CC BY
37
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
УДК 66.936.43 DOI: 10.17213/0321-2653-2017-4-81-85
РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОКЛАССИФИКАТОРА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
© 2017 г. В.А. Кирсанов, В.М. Бердник, М.В. Кирсанов, Р.В. Коломиец
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
CALCULATION OF TECHNOLOGICAL AND CONSTRUCTION PARAMETERS OF PNEUMO CLASSIFIER BULK MATERIALS
V.A. Kirsanov, V.M. Berdnik, M. V. Kirsanov, R. V. Kolomiets
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Кирсанов Виктор Александрович - д-р. техн. наук, профессор, кафедра «Химические технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Бердник Виталий Михайлович - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Кирсанов Максим Викторович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Информатика, инженерная и компьютерная графика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: kirs99@ mail.ru
Коломиец Роман Вячеславович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И.Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Kirsanov Viktor Alexsandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Berdnik Vitaly Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Kirsanov Maxsim Viktorovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department « Computer Science, Engineering and Computer Graphics» Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: kirs99@ mail.ru
Kolomiets Roman Vyacheslavovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Приведена графическая зависимость величины уноса от расхода исходного материала, полученная в аппаратах с различными контактными элементами. Показана информативность данной зависимости, позволяющая объяснить физическую картину процесса взаимодействия восходящего потока газа с твердой фазой и являющаяся базой для расчета эффективности разделения сыпучих материалов на фракции, площади поперечного сечения аппарата и уточненного значения рабочей скорости газа. Установлено с помощью видеограмм процесса появление пристенных локальных образований с высокой концентрацией частиц, негативно влияющих на чистоту разделения. Доказана практическая ценность математического описания связи уноса с расходом материала.
Ключевые слова: воздушная классификация; полидисперсный материал; гравитационная пневмоклассификация; контактный элемент; распределение скорости газа; структура воздушного потока.
The graphic dependence of ablation from the consumption of the starting material obtained in devices with different contact elements. Shows the informativeness of this dependence, allowing to explain the physical picture of the interaction of the rising gas stream with the solid phase and is the basis for the calculation of the efficiency of separation of bulk materials into fractions, the cross sectional area of the apparatus and the specified values of the working gas velocity. Installed using the videogram of the process of the emergence of near-wall local formations with a high concentration ofparticles that can adversely affect the purity of separation. Proven the practical value of the mathematical description of link entrainment with the flow of the material.
Keywords: air classification; polydisperse material; gravity pneumatic classifier; contact element; distribution of gas velocity; structure of air flow.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
Важной технологической характеристикой процесса пневмоклассификации полидисперсных материалов является нагрузка по твердой фазе. С целью установления диапазона ее изменения и расчета оптимального значения требуется определить зависимость уноса монофракций от расхода материала. Нами эта задача решалась применительно к пустотелому аппарату и аппаратам, снабженных пластинчатыми, ступенчатыми, двух-, трех- и четырехпоточными контактными элементами [1, 2].
Эта зависимость для отдельных аппаратов при различных скоростях газа показана на рис. 1, где по оси ординат отложена величина уноса У, кг/м3, представляющая собой осредненную расходную концентрацию частиц в потоке на выходе из аппарата и равная частному от деления массы унесенного материала на расход воздуха
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
за то же время, а по оси абсцисс - удельный расход материала G^, кг/(м2с), на единицу площади поперечного сечения аппарата за единицу времени.
При анализе полученной зависимости установлена их теоретическая и практическая значимость, заключающаяся в выявлении сложного характера взаимодействия восходящего потока воздуха с твердой фазой, а также в определении с позиции чистоты получаемых продуктов эффективности процесса разделения, площади поперечного сечения аппарата и уточненного значения оптимальной скорости газа.
Представленный вид кривых зависимости Y=/(Gyn) свидетельствует о своеобразном механизме взвешивания и транспортирования частиц воздушным потоком в исследуемых пневмоклас-сификаторах.
Y, кг/м3
4
3 2 1
0
Y,
кг/м3
4 3 2 1 0
Y,5
кг/м3
4
3 2 1 0
Y,
кг/м3
5
4 3 2 1 0
16
24
Gyn. кг/(м -с)
кг/(м-с)
кг/(м-с)
Рис. 1. Влияние расхода монодисперсного материала на величину уноса в аппаратах с пластинчатыми (а), ступенчатыми (б), двухпоточными (в) и трехпоточными (г) контактными элементами: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - скорость газа, равная 2,06; 2,92; 3,27; 3,58; 3,87; 4,14; 5,54 м/с соответственно / Fig. 1. Impact of the expense of monodisperse materials on the amount of entrainment in apparatus with plate (a), step (б), two-stream (в) and three-flow (г) contact elements: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - gas velocity, equal to 2,06; 2,92; 3,27; 3,58; 3,87; 4,14; 5,54 m/s, respectively
0
8
б
6
в
г
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
Так, при незначительных расходах материала (участок a - b) поток, обладая некоторой транспортирующей способностью, взвешивает и переносит определенное количество частиц данной крупности. При превышении концентрации частиц в газе выше допустимого предела они выпадают в нижнюю часть аппарата, и дальнейшее повышение расхода материала способствует все большему увеличению провала (участок b - c). Однако транспортирующая способность газа в значительной степени зависит от структуры двухфазного потока. При создании стесненных условий из-за высокой концентрации частиц в аппарате расстояние между ними резко уменьшается, что приводит к заметному сужению проходного сечения и, как следствие, увеличению локальной скорости движения воздуха. Все это способствует повышению взвешивающей способности потока и росту концентрации частиц в уносе (участок c - d).
Следует отметить, что характер кривых существенно зависит от скорости воздушного потока. При повышении скорости газа увеличивается длина участка a - b, что свидетельствует о возрастании транспортирующей способности восходящего потока. Сокращение длины участка b - c для верхних кривых показывает, что диапазон нагрузок по материалу, соответствующий некоторой стабилизации уноса, уменьшается с повышением скорости потока из-за быстрого нарастания стесненных условий. При высоких скоростях потока участок b - c вырождается.
Влияние скорости восходящего потока воздуха на концентрацию частиц в уносимом из аппарата продукте в зависимости от конструктивных особенностей контактных элементов подробно отражено в работах [3, 4].
При объяснении появления участка b - c на кривых зависимости Y=f(Gyp) и уменьшения его длины при повышении скорости газа было выдвинуто предположение о начале усиленного формирования пристенных зон с повышенной концентрацией частиц, что приводило к созданию стесненных условий и резкому увеличению концентрации твердой фазы в уносимом из аппарата продукте [5].
Для проверки этого предположения проведена видеосъемка процесса профессиональной видеокамерой Panasonic 500M с частотой 25 кадр/с через заднюю сторону модельного аппарата, изготовленную из матового стекла для рассеивания света, через которую производили подсветку специальной осветительной аппарату-
рой мощностью 1500 Вт. С целью покадрового просмотра и создания видеограммы процесса отснятый материал обрабатывался на персональном компьютере с помощью программ Adobe Premiere 6.0, Ulead Medea Studio 6.0 Pro и Video Capturix 2001 (версия 3.90.182). Полученная таким образом видеограмма позволяла проследить за движением совокупности частиц в аппарате через каждые 0,04 с.
На рис. 2 приведена видеограмма процесса, полученная в аппарате с перфорированной пластинчатой полкой, на которой видно периодическое формирование в пристенной области аппарата локальных образований с повышенной концентрацией частиц, нисходящих в режиме «противодюнного» течения.
а б в
Рис. 2. Видеограмма процесса пневмоклассификации в аппарате с перфорированной пластинчатой полкой:материал - бинарная смесь фракций кварцевого песка (аЭм = 0,25 мм, аЭК = 0,5 мм); расход материала - 16,8 кг/(м2-с); скорость воздуха - 3,58 м/с; частота видеосъемки - 25 кадр/с; воспроизведение - покадровое; интервал времени между кадрами - 0,04 с; — ввод исходного
материала; — •>■ движение воздушного потока; —зона повышенной концентрации частиц / Fig. 2. The videogram of the process of pneumatic classification in the apparatus with perforated
shelf: the material - binary mixture of fractions of quartz sand №м=0,25 mm, d:3K=0,5 mm); material consumption -16,8 kg/(m2-s); air speed- 3,58 m/s; frequency video - 25 fps; playback - frame-by-frame; time interval between frames - 0,04 s; - the input of source material; — •>- air flow; —a zone of high particle concentration
Превышение веса накопления частиц над силой сопротивления потока приводит к разрушению локального образования, при этом большая часть твердого материала выносится, чем и объясняется рост концентрации частиц в уносе.
Установлено также, что расход материала, скорость газа и конструктивные особенности контактных элементов отражаются на размерах движущихся накоплений, а также периодичности циклов их образования и распада. Так, наличие перфорации расширяет диапазон рабочих нагрузок по твердой фазе благодаря перераспределению воздушного потока между разгрузочным пространством и отверстиями на поверхности контактных элементов, что исключает образование режима поршневого уноса частиц из
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
аппарата. Данное перераспределение несущей среды способствует уменьшению размеров образующихся пристенных скоплений частиц. Кроме этого, двух-, трех- и четырехпоточные элементы секционируют сепарационное пространство пневмоклассификатора, что способствует равномерному распределению двухфазного потока по объему аппарата, и, в конечном итоге, также препятствует росту масштаба локальных образований.
Из обобщения данных экспериментов, проведенных на различных монофракциях кварцевого песка, получена система уравнений для расчета величины концентрации частиц в уносе из пустотелого аппарата и аппаратов с различными контактными элементами в зависимости от расхода материала и параметра УВ/УГ, характеризующего дисперсность частиц и взвешивающую способность воздушного потока. Система уравнений имеет вид
Y =
при
Aea(VB V )СЫУв V )+с ;
B(VB /Vr ) + C; D(VB / Vr)dGj(VB V)+m
G < gkp ; GKP < G < 20; G > 20,
(1)
где GКР=K(УВ/ УГ)-п - расход материала, соответствующий предельно допустимой концентрации частиц в уносе до наступления стесненных условий, т.е. началу стабилизации уноса; Ув - скорость витания частиц, являющаяся аэродинамической характеристикой материала; УГ - скорость газа. Полученные уравнения справедливы при GУд = 0-32 кг/(м2с), УВ/УГ = 0,4-0,9.
Значения коэффициентов А, В, С, Б, К, а, Ь, с, й, к, т и п в зависимости от наличия и типа контактных элементов приведены в табл. 1.
Используя полученные уравнения для расчета концентрации частиц определенной монофракции в верхнем продукте классификации, можно рассчитать его гранулометрический состав и оценить качество процесса разделения сыпучих материалов в аппаратах с исследованными контактными элементами.
В работе [6] при исследовании пневмоклас-сификатора с тарелкой из клиновидных элементов авторы пришли к заключению, что процесс разделения зернистого материала во взвешенном слое целесообразно проводить при режимах, когда концентрация частиц в уносе становится постоянной. При этом, для обеспечения большего выхода мелкой фракции, расход материала следует поддерживать примерно равным Gкp.
В случае, когда требуется обеспечить больший выход крупной фракции, расход материала должен соответствовать началу создания стесненных условий.
Определение величины расхода материала, соответствующей постоянному значению концентрации частиц в уносе, позволяет установить область оптимальных нагрузок по твердой фазе. Зная эту величину, можно также из отношения lS,=G/GКp, где G - производительность аппарата, кг/с, определить площадь поперечного сечения аппарата £, м2, прямоугольной формы и размеры его сторон, задавшись оптимальным их соотношением 1:2 [7, 8].
Основным технологическим параметром процесса воздушной классификации является скорость восходящего воздушного потока, значение которой определяет размер граничного зерна и чистоту получаемых фракций, а также позволяет рассчитать требуемый расход газа, что необходимо при выборе типа вентилятора. Рабочая скорость газа УГ изменяется в диапазоне, ограниченном двумя критическими величинами: скоростью выноса из аппарата требуемой фракции УКР1 и скоростью УКР2, при достижении которой растет загрязнение мелкого продукта тяжелой фракцией.
Таблица 1 / Table 1
Значения коэффициентов системы уравнений (1) / The values of the coefficients of the system of equations (1)
Контактные элементы A B C D K a b c d к m n
Отсутствуют 0,16 -4,46 4,1 0,007 0,94 1,44 0,1 0,83 -3,42 1,07 0,49 2,82
Пластинчатые 0,48 -6,08 5,5 0,007 2,64 -0,77 -0,11 0,93 -4,61 1,45 0,16 2,1
Ступенчатые 0,14 -4,8 4,4 0,001 2,39 1,61 0,16 0,79 -4,56 1,53 0,56 1,98
Двухпоточные 0,27 -7,99 7,4 0,014 3,89 0,55 0,05 0,86 -6,11 2,20 -1,07 2,07
Трехпоточные 0,34 -7,92 7,7 0,600 3,09 0,24 0,06 0,86 3,03 -2,58 2,54 2,25
Четырехпоточные 0,35 -8,11 7,9 0,005 3,08 -0,14 -0,46 1,17 -5,80 1,46 0,16 -2,1
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
Известен метод расчета рабочей скорости восходящего воздушного потока [9, 10], который однако не отличается требуемой точностью.
Для уточненного расчета оптимальной скорости газа в пневмоклассификаторе предлагается следующая методика: 1) определяется граница разделения технологической смеси и выделяются по ее обеим сторонам эквивалентные диаметры частиц легкой и тяжелой фракций; 2) рассчитывается примерная рабочая скорость газа по разработанной методике [9, 10]; 3) по уравнению (1) в зависимости от конструкции контактных элементов вычисляется концентрация частиц отдельных монофракций в уносе. В случае их превышения над требуемыми технологическими значениями следует откорректировать величину рабочей скорости газа понижением ее значения; 4) проводится повторный расчет фракционного состава уноса при установленной оптимальной скорости газа.
Таким образом, связь величины уноса с удельным расходом исходного материала обладает большой информативностью, позволяющей теоретически обосновать особенности гидродинамической обстановки в гравитационных каскадных пневмоклассификаторах, а на практике произвести расчет эффективности процесса разделения сыпучих материалов на фракции, площади поперечного сечения аппарата и оптимальной скорости несущей среды.
Литература
1. Кирсанов В.А. Каскадная пневмоклассификация сыпучих материалов. Ростов н/Д., 2004. 208 с.
2. Кирсанов В.А., Титаренко В.В. Определение основных технологических параметров процесса каскадной пнев-моклассификации // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. №3. С. 98 - 101.
3. Кирсанов В.А., Авдеева А.А., Авдеев М.Н. Расчет концентрации частиц твердой фазы в продуктах, получаемых при каскадной пневмоклассификации // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. № 12. С. 12 - 14.
4. Кирсанов В.А., Зубенко А.Ф., Кирсанов П.В., Овсянников Д.А. Расчет гранулометрического состава при фракционировании дисперсных материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 5. С. 54 - 58.
5. Кирсанов В.А., Донат Е.В., Кравчик В.Е., Авдеев С.Д. Механизм движения двухфазного потока в аппаратах с наклонными перфорированными полками // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 1985. Т. 28. № 3. С. 102 - 105.
6. Донат Е.В., Голобурдин А.И. Аппараты со взвешенным слоем для интенсификации технологических процессов. М.: Химия, 1993. 144 с.
7. Барский М.Д., Ревнивцев В.И., Соколкин Ю.В. Гравитационная классификация зернистых материалов. М.: Недра, 1974. 232 с.
8. Барский М.Д. Фракционирование порошков. М, 1980. 327 с.
9. Кирсанов В.А., Авдеева А.А., Авдеев М.Н. Расчет основных характеристик каскадных пневмоклассификаторов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. № 10. С. 3 - 6.
10. Кирсанов В.А., Титаренко В.В., Авдеева А.А., Авдеев М.Н. Расчет скорости газа в пневмоклассифика-торе с каскадом трехпоточных контактных элементов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. № 4. С. 75 - 78.
References
1. Kirsanov V.A. Kaskadnayapnevmoklassifikatsiya sypuchikh materialov [Cascading pneumatic classification of loose materials]. Rostov-on-Don, Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region, 2004, 208 p.
2. Kirsanov V.A., Titarenko V.V. Opredelenie osnovnykh tekhnologicheskikh parametrov protsessa kaskadnoi pnevmoklassifikatsii [Cascade pneumatic classifier process main technological parameters definition]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2008, no. 3, pp. 98-101. [In Russ.]
3. Kirsanov V.A., Avdeeva A.A., Avdeev M.N. Raschet kontsentratsii chastits tverdoi fazy v produktakh, poluchaemykh pri kaskadnoi pnevmoklassifikatsii [Calculation of particulate matter concentration in articles recovered by cascade elutriation]. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie = Chemical and Petroleum Engineering, 2008, no. 12, pp. 12-14. [In Russ.]
4. Kirsanov V.A., Zubenko A.F., Kirsanov P.V., Ovsyannikov D.A. Raschet granulometricheskogo sostava pri fraktsionirovanii dispersnykh materialov [Calculation of the granulometric composition of dispersed material when fractionation]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2012, no. 5, pp. 54-58. [In Russ.]
5. Kirsanov V.A., Donat E.V., Kravchik V.E., Avdeev S.D. Mekhanizm dvizheniya dvukhfaznogo potoka v apparatakh s naklonnymi perforirovannymi polkami [The Mechanism of motion of two-phase flow in apparatus with inclined perforated shelves]. Izv. vuzov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya = Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology, 1985, vol. 28, no. 3, pp. 102-105. [In Russ.]
6. Donat E.V., Goloburdin A.I. Apparaty so vzveshennym sloem dlya intensifikatsii tekhnologicheskikh protsessov [Devices with a weighted layer for an intensification of technological processes]. Moscow, Khimiya Publ., 1993, 144 p.
7. Barskii M.D., Revnivtsev V.I., Sokolkin Yu.V. Gravitatsionnaya klassifikatsiya zernistykh materialov [Gravitational classification of granular materials]. Moscow, Nedra Publ., 1974, 232 p.
8. Barskii M.D. Fraktsionirovanieporoshkov [Fractionation of powders]. Moscow, Nedra Publ., 1980, 327 p.
9. Kirsanov V.A., Avdeeva A.A., Avdeev M.N. Raschet osnovnykh kharakteristik kaskadnykh pnevmoklassifikatorov [Calculation of main characteristics of cascade pneumatic classifier]. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie = Chemical and Petroleum Engineering, 2006, no. 10, pp. 3-6. [In Russ.]
10. Kirsanov V.A., Titarenko V.V., Avdeeva A.A., Avdeev M.N. Raschet skorosti gaza v pnevmoklassifikatore s kaskadom trekhpotochnykh kontaktnykh elementov [Calculation of velocity of gas in pneumatic classifier with the cascade three-flow contact elements]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2006, no. 4, pp. 75-78. [In Russ.]
Поступила в редакцию /Received 23 мая 2017 г. /May 23, 2017
