CC BY
38
УДК 621.928.6
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОПРОДУКТОВОГО ПНЕВМОКЛАССИФИКАТОРА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
© 2010 г. В.А. Кирсанов*, М.В. Кирсанов*, Д.А. Овсянников**
*Южно-Российский государственный *South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
**ООО «Новая Эра» **Firm «New Era».
Разработан и исследован многопродуктовый пневмоклассификатор, позволяющий с высокой эффективностью проводить процесс фракционного разделения полидисперсных смесей сыпучих материалов.
Ключевые слова: многокомпонентная пневмоклассификация; воздушная классификация сыпучих материалов; сепарационный канал; инерционный канал; полидисперсный материал; контактные элементы.
The multicomponent pneumatic classifier allowing with high efficiency to carry out process of fractional division ofpolydisperse mixes of loose materials is developed and investigation.
Keywords: polycomponent pneumatic classifier; air classifier of loose materials, separate channel; inertia channel; polydisperse material; contact elements.
Существующие конструкции пневмоклассифика-торов позволяют делить исходный материал на два класса относительно размера граничного зерна, тогда как на практике часто требуется получение более двух фракций с заданными технологическими свойствами. Известны аппараты [1], в которых отбор отдельных фракций предлагается производить по высоте сепара-ционной камеры, снабжая их для этого конструктивными дополнительными элементами в виде решеток, отбойников, уловителей и т.п. Естественно, что такое решение не позволит обеспечить четкие неперекрывающиеся границы разделения из-за малого расстояния между точками отбора продуктов и нестабильности структуры потока в месте отбора. Также малоэффективны аппараты, представляющие собой последовательно соединенные по питанию сепарационные камеры с различным поперечным сечением, типа классификатора Гонеля [2]. В работе [3] предложено реализовать каскадный принцип организации процесса, т.е. определенным образом соединяя известные пневмоклассификаторы по питанию и потокам выделяемых классов крупности. При этом каждый аппарат исполняет роль отдельной ступени классификации, и узкие фракции отбираются из тех ступеней, где создан оптимальный технологический режим для выделения определенного класса крупности. Однако, на наш взгляд, скомпонованная таким образом установка, позволяющая разделять полидисперсный материал на три-четыре фракции, будет иметь большие габариты, сложность в управлении процессом, повышенные и неоправданные затраты энергии и, как следствие, сравнительно низкую эффективность. Нами сделана попытка последовательно объединить сепарационные камеры с инерционными камерами в объеме одного аппарата, что и привело к созданию батарейного пневмоклассификатора, способного выделять требуемое количество фракций с достаточно четкой, не перекрывающейся границей разделения [4].
Целью настоящей статьи является исследование процесса многокомпонентной пневмоклассификации частиц для оптимизации основных конструктивных и технологических параметров аппарата.
Для исследования процесса многокомпонентной пневмоклассификации создана лабораторная установка, показанная на рис. 1. Она состоит из ленточного питателя 8, модели батарейного пневмоклассификато-ра 4 с габаритными размерами 0,07x0,35x1,0 м, циклона 5 типа ЦН-15 с диаметром цилиндрической части 900 мм, тканевого фильтра 3 и стола 1. Многопродуктовый пневмоклассификатор представляет собой прямоугольный корпус, разделенный вертикальными перегородками на три последовательно сообщающиеся камеры различного поперечного сечения, причем первая и третья являются сепарационны-ми, а вторая - инерционной (нумерация камер - по ходу движения материала). Внутри камер установлены контактные элементы 11 различных конструкций. Инерционная камера сообщается со смежными камерами через каналы. Установка работает под разрежением, которое создается вакуум-насосом ВК-12. Воздух поступает в аппарат через тарированный коллектор 12, его расход регулируется задвижкой 2 и контролируется по показанию микроманометра 16. Исходный материал загружается в бункер 9 и при помощи герметичного ленточного питателя 8 по патрубку 7 подается в аппарат. Расход материала плавно меняется вариатором 10, а также набором шкивов и изменением расстояния между лентой питателя и торцом разгрузочной трубы бункера 9. Материал поступает в первую камеру, которая предназначена для удаления из смеси тяжелых (крупных) включений. Далее основная часть материала выносится воздушным потоком во вторую камеру, где освобождается от мелких включений и пылевых фракций. Этому способствуют силы инерции, возникающие при обтекании воздушным потоком пластинчатой полки, установленной над
сквозным каналом в перегородке. Очищенный материал выпадает из потока и накапливается в бункере этой камеры. Легкие (мелкие) включения выделяются в третьей камере, а запыленный воздух очищается в циклоне и тканевом фильтре. Расклассифицированный материал поочередно, начиная с мелкой фракции, при помощи задвижки 14 отбирается из бункера 13 аппарата. Пылевидные фракции накапливаются в бункере 15 циклона и на фильтрующем элементе. Для измерения гидравлического сопротивления были выведены пьезометрические трубки 6.
Исходная смесь 6 7 8 9 |
К вакуум-насосу
Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования процесса многокомпонентной пневмоклассификации
Учитывая, что исследования процесса в многопродуктовом пневмоклассификаторе проводились применительно к конкретным технологическим условиям, в качестве модельных полидисперсных материалов использовались кварцевый песок, шихта электродных заводов, гранулированные термопласты и семена подсолнечника, засоренные инородными включениями.
При изучении процесса очистки гранулированных термопластов в качестве критерия оптимизации использовали степень извлечения товарной пластмассы во второй камере аппарата £изв = (т2/тисх)-100 %, где т2 и тисх - количество товарной пластмассы соответственно в бункере второй камеры и в исходном материале, кг. Однако данный показатель, характеризуя количественные соотношения выделенного продукта, не учитывает его засорение инородными включениями, что не позволяет оценить качество разделения. Поэтому последнее учитывалось величиной степени очистки полученной товарной пластмассы £оч = = (т2/т2м)-100 %, где т2м - количество материала в бункере второй камеры, кг. Об эффективности процесса можно судить по сопоставлению данных степеней извлечения и очистки. Соблюдение равенства
£изв = £оч = 100 % свидетельствует об идеальном выделении товарной пластмассы. Вместе с тем в качестве обобщенного критерия оптимизации использовался показатель эффективности процесса Е, рассчитываемый по формуле
Е = У(Р-а) 100%, а(100 -а)
где у - выход материала в бункер второй камеры, %; в - содержание пластмассы в бункере второй камеры, %; а - содержание пластмассы в исходной смеси, %. При классификации шихты электродных заводов и кварцевого песка результаты исследований представлялись в виде кривых разделения, и об эффективности процесса судили по значению критерия Эдера - Май-ера [5]. Качество очистки семян подсолнечника от трудноотделимых примесей оценивалось критериями оптимизации, которыми служили те же количественные и качественные показатели процесса, что и при выделении товарной пластмассы. Кроме этого, очищенные семена подсолнечника проверялись на обру-шенность и всхожесть [6].
На начальном этапе исследований определялись рациональные конструктивные параметры классификатора, основным из которых является соотношение площадей поперечного сечения составляющих его камер. Изменение поперечного сечения сепарацион-ных камер влечет за собой изменение транспортирующей способности воздушного потока, которая обусловливается его скоростью. Следовательно, данный параметр оказывает существенное влияние на эффективность процесса и размеры граничного зерна, выделяемого в каждой камере пневмоклассификатора (рис. 2).
, %
0
0,5
1
1,5
2
2,5 S2,3/Sj
Рис. 2. Влияние соотношения площадей поперечного сечения второй (1) и третьей (2) камер аппарата к первой камере на степень извлечения товарной пластмассы: расход исходной смеси 5,4 кг/(м2-с); расход воздуха 0,062 м3/с
На рис. 2 показана зависимость степени извлечения гранул полипропилена от соотношения между площадями трех камер. Как видно, оптимальным соотношением площадей первой, второй и третьей камер аппарата в данном случае является 0,8:1:1,2. Опыты на полидисперсных смесях песка и нефтяного кокса подтвердили это соотношение.
Влияние соотношения размеров поперечного сечения второй и третьей камер пневмоклассификатора на изменение размеров граничного зерна dгр представлено на рис. 3. Установлено, что при увеличении от-
8
ношения ^з от 0,59 до 1,1 размер граничного зерна в первой камере колеблется в пределах от 560 до 640 мкм, во второй камере величина dтр изменяется от 236 до 276 мкм, а в третьей - от 102 до 151 мкм. Представленные графики свидетельствуют о том, что в батарейном пневмоклассификаторе осуществляется процесс многокомпонентного фракционирования с неперекрывающимися границами разделения.
Хгр, мкм
600 400 200 0
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1 S2/S3
Рис. 3. Зависимость размера граничного зерна от соотношения площадей второй и третьей камер: 1, 2, 3 - соответственно для первой, второй и третьей камер; расход исходной смеси 13,5 кг/(м2-с); скорость воздуха в первой камере 7,1 м/с
Другими конструктивными параметрами разработанного многопродуктового пневмоклассификатора являются размеры и месторасположение каналов, соединяющих камеры между собой, а также расстояние от перегородки, разделяющей первую и вторую камеры, до свободного торца пластинчатой полки, устанавливаемой над каналом, соединяющим вторую и третью камеры аппарата. Изменением указанного расстояния можно воздействовать на интенсивность возникающих сил инерции. Мера такого воздействия, в конечном счете, будет определять границу разделения частиц в инерционной камере исследуемого пневмоклассификатора.
Эксперименты по очистке гранулированной пластмассы позволили установить, что для предотвращения попадания гранул в третью камеру аппарата расстояние между стенкой и отражательной пластиной должно составлять 0,25-0,35 от длины второй камеры. Оптимальные размеры сторон каналов между первой и второй, второй и третьей камерами аппарата равнялись соответственно 190x70 мм и 60x70 мм. При этом канал, соединяющий первую и вторую камеры, дол-
жен быть расположен непосредственно в верхней части общей стенки этих камер, тогда как нижняя граница канала между второй и третьей камерами должна находиться на расстоянии 1/3 от верха аппарата. Полученные данные также были подтверждены экспериментами по разделению полидисперсных смесей частиц нефтяного кокса и песка.
Учитывая разнородность материала, поступающего в первую камеру, и повышенные требования, предъявляемые к качеству как верхнего, так и нижнего продуктов, классификатор был снабжен контактными элементами, которые размещались симметрично относительно места ввода исходной смеси в аппарат. Так, в первой камере в ее нижней части устанавливались два двухпоточных элемента [7], а в верхней - две перфорированные пластинчатые полки. Последние использовались также во второй и третьей камерах пневмоклассификатора, причем, во второй находилось четыре полки: по две выше и ниже пропускного канала, а в третьей - две полки.
При очистке гранулированной пластмассы как от крупных, так и от мелких инородных включений, которые образуются при ее транспортировании из-за нарушения герметичности тары, камеры пневмоклас-сификатора настраивались следующим образом. В первой камере выделялись мелкие включения, при этом пылевые фракции осаждались в циклоне и фильтре. Поэтому определенный интерес представляют собой данные по извлечению из исходного материала гранулированной пластмассы, крупных и мелких включений в бункеры соответствующих камер аппарата. В табл. 1 приведены данные состава исходной смеси, которые показывают, что в среднем в ней содержится: товарной пластмассы - 94,6 %, крупных включений - 3,9 %, мелких - 1,6 %.
Результаты разделения указанного материала при его расходе G (в расчете на вторую камеру аппарата), равном 2,1 кг/(м2-с), обобщены в виде графической зависимости степеней извлечений крупных, мелких включений и товарной пластмассы в бункеры соответствующих камер, а также показателя эффективности процесса от скорости газа (рис. 4). Как свидетельствуют приведенные графики, степень извлечения как крупных, так и мелких включений с увеличением скорости газа от 7 до 9,5 м/с в первой, и от 5 до 7 м/с в третьей камерах пневмоклассификатора уменьшается.
Таблица 1
Состав засоренных гранулированных термопластов
1
2
3
Масса навески, г Товарная пластмасса Крупные включения Мелкие включения
Масса, г Содержание, % Масса, г Содержание, % Масса, г Содержание, %
820 767 94 32,6 4,0 20,1 2,4
976 919 94 38,6 4,0 19,0 1,9
845 801 95 31,3 3,7 12,9 1,5
972 921 95 37,6 3,9 13,2 1,4
962 915 95 37,1 3,9 10,1 1,0
В то же время при изменении скорости газа от 6,5 до 8,5 м/с во второй камере степень извлечения товарной пластмассы (гранулированного полиэтилена высокого давления) растет от 37 до 98 %, и при дальнейшем увеличении скорости воздуха величина 8изв практически остается постоянной. При этом показатель эффективности процесса разделения растет и достигает своего оптимального значения, равного 68 %, при расходе воздуха 180 м3/ч. При данном значении расхода воздуха были проанализированы зависимости 8изв = f(G) и Е1 = f(G). Так, при увеличении нагрузки по твердой фазе от 1 до 7 кг/(м2-с) степень извлечения товарной пластмассы во второй камере уменьшается на 12 %, при этом степень извлечения мелких включений в третьей камере практически не изменяется, оставаясь достаточно высокой и равной 99,5 %.
7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 Vr\, м/с
6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 Уг2, м/с
5,0 5,4 5,8 6,2 6,6 7,0 Fr3, м/с
Рис. 4. Влияние скорости газа на показатель эффективности процесса (7) и степени извлечения крупных включений в первой камере (2), товарной пластмассы во второй камере (3), мелких включений в третьей камере (4): производительность аппарата 45 кг/ч
Степень извлечения крупных включений в первой камере с повышением расхода материала от 1 до 4 кг/(м2-с) увеличивается с 85 до 92 %, затем в интервале изменения G от 4 до 7 кг/(м2-с) монотонно уменьшается до 87 %. Характер кривой 7, показывающей
Гранулометрический со<
изменение показателя эффективности процесса разделения и имеющей максимум Е1 = 94 %, указывает на оптимальный диапазон расхода исходного материала, который находится в пределах от 2 до 3,5 кг/(м2-с), что соответствует 87-100 кг/ч.
При очистке гранулированного полипропилена в установленном оптимальном технологическом режиме был проведен анализ состава материала, находящегося в бункерах всех камер пневмоклассификатора и циклона (табл. 2). Установлено, что в бункере второй камеры накапливается 93,7 % всей массы материала, причем содержание гранул полипропилена в нем составляет 99,6 %.
Таблица 2
Состав материала в бункерах камер пневмоклассификатора и циклона
Исходный Камера Циклон
материал № 1 № 2 № 3
969 37,9 24,1 27,7 940 3,9 49 0,2 0 6,2
Примечание. Числитель - содержание полипропилена, г; знаменатель - содержание включений, г.
Гранулометрический состав инородных включений, представленный в табл. 3, показывает, что в первой камере пневмоклассификатора выделены включения, средневзвешенный диаметр которых составляет 1,02 мм, во второй - 0,45 мм, в третьей - 0,081 мм. При этом в первой камере содержалось наибольшее количество включений с размерами более 2,5 мм, тогда как в третьей - частицы с размерами от 0,063 до 0,2 мм.
Лабораторные исследования разработанного многопродуктового пневмоклассификатора показали его высокую эффективность и при разделении полидисперсных сыпучих материалов широкого фракционного состава. На рис. 5 приведены графики, иллюстрирующие изменение критерия Эдера - Майера, полученного при обработке кривых разделения нефтяного кокса, в зависимости от скорости газа в каждой камере.
Таблица 3
в инородных включений
Классы крупности, мм Камера № 1 Камера № 2 Камера № 3
Масса, г Содержание, % Масса, г Содержание, % Масса, г Содержание, %
+2,5 25,9 91,58 0,9 18,75 0,02 0,33
-2,5+1,0 0,6 2,12 0,9 18,75 0,13 2,16
-1,0+0,63 0,1 0,35 0,2 4,17 0,08 1,33
-0,63+0,4 0,2 0,71 1,0 20,83 0,15 2,49
-0,4+0,315 0,18 0,64 0,75 15,62 0,15 2,49
-0,315+0,2 0,3 1,06 0,8 16,67 0,45 7,46
-0,2+0,1 0,5 1,77 0,2 4,17 2,78 46,1
-0,1+0,063 0,2 0,71 0,02 0,42 1,58 26,2
-0,063 0,3 1,06 0,03 0,62 0,69 11,44
Представленные графики свидетельствуют о достаточно высокой разделительной способности исследуемого аппарата. Величина критерия Эдера - Майера достигает 76 в первой камере, 67 - во второй и 48 % -в третьей. При этом размеры граничного зерна составляли: в первой камере - 1,95 мм, во второй - 0,73 мм, в третьей - 0,3 мм.
4,1 4,4 4,7 5,0 5,3 угЪ м/с
Рис. 5. Зависимость критерия Эдера - Майера от скорости газа: 1, 2, 3 - соответственно первая, вторая и третья камеры; производительность аппарата 110 кг/ч
Результаты разделения семян подсолнечника на три класса приведены в табл. 4. Следует отметить, что в первой камере пневмоклассификатора было выделено 45 % семян подсолнечника от их общей массы, которые по своим показателям относились к семенной группе первого класса. Их всхожесть равнялась 96 %, при этом обрушенные семена составляли всего 0,4 %. Во второй камере было выделено 37 % семян подсолнечника, которые после повторного пропуска были отнесены ко второму классу, их всхожесть составляла 93 %. В бункере третьей камеры находилась смесь, отнесенная к отходам первой категории, в которой большинство семян подсолнечника (более 52 %) были обрушенные, битые, изъеденные вредителями и испорченные самосогреванием. Полноценные с виду
Поступила в редакцию
семена имели менее допустимую массу, а их всхожесть составляла всего 58-64 %.
Таблица 4
Состав вороха семян подсолнечника в бункерах камер аппарата
Компоненты Состав исходного вороха семян, % Состав вороха семян по камерам, %
первая вторая третья
Подсолнечник 91 98,3 62 30
Масличные примеси 5,2 1,3 10 28
Сорные примеси 3,8 0,4 28 42
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о возможности промышленного использования разработанного пневмоклассификатора для фракционирования полидисперсного материала на требуемое число классов крупности с неперекрывающимися границами разделения и с достаточно высокой эффективностью процесса.
Литература
1. Непрерывная классификация зернистых материалов в аппаратах с псевдоожиженным слоем / В.Г. Айнштейн [и др.] // Химическая промышленность. 1986. N° 7. С. 47 - 48.
2. Lauer O. Feinheitsmessungen an technischen Stauben. Augsburg, 1963. 112 S.
3. Барский М.Д. Фракционирование порошков. М., 1980. 327 с.
4. А.с. 1304916 СССР. 1987. МКИ В07В 4/02. Батарейный пневмоклассификатор.
5. Барский М.Д. Оптимизация процессов разделения зернистых материалов. М., 1978. 168 с.
6. ГОСТ 12037-81. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения чистоты и отхода семян.
7. Кирсанов В.А. Каскадная пневмоклассификация сыпучих материалов. Ростов н/Д., 2004. 208 с.
21 апреля 2010 г.
Кирсанов Виктор Александрович - д-р техн. наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-55-95. E-mail: kirsanovi@
Кирсанов Максим Викторович - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: [email protected]
Овсянников Дмитрий Александрович - инженер, ООО «Новая Эра». E-mail: [email protected]
Kirsanov Viktor Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-55-95. E-mail: kirsanovi@
Kirsanov Maxsim Viktorovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: [email protected]
Ovsyannikov Dmitri Aleksandrovich - engineer, Firm «New Era». E-mail: [email protected]
