Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологических и научных проблем сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств частиц 22
1.1 Анализ современных процессов и оборудования для сепарации зернистых материалов 22
1.2 Анализ процессов и оборудования для сепарации зернистых материалов с использованием эффекта сегрегации 28
1.3 Анализ проблем моделирования сегрегации в быстрых гравитационных потоках зернистых материалов 38
1.4 Методы экспериментального исследования сегрегации и динамики течения (профилей скорости и порозности) в быстром гравитационном потоке 43
Выводы по главе 1 52
Задачи исследования 54
2 Кинетика сдвигового поточного разделения частиц. Моделирование процесса сегрегации, обусловленной локальной неоднородностью зернистой среды, в гравитационном потоке 56
2.1 Разработка метода и экспериментальной установки для определения коэффициента сегрегации в гравитационном потоке зернистой среды 56
2.2 Проверка гипотезы о пропорциональности скорости сегрегации параметру локальной неоднородности зернистой среды 68
2.3 Уточнение модели кинетики сдвиговой поточной сегрегации и исследование её прогностических свойств 79
Выводы по главе 2 98
3 Моделирование сегрегации частиц различной шерохова тости и упругости при быстром сдвиге зернистой среды 100
3.1 Моделирование процесса разделения частиц зернистой среды, различающихся по комплексу свойств, обусловленного механизмом миграции 101
3.2 Сегрегация частиц различной шероховатости и упругости по механизму сдвигового поточного разделения 105
3.3 Подготовка модельной среды, исследование ее физико-механических свойств и склонности к сегрегации 109
3.4 Моделирование эффектов взаимодействия частиц различной шероховатости в гравитационном потоке 119
3.5 Комбинированная /- А-гипотеза косого удара и моделирование эффектов взаимодействия частиц в сдвиговом потоке 127
Выводы по главе 3 145
4 Сепарация зернистых материалов по комплексу физико-механических свойств 147
4.1 Разработка технологии сепарации частиц, различающихся по комплексу физико-механических свойств, с использованием эффектов сегрегации 147
4.2 Исследование эффективности сепарации в сдвиговом гравитационном потоке зернистой среды 155
4.3 Сравнительный анализ эффективности разделения зернового материала в барабанном классификаторе при трех- и двухзональной схемах деления гравитационного потока 167
4.4 Математическая модель процесса многоступенчатой сепара ции сыпучего материала с противотоком неоднородных частиц 170
Выводы по главе 4 175
5 Моделирование процесса сепарации по технологии "Мультисег" в барабанном аппарате 177
5.1 Разработка модели барабанного классификатора, спроектированного по технологии многоступенчатой сепарации с использованием эффектов сегрегации 177
5.2 Результаты моделирования процесса сепарации в барабанном аппарате и проверка адекватности модели 195
5.3 Исследование влияния коэффициента заполнения и его неоднородности по длине аппарата на эффективность сепарации 197
5.4 Методика расчета барабанного классификатора с использованием математической модели, учитывающей неравномерное заполнение по длине аппарата 214
5.5 Результаты промышленного внедрения предложенного способа сепарации зернистых материалов 220
Выводы по главе 5 222
6 Оптимизация конструктивных и технологических параметров сепаратора "Мультисег". Практические рекомендации 224
6.1 Исследование значимости конструктивных и технологиче ских параметров методом моделирования процесса многосту пенчатой сепарации в аппарате "Мультисег" 224
6.1.1 Модельная зернистая среда и ее свойства 224
6.1.2 Исследование влияния различных факторов на эффективность сепарации 229
6.2 Постановка задачи, выбор критерия и метода оптимизации 251
6.3 Исследование оптимальных конструктивных и технологических параметров сепаратора "Мультисег" 256
6.4 Методика определения оптимальных конструктивных и технологических параметров сепаратора "Мультисег" 266
6.5 Рекомендации по реализации результатов работы 271
Выводы по главе 6 274
Основные выводы и результаты 276
Список использованных источников
- Анализ процессов и оборудования для сепарации зернистых материалов с использованием эффекта сегрегации
- Проверка гипотезы о пропорциональности скорости сегрегации параметру локальной неоднородности зернистой среды
- Сегрегация частиц различной шероховатости и упругости по механизму сдвигового поточного разделения
- Исследование эффективности сепарации в сдвиговом гравитационном потоке зернистой среды
Введение к работе
В настоящее время технология дисперсных материалов (Particle Technology) характеризуется [1] как бурно развивающаяся область науки, активно влияющая на мировую экономику. Эта технология имеет важное, все более возрастающее значение для развития химической, пищевой, горнообогатительной промышленности и многих других отраслей хозяйства. Интенсивные исследования, проводимые в рамках этой технологии, позволяют создавать новые материалы с оригинальными потребительскими свойствами, например, наноматериалы, разрабатывать эффективные технологические процессы и оборудование, а также совершенствовать действующее производство и находить решения актуальных проблем экологии.
Среди процессов технологии дисперсных материалов особое место занимает процесс сепарации, широко используемый на различных стадиях производства от подготовки сырья до конечных операций по обеспечению качества продукта. Традиционными задачами сепарации дисперсных материалов являются разделение частиц материала либо по размеру, либо по плотности. Однако, во многих случаях, в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства существует проблема сепарации частиц зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, чаще всего частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, размеру и упругости. Сепарация таких материалов сопряжена со значительными проблемами, связанными с необходимостью последовательного применения и ситовой классификации, и пневмо-гидравлической сепарации с использованием вспомогательных газо-жидкостных потоков и мощных источников вибрации. Эти обстоятельства приводят к снижению надежности и эффективности процесса, особенно в случае неправильной формы частиц, и, кроме того, являются причиной пониженной экологической безопасности вследствие загрязнения окружающей среды промышленными выбросами, а также шумо- и виброизлучением. Анализ указанной проблемы свидетельствует, что она имеет широкий межотраслевой характер и ее решение могло бы способствовать совершенствованию процессов сепарации в металлургии, энергетике, химической, горнорудной промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях.
Решение проблемы сепарации трудноразделяемых зернистых материалов предполагает разработку нетрадиционных методов, позволяющих сепарировать частицы одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, упругости и форме. С конца 1980-х годов [2,3] на кафедре ТО и ПТ ТГТУ разрабатывается технология и оборудование для сепарации зернистых материалов с использованием принципа многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц "Мультисег". Эффекты сегрегации (отделения) частиц, сходных между собой по какому-либо признаку (или комплексу свойств), организуются при этом в быстрых сдвиговых гравитационных потоках, характеризующихся интенсивным взаимодействием частиц с ярким проявлением названных эффектов. Как показывают экспериментальные исследования и опыт промышленной эксплуатации гравитационных сепараторов "Мультисег" [4], обсуждаемая проблема может быть решена с использованием эффектов сегрегации, обеспечивающих разделение частиц не только по размеру и плотности, но и по шероховатости и упругости, и форме. Однако, в случае различия частиц по комплексу физико-механических свойств при существенной их неоднородности по размеру возникает необходимость многостадийной организации процесса, что становится причиной существенного снижения технико-экономических показателей производства.
В настоящей работе проведены исследования, направленные на разработку процесса и оборудования для сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств частиц. Сепарация организуется за счет комплексного использования эффектов разделения (сегрегация), обусловленных действием механизмов сдвигового поточного разде ления и миграции, протекающих вследствие локальной и пространственной неоднородности среды соответственно. Комплексное использование эффектов обеспечивает сепарацию частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, размеру и упругости.
Для разработки и промышленного освоения такой технологии необходимо дальнейшее развитие теоретических основ соответствующих процессов разделения. Эта необходимость связана, с одной стороны, с тем, что до настоящего времени не решена проблема прогнозирования комплекса кинетических характеристик сегрегации. С другой стороны, несмотря на то, что сегрегация и миграция в быстром сдвиговом потоке частиц, различающихся по размеру и плотности, относительно неплохо изучена [4], соответствующие эффекты шероховатости и упругости остаются практически "белым пятном" в механике зернистых сред.
В связи с этим в настоящей работе параллельно с разработкой технологического процесса и оборудования для сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, проводятся исследования, направленные на уточнение кинетических закономерностей сегрегации, а также выявление и моделирование эффектов различной шероховатости и упругости частиц в гравитационном потоке зернистой среды.
Анализ указанных проблем свидетельствует, что они имеют актуальность и их решение могло бы способствовать развитию общей модели динамики сегрегации зернистых материалов и совершенствованию процессов и оборудования сепарации в промышленности и сельском хозяйстве.
Работа выполнена в соответствии с 1) единым заказ-нарядом Министерства образования РФ МНТП (шифр П.Т. 465, П.Т. 419) и включена в Государственную программу "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" по разделу "Высокие технологии межотраслевого применения" (2000 г.) 2) грантом Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области машиностроения "Теория и методы со здания энерго- и ресурсосберегающего оборудования многоассортементных и автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей" (шифр 97-24-12.2-13) на 1998-2000 гг. и в рамках НТП Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" в 2003, 2004 гг. по теме "Теоретические основы создания энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования гибких автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей при наличии неопределенности исходной информации".
Работа изложена на 305 страницах основного текста, состоит из введения, шести глав, выводов и приложений, содержит 5 таблиц и 87 рисунков. Таблицы, рисунки и формулы пронумерованы по главам. Список цитируемой литературы включает 196 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.
В первой главе приведен анализ проблем, имеющих место в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства при сепарации зернистых материалов, частицы которых различаются по комплексу физико-механических свойств.
На основе анализа традиционной технологии многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц, базирующейся на использовании эффекта сегрегации в гравитационном потоке зернистой среды ("Мульти-сег"), а также анализа различных механизмов сегрегации, обусловленных локальной и пространственной неоднородностью зернистой среды, сделан вывод о целесообразности их комплексного использования для решения проблемы сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств.
Кроме того, проведен анализ работ, посвященных исследованию эффектов сегрегации в зернистых средах и их математическому моделированию. Рассмотрены различные механизмы сегрегации в сдвиговых потоках зернистых сред и методы прогнозирования кинетики процесса. Установлено, что наиболее универсальными прогностическими свойствами характеризуется общая модель динамики сегрегации, учитывающая потоки конвекции перемешивания и разделения частиц вследствие их квазидиффузии (миграции) и сдвигового поточного разделения. Однако прогностические свойства модели изучены в отношении смесей зернистых материалов, частицы которых различаются преимущественно по размеру и плотности. Исследований же эффектов разделения частиц, обусловленных различной шероховатостью и упругостью частиц, с использованием общей модели динамики сегрегации не проводилось.
Вместе с тем указывается на необходимость дополнительного исследования кинетики сдвигового поточного разделения, поскольку кинетический коэффициент процесса сегрегации в соответствии с этим механизмом определяется путем решения обратной существенно нелинейной задачи динамики сегрегации в быстром гравитационном потоке зернистой среды с использованием труднодоступных и недостаточно надежных экспериментальных данных. Показано, что отсутствие метода прямого определения коэффициента сегрегации является серьезным препятствием на пути исследования кинетики сегрегации в быстрых сдвиговых потоках зернистых сред и снижает достоверность соответствующих технологических расчетов.
В связи с тем, что такого рода исследования способствуют развитию общей модели динамики сегрегации и совершенствованию технологии сепарации неоднородных зернистых сред "Мультисег", делается вывод об актуальности исследования. Первая глава завершается формулировкой задач исследования.
Во второй главе диссертационной работы проведена разработка метода прямого экспериментально-аналитического определения коэффициента сегрегации, который, как установлено, является универсальной кинетической константой сегрегации в быстрых гравитационных потоках несвязных сферических частиц на шероховатом скате. Также разработана эксперименталь нал установка для определения коэффициента сегрегации в гравитационном потоке зернистой среды. Проведена апробация предложенного метода определения кинетической константы процесса сегрегации в исследованных границах его применения по соотношению размеров частиц. Кроме этого, сформулирована кинетическая зависимость, позволяющая прогнозировать скорость проницания (погружения) одиночных мелких и всплытия одиночных крупных частиц в быстром гравитационном потоке несвязных зернистых материалов с использованием только одной кинетической константы с учетом физико-механических свойств частиц и параметров потока.
Выполнен сравнительный анализ различных вариантов формулировки движущей силы процесса сегрегации в быстром гравитационном потоке зернистого материала с использованием параметра неоднородности зернистой среды в виде избыточного момента сил AM. С использованием метода прямого определения коэффициента сегрегации установлено, что параметр ДМ в полной мере выполняет функцию движущей силы сегрегации, когда параметры условно однородной среды определяются как среднеобъемные для среды в целом. Также предложена уточненная формулировка уравнения кинетики сдвигового поточного разделения, исключающая необходимость использования постулата концентрационной зависимости потока.
Кроме того, проведено моделирование динамики сегрегации в быстрых гравитационных потоках модельных зернистых материалов, результаты которого свидетельствует о высоких прогностических свойствах предложенной модели кинетики процесса и обоснована возможность применения механизма сдвиговой поточной сегрегации как для описания процесса разделения смеси частиц, так и для прогнозирования скорости перемещения одиночной как мелкой, так и крупной частицы в гравитационном потоке с использованием единого кинетического коэффициента относительной скорости сегрегации.
В третьей главе проведен математический анализ процесса разделения частиц различной шероховатости и упругости в быстром сдвиговом потоке в соответствии с механизмами сдвигового поточного разделения и миграции, обусловленных соответственно локальной и пространственной неоднородностью зернистой среды. В результате анализа получены расчетные зависимости для определения кинетических характеристик разделения: коэффициента миграции и движущей силы сдвигового поточного разделения.
Предложена методика подготовки модельного материала из стеклянного бисера. Методика позволяет получать смесь однородных по размеру и форме частиц стеклянного бисера различной шероховатости.
Приведены результаты экспериментального исследования профилей скорости, порозности и концентрации шероховатых частиц в гравитационном потоке. В результате исследования обнаружены значительные эффекты сегрегации частиц различной шероховатости, а также существенная корреляция между распределением шероховатых частиц и распределением твердой фазы. В связи с этим сделан предварительный вывод о доминирующем влиянии механизма квазидиффузионного разделения (миграции) частиц различной шероховатости в гравитационном потоке малой толщины.
В процессе компьютерного моделирования динамики сегрегации обнаружена существенная зависимость коэффициента восстановления при соударении шероховатых частиц от скорости их столкновения. В связи с этим возникла необходимость определения величины коэффициента восстановления в области малых скоростей столкновения частиц, что приводит к техническим осложнениям при использовании традиционного визуального метода его определения. В работе предложен более доступный альтернативный метод определения коэффициента восстановления, основанный на анализе фонограммы звуковых колебаний, генерируемых частицей при многократном ее подскоке над основанием.
Проведено математическое моделирование динамики сегрегации частиц бисера различной шероховатости в быстром гравитационном потоке. Про верка результатов моделирования на адекватность с экспериментальными данными позволила обнаружить их заметное количественное несоответствие при общем адекватном характере распределения контрольных частиц на экспериментальном и расчетном профилях концентрации. Поэтапный анализ алгоритма получения расчетного профиля распределения частиц контрольного компонента позволил обнаружить аномально большие значения частоты соударений частиц при взаимодействии их в потоке. Это позволило сделать предположение о некорректном использовании гипотезы косого удара Рауса в ранее разработанной модели.
В связи с этим проведен анализ /- гипотезы косого удара (Рауса) при использовании ее для расчета удельной энергии диссипации при столкновении частиц. В результате анализа в сдвиговом потоке установлено, что в области определения энергии диссипации как функции коэффициентов трения и восстановления существует довольно значительная зона, в которой энергия диссипации принимает отрицательные значения. Этот результат очевидным образом противоречит физическому смыслу и указывает на некорректность применения / - гипотезы в этой области.
Поэтому возникла идея комплексного использования Я и / - гипотез, гипотез косого и лобового ударов. Объединение названных гипотез в единый комплекс проведено с использованием функции их взаимосвязи, в соответствии с которой в комбинированном варианте гипотезы коррелируются в зависимости от угла столкновения частиц.
Для реализации /- Я - гипотезы разработан метод экспериментального определения коэффициента редукции касательной составляющей импульса Я, позволяющий избежать традиционно возникающие при этом трудности.
Проведено исследование коэффициента Я для различных вариантов столкновения гладких и шероховатых частиц бисера в широком диапазоне скоростей столкновения, результаты которого позволили принять коэффициент Я независящим от скорости. С использованием предложенной комбинированной/-Я -гипотезы косого удара проведено моделирование динамики сегрегации частиц различной шероховатости в гравитационном потоке. Результаты моделирования свидетельствуют о существенном улучшении прогностических свойств модели. С заменой / - гипотезы на комбинированную f- X - гипотезу средняя квадратичная погрешность расчетных и экспериментальных результатов уменьшилась с 11,2 до 6,7 %.
По результатам исследований выданы рекомендации по организации процесса очистки семян от трудноотделимых примесей на сельскохозяйственных предприятиях.
Четвертая глава посвящена разработке технологии многоступенчатой сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, за счет использования совокупности эффектов сегрегации частиц в быстром гравитационном потоке. С учетом особенностей неоднородности структурно-кинематических характеристик быстрого сдвигового потока зернистой среды на шероховатом скате в нем выделены зоны, в которых доминируют либо эффекты квазидиффузионного разделения (миграции) вследствие пространственной неоднородности, либо сдвигового поточного разделения вследствие локальной неоднородности среды. Комплексное использование эффектов обеспечивает возможность разделения частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, размеру и упругости.
Экспериментально определены условия течения зернистой среды по шероховатому скату, обеспечивающие достижение максимального эффекта разделения частиц в соответствии с предложенным вариантом реализации технологии многоступенчатой сепарации "Мультисег". Выявлены существенные преимущества предлагаемой технологии по эффективности разделения по сравнению с традиционной во всем диапазоне изменения технологических параметров. Разработана общая математическая модель процесса многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц, выделяемых методом сегрегации, которая является математическим описанием комплекса абстрактных элементарных операций, протекающих в рамках процесса.
Пятая глава посвящена разработке математической модели гравитационного сепаратора для многоступенчатой сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, на базе аппарата с вращающимся барабаном и компьютерному моделированию процесса. Путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными проведена проверка адекватности модели.
Методом математического моделирования установлено существенное влияние коэффициента заполнения барабана на эффективность сепарации. В связи с этим предлагается инженерный метод прогнозирования распределения зернистого материала в аппарате с вращающимися барабаном при малых скоростях вращения последнего в зависимости от физико-механических характеристик среды, технологических и конструктивных параметров барабана.
С учетом предложенного метода разрабатывается усовершенствованная математическая модель многоступенчатой сепарации в барабанном сепараторе "Мультисег", функционирующем в режиме неоднородного заполнения аппарата.
В заключительной части главы предлагается методика технологического расчета барабанного сепаратора "Мультисег" для сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, с использованием разработанной математической модели. Приводятся рекомендации по организации процесса сепарации для зерновой смеси, имеющей промышленное значение, и информация о результатах внедрения промышленной установки.
Шестая глава посвящена разработке метода оптимального проектирова ния барабанного сепаратора зернистых материалов "Мультисег". Сформулирована и решена задача оптимизации конструктивных и технологических параметров сепаратора. Разработано программное обеспечение для реализации на ПЭВМ предложенного метода решения оптимизационной задачи.
В заключительной части главы предложена методика расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров сепаратора "Мультисег" на основе оптимизационного алгоритма с использованием разработанного программного обеспечения для ПЭВМ. Приводятся результаты технологического расчета сепаратора зерна, полученные с применением предложенной методики, и разрабатываются рекомендации по модернизации действующих промышленных сепараторов.
Анализ процессов и оборудования для сепарации зернистых материалов с использованием эффекта сегрегации
В конце 1980-х годов на кафедре ТО и ПТ Тамбовского государственного технического университета была разработана технология для сепарации сыпучих материалов с использованием эффекта сегрегации [12]. Технические решения, наработанные в рамках названной технологии, предполагают организацию быстрого гравитационного течения зернистого материала. При взаимодействии неоднородных частиц в таком потоке возникает эффект сегрегации [13], состоящий в том, что, в зависимости от физико-механических свойств, частицы либо поднимаются к открытой поверхности потока, либо погружаются к его основанию. Указанное перемещение частиц приводит к расслоению потока и образованию в нем зон, в которых концентрируются частицы с близкими физико-механическими свойствами.
Для усиления эффекта сегрегации технология "Мультисег" [3] использует принцип многоступенчатой сепарации среды с противотоком неоднородных частиц. Сущность данного принципа нагляднее всего можно представить на примере организации быстрого сдвигового потока сыпучего материала на шероховатой наклонной плоскости. Исходная смесь частиц, отличающихся по какому-либо доминирующему признаку (размеру, плотности, шероховатости, форме, упругости), подается в центральную часть наклонной пластины 1 (рисунок 1.1) вблизи верхней ее кромки. Угол наклона рабочей плос кости а устанавливается близким углу естественного откоса материала. Для избежания проскальзывания слоя на пластине она имеет шероховатость, величина которой равна половине диаметра частиц. При движении материала по такой поверхности возникает сдвиг в подслоях, составляющих ссыпающийся поток частиц. Причем на подложке скорость течения наименьшая, а у открытой поверхности — наибольшая. При таком движении верхние слои материала обгоняют нижние и, взаимодействуя с ними, обмениваются между собой частицами. Обмен частицами сопровождается явлением сегрегации. Так как, в зависимости от доминирующего признака, частицы распределяются по высоте скатывающегося слоя, то в сдвиговом потоке вблизи нижней кромки наклонной пластины наблюдается преимущественное движение одних частиц над другими. Далее поток ссыпающихся частиц разделяется на зоны вдоль нижней кромки пластины, образуя ряд последовательных ступеней сепарации. В каждой из зон поток разделяется на две части по высоте скатывающегося слоя, и нижняя часть потока направляется на соседнюю ступень сепарации к одному из торцов пластины, а верхнюю транспортируют на соседнюю ступень сепарации в направлении противоположного торца пластины. Предварительно отсепарированныи материал в каждой из зон вновь подают на пластину, и процесс сепарации повторяется в соответствии с описанной схемой. В зависимости от необходимости достижения той или иной эффективности классификации определяется число ступеней сепарации и количество повторных операций сепарации.
В результате того, что на соседних участках наклонной плоскости процесс разделения повторяется, организуется многоступенчатая сепарация и продольное противоточное движение вдоль аппарата потоков частиц, различающихся по степени проявления доминирующего отличительного признака. При этом каждый из движущихся навстречу друг другу потоков материала обогащается частицами, наделенными определенным свойством. Максимальная концентрация частиц, характеризующихся наиболее полярными свойствами, наблюдается вблизи торцевых частей пластины.
Описанная технология "Мультисег" может быть реализована с использованием различных технических решений либо на базе барабанных сепараторов [2], либо на каскаде сепарирующих пластин [14].
В настоящее время наработано достаточное число технических решений [15-37], обеспечивающих организацию процесса сепарации зернистых материалов с использованием эффектов сегрегации. Большинство этих решений прошли экспериментальную апробацию, многие из них внедрены в промышленности и сельском хозяйстве. К достоинствам устройств, использующих этот принцип, в первую очередь относятся следующие их функциональные свойства. Устройства для сепарации, базирующиеся на технологии "Мультисег", позволяют организовать разделение частиц, различающихся по одному или нескольким физико-механическим свойствам. Соответствующие устройства отличаются повышенной надежностью и не требуют переоснащения при изменении свойств исходной смеси, поскольку в них реализуется принцип самосепарации частиц.
Проверка гипотезы о пропорциональности скорости сегрегации параметру локальной неоднородности зернистой среды
При исследовании кинетических характеристик сдвиговой поточной сегрегации в быстром гравитационном потоке использованы зернистые материалы, свойства которых представлены в таблице 2.1. При этом в качестве основных модельных сред выбраны керамические шарики и стеклянный бисер. Этот выбор объясняется стабильными физико-механическими свойствами стекла и керамики при механическом воздействии и взаимодействии с окружающей средой (малая истираемость и гигроскопичность).
Исследование кинетических характеристик сегрегации осуществлялось в соответствии с алгоритмом метода прямого экспериментально-аналитического определения коэффициента сегрегации на шероховатом скате, представленном на блок-схеме (рисунок 2.5). На первом этапе исследования определены профили скорости и порозности в гравитационных потоках модельных зернистых сред на шероховатом скате экспериментальной установки, изображенной на рисунке 2.2. Исследование проведено в режиме установившегося развитого гравитационного течения при углах наклона ската, определяемых из соотношения sin a/ sin OLQ = 1,03... 1,04, которое рекомендовано в работе [4] для достижения условий, благоприятных для проявления механизма сдвигового поточного разделения.
На рисунке 2.4 показаны профили скорости и порозности для керамических шариков, стеклянного бисера и гранул аммофоса соответственно. Полученные профили принципиально подобны с типовыми профилями скорости и порозности, представленными на рисунке 2.1, и характеризуются наличием зон со стабильными значениями скорости сдвига и порозности, т. дй _ е. зон, в которых — FH const и є Й! const. Эти зоны использованы для измере ния в них скорости поперечного перемещения контрольных частиц, с целью определения соответствующих кинетических параметров сегрегации.
При определении коэффициента сегрегации эксперименты проведены с использованием контрольных частиц, размер которых dt был либо меньше, либо больше размера частиц условно однородной зернистой среды (. В итоге получен ряд скоростей проницания (мелких частиц) и всплытия (крупных частиц), обнаруживаюпщй существенную и явно нелинейную их зависимость от диаметра контрольных частиц (кривые Ks = иу на рисунке 2.6 (а, б, в)).
В связи с тем, что по своей природе кинетический параметр Ks является отражением степени влияния на интенсивность сегрегации неоднородности свойств частиц с учетом условий их взаимодействия в потоке, в разработанном методе определения коэффициента сегрегации реализуется идея использования универсального показателя такой неоднородности в виде избыточного суммарного момента сил AM, действующего на контрольную части ДУ В связи с этим и в соответствии с алгоритмом метода (блок-схема на рисунке 2.5) для каждой контрольной частицы и каждой зернистой среды с использованием программы CALM, представленной в приложении И, вычислены значения параметра неоднородности AM. Необходимые для вычисления AM значения скорости сдвига du/dy и порозности потока е получены с использованием соответствующих профилей (участки с квазистационарными условиями сдвига на рисунке 2.4). Физико-механические характеристики частиц материалов (плотность, коэффициенты трения и восстановления при ударе), использованные при расчете AM, представлены в таблице 2.1. Недостававшие для расчета физико-механические константы определены с использованием традиционных методов их измерения (все представлены в таблице 2.1).
Вычисленные таким образом значения параметра неоднородности в виде соответствующих зависимостей от диаметра контрольных частиц представ лены на рисунке 2.6 (кривые AM) для различных зернистых материалов. Сравнение зависимостей AM иК5 = иу от dt для различных материалов свидетельствует о полном их подобии и наличии линейной взаимосвязи между ними. Полученные зависимости пересекаются друг с другом на оси абсцисс в точке, соответствующей равенству диаметров контрольной частицы и частиц однородной зернистой среды. Величины иу и AM левее указанной точки получены при проницании гравитационного потока однородных частиц бисера мелкими контрольными частицами (dt d ), а правее — при всплытии в этом потоке крупных контрольных частиц (dt df,). Далее в соответствии с алгоритмом метода (блок-схема на рисунке 2.5) для каждой контрольной частицы каждого модельного материала вычислены значения коэффициента относительной скорости сегрегации. Коэффициент относительной скорости К вычислен как отношение скорости перемещения контрольной частицы Ks = uyB гравитационном потоке зернистого материала к параметру неоднородности AM, т .е. К = uyjbM.
Сегрегация частиц различной шероховатости и упругости по механизму сдвигового поточного разделения
Сдвиговое поточное разделение частиц имеет место в сдвиговом потоке при относительно высоких значениях концентрации твердой фазы, когда в пространственном распределении частиц зернистой среды наблюдается некоторый ближний порядок. В сдвиговом потоке зернистой среды это приводит к возникновению преимущественно послойного движения частиц.
Сегрегация компонентов зернистой среды в соответствии с механизмом сдвигового поточного разделения происходит в результате генерирования избыточных моментов сил на контрольных частицах, отличающихся от частиц условно однородной среды. Контрольная частица находится при этом под воздействием собственной силы тяжести, а также сил трения и ударных импульсов, действующих на нее относительно некоторой мгновенной оси ее вращения со стороны частиц соседних слоев (см. раздел 1.3).
Поскольку от шероховатости частиц существенно зависят коэффициенты трения и восстановления при их столкновении, то для частиц различной шероховатости в сдвиговом потоке это будет причиной появления столь же различных моментов сил трения и ударных импульсов. В соответствии же с моделью кинетики сдвиговой поточной сегрегации [54] именно эта разница моментов сил (1.14) трения и ударных импульсов является движущей силой процесса. При таком ее выражении движущая сила является мерой неоднородности зернистой среды, определяющей степень отклонения ее свойств от свойств условно однородной зернистой среды при аналогичных условиях течения.
Одной из принципиальных проблем на пути выражения движущей силы является определение параметров условно однородной среды. Среди наиболее очевидных вариантов определения параметров такой среды заслуживают внимание два варианта, первый из которых предполагает, что условно однородная среда состоит из частиц одной из фракций бидисперсного материала, например, из частиц целевой фракции, имеющих концентрацию в смеси. Второй вариант предполагает, что среда состоит из частиц, физико-механические свойства которых определяются как характерные (средние) для зернистого материала в целом.
Несмотря на несколько произвольный характер второго варианта, его использование является предпочтительным, по крайней мере, в соответствии с двумя принципиальными обстоятельствами. Во-первых, это связано с тем, что параметры быстрого сдвигового потока (скорость сдвига, порозность, скорость флуктуации) определяются из представления о зернистом материале как условно однородной среде с учетом всех характерных взаимодействий неоднородных частиц, из которых состоит эта среда. Во-вторых, сегрегация также представляет собой суммарный эффект, являющийся итоговым результатом взаимодействия частиц среды в самых различных их сочетаниях. Кроме того, представляется возможным утверждать, что частицы такой гипотетической однородной среды, находясь в сдвиговом потоке реального неоднородного зернистого материала при соответствующих параметрах течения и значениях концентрации контрольного компонента, не будут проявлять склонности к сегрегации. Таким образом, параметры такой гипотетической среды можно принять за равновесные по отношению к условиям взаимодействий частиц в неоднородной среде и выразить их, например, в виде избыточного момента сил тяжести, трения и ударных импульсов (1.14), как это было сделано ранее в соответствии с механизмом сдвигового поточного разделения [13] при определении движущей силы процесса.
Одним из принципиальных вопросов при таком способе выражения движущей силы процесса является вопрос о выборе способа определения характеристик частиц условно однородной среды. Принимая во внимание, что вероятность формирования условий контакта частиц того или иного вида пропорциональна объемной концентрации соответствующих частиц, то характеристики частиц условно однородной зернистой среды целесообразно определить как среднеобъемные величины [128].
Исследование эффективности сепарации в сдвиговом гравитационном потоке зернистой среды
Исходный продукт, представляющий собой смесь частиц, различающихся по размеру и плотности (размеру и шероховатости, размеру и упругости), поступает из бункера-накопителя (рисунок 4.3) в среднюю часть наклонной пластины / у верхней ее кромки. Для получения развитого сдвигового течения по всему объему зернистого материала, движущегося по пластине, ее устанавливают под углом к горизонту, близким углу естественного откоса материала. Для обеспечения условия интенсивного сдвига в гравитационном потоке зернистой среды пластина выполнена шероховатой. При этом величина шероховатости равна половине среднего диаметра крупных частиц.
Поток зернистой среды на шероховатом скате характеризуется при определенных условиях существенной пространственной неоднородностью (рисунки 4.1 и 3.8). При взаимодействии частиц, различающихся по комплексу физико-механических свойств, в таком потоке происходит их перераспределение, соответствующее концентрационным профилям, приведенным на рисунке 4.2. Под действием механизмов сдвиговой поточной сегрегации и миграции в центральной, наиболее плотной части слоя, будут концентрироваться малоподвижные — наиболее крупные, плотные, шероховатые и малоупругие частицы. В периферийных, менее плотных областях слоя, у основания и у открытой его поверхности будут скапливаться подвижные частицы, приобретающие при столкновении более высокие скорости (мелкие, легкие, гладкие и упругие частицы). В результате такого распределения материала на наклонной плоскости наблюдается преимущественное движение одних частиц над другими. После того как материал покидает нижнюю кромку наклонной пластины, он ссыпается веером вниз. Этот веер частиц делят по высоте слоя на три части в определенном соотношении. Это соотношение, очевидно, находится в некотором соответствии с соотношением объемов слоя по зонам, различающимся характером зависимости порозности от координаты высоты слоя (зоны 1, 2, 3 на рисунке 4.2). Полученные части перемещают противоточно вдоль нижней кромки пластины, направляя среднюю часть к одной торцевой ее кромке, а нижнюю и верхнюю — к другой. В соответствии с традиционной технологией "Мультисег" вдоль пластины организуется некоторое число ячеек сепарации. При этом перемещение частей потока осуществляется ступенчато, от одной ячейки сепарации к другой, с повторной их подачей на плоскость, разделением слоя на три части на каждой ступени сепарации. Тем самым реализуется принцип многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц [4]. В соответствии с этим принципом, каждый из потоков при перемещении от одной ступени сепарации к другой обогащается частицами определенного свойства. Например, в случае различия частиц преимущественно по размеру и плотности у торцевых кромок пластины с одной стороны выгружается наиболее крупный и одновременно плотный продукт, а с другой — мелкий и менее плотный компонент.
Среди многочисленных технологических проблем разделения зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, проанализированных в разделе 1.1, своей масштабностью и ярко выраженным региональным характером, отличается проблема послеуборочной переработки зерна и подготовки семян. В связи с этим, в дальнейшем при выборе объектов моделирования, промышленной апробации и внедрения предпочтение отдается тем из них, которые являются определяющими для производств переработки зерновых материалов.
Использование предлагаемой технологии разделения частиц, различающихся по комплексу свойств, представляется целесообразным следующим образом. Эта проблема была подробно рассмотрена в первой главе. В соответствии с механизмами сепарации, реализуемыми в предлагаемом способе, будет наблюдаться следующее распределение компонентов зерновой смеси в гравитационном потоке.
В центральной части слоя (зона 2 на рисунке 4.2) будет происходить накопление от ступени к ступени выполненных семян с наибольшей массой 1000 зерен, т.к. они являются наиболее крупными и плотными [154-157]. В зонах 7 и 3, у открытой поверхности и у основания слоя, будут группироваться более подвижные и менее плотные компоненты смеси (мелкие и неплотные зерна). Одновременно в слое протекает процесс сепарации частиц по механизму сдвигового поточного разделения. В результате его действия в нижней части слоя будут сосредоточиваться преимущественно мелкие и относительно плотные зерна (колотое зерно), а в верхней части — относительно крупные зерна с низкой плотностью (необмолоченное и невы-зревшее зерно, полова). У торцевых кромок пластины при реализации данной технологии с одной стороны будет выгружаться соответственно семенное зерно с наибольшей массой 1000 зерен, а с противоположной стороны — сорняковые примеси, кол, невыполненное зерно, земля и др. примеси.
Для подтверждения эффективности предлагаемого способа сепарации и определения технологических параметров его реализации необходимы соответствующие экспериментальные и аналитические исследования.
В качестве объекта исследования была выбрана полидисперсная зерновая смесь ячмень — овсюг, компоненты которой отличаются друг от друга одновременно и по размеру, и по плотности. Разделение этой смеси является чрезвычайно актуальной проблемой для российского сельского хозяйства. Вместе с тем эта технологическая проблема имеет первостепенное значение для экономики региона. Овсюг — сорняковая примесь, которая на традиционном зерноочистительном оборудовании отделяется с трудом и существенно снижает урожайность и сохраняемость зерна [156]. Физико-механические характеристики исходного материала и его компонентов приведены в таблице 4.1.
Похожие диссертации на Кинетика и моделирование сегрегации в сдвиговом потоке зернистой среды, разработка процесса и оборудования для сепарации
