CC BY
23
УДК 622.767: 621.65
А. И. Зимин, Л. А. Минухин, В. М. Коблов, И. П. Козловская, Г. А. Суслова, Н. В. Вольхина
ПНЕВМОГИДРОКЛАССИФИКАЦИЯ ПЕСЧАНЫХ СМЕСЕЙ
Внедрение перспективных технологий и образцов техники в различных отраслях промышленности и народного хозяйства представляет существенный резерв повышения эффективности общественного производства, а создание новых и совершенствование существующих технологий является актуальной задачей современности.
Сортировка, классификация и обогащение твердых, влажных, липких или смерзшихся материалов традиционными способами (рассев на грохотах, ситах или буратах) так же, как и пнев-моклассификация, связаны с решением сложных технологических проблем. Эти материалы, представляющие собой агломераты, конгломераты (твердые бытовые отходы), слипшиеся куски, окатыши составлены, как правило, из мелких частиц. Пневмоклассификация в горячих газах (топочных, нагретом воздухе), осуществляющих процесс сушки, требует применения после классификатора-сушилки (или дробилки-сушилки) системы аппаратов по пылегазоочисткс и раздельному сбору рассортированных фракций. При возможности использования в технологическом процессе влажных материалов применяют гидроклассификацию. По эффективности процесса последняя существенно уступает пневмоклассификации из-за необходимости значительных затрат воды и образования загрязненных сточных вод; при работе в замкнутом цикле происходит интенсивное абразивное изнашивание перекачивающих насосов.
В результате обобщения [1, 2] и обширного опыта производственных предприятий авторами сделан вывод о перспективности применения пневмогидрокласснфикации порошковых материалов. Это сулит существенное снижение энергозатрат, расхода воды и возможность исключения из процесса как оборудования, подверженного интенсивному абразивному изнашиванию, так и оборудования пылегазоочиегки.
Соответствующие этому конструктивное оформление процессов обогащения и сортировки порошковых материалов достигается в простом и компактном аппарате без перекачивающих насосов и подвижных или перемещающихся относительно друг друга деталей.
Отсутствие методики расчета процесса классификации трехфазных систем, опыта проектирования и создания аппаратов для их реализации, а также критериев оптимизации параметров и режимов работы аппаратов для трехфазных систем, обусловливают необходимость теоретических исследований, а также экспериментальных и доводочных работ при пусконаладке.
Гидродинамические процессы и режимы взаимодействия фаз в газодинамическом аппарате с зернистым слоем в настоящее время исследованы недостаточно. Теоретические основы исследований включают математическое моделирование двух гидродинамических режимов: фильтрации и псевдоожижения при пузырьковом движении газовой фазы и жидкой для малых расходов газа. В этом режиме газ движется сквозь слой жидкости в виде отдельных пузырей небольшого размера, исключая пенный или струйный режимы. Зернистый материал образует однородный псевдоожи-женный слой; поршне- или каналообразования исключаются.
При математическом описании процесса применен феноменологический ньютоновский подход, основанный на представлении о непрерывности движущегося вещества - гипотезе о сплошности каждой из фаз системы и среды в целом - и привлечении для их изучения понятий и методов механики сплошной среды.
Физическая сущность процесса заключается в инжекции газа в один из сообщающихся сосудов, приводящей к уменьшению плотности наполненной газом жидкости, повышению еб уровня и циркуляции по аппарату. Классификация осуществляется как за счет осаждения материала в движу щейся жидкости, так и за счет разделения его в псевдоожижснном слое.
Гидромеханические процессы осаждения твердых смесей материалов и их классификации в псевдоожижснном слое описываются уравнением
Еи=/(Яс), (1)
где Ей и Яе - критерии Эйлера и Рейнольдса, включающие скорость осаждения V и соответствующую ей скорость псевдоожиженкя. Поэтому уравнение приводят к виду
Яе=/(Аг), (2)
где Аг - критерий Архимеда, в выражении которого не содержится скорость
лг г-^ Др пч
Аг =--=-»
V р
где V ир - соответственно кинематическая вязкость и плотность восходящего газо-жидкостного потока (ожижающего агента); Др= р,- р - разность плотностей твердой фазы р, и ожижающего агента; - размер ожижаемых частиц твердой фазы; g - ускорение свободного падения.
Зависимость (3) экспериментально исследована и может быть представлена обобщенным приближенным уравнением
Аг-е4'75
Яе=-АГ £, (4)
18
+ 0,61 • V Аг • е4,75
где е - степень пористости (порозность) псевдоожиженного слоя.
Из последнего уравнения по известному значению Яе скорость псевдоожижения Г, может быть определена из выражения
Началу процесса псевдоожижения соответствует величина критической скорости при ен~0,4...0,5 и начальной высоте неподвижного слоя твердой смеси Нн, определяемая из преобразованных зависимостей (3) и (4).
Кс™1 --Г-; (6)
*Р1 1400 + 5,22 У!АГ у
Ч» " Л '
Скорость витания (уноса) частиц кипящего слоя соответствует У^ и находится из у равнения (2) при 6 = 1
- =-—г-- <7>
КР1 18 + 0.61 ■ >1 Аг
Высота псевдоожиженного слоя // при известной порозности £ находится из выражения
а величина порозности из зависимости (3)
/ ? Аг
Из приведенных уравнений (1)-(8) следует, что для смеси частиц различной плотности р„ подбором скорости Кф и плотности восходящего газожидкостного потока р с помощью давления газа (воздуха), подаваемого в аппарат, можно достичь выноса вверх частиц любого требуемого размера. При этом более крупные частицы остаются в кипящем слое высотой // или выходят из этого слоя и из аппарата вниз. Однородно взвешенный (кипящий) слой без бурных всплесков и выбросов агрегатов твердых частиц наблюдается при дополнительном условии для значений критерия Фруда [31:
V2
г *РХ ,
Гг = —— < 1 .
¿■Я
(9)
На первом этапе экспериментальных исследований классифицировалась коллоидная речная песчаная смесь, включающая частицы (в мкм): глины (10"'... 1,2», ила (1,2... 1.5). песка (1,5...0,5-102) и даже частицы гравия (>0,9 10 ). Полидисперсный состав определялся множеством случайных факторов.
Экспериментальные исследования выполнены на полупромышленном аппарате для классификации мокрой речной песчаной смеси в водо-воздушном потоке (рисунок) с целью выделения фракций 0.1...0.5 мм для использования при приготовлении строительных бетонных смесей с цементом и песком. Установка с пневмоклассификатором заменила традиционную технологическую схему, включающую сушилку, вибросито и систему пылсочистки, обеспечивавшую сменную потребность производственного участка по песку до 300 кг.
После заполнения водой системы сообщающихся сосудов, состоящей из колонки / и циркуляционной трубы 2 с напорным баком, сжатый воздух подается в аппарат через воздухораспределительную систему 6. Распределение воздуха по колонке / обеспечивается с помощью сопла или металлокерамическон насадки, а необходимая скорость подачи - вентилем с манометром при постоянном давлении, обеспечивающим постоянство расхода. 11одача воздуха обеспечивает перетекание воды из трубы 2 в колонку 1 и заполнение бака-сборника 3 до расположенного в верхней его части переливного желоба, по которому вода возвращается в трубу 2, создавая циркуляцию в аппарате. Мосле заполнения и дополнительной подпитки водой из устройства 7 начинается загрузка через воронку 5 исходной смеси песка, которая подастся в нижнюю часть колонки I на классификацию. Мелкие фракции (0.1 ...0.5мм) выносятся вверх и собираются в сборнике 3. а крупные фракции периодически выгружаются в сборник (не показан) через патрубок 4. Удаление воздуха из водо-песчаной смеси осуществляется через верхнюю часть колонки 1 перед сборником 3 и частично в самом сборнике. Бак-сборник одноЕ-ременно является и отстойником песка, где вода освобождается от фракций более 0,1 мм. Речной песок содержит небольшое количество легких включений с размерами более 0,5 мм с плотностью, меньшей плотности песка (слюда, щепки, водоросли и др.); для их отделения над сборником 3 устанавливалось сито (не показано) с размерами ячеек 0,5 мм. Гакое сиго приходилось освобождать от -200 г примесей с периодичностью 1 раз через час работы (после переработки 50...90 кг песка).
Схема пневмогидроклассмфикатора:
I- колонка с иэмешеиным (кипящим) ело см материала; 2 - циркуляционная груба с напорным баком: 3 - сборник мелких фракций песка с переливным желобом: 4 - патрубок для отвода крупных фракций песка (Х),5мм); 5 - загрузочная воронка. 6 - воздухораспределительное устройство с ве1гтилем и манометром: 7 - устройство для заполнения аппарата водой; 8 - патрубок для опорожнения аппарата
Габариты аппарата: высота - 2,3 м, длина-1,32 м, ширина - 0.95 м. Диаметр колонки 1 - 76 мм, давление сжатого воздуха, подаваемого в аппарат, поддерживалось в пределах 0,14±0,01 МПа, что обеспечивало производительность по циркулирующей воде 1.2 м '/ч. Это единственный параметр, который необходимо поддерживать неизменным при работе. Поскольку в экспериментах подача песчаной смеси через воронку 5 осуществлялось без дозатора (вру чную), то производительность при работе колебалась от 20 до 100 кг/ч по сухому веществу и составляла за время испытаний 75 кг/ч.
Испытания подтвердили возможность и эффективность пнсвмогидроклассификации для производственных целей.
Для обеспечения сменной потребности цеха по песку до 300 кг/ч на основании произведённых расчетов рекомендовано увеличить диаметр колонки до 160 мм и использовать дозатор полачи песчаной смеси с постоянной производительностью и без тятрят ручного трудя Габариты аппарата при этом остаются практически неизменными. Успешные испытания пневмогилроклас-сификатора позволяют рекомендовать к использованию юдобные конструкции аппаратов для отмывки корнеплодов и лекарственных корней от земли и легких примесей с последующей классификацией их по размерам без механического повреждения последних. Для подобных целей аппараты могут быть использованы при «»ереработке твердых бытовых отходов и техногенных образований, при обогащении рудного сырья и в других процессах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Краткий енравочннк конструктора нестандартного оборудования. В 2-х томах В И. Баку-менко, В. Д. Бондарен ко, С. Н. Косоруков и др.; Под ред. В. И. Бакуменко. М.: Машиностроение. 1997. 544 и 524 с.
2. Барский М. Д. Фракционирование порошков. М.: Недра, 1980. 327 с.
3. Романкон И. Г., Курочкина М. И. Гидромеханические процессы химической технологии. Л.: Химия. 1982. 288 с.
