Разработка процесса выделения коры из щепы и обоснование параметров пневмоударного сепаратора Спиридонов, Андрей Леонидович

Введение к работе

Актуальность темы» Большое значение в настоящее время приобретают проблемы комплексного использования древесина в лесной отрасли. Для их решения на предприятиях лесного комплекса предполагается увеличение объемов производства технологической щепы из низкокачественной древесины, отходов лесозаготовок и лесопиления.

Щепа из отходов лесозаготовок и низкокачественной древесины содержит кору, гниль, древесную зелень и другие примеси в таком количестве, что яри ее использовании в ЦЕЛ заметно снижается качество волокнистых полуфабрикатов, падает производительность технологического оборудования.

К настоящему времени по проблеме очистки и разделения ще- пы существует почти 40-легКий опыт зарубежных и отечественных исследований. Изучена возможность применения для очистки щепы известной технологии обогащения и разделения сыпучих материалов, изобретены новые процессы и оборудование. Существует опыт ограниченного промышленного использования технологии очистки щепы от коры на зарубежных предприятиях лесозаготовительной и целлюлозно-бумажной промышленности. Для решения проблемы создан большой научный задел, однако широкого применения технология очистки щепы от коры и других примесей еще не получила промышленного применения из-за наличия ряда существенных недостатков.

Из сказанного следует, что работа, посвященная исследованию процесса разделения измельченных лесосечных отходов, является актуальной и важной.

Цель работы - повышение эффективности процесса разделения путем обоснования параметров работы пневмоударного сепаратора щепы.

Научная новизна. Уравнения движения частиц щепы в ппев-моударном сепараторе. Регрессионные зависимости значений коэффициентов восстановления от скорости и угла падения частиц щепы на отражательный экран.

Имитационная модель пневмоударного сепаратора щепы. Оптимальные режимы работы установки. Методика оптимизации основ-^-них параметров установок с пневмоударйым способом разделения

- 4-исходного сырья.

Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы при создании линий по разделению измельченных лесосечных отходов. Они могут быть использованы проектно-конструкгорскими и научно-исследовательскими организациями при проектировании и создании новых усгаяовок данного типа, расчетная экономическая эффективность от внедрения процесса составляет 3,33 руб/м³

Реализация работы. Результаты исследований использованы при составлении технологического регламента опнтш-дромышлен-ных испытаний экспериментальной линии для очистки щепы от коры и других примесей производительностью 10 і^/час, использованного ВШОбумпромом в научно-исследовательской работе по теме В 22-376-23-90 "Создать оборудование и разработать процесс облагораживания приводной щепы, полученной из неокоренннх отходов лесопиления и лесозаготовок".

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на научно-технических конференциях ЛЕСоиккенерного факультета ЛЕА им. С.М.Кирова в 1989-1990 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано две статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего наименования и предложений. Основное содержание диссертации изложено на Ї32 страницах машинописного текста с 32 рисунками и 26 таблицами.

содетшв РАБОШ Во введении даны обоснование темы исследований, цель и краткая аннотация проделанной работы.

В первом разделе рассматриваются состояние изучаемого :. вопроса, различия в свойствах компонентов щепы, обеспечивающие возможность ее очистки. Представлены обзор и критический анализ сущее твущюс способов и установок до очистки щепы от корн.

На основании анализа научной я патентной литературы, а

- 5 -также из результатов исследований ЛША сделан вывод о наличии принципиальной возможности повысить качество щепы из отходов лесозаготовок путем очистки ее от коры.

К настоящему времени разработаны пневматические, механические, водные и другие способы очистки, позволяющие снизить содержание коры в щепе до приемлемого уровня; два из них (вакуумный и компрессионный) испытаны в производственных условиях с удовлетворительными результатами.

Ни один из рассмотренных способов пока не может конкурировать с традиционной окоркой древесного сырья. Более того процессы очистки щепы не применяются даке при использовании щепы из целых деревьев для производства целлюлозы, тогда наличие большого количества коры в щепе вызывает серьезные технологические затруднения. Рассмотренные способы очистки щепы или недостаточно эффективны, или чрезмерно сложны, или же отрицательно влияют на некоторые качественные показатели щепы (ухудшение фракционного состава, повышение влажности, нежелательные изменения в химическом составе, уменьшение содержания и прочности целлюлозы).

Многочисленность известных способов очистки щепы, а также слабый спрос на них в промышленности при наличии объективной потребности в создании технологии очистки щепы от коры свидетельствует о том, что в существующем виде эти способы не удовлетворяют требованиям современного производства. Отскн да следует вывод, что поиск новых способов и устройств для > очистки щепы должен быть продолжен.

Анализ состояния вопроса позволил предложить для очистки щепы от коры пйевмоударннй способ, основанный на разности в скоростях отскока витания частиц.

Б задачи исследования входило:

разработать теоретические основы пневмоударного разделения;

экспериментально проверить пригодность исследуемого способа очистки щепы от коры;

установить режими эффективного разделения;

обосновать экономическую целесообразность пневмоударного способа сепарации щепы.

Второй раздел посвящен разработке теоретических основ пневмоударного способа сепарации щепы.

В разделе приведено описание исследуемого способа сепара
ции щепы. Пневмоударшй сепаратор (рис. I) состоит из бункера
2, в котором размещены отражательный экран З'и перегородки 5,
6,7, разделяющие дно бункера на карманы 8, 9, 10. На бункере
установлен вентилятор 4. Подача ідеїта на экран осуществляется
из трубопровода I. /_# п

Рис. I, Схема пневмоударного сепаратора.

Процесс разделения состоит в следующем. Частицы щепы вы
летая из трубопровода I со скоростью и падают на отража
тельный экран 3. Поскольку частицы, составляющие массу щепы
(кора и .древесина) имеют разные коэффициенты восстановления
недеформироваяяого состояния, они будут отскакивать от экра
на с разными скоростями и под разными углами
и <А^К Для повышения эффективности разделения и уменьше
ния габаритов сепаратора, вентилятор 4 продувает поперечным
воздушным потоком, отраженный от экрана шток цепы, усиливая
отклонения траекторий более легких и пластичных частиц., Б ре-
зульате действия сил отскока, вяевдатических и тяаесги древес
ные частицы попадают в карман 10, а частицы коры в карман 8.
Невыделенная часть щепы попадает в карман 9.

Учитывая отсутствие исследований пневмоударного выделения коры из щепы, специфические условия процесса, задачами теоретических исследований являлись:

- выявление основных теоретических зависимостей и харак-~

гера процесса соударения частиц с нвдодшаной преградой;

- разработка теоретических основ расчета движения частщ щепн в пневмоударном сепараторе.

При решении первой задачи теоретических исследований использовался обобщенный опыт исследования ударных процессов изложений в работе Г.С.Батуева. С учетом рекомендаций Г.С.Батуе-ва для исследования процесса ударного взаимодействия частиц щепы с отражательным экраном, использован экспериментально-теоретический подход. Яри этом не ставилась задача изучения внутренних закономерностей удара, а оценивался лишь внешний эффект (скорость, угол падения ж отражения частиц щепы от экрана).

Согласно классической теории удара, упруго-пластические деформации возникающие в частицах щепы при ударе, характеризующие величиной, называемой коэффициентом восстановления.

Для случая косого удара значение коэффициента восстановления выражается следующим образом:

_Ш ^ш

где Ка. ~ коэффициент восстановления по углу;

Л - угол падения частиц щепы на отражательный экран (угол между вектором скорости падения частиц и нормалью к экрану); Ji - угол отражения частиц щепы от отражательного экрана (угол между вектором скорости отражения частиц и нормалью к экрану)

КЧ » Y (2)

где Av- коэффициент восстановления по скорости;

V - скорость отражения частиц щепы от отражательного

экрана; V»- скорость падения частиц щепы на отражательный экран. Для решения второй задачи теоретических исследований рассмотрен процесс движения частиц в пневмоударном сепараторе

после их отскока от отракательного экрана.

йщ этом учитывались следующие силы действующих ш частицу при движении в пневмоударном сепараторе (рис. 2):

_и&

- сила продольного сопротивления (трения), ооусловленная наличием вблизи частиц тонкого вязкого пограничного слоя:

F2 *$-М-СгЦ.й

Рис. 2. Схема сил, действующих на частицу.

- скла поперечного сопротивления (давления), вызванная потоком воздуха, набегающего на движущуюся частицу;

и = Ш(J - сила тяжести, где: V - скорость движения частицы; U - скорость поперечного потока воздуха; JJ - плотность воздуха; $ - площадь миделеева сечения частицы; ffl - масса частицы; С$,Сх -коэффициенты сопротивления ( Cf - взят в форме Прандтля, Сх - в форме Деви-Чивига).

Для получения дифференциального уравнения движения частицы в пневмоударном сепараторе, учитывались следующие допущения:

- частицы имеют форду тонкой пластины длины и ширины

i\

поперечный поток воздуха, плоскопараллельный и однородные;

влияние частиц друг на друга не учитывается.

С учетом принятых допущений, получено следующее дифференциальное уравнение:

где: М - вязкость дди-

где: Kl = Q№Hfyej* Щ=р

тзтух&і K2^S 8'*р-и^г -~-j , где Z

на зоны действия поперечного потока воздуха; }f - угол наклона поперечного потока к оси X '$ сУ - угол между вектором скорости поперечного потока и нормалью к частице.

Для количественной оценки влияния различных сил на процесс сепарации рассмотрено три предельных случая при которых уравнение 3 интегрируется аналитически: поперечный поток воздуха отсутствует ( U = 0); на двигущуюся частицу воздействует поперечный поток воздуха; учитывается воздействие на частицу только силы тяжести.

По трем описанным моделям боля, приведены расчеты. В ре* зультате установлено, что применение поперечной продувки должно увеличить эффективность сепарации в 1,5-2,0 раза. Влияние же силы тяжести мало, хотя и возрастает при уменьшении скорости отражения частиц.

Третий раздел - изложена методика экспериментальных исследований, дается описание экспериментальной установки, приводятся методы обработки экспериментальных данных и результаты эксперимента.

Для выявления принципиальной возможности сепарации щепы исследуемым способом, а также для получения основных конструктивных параметров проектируемого лневмоударного сепаратора щепы, был изготовлен макет ударно-отракательного устройства (рис. 3). Макет состоит из пружинного ружья I, натяжных пружин 2, обоймы 3, основания 4, амортизаторов 5, отражательного экрана 6, лимба 7, приемншго устройства 8.

В обойму 3 устанавливалась частица щепы в положении параллельном оси стрелы. С помощью ружья I производилось мета-_

Рис. 3. Макег ударно-огражагельного устройства

ше стрелы, которая достигнув амортизаторов 5, осташвліівалась. Частица ке древесины ударялась об отранательный экран 6, направленный под определенные углом ol к траектории падения древесной частицы. Угол ol устанавливался с помощью лимба 7. Для уиавливания отраяеяной от экрана частицы использовалось приемное устройство 8 в виде ящиков с ячейками. При этом расстояние по вертикали между точкой удара частиц об отражательный экран ж верхней кромкой ячеек ящика 8 (высота броска) составляло 0,15 м.

Часїицн коры и древесины закладывались в обойму метателя и производился их бросок в экран. После броска определялись координаты частицы в приемном устройстве огносительно точки падения частиц на отражательный экран.

Полученные экспериментальные данные оформлены в виде полей рассеивания точек приземления частиц древесины и коры.

Для проведения основной серии экспериментальных исследований в лаборатории кафедры механизации лесоразработок был изготовлен экспериментальный пневмоударный сепаратор щепы. Состоящий из бункера дозатора щепы, центробежного метателя, криволинейного щепопровода, отранательного экрана, разделительной камеры.

С целью определения зависимости значений коэффициентов восстановления Kv и Кл от варьируемых факторов проведен эксперимент го плану Б₂. Переменные бакгоры и уровни их варьирр~

- II -

вания представлены в таблице I.

Уровни варьирования исследуемых факторов

Скорости, углы падения и отражения частиц древесины и коры регистрировались с помощью скоростной киносъемки. Киносъемка осуществлялась стандартной кинокамерой СК0-Ш. Рабочая час-тога смены кадров кинокамеры составляла 2700 кадр/с. Киносъемка производилась через прозрачную стенку разделительной каглеры. На кинопленку наносились отсчеты времени с помощью неоновой лампы. Кандая вспышка отмечала I/I000 долю секунда. Для расшифровки пленка помещалась в проекционный аппарат ЛЭТИ. Значения коэффициентов восстановления определялись яо формулам (I), (2).

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии для выходных параметров KV , Кл.. В полученных уравнениях регрессии, фактор частоты вращения барабана метателя оказался незначимым)

Основные уравнения регрессии (для значений коэффициента восстановления по углу К*< ):

A. Для частщ древесины оставшихся на ситах с диаметром
отверстий:

20 мм: fa = 0,664 + 0,091 \ + 0,038 2 (4)

20 мм: Ai = 0,536 + 0,089 \ + 0,057 xf (5)

5 мм: Ad. = 0,465 + 0,084 Xg + 0,051 Х (6)

B. Для частиц коры оставшихся на ситах с диаметрами от
верстий: _к

20 да: Кё. = 0.526 + 0,076 % + 0,055 х| (7)

10 мм: Act = 0,433 + 0,096 \ + 0,080 Х (8)

5 мм: А* = 0,372 + 0,097 3 + 0,086 xf (9)

Для выявления оптимального угла падения частиц щепы на отражательный экран проведена экспериментальная оптимизация методом сканирования. В качестве критерия-оптимальности КО была введена относительная величина В, характеризующая степень рассеивания средних траекторий отскока факала частиц древесины и факела частиц коры. В качестве ограничивающих условий функционирования объекта выбраны интервалы варьируемых факторов.

Математически задача оптимизации сформулирована в виде:

ВШ= max ? , .

В результате решения задач оптимизации найдены оптимальные углы падения частиц щепы на отражательный экран.

Параметр частоты вращения барабана,метателя выбран исходя из конструктивных соображений, на основании анализа исследований Сухорукова О.И. по изучению пневматических параметров центробежного метателя щепы, схожего по конструкции с применяемым нами в экспериментальной установки. Анализ исследований Сухорукова О.И. позволяет рекомендовать при использовании пне-вмоударного сепаратора щепы в производственных условиях, в качестве метательной установки любую серийно выпускаемую руби-тельную машину с верхним выбросом щепы, а в качестве параметра частоты вращения барабана метателя сепаратора, значение И = 1820 об/мин.

Для расчета траекторий отскока частиц щепы в разделительной камере пневмоударяого сепаратора проведена регистрация поперечного воздушного потока.

Регистрация воздушного потока Ut, проводилась по динами-несксщу. напору Р_ с последующим перерасчетом. Динамический напор воздушного потока замерялся пневматической трубкой Прандт-ля, подключенной к жидкостному микроманометру.

Измерейия Р_ проводились для трех значений положения заслонки вентиляционного окна. Для каждого положения засклонки замеры-цроизводашсь в пяти точках.

В четвертом разделе приведено описание исследований проведенных ва разработанной имитационной модели процесса дан-

кения с целы) решения задачи но определению значений координат местоположения .разделительных перегородок установки.

Математическую основу модели составили полученные уравнения движения (3) частиц щепы в пневмоударном сепараторе. Модель является моделью последовательности критических собы- . тий, (уравнения в ней даны в относительном времени). За начало процесса принято время t - 0 (момент взаимодействия первой частицы щепн с отракательным экраном), все остальные собнтия данного процесса отсчитывались от этого момента.

Принцип работы модели состоит в следующем:

1. Генерирует массивы коэффициентов восстановления по скорости и углу.

2. Производит ранжирование элементов массивов в порядке возрастания их значений.

3. Рассчитывает число испытаний (дублирований) необходимое для получения характеристик случайной величины.

4. Вычисляем значение скоростей и углов отражения частиц щепы от отражательного экрана.

5» Вычисляет координаты траекторий отскока частиц и ранжирует их.

6. Формирует массивы значений координат расположения разделительных перегородок установки.

7. Вычисляет значение распределения древесных частиц по зонам разделительного бункера установки, определяет значение содержания коры в каждой зове.

8. Производит обработку статистических данных.

На имитационной модели проведены экспериментальные исследования зависимостей значений координат расположения разделительных перегородок УІ , У2 (рис. I) я выходов продуктов очистки щепы Р от исходного содержания коры в щеле. В качест-. ве выходной величины был принят полином первой степени. Эксперимент носил активный характер и проводился в соответствии с полным факторным планом.

* В результате обработки данных имитационного эксперимента получены регрессивные зависимости, построены номограммы, позволяющие определять располоаэния разделительных перегородок

- U -сепаратора, прогнозировать выхода продуктов очистки щепы в зависимости от исходного содержания коры в щепе.

Эля первого продукта

На рис.. 4 приведены графические зависимости выходов продуктов очистки щепы по фракциям в зависимости от исходного содержания коры при условии содержания корн в первом продукте очистки 1,5%, во-второы 8$.

В пятом разделе произведен расчет экономической эффективности применения пневмоударных сепараторов щепы, имеющих оптимальные параметры.

їй IS 2В IS 38 35 С*У*

Рис. 5. Зависимость выхода продуктов очистки щепы по фракциям в зависимости от

На основании данных расчета сделан вывод, что применение пневмоударных сепараторов позволяет получить экономический эффект от очистки щепы 3,33 руб/м³.

В приложениях к диссертации

исходного содеркаяия коры» приведена статистическая информация о размерах частиц, результатах экспериментальных исследований;, приведен пакет разработанных прикладных машинных программ.

1. На основании проведенных исследований разработан процесс выделения коры из щепы пневмоударным сепаратором» Исследованиями установлена возможность эффективного применения этого процесса для очистки щепы от коры.

2. Разработаны методические основы расчета пневмоударных сепараторов щепы.

3. Экспериментально определены зависимости значений коэффициентов восстановления по скорости и углу от варьируемых факторов для характерных частиц щапы.

4. Значения коэффициентов восстановления по скорости и углу не зависят от скорости падения частиц щепы на отранагель-ный экран, в изучаемых нами пределах изменения скоростей па-

дения, а зависят от угла падения "частиц йа отражательный экран и параметров частиц.

5. Найдены режимы очистки щепы, полученной из лесосечных отходов, обеспечивающие снижение содержания коры в щепе до уровня, удовлетворящего требованиям целлюлозно-бумажного производства. Рекомендуются следующие режимы работы пнев-моударного сепаратора щепы: частота вращения барабана метателя Ч я 1820 об/мин; угол падения частиц щепы на отражательный экран: для частиц щепы оставшихся на ситах с диаметром отверстий: 20 мм - = 42 град, 10 мм - d = 40 град, 5 мм - ot = 37 град.

Значение координат УІ , У2 месторасположения перегородок разделительного бункера сепаратора щепы, выхода продуктов очистки мойНо определить из номограмм, построенных по результатам имитационного моделирования.

6. При использовании пневмоударного сепаратора в производственных условиях рекомендуется в качестве метательной установки использовать любую серийно выпускаемую рубительную машину с верхним выбросом щепы.

7, Применение пневмоударных сепараторов экономически целесообразно. Годовой экономический эффект от очистки щепы от коры при объеме переработки 190 тыс.пл.м³ составит 633 тыс.руб.