Энергосбережение при транспортировке вязких растворов поверхностно–активных веществ к трубным мельницам Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.926.5

А. Н. Иванов, д-р техн. наук, проф.

Харьковский государственный университет строительства и архитектуры, г. Харьков

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ВЯЗКИХ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ К ТРУБНЫМ МЕЛЬНИЦАМ

Разработаны энергосберегающая схема установки для транспортирования вязких растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) к трубным цементным мельницам и пневмофорсунка для подачи ПАВ на заданные участки трубной мельницы. Предложена методика и определены значения транспортных характеристик вязких неньютоновских жидкостей.

Розроблет енергозбер1гаюча схема установки для транспортування в'язких розчитв поверхнево-активних речовин (ПАР) до трубних цементних млитвл пневмофорсунка для подач1 ПАР на задан дшянки трубного млина. Запропонована методика й визначеш значення транспортних характеристик вязких неньютотвськихр1дин.

Введение

В настоящее время применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) при измельчении материалов в трубных мельницах общеизвестно и общепризнано, несмотря на то, что эффективность применения ПАВ зависит от многих ещё малоизученных факторов. Исследованиями автора доказано, что до недавнего времени широко распространенный способ ввода ПАВ на тарельчатый питатель малоэффективный: пока добавка равномерно распределится по поверхности всего материала, он успевает пройти камеру тонкого измельчения. При таком способе ввода ПАВ их функция сводится, в основном, к устранению налипания измельчаемого материала. Однако, эффективность применения ПАВ гораздо шире (снижение прочности частиц, регулирование структуры потока и т. д.) и во многом зависит от способа и места ввода их в мельницу. [1, 2] Ранее с этой точки зрения ПАВ не изучали.

Основная часть

При вводе ПАВ в первую камеру в тонкораспыленном состоянии их действие значительно эффективнее, так как с самого начала процесса измельчения они соприкасаются со вновь обнаженными поверхностями размалываемого материала, адсорбируются на их поверхностях и действуют еще и как понизители твердости. Кроме того, ввиду небольших количеств ПАВ и зависимости прочности частиц клинкера от их крупности ПАВ надо подавать на те участки первой камеры мельницы, где, согласно диаграмме помола, находится наибольшее количество трудноразмалываемой фракции измельчаемого материала ( 0,5-1 мм) [1, 2].

Оптимальные условия ввода ПАВ в мельницу в распыленном виде создаются в том случае, если они растворены в воде. Водный раствор ПАВ легко распыливается с помощью специальных устройств и, кроме того, минералы многих материалов обладают высокой гидрофильностью (например цементного клинкера) и сильно адсорбируют на вновь образованных поверхностях воду.

Для ввода ПАВ внутрь мельницы имеется несколько типовых установок, разработанных различными проектными и научно-исследовательскими организациями.

На рис. 1 представлена распространённая на цемзаводах схема, включающая подогрев паром и разбавление ПАВ водой. Она состоит из расходных бачков воды 1 и ПАВ 2, наполнение бачков регулируется сигнализаторами уровня 9 и 10. Сигнализатор уровня ПАВ сблокирован с насосом-дозатором 8., привод которого соединен с тарельчатым питателем мельницы. Вода подается самотеком через электромагнитный клапан 3, расход ее контролируется счетчиком 4. В мельницу 5 водный раствор подается форсункой в

распыленном виде. Для предотвращения загустевания предусмотрен подогрев ПАВ в расходном баке (до 600 С) и обогрев трубопроводов (паровая рубашка).

Рис.1. Старая схема установки для подачи и распыла воды и ПАВ

Воздух в форсунку поступает от вентилятора 7. Конфигурация форсунки обусловливает создание факела с углом раскрытия 180. Для предотвращения попадания ПАВ на межкамерную перегородку форсунка наклонена вниз под углом 150. Форсунка работает при скорости в горловине 80 м/с и плотности орошения 0,8 л/м3.

В качестве ПАВ широкое распространение получили отходы целлюлозно -бумажной промышленности - лигносульфонаты технические модифицированные (ЛСТМ), имеющие высокую вязкость [3]. На цементные заводы ЛСТМ поступает в виде 50 % водного раствора в железнодорожных цистернах. После их разгрузки ЛСТМ хранится в специально оборудованных ямах, откуда насосом периодически подается в бак возле мельницы цеха «Помол», где водой растворяется до 10-15 % концентрации и затем из него насосом-дозатором подается в пневмофорсунку для распыла ЛСТМ в мельницу.

Такая схема подачи вязких ПАВ к мельницам имеет ряд недостатков:

1. Так как вязкость 50 % водного раствора ЛСТМ большая (230 сП при 20 °С и 1000 сП при 0 °С), то перекачка его насосом от места разгрузки до цеха "Помол" даже в летнее время требует значительного расхода электроэнергии на обогрев довольно длинной трассы. .

2. Зимой вязкость резко возрастает и для транспортировки ЛСТМ необходимо обогревать транспортирующую трубу до 60 °С, с целью снижения вязкости ЛСТМ и возможности его транспортировки к цеху.

3. Наличие дорогостоящих насосов-дозаторов (обычно это плунжерные насосы высокого давления, они ненадёжны в работе и быстро забиваются)

4. Ввод ЛСТМ в мельницу осуществляется по трубе, соосной с корпусом мельницы. Из-за этого капли ЛСТМ ударяются в начале мельницы в контур мелющей загрузки, а не подаются, как доказано автором. на требуемые участки по длине мельницы.

С целью устранения указанных недостатков автор предлагает следующее:

1. Разбавлять ЛСТМ с 50 % до 10-15 % водной концентрации не в цехе «Помол», а сразу возле места разгрузки цистерн. Для этого использовать струйный эжектор (рис. 2).В качестве рабочего агента по трубе 1 подают воду. В этом случае одновременно решается две задачи: разбавление ЛСТМ до нужной концентрации и транспортировка его из ямы. С

целью стабилизации работы эжектора 2 на трубе 1, подающей воду, устанавливается редуктор, а сам эжектор размещают на поплавке 3, чтобы избежать влияния уменьшающегося уровня ЛСТМ на стабильность работы эжектора. Под действием разряжения по всасывающему патрубку 4 водный 50 % раствор ЛСТМ из емкости 5 засасывается в эжектор и подается в магистраль транспортировки уже разбавленного до 12,5 % водного раствора ЛСТМ. Контроль концентрации ЛСТМ ведут по плотности эмульсии.

Рис. 2. Схема установки эжектора

Благодаря этому снизятся расходы на транспортировку ЛСТМ, так как согласно проведенным автором исследованиям вязкость и коэффициент гидравлического сопротивления 50 % раствора в 100 раз превышают эти показатели для 10-15 % раствора, подаваемого в мельницу.

2. Вместо насосов - дозаторов использовать напорные баки с подачей самотеком ПАВ к пневмофорсунке. Так как расход ЛСТМ небольшой (2,5 л/мин. для мельниц 3,2x15 ми

4 л/мин. для мельниц 4x13,5 м), то напорные баки над мельницами можно наполнять периодически. С целью исключения влияния уменьшающегося уровня раствора на его расход можно использовать трубку Мариотта.

3. Трубу, подающую ПАВ к пневмофорсунке, располагать не коаксионально с корпусом мельницы, а сместить в сторону так, чтобы распыл капель ПАВ осуществлялся в свободное от контура мелющей загрузки пространство.

На основе вышеприведенного, учитывая малые расходы ПАВ, автор предлагает без использования насос-дозаторов следующую схему при периодической работе насоса (рис. 3). Над каждой мельницей устанавливают свой расходный бак с ПАВ и пневмофорсунку продувают сжатым воздухом до и после подачи ПАВ, с целью ликвидации «зарастания» ее измельчаемым материалом (особенно в цементных мельницах). Схема работает следующим образом. Из емкости 1 эмульсия 10-15 % ЛСТМ центробежным насосом 2 подается в герметичные расходные баки с трубкой Мариотта 3 и через нижние краны 4 самотеком поступает в пневмофорсунки для распыла на требуемые участки внутри мельницы. Для контроля верхнего и нижнего уровней эмульсии в баках установлены сигнализаторы уровня СУ. исключающего влияние опускающегося уровня периодически наполняемой емкости 1 на стабильную работу центробежного насоса 2. В расходных баках над мельницами это условие обеспечивает трубка Мариотта 3 [4] и поэтому расход эмульсии самотеком из бака зависит от величины зазора между торцом трубки 3 и днищем бака, которая постоянна. В этой связи сигнализаторы нижнего уровня СУЗ должны быть расположены выше этого зазора. При остановке какой либо из мельниц, перекрывается соответствующий верхний кран 4. С целью предохранения от загрязнений на всасывающей трубе центробежного

насоса 2 установлен фильтр 5.

✓--

тг М

СУ4

СУ3

лстм

10-15%

4

5

-П- М

т

•3

-СУ4

■СУ3

-П- М

♦

3

СУ4

•СУ3

4

г-

Самотеком в

мельницу

4

Рис. 3. Новая схема иодачи ПАВ при периодической работе насоса

В зависимости от крупности поступающего в мельницу материала возникает необходимость регулировки подачи ПАВ на разные участки по длине корпуса мельницы. На рис. 4 представлено устройство (продольный разрез). для регулирования дальности и дисперсности распыла интенсификаторов помола в трубные мельницы,

Устройство содержит корпус 1, внутри которого расположены форсунка 2 для подачи ПАВ и канал 3 для подачи распылителя (сжатого воздуха), раздваивающийся на конце на наклонный 4 и коленообразный 5 участки. Наклонный участок 4 выполнен с регулированными углами наклона к оси канала, равным 15-35 0, и соединён посредством эластичной муфты 6 с соплом 7, шарнирно-соединенным с торцом форсунки 2 и подвешенным к последней пружиной 8. Сопло 7 связано тягой 9, например гибким шнуром, с системой регулирования угла наклона сопла, например, состоящей из втулки 10, кольца 11, регулировочного колеса 12. Коленообразный участок 5 снабжен поршнем 13, на котором установлена рамка 14 с заслонкой 15. Устройство для регулирования дисперсности и дальности распыла интенсификатора (ИП) устанавливают в свободном от измельчаемого материала пространстве загрузочного шнека, т.е. с учетом направления вращения мельницы.

Устройство для регулирования дальности и дисперсности распыла интенсификаторов помола в трубные мельницы работает следующим образом.

Воздух под давлением 1,8-2,8 атм по каналу 3 подается в корпус 1 и далее по наклонному участку 4 поступает в сопло 7, на выходе из которого подхватывает вытекающую из форсунки 2 струю ИП, распыляя его в виде капель на участок внутренней поверхности трубной мельницы, где преобладают трудно размалываемые фракции. Регулирование дальности распыла достигается изменением угла наклона сопла 7 в результате перемещения тяги 9 в направляющих втулки 10 и кольца II путем вращения регулировочного колеса 12, выведенного из мельницы. Возможность перемещения обеспечивается эластичной муфтой 6 и пружиной 8.

Помимо регулировки дальности распыла изменением угла при подборе соответствующего давления воздуха возможно управлять процессом формирования размеров капель ИП. При прекращении подачи ИП и сжатого воздуха давление в коленообразном

участке 5 падает, заслонка 15 поршнем 13 по рамке 14 опускается и закрывает форсунку 2 и сопло 7 от запыленной среды.

Как известно, для расчета трубопровода надо знать расход жидкости V, диаметр трубопровода d и напор Н. Расчет этих величин требует подстановки значений коэффициента гидравлического сопротивления X, зависящего от критерия Re, который в свою очередь зависит от заранее неизвестной скорости потока W. Поэтому расчет носит поисковый вариант: задаваясь ожидаемым режимом течения жидкости (ламинарный, турбулентный) выбирают соответствующую формулу X = ДДе) и после ее подстановки в расчетное уравнение (V, d, Н) находят одну из искомых величин при неизвестных двух остальных. Затем принятый режим проверяют (по области значений Re) и в случае его несоответствия, полученный расчет проверяется.

Для неньютоновских жидкостей, какими являются вязкие ПАВ, вопрос еще осложняется необходимостью определения коэффициента О, характеризующего степень отклонения неньютоновской жидкости от ньютоновской, и под вязкостью понимают кажущуюся вязкость.

С целью устранения этого недостатка, автор разработал методику для расчета транспортировки вязких ПАВ, применяемых в качестве интенсификаторов помола.

Так как расходы интенсификатора помола из технологических ограничений невелики, то движение его в трубах будет ламинарным. Известно, что в этом случае расход V неньютоновской жидкости равен [4]:

V 71а

3а + 1

' Р - Р Л

1 2

2^-1

а

3а + 1 (1)

где Р1-Р2- перепад давления жидкости при движении в горизонтальной трубе длиной I и радиусом R;

ц - динамическая вязкость жидкости.

Итак, зная величину а, можно определить среднюю скорость жидкости W, число Re и коэффициент гидравлического сопротивления X, т. е. практически все необходимые данные для расчета трубопровода транспортировки - его диаметра и требуемого напора (нужного для выбора насоса).

Для определения а необходимо знать все остальные величины, входящие в это уравнение. С этой целью был разработан и создан специальный стенд и методика исследований.

Для исследования вязкости ЛСТМ и её основных показателей как неньютоновской жидкости был создан специальный стенд. Стенд состоит из герметичной емкости с трубкой Мариотта , позволяющей поддерживать любой заданный режим вытекания жидкости при периодическом заполнении емкости исследуемой жидкостью, т.е. при опускании ее уровня в емкости. Внизу емкости имеется выходное отверстие, к которому подключается имитируемый участок трубопровода , радиусом R. На нем на расстоянии 1м имеются отводные штуцера, к которым подводятся пьезометрические трубки или трубки дифференциального манометра с целью измерения перепада давлений Р1-Р2 (т. е. потерь напора) на участке I, равном 1м. Объемный расход исследуемой жидкости V определяется по скорости изменения уровня между метками, нанесенными на стеклянной емкости 1. Величину V , а следовательно и характер движения жидкости в трубопроводе (т.е. число Re), перепад давлений Р1-Р2 можно изменять за счет уровня трубки Мариотта , а также за счет высоты Н расположения самой емкости.

Для определения показателя а, характеризующего транспортирующую способность исследуемой жидкости, надо знать также вязкости ее ц. Величина ц определяется по стандартной методике пропорционально времени опускания жидкости между метками капилляра, а затем аналитически рассчитывается через относительные водные показатели.

Исследована вязкость ЛСТМ -1 и влияние на неё различных факторов. Вязкость при 20 °С ЛСТМ 50 % водной концентрации, поступающего на цемзаводы в ж/д цистернах, составляет более 230 сП, а вязкость с 12,5 % водного раствора ЛСТМ, подаваемого в трубные мельницы, равна 2 сП.

Определив из уравнения (1), при полученных из опыта V и Р1-Р2 , величину а, находим среднюю скорость W потока как [4]

а

ж=-

а

г Р _Р ^ Р1 Р2

1

за+1

за+1

R

а

(2)

и коэффициент гидравлического сопротивления X [4]

(3)

8 ц

а

2 (3 а +1)

а

W

2 - а

(2 R Я

Р

где р- плотность жидкости.

При ламинарном течении ньютоновской жидкости в прямой трубе Х=64/Ке [ 4], поэтому с целью придания аналогичной формы для ламинарного режима неньютоновской жидкости введем модифицированный критерий Reм. Тогда для ламинарного потока Х=64/Кем, откуда с учетом (3) находим

(4)

Re „ =

м

W

2 - а

( \ а „ ъа+1

2---и,

а )

Требуемый напор Н для обеспечения заданного расхода определяем из уравнения

, (5)

V=жЯ

2

А—+1 2 R

откуда

Н=

2^2 Я4'

( I

2Я

(6)

g

где V и X подставляем из уравнений (5) и (3), т.е. с учетом коэффициента а; п - число местных сопротивлений трубопровода;

- коэффициент местных сопротивлений.

Итак, все необходимые данные для расчета трубопровода транспортировки ПАВ имеются.

Величину X можно определить и другими путями, минуя вычисления коэффициента а. Например, через фактический расход V , замеряемый експериментально, или фактическую скорость Ж

(7)

V 4У

Ж=-=

F

2

где d-диaмeтp трубопровода

h=-1—2

Р'Б

(8)

Так как И= ^ 1..Ж

а

2

[4], то из (8) получаем

2§[ Р1-Р2И

р-1-Ж2

(9)

или через фактический Re

о 64

¿ = R , (10) Re

где Re = W-d-p _ 4-V-d-p _ 4-V-p. (11)

Определены значения транспортных характеристик вязких неньютоновских жидкостей (коэффициент О и коэффициент гидравлического сопротивления À). Во всех случаях коэффициент О больше 1 ив среднем равен 1,18. Изменение вязкости с 12,5 % до 25 % концентрации ЛСТМ-1 мало изменяет величину X. Так X для 12,5% мало отличается от X для воды. Зато для 50 % водного раствора ЛСТМ-1 значения X более чем в 200 раз выше по сравнению с 12,5 % водным раствором ЛСТМ-1 ( 8,72 против 4,1 10-2.). Значения X практически одинаковы для 25 % и 12,5 % ЛСТМ-1. С уменьшением расхода раствора пропорционально увеличивается коэффициент гидравлического сопротивления.

Выводы

Разработаны энергосберегающая схема установки для транспортирования вязких растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) к трубным цементным мельницам .и пневмофорсунка для подачи ПАВ на заданные участки трубной мельницы Предложена методика и определены значения транспортных характеристик вязких неньютоновских жидкостей. Рекомендуется вязкие концентрированные растворы ПАВ сразу после доставки их к местонахождению цемзавода автомобильным или железнодорожным транспортом разбавлять водой до нужной концентрации и одновременно на принципе эжекции подавать далее к трубным мельницам.

Дальнейшие исследования целесообразно направить на поиск новых высокоэффективных дешёвых ПАВ малой вязкости и желательно из отходов различных производств.

Список литературы

1. Иванов А. Н.Энергосберегающая технология и техника помола цемента Сборник докладов на Международном конгрессе, посвящённом 150-летию академика В. Г. Шухова. -Белгород: БГТУ им. В. Г. Шухова.16-18.09.2003.- С.310-312.

2. Иванов А.Н., Чудный А.Ю. Использование отходов производств в качестве интенсификаторов помола11 Международная н/т конференция. «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье». - Белгород: - БГТУД4-16.04.2004.- Вестник БГТУ.2004.- № 8, Часть V1.- С.153-159.

3. Иванов А.Н.Шляхи штенсифшаци процесу подр1бнення.// Вюник НТУ «ХП1». Х1м1я, х1м1чна технология та еколопя.- Харюв: НТУ «ХП1».2006.- Вип. 44. - С.151-157.

4. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1981. - Книга первая. - 384 с.

ENERGESAVING IN TRANSIT VISCOUS SOLUTIONS SURFACE - ACTIVE SUBSTANCES TO THE TUBE MILLS

А. N. IVANOV, Dr. Scie. Teeh., Pf.

Developed the power saving up scheme for the tranrportation of an viscous solutions of surface-active substances to the tube cement mills, pnevmoinjector for feeding; of guoface-active substances on thon specified sections of tube mill. Tje method is proposed and the values of the transport characteristics of viscous ooo-oswtooiao flwids are defined..

noemynujia epedanifujo 24.01 2011 a