–54. EDN TJYFTX.Tret’yak A. Yа., Litkevich Yu.F., Grossu A.N. Technology of hydraulic extraction of iron ore at the deposits of the Kursk magnetic anomaly. Mining information and Analytical bulletin (scientific and technical journal). 2015; 3:50-54. EDN TJYFTX. (rus.).Усова А.А. Порядок отработки мокрых песков открытым способом // Мат. IV Всеросс. науч.-практ. конф. 2019. C. 71–78. EDN ILQVOT.Usova A.A. The procedure for processing wet sands in an open way. Materials of the IV All-Russian Scientific and Practical Conference. 2019; 71-78. EDN ILQVOT. (rus.).Чебан А.Ю. Техническое оснащение предприятий по добыче нерудных строительных материалов в Хабаровском крае // Механизация строительства. 2017. С. 23–26. EDN ZRRQLD.Cheban A.Yu. Technical equipment of enterprises for the extraction of non-metallic building materials in the Khabarovsk Territory. Mechanization of construction. 2017; 23-26. EDN ZRRQLD. (rus.).Araya N., Ramírez Ye., Cisternas L.A., Kraslawski A. Use of real options to enhance water-energy nexus in mine tailings management // Applied Energy. 2021. Vol. 303. P. 117626. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117626Araya N., Ramírez Ye., Cisternas L.A., Kraslawski A. Use of real options to enhance water-energy nexus in mine tailings management. Applied Energy. 2021; 303:117626. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117626Araya N., Ramírez Y., Kraslawski A., Cisternas L.A. Feasibility of re-processing mine tailings to obtain critical raw materials using real options analysis // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 284. P. 112060. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112060Araya N., Ramírez Y., Kraslawski A., Cisternas L.A. Feasibility of re-processing mine tailings to obtain critical raw materials using real options analysis. Journal of Environmental Management. 2021; 284:112060. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112060Babaev A., Teshabaeva E., Obidjonov A., Chorshanbiev U. Study of the hydraulic parameters of the flow of solid particles in the process of hydrotransport // E3S Web of Conferences. Tashkent : EcoSciences, 2023. Vol. 401. Pр. 30–34. DOI: 10.1051/e3sconf/202340103034Babaev A., Teshabaeva E., Obidjonov A., Chorshanbiev U. Study of the hydraulic parameters of the flow of solid particles in the process of hydrotransport. E3S Web of Conferences, Tashkent, 2023. Tashkent, EcoSciences, 2023; 401:30-34. DOI: 10.1051/e3sconf/20234010-3034Pankov A., Pankova O. Modeling the concentration profile of the solid phase during hydrotransport of ore in pipes // E3s web of conferences : X International Conference on Advanced Agritechnologies, Environmental Engineering and Sustainable Development (AGRITECH-X 2024), Termez, Uzbekistan, 29–30 апреля 2024 года. Vol. 548. Les Ulis : EDP Sciences, 2024. P. 08009. DOI: 10.1051/e3sconf/202454808009Pankov A., Pankova O. Modeling the concentration profile of the solid phase during hydrotransport of ore in pipes. E3s web of conferences : X International Conference on Advanced Agritechnologies, Environmental Engineering and Sustainable Development (AGRITECH-X 2024), Termez, Uzbekistan, 29–30 aprelia 2024. Vol. 548. Les Ulis, EDP Sciences, 2024; 08009. DOI: 10.1051/e3sconf/202454808009

The authors declare that there are no conflicts of interest present.