Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса 19
1.1. Анализ исследований в области пневмосепарирования зернопродуктов 19
1.2. Конструкции гравитационных воздушных сепараторов 3 3
1.3. Исследования диаметрального вентилятора, требо-вания к вентилятору воздушного сепаратора 52
1.4. Современные проблемы- сепарирования сыпучих материалов в псевдоожиженном слое 63
1.5. Классификация центробежных воздушных сепараторов 71
1.6. Выводы 77
Глава 2. Теоретические исследования процессов в возджых сепараторах 80
2.1. Процессы в гравитационных воздушных сепараторах 80
2.1.1. Аналитическая оценка эффективности пневмо-сепарирования в вертикальном рабочем канале 80
2.1.2. Оценка общего коэффициента извлечения примесей в воздушных сепараторах 87
2.1.3. Влияние характеристики вентилятора на эффективность пневмосепарирования 110
2.1.4. Исследование движения частиц примесей в воздушном сепараторе 117
2.2. Процессы в сепараторе с псевдоожиженным слоем.. 143
2.2.1. Обоснование новой схемы процесса сепарирования зернопродуктов в псевдоожиженном слое 143
2.2.2. Уровень поверхности раздела компонентов. 147
2.3.3. Вынос легких частиц из псевдоожиженного слоя 150
2.3. Процессы в сепараторе роторного типа... 155
2.4. Выводы . 156
Глава 3. Объекты исследований, экспериментальные установки, методы исследований 162
3.1. Порционный парусный классификатор 162
3.2. Установка для изучения процессов в вертикальном рабочем канале 168
3.3. Установка для изучения процессов в сепараторе с замкнутым циклом воздуха (ЗЦВ) 170
3.5. Стенд для испытаний диаметрального вентилятора 185
3.6. Установка для изучения процессов в сепараторе с комбинированным циклом воздуха (КЦВ)... 192
3.7. Установка для изучения процессов в пневмо-транспортном аспираторе 197
3.8. Установка для изучения свойств псевдоожиженного слоя зернопродуктов 202
3 .9.Установка для изучения процессов в сепараторе с псевдоожиженным слоем 206
3.10.Основные методические предпосылки.' Общая методика обработки экспериментальных данных... 209
Глава 4. Проверка адекватности основных теоретических предпосылок физическим процессам в сепараторах .. 211
4.1. Проверка аналитического метода оценки эгарективности пневмосепарирования в вертикальном рабочем канале 211
4.2. Траектории частиц в осадочной камере сепаратора с ЗЦВ 216
4.3. Траектории частиц в транспортном канале сепаратора 232
4.4. Рациональная жесткость характеристики давления вентилятора для воздушного сепаратора 236
4.5. Правомерность применения гидродинамических аналогий к процессу сепарирования в псевдоожи-женном слое 241
4.6. Извлечение легкого компонента из движущегося псевдоожиженного слоя переменной толщины 244
4.7. Траектории зерновок и частиц примесей в межлопаточном канале сепаратора роторного типа.. 250
4.6. Выводы 253
Глава 5. Экспериментальное обоснование основных параметров новых воздушных сепараторов 257
5.1. Сепаратор с ЗЦВ 257
"5.I.I. Выявление области применения воздушного сепаратора при разделении различных зернопродуктов 257
5.1.2. Параметры вертикального рабочего канала 264
5.1.3. Параметры осадочной камеры. 280
5.1.4. Разработка новой аэродинамической схемы диаметрального вентилятора 293
5.2. Сепаратор с ВДВ 302
5.2.1. Параметры канала отвода запыленного воздуха 302
5.2.2. Эффективность извлечения мучки в сепараторе с КЦВ 304
5.2.3. Рациональное соотношение расхода обновляемого воздуха к расходу вентилятора 311
5.3. Пневмотранспортный аспиратор 313
5.3.1, Изменение аэродинамических свойств разделяемых компонентов в зависимости от плотности воздуха. 313
5.3,2. Параметры приемно-распределительного устройства 319
5.3.3. Параметры осадочной камеры 330
5.3.4. Рациональная удельная зерновая нагрузка на рабочий канал 333
5.3.5. Эффект очистки зерна пшеницы от примесей в пневмотранспортном аспираторе 334
5.4. Сепаратор с псевдоожиженным слоем 337
5.4.1. Специфические особенности экспериментов... 337
5.4.2. Параметры процесса 338
5.4.3. Конструктивные параметры 341
5.4.4. Обобщение параметров сепаратора с псевдоожиженным слоем 348
5.5. Выводы 349
Глава 6. Реализация основных результатов. исследований... 352
6.1. Воздушный сепаратор марки УІ-БСЗ с расслаивающим вибролотком 352
6.2. Аспиратор типа АІ-БДЗ с диаметральным вентилятором 356
6.3. Универсальный воздушный сепаратор с комбинированным циклом воздуха марки АІ-БДК-2,5 365
6.4. Пневмотранспортный аспиратор А1-ПТ. 371
6.5. Лабораторный воздушный сепаратор для механизации лабораторных анализов зернопродуктов.. 376
6.6. Сепаратор с псевдоожиженным слоем СПОС 380
6.7. Сепаратор роторного типа. 384
6.8. Выводы 386
Заключение 392
Литература 395
Приложения 425
- Современные проблемы- сепарирования сыпучих материалов в псевдоожиженном слое
- Обоснование новой схемы процесса сепарирования зернопродуктов в псевдоожиженном слое
- Установка для изучения процессов в сепараторе с замкнутым циклом воздуха (ЗЦВ)
- Правомерность применения гидродинамических аналогий к процессу сепарирования в псевдоожи-женном слое
Введение к работе
Актуальность проблемы. , Организация выпуска современного высокопроизводительного оборудования для элеваторов, мельниц,' крупозаводов, комбикормовых предприятии, а также повышение технического уровня предприятий мукомолъно-крупяной и комбикормовой промышленности на базе применения высокоэффективного оборудования и передовой технологии относятся к важнейшим направлениям государственной технической политики.
В процессах переработки зерна важное место занимают сепарирующие машины. От эффективности их работы существенно зависят выход и качество готовой продукции. Из всего сепарирующего оборудования значительная часть приходится на воздушные сепараторы и пневмосепарирующие органы, встраиваемые в различные машины.
3 элеваторно-складском хозяйстве, мукомолько-крупяной и комбикормовой промышленности пкевмосепарирование является одним из основных процессов к используется для сортирования семян, очистки зерна и обогащения продуктов его размола, разделения продуктов шелушения зерна крупяных культур. Без высокоэффективных воздушных сепараторов невозможно обеспечить совершенный технологический процесс.
Наибольшее распространение воздушные сепараторы получили на крупозавода:-:. Так, например, из всего технологического оборудования шелушильных отделений крупозаводов до 50-60# составляют воздушные сепараторы. На один крупозавод приходится от 10 до 40 воздушных сепараторов. Примерно 60? из них - сепараторы, работающие на замкнутом цикле воздуха.
- I0 -
К готовой продукции крупозаводов, предъявляются высокие требования по содержанию лузги и мучки. Так, например, в гречневой и рисовой крупе высшего сорта содержание лузги не допускается. В овсяной крупе высшего сорта.содержание лузги и мучки не должно превышать соответственно 0,05 и 0,3^. Поэтому.при воздушном сепарировании продуктов переработки крупяных культур стремятся к максимальному отделению лузги и мучки, однако невысокий технологический эффект существующих воздушных сепараторов заставляет после каждой шелушильной системы и при контроле крупы или лузги пропускать через них продукт не только дважды, но иногда и трижды, что предусмотрено "Правилами организации и ведения технологического процесса на крупяных предприятиях" fief]
Расход воздуха на перерабатывающих предприятиях, составля -ет 20^-25 м3 на тонну готовой продукции [139] . В законе СССР об охране атмосферного воздуха [і 12] сказано, что при "создании и.совершенствовании технологических процессов и оборудования должны приниматься меры, обеспечивадцие минимально необходимое потребление атмосферного воздуха для производственных нужд... При этом должны предусматриваться улавливание... отходов или полное исключение зыбросоз загрязняющих веществ". Зтому Б полной мере отвечают воздушные сепараторы с замкнутым циклом воздуха (ЗЦВ), поскольку он:: не только не требуют очистки использованного воздуха в пылеотделителнх, но и практически исключают воздухообмен с атмосферой, кроме того, потребляют энергии на 22-36?» меньше, чем машины, работающие на переменном объеме воздуха [і67] Однако, за длительное время существования воздушных сепараторов с ЗЦВ (аспираторов) не было сделано сколько-нибудь существенных изменений, направленных на повышение их технологической эффективности. К недостаткам аспираторов относятся несовершенство оабо-
- II -
чих каналов и питающих устройств, осадочных камер, относительно больше габариты машин, неравномерность поля скоростей воздушного потока вследствие его многократного деформирования внутри машин. Последний недостаток обусловлен главным образом применением в аспираторах радиального вентилятора.
В пневмотранспортных установках зерноочистительного отделения мукомольных заводов применяют две группы пневмоаспирато-ров (пневмотранспортных аспираторов), выполняющих функции разгрузителя зерна и воздушного сепаратора. В машинах первой группы для очистки зерна от аэроотделимой примеси используется воздух, освободившийся после операции транспортирования продукта. В машинах второй группы к транспортирующему воздуху для осуществления процесса сепарирования добавляется воздух подсасываемый из рабочего помещения. Низкий технологический эффект пневмоаспи-ратороз первой группы является следствием противоречия, заключающегося в том, что для транспортирования и эффективного пневмо-сепарирования зерна требуется различный удельный расход воздуха
о о
(соответственно ~200 м /т и ~400 м /т), т.е.фактический расход воздуха примерно вдвое меньше расхода, требуемого на сепарирование. Пнезмоаспираторы второй группы, забирая воздух из помещения, создают в нем повышенное разрежение и, как следствие, - повышенный воздухообмен. При этом ухудшается санитарно-гигиеническое состояние рабочих помещений, увеличивается энергоемкость и металлоемкость пневмотранспортной установки, увеличиваются выбросы загрязненного воздуха в атмосферу.
3 существующих воздушных сепараторах, используемых в крупяном производстве, лузга и мучка извлекаются в одну фракцию, хотя с точки зрения потребительской ценности они являются разнородными продуктами. Для разделения продуктов шелушения крупя-
ных культур на три фракции: ядро, лузгу и мучку требуется искать новые способы сепарирования, например, с использованием псев-доожиженного слоя. Причина того, что некоторые достоинства псев-доожиженного слоя не удается пока реализовать при сепарировании зернопродуктов, заключается в специфичности свойств сепарируемых смесей, повышенных требованиях к четкости разделения компонентов и недостаточной изученности процесса сепарирования сыпучих продуктов в псевдоожиженном слое.
Пневмосепарированию сыпучих материалов, в т.ч.зернопродуктов, посвящено значительное количество исследований, разработано множество конструкций воздушных сепараторов. Вместе с тем, несмотря на то, что по многим аспектам этого процесса получены существенные результаты, ряд важных проблем пневмосепарирования зернопродуктов требуют своего решения.
Многообразие способов и средств пневмосепарирования сыпучих материалов требуют обобщений теоретического и практического плана, на основе которых можно проводить разработку эффективных способов и средств сепарирования зернопродуктов с помощью воздушного потока, построение технологических процессов с применением высокоэффективных воздушных сепараторов.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что создание научных основ совершенствования процесса пневмосепарирования с использованием воздушного потока является крупной и актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Решение данной проблемы осуществлялось с 1968 по 1992 г. в Московском технологическом институте пищевой промышленности в соответствии с координационными планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по элеваторной и мукомольно-
- ІЗ -
крупяной промышленности Министерства хлебопродуктов (заготовок) СССР (темы 3,01.14, 3.04.07, 3.02.02), а также отдельными заказами промышленности..
В диссертации обобщены результаты хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, в которых диссертант является ответственным исполнителем или руководителем, а также работ пяти аспирантов, выполненных под руководством диссертанта.
Целью работы является решение проблемы интенсификации процесса пневмосепарирования при промышленной переработке зерна на основе внедрения результатов научных исследований при создании высокоэффективных воздушных сепараторов.
Задачи исследований:
систематизация параметров и показателей, характеризующих способы и средства пневмосепарирования зернопродуктов ;
выявление резервов повышения эффективности пневмосепарирования в основных элементах воздушных сепараторов ;
разработка и анализ математических моделей процессов в воздушных сепараторах, отражающих влияние этих процессов на технологическую эффективность ;
обоснование структурных схем и рациональных конструктивных и технологических параметров новых высокоэффективных воздушных сепараторов ;
разработка, производственная проверка (испытания) и внедрение в промышленность высокоэффективных сепараторов.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются продукты шелушения основных крупяных культур, зерно пшеницы и аэроотделимые примеси применительно к процессу пневмосепарирования и оборудованию для осуществления этого процесса.
В работе использованы методы теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования, теоретической механики, кино- и фотосъемки процессов и др.
Экспериментальные исследования выполнены на специально созданных установках в лабораторных условиях МТИПП, а также на экспериментальных и опытных образцах новых воздушных сепараторов в производственных условиях крупяных и мукомольных заводов.
Обработка результатов экспериментальных исследований выполнена графо-аналитическим методом и на ЭВМ.
Достоверность результатов обеспечивается применением современных средств и методов экспериментальных исследований, обоснованностью теоретических положений. Она подтверждается сопоставимостью теоретических предпосылок с результатами эксперимент и положительным опытом, полученным при промышленном внедрении результатов исследований. Выводы базируются а научных положениях.
Научная новизна. Разработан аналитический метод оценки технологической эффективности процесса пневмосепарирования в вертикальном рабочем канале, учитывающий вероятностные (частотные) характеристики распределения скорости воздушного потока в канале и скорость витания разделяемых компонентов, засоренность исходной смеси.
Предложен метод оценки эффективности работы сепаратора с замкнутым циклом воздуха, учитывающий коэффициенты извлечения примесей в рабочем канале и осаждения их в осадочной камере, как средневзвешенные величины при выделении из исходной смеси примесей, неоднородных по своим аэродинамическим свойствам.
Научно обосновано влияние характеристики вентилятора на технологическую эффективность сепаратора с замкнутым циклом воз-
духа. Предложен метод определения оптимальной жесткости характеристики вентилятора.
Теоретически и экспериментально обоснованы, а также реализованы возможности создания новых высокоэффективных воздушных сепараторов с замкнутым и комбинированным циклами воздуха и пневмотранспортного аспиратора, совмещающего внутри рабочего канала транспортирующий воздушный поток с дополнительным потоком, циркулирующим внутри машины. Научно обоснованы рациональные структурные схемы этих воздушных сепараторов и параметры основных элементов машин.
На основе материального баланса частиц примесей при движении их по воздушным трассам сепаратора с комбинированным циклом воздуха и пневмотранспортного аспиратора предложены математические зависимости для определения общего коэффициента извлечения примесей с учетом эффективности отдельных элементов этих сепараторов.
Теоретически и экспериментально обоснован новый способ воздушного сепарирования полидисперсных сыпучих материалов в поступательно движущемся псевдоожиженном слое и определены основные параметры данного сепаратора для разделения продуктов шелушения крупяных культур.
Практическая значимость работы заключается в применении результатов теоретических и экспериментальных исследований диссертанта при разработке и внедрении в промышленность высокоэффективных воздушных сепараторов, во включении новых воздушных сепараторов в "Правила организации и ведения технологического процесса на крупяных предприятиях", нормали ЦНИИ Промзернопроект, ОСТ 27-40-809-86 "Аспираторы с замкнутым циклом воздуха. Тех-
вические условия".
Министерство хлебопродуктов СССР приняло к внедрению новые высокоэффективные воздушные сепараторы, разработанные с использованием результатов настоящей работы и с непосредственным участием диссертанта: сепаратор зерновой УТ-БСЗ для разделения продуктов шелушения крупяных культур и пшеницы ("Указание о внедрении... № 8-22/1050 от 29.12,84 г."), аспираторы АІ-БДЗ-6 и AI-БДЗ-І2 ("Указание о внедрении... і 8-22/751 от 02.09.89 rl'), сепаратор воздушный универсальный марки А1-БДК-2,5 ("Указание о внедрении... В 8-І 1/3592 от 05.05.89 г.").
Аспиратор АІ-БДЗ-6 и сепаратор АІ-БДК-2,5 экспонировались на ВДНХ СССР. За разработку и научное обоснование схем и параметров этих машин, участие в разработке и внедрении этих машин диссертант награжден золотой и серебряной медалями ВДНХ, а за лучшую научную работу "Совершенствование технологии на гречеза-водах и хлебоприемных предприятиях",' на основе которой разрабатывались высокоэффективные сепараторы, награжден дипломом Госкомитета СССР по народному образованию и ЦК профсоюза работников просвещения, высшей школы и научных учреждений.
На основе аспираторов АІ-БДЗ-6 и АІ-БДЗ-І 2, выпускаемых серийно Киевским заводом игл.Петровского, проведена реконструкция рисозавода Славянского на Кубани комбината хлебопродуктов, аспиратор АІ-БДЗ-І2 включен в состав сепаратора для очистки риса-зерна АІ-БРС.
В целом результаты работы дают возможность .уменьшить потери полноценного зерна с отходами, улучшить качество и повысить выход готовой продукции зерноперерабатывающих предприятий, при снижении ее себестоимости за счет энергосбережения и уменьшения
капитальных затрат. Внедрение новых сепараторов, кроме того, способствует улучшению условий труда в производственных помещениях и охране окружающей среды за счет уменьшения воздухообмена с атмосферой.
По материалам диссертации получено II авторских свидетельств на изобретения. Теоретические, экспериментальные и методические разработки могут быть использованы при дальнейшем совершенствовании имеющейся и разработке новой техники и технологии зерна.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях М'БШП с 1967 по 1991 г.и на Всесоюзных научных конференциях: "Технология и техника пищевой и микробиологической промышленности и системы заготовок на основе современных технических методов и средств", Москва, 1980 г. ; "Разработка и совершенствование технологических процессов, машин и оборудования для производства, хранения и транспортировки продуктов питания", Москва, 1987 г. ; "Пути повышения качества зерна и зернопродуктов, улучшения ассортимента крупы, муки и хлеба", Москва, 1989 г. ; "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и с/х сырья", Москва, 1989 г. ; "Основные направления научно-технического прогресса в крупяной промышленности", Краснодар, 1990 г. ; Научной конференции, посвященной 60-летию МТИПП, Москва, 1991 г. ; на технических советах: Министерства хлебопродуктов РСФСР, ПО "Мосгорхлебопродукт" ; на семинарах лаборатории сепарирования и методкомиссиях ВНИИЗ ВНПО "Зернопродукт".
Отдельные разделы диссертационной работы отражены в отчетах по II госбюджетным и хоздоговорным НИР, в которых автор принимал участие.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе. Нектороые результаты работы включены в научно-техническую литературу - В.В.Гортинский, А.Б.Демский, М.А.Борискин "Процессы сепарирования на зерноперерабатывающих предприятиях" 4/1.: Колос, 1980. С. 160-202 ; Оборудование для производства муки и крупы. Справочник /А.Б.Демский, М.А.Борискин, Е.В.Тамаров, А.С.Чернолихов. 4/1. ; Агропромиздат, 1990. C.II-I5.
Публикации. Основные научные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертации содержатся в 44 опубликованных работах, в том числе 2 брошюрах, 24 статьях, II авторских свидетельствах на изобретения.
Объем диссертации. Общий объем диссертации 449 страниц, она состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и семи приложений. Содержит 12|> рисунков, 17 таблиц ; спи-сок литературы включает 298 наименований, приложения представлены на 25 страницах.
На защиту выносятся:
принципы и методы оценки технологической эффективности процесса пневмосепарирования зернопродуктов в воздушных сепараторах ;
научное обоснование направлений совершенствования гравитационных воздушных сепараторов с вертикальным рабочим каналом ;
положение о влиянии характеристики вентилятора на технологическую эффективность воздушного сепаратора с замкнутым циклом воздуха ;
обоснование принципов построения, функционирования новых воздушных сепараторов с псевдоожиженным слоем и центробежного сепаратора роторного типа.
- 19 - .
Современные проблемы- сепарирования сыпучих материалов в псевдоожиженном слое
За последнее время в технике получают широкое распространение процессы, использующие метод псевдоожижения сыпучих материалов. Такие процессы применяются з химической, нефтяной, горнорудной, топливной и других отраслях промышленности, а сфера их использования неуклонно расширяется. Технологические процессы, протекающие в псевдоожпженном слое, отличаются высокой интенсивностью и простотой аппаратурного оформления, поддаются точному контролю и автоматическому регулированию независимо от масштабов производства [207J . Однако, на зеркоперерабатызающих предприятиях для. сепарирования зерновых смесей этот спссоб пока не нашел применения. Причину этого можно видеть в специфике технологических процессов Переработки зерна, сложившихся традициях производства и недостаточной изученности вопроса.
Аэрация восходящим воздухом совместно с направленными вибрациями, приводящая к псевдоожижению продукта, применяется для сепарирования зерновых смесей в пневмосортировальных столах, камне отборниках, концентраторах и другом оборудовании вибропневматического действия. Однако, вибрации рабочих поверхностей увеличивают расход энергии и усложняют конструкцию сепараторов. Обзор машин вибропневматического действия и исследований соответствующих процессов можно найти в работах Л.И.Мачихиной [ібв] » А.А. Шемберга [8 , 248] , А. Х.Джаяилова [lOO] , М.П.Черняевой [246] и других исследователей. Наибольший интерес представляют, благодаря своей простоте, сепараторы с неподвижной пористой перегородкой. Рассмотрим некоторые из схем таких сепараторов.
Аппарат (рис.1.13), предложенный П.З.Классеком [128] , не обеспечивает одинаковых условий сепарации по рабочему объему аппарата, так как в непосредственной близости от места поступления смеси вместе с мелкими частицами могут уноситься и неуспевшие погрузиться на дно- крупные, для которых экспозиция обработки мала.
Недостатком аппарата для очистки зерна в поезд осжиженном слое (рис.1.14) по а.с.СССР В 747537 [l2 ] является нестабильность положения пс вертикали границы раздела компонентов, ввиду колебаний нагрузки, изменения сопротивления пористой перегородки по мере ее забивания пылевидными частицами. Поэтому па аппарате не возможно добиться высокого технологического эффекта счистки зерна, т.к.из-за нестабильности процесса компоненты будут попадать з несвойственные им фракции.
Псевдоожижекный слой открывает новые возможности для сепарирования сыпучих материалов, в частности зернопродуктов, для существенного совершенствования данного способа сепарирования необходимо создать сепаратор с псевдосжиженным слоем, в котором исключались бы недостатки аппаратов, представленных на one.I.13 и I.I4. Глазное - необходимо добиться при создании тако го аппарата, чтобы колебания границы раздела компонентов не сказывались на эффективности и стабильности процесса пневмосепарирования. Это возможно при раздельном выводе из рабочей зоны фракций в разные стороны по вертикали, что существенно уменьшит вероятность попадания частиц разделяемых компонентов в несвойственные им фракции. Выделение отдельно в одном аппарате третьей, наиболее легкой фракции, например, мучки, при сепарировании продуктов шелушения крупяных культур позволит исключить из технологического процесса шелушильного отделения крупозавода ситовые сепараторы, осуществляющие отбор мучки.
Средняя скорость воздушного потока (скорость фильтрации) в сепараторах с псевдоожиженным слоем в несколько раз меньше скорости воздуха в рабочем канале гравитационных воздушных сепараторов, применяемых на зерноперерабатывающих предприятиях. Благодаря этому могут быть созданы аппараты, в которых исключается или существенно уменьшается содержание тяжелого компонента в легкой фракции, т.е.могут быть уменьшены потери годного продукта с отходами. Д.Куний и О.Левеншпиль в книге "Промышленное псевдоожйже-ние" [Х4б] отмечают, что псевдоожижение получило быстрое распространение, "...вызвав к жизни обширные исследования ; имеется тысяча публикаций по этому поводу" (стр.10). цитированная книга, а также книга "Псевдоожижение" под редакцией уІ.Девидсона и Д.Харрисона, вышедшая в русском переводе в 1974 году с существенными замечаниями и дополнениями Н.И.Гель-перина [207] и монография д.Ейтса "Основы механики псевдоожижения приложениями" [I08J содержат огромный перечень литературы и обобщают основные результаты научных исследований в области псевдоожижения.
В указанных выше книгах и в книге "Расчеты аппаратов кипящего слоя. Справочник" [21О] содержатся многочисленные сведения о практическом применении псевдоожижения в технологических -целях.
Авторы многих работ отмечают, что существует в основном два способа разделения или классификации сыпучих материалов в псевдоожиженном слое. В одном случае легкий компонент извлекают за счет его "всплывания" на поверхность слоя, а в другом - за счет уноса из наделоевого пространства.
В принципе нас интересует такой процесс пневмосепарирования в псевдоожаженном слое, при котором осуществляются одновременно оба способа, так как в этом случае при разделении, например, продуктов шелушения крупяных культур молено.получить три фракции: ядро, лузгу и мучку. Лузгу при этом можно выделить за счет ее в сплыв ания над слоем ядра, а мучку - за С ЇЄТ уноса из надело- езого пространства. Послойное движение полидисперсного сыпучего материала, как результат расслоения смеси, возникающее при перемешивании псевдоожиженного слоя на наклонной пористой перегородке, подробно рассмотрено з работе В.д.Журазлева [і09] .
Рядом отечественных ученых: С.С.Забродским [по] , 0.л.Тодесом [236] , М.Н.Тагаковым [208] успешно развивается, так называемая "Кинетическая теория", базирующаяся на статической модели псевдоожиженного слоя. Однако, наибольшее число исследователей придерживаются двухфазной теории, основу которой составляет "пузырьковая " модель псевдоожиженного слоя. В развитии этой теории необходимо отметить существенный вклад отечественных ученых Н.И.Гельперина и В.Г.Айнштейна [б9] , А.П.Баскакова [зо] и многих других.
Обоснование новой схемы процесса сепарирования зернопродуктов в псевдоожиженном слое
Очевидные достоинства процессов, использующих метод псевдоожижения сыпучих материалов, а также возможность устранения недостатков существующих аппаратов, указанные в 1.4 (см.глД), побудили нас к попытке создать новый способ сепарирования зернопродуктов в псевдоояиженном слое [Ю 9 13 , 40 , 75 , 76. , 77 ,78 , 145] . В кандидатской диссертации автора [5l] , был разработан так называемый аэропитатель с псевдосниженным слоем, ! как устройство для предварительного расслоения смеси перед подачей ее в вертикальный рабочий канал прямоугольного сечения. Расслоение исходной смеси уменьшает вероятность столкно--вения и сцепления частиц разделяемых компонентов в рабочем канале, т.к.аэродинамически легкая фракция располагается в верхнем слое предварительно подготовленной смеси. Это позволило существенно повысить эффективность сепарирования продуктов шелушения проса, на которых было проведено исследование. Первый положительный опыт применения псевдоожиженно-го слоя для подготовки смеси к сепарированию в вертикальном рабочем канале послужил основой для дальнейшего обоснования новой схемы процесса пнезмосепарирования в самостоятельном устройстве, работающем только на принципе псевдоожижения. Наблюдение за поведением продуктов шелушения проса при псевдоожижении на неподвижной наклонной пористой перегородке показало, что лузга и ядра расслаиваются с четкой границей разделения этих компонентов, а мучка уносится восходящим воздушным потоком из кадслоезого пространства. Расслоение возможно в широком диапазоне скоростей ожижа-ющего агента, для каждой смеси имеется оптимальная скорость, при которой происходит наиболее полное расслоение за минимальное время.
Оптимальная скорость обычно несколько превышает скорость начала псездоожижения тяжелого компонента [l48j . При движении псевдоожиженного материала по наклонной пористой перегородке с непрерывной подачей и выводом.сыпучей смеси время воздействия на нее ожижакщего агента можно регулировать изменением длины и наклона пористой перегородки, причем оптимальной с точки зрения энергоемкости является минимальная длина, необходимая и достаточная для наиболее полного расслоения. В реальных условиях происходят колебания весового соотношения компонентов, скорости фильтрации воздуха (скорости ожижающего агента), подачи смеси на перегородку, что ведет к колебаниям положения границы раздела компонентов. Поэтому невозможно эффективное разделение расслоенного сыпучего материала при помощи ножа-рассекателя _126 , 246] , плоскость которого пытаются совместить с поверхностью раздела легкой и тяжелой фракций, что практически неосуществимо. Глазной задачей, которую необходимо было решить в первую очередь, является раздельное выведение из аппарата фракций с минимальным присутствием в них несвойственных им компонентов. При решении такой задачи требуется также устрашіть влияние неизбежных колебаний границы раздела по высоте на результаты сепарирования. Этим требованиям отвечает схема процесса сепарирования в псездоожиженном слое, представленная на рис.2.18. Рассмотрим процесс применительно к сепарированию продуктов шелушения крупяных культур, состоящих из трех компонентов: ядра, лузги и мучки, по аналогии с капельной жидкостью. [б8 , 14б] . Исходная смесь из питающего бункера поступает слоем высотой
Установка для изучения процессов в сепараторе с замкнутым циклом воздуха (ЗЦВ)
Установка представляет собой модель предлагаемого (см. 2.1.2, рис.2.3) воздушного сепаратора с замкнутым циклом воздуха в натуральную величину (с длиной рабочего канала 200 мм) [209, 214, 242] . Общий вид установки представлен на рис.3.5 схема - на рис.3.6. Установка устроена следующим образом. Питатель I соединен с рабочим каналом 2. Конструкция питателя такова, что подача исходного продукта может производиться как самотеком, через верхний приемный патрубок 3, так и через щеле-видное отверстие в стенке питателя с помощью вибролотка.
Питатель I снабжен грузовым клапаном 4 для стабилизации подачи исходного продукта. Для изменения угла ввода продукта в рабочий канал предусмотрена регулируемая наклонная направляющая плоскость 5. Рабочий канал прямоугольного сечения имеет регулируемую ширину от 60 до 140 мм, регулирование ширины производится путем пе-. ремещения стенки рабочего канала, для чего предусмотрены направляющие устройства 6. Для выравнивания воздушного потока на входе в рабочий канал установлено обтекаемое тело каплевидной формы 7. В нижней части рабочий канал соединен с грузовым клапаном 8 для вывода очищенного продукта, а в верхней части с осадочной камерой 9. Ввод воздуха с относами в осадочную камеру осуществляется по криволинейному транспортному каналу 10. В нижней части осадочной камеры установлен грузовой клапан 12 для вьюода осажденных относов. На входе в осадочную камеру установлена регулирующая заслонка II для изменения расхода воздуха, т.е.скорости воздуха в рабочем канале. На выходе из осадочной камеры, перед рециркуляционным каналом ІЗ, в корпус установки встроен диаметральный вентилятор 14 с основанием 15. Привод вентилятора осуществляется от электродвигателя 16 через клиноременную передачу 17 с набором шкивов для изменения частоты вращения ротора (от 500 до 1500 об/мин). Установка смонтирована на раме 18. Боковые стеніси выполнены из оргстекла с целью визуального наблюдения за работой установки и обеспечения фотографирования и киносъемки процессов в сепараторе.
Определение параметров воздушного потока. Для получения качественной картины аэродинамических процессов в осадочной камере нами применялся метод шелковинок. По всему полю осадочной камеры с шагом 50 мм были натянуты струны, на которые свободно навешивались шелковые нити длиной 20 мм, определяющие направление скорости потока и зоны турбулентных пульсаций и вихрей. Однако недостатком этого метода является невозможность получения количественных характеристик потока в камере.
Для изучения воздушного режима в рабочем канале и осадочной камере в боковых стенках сделаны отверстия под датчики измерительных устройств. Диаметральный вентилятор создает плоско-параллельный воздушный поток, поэтому нами использовались устройства и приборы для измерения характеристик двумерного потока: термоанемометр ЭА-2М - при скорости воздуха до 5 м/с и цилиндрический зонд № I при скорости воздуха более 5 м/с.
Одноточечный полупроводниковый термоанемометр типа ЭА-2М предназначен для измерения температуры, скорости и направления воздушных потоков с пределом измерения 5 м/с и погрешностью, согласно паспортным данным, не более 5#. Цилиндрический зонд ] I предназначен для определения величины скорости и направления двумерного воздушного потока [l77j . Схема зонда 15 I и его подключения приведена на рис. 3.7. Цилиндрический зонд представляет собой трубку I, внутри которой строго фиксированно расположены трубки 2 ; своими концами 3 трубки 2 выводятся в плоскость, перпендикулярную оси зонда, на некотором расстоянии от его края. Два боковых отверстия на поверхности зонда расположены симметрично относительно центрального под углом 40. Цилиндрический зонд позволяет измерить полное давление,.динамический напор, скорость и направление воздушного потока. Направление определяют поворотом зонда вокруг оси державки до положения, при котором давления в боковых отверстиях одинаковы, угол фиксируется по лимбу.
Правомерность применения гидродинамических аналогий к процессу сепарирования в псевдоожи-женном слое
Вопрос о правомерности применения гидродинамических аналогий к течению псевдоожижеиного сыпучего материала является одним из наиболее важных в нашей работе, т.к.на этих аналогиях построено обоснование процесса сепарирования в непрерывном поступательно движущемся слое (см. 2.2.2). Для подтверждения аналогий нами были проведены две серии опытов на экспериментальной установке, представленной в 3.9 на рис.3.18. В качестве опытного материала использовали смесь обрушенного и необрушенного ядра проса. ПОСТОЯННБПЛИ параметрами во всех опытах были: / =240 мм; = 40 мм ; оС = = 1430 (см.рис.2.16). Все опыты проводили в десятикратной повторности и результаты обрабатывали методом средних. 1 серия. Выявление параметров процесса, влияющих на вели чину геометрического напора водослива. При установившемся режиме и фиксированном значении удельного расхода (удельной нагрузки) CfyQ изменяли один из трех варьируемых параметров: /7/ , / , Цр составляя два других параметра постоянными. Геометрический напор водослива /7 замеряли штангенциркулем в десяти точках по ширине рабочей поверхности. Как видно из графиков (рис.4.18), геометрический напор водослива не зависит от высоты порога Л/ , щели гІ и скорости фильтрации и ер в практически целесообразной области их изменения и является функцией удельной нагрузки фуд . 2 серия.
Определение зависимости fl(jyj) » Проверка подлежало соответствие экспериментальной зависимости OSg примененной для водослива формуле полученной из \Z.Sb). Постоянные параметры: h =24 мм ; - = 14 мм ; Удельную нагрузку изменяли от I 4 до 108 кг/см.ч и при этом замеряли высоту геометрического напора а . Результаты экспериментов приведены в виде графика и( д) на рис.4.19. Расчетом установлено, что при значении А - 9,5 средне-квадратическое отклонение экспериментальных значений от результатов расчета по формуле ( 2.53), учитывая, что &#-Ч . составляет 0,35 мм, причем наибольшее отклонение не превышает 2$. Таким образом можно признать, что с точностью погрешностей измеряемых величин в области практически целесообразных параметров гидродинамическая аналогия потока подопытного псевдо-ожиженного материала удовлетворительно согласуется с экспериментом. Проверке подлежало уравнение ( 2.69 ) для определения коэффициента извлечения лузги в рабочем каначе предлагаемого сепаратора с псевдоожиженным слоем (см.рис.2.16). Наиболее существенные отличительные особенности процесса в рабочем канале сепаратора следующие: - непрерывное скольжение нижнего слоя по шероховатой поверхности пористой перегородки сопровождается дополнительным разрыхлением сыпучего потока и увеличением порозности, что благоприятно сказьюается на выносе легкого компонента ; - переменная толщина слоя тяжелого компонента усугубляет нестабильность процесса в каждом столбике слоя, а послойное движение, особенно вблизи экрана, требует поправки на различие экспозиций обработки в различных слоях.
Раздельное влияние каждого из этих факторов выявить не представляется возможным, для проверки же их совместного влияния в качестве варьируемых параметров целесообразно использовать длину рабочего канала L% и удельную нагрузку у у по тяжелому компоненту. Эксперименты проводили на установке, представленной на рис.3.18, по методике, изложенной в 3.9. В первой серии экспериментов изменяли длину рабочего канала % от 100 до 250 мм при =(43 т 50)кг/см-ч. Остальные параметры были оптимальными для каждой опытной крупяной культуры (см.табл. 5.3 ). Экспериментально получена зависимость YJJ ( х) Для продуктов шелушения риса, проса, гречихи и ячменя. В настоящем параграфе представлен график только для продуктов шелушения проса в виду того, что для других культур получены близкие результаты, а объем данной работы требует ограничений. Из рисунка 4.20 видно, что превышение экспериментальный значений коэффициента извлечения лузги над расчетными незначительно и не превышает
