ЦЕНТРОБЕЖНАЯ МЕЛЬНИЦА С КЛАССИФИКАТОРОМ СЛОИСТОГО ПОТОКА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОРОШКОВОГО НЕФТЯНОГО КОКСА В УЗБЕКИСТАНЕ

АННОТАЦИЯ

Результаты полупромышленных испытаний конструкций этих классификаторов показали, что они могут обеспечить качественное разделение полидисперсных материалов на фракции. .

ABSTRACT

The results of semi-industrial tests of the structures of these classifiers have shown that they can provide high-quality separation of polydisperse materials into fractions.

Ключевые слова: классификатор, мельница, помол, фланец, перфорации, измельчения, кольцо, ударно-центробежной мельницы.

Keywords: classifier, mill, grinding, flange, perforation, grinding, ring, impact-centrifugal mill.

В настоящее время известно более ста методов и их модификаций для определения дисперсного состава как пылей, так и измельченных материалов. Однако ни один из них не является универсальным, каждый дает определенную информацию о дисперсности и имеет свою предпочтительную область применения [1].

Наиболее полно классификация методов анализа дисперсности порошков дана в работе П.А.Коузова. Согласно этой работе, способы контроля дисперсности подразделяются на две группы: интегральные и дифференциальные. К интегральным относятся методы, которые дают информацию об усредненных статистических параметрах, характеризующих дисперсную фазу исследуемого материала в целом. Дифференциальные методы дают информацию об определяющих параметрах каждой отдельной частицы дисперсного материала. Интегральные методы подразделяются на селективные и глобальные. Селективные основаны на различных способах классификации, т.е. разделения на классы по размерам, глобальные– на использовании способов, определяющих один из параметров, характеризующий порошковый материал в целом, например, средний размер, удельную поверхность и т.д. В последнее время наблюдается интерес многих исследователей к проточным способам разделения. Под проточным разделением понимают гидродинамические процессы движения многофазных потоков в канале с проницаемыми стенками с непрерывным отводом через них сплошной фазы, которая увлекает за собой мелкие частицы.

При непрерывном удалении из зоны помола продуктов измельчения с мелкими частицами будет удаляться определенная часть крупных частиц, которые необходимо снова вернуть в мельницу на домол. Поэтому новая мельница должна работать в замкнутом цикле с классификатором, обеспечивающим высокоэффективное отделение крупных частиц с целью возврата их на повторный помол.

Анализ конструкций измельчителей, созданных в последнее время, показывает, что среди них значительное место занимают конструкции ударно-центробежных мельниц [2], что согласуется с материалами 7-^го международного конгресса по измельчению, где отмечалось, что будущее поколение будет основано на центробежно-ударных мельницах. Однако в большинстве новых конструкций мельниц не предусматривается одновременно с измельчением проводить процесс классификации. Только в некоторых из них делается попытка одновременной классификации, однако используются конструкции малоэффективных классификаторов, и в целом мельницы получились весьма сложными.

Приведены новые конструкции проточных классификаторов из большой группы разработанных в БГТУ на уровне изобретений. Результаты полупромышленных испытаний этих конструкций классификаторов показали, что они могут обеспечивать качественное разделение полидисперсных материалов на фракции при высокой производительности. Поэтому при разработке нашей ударно-центробежной мельницы было решено использовать принцип проточной классификации.

Разработанная ударно-центробежная мельница, представлена на рисунок(1)

Рисунок.1. Ударно-центробежная мельница с пластинчатым проточным классификатором

1– корпус; 2 – днище; 3 – электродвигатель; 4 – фланец; 5 – крышка; 6 – патрубок; 7 – разгрузочный патрубок; 8 – отбойные пластины классификатора; 9 – отражательные стержни; 10 – диск; 11 – лопатки; 12 – кольцо

Мельница состоит из цилиндрического корпуса 1 с днищем 2, к которому крепится электродвигатель 3. В верхней части корпуса имеется фланец 4, к которому крепится крышка 5. По центру крышки жестко закреплен патрубок 6 подачи материала в мельницу. На периферии крышки имеется коаксиальный канал, над которым выполнен спиралеобразный разгрузочный патрубок 7 (см. рисунок.1 Вид сверху). Внутри корпуса 1 вплотную к цилиндрической обечайке, а также друг к другу установлены отражательные стержни 9, изготовленные из износостойкой стали. По центру мельницы на вал электродвигателя насажен диск 10 с рабочими лопатками 11. Для жесткости сверху лопатки соединены кольцом 12.

При проточной классификации полидисперсные частицы за счет воздействия потока газа или жидкости движутся в перфорированном канале. За счет небольшого избыточного давления в канале сплошная фаза частично проходит через отверстия перфорации, а вместе с ней из канала будут удаляться и мелкие частицы твердой фазы. Крупные частицы под воздействием газового потока продолжают движение в канале не забивая отверстия перфорации. Рассмотрим влияние скорости газа в канале и отверстиях перфорации, а так же размера самих отверстий на граничное зерно классификации. Для этого воспользуемся схемой представленной на рисунок. [3]. Согласно этой схемы одиночная шаровая частица под воздействием газового потока движется вдоль перфорированного днища канала. Перфорированное днище выполнено с треугольных профилей, установленных на расстоянии b друг от друга.

Рисунок.2 Схема движения частицы в газовом потоке с оттоком через перфорированное днище

Скорость газа в ядре потока W_∞, у перфорированной стенки профиль скорости газа описывается зависимостью [4].  Под воздействием небольшого избыточного давления P, часть газа удаляется через щели перфорации со скоростью W_ист , конкретное значение которой можно определить используя зависимости [5.6]. Согласно такой схеме, частица, находящаяся в газовом потоке, участвует в двух движениях: вдоль перфорированной поверхности за счет воздействия газового потока движущегося со скоростью W_∞, и перпендикулярно перфорированной поверхности со скоростью V_о. Скорость V_о определяется скоростью оттока газа через щели перфорации и результирующей сил тяжести и Архимеда. Таким образом, частица, двигаясь в перфорированном канале пройдя определенное расстояние, подойдет к перфорированному днищу.

В качестве материала для экспериментальных исследований использовались:

– гранулы извести после печи, размером (2 – 8)·10^-3 м;

– гипсовый камень с размером частиц (2 – 10)·10^-3 м;

– мел с размером частиц (2 – 10)·10^-3 м;

– сильвинит с размером частиц (2 – 15)·10^-3 м;

– кристаллы сульфата аммония с размером частиц (2 – 8)·10^-3 м;

– зерно пшеницы и ячменя;

– гранулы аммофоса с размером частиц (2 – 5)·10^-3 м.

Как отмечалось ранее процесс измельчения материалов является весьма энергоемким и на его осуществление затрачивается значительная часть (5 – 10%) мирового производства электроэнергии. Этому вопросу на протяжении длительного времени уделяется большое внимание многих исследователей и к настоящему времени выдвинуто ряд гипотез и теорий, а так же получены теоретически математические зависимости для определения мощности затрачиваемой на измельчение материалов. Однако ни одна из известных теорий или математических зависимостей не позволяет рассчитать затрачиваемую мощность при измельчении определенного материала в конкретной конструкции измельчителя. Причины такого явления заключаются в том, что процесс измельчения является чрезвычайно сложным о чем подробно изложено в первой главе. Отметим только, что в настоящее время расчет мощности как мельниц так и дробилок производится по эмпирическим зависимостям. Полученным на основании экспериментальных исследований для конкретной конструкции при измельчении определенного материала. В наших исследованиях по определению мощности затрачиваемой на измельчение в ударно-центробежных измельчителях принят несколько другой подход к решению поставленной задачи. Сначала рассмотрим все статьи расхода энергии затрачиваемой при ударно-центробежном измельчении, определим их величину при необходимости дополним теоретические исследования необходимыми экспериментальными данными.

Полученная зависимость для расчета мощности затрачиваемой при измельчении материала в ударно-центробежном измельчителе в дальнейшем сравнивалась с экспериментальными данными полученными нами при исследовании эффективности измельчения на установке представленной на рис. 1. На графике рисонок [2] в виде линий приведены расчетные и точками нанесены экспериментальные данные по потребляемой энергии на измельчение при различной нагрузке на мельницу по исходному материалу.

Рисунок.3 Зависимость потребляемой мощности ударно-центробежной мельницей от нагрузки по исходному материалу при работе без классификатора

Рисунок 4. Зависимость потребляемой мощности ударно-центробежной мельницей от частоты вращения ротора при работе без классификатора

Рисунок 5. Зависимость удельного расхода энергии на измельчение 1 тонны материала от производительности

Исследования проводились при измельчении извести, сильвинита, кристаллов сульфата аммония, аммофоса, гипса и зерна. Из графика видно, что чем труднее материал измельчается, тем больше требуется затратить энергии на его измельчение. Аналогичную картину можно наблюдать и на графике рисунок.5, где представлены расчетные кривые и экспериментальные данные в виде точек зависимости затрачиваемой мощности на измельчение материала при изменении числа оборотов ротора. На рисунок. 5 приведена зависимость удельного расхода энергии на измельчение 1 тонны материала при различной производительности. Из графика видно, что мельница с диаметром 0,4 метра при измельчении зерна ячменя потребляет около 8 кВт часов на тонну, что на 15 – 20% ниже чем молотковая мельница. Однако сравнения по качеству измельчения дают более ощутимые результаты. Следовательно теоретические предпосылки учета прочностных свойств материала с помощью коэффициента с в последнем слагаемом уравнения [7] вполне оправданы. Обработка экспериментальных данных позволила найти значение поправочного коэффициента . Таким образом на основании теоретических и экспериментальных исследований получена математическая зависимость [8] имеющая физический смысл, для расчета затрат мощности при измельчении материалов в ударно-центробежном измельчителе.

Анализ всех экспериментальных исследований  показывает, что при помоле легкоизмельчаемых материалов расходы на трение и разгон частиц незначительны, а значительную долю затрат будет составлять работа мельницы на холостом ходу как вентилятора. Конечно, проход определенного количества воздуха с материалом через мельницу имеет несколько положительных моментов, о чем излагалось ранее, однако прохождение большого количества ведет к неоправданному перерасходу электроэнергии на измельчение, а после мельницы, будут возникать проблемы с очисткой его от очень мелких частиц измельченного материала.

На производительность мельницы по воздуху значительное влияние оказывает ширина лопаток. Следовательно, для легкоизмельчаемого материала, разрушение которого до требуемого дисперсного состава происходит практически за один удар ширину лопаток следует делать небольшой. При измельчении более прочных материалов будут образовываться как мелкие так и крупные частицы. Мелкие частицы согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям после удара скользят вдоль отражательной поверхности и подхватываясь воздухом будут сразу удаляться из рабочей зоны. Крупные осколки будут отскакивать под определенным углом от отражательных стержней и попадая под удар лопаток снова будут отбрасываться на отражательную поверхность. Желательно чтобы повторные удары происходили не на том участке поверхности лопаток и стержней, где происходит первичный удар, так как в противном случае они будут препятствовать достижению высокой его эффективности. Следовательно для обеспечения много кратного удара крупных частиц материала, лопатки должны быть значительно шире, а это ведет к неоправданному росту расхода энергии на привод мельницы.

Список литературы:

1. Ходаков Г. С. Физика измельчения. – М.: Наука, 1972. – 256 с.
2. Ревнивцев В.И. Селективное разрушение минералов. – М.: Недра, 1988.
3. Механические явления при сверхтонком измельчении: Сб. ст. / Сибирское отделение АН СССР.; Под общ. ред. В. В. Зайцева. – Новосибирск, 1971.– 255 с.
4. Сиденко П. М. Измельчение в химической промышленности. – М.: Химия, 1977. – 382 с.
5. Ходаков Г.С. Основные методы дисперсного анализа порошков. – М.: Стройиздат, 1968. – 199 с.
6. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. – Л.: Химия, 1987. – 264 с.
7. Левданский Э. И., Левданский А. Э. Энергосбережение при измельчении материалов: Учеб. пособие / Белорус. гос. технолог. ун-т. – Минск, 1999. – 88 с.
8. Левданский А. Э., Левданский Э.И. Высокоэффективные проточные процессы и аппараты. – Мн.: БГТУ, 2001. – 234 с.
9. Leudanski A. E. Promisingdirectionsofreducing specific energy costsin grinding / Leudanski A. E.,Apimakh Ye. V., Golubev V. G., Korganbayev B. N., Sarsenbekuly D. // News of the National Academy of sciences of the Republic of Ka-zakhstan. Series chemistry and technology – 2018. Vol. 5, № 431. – P. 32–40.
10. Левданский А. Э., Левданский Э. И. Высокоэффективные проточные процессы и аппараты. – Минск: БГТУ, 2001, – 236 с.
11. Исследование поведения частиц при проточном фильтровании суспензий / Левданский Э. И., Волк А. М., Труханович В. Б., Левданский А. Э.; БТИ им. Кирова. – Минск,1989. – 14 с. Депонирована в ЦИНТИ-химнефтемаш. 9.12.1989. – №20008 – хн.
12. Левданский А. Э., Левданский Э. И. Изучение гидродинамических характеристик закрученных многофазных потоков в перфорированных элементах // Химия и технология неорганических веществ: Труды БГТУ. – Минск,1994. – Вып.2. – С.74-78.
13. Диссертация доктора т. н. Левданского А. Э.
14. Sepax – the compact high-efficiency separator / Каталог фирмы FLS №14 – Е98. – Дания, 4 с.