Научные основы и принципы совершенствования процессов и аппаратов каскадной пневмоклассификации сыпучих материалов Кирсанов Виктор Александрович

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние и перспективы развития процессов и аппаратов гравитационной пневмоклассификации полидисперсных материалов 17

1.1. Основные закономерности движения двухфазных потоков в сепарационном канале пневмоклассификаторов 17

1.2. Анализ существующих конструкций пневмоклассификаторов 42

1.3. Влияние технологических и конструктивных параметров процесса на взвешивание, распределение и перенос частиц в сепарационных каналах пневмоклассификаторов 59

1.3.1. Влияние структуры турбулентного потока на протекание процессов переноса и распределения твердой фазы 59

1.3.2. Влияние дисперсности, концентрации и фракционного состава твердой фазы на основные характеристики процесса переноса частиц 64

1.3.3. Влияние конструктивных параметров сепарационного канала пневмоклассификатора на эффективность процесса разделения 70

1.3.4. Влияние конструктивных параметров контактных элементов на процесс пневмоклассификации 76

1.4. Анализ существующих критериев оценки эффективности процесса разделения сыпучих материалов 80

1.5. Современные представления о механизме процесса каскадной пневмоклассификации 85

1.6. Анализ методов расчета каскадных пневмоклассификаторов 88

Выводы по 1-й главе. Постановка задач исследования 91

2. Методика исследований и основные экспериментальные установки 94

Выводы по 2-й главе 111

3. Гидродинамические особенности взвешенного слоя частиц в условиях гравитационной пневмоклассификации и принципы конструирования контактных элементов 113

3.1. Гидродинамические особенности взвешенного слоя частиц в условиях гравитационной пневмоклассификации 113

3.2. Основные принципы конструирования контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов 136

Выводы по 3-й главе 139

4. Экспериментальная оценка влияния конструктивных инноваций на гидродинамическую обстановку в сепарационных каналах пневмоклассификаторов 142

4.1. Особенности механизма работы новых конструкций контактных элементов 142

4.2. Распределение воздушного потока в пневмоклассификаторах с новыми конструкциями контактных элементов 151

4.3. Распределение дисперсной среды в пневмоклассификаторах с новыми конструкциями контактных элементов 160

Выводы по 4-й главе 168

5. Влияние технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов на эффективность процесса разделения 171

5.1. Влияние расхода материала, его фракционного состава и скорости воздушного потока на эффективность процесса... 171

5.2. Влияние основных конструктивных параметров аппарата и контактных элементов на эффективность процесса 182

5.3. Зависимость эффективности процесса многокомпонентного разделения от конструктивных параметров аппарата 195

Выводы по 5-й главе 208

6. Методы определения и прогнозирования основных технологических параметров каскадных пневмоклассификаторов 210

6.1. Определение количественных характеристик уноса и провала... 210 6.2. Метод определения рабочей скорости газа в каскадных

пневмоклассификаторах 225

6.3. Метод определения гидравлического сопротивления каскадных пневмоклассификаторов 233

6.4. Расчет оптимальной эффективности процесса разделения 239

6.5. Прогнозирование результатов процесса каскадной пневмоклассификации 247

Выводы по 6-й главе 254

7. Промышленная реализация результатов исследований 257

7.1. Методика расчета основных технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов 257

7.2. Примеры расчета каскадных пневмоклассификаторов 259

7.2.1. Расчет пневмоклассификатора для обеспыливания; подсыпочного материала электродных заводов 259

7.2.2. Расчет установки для очистки засоренных гранулированных термопластов 263

7.3. Иазработанных пневмоклассификаторов в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство 266

7.3.1. Аппараты для обеспыливания подсыпочных материалов электродных заводов 267

7.3.2. Установка для обеспыливания твердосплавного порошка "Рэлит" 274

7.3.3. Установка для пневмоклассификации глиняных порошков 276

7.3.4. Аппараты для обеспыливания нефтяного кокса 278

7.3.5. Линия очистки засоренных гранулированных термопластов 281

7.3.6. Пневмоклассификаторы семян различных сельскохозяйственных культур 285

Выводы по 7-й главе 295 Заключение и общие выводы по работе 297

Литература

• Влияние технологических и конструктивных параметров процесса на взвешивание, распределение и перенос частиц в сепарационных каналах пневмоклассификаторов
• Основные принципы конструирования контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов
• Распределение дисперсной среды в пневмоклассификаторах с новыми конструкциями контактных элементов
• Расчет пневмоклассификатора для обеспыливания; подсыпочного материала электродных заводов

Введение к работе

В химической, горнодобывающей, строительной и других отраслях промышленности исходным сырьем являются дисперсные вещества, к фракционному составу которых предъявляются высокие требования. Нередко и продукты получают в виде порошка, крупнозернистого материала или гранул, качество которых существенно зависит от их однородности. Разделить полидисперсный материал на узкие фракции с заданным гранулометрическим составом можно путем проведения технологического процесса называемого классификацией,,область использования которого чрезвычайно широка. Например, фракционирование гранулированных материалов применяется при получении минеральных удобрений, удаление высокодисперсных частиц (обеспыливание) из подсыпочного материала камер обжиговых печей используется при производстве электродов, очистка семян является важнейшей технологической операцией в сельском хозяйстве. Высокая степень разделения при осуществлении процессов классификации дисперсных материалов влияет не только на расходные нормы сырья и его качество, но и определяет производительность и эффективность работы других машин и аппаратов в технологической схеме, что в конечном итоге сказывается на технико-экономических показателях всего производства.

Задачи, на которые ориентировано проведение разделительных процессов в различных отраслях промышленности, можно сформулировать следующим образом:

удаление тонко дисперсных фракций и получение обеспыленных продуктов; -удаление крупных фракций и получение тонко дисперсного продукта;

выделение из сыпучего материала требуемой фракции по граничному размеру частиц;

выделение из подидисперсного материала более двух фракций с заданным гранулометрическим составом,

7 Самыми распространенными методами в практике разделительных процессов являются механический, гидравлический и пневматический, каждый из которых имеет свою область применения.

Механический метод (грохочение) осуществляется путем рассева сыпучих материалов по геометрическому признаку на фракции при помощи сит с определенным размером отверстий. Этот метод применяется преимущественно для разделения частиц размерами от нескольких сантиметров до миллиметра. Скорость и полнота разделения полидисперсных смесей на фракции посредством грохочения падают при рассеве материала, размер частиц которого менее одного миллиметра. Это объясняется увеличением засоренности надрешеточного материала из-за уменьшения вероятности попадания в отверстия сита частиц при значительной величине их пробега или большой плотности слоя. Кроме этого, грохочение имеет ряд и других существенных недостатков, таких как вибрация, шум, износ сеток, громоздкость, энергоемкость и пылевыделения, вызванные переизмельчением материала и не герметичностью оборудования.

Гидравлическая классификация базируется на различии скоростей осаждения отдельных фракций разделяемой смеси в жидкости. Наибольшее распространение этот метод нашел в горнодобывающей промышленности при обогащении полезных ископаемых, тогда как в химической используется значительно реже. Это связано с изменением физико-химических и технологических свойств обрабатываемого материала при его увлажнении. Кроме того, при проведении гидравлической классификации образуются большие объемы шламовых вод, требующие значительных энергетических затрат на выделение твердой фазы и последующего обезвоживания материала.

Подобно гидравлической классификации, пневматическая основана на разнице скоростей витания частиц различных фракций в потоке воздуха. Этот метод лишен многих недостатков, свойственных механической и гидравлической классификации, и имеет определенные преимущества. Так, в отличие от механической классификации в воздушном потоке разделяют ис-

8 ходный материал на фракции по совокупности физико-механических свойств частиц: размерам, форме, шероховатости поверхности и плотности. По сравнению с гидравлической классификацией пневматический метод разделения позволяет получать продукты в сухом виде, что снижает энергоемкость проводимых технологических процессов. Эти отличительные признаки способствуют все большему распространению пневматической классификации в различные отрасли промышленности.

Основными способами пневматической классификации являются гравитационный и центробежный, последний успешно используется при разделении тонко дисперсных материалов по граничному размеру менее 0,1 мм. Гравитационная классификация позволяет разделять смеси с частицами от 0,1 до 5 мм, наиболее часто встречающиеся в технологии производства минеральных удобрений, электродной, пищевой, зерноперерабатьшающей и других отраслях промышленности.

Теорию гравитационных процессов разделения разработали П.Риттин-гер и Р.Ричардс н далее развили ее в своих работах Ф.Кайзер, Р.Ханко к, Г.О.Чечот, П.В.Лященко, И.М.Верховский, И.Н.Плаксин, В.И.Классен, Н.Н.Виноградов, Е.А.Неиомнящий, В.И.Ревнивцев и др. Несомненный вклад в дальнейшее углубление теоретических основ воздушной гравитационной классификации внесли М.Д.Барский, Е.В.Донат, Г.Л.Бабуха, А.А.Шрайбер, А.М.Кутепов, Н.И.Зверев, С.Г.Ушаков, В.Е.Мизонов, В.В.Гортинский, А.Б.Демский, В.Ф.Веденьев и многие другие ученые.

В настоящее время, с учетом возросших требований к качеству продуктов и экономии сырьевых материалов, разработка новых принципов организации процесса гравитационной пневмоклассификации, его теоретических основ и аппаратурного оформления является актуальной проблемой.

М.Д.Барский [I], принимая во внимание исследования немецкого ученого Ф.Кайзера [2], предложил новые принципы рациональной организации процесса гравитационной классификации и разработал их физические основы. Основная суть этих принципов заключается в переводе процесса на неус-

9 тановившийся режим движения газовзвеси, что достигается размещением внутри сепарационного канала аппарата каскада контактных элементов. Перспективность каскадной пневмоклассификации, организованной в объеме одного аппарата, подтверждена им при использовании в качестве контактных элементов наклонных сплошных пластинчатых полок.

С целью повышения эффективности процесса разделения сыпучих материалов и расширения области его использования дальнейшее усовершенствование каскадных пневмоклассификаторов идет по пути создания новых контактных элементов. Это, по нашему мнению, вполне оправдано, так как конструкция контактных элементов в значительной степени определяет структуру двухфазного потока и .механизм протекания процесса разделения в целом. От типа и количества контактных элементов, представляющих собой своеобразные местные сопротивления при движении восходящего воздушного потока, зависит также и энергоемкость аппарата.

Однако на сегодня известны лишь отдельные работы, в которых предпринимаются попытки следовать тем, или иным принципам разработки эффективных образцов соответствующего оборудования. Отсутствие систематических исследований, посвященных глубокому изучению особенностей и закономерностей процесса пневмоклассификации, протекающего в таких аппаратах, которые позволили бы провести сравнительный анализ новых конструкций контактных элементов и выявить оптимальные области их использования, препятствует накоплению экспериментального материала. Это, учитывая преимущество статистического подхода к описанию сложного многофакторного процесса разделения частиц в условиях каскадной пневмоклассификации, сдерживает получение новых углубленных теоретических знаний, создание надежных инженерных методов расчета каскадных пневмоклассификаторов и широкое их внедрение в различные отрасли промышленности.

Целью настоящей работы является разработка научных основ и принципов совершенствования процессов и аппаратов каскадной пневмоклассификации сыпучих полидисперсных материалов.

10 Для достижения указанной цели поставлен и решен комплекс следующих задач:

1. Проведены исследования процесса в п невм о классификаторах традиционных конструкций: пустотелом (равновесном), с пластинчатыми сплошными и перфорированными наклонными полками, в результате которых выявлены гидродинамические особенности функционирования аппаратов ("дю-нообразование", крупномасштабная турбулентность) и их отрицательное влияние на эффективность классификации полидисперсных материалов,

2. С учетом выявленных негативных гидродинамических эффектов в указанных выше аппаратах разработаны научно обоснованные принципы конструирования контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов и осуществлена их практическая реализация.

3. Проведена экспериментальная оценка и выявлен положительный эффект влияния конструктивных инноваций на механизм работы контактных элементов, структуру воздушного потока и характер распределения твердых частиц в сспарационной камере пневмоклассификатора.

4. Проведен сравнительный анализ и определены области предпочтительного технологического применения пневмоклассификаторов с новыми конструкциями контактных элементамов.

5. Экспериментально установлены технологические и конструктивные параметры процесса многокомпонентной гшевмоклассификации полидисперсных материалов, обеспечивающие высокую эффективность фракционирования в объеме одного аппарата.

6. Разработаны методы определения технологических характеристик каскадных пневмоклассификаторов: уноса, провала, рабочей скорости газа, гидравлического сопротивления, граничной крупности частиц и эффективности их работы, а также прогнозирования результатов процесса фракционирования.

7. На базе проведенных исследований создана методика расчета основных технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов.

11 8. Осуществлено широкое внедрение разработанных пневмоклассифици-рующих установок в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство. Систематическая работа в этом направлении проводится в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры "Технология: неорганических веществ" ЮРГТУ (НПИ) с 1978 года под руководством и при непосредственном участии автора. Исследования проводились согласно:

— координационным планам: научно-исследовательских работ АН СССР на 1976-1980 годы (направление 2.21 "Цветная металлургия. Физико-химические основы процессов"); Минвуза СССР¹ по процессам и аппаратам химической технологии (приказ Минвуза СССР №1 от 3.01.83 г., письмо ХНО №24-33-54/1.1-03-08 от 4.02.83 г.); важнейших НИР Минвуза СССР но процессам и аппаратам химических: производств и кибернетике химико-технологических процессов на 1986-1990 годы (приказ Минвуза СССР №325 от 8.05.87 г., разделЮЛ); комплексной научно-технической программе Минвуза РСФСР "Продовольствие" (письмо Головного совета программы №38-03/Ю от 27.04.87 г.); а также Постановлению Совета Министров РСФСР "О государственном плане экономического и социального развития РСФСР на 1989 год" №460 от 31.10.88 г. (приложение №3); Республиканской научно-технической программы в области химии и химической технологии на 1991-1995 годы "Новые процессы получения дисперсных материалов" (письмо Головного совета по химии и химической технологии Минвуза РСФСР №4078 от 4.06.90 г.);.

- единым заказ-нарядам на: 1991-1995 годы по теме 2.91 "Изучение физических основ процесса получения дисперсных материалов методом многокомпонентной* воздушной классификации"; 1993-1996 годы по теме 122.93 "Создание высокоэффективного оборудования для очистки семян сельскохозяйственных кулыур от трудноотделимых примесей"; 1994-1998 годы по теме 14.94 "Поиск новых принципов рациональной организации процесса фракционирования сыпучих материалов и разработка способов их осуществления"; 1997-2000 годы по теме 281.97 "Разработка универсальной малогаба-

12 ритной зерноочистительной машины для фермерских и семеноводческих хозяйств"; 2000-2004 годы по теме 2.00 "Разработка теоретических основ высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, синтеза энергоемких химических веществ и способов преобразования энергии" по научному направлению "Прогнозирование и разработка новых химических соединений, технологий и источников энергии";

-договорам: с Новочеркасским электродным заводом (№№3273,1976 г., 3352,1977 г., 3625,1981 г., 4085/3,1989 г.); Новочеркасским заводом строительных материалов (№3687, 1981 г.); Днепровским электродным заводом (г. Запорожье, Украина, №3411, 1978); Вяземским заводом графитовых изделий (№Ю6т, 1987 г.); институтом "Госпластпроект" (г.Ростов-на-Дону, №4136, 1988 г.), Новочеркасским заводом синтетических продуктов (№4091, 1988 г.), Агропромышленным комитетом Ростовской области (№4234, 1988 г.); Бирючекутской овощной селекционной опытной станцией (г.Новочеркасск, №494т, 1986 г.), Новочеркасским комбинатом хлебопродуктов (№495т, 1986 г.), Государственным институтом по проектированию предприятии по производству изделий из пластмасс (г.Ростов-на-Дону, №58т, 1990 г.), Херсонским заводом "Дельта" (№114т, 1991 г.), Харьковским заводом "Харшта-стмасс" (№518т, 1986 г.), СКБ "Упакмаш" (г.Новочеркасск, №15с/1п, 1992 г.), Ассоциацией крестьянских (фермерских) хозяйств и сельскохозяйственных кооперативов (г.Ростов-на-Дону, №220т, 1992 г.).

Научна» новизна проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований механизма движения двухфазного потока в условиях каскадной пневмоклассификации заключается в следующем:

- впервые экспериментально обнаружено и теоретически объяснено периодическое формирование в пристенной области пневмоклассификаторов традиционных конструкций локальных образований с повышенным содержанием частиц, нисходящих в режиме "противодюнного" течения и приводящих к снижению четкости разделения;

- с использованием кино- и видеотехники проведено исследование осо
бенности гидродинамики дисперсных потоков в пневмокласснфикаторах со
сплошными и перфорированными полками, в результате анализа которого
предложены научно обоснованные способы снижения масштаба турбулент
ности несущей среды и негативного последствия "противодюнного" течения
зон с повышенной концентрацией частиц в пристенной зоне;

— получено экспериментальное подтверждение рационального распре
деления газовзвеси, способствующего повышению пропускной способности
и эффективности процесса разделения в каскадных пневмокласснфикаторах,
реализующего предложенные способы снижения масштаба турбулентности и
негативного влияния "противодюнного" течения газовзвесей с повышенной
концентрацией частиц;

— разработаны методы расчета технологических параметров каскадных пневмоклассификаторов: концентрации частиц в уносе, величины провала, рабочей скорости газа, гидравлического сопротивления, граничной крупности частиц и эффективности процесса, а также прогнозирования результатов их работы.

Практическая ценность работы заключается в решении ряда инженерно-технических задач, приоритет которых подтвержден 10 авторскими свидетельствами СССР, 3 патентами РФ на изобретения и 3 свидетельствами РФ на полезную модель, а также во внедрении 46 разработок в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство.

Разработаны принципы конструирования каскадных пневмоклассификаторов с повышенной эффективностью, обеспечиваемой в результате снижения масштаба турбулентности и негативного влияния нисходящих пристенных образований с повышенной концентрацией частиц за счет продольного и поперечного секционирования рабочей зоны перфорированными элементами.

На основании предложенных принципов разработаны и внедрены в производство:

14 - новые конструкции высокоэффективных каскадных тшевмоклассифи-каторов (а.с.СССР №№713618, 1461530, 1510958, 1776457, патенты РФ №№2123391, 2125493, 2169626) для различных технологических процессов: обеспыливания подсыпочных материалов и нефтяного кокса электродных заводов (Новочеркасский и Днепровский электродные заводы, Вяземский завод графитовых изделий), твердосплавного порошка "Рэлит" (Торезский завод наплавочных твердых сплавов, Украина), фракционирования глиняных порошков (Новочеркасский завод строительных материалов) и очистки семян различных сельскохозяйственных культур от примесей (используются на 32: предприятиях сельскохозяйственного профиля: в семеноводческих и фермерских хозяйствах, селекционных станциях и агрофирмах);

- многокомпонентный пневмоклассификатор (а.с. СССР №1304916) для разделения полидисперсных материалов на три фракции (внедрен на Азовском тарном комбинате, Каменском ПО "Химволокно", Херсонском заводе "Дельта", Харьковском заводе "Харпластмасс", ОАО "Арамильском заводе: пластических масс и Новомосковеком ОАО "Полимерконтейнер").

Экспериментально установлены основные технологические и конструктивные параметры процесса разделения в новых каскадных пневмоклассифи-каторах, а также многокомпонентной пневмоклассификации в объеме одного аппарата..

На основе результатов проведенных исследований создана методика. расчета основных технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов.

Разработанные автором лабораторные установки для: исследования структуры одно- и двухфазного потоков, изучения процесса многокомпонентной пневмоклассификации, определения скорости витания твердых частиц применяются аспирантами и соискателями кафедры ТНВ ЮРГТУ (НПИ) при проведении научных исследований и студентами в ходе выполнения учебно-исследовательской работы и лабораторного практикума. Теоретическое обоснование гидродинамической особенности процесса гравитационного фрак-

15 ционироваїіия используется в курсе лекций по "Процессам и аппаратам химической технологии" и "Процессам и аппаратам пищевых производств". Основные экспериментальные зависимости и методика расчета каскадных пневмо-классификаторов применяются в курсовом проектировании по вышеуказанным курсам, а также дипломном проектировании студентами специальностей 240801 (170500) - "Машины и аппараты химических производств" и 260601 (170600) - "Машины и аппараты пищевых производств". Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Очистка вентиляционных выбросов и защита воздушного бассейна от загрязнений" (г.Ростов-на-Дону, 1977 г.), II Всесоюзной научной конференции по технологии неорганических веществ',' (г.Новочеркасск, 1978 г.), IV и V Всесоюзных конференциях "Механика сыпучих материалов" (г.Одесса, 1980, 1991 гг.), II Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (г.Чимкент, 1980 г.), II и III Всесоюзных студенческих научных конференциях "Интенсификация тепло- и массооб-менных процессов в химической технологии" (г.Казань, 1982, 1987 гг.), II, III и IV Всесоюзных совещаниях "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии" (г.Сумы, 1982, 1986, 1989 гг.), Всесоюзной конференции "Очисткатазовых выбросов на предприятиях различных отраслей промышленности" (г.Москва, 1983: г.), II Всесоюзной научно-технической конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей (г.Курган, 1983 г.), Всесоюзной научно-технической конференции по состоянию и перспективам развития техники псевдоожижения (техники кипящего слоя) (г.Ленинград-Поддубская,. 1988 г.), Всесоюзной конференции "Технология сыпучих: материалов" (г.Ярославль, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и^ внедрение вихревых электромагнитных аппаратов для интенсификации технологических процессов АВС-89" (г.Тамбов, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Математические методы в химии" (^Новочеркасск, 1989 г.), III Всесоюзной конфе-

ренции "Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем" (г.Тамбов, 1991 г.), IV Всесоюзной научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (г.Ярославль, 1994 г.), Международной научно-практической конференции "Пищевые продукты XXI века" (г.Москва, 2001 г.), III научно-практической конференции "Экология и сельскохозяйственная техника" (г. Санкт-Петербург, 2002 т.), XVI и XVII международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" (г.Ростов-на-Дону, 2003 г., г.Кострома, 2004 г.), региональных конференциях и совещаниях, а также на ежегодных научных конференциях ЮРГТУ (НИИ).

Разработки по данной теме экспонировались на ВДНХ СССР (г.Москва, 1988 г, серебряная медаль), Всесоюзной выставке научных достижений молодых ученых (гЛермь, 1986 г.), Всесоюзной выставке "Научно-техническое творчество молодежи" (г.Ростов-на-Дону, 1987 г.), двух юбилейных выставках научных разработок НГТУ и ЮРГТУ (НПИ) в 1997 и 2002 гг.

По результатам научных исследований опубликованы 94 работы, в том числе: 2 монографии (одна депонирована), 41 статья в академических, отраслевых журналах и изданиях, 35 тезисов докладов, получено 10 авторских свидетельств СССР и 3 патента РФ на изобретения, а также 3 свидетельства на полезную модель

17 1. Состояние и перспективы развития процессов и аппаратов гравитационной пневмоклассификации поли дисперсных материалов

1.2. Основные закономерности движения двухфазных потоков в сепарационных каналах пневмоклассификаторов

Основоположником систематического изложения научных основ гравитационного обогащения, как известно из работ [7,8], признан ПР.Риттингер. Он создал теорию процесса и получил основные уравнения, описывающие движение минерального зерна в воде. Так, им получено уравнение S" = 5Д lr^/c/(/?_T -1000) для расчета расстояния S", м, пройденного равномерно падающей в воде частицей диметром d, м, и плотностью р_т, кг/м³, за определенное время т, с. Из этого уравнения выведены формулы для определения скорости свободного падения частицы сферической формы в воде V* _у

м/с, и воздухе V_c), м/с: V' =0,16*]d(p_T -1000) и V*_B = 4Д^(р_т -1,23). Эти

формулы справедливы для частиц крупностью более 2 мм. ГТ.Р.Риттингер также ввел представление об условном диаметре частиц неправилыюй формы и предложил учитывать поправочные коэффициенты при расчете скоростей осаждения подобных тел. Основные закономерности осаждения твердых частиц, выявленные ПР.Риттингером, можно сформулировать следующим образом:

наибольшую скорость осаждения имеют более крупные и плотные частицы;

скорость осаждения частиц снижается с увеличением вязкости и плотности среды;

на скорость осаждения частиц существенное влияние оказывают их форма и состояние поверхности. При равной массе частиц наименьшее сопротивление со стороны среды испытывают шарообразные частицы. Части-

18 цы с шероховатой поверхностью испытывают большее сопротивление по сравнению с частицами, имеющими гладкую поверхность;

- влияние температуры среды на скорость осаждения следует учитывать лишь при малых значениях критерия Рейнольдса Re < 1,74.

Однако ПР.Риттингер в своих работах не учитывал явление стесненности, наблюдаемое в практике обогащения. Движение частиц при разделении происходит в условиях их массового осаждения в ограниченном объеме, при этом частицы испытывают влияние других частиц и стенок аппарата. Р.Ричардсом [8] экспериментально было установлено, что конечные скорости стесненного осаждения частиц всегда меньше скоростей их свободного осаждения. Им предложена формула для расчета конечной скорости стесненного осаждения частиц: V_CT = KV_CB = K^jd(p_T — р_с), где К ~ коэффициент;

р_с - плотность суспензии, принимаемая равной среднему между плотностью частиц и среды, кг/м³.

Критики отдельных положений классической теории Риттингера-Ричардса [1,9-13] отмечают, что согласно ей абсолютная скорость движения выпадающих частиц равна разности между скоростью их равномерного падения и скоростью восходящего потока. Отсюда следует, что в последовательно соединенных аппаратах с различными скоростями потока получаемые продукты будут иметь четкие границы крупности. Однако на практике продукты разделения содержат, хотя и в неодинаковых количествах, частицы всех размеров, составляющих іранулометрию исходного материала. Не находит своего подтверждения вывод данной теории о том, что концентрация частиц в потоке снижает скорость осаждения отдельных зерен, но не влияет на результаты разделения. Практика же показывает, что повышение концентрации твердой фазы в среде приводит к снижению эффективности разделения. Расчетные зависимости, полученные из анализа закономерностей движения одиночной частицы, дают лишь качественную оценку явлений переноса частиц, что не позволяет использовать их для создания надежных мето-

19 дик расчета основных технологических и конструктивных параметров разделительных процессов.

М.Д.Барский в работе [3] отмечает, что дальнейшее развитие теории гравитационного обогащения отечественными и зарубежными учеными шло в направлении уточнения отдельных положений, а в принципиальных вопросах основополагающие идеи, сформулированные в трудах Риттингера и Ри-чардса, не изменились до настоящего времени. Он, принимая во внимание работы [10,14-18], современные теоретические представления гравитационного процесса разделения сводит к следующим основным положениям:

5. В аппаратах с восходящим потоком среды направление движения частицы определяется соотношением между ее конечной скоростью осаждения и скоростью потока. При этом частица уносится вверх из аппарата, если конечная скорость осаждения меньше скорости потока {Ус_С<У), но если К_0СЖ, то частица выпадает из аппарата против движения потока.

6. Скорость витания частиц, рассчитанная на поперечное сечение сепара-ционной зоны, принимается равной конечной скорости осаждения в неподвижной среде, при этом структура потока игнорируется.

7. Механическое взаимодействие частиц между собой и стенками аппарата учитывается не всегда, а основным фактором процесса считается взаимодействие частиц с потоком.

8. При аналитическом описании процесса рассматривается поведение отдельной изолированной частицы, однако выявленные основные закономерности ее движения переносятся на совокупность разделяемых частиц.

9. Основные параметры потока принимаются детерминированными, поэтому сформулирован принцип, согласно которому скорость установившегося движения частицы в восходящей среде определяется разностью между скоростью потока и конечной скоростью осаждения.

10. Считается, что концентрация материала в потоке равномерно распределена в объеме сепарационной камеры.

7. Наибольшую эффективность процесс разделения имеет при достижении частицами установившихся скоростей движения, поэтому на практике добиваются гомогенизации и ламиниризации условий разделения.

8. Скорость потока принимается усредненной по сечению сепарационной камеры, что свидетельствует о недостаточном учете гидродинамической структуры несущей среды.

9. Основные закономерности движения разделяемых частиц в жидкости механически переносятся на их поведение в газе, т.е. не всегда учитываются различия в плотности и вязкости несущих сред.

10. В теории не учитывается влияние состава исходного материала и его концентрации в потоке на четкость разделения, что создает трудности при проектировании классифицирующих устройств для условий различных производств.

Как основу механизма гравитационной классификации М.Д.Барский рассхматривает теорию расслаивания смеси материала по установившимся скоростям движения или по крупности, элементы которой изложены в работах [9,12,15,18,19]. В соответствии с этой теорией частицы в зависимости от их крупности должны располагаться в столбе взвеси на определенных уровнях. Фактически же, как показывают экспериментальные данные исследований на вертикальной трубе с отсечками [1,3], на любом рассматриваемом уровне находятся частицы различных размеров. Отсюда можно сделать вывод, что при гравитационной классификации в восходящем потоке следует говорить о расслаивании по скоростям установившегося движения или но размерам частиц, а не об изменении крупности зерен по высоте аппарата.

Многими учеными с целью упрощения сложного механизма движения двухфазного потока при его изучении и математическом описании он рассматривается как однофазная псевдогомогенная среда с повышенными плотностью и вязкостью [20—22]. Такой подход оправдан при выводе дифференциальных уравнений, описывающих кинетические закономерности сквозных,

21 транспортных потоков, однако для рассматриваемого процесса он явно недостаточен.

В работах [23-29] предприняты попытки вывести дифференциальные уравнения движения двухфазных потоков на основе законов механики. Наиболее признанной, с точки зрения представлений о механизме переноса твердых частиц турбулентным потоком газа, считается система дифференциальных уравнений Ф.И.Франкля [29]. Однако такие уравнения, составлены при наложении ряда допущений, большинство из которых противоречат реальным условиям. Решить предложенные уравнения интегрированием часто не удается, так как не известны, граничные условия, не заданы поля скоростей, давлений и других параметров двухфазного потока. Этим объясняется также безуспешность найти методами теории подобия и анализа размерностей обоснованные критерии подобия и критериальные уравнения, пригодные для практических расчетов [30,31].

Взвешивание и перенос твердых частиц турбулентной газовой средой описывают также дифференциальными уравнениями движения дисперсных потоков [32-34].. Решение в общем виде подобных уравнений связано с непреодолимыми трудностями, так как часто неудачно выбираются исходные уравнения, а зачастую игнорируются некоторые виды движения взвешенных частиц. Составленные таким образом уравнения используются при решении; частных задач, позволяют анализировать механизм движения частиц и полученные соотношения основных параметров газовзвеси с выявленными характеристиками турбулентности [35,36].

С позиции качественно нового освещения ряда рассматриваемых вопросов интересна аналогия между процессами разделения дисперсных систем и сплошных сред [37]. Эта аналогия является_: частным случаем широко известной более глубокой аналогии между псевдоожиженным слоем и капельной жидкостью [20,38,39]. В основе данной аналогии лежит термодинамическая общность энергетических состояний между дисперсными и капель-но-жидкими системами [31,40]. Если мерой теплового движения молекул ка-

22 пельной жидкости является температура, то мерой интенсивности перемещения твердых частиц в псевдоожиженном слое служит скорость газа. Сущность перехода неподвижных слоев во взвешенное состояние и обратно объясняется с точки зрения фазовых превращений "твердое тело - жидкость -пар". Каждой из этих фаз соответствует определенное состояние рассматриваемой системы. Так, неподвижный слой принято считать аналогом твердого тела, псевдоожиженный - аналогом кипящей жидкости, разбавленную фазу — аналогом парообразного состояния. Применительно к задачам настоящей работы наибольший интерес представляет фазовый переход "плотная фаза — унос", рассматриваемый аналогом перехода "жидкость - пар".

Авторы работ [41,42] трактуют полученные закономерности при изучении уноса и классификации частиц в аппаратах с псевдоожиженным слоем с позиции аналогии между исследуемым процессом и процессами дистилляции и ректификации. Так, унос из псевдоожиженньтх полидисперсных смесей обогащен мелким компонентом, что аналогично обогащению низкокипящим ісомпонентом паровой фазы над жидкой смесью согласно первому закону Д.П.Коновалова. Подобно закону Рауля при разделении жидких многокомпонентных смесей содержание каждого компонента в уносе из псевдоожи-женного слоя пропорционально его содержанию в исходном материале до определенных значений его фракционного состава и расхода. Е.В.Донат [41] для расчета уноса из полидисперсного слоя в нестесненных условиях предложил следующее, аналогичное закону Рауля для жидких смесей, выражение

У = у -"С, где у — массовая концентрация частиц данной фракции в потоке

над слоем; у* - предельная массовая концентрация данной фракции в уносе при X = 1; X — содержание этой фракции в псевдоожиженном слое. В работе [42] предлагается при расчете уноса из пол и дисперсного псевдоожижен-ного слоя высотой свыше 0,07—0,1 м умножать правую часть этого уравнения на коэффициент у, учитывающий стесненные условия.

23 Известны работы [31,42—45], в которых авторы, исследуя процесс воздушной классификации, опираются при получении основных закономерностей на указанную аналогию. При этом считают вводимую в аппарат исходную смесь аналогом жидкости, взвешенные и уносимые частицы - аналогом пара. Уносимый потоком газа из аппарата материал содержит большое количество мелких частиц, т.е. он обогащен тонкодисперсными фракциями - аналогом низкокипящего (легколетучего) компонента жидкой смеси. Выпадающий из потока в нижнюю часть аппарата материал (провал) обогащен крупнодисперсными фракциями — аналогом вы сококипящего (труднолетучего) компонента. Исходя из сопоставления двух процессов - классификации и_; ректификации — многие исследователи указали на невозможность;-получения= узких фракций путем однократного разделения в пустотелом аппарате. Это подобно тому, как путем однократной перегонки жидкой смеси нельзя получить чистые компоненты. Отсюда следует вывод, что для получения фракций заданной крупности с четкой границей разделения необходимо вести процесс классификации по принципу ректификации. Для этого используются каскадные классификаторы, в которых исходный: материал, подвергаясь разделению в каждом каскаде аппарата, распадается на нисходящий: и восходящий потоки. При этом восходящий поток от каскада к каскаду обогащается мелкими частицами, а нисходящий — крупными. Опираясь на принцип ректификации, В: Г.Никитин [45] вводит понятие "теоретического" числа ступеней и предлагает методику его определения, что необходимо для расчета оптимального количества ступеней классификации.

В работе [20] указаны пределы применимости аналогии между капельной жидкостью и псевдоожиженным слоем. Так, указанная аналогия с достаточной полнотой сохраняется только при однородном псевдоожижении. Более того, эти системы в определенных отношениях имеют качественные различия. Например, псевдоожиженные системы являются сжимаемыми, тогда как капельная жидкость практически несжимаема. Псевдоожиженные системы обладают анизотропностью, что абсолютно не свойственно ньютонов-

24 ским капельным жидкостям [46]. Несмотря на указанные различия и неполноту аналогии между псевдоожиженными системами и капельными жидкостями, она позволяет глубже вскрыть связи и установить определенные зависимости между параметрами разбавленной и плотной фаз [31].

Резюмируя вышесказанное, необходимо отметить следующее. Гравитационные методы обогащения до сего времени не имеют единой общепризнанной теории. Несмотря на наличие различных теорий о сущности движения двухфазных потоков, механизм взвешивания и переноса твердых частиц до сих пор не объяснен. Отсутствуют надежные математические модели, описывающие движение совокупности частиц и учитывающие взаимосвязь параметров сплошной и дисперсной фаз. Решение существующих дифференциальных уравнений вызывает определенные трудности для практических расчетов из-за недостаточной изученности реальных условий протекания процесса разделения частиц в восходящем потоке газа.

Авторы [47] указывают на наличие двух научных направлений в теоретических исследованиях гравитационного разделения: детерминистского и вероятностно-статистического. В основе детерминистского направления находятся вопросы изучения закономерностей движения в потоке отдельных частиц как в свободных, так и стесненных условиях. При объяснении полученных закономерностей используются законы классической механики, физики, гидравлики. В основу вероятностно-статистического научного направления положено исследование закономерностей случайных, стохастических процессов движения совокупности частиц и среды, характеризуемой определенными не изменяющимися параметрами. При этом отмеченное движение рассматривается как результат действия внутренних и внешних сил, который; носит вероятностно-статистический характер. Поэтому для объяснения основных закономерностей изучаемого явления применяются положения теории вероятности и статистической физики.

Указанные подходы к изучению сложных процессов движения двухфазных систем имеют определенные недостатки. Так, детерминистское на-

25 правление не раскрывает полностью закономерности массового движения частиц, наблюдаемого на практике, однако позволяет дать количественную оценку влияния сил, вызывающих перемещение частицы. Вероятностно-статистический подход, напротив, не имеет возможности дать такую оценку, но раскрывает основные закономерности движения совокупности частиц в потоке.

В работах [30,48] отмечается, что при изучении процессов переноса в чистой жидкости используются два различных подхода: феноменологический, и статистический (молекулярно-кинетический). Феноменологический подход базируется на использовании уравнений Эйлера, Иавье-Стокса или Рейнольдса для турбулентных течений. В^; основе статистического подхода лежит кинетическая теория Больцмана-Чепмена-Энскога [49] или более общая теория переноса [50];

Авторы работ [21,51,52] выделяют три основных научных подхода для.математического описания гидромеханики двухфазных систем: динамический, феноменологический и статистический. Динамический метод (детерминистский) основан на законах механики и предлагает математическое описание процесса в виде дифференциальных уравнений движения отдельной изолированной частицы. По полученным закономерностям: оценивается; в дальнейшем поведение совокупности движущихся в газе частиц. Известны многочисленные дифференциальные: и интегральные уравнения движения двухфазного потока, предложенные в развитие этого метода [30,48,53,54].

В основе феноменологического подхода используется схема сплошной среды, т.е. двухфазный поток рассматривается как сплошная, непрерывно распределенная по пространству среда (континуум), обладающая физическими свойствами реальной жидкости [54-58]. Для определения величин, характеризующих движение этой сплошной среды, используется понятие физически бесконечно малого объема. При этом размеры частиц и расстояние между ними принимаются несоизмеримо малыми по сравнению с размерами ограничивающего их пространства. Для реализации такого подхода, наряду с

26 использованием общих физических законов в сочетании с экспериментальными данными, вводятся соотношения между основными параметрами исследуемой системы, полученные эвристическим путем, т.е. выдвижением различных гипотез на основе интуитивных представлений, физических аналогий и т.д. Основными недостатками феноменологического подхода являются отсутствие возможности строгого физического обоснования справедливости соотношения между наблюдаемыми величинами и; полная неопределенность коэффициентов, входящих в дифференциальные уравнения; от параметров, характеризующих взаимодействие фаз. Поэтому такие соотношения приходится определять опытным путем, что существенно усложняет задачу.

Указанные недостатки могут быть решены в рамках более глубокого статистического подхода (аналога описанного выше вероятностно-статистического), предложенного Д. Максвеллом и Л. Больцманом, который изучает закономерности массового движения частиц. С помощью этого метода выявляется связь макроскопических свойств исследуемой системы с основными параметрами составляющих ее микрочастиц с использованием функции их распределения. Статистический подход позволяет найти закономерности движения частиц в пространстве и во времени, используя, в отличие от динамического, не всю информацию о поведении отдельно рассматриваемой частицы. Сторонники этого подхода [59—77] исходят из того, что на движение частиц в турбулентном потоке наряду с постоянно действующими детерминированными величинами оказывают влияние и случайные по своей природе факторы. К их числу относятся: столкновения частиц между собой и со стенками аппарата [67-70], локальные неравномерности в виде турбулентных вихрей и циркуляционные потоки [20,38,71], неравномерность полей скоростей [16,19,70] и т.п. В результате этого, взвешивание и перенос отдельно взятой частицы представляет собой случайный процесс, а взвешивание и перенос совокупности частиц - одновременная реализация большого числа таких процессов. Поведение суммы большого числа случайных событий почти утрачивает случайный характер и становится закономерным. По-

27 этому газовзвеси в целом классе рассмотренных выше разделительных устройств обладают своеобразными статистическими закономерностями.

В.П.Мясниковым и В.В.Струминским [72,73] предложена классификация математических моделей течения неоднородных гетерогенных систем. Согласно этой классификации все модели можно разделить на четыре группы: феноменологические (гидродинамические), феноменологические с включением элементов статистики, статистические с элементами механики сплошной среды и "чисто" статистические. В работе [53] со ссылкой на работу [73] отмечается, что методы Ф:И.Франкля [32] и С.Г.Телетова [23], представляющие исходные уравнения в интегральном виде, не позволяют выделить в них эффект турбулентной диффузии. Поэтому учеными [28,55] используется метод последовательного двойного осреднения или более строгий - метод теоретике-вероятностного осреднения; функций [75], претерпевающих резкие изменения на границе раздела фаз. Комбинированный подход с использованием модели второй группы применяет З.Р.Горбис [30]. Движение каждого компонента неоднородной среды описывается им феноменологически, а для всего потока - статистически. В отдельных работах В.П.Мясникова [72,76,77] наряду со статистическим описанием движения дискретного компонента'в псевдоожиженном слое применялась модель механики сплошной среды для взвешивающего газа. Статистические: модели в чистом виде использовались в работах [72,78] и основывались на введении функций распределения как для твердых частиц, так и для молекул газа с последующим получением кинетических уравнений.

Наряду с указанными выше подходами для описания основных закономерностей двухфазного потока применяется системно-информационный подход, который основан на информационном принципе максимальной энтропии [79]. Этот принцип имеет смысл статистического теоретического вывода, благодаря чему он вносит в теорию беспристрастные оценки. С физической точки зрения он вводит в описание процесса понятия дискретности среды и стохастичности явлений микроуровня. Данный подход позволяет найти

28 решения незамкнутых систем уравнений при помощи выбора наиболее вероятных состояний, оперируя информационной энтропией как мерой неопределенности. При этом информационная энтропия оценивает разнообразие элементов в системе по определенному признаку, который нас интересует при решении той или иной г задачи: Этим она отличается от термодинамической энтропии, которая характеризует, только неупорядоченность, связанную с хаотическим движением молекул. Системи о-информационный подход применим и для; расчета основных параметров=процесса классификации, в; частности, для 'количественной: характеристики гранулометрического состава исходной смеси и эффективности ее разделения [80,81]. Так, процесс пневмо-классификации направлен на упорядочение гранулометрического состава исходной полидисперсной смеси частиц, поэтому в получаемых фракциях их разнородность по размерам уменьшается. Чтобы определить эффективность процесса разделения, необходимо провести сравнение неопределенности полученных продуктов по окончании процесса с неопределенностью исходи ого материала. Тогда энтропийный критерий' эффективности_; разделения можно

к Л

записать в виде: Е - Г- ^ у_і;Н\

( Н ,. где. уі - доля- 1-го выхода;. H_h. Н_иы ~

неоднородности /-го^; продукта и исходной смеси; к - количество выходов; (продуктов; классификации). Это выражение полностью отвечает краевым; условиям- процесса разделения.. Так, при идеальном; разделении = //,—0' и Е= Г, т.е. эффективность достигает максимального значения. При допущении, что деление не привело к изменению исходного состава; Е=0, так какі/,—Д,_сх [80]. Такими образом, анализируя- указанные, выше подходы к математическому описанию движения? двухфазного потока, можно сделать следующие выводы. Динамический метод, довольно широко применяемый в классической гидравлике, позволяет получить надежные результаты только при свободном движении крупных частиц, когда их концентрация в потоке незначительна и: стесненные условия? практически не оказывают своего влияния; на процесс. Кроме этого, многочисленные дифференциальные уравнения, полу-

29 ченные этим методом, не позволяют рассчитать такую важную, на наш взгляд, характеристику двухфазного потока, как концентрацию распределенных в нем частиц, а также определить структуру газовзвеси.

В большинстве случаев оторваны от решения практических задач и дифференциальные уравнения, базирующиеся на феноменологическом подходе. Многие ученые [56,82,83] считают, что подобные уравнения г могут быть составлены лишь для жидкой фазы, а для твердой они должны иметь дискретный вид. Это объясняется тем, что неправильно рассматривать двухфазный поток "газ— твердое" как единое целое, потому что движение его обеих фаз вызвано различными силами. Твердый материал представляет собой инертные включения, в несущей их среде и составление уравнений для взвешенной твердой фазы предусматривает замену дискретно движущейся и взаимодействующей между собой совокупности частиц фиктивным континуумом со свойствами потока. Такой подход предусматривает осреднение динамических характеристик по множеству частиц. Однако, если метод осреднения по множеству молекул в кинетической теории газов доведен до совершенства;, то общепризнанной кинетической теории движения неоднородной среды до сих пор не существует. Основные трудности исследования динамики такой среды обусловлены недостаточным пониманием механизма межфазного взаимодействия в гетерогенных потоках.

Дифференциальные уравнения, составленные на основе статистического подхода и учитывающие вероятностный характер движения совокупности частиц в турбулентном потоке, наиболее объективно описывают закономерности двухфазного потока. В работе [31] подчеркивается, что важным подтверждением статистического характера газовзвеси является то, что она характеризуется двумя противоречивыми чертами: с одной стороны, постоянной изменчивостью поведения взвешенных частиц и элементарных объемов несущей среды, с одной стороны, а с другой - наличием в стационарных условиях устойчивых значений основных характеристик потока. Применение статистических методов позволяет оценивать в совокупной форме влияние

всех параметров процесса, не раскрывая механизм этого воздействия в отдельности, что обычно вызывает большие затруднения. Л.Л.Барский и В.З.Козин [84] считают, что при проведении любого процесса разделения, даже при четком различии определенных свойств частиц, добиться идеального извлечения каждой частицы в свой продукт невозможно. Таким процессам присуща стохастичность, характеризующаяся тем, что попадание частиц в определенный объем классификатора является случайным процессом. Это вызывает необходимость использовать для оценки разделения вероятностные характеристики. Таким образом, все технологические показатели разделительных процессов являются интегральными или усредненными характеристиками, и детерминированное описание этих процессов с использованием лишь физических параметров и свойств отдельных частиц не представляется возможным. Поэтому разделительные процессы могут адекватно описываться только стохастическими математическими моделями.

Рассмотрим отдельные закономерности движения газовзвеси, полученные с позиций рассмотренных выше подходов к математическому описанию этого сложного и многообразного процесса.

Эффективность разделения пол и дисперсных материалов на фракции по их аэродинамическим свойствам зависит от целого ряда технологических и конструктивных параметров процесса, но, в первую очередь, обусловливается структурой двухфазного потока. Аналитическое описание взвешивания и распределения частиц в турбулентном газовом потоке встречает большие трудности, что заставляет ученых, как было указано выше, упрощать решаемую задачу. Многие исследователи, рассматривая движение газовзвеси, изучают закономерности движения в потоке одной изолированной частицы, вычлененной из совокупности перемещаемых частиц.

Наиболее простое из этих уравнений, полученное из рассмотрения баланса действующих на частицу сил, имеет вид

т ±G_T sin a + R,

«p

где m - масса частицы; V - скорость движения частицы; т — время движения частицы; G_T- сила тяжести; а-угол между направлением движения потока и действием силы тяжести; R - сила сопротивления среды.

Это уравнение справедливо в тех случаях, когда отсутствует заметное влияние местной турбулизаци и, соседних частиц и стенок аппарата, т.е. при малой концентрации частиц, равномерно распределенных в стационарном потоке.

Данное уравнение для восходящего потока газа чаще записывается следующим образом [7,21,22,85-87]:

dV ^p_T{V_T-V)²

_т— = -mg + F^{HvK г} (1.1)

ат 2

где - коэффициент лобового сопротивления шарообразной частицы; F - миделево сечение частицы; р_г— плотность газа; У_г — скорость движения потока.

С учетом массовых соударений частиц дисперсного материала со стенками аппарата в правую часть этого уравнения предложено [85] ввести параметр, который учитывает торможение частиц:

dv ^рЛК-П² лкуу

m = -mg + F ^{г г} — - m —.

dz 2 2D_x

Здесь X - коэффициент сопротивления при течении газа в канале; К - коэффициент Гастерштадта; D_K - диаметр канала.

Коэффициент Гастерштадта К зависит от режимных параметров потока, физических свойств твердых частиц и транспортирующего газа, а также от расходной концентрации материала [88]. Известны многочисленные эмпирические зависимости для определения данного коэффициента, однако они носят частный характер и справедливы лишь для условий проведения эксперимента, при которых получены [89-92]. Наиболее известным является эмпирическое уравнение А.М.Дзядзио [90]:

ЛУ;У

где K_t =0,017(-)-^н (—=-)'* R_e^³³ Re;⁰⁸¹ -опытный коэффициент.
Л d

Здесь Re_B, Re_r- критерии Рейнольдса, рассчитанные соответственно при скорости витания частиц и скорости движения газа.

В работе [88] приводится полученное полуэмпирическим методом уравнение для расчета коэффициента Гастерштадта, которое справедливо при достаточно высоких значениях массовой концентрации твердой фазы р>2 кг/кг, когда характер движения частиц в первую очередь определяется взаимодействием между ними:

К = 4,08- Ю"⁵ ^l—^-Fr² exp(-0,265j#),

где K_n и K_t — соответственно коэффициенты восстановления нормальных и тангенциальных составляющих скорости частицы; Fr — критерий Фруда для частицы.

Опытные постоянные, входящие в данное уравнение, исключают возможность его чисто аналитического решения, так как их значения будут конкретны для определенной конструкции аппарата.

Авторы работы [93] приводят совокупность уравнений, описывающих процесс аэродинамической классификации как движение невзаимодействующих друг с другом частиц, т.е. составленных с позиций детерминированной модели:

- дифференциальные уравнения движения частицы с начальными усло
виями: уравнение (1.1) в векторном исполнении и

dr — — = у

dt при t=0, V - V₀, 7 = r_Q; здесь 7 - радиус-вектор частицы.

- поле скоростей несущего газа

V_t=V_t(r)-_t

— уравнения поверхности, ограничивающей рабочий объем классифика
тора О., с выделением на ней поверхностей ввода частиц П_ь вывода крупных
частиц С1₂ и мелких частиц П₃.

Для замыкания уравнений рассматриваемой модели необходимо составить соотношения, описывающие взаимодействие частиц со стенками аппарата.

Практическое использование данной математической модели весьма трудоемко.- Так, метод задания поля скоростей сводится к; его экспериментальному исследованию на натурном образце классификатора.

Известны многочисленные дифференциальные уравнения, описывающие перенос полидисперсного материала в газовом потоке как движение газодисперсной среды. Среди них следует выделить системы уравнений С.Г.Телетова [23], Г.И.Баренблатта [24], Ф.И.Франкля [29,32], Н.А.Слезкина [33], Ю.А.Буевича [94], Х.А.Рахматулина [95] и др.

С.Г.Телетов и Н.И.Зверев[96] основные дифференциальные уравнения газодисперсной среды получили в следующем виде:

— усредненные уравнения движения газодисперсной среды (для коорди
наты Хі)

DV_n_DV, \др_ r^^f, vddiyV, і дрХКК+МКЪ

-+и - = ⁱ-~ + ii2COs(X.,G) + vv V_r ~— —;

а г ат p_r ox_t 3 etc, p_r ax.

— усредненные уравнения движения твердой взвеси

ат p_t ox. m

- уравнения неразрывности

+ divpV_r = 0;

+ divp_rJuV — О,

34 Здесь V_r и V_Ti = V_rl,V_r2i V_ri~ усредненный вектор и компоненты скорости га-

за; V и V_t = V_l,V₁,V_l — усредненный вектор и компоненты скорости твердой

взвеси; KipVg — пульсационные скорости газа и твердой взвеси; //-усредненная объемная концентрация частиц; V— коэффициент кинематической вязкости газа; Х_{— сумма проекций массовых сил на ось х; G — вектор силы

тяжести; Qj— проекция силы взаимодействия между частицей и газом; т — масса частицы.

Авторы работы [97] считают данную систему уравнений неполной и дополняют ее следующими выражениями:

— уравнениями, связывающими мгновенную, среднюю и пульсационную
скорости газа и частицы

V =v a-V V = V' + V

- уравнениями, выражающими закон усреднения скорости газа и частицы

У_г=( $У_г(1т)/Ат;.У = ( )Ус1т)/Ат.

Т Г

Г.И. Баренблатт [24] движение неоднородной среды с небольшой концентрацией частиц приводит в следующем виде:

дс _тг0 дс _TrQ дс _т,₀дс Г д г₇/ \ гт? \дс

дт дк ду az \дх дх_

+

ду ду

+-~[l(x_ty_fz\lb{x,y^)--

OZ CZ

+ a{x,y,z)-~

Здесь V_x ,V_y ,V_Z ~ приведенные компоненты скорости газопылевого потока по соответствующим осям, связанные с истинными скоростями потока У_гх и частиц У_х следующим образом:

„ ₌ р_т(\-сУ„+р_тсУ_я D

где D = р_г (1 — с) + р_тс ; a(x_}iy,z)— характеристика скорости витания частиц; b(x,y,z) и l{x,y,z) — характеристики потока, введенные по гипотезе академика А.Н.Колмогорова; с- концентрация частиц; q — универсальная константа.

Ф.И.Франклем [29] на основе интегральных уравнений, записанных отдельно для каждого компонента, предложена система дифференциальных уравнений движения двухфазного потока. Данная система состоит из десяти дифференциальных уравнений и в наибольшей степени соответствует представлениям о переносе частиц турбулентным потоком.

В работах [30,31,55] подробно проанализировано развитие математических моделей гидромеханики гетерогенных систем. В работе [30] подчеркивается, что системы уравнений, полученные различными авторами, не охватывают класс дисперсных потоков во всем диапазоне изменения концентрации твердой фазы. Эти уравнения не учитывают качественного изменения структуры потока и общим их недостатком является незамкнутость, которая объясняется отсутствием данных о тензорах напряжений и распределении концентраций частиц. Автор [31] считает, что подобные дифференциальные уравнения представляют теоретический и практический интерес, так как помогают установить задачи исследования и определить способ обработки и обобщения опытных данных. В связи с этим авторы [23,30,31,55] делают вывод о том, что полученные дифференциальные уравнения движения двухфазных потоков найдут свое применение в теории подобия.

Достаточно подробно сделан анализ критериев подобия и составленных из них критериальных уравнений для описания движения в газе как одиночной частицы, так и их совокупности в работах [30,31,97].

Известна система критериальных выражений, полученная А.Е.Смолды-ревым [83] путем преобразования уравнений неразрывности двухфазного по-

36 тока и движения его отдельных компонентов. Так, основное уравнение движения газопылевого потока имеет следующий вид:

Ей = A Re,Fr,Fr_t,r,^,^^-1.
I А Рт )

Из этого уравнения можно получить частную зависимость для пневмотранспорта частиц:

Еи = /_}

Re,Y,Fr,^{pT Р}

К Рг

Авторами [13] для описания движения двухфазного потока предлагается система из одиннадцати критериев подобия: шести определяющих

Ho=Vj/l₀, Re = F_r/₀p_r/77> Fr=V?/I₀g, A A^dpjl^, R = V_rdp_r/rj и пяти неопределяющих

Еи = Лр/р_гУ_т², c = Q/d²p_ru², (p = VfV„ Ka = V_r/V_r,

_r

Здесь /₀— определяющий размер канала; с_т,с_г — соответственно объемные концентрации твердой фазы и газа; Т}~ коэффициент динамической вязкости газа.

Однако Е.В.Донат [31] считает, что часто критерии подобия однофазных систем без всякого основания используются для описания свойств двухфазного потока. С помощью широко известных на практике критериальных зависимостей решаются, преимущественно, узкие конкретные задачи, например, определение потерь давления при движении газодисперсной среды по трубопроводам [30]. Полученные критериальные уравнения не позволяют рассчитать оптимальные технологические и конструктивные параметры аппаратов, применяемых для разделения сыпучих пол и дисперсных смесей в турбулентном потоке газа.

В настоящее время для объяснения закономерностей двухфазных турбулентных потоков все чаще исследователи подходят со статистических позиций. При этом из-за большого числа взвешенных и перемещаемых частиц данная двухфазная система приобретает новые своеобразные статистические

37 закономерности, которые не определяются из законов классической механики, а тем более при рассмотрении движения обособленной частицы.

Известно большое количество работ [59-66,98], авторы которых, решая ту или иную задачу при исследовании двухфазных потоков, применяли статистические методы. Е.А.Непомнящий [59,99] кинетику сепарирования частиц без учета их инерции рассматривает на основе марковских процессов. Следует отметить, что важнейшей особенностью любого марковского процесса, описывающего изменение определенной величины во времени, заключается в том, что по известному в настоящий момент времени значению данной величины можно определить вероятности ее значений во все последующие временные интервалы. При этом плотность распределения вероятности одномерного марковского процесса блуждания частиц У(т, г) удовлетворяет уравнению Колмогорова-Фоккера-Планка:

Щ^) = _ А [_o(r, _{z)V{Tt z)}] +1 |L [_b{r, z)V(r_tz)]. (l .2)

от сі 2 dz

Здесь a(r,z)- стохастический коэффициент, учитывающий скорость упорядоченного движения частиц под воздействием внешнего поля, например, гравитационного; Ь(т^2)~ стохастический коэффициент, являющийся мерой неупорядоченности движения частиц и имеет смысл коэффициента их квазидиффузии; г,г- соответственно время и координата.

Данные коэффициенты, определенные с помощью уравнения стационарного движения частиц, равны

„ ^m(^l-Pi/Pr)s , Р

_а_ _и й = —-

М V

Здесь // - эффективная вязкость слоя; /?- интенсивность случайного воздействия.

В работе [99] этим же автором предложено стохастическое уравнение движения частицы

сіт p_c

где m_c — масса частицы слоя; p_c — плотность слоя; %(j)~ параметр, учитывающий воздействие на частицу случайных сил.

Стохастический анализ гидромеханических процессов разделения гетерогенных систем в полной мере выполнен А.М.Кутеповым [65]. Характеризуя перспективу стохастического описания указанных процессов, автор подчеркивает, что расширение рамок применимости стохастической теории связано с расширением границ его информационного базиса. Суть последнего заключается в накоплении экспериментальных и теоретических данных о полях скоростей несущего потока и случайных воздействиях. Поэтому одной из главных задач является учет взаимосвязанного влияния как частиц на структуру турбулентного газа, так и его структуры на движение частиц. Применение многих уже разработанных стохастических моделей к описанию процессов гидромеханического разделения гетерогенных систем в конкретных конструкциях аппаратов сдерживается из-за отсутствия информации об адекватных краевых условиях, необходимых для интегрирования уравнения Колмо-горова-Фоккера-Планка.

О.Н.Тихонов [100] считает, что вероятностные уравнения типа Колмо-горова-Фоккера-Планка не объясняют наиболее существенных сторон картины сепарационного массопереноса, так как они не учитывают переменность физических и вещественных признаков частиц и другие важные для процесса факторы.

В работе [101] проведен стохастический анализ движения частиц диспергированной фазы относительно детерминированных траекторий в потоке с флуктуационными пульсациями. Получена математическая модель, описывающая движение частицы в восходящем воздушном потоке, которая справедлива для установившегося слабозапыленного осесимметричного турбулентного потока.

39 Авторы [102,103] применили уравнение (1.2) для математического описания процесса сепарации сыпучих материалов в равновесном пневмоклас-сификаторе. Ими было получено выражение для аналитического расчета кривой сепарации

Ф(х) = ^{V С С}

^{Wf Wf} і q і ^wf-)_C^C(Zl+Zl)ID
V с с

Здесь V(z)- скорость воздушного потока; Wj{z)- скорость витания частицы;

C(z),)(z)- стохастические коэффициенты; ^_Р'₂~ границы сепарационного пространства.

Данная формула справедлива для пустотелой конструкции аппарата, поэтому применять ее для расчета процесса пневмоклассификации в аппарате с различными контактными элементами, осложняющими структуру потока, не представляется возможным.

Авторы [104] на основе уравнения (1.2) с учетом допущения, что, ввиду равенства динамических свойств частиц, стохастический коэффициент с(г,г) = 0, предложили математическое описание кинетики разделения сыпучих материалов в вертикальных многополочных классификаторах с ситами с учетом изменяющейся на них высоты слоя.

На основе стохастического метода с использованием цепей Маркова в работе [45] дается математическое описание процесса разделения дисперсных материалов в системе классификаторов, соединенных по схеме "ректификации", применимое при любом расположении точки ввода исходной смеси. Однако авторы, на наш взгляд, при выводе зависимости фракционного коэффициента извлечения от числа ступеней классификации приняли допущения, не отвечающие реальным условиям проведения процесса: 1) частицы при движении не оказывают влияния друг на друга; 2) для каждой ступени классификации сумма входящих потоков материала равна сумме выходящих

І 40

{ф- потоков; 3) числа разделения г[₀ для всех ступеней классификации одинако-

! вы. Поэтому использовать полученное уравнение

і _(!_%>

^п=_—Г^~

і _ ( '^п \^т

для расчета вероятности- попадания^ частицы из ступени подачи исходной
смеси в: ступень выхода мелкого продукта можно с определенной степенью
точности при центробежной классификации высокодисперсных частица в ус-
\ ловиях их малой концентрации: Здесь % — число разделения в единичной

ступени; т - общее число ступеней классификации; и - ступень ввода исходного материала.

А.В.Говоров [5], подчеркивая существенный вклад статистических моделей на основе аппарата- цепей Маркова в математическое моделирование процесса классификации, указывает на; их феноменологическую сущность. При* этом делается: вывод, что основой; для расчета каскадных процессов і классификации является однородная, равновесная:модель регулярного каскада, полученная авторами [3,80,105]. Она базируется на однотипности функционирования отдельных разделительных элементов, и основной расчетной формулой модели; регулярного каскада:является зависимость, степени фракционного извлечения,в мелкий продукт всей разделительной колонки от характеристики одиночной секции:

Здесь Х'~ (1 - /О / Я"-- показатель распределения; К - степень фракционного разделения узкого класса крупности в одной ступени каскадного аппарата; z

- число ступеней каскадного аппарата; і - ступень ввода исходного материала в аппарат.

Однако данная модель может применяться для расчета процесса разде
ления дисперсного материала в диапазоне изменения объемной концентрации
\ ^ частиц и=0,5-2,5 кг/м"?, что суживает область ее практического применения. Но

РОССИЙСКАЯ

ГОСУ/Ї'.ТГГПЕННАЯ 41

СІЇ 5j1M ОТЕКА даже в этом, случае необходима экспериментальная информация о влиянии

конкретной конструкции аппарата на его разделительную способность.

Теоретические основы стохастического моделирования процесса аэродинамической классификации приведены в литературе [106,107]. Базовой зависимостью подобных стохастических моделей^ служит дифференциальное уравнение сохранения массы каждой узкой фракции исходного продукта шириной (5,6+d5), которое при стационарном режиме проведения процесса имеет вид

ах. ах

Здесь р = p(x,S)— линейная концентрация частиц фракции; V- скорость ква-зистационарного движения-фракции; D - коэффициент макродиффузии частиц; q_e(x,S)— плотность. подвода частиц фракции-от внешнего источника;

S — диаметр частицы.

При:этом считается; [93], что процесс; описываемый данным уравнением,, развивается в определенной; зоне разделения, которая ограничена сечениями Ху и х₂> причем на указанных; границах.выполняются граничные условия третьего рода:

(pV-D^)_x___Xi =У_Ар(х_л), {pV~D^-)_x^=V_hp(x₂),_

где V/ ,V/,- характерные скорости переноса частиц фракции через границы

зоны разделения.

Здесь же приводится уравнение для расчета кривой разделения, полученное для случая D = const(x, S) и содержащее стохастический параметр 5, который по признанию самих авторов является трудноопределимой величиной, что затрудняет практическое использование данного уравнения:

Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующий вывод; процессы разделения сыпучих материалов на фракции адекватно могут быть представлены стохастическими математическими моделями.. Развитие этих моделей на основе применения современных методов приведет к разработке еди-

42 ной теории разделительных процессов, которая позволит создавать высокоэффективные и надежные машины для воздушной классификации полидисперсных материалов. Однако статистический подход не является панацеей при исследовании и описании сложного многофакторного процесса разделения частиц в воздушном потоке, так как не позволяет полностью вскрыть физический механизм его протекания, выявить и объяснить отдельные характерные особенности этого механизма. Кроме этого, возникают определенные трудности при определении .многочисленных коэффициентов и величин, характеризующих вероятностный характер изучаемого явления и входящих в корреляции, полученные статистическими методами. Восполнить этот пробел можно только путем накопления и обобщения экспериментальных данных с применением современных методов наблюдения и фиксирования быстротекущих процессов.

1.2. Анализ существующих конструкций пневмоклассификаторов

На настоящее время существует множество различных конструкций воздушных классификаторов, отличающихся устройством, разделительной способностью, производительностью, диапазоном изменения граничной крупности разделения, характером движения потоков и областью применения. Известные конструкции пневмоклассификаторов можно условно разделить на различные группы по ряду признаков [1,102,108-113]. Так, авторы работы [108] по конструктивному исполнению и принципу действия все классифицирующие машины и аппараты подразделяют на три группы: обес-пыливатели, классификаторы и грохоты. В свою очередь, каждая группа машин и аппаратов по принципу их действия имеет три подгруппы: с применение сит, с использованием воздушного потока и с одновременным применением сит и воздушного потока. Далее машины и аппараты, предназначенные для обеспыливания и классификации в воздушном потоке, а также с допол-

І 43

I» нительным применением сит, делятся,на две подгруппы в зависимости от на-

личия подъема материала воздушным потоком. И, наконец, классификаторы
і без подъема исходного материала воздушным-потоком подразделяются. на

I машинььи аппараты с использованием центробежных сил и работающие на

' принципе противотока.

К. Лешонски [113] делит, классификаторы на группы в,зависимости от
I следующих факторов;

1. поля течения

І - прямолинейные или плоские дугообразные поля,

) — трехмерные (вихревые) поля;

»

2. положения и направления поля течения; к направлению;силы, завися
щей от массы частиц;

3: скорости течения (ламинарные: и турбулентные потоки);

4. направления потоков материала и среды;

5. сил, зависящих от массы частиц:

силы поля (центробежные, поля тяжести, электрического и магнитного полей),

силы инерции;

6. подачи материала (насыпные и поточные);

7. способа подключения нескольких ступеней классификации (последовательное или параллельное).

Авторы [ 1 ] считают целесообразным провести деление классификато
ров на типы по двум основным признакам: фазовому состоянию среды, в ко
торой происходит процесс разделения частиц, и направлению основных дей
ствующих на частицы сил. В качестве среды используются вода и воздух, по
этому и; классификаторы могут быть гидравлическими и воздушными. В за
висимости от направления действия силы тяжести и силы сопротивления
среды движущемуся материалу, подаваемому в аппарат с незначительной от
носительной скоростью, классификаторы бывают с восходящим или гори-
ш, зонтальным потоками среды. Если использовать вспомогательные признаки,

44 например, способ загрузки исходной смеси, от которого зависит взаимное направление движения твердой и газовой фаз, то классификаторы подразделяются на прямоточные, противоточные и с тангенциальным вводом материала. Классификаторы, в зону сепарации которых материал подается со скоростью, вызывающей значительные силы инерции, относятся к группе инерционных или метательных аппаратов. Здесь же признается условность такого деления классифицирующих машин, так как во многих аппаратах среда движется наклонно, в ряде других устройств совмещен принцип классификации в горизонтальном и вертикальном потоках среды и т.д.

В работе [114] приведена классификация следующих сил, действующих на взвешенную частицу в зоне сепарации:

1. Силы, воздействующие на поверхность частицы со стороны потока: сила сопротивления; подъемная сила; сила, обусловленная инерцией присоединенной массы; диффузионная сила.

2. Силы поля (массовые и внешние), действующие на частицу: сила тяжести; сила электростатического поля; сила магнитного поля; кажущиеся (фиктивные) силы, обусловленные вращением подвижной (неинерциальной) системы координат, - центробежная и кориолисова силы.

3. Сила инерции (при ускоренном движении частиц).

4. Силы, действующие между поверхностями отдельных твердых частиц: силы трения, силы сцепления, силы от взаимных столкновений.

Наиболее признанной [3,93,97] можно считать классификацию разделительных аппаратов по Р. Нагелю [112], где за основу принято соотношение между силами, действующими на частицы материала и приводящие к их распределению. Решающее значение при этом имеют сила инерции, которая в зависимости от вида, величины и направления насчитывает четыре разновидности, и тяговое усилие воздуха, делящееся на пять видов. На основании этого предлагается различать двадцать групп сепараторов.

Авторы [97] подробно анализируют данные силы с точки зрения их роли в процессе воздушной классификации и приходят к следующему выводу.

45 Основными силами, с одной стороны, являются массовые силы: сила тяжести и кажущиеся силы, а также сила инерции частиц, с другой - сила сопротивления среды. Если, в свою очередь, разделить массовые силы и силы сопротивления на отдельные группы по их виду, величине и направлению, то можно наглядно сгруппировать, воздушные классификаторы по признаку взаимной ориентации отдельных массовых сил. и сил аэродинамического сопротивления. Mi Д. Барский [3] подчеркивает важность данной классификации разделительных устройств, но в то же время: считает, что она является недостаточной, так как не отражает главного предназначения разделительных устройств и не содержит таких характеристик завершенности процесса фракционирования, как диапазона изменения граничной крупности разделения, производительности и области применения. Именно эти параметры должны приниматься во внимание при сравнении классифицирующих аппаратов.

По принципу действия известные на настоящее время пневматические классификаторы разделяют натри группы: центробежные, гравитационные и линейно-инерционные. Последняя і группа аппаратов находится в стадии лабораторных разработок, еще мало изучена, но представляет, несомненно,, большой практический интерес [48,115]. Наиболее распространенными в химической промышленности являются первые две группы воздушных классификаторов. Центробежные классификаторы достаточно полно систематизированы и исследованы как в теоретическом, так и экспериментальном плане в работах [3,114,116-124]. Основное их предназначение заключается в разделении исходного материала на фракции в диапазоне граничной крупности от 10 до 100 мкм. Выделению из массы материала тонкодисперсных фракций способствует значительное преобладание массовых сил над силой тяжести. Это достигается использованием центробежных сил, возникающих при вращении газового потока или механической конструкции, например, разбрасывающей тарелки. В зависимости от этого признака центробежные классификаторы могут быть разделены на две основные группы: воздушно-проходные (с вращающейся зоной сепарации) и воздушно-замкнутые (с неподвижной

46 зоной сепарации). Традиционной областью применения указанных классификаторов являются системы пылеприготовлений в сочетании с шаровыми и молотковыми мельницами. Общими их недостатками являются непригодность для фракционирования крупнозернистого материала, сравнительно невысокая эффективность разделения (-0,3-0,6),,сложность конструкции, повышенный износ вращающихся частей и стенок зоны сепарации, громоздкость и металлоемкость. Здесь и в дальнейшем при сопоставлении пневмоклассификаторов в качестве показателя эффективности разделения используется широко распространенный параметр %=dyd₂^ где d₇₅ и dis — средние размеры узких фракций, выносимых в мелкий продукт соответственно на 75 и 25 %, и являющийся: средним вероятным: отклонением по кривой разделения [125]. Относительно низкая эффективность разделения объясняется засорением мелкими частицами крупного продукта, обычно возвращаемого на повторный размол. Поэтому конструкции центробежных классификаторов постоянно улучшаются [126]. Вместе с отмеченными ранее недостатками следует подчеркнуть незаменимость центробежных классификаторов при выделении тонкодисперсных порошков с размерами частиц: менее 50 мкм. Вызывают большой практический интерес центробежные классификаторы, в которых сепарационные каналы ротора имеют зигзагообразную форму [127,128] или снабжены специальными вставками [53]. Подобные сепараторы имеют диапазон разделения от 15 до 100 мкм, а эффективность разделения — не менее 0,7.

Гравитационные классификаторы представляют собой значительную группу пневмоклассификаторов, которые по ряду признаков также разделяют на различные типы. Например, в работе [48] в зависимости от направления движения газовзвеси различают классификаторы с вертикальным и горизонтальным потоками. Е.В. Донат и А.И. Голобурдин [51] выделяют три типа гравитационных пневмоклассификаторов по различию в их конструктивном: исполнении: аппараты со свободным сечением, аппараты с псевдоожижен-ным слоем и полочные аппараты. В работе [1] рассматриваются гравитаци-

47 онные аппараты метательного действия, с воздушным горизонтальным потоком, с восходящим воздушным потоком и воздушные многоступенчатые классификаторы. И. Вессель [ПО] подразделяет рассматриваемые аппараты на четыре группы: классификаторы, работающие с восходящим потоком, вибрационные классификаторы, горизонтальные классификаторы и многокаскадные классификаторы. Характеризуя данные классификаторы, автор делает вывод, что они очень сходны между собой. С.Г. Ушаков и Н.И. Зверев [97] классифицируют гравитационные аппараты на подъемные, горизонтальные, противоточно-поворотные и зигзагообразные. Авторы работы [93], в зависимости от взаимной ориентации сил тяжести и аэродинамического сопротивления, гравитационные классификаторы разделяют на противоточные и с косым потоком. М.Д. Барский [3] считает целесообразным разделить гравитационные классификаторы по целому ряду признаков на четыре типа: поперечно-поточные, поворотные, противоточные и каскадные. Здесь же приводится наиболее полный обзор существующих гравитационных классификаторов с указанием области их применения, принципа работы и недостатков. Классификация, предложенная автором, на наш взгляд, является наиболее полной, так как разновидности гравитационных аппаратов, выделенные другими учеными, входят в указанные им типы. Так, поперечно-поточные классификаторы содержат аппараты с горизонтальным и косым потоками, а поворотные - метательные. Противоточные гравитационные аппараты включают вертикальные, со свободным сечением, с псевдоожиженным слоем, с восходящим потоком и подъемные. В совокупность каскадных классификаторов входят зигзагообразные, аппараты с полками, многоступенчатые и многокаскадные.

Следует отметить, что не все из перечисленных типов аппаратов нашли широкое применение в промышленности, ряд из них или остался в стадии лабораторных исследований, или был вытеснен из производства после опытных испытаний более совершенными разработками. Остановимся на тех

48 конструкциях гравитационных пневмоклассификаторов, которые используются в настоящее время в различных отраслях промышленности.

Весьма просты по техническому решению различные виды классификаторов поперечно-поточного типа с воздушным горизонтальным потоком, в которых сила сопротивления среды перпендикулярна или направлена иод некоторым углом к силе тяжести. Областью их применения является разделение материалов, содержащих частицы более 1 мм. Важным достоинством аппаратов с воздушным горизонтальным потоком является сравнительно низкий расход энергии. Конструктивно подобные аппараты выполнены в виде узкой и высокой осадительной камеры прямоугольного сечения, в которую питателем вводится исходный материал. В нижней части камеры крепятся несколько приемных бункеров для сбора выпавших из потока определенных фракций. Установка снабжена вентилятором для создания устойчивого горизонтального потока воздуха, движущегося с определенной скоростью, и циклоном для улавливания тонкодисперсной пыли. Благодаря большой протяженности осадительной камеры в данном классификаторе имеется возможность выделения нескольких фракций различной крупности. Гравитационные классификаторы с горизонтальным воздушным потоком обладают низкой эффективностью разделения (у_⁼0,3-0,4), что объясняется кратковременным контактом фаз и неравномерным распределением материала по высоте осадительной камеры из-за нестабильности поля скоростей. При высоких концентрациях частиц в потоке образуются агломераты, состоящие из мелких частиц, которые, не разрушаясь, загрязняют крупный продукт. Кроме этого, поступающий из питателя материал, находящийся в состоянии почти плотного слоя, не успевает диспергироваться на отдельные частицы и длительное время движется в первоначальном состоянии. Чтобы исключить это явление и тем самым повысить эффективность разделения, в осадительных камерах классификаторов с горизонтальным потоком устанавливаются различные вставки в виде штифтов, пластин, роликовых или пластинчатых жалюзей. Назначение этих вставок заключается также в периодическом изменении на-

49 правления движения материала и разрушении образующихся агломератов частиц [129,130]. Подобные аппараты применяют для классификации крупнодисперсного материала в случае отсутствия повышенных требований к чистоте получаемых фракций. Известно их применение для классификации мраморной крошки [53], угля [131], щебня [132], заполнителей бетона [133], электросталеплавильных и металлургических шлаков [134, 135].

Поворотные классификаторы менее распространены в промышленности из-за сравнительно невысокой эффективности разделения, которая объясняется также неравномерностью поля скоростей, что приводит к возникновению застойных зон в сепарационном канале, способствующих образованию агломератов частиц. Если к этим аппаратам применить признак силовой классификации, то массовыми силами здесь являются сила тяжести и сила инерции, причем последняя генерируется поворотом воздушного потока или вводом материала в зону сепарации со значительной скоростью [136]. В инерционном проходном классификаторе для повышения эффективности извлечения мелких фракций или для полифракционного разделения создается многократное изменение направления движения газовзвеси [1,108,110]. Область применения подобных устройств такая же, как и аппаратов поперечно-поточного типа. Из поворотных аппаратов чаще в промышленности и сельском хозяйстве используют метательные классификаторы [137-139], которые в самом простом виде представляют собой ленточный транспортер, встроенный в осадительную камеру с набором бункеров для сбора фракций. Этим аппаратам свойственны те же недостатки. Кроме этого, при значительной концентрации частиц в потоке даже при высоких скоростях метания компактность движения струи материала не нарушается, что приводит к засорению крупного продукта мелкими частицами. Классификация мелких частиц осуществляется в основном с периферии сечения струи. Несколько повышается четкость классификации за счет пульсирующей подачи исходного материала роторно-ленточным метателем, благодаря чему струя материала "рас-

50 падается", что улучшает условия обтекания единичных частиц потоком воздуха [140].

Широко распространены в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве противоточные гравитационные классификаторы. Наиболее прост в конструктивном исполнении аппарат со свободным сечением, называемый равновесным классификатором. В таком аппарате на изолированную частицу действуют две силы: массовая сила и сила аэродинамического сопротивления, направленные в прямо противоположные стороны, образуя угол 180. При равенстве этих сил частица будет находиться в состоянии равновесия, а ее размер при этом характеризует границу разделения. При изменении этого состояния, из-за действия каких-либо случайных сил, рассматриваемая частица может попасть в один из двух получаемых продуктов. Поэтому классификаторы, в которых силы, действующие на частицы, могут гипотетически уравновеситься, называются равновесными. Подобный аппарат представляет собой вертикальную шахту круглого или прямоугольного сечения, в которую на определенном уровне по высоте питателем по наклонному патрубку вводится материал. Классификатор снабжен системой улавливания мелких частиц (циклоном, фильтром), которые выносятся восходящим воздушным потоком через верхнюю его часть, и бункерами для сбора уловленного мелкого продукта и выпавшего вниз из аппарата крупного продукта. Большинство подобных аппаратов работают под разрежением, создаваемым центробежным вентилятором. Применяются равновесные классификаторы для разделения сыпучего материала широкого фракционного состава по граничной крупности от 0,5 до 3 мм. Однако такие аппараты обладают целым рядом недостатков и не обеспечивают требуемой четкости разделения полидисперсного материала по классам. Основным недостатком является неравномерность распределения газовзвеси по высоте и сечению аппарата и, прежде всего, в месте ввода материала. Местное искажение эпюры скоростей и дополнительная турбулизация медленно затухают с высотой. Эти факторы, а также стесненные условия, приводящие к эффекту подталкивания, являют-

51 ся причиной выноса из таких аппаратов крупных частиц. Придание корпусу классификатора конической формы, расширяющейся кверху, лишь в некоторой степени устраняет этот недостаток.

Одним из наиболее.известных классификаторов рассматриваемого типа является классификатор Гонеля [141], в котором исходный материал проходит периодически последовательно несколько цилиндров различного диаметра с восходящим потоком воздуха. Из каждого цилиндра отбирается определенная фракция с размерами частиц от 5 до 65 мкм. Из-за малой производительности и периодичности в,работе данное устройство широко применялось только в практике дисперсионного анализа [142]. Известно применение равновесных классификаторов непрерывного действия в сельском хозяйстве [143,144]; где они используются для предварительной: сортировки или очистки зерна основной культуры от примесей, отличающихся своими аэродинамическими свойствами. Для рассредоточения плотной струи вводимого в аппарат исходного материала воздушные классификаторы, называемые в технологии сепарирования зернопродуктов аспирационными колонками, снабжают различными-рассекателями с целью разрушения агломератов частиц и создания условий их равномерного распределения в потоке воздуха [145].

В практике воздушной классификации применяются также аппараты с псевдоожиженным слоем, в которых исходный материал непрерывно подается на горизонтальные или наклонные решетки, продуваемые восходящим потоком воздуха [20,108,146-148]. В подобных аппаратах используется явление разделения частиц как по высоте псевдоожиженного слоя, так и в сепа-рационном: пространстве над ним [149,150]. Проводя этот процесс на нескольких, газораспределительных решетках различных конструкций, установленных одна над другой в сепарационнои камере, можно разделить полидисперсный материал на несколько¹ фракций [151,152]. По данным авторов [153] классификаторы с псевдоожиженным слоем могут работать в диапазоне граничной крупности 0,5-5 мм с эффективностью разделения х⁼0,4-0,45. Эти классификаторы обладают сравнительно малой производительностью,

52 резким снижением эффективности классификации при уменьшении скорости газа, значительным гидравлическим сопротивлением, истиранием обрабатываемого материала, забиванием отверстий решеток частицами, сложностью конструкции аппарата, особенно для многопродуктовой классификации. Несколько эффективнее протекает процесс классификации материала в аппаратах с импульсным псевдоожиженным слоем [154-158], которые работают при меньших расходах ожижающего агента. Авторы [93] считают, что классификаторы с; кипящим слоем, незаменимы для организации совмещенных процессов в объеме одного аппарата, в котором основная переработка сыпучего материала:происходит также в кипящем слое. При использовании аппарата в качестве только классифицирующего устройства предпочтение следует отдавать гравитационным классификаторам.

Сравнительно низкая:эффективность разделения перечисленных выше аппаратов объясняется нерациональной организацией процесса классификации; при которой материал подвергается, в основном, однократному разделению. Можно несколько повысить полноту разделения, пропуская полидисперсную смесь твердых частиц последовательно через ряд подобных аппаратов. Однако возрастающие при этом энергетические и капитальные затраты не компенсируются незначительным увеличением эффективности процесса классификации.

Требуемую полноту разделения материалов с широким фракционным составом могут обеспечить только каскадные классификаторы, в которых обрабатываемая смесь последовательно проходит однотипные сепарационные ступени в объеме одного аппарата. Первым ярким представителем каскадных аппаратов является зигзагообразный классификатор, разработанный и впервые исследованный немецким ученым Фридрихом Кайзером [2,127,159]. Данный аппарат довольно прост по своей конструкции и представляет собой полую вертикальную шахту прямоугольного сечения, состоящую из отдельных зигзагообразных секций. Материал подается в аппарат по наклонному патрубку, расположенному в середине шахты, и продувается потоком возду-

53 ха, поступающим в нижнюю секцию. Учитывая, что разделение частиц наиболее полно происходит при пересечении материалом воздушного потока в изгибе канала, т.е. в месте сопряжения секций аппарата, число зон сепарации в нем на единицу меньше числа секций. Внутри каждой секции за счет резкого поворота воздушного потока образуется устойчивый крупномасштабный вихрь с горизонтальной осью вращения, вовлекающий в свое движение материал. При пересечении воздушного потока подаваемый материал расслаивается: легкая и мелкая фракция отклоняется вверх, а тяжелая и крупная - вниз. Эффект отклонения усиливается за счет отражения частиц от стенок аппарата, причем мелкие частицы попадают в струю воздуха с большим динамическим напором и выносятся вверх, а крупные, сталкиваясь со стенкой в зоне движения воздуха с меньшей скоростью, выпадают вниз. Повторенный таким образом акт разделения в каждой зоне сепарации значительно повышает эффективность процесса классификации. Явление многократных ударов материала об стенки аппарата способствует разрушению образующихся агломератов частиц, что также положительно сказывается на эффективности разделения. По данным автора разработки, практические границы разделения лежат в широком диапазоне крупности частиц от 0,1 до 10 мм, а эффективность разделения достигает значения х~0,75. Причем на размер граничного зерна и эффективность в значительной степени влияют скорость воздуха, концентрация материала в потоке и число секций. Сотрудниками фирмы "Alpine AG" (г.Аугсбург, ФРГ) под руководством Ф.Кайзера разработан также классификатор повышенной производительности (свыше 50 т/ч), состоящий из прямоугольного корпуса, внутри которого размещены несколько параллельно работающих зигзагообразных каналов. Исходный материал непрерывно подается на газораспределительную решетку, установленную в нижней части корпуса и имеющую небольшой наклон в сторону разгрузки крупного продукта. За счет продувки восходящим потоком воздуха решетки, над ней образуется взвешенный слой материала, который подвергается перечистке в каждой зигзагообразной колонке. Мелкая фракция, пройдя все ступени перечи-

54 стки и освободившись от случайно вынесенных крупных частиц, поступает на выходе из аппарата в пылеосадительные устройства. Крупная фракция, двигаясь по наклонной решетке и освобождаясь от мелких частиц, самостоятельно выгружается из аппарата.

Известны конструкции пневмоклассификаторов, в основе которых лежит зигзагообразный аппарат. Новые конструктивные решения отдельных узлов, такие как шарнирное соединение секций зигзагообразных каналов [160]^ выполнение зигзагообразных перегородок с образованием щелевидных проходов между собой [161], расширяющаяся по высоте сепарационная- камера [162] направлены на повышение разделительной способности аппарата.

В Уральском политехническом институте, параллельно с созданием Ф.Кайзером аппарата типа "Зигзаг", разработан воздушный каскадный классификатор с пересыпными полками [1]. Он представляет собой вертикальную шахту прямоугольного сечения, внутри которой на противоположных меньших сторонах закреплены поочередно наклонные сплошные пластинчатые полки. Материал подается в верхнюю часть шахты на питательную полку и, пересыпаясь по извилистой траектории, интенсивно продувается восходящим потоком воздуха. Наиболее интенсивный контакт частиц материала с газом достигается в свободных сечениях между стенками шахты и незакрепленными концами полок. Механизм разделения частиц материала по крупности в полочном аппарате во многом аналогичен работе зигзагообразного пневмоклассификатора, однако имеет и свои характерные особенности. Анализ скоростной киносъемки процесса показал, что в полочном классификаторе поток в каждой ступени разделения распадается на отдельные вихри с направленным массообменном между собой [163]. Существование устойчивых крупномасштабных вихреобразований в межполочных пространствах значительно искажает картину движения частиц, характерную для одномерного противотока. Таким образом, применение пересыпных полок, при обтекании которых двухфазным потоком генерируются инерционные силы, способствует повышению эффективности разделения. Для рассматриваемого аппарата, по

55 данным авторов [1], эффективность разделения может достигать значения Х=0,85, благодаря постоянному отводу материала от пристеночной области в ядро потока, совокупному влиянию сил тяжести и инерции, рассредоточению материала при ударе об стенки аппарата и при движении по пересыпным полкам, многократной перечистке материала и другим указанным выше факторам.

В дальнейшем пересыпные полки будем также именовать и контактными элементами, так как этот термин, на наш взгляд, глубже раскрывает их основное предназначение.

При рассмотрении полочных аппаратов с позиций классификации по Р.Нагелю, можно считать, что они сочетают в себе признаки нескольких классов: в сепарашгонной камере - проти воточно-поворотные, в верхней части — прямоточные, в нижней — противоточные. Кроме этого можно отметить, что в верхней и нижней частях аппарата на частицу действуют подъемная сила и сила тяжести, тогда как в сепарационной камере работает и сила инерции.

Известно, что повышение производительности путем простого масштабного увеличения линейных размеров резко понижает эффективность разделения [164]. Отсюда следует вывод, что, с целью увеличения производительности без существенного понижения эффективности, целесообразнее создавать многорядные каскадные аппараты, состоящие из параллельно работающих полочных колонок незначительных размеров. Такой классификатор был также разработан в Уральском политехническом институте [165]. Он представляет собой корпус прямоугольного сечения, в котором смонтированы шахты с пересыпными полками, которые своей нижней частью крепятся к общему коробу для подвода воздуха. Между шахтами и коробом находится газораспределительная решетка, наклоненная под небольшим углом в сторону разгрузки крупной фракции, на которую подается исходный материал. Данный аппарат исследован в работах [1,3,166] и используется в промышленности для обеспыливания калийных удобрений по классам 0,1 и 0,2 мм производительностью 48 т/ч. Граничный размер частиц при этом изменялся от 80 до 360 мкм, а эффективность разделения составляла 0,5 - 0,57 [3].

56 Пневмоклассификаторы с пересыпными полками, несомненно, являются прогрессивными аппаратами, но и им свойственны определенные недостатки. Прежде всего, установка пересыпных полок в виде сплошных пластин создает в подполочных пространствах застойные зоны, где образуются также крупномасштабные вихри, прижимающие часть вовлеченного во вращательное движение материала к стенке аппарата и поверхности полки. На наш взгляд, отрицательно воздействуя на процесс разделения, данные вихри, как указывает автор [3], используют часть общей энергии восходящего воздушного потока. В конечном итоге, это приводит к дополнительной затрате энергии, значительному повышению гидравлического сопротивления аппарата и переизмельчению материала. При движении по поверхности сплошных пластин в виде плотного слоя определенной толщины материал контактирует с потоком воздуха, в основном, только в разгрузочных щелях (между незакрепленными торцами полок и стенкой шахты), что также не способствует повышению эффективности разделения. Компоновка нескольких параллельно работающих каскадных пневм о классификаторов одинакового сечения в объеме одного аппарата усложняет регулирование скорости воздуха в каждой отдельной шахте, что приводит к загрязнению мелкого продукта. Кроме этого, такая организация процесса, при которой исходный поли дисперсный материал подается на наклонную газораспределительную решетку, требует большого расхода энергии для создания взвешенного слоя и выноса частиц на значительную высоту.

С целью повышения эффективности процесса, снижения энергетических затрат и организации многопродуктового разделения, дальнейшее развитие каскадных пневмоклассификаторов пошло но пути создания новых конструкций пересыпных полок [167-176], комбинации их типов в объеме одного аппарата [177], изменения формы сепарационных камер [178,179] и установки дополнительных перечистных элементов в зоне разделения [161— 163,165,180,181].

Однако только незначительная часть из предложенных технических решений, исходя из имеющихся литературных данных [3-6,43,177,182], была подвергнута изучению и использованию на практике.

Учитывая недостатки сплошных пластинчатых полок, авторы [183] предложили перфорировать их поверхность с целью снижения гидравлического сопротивления аппарата.

Следует отметить, что впервые закономерности процесса пневмокласси-фикации в аппарате с перфорированными пластинчатыми полками были исследованы автором настоящей диссертации, которые приведены в работе [184].

Принимая во внимание, что почти все рассмотренные выше конструкции пневмоклассификаторов позволяют разделять полидисперсный материал на две фракции по определенной границе крупности, представляет значительный практический интерес аппаратурное оформление способа многопродуктового фракционирования. Известны аппараты [146,151,152], в которых отбор отдельных фракций предлагается производить по высоте сепарацион-ной камеры, снабжая их для этого конструктивными дополнительными элементами в виде решеток, отбойников, уловителей и т.п. Естественно, что такое решение не позволит обеспечить четкие неперекрывающиеся границы разделения из-за малого расстояния между точками отбора продуктов и нестабильности структуры потока в месте отбора. Также малоэффективны аппараты, представляющие собой последовательно соединенные по питанию сенарационные камеры с различным поперечным сечением, типа ранее упомянутого классификатора Гонеля [141].

В работе [3] предложено для решения задачи много продуктового разделения реализовать каскадный принцип организации процесса, т.е. определенным образом соединяя известные пневмоклассификаторы по питанию и потокам выделяемых классов крупности. При этом каждый аппарат исполняет роль отдельной ступени классификации, и узкие фракции отбираются из тех ступеней, где создан оптимальный технологический режим для выделения определенного класса крупности. Однако, на наш взгляд, скомпонован-

58 ная таким образом установка, позволяющая разделять полидисперсный материал на три-четыре фракции, будет иметь большие габариты, сложность в управлении процессом, повышенные и неоправданные затраты энергии и, как следствие, сравнительно низкую эффективность.

Проведенный анализ основных конструкций аппаратов, применяемых для фракционирования полидисперсных смесей, показывает, что наиболее перспективными на настоящее время являются гравитационные каскадные пневмоклассификаторы, позволяющие разделять материалы широкого гранулометрического состава. Дальнейшая модернизация подобных аппаратов с целью повышения четкости границы разделения должна идти по пути создания новых конструкций сепарационных камер и контактных элементов. Причем приоритет в этом вопросе останется за оптимизацией конструкции контактных элементов, так как именно они существенным образом формируют структуру двухфазного потока, способствуют возникновению центробежных и инерционных сил, генерируют крупно- и мелкомасштабные вихреобразо-вания, увеличивают поверхность и время контакта фаз, образуют ступени перечистки материала. Установка контактных элементов устраняет образование застойных зон в аппарате, позволяет значительно уменьшить высоту сепара-ционной камеры и создает возможность эффективно проводить процесс разделения при повышенных концентрациях твердой фазы.

59
Щ} 1.3. Влияние технологических и конструктивных параметров процесса

на взвешивание, распределение и перенос частиц в сепарационных каналах пневмоклассификаторов

1,3.1. Влияние структуры турбулентного потока на протекание процессов переноса и распределения твердой фазы

Процессы, связанные с переносом и распределением твердой фазы, определяются, в первую очередь, структурой турбулентного потока, обладающего анизотропностью, Структуру турбулентного потока однородной жидко-

_-; сти многие ученые рассматривают с позиции общепринятой теории

А.Н.Колмогорова [185]. Согласно этой теории, турбулентное движение представляет собой совокупность вихрей различных масштабов с определенными верхним и нижним пределами, которые обусловлены соответственно размерами ограничивающего движущийся поток канала и вязкостью среды. Наиболее крупные продольные пульсации низких частот, получая энергию ос-редненного движения, передают ее поперечным. Перераспределение энергии между пульсационными движениями всех направлений осуществляется благодаря работе пульсаций давления. Каскадный процесс распада крупных неустойчивых возмущений до возмущений низшего предела с передачей каж-

ф дый раз части своей энергии продолжается до тех пор, пока вязкость среды

не обусловит низший предел размера вихрей. И.О.Хинце [186] считает, что геометрические размеры наиболее крупных вихрей составляют от 1/4 до 1/2 радиуса канала и при приближении к стенкам они постепенно уменьшаются. Процессы взвешивания и переноса частиц происходят, в основном, за счет крупномасштабных пульсаций, обладающих основной энергией потока.

В монографии [34] причина возникновения турбулентных пульсаций объясняется периодическими локальными выбросами массы газа из гидродинамически неустойчивых замедленных участков пристеночной области иото-

ф ка, где газ сильно заторможен и наблюдается значительный градиент скоро-

60 сти течения. Выбросы газа порождают подковообразные вихри, проникающие вглубь потока, и, в свою очередь, способствуют появлению новых локальных отрывов потока. Масштаб первичных вихрей сравним с масштабом потока, а скорость - со скоростью течения, причем частота соответствующих им пульсаций скорости сравнительно невелика. Движение этих крупных вихрей при больших числах Re оказывается неустойчивым, что порождает более мелкие вихри и так далее вплоть до мельчайших вихрей, для которых Re<\. Внутри таких вихрей движение имеет ламинарный характер и зависит уже от молекулярной вязкости. Здесь происходит диссипация: всей энергии, которая передается вдоль образующейся цепочки вихрей. На движение мелкомасштабных вихрей не сказывается ориентирующее действие поступательного перемещения потока, все направления равновероятны, пульсации: изотропны. Вихри этого масштаба движутся: как одно целое, частота пульсаций постоянна нравна наивысшему значению. Основными параметрами, характеризующими турбулентное движение,-помимо критерия Рейнольдса и скорости, являются степень турбулентности, ее масштаб, частота турбулентных пульсаций, их распределение и характерные значения. Структура турбулентного потока определяется профилем скорости своего движения, который стабилизируется^ на довольно значительном расстоянии от входа в канал. Это объясняется действием сил вязкостного трения возле стенок, непосредственно на которых поток имеет нулевую скорость. Максимальная осредненная скорость, располагающаяся по оси каналов, больше средней скорости движения на 15-25%. Для прямоугольных каналов наблюдается различие профилей скорости по короткой и длинной сторонам, при этом отмечаются высокие значения скорости в углах. Это объясняется возникновением в них так называемых вторичных течений, направленных по биссектрисе в угол, откуда они растекаются в обе стороны сечения [187,188].

Известно уравнение [54], характеризующее распределение осредн енно и скорости турбулентного потока по поперечному сечению круглого канала,

вида u/uq = (уIR) ". Здесь и - скорость потока на расстоянии^ от стенки;

«о - скорость газа на оси канала; R - радиус канала; п - опытный коэффициент, являющийся функцией Re: при /te=4-I0³ «=6; при Re=l,l-10⁵ п=1\ при Re=\ ,1-10⁶ я=8,8. Важную роль в формировании структуры потока как однофазного, так и двухфазного, играют явления, происходящие вблизи стенок канала.

Некоторые ученые [186,189]; предполагают, что возникновение турбулентности в потоке может обусловливаться силами трения у стенок, ограничивающих канал. Такую турбулентность принято называть "пристеночной", в отличие от "свободной", существующей вдали от стенок. Доказано [190]- что турбулентные пульсации существуют и в непосредственной близости к стенкам. Однако здесь преобладают процессы, близкие по характеру к ламинарным, например, сохраняется линейный профиль осредненной скорости [86], так как на границе соприкосновения потока со стенкой течение значительно затормаживается силами вязкости. При этом турбулентные пульсации и вихри здесь не могут не существовать по причине отсутствия непроницаемой перегородки между рассматриваемым вязким подслоем и ядром потока. Это подтверждается исследованиями движущегося; потока в прямоугольных каналах [191-193], свидетельствующими, что в этом подслое происходит непрерывная смена квазиламинарного и турбулентного режимов течения, которая сопровождается периодическим вторжением в подслой турбулентных вихрей из потока. Важность изучения структуры пристеночного слоя и учет сил, действующих в нем, объясняется тем, что именно здесь определяется скорость и интенсивность таких процессов, как осаждение и, взвешивание частиц, их адгезия, изменение энергетических характеристик потока, тепло- и массобмен и т.п. [22,30,54,194].

Рассмотренные особенности структуры однофазного потока позволяют лучше понять механизм взвешивания и * распределения твердых частиц, а также объяснить многие закономерности движения газовзвеси.

Структура и режим движения несущей среды существенно меняется от присутствия в ней твердых частиц. Однако в литературных источниках до

62 сих пор имеются противоречивые мнения по вопросу влияния твердых частиц на турбулентность. Ю.Т.Борщевский [195] считает, что при незначительных концентрациях частиц в потоке они уменьшают масштабы вихрей, увеличивая при этом их число. В то же время Ю.Л.Буевич [196] и Н.А.Михайлова [197] указывают на то, что при малых отношениях плотностей среды и частиц масштабы турбулентности остаются неизменными. Авторы [70] утверждают, что чем больше степень турбулентности потока, тем раньше, т.е. при меньших значениях критерия Рейнольдса, наступает турбу-лизация пограничного слоя на поверхности частицы. Это приводит к смещению линии отрыва потока от поверхности частицы к ее корме. Вследствие чего сужается турбулентный след за частицей и уменьшается сила сопротивления потока, поэтому частице передается больше энергии и скорость ее движения начинает увеличиваться. При обтекании потоком частицы в условиях промежуточного и турбулентного режимов отрывающиеся с ее поверхности вихри повышают степень турбулизации.

А.И.Пищенко [198] подчеркивает, что влияние твердых частиц на структуру турбулентного потока имеет более сложный характер. В потоке с небольшой концентрацией частицы увеличивают турбулентность. Обратное явление наблюдается в потоке, где перемещается значительное количество твердых частиц. На сложный характер влияния массы частиц на структуру турбулентного несущего потока указывает и З.Р.Горбис [30]. По его мнению частицы здесь могут играть роль своеобразных дискретных детурбулизато-ров или дестабилизаторов. В первом случае, частицы ламинизируют несущую среду, т.е. сглаживают ее турбулентность. Согласно [186], при определенных предельных концентрациях частиц в потоке его турбулентность может быть полностью подавлена. Наличие обратного эффекта - дополнительного возмущения частицами дисперсного потока доказано экспериментально в работе [199]. Отсюда в работе [30] делается вывод, что влияние частиц на структуру несущей среды может быть многофакторным и разнонаправленным, поэтому только систематическое накопление и анализ эксперименталь-

63 ных данных позволит оценить условия, при которых в потоке преобладает турбулизирующий или стабилизирующий эффекты.

В работе [200] в рамках модели нулевого порядка теоретически установлено, что дисперсная примесь снижает интенсивность турбулентности газа, и это в дальнейшем экспериментально было подтверждено другими учеными [201,202]. Автор [203] считает, что чем крупнее и тяжелее частицы и чем больше их объемная концентрация в потоке, тем быстрее наблюдается описанный выше стабилизирующий эффект. Опираясь на данное утверждение, М.Д.Барский [3] делает вывод о положительном влиянии данного явления на условия разделения, так как при этом происходит выравнивание скоростей по сечению потока. Здесь же признается, что турбулентность двухфазного потока обусловливается не только величиной критерия Рейнольдса, но и концентрацией материала в потоке.

На структуру двухфазного потока существенное влияние оказывает и вид движения частиц. Так, в потоке движущиеся частицы всегда приобретают вращательное движение со значительными угловыми скоростями (до 10⁵-10⁷ с"¹ в зависимости от диаметра частицы [88]), что вызывается неправильной формой частиц, их взаимодействием друг с другом и стенками аппарата, наличием поперечного градиента скорости несущей среды и т.д. Возникающие вследствие вращения поперечные силы (силы Магнуса) обусловливают непредсказуемую траекторию движения частиц и неравномерное распределение концентраций твердой фазы по объему аппарата [30,88]. Вращение большого количества частиц вызывает появление множества мелкомасштабных завихрений, что также способствует переходу от ламинарного движения двухфазного потока к турбулентному при меньших значениях критерия Рей-нольдса, чем при движении однородных сред [204].

64 1.3.2. Влияние дисперсности, концентрации и фракционного состава твердой фазы на основные характеристики процесса переноса частиц

Во встречающихся на практике газовзвесях твердая фаза имеет широкий фракционный состав, что обусловливает зависимость гидродинамических явлений от размера частиц. Учет этого влияния особенно значим для процессов гравитационной пневмоклассификации, где обрабатываемый материал всегда имеет полидисперсный состав.

Автор [205,206] утверждает, что газовзвеси с частицами, размер которых превышает 0,1-0,2 мм, в силу высокой инертности не принимают практически никакого участия в пульсационном движении среды. Многие исследователи [30,70,207] отмечают, что в условиях противотока твердой и газовой фаз введение в поток мелких частиц тормозит встречное движение крупной фракции и, таким образом, удлиняет время ее пребывания в аппарате. В то же время приводятся данные [208] о повышении транспортирующей способности потока насыщенного мелкими частицами. Автор данное обстоятельство объясняет повышением вязкости и плотности несущей среды. При исследовании процесса псевдоожижения зернистого материала с целью установления зависимости количественных характеристик уноса от размеров частиц выявлено, что в одних случаях концентрация частиц в потоке на выходе из аппарата не зависит от размеров крупных частиц [38], в других — наблюдается ее повышение при увеличении диаметра этих частиц [209].

А.В.Говоров [5], применив оригинальную методику измерения величины силового воздействия несущей среды, установил, что транспортирующая способность газовзвеси выше, чем однофазного потока, в частности но оси вертикального канала в три и более раз. Авторы [210], анализируя экспериментальные данные, пришли к выводу, что по оси аппарата частицы движутся с высокими аксиальными скоростями и низкими поперечными, тогда как в пристеночной зоне возрастают поперечные скорости частиц. Это снижает скорость движения частиц за счет увеличения частоты столкновения их со

65 стенками канала. Присутствие в потоке частиц различного размера также накладывает определенный отпечаток на структуру несущей среды. Так в работе [48] при анализе механизма движения газовзвеси, содержащей бинарную смесь частиц, установлено следующее: 1) в случае прямотока газа и твердой фазы при столкновении мелких частиц с крупными скорость последних резко возрастает; 2) в случае противотока соударение частиц между собой выравнивает скорость их движения; 3) повышение концентрации частиц в потоке приводит к увеличению скорости движения крупной фракции, т.е. транспортирующая способность среды возрастает.

Учитывая, что при проведении процесса гравитационной классификации сыпуч fix материалов частицы различной крупности движутся не только разнонаправлено: мелкая фракция увлекается восходящим потоком, а крупная участвует в нисходящем движении, но и с различными скоростями, между ними возникают множественные соударения. Оригинальные эксперименты [88] показали соизмеримость эффекта соударений с другими силами, действующими на частицы в дисперсном потоке. Так, при объемной концентрации мелкой фракции в потоке до 4,2 кг/м³ в установившемся его движении эффект соударений почти втрое превышает силу аэродинамического сопротивления. Этот эффект возрастает с увеличением концентрации материала, скорости газа и при установке в аппарат различных вставок, например, контактных элементов. Авторы [53] на основании опытных данных установили, что при увеличении массовой концентрации от 0,5 до 4 кг/кг частота ударов частиц о стенку аппарата возросла в 4,7 раза. Здесь же приводятся результаты расчета числа столкновений частицы с контактными элементами пластинчатой формы, установленных наклонно. Согласно этим результатам, число столкновений мелких частиц с полками больше, чем крупных, причем такое положение сохранялось и при изменении угла наклона полок и их количества. Столкновения тормозят движение частиц и способствуют увеличению времени их пребывания в аппарате, причем разность во времени пребывания крупных и мелких частиц Дт связана с количеством контактных элементов п

неоднозначно. При п = 1—2 значение Дт для частиц размером 0,1 и 0,8 мм больше, а при п=Ъ-А - меньше, чем для пустотелого аппарата. Однако для частиц размером 1,0 мм значение Дт больше, чем в пустотелом, при любом количестве полок. Наибольшее значение Дт достигается при «=1—2 и с ростом числа полок практически не изменяется.

Следует отметить, что математическое моделирование процесса движения газовзвеси на основе модели межчастичного взаимодействия касается, в основном, монодисперсных и шарообразных частиц [48,53,70,88]. Известна работа [211], в которой авторы применили данную модель к частицам неправильной формы и с шероховатой поверхностью, однако она справедлива для расчета скорости движения фракций полидисперсного материала при пневмотранспорте. Применить же для практических расчетов показателей процесса гравитационной классификации предлагаемую авторами [48] квазиодномерную статистическую модель межчастичных столкновений не представляется возможным, если задан аппарат конкретной конструкции [5].

На структуру двухфазного потока и характер взаимодействия частиц существенное влияние оказывают концентрация и фракционный состав твердой фазы. Е.П.Медников [34] констатирует, что при концентрации в потоке частиц 0,5-1,0 кг/м³ и более, что соответствует промышленным условиям, они оказывают влияние на все без исключения турбулентные характеристики газа: критическое число Рейнольдса [212-214], степень турбулентности [24,30,215-217], частотный спектр пульсаций [212], профиль осредненной скорости [218-220], значение коэффициента турбулентной диффузии [218,220,221], гидродинамическое сопротивление потока [22,70,205,221-224]. Это, по мнению автора, приводит к необходимости совместного рассмотрения уравнений движения и энергии частиц и среды, что сильно усложняет анализ поведения частиц [32,55,212,221,225].

М.Д.Барский [1] считает, что влияние концентрации твердой фазы на характер движения потока проявляется двояко. Так, с ее увеличением возрастает стесненность, что приводит к уменьшению скорости витания частиц

67 [51,70,226]. С другой стороны, при увеличении концентрации частиц возрастает влияние на структуру потока механического взаимодействия частиц между собой, со стенками аппарата и контактными элементами [48,53,69,90,210,227]. В работе [3] установлено, что уменьшение турбулентности при увеличении концентрации твердой фазы в потоке создает благоприятные условия при проведении процессов разделения, так как при этом происходит некоторое выравнивание скоростей по сечению аппарата из-за уменьшения отношения максимальной скорости к средней. Однако в этой же работе на основании экспериментальных данных было показано, что при увеличении концентрации частиц в потоке степень фракционного разделения монотонно падает. Это объясняется возрастанием вероятности взаимодействия частиц в потоке. Поэтому при повышенных требованиях к качеству продуктов разделения автор рекомендует не превышать объемную концентрацию материала более 2,5 кг/м³. На наш взгляд, данная рекомендация справедлива только для определенной конструкции пневмоклассификатора.

Г.С.Пономарев [43], исследуя влияние концентрации разделяемого материала на величину уноса из пневмокпассификатора с провальной тарелкой клиновидного типа, установил сложный вид данной зависимости. Графически в логарифмических координатах она выражается ломаной линией, состоящей из трех участков. На первом участке концентрация частиц в уносе нарастает пропорционально нагрузке по твердой фазе, на втором — практически стабилизируется, на третьем — вновь наблюдается интенсивный ее рост. Автор стабилизацию величины уноса объясняет существованием предельно транспортирующей способности потока при его определенной скорости движения. Существование предельной концентрации частиц в потоке также отметили исследователи [82,228-233]. Они пришли к выводу, что турбулентный поток при каждой скорости своего движения способен транспортировать лишь определенное количество частиц рассматриваемой крупности. Ф.А.Зенц [231] и С.С.Забродский [209] при исследовании двухфазного потока не только установили существование такой скорости несущей среды, при

68 которой поток приходит в состояние "насыщения" материалом, но и качественно объяснили это явление. Увеличение концентрации твердой фазы приводит к значительному уменьшению расстояния между движущимися частицами, вследствие чего вероятность попадания их в гидродинамический след ближайших частиц возрастает. При этом частицы, попавшие в подобный вихревой след, образуют с соседними частицами агломераты, скорость витания которых превышает скорость движения несущей среды, что приводит к выпадению их из потока. Е.В.Донат [31,51] объясняет существование предельной концентрации частиц с позиции связи этой величины со структурой турбулентного потока. С увеличением скорости восходящего двухфазЕюго потока в его спектре возрастает доля крупномасштабных пульсаций, способных взвешивать и переносить частицы. Одновременно увеличивается и число частиц определенной крупности, которое может транспортировать поток. При каждой скорости своего движения поток транспортирует во взвешенном состоянии строго определенное количество частиц данного размера. В работе [234] приводится уравнение 'S^np = a~(blW)^ которое позволяет рассчитать

предельную концентрацию частиц, характеризующую транспортирующую способность потока, в зависимости от его скорости движения. Здесь

^a"'S^np- логарифм предельного значения концентрации частиц, к которому

эта величина стремится с увеличением скорости потока; b = W(-\gY_np/Y_np) -

опытный коэффициент, зависящий от свойств частиц и характера распределения их по высоте аппарата.

Ряд авторов [1,3,18-20,231], анализируя результаты проведенных экспериментов, опровергают положение упомянутой выше теории Риттингера-Ричардса, что с увеличением концентрации частиц в потоке снижается скорость осаждения отдельных частиц, но эффективность разделения в целом не изменяется. Они утверждают о падении эффективности процесса разделения при повышении концентрации частиц в потоке. Авторами работ [1,235,236] экспериментально установлено, что для гравитационных пневмоклассифика-

69 торов с различной конструкцией контактных элементов существует определенная концентрация частиц в рабочей зоне аппарата равная 1—2 кг материала/кг воздуха, при которой достигается оптимальная чистота разделения. В работе [3] установлено, что существует узкая область нагрузок по твердой фазе, в диапазоне которой степень фракционного разделения автомодельна относительно концентрации. При этом утверждается, что каждый узкий класс крупности при разделении в данной области разделяется независимо от содержания других классов. А.Б.Демский [145], используя метод математического планирования эксперимента, получил уравнение регрессии, связывающее эффективность процесса с удельной нагрузкой по твердой фазе q, скоростью воздуха У_ъ и шириной сепарационного канала В:

7/ = 0,5-3,1-10--^ + 64-10^+8-10^-.

Данное уравнение справедливо в следующих диапазонах изменения переменных величин: q - от 50 до 200 кг/(см-ч); К„ ~ от 4 до 7 м/с; В - от 130 до 200 мм.

Анализ литературных источников показал, что до сих пор существует неоднозначная оценка влияния фракционного состава исходной смеси на основные характеристики процесса взвешивания и переноса твердых частиц [3,20,30,38,237]. Противоречивые результаты проводимых исследований можно объяснить наличием многочисленных случайных факторов, усложняющих механизм движения полидисперсных частиц в турбулентном потоке газа. Поэтому на настоящий момент нет четкого и полного ответа на вопрос о влиянии рассматриваемого параметра на механизм протекания и результаты процесса разделения [16,238,239], что существенно сдерживает развитие теории и практики фракционирования сыпучих материалов.

Автором ряда работ [31,240] установлено, что концентрация и относительное содержание частиц в потоке на выходе из вертикального канала зависит как от транспортирующей способности потока, так и от состава исходного материала. Фракционный состав последнего существенно влияет на ка-

70 чественные и количественные параметры уноса до тех пор, пока в потоке не будет достигнута предельная концентрация частиц.

В работах [1,3,241] содержится вывод о наличии определенной функциональной зависимости между фракционным составом исходной смеси и эффективностью процесса классификации. На основании экспериментальных данных показано, что между содержанием какой-либо фракции в исходной смеси и ее количеством в уносе существует в ряде случаев линейная зависимость.

Одним из параметров, оказывающих свое влияние на эффективность разделения, является также время пребывания материала в рабочей зоне классифицирующего устройства. В литературе имеются противоречивые сведения по вопросу оценки данного влияния. Так, авторы [1,2,13,242] утверждают, что эффект разделения будет тем выше, чем больше время пребывания обрабатываемого материала в потоке. Причем, увеличение времени пребывания материала в зоне классификации идентично увеличению высоты аппарата при прочих равных условиях. В то же время С.Д.Авдеев [81,243], проведя анализ данного влияния с помощью оригинальной методики, получил данные, свидетельствующие о том, что однозначной зависимости между средним временем пребывания материала в аппарате и эффективностью процесса разделения не существует. Отсюда автор делает вывод, что время пребывания материала в аппарате нельзя использовать в качестве параметра оптимизации процесса пневмоклассификации.

1.3.3. Влияние конструктивных параметров сепарационного канала пневмоклассификатора на эффективность процесса разделения

Существенное влияние на взвешивание и перенос твердых частиц в условиях каскадной пневмоклассификации оказывают технические решения процесса: конструктивные особенности рабочей зоны аппарата и контактных элементов, узлов подвода несущей среды и ввода в поток исходной смеси.

71 Рассмотрим параметры, определяющие геометрию сеиарационной камеры аппарата, к которым относятся ее форма, размеры поперечного сечения, соотношение сторон. По поводу влияния формы сепарационной камеры в литературе имеются противоречивые мнения. Одни ученые [143,145,244] считают, что наиболее полно требованиям эффективного проведения процесса разделения отвечает прямоугольная форма, другие [3,245] предпочтение отдают цилиндрической форме. Так, А.Б.Демский [145] приводит результаты сравнительных испытаний каналов различной формы: прямоугольной и конической, причем аппараты конической формы были переменного сечения -с расширением вверх и расширением вниз. Исследования показали, что наибольший эффект классификации достигается в вертикальном прямоугольном канале постоянного сечения. В то же время М.Д.Барский [3], сопоставляя результаты разделения полидисперсного материала в пустотелых аппаратах круглого и прямоугольного сечения при работе их в оптимальном режиме, установил, что аппарат круглого сечения имеет несколько большую эффективность. Это объясняется отсутствием в каналах круглого сечения завихрений различного масштаба и вторичных движений воздуха, которые наблюдаются в каналах прямоугольного сечения. Однако, учитывая, что в аппаратах цилиндрической формы труднее организовать равномерное распределение воздуха по его сечению и сложности, возникающие при проектировании узла ввода исходного материала, креплении пластинчатого контактного элемента и т.п., автор считает прямоугольную форму более рациональной. В работе [244] показано, что эффективность разделения в прямоугольном канале гравитационного классификатора выше, чем в каналах круглого и квадратного сечения. Следует также отметить, что в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве используются, в основном, пневмоклассифици-рующие аппараты прямоугольного сечения [3,143—145,237,246—249].

Авторы [1] считают, что одним из основных параметров, определяющим результаты каскадного разделения, является соотногнение между сторонами поперечного сечения аппарата. Этот параметр можно считать единст-

72 венным, поддающимся варьированию для получения заданных значений производительности: Проводя исследования влияния данного параметра на результаты классификации, исследователи вначале экспериментов моделировали протекание процесса в аппаратах различного поперечного сечения, сохраняя неизменными соотношение сторон Ыа=0,7 и расстояние между четырьмя сплошными пластинчатыми контактными элементами. В дальнейшем исследования проводились на классификаторах, имеющих одинаковую площадь сечения, но разное соотношение сторон. Как показали результаты проведенных экспериментов, с увеличением масштаба аппарата (масштабного фактора) полнота разделения уменьшается. Отсюда сделан: вывод, что в узком пространстве, ограждающем поток, достигается интенсивное взаимодействие материала со стенками аппарата. Данное взаимодействие способствует созданию тормозящего эффекта для крупных частиц, что и приводит к увеличению эффективности процесса. Кроме этого, в узком пространстве профиль эпюры скоростей потока получается более равномерным, что также положительно сказывается на результатах разделения. На основании полученных данных авторы рекомендуют при больших производительностях компоновать классификатор в виде батареи малых аппаратов.

Соотношение сторон в поперечном сечении классификатора незначительно влияет на результаты разделения, но для более плоских аппаратов эффективность процесса несколько выше [3]. Такой вывод сделан в результате сравнительных испытаний классификаторов, имеющих одинаковую площадь сечения и разное соотношение сторон.

Влияние высоты аппарата на механизм гравитационной классификации исследовалось многими учеными [1,3,7,143,145,250-253]. Некоторые ученые [7,251] считают, что для обеспечения высокой эффективности процесса разделения пневматические классификаторы должны иметь значительную высоту, так как по мере удаления от мест ввода воздуха и исходного материала частицы достигают установившихся скоростей своего движения. Другие ученые [1,252,253] на основании экспериментальных данных придерживаются

73 мнения, что требуемая эффективность процесса достигается и в пневмоклас-си фикаторах ограниченной высоты. Учитывая результаты распределения материала в пневмоклассификаторе, авторы [1] утверждают, что процесс гравитационного разделения начинается с места ввода материала в поток и практически завершается на ограниченной высоте аппарата. Дальнейшее увеличение высоты аппарата существенно не сказывается на результатах классификации. При этом связь между высотой аппарата и эффективностью процесса разделения имеет экспоненциальный характер:

где 2 — число ступеней определенной высоты, \(/ - общий критерий полноты разделения, \f/i - критерий полноты разделения, достигаемый на одной ступени, п - опытный коэффициент.

Авторы на основании анализа экспериментальных данных делают важный вывод, что в основе процесса гравитационной классификации лежит статистическое расслаивание смеси частиц по установившимся скоростям их движения, Для повышения эффективности процесса разделения, по мнению ученых, целесообразно не увеличивать высоту аппарата, а предусматривать такие конструктивные решения, которые способствовали бы усилению эффекта расслаивания.

А.Б.Демский [145] делит пневмосепаратор на две части ниже и выше места ввода исходного материала и анализирует отдельно влияние их высот на эффективность очистки зерновой смеси. Им показано, что увеличение высоты верхней части аппарата в большей мере влияет на эффективность очистки и связана с четкостью сепарирования. Высота нижней части также оказывает влияние на эффективность процесса и связана с рациональным подводом воздуха, т.е. с увеличением этой высоты достигается равномерный профиль скоростей потока по сечению канала.

Влияние способа подвода воздуха в аппарат на структуру потока и эффективность разделения изучалось некоторыми учеными [143,145] с целью

74 обоснования оптимальной конструкции пневмоклассификатора. Ими были проведены исследования четырех различных схем подвода воздуха: со стороны входа зерновой смеси, с противоположной стороны, двусторонний и через нижнюю часть канала, служащую одновременно и для вывода очищенного зерна. Как показали эксперименты, наиболее низкая эффективность процесса была при одностороннем подводе воздуха со стороны противоположной входу зерна, а наибольшая эффективность очистки достигалась при нижнем подводе. К сожалению, авторы недостаточно полно объяснили полученные результаты с позиции изменения структуры потока, приведя лишь эпюру скоростей для самого неэффективного способа подвода воздуха в аппарат.

Условия ввода исходного материала в пневмоклассификатор, по нашему мнению, являются определяющими для оценки эффективности процесса. В литературе практически отсутствуют данные, позволяющие проанализировать влияние угла ввода частиц материала в зону разделения, тогда как именно от этого параметра зависит не только энергоемкость всего процесса, но и соответствие полученного результата поставленной задаче. Известны работы [143,145], в которых авторы анализируют траектории движения частиц в зависимости от угла ввода их в поток. Установлено, что при значении угла ввода а-40 частицы в канале движутся плотной струей, а при а=0 зерновая смесь разуплотняется, причем ее нижние слои движутся с меньшей скоростью, чем верхние. В последнем случае условия движения частиц в потоке становятся ближе к условиям независимого движения одиночных частиц. К сожалению, дальше анализа траекторий движения частиц и состояния образующихся струй материала авторы не пошли. Ими не приведены данные о влиянии рассматриваемого параметра на результаты разделения.

К условиям ввода материала в аппарат относится и место расположение узла подачи исходной смеси. Влияние данного параметра на изучаемый процесс описано в литературе [1,253,254], в которой авторы в зависимости от расположения узла подачи исходной смеси относительно контактных элементов различают нижний ввод материала (под полочную часть аппарата),

75 средний ввод материала и верхний ввод материала (на верхний контактный элемент). Авторы [1] считают, что при вводе материала в верхнюю, нижнюю или среднюю часть аппарата для гравитационной классификации его можно разделять, соответственно, по принципу противотока, прямотока или их комбинации. Экспериментальные данные, полученные при разделении молотого периклаза в пневмоклассификаторе со сплошными пластинчатыми контактными элементами, подтвердили целесообразность противоточного разделе-ния; [255]. Ю.П.Канусик [250], на основании полученных данных при исследовании влияния различных мест ввода материала в аппарат при изменении его высоты, скорости потока и гранулометрического состава разделяемой смеси, делает вывод, что самую высокую разделительную способность имеет пневмоклассификатор со средним (симметричным) вводом. Аппараты, работающие при подаче материала в нижнюю часть аппарата, обладают наиболее низкой разделительной способностью. Влияние места ввода материала в пневмоклассификатор с перфорированными пластинчатыми контактными элементами на механизм протекания процесса разделения изучено В.Е.Кравчиком [254]. Им проведен анализ зависимости структуры.двухфазного потока и эффективности процесса от указанного параметра при изменении расстояния между контактными элементами и фракционного состава разделяемой смеси. Отмечено, что наиболее равномерное распределение концентрации частиц наблюдается в аппарате со средним вводом материала. Расположение узла подачи^; исходной смеси обусловливает и относительное содержание фракций на различных уровнях по высоте:пневмоклассификато-ра. Так, содержание мелкого компонента внизу аппарата наименьшее при верхнем и среднем вводе материала, тогда как нижний ввод способствует повышению концентрации мелких фракций в этой зоне почти в восемь раз. Показано, что нашгучшей разделительной способностью обладает аппарат с верхним вводом материала, причем увеличение числа полок приводит к повышению степени извлечения мелкого компонента в унос. При среднем вводе материала унос мелкого компонента с увеличением числа полок в верхней

76 части аппарата уменьшается. Причем отмечается, что а провале содержание мелких частиц с увеличением числа полок резко уменьшается, тогда как при среднем вводе оно наоборот растет.

В.М.Вирченко [177] утверждает, что исходный материал целесообразнее подавать не на полку, а в свободное пространство между полкой и стенкой аппарата. Такой способ подачи материала способствует росту основных показателей, характеризующих интенсивность взвешивания частиц и эффективность процесса разделения. Так, критерий Ханкока-Луйкена вырос на 10-12 %, а расход воздуха при этом снизился на 30 % по сравнению со способом ввода исходной смеси непосредственно на верхнюю полку. Однако эти данные получены при незначительном расходе исходного материала равном 7,1 кг/(м²-с).

1.3.4. Влияние конструктивных параметров контактных элементов на процесс пневмоклассификации

Наиболее полно в литературе освещен вопрос о влиянии на процесс разделения таких конструктивных параметров сплошных пластинчатых полок, как ширины разгрузочного пространства (перетока), образованного между незакрепленным концом полки и стенкой шахты, угла наклона и их количества [1,3,250,252]. В указанных работах предпринята попытка оценить влияние на результаты классификации ширины разгрузочного пространства, которую приводят в относительных единицах от длины большей стороны поперечного сечения шахты. Установлено, что наименьшая эффективность процесса соответствовала ширине равной 0,25, тогда как при значениях исследуемого параметра 0,5 и 0,75 полнота разделения была практически одинаково высокой.

Также показано, что при переводе сплошных полок из горизонтального положения а=0 в положение а=67,5 происходит падение эффективности

77 практически для всех величин граничной крупности разделения. Тогда как, при а=45 достигается максимальная эффективность процесса классификации по любой граничной крупности разделения. Следует отметить, что при изменении угла наклона полки от 0 до 22,5 материал залегал на ее поверхности, а при проведении мероприятий по принудительному его сходу была зафиксирована низкая эффективность разделения.

В работе [256] предпринята попытка, установить связь между углом наклона полки и углом кинематического трения узкой фракции частиц. Доказано, что лучшие результаты разделения минералов в воздушном полочном классификаторе достигаются при равенстве этих углов. Авторы приводят установленные экспериментально оптимальные значения угла наклона полки для различных фракций. Так, для фракций -1,35+0,7 мм - 32, -0,7+0,4 мм -37,-0,4+0,25 мм -43, -0,25+0,1 мм -45.

В анализируемой литературе признается существенная роль в формировании структуры двухфазного потока ширины разгрузочного пространства и угла наклона контактных элементов, что, в конечном итоге, определяет эффективность фракционирования сыпучих материалов. Однако данные о влиянии указанных конструктивных параметров на характер распределения двухфазного потока и механизм протекания исследуемого процесса авторами не приводятся.

В работах [1,3,250], посвященных изучению процесса фракционирования в аппаратах со сплошными контактными элементами, утверждается, что увеличение количества полок способствует образованию серии вихрей, между которыми происходит направленный массообмен. Благодаря этому, а также совмещению эффектов торможения, поворотов потока и постоянному отводу частиц от стенок аппарата, достигается высокая эффективность процесса. Полнота разделения протекающего таким образом процесса монотонно растет с увеличением числа контактных элементов. Однако в данных работах в большинстве экспериментов использовалась секционная модель пневмо-классификатора. Причем каждая секция содержала один контактный эле-

78 мент, т.е. одновременно с ростом количества полок увеличивалась высота аппарата, что не учитывалось при анализе полученных результатов. Следует также отметить, что с увеличением количества контактных элементов усложняется конструкция пневмоклассификатора и растет его гидравлическое сопротивление.

При установке нескольких контактных элементов возникает необходимость в учете такого конструктивного параметра, как расстояние между ними (шаг), которое определяет интенсивность возмущения потока. В работе [1] приведены результаты влияния данного параметра, который выражался отношением шага между полками h к эквивалентному диаметру й?_э сечения аппарата, на результаты процесса разделения дробленого кварцита. Авторы этой работы не приводят конкретных рекомендаций по выбору оптимальной величины межполочного шага, а ограничиваются зависимостью

уг = 1,215-1,775

о ^ а

где \\j — критерий полноты разделения, д₀ - проекция длины полки на горизонтальную плоскость, а - ширина аппарата. Из данной формулы следует, что при увеличении шага между полками полнота разделения увеличивается. Пределов изменения исследуемой величины авторами не дается, поэтому вопрос о расчете оптимального расстояния между полками остается открытым. Также не рассмотрено качественное влияние межполочного шага на структуру двухфазного потока в пневмоклассификаторе.

Автором настоящей диссертационной работы впервые проведены исследования влияния перечисленных выше параметров на эффективность разделения бинарных и полидисперсных смесей в аппаратах с перфорированными пластинчатыми полками [184]. Экспериментально доказано, что, как и в случае установки сплошных полок, оптимальная ширина разгрузочного пространства составляет половину длины большей стороны шахты, а при размещении полок под углом 45 достигается наибольшая эффективность процесса. Эти данные позже были подтверждены и дополнены другими ис-

79 следователями [177,243,254,257]. Так, И.П.Юхименко [257] получена зависимость, связывающая скорость потока над разгрузочным пространством с основными конструктивными параметрами полки:

_w _o,mwd₀b(_P+_n)'⁵

^р т²<т(у + Ь)

где W ~ скорость газа в свободном сечении аппарата, м/с; d₀ - диаметр отверстий полки, м; фр — живое сечение разгрузочного пространства; ф_п — живое сечение полки; ст — толщина полки, м; m — опытный коэффициент, зависящий от способа разбивки отверстий на поверхности полки; у— текущая координата исследуемой точки объема аппарата по вертикали над разгрузочным пространством, м; Ъ — длина большей стороны поперечного сечения шахты, м.

С.Д.Авдеев [243] утверждает, что существует определенная связь между оптимальным значением угла наклона перфорированных полок, их конструктивными особенностями и технологическими параметрами процесса разделения. Так, при увеличении скорости потока максимум эффективности процесса смещается в область больших значений угла наклона. Увеличение живого сечения контактных элементов приводит к тому, что оптимальное значение эффективности достигается при малых углах их наклона. В этой же работе рассматривается влияние угла наклона на среднее время пребывания материала в аппарате в совокупной связи с живым сечением контактных элементов и шириной перетока. Показано, что наиболее существенно угол наклона влияет на среднее время пребывания при малых значениях указанных конструктивных параметров.

В.М.Вирченко [177], изучая структуру однофазного потока в пневмо-классификаторе с контактным элементом живого сечения 25 %, установил существование двух зон с повышенной скоростью потока - над разгрузочным пространством и местом сопряжения полки со стенкой шахты. В работе [257] также отмечается наличие над полкой живого сечения 15 % двух зон с

80 высокой скоростью движения газа - над разгрузочным пространством и над серединой контактного элемента. Смещение расположения второй зоны ближе к разгрузочному пространству, что отличается-от приведенных выше данных, автор объясняет действием локальных вихреобразований при обтекании наклонной полки и перераспределением потока между этим пространством и перфорацией контактного элемента. Установлено, что скорость воздуха в^: разгрузочном пространстве максимальна при его ширине равной 0,15. Уменьшение ширины ниже этого значения приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления, в результате чего скорость газа в отверстиях полки резко возрастает.

Доказывая; экспериментально повышенную^ эффективность работы перфорированных полок по сравнению со сплошными, вместе с тем, ни а одном анализируемом литературном источнике не приводятся' данные; позволяющие однозначно установить причины этого факта. На наш взгляд, для его объяснения необходимо сопоставить аэродинамические характеристики и выявить гидродинамические особенности работы указанных полок, что делает крайне важным проведение исследований по изучению структур одно- и двухфазного потоков в условиях каскадной пневмоклассификации.

1.4. Анализ существующих критериев оценки эффективности процесса

Влияние технологических и конструктивных параметров процесса на взвешивание, распределение и перенос частиц в сепарационных каналах пневмоклассификаторов

Основоположником систематического изложения научных основ гравитационного обогащения, как известно из работ [7,8], признан ПР.Риттингер. Он создал теорию процесса и получил основные уравнения, описывающие движение минерального зерна в воде. Так, им получено уравнение S" = 5Д lr /c/(/?T -1000) для расчета расстояния S", м, пройденного равномерно падающей в воде частицей диметром d, м, и плотностью рт, кг/м3, за определенное время т, с. Из этого уравнения выведены формулы для определения скорости свободного падения частицы сферической формы в воде V у м/с, и воздухе Vc), м/с: V =0,16 ]d(pT -1000) и V B = 4Д (рт -1,23). Эти формулы справедливы для частиц крупностью более 2 мм. ГТ.Р.Риттингер также ввел представление об условном диаметре частиц неправилыюй формы и предложил учитывать поправочные коэффициенты при расчете скоростей осаждения подобных тел. Основные закономерности осаждения твердых частиц, выявленные ПР.Риттингером, можно сформулировать следующим образом: — наибольшую скорость осаждения имеют более крупные и плотные частицы; — скорость осаждения частиц снижается с увеличением вязкости и плотности среды; — на скорость осаждения частиц существенное влияние оказывают их форма и состояние поверхности. При равной массе частиц наименьшее сопротивление со стороны среды испытывают шарообразные частицы. Части 18 цы с шероховатой поверхностью испытывают большее сопротивление по сравнению с частицами, имеющими гладкую поверхность; - влияние температуры среды на скорость осаждения следует учитывать лишь при малых значениях критерия Рейнольдса Re 1,74.

Однако ПР.Риттингер в своих работах не учитывал явление стесненности, наблюдаемое в практике обогащения. Движение частиц при разделении происходит в условиях их массового осаждения в ограниченном объеме, при этом частицы испытывают влияние других частиц и стенок аппарата. Р.Ричардсом [8] экспериментально было установлено, что конечные скорости стесненного осаждения частиц всегда меньше скоростей их свободного осаждения. Им предложена формула для расчета конечной скорости стесненного осаждения частиц: VCT = KVCB = K jd(pT — рс), где К коэффициент;

рс - плотность суспензии, принимаемая равной среднему между плотностью частиц и среды, кг/м3.

Критики отдельных положений классической теории Риттингера-Ричардса [1,9-13] отмечают, что согласно ей абсолютная скорость движения выпадающих частиц равна разности между скоростью их равномерного падения и скоростью восходящего потока. Отсюда следует, что в последовательно соединенных аппаратах с различными скоростями потока получаемые продукты будут иметь четкие границы крупности. Однако на практике продукты разделения содержат, хотя и в неодинаковых количествах, частицы всех размеров, составляющих іранулометрию исходного материала. Не находит своего подтверждения вывод данной теории о том, что концентрация частиц в потоке снижает скорость осаждения отдельных зерен, но не влияет на результаты разделения. Практика же показывает, что повышение концентрации твердой фазы в среде приводит к снижению эффективности разделения. Расчетные зависимости, полученные из анализа закономерностей движения одиночной частицы, дают лишь качественную оценку явлений переноса частиц, что не позволяет использовать их для создания надежных мето 19 дик расчета основных технологических и конструктивных параметров разделительных процессов.

М.Д.Барский в работе [3] отмечает, что дальнейшее развитие теории гравитационного обогащения отечественными и зарубежными учеными шло в направлении уточнения отдельных положений, а в принципиальных вопросах основополагающие идеи, сформулированные в трудах Риттингера и Ри-чардса, не изменились до настоящего времени. Он, принимая во внимание работы [10,14-18], современные теоретические представления гравитационного процесса разделения сводит к следующим основным положениям: 1. В аппаратах с восходящим потоком среды направление движения частицы определяется соотношением между ее конечной скоростью осаждения и скоростью потока. При этом частица уносится вверх из аппарата, если конечная скорость осаждения меньше скорости потока {УсС У), но если К0СЖ, то частица выпадает из аппарата против движения потока. 2. Скорость витания частиц, рассчитанная на поперечное сечение сепара-ционной зоны, принимается равной конечной скорости осаждения в неподвижной среде, при этом структура потока игнорируется. 3. Механическое взаимодействие частиц между собой и стенками аппарата учитывается не всегда, а основным фактором процесса считается взаимодействие частиц с потоком. 4. При аналитическом описании процесса рассматривается поведение отдельной изолированной частицы, однако выявленные основные закономерности ее движения переносятся на совокупность разделяемых частиц. 5. Основные параметры потока принимаются детерминированными, поэтому сформулирован принцип, согласно которому скорость установившегося движения частицы в восходящей среде определяется разностью между скоростью потока и конечной скоростью осаждения. 6. Считается, что концентрация материала в потоке равномерно распределена в объеме сепарационной камеры.

Основные принципы конструирования контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов

Результаты проведенных выше исследований в аппаратах с традиционно применяемыми на практике сплошными и перфорированными пластинчатыми полками создают предпосылки для формулирования основных требований, которые должны предъявляться к новым конструкциям контактных элементов. Так, не только качественно, но и количественно установлено, что подавление крупномасштабной турбулентности, выравнивание структуры воздушного потока, создание условий, препятствующих образованию пристенных "про-тиводюнных" течений с нарастающей концентрацией частиц в полочном пространстве аппарата посредством постоянного отвода материала от стенок се-парациоиного канала, поперечного воздействия несущей среды на дисперсную фазу, а также перфорирования поверхности контактных элементов, значительно повышает эффективность процесса разделения. Исходя из этого, можно сформулировать основные принципы конструирования контактных элементов, суть которых заключается в следующем:

1, Конструкция контактных элементов должна обеспечивать выравни вание эпюры скоростей несущей среды по поперечному сечению аппарата и создание условий для непрерывного отвода материала из пристенных зон в ядро потока. Учитывая, что в турбулентном двухфазном потоке осуществля ются расслаивание частиц и их смешение, необходимо также, чтобы конст рукция контактных элементов обеспечивала смешение частиц материала по вертикальной оси сепарационного канала, а расслаивание — на его периферии.

2. Конструкция контактных элементов должна подавлять крупномас штабную турбулентность и развивать мелкомасштабную, так как именно по следняя повышает подвижность частиц материала относительно друг друга, что способствует лучшему протеканию процесса их расслоения и разделения.

Это достигается путем изготовления контактных элементов из отдельных звеньев таким образом, чтобы рабочий объем аппарата был секционирован как в поперечном, так и продольном сечениях. Чем больше секций в единице объема сепарационного канала аппарата, тем меньше масштаб турбулентности и выше качество процесса разделения.

Конструкция контактных элементов должна обеспечивать большую поверхность контакта фаз, что достигается перфорированием. Это способствует также нормированию масштаба турбулентности и уменьшению гидравлического сопротивления, что, в конечном итоге, положительно сказывается на энергоемкости и эффективности пневмоклассификатора.

Конструкция контактных элементов должна обеспечивать условия для чередующихся поперечных и продольных воздействий несущей среды на дисперсную фазу с целью изменения направления движения газовзвеси для образования сил инерции, положительно влияющих на процесс разделения.

На базе этих принципов созданы и запатентованы новые конструкции контактных элементов, способствующие рациональной организации процесса фракционирования пол и дисперсных материалов: ступенчатые, двухпоточ-ные и трехпоточные (рис.3.18).

Схема расположения ступенчатых (а), двухпоточных (б), трехпоточ-ных (в) контактных элементов в сепарационном канале пневмоклассификатора

В настоящей работе, наряду с исследованием разработанных контактных элементов, приводятся и анализируются экспериментальные данные, полученные автором при изучении процесса разделения в равновесном пневмокласеи-фикаторе и аппаратах со сплошными и перфорированными пластинчатыми полками. Анализ полученных результатов при таком подходе к рассматриваемому процессу позволяет провести сравнительную: оценку разделительной способности: различных пневмоклассификаторов, выявить отличительные признаки механизма их работы и установить наиболее целесообразные области использования разработок в различных отраслях промышленности:

Ступенчатая полка (рис:3; 18а) представляет собой жесткую конструкцию, состоящую из чередующихся; наклонных и вертикальных перфорированных участков, ширина которых равна ширине сепаращюнного канала. Причем "живое" сечение вертикальных участков в два; раза превышает "живое" сечение наклонных [281]. Данные контактные элементы крепятся в шахматном порядке на меньших боковых стенках прямоугольного сепарацион-ного канала и перекрывают половину его длины..Такая конструкция; должна способствовать равномерному распределению частиц по объему сепарацион-ного канала пневмоклассификатора, благодаря действию воздушного потока, проходящего через перфорацию вертикальных участков, в поперечном направлении на движущийся по поверхности наклонных участков полки взвешенный слой обрабатываемого материала. Помимо этого, в отличие от пластинчатых полок, при. обтекании которых возникает крупномасштабный вихрь, конструкция ступенчатых полок, направлена на создание мелкомасштабных вихреобразований; которые должны образовываться на поверхности наклонных участков.

Двухпоточный контактный элемент (рис.3.186) состоит из набора двускатной 1 и двух плоских 2 перфорированных полок одинаковой ширины, равной ширине сепарационного канала. Двускатные полки представляют собой ; пластины, согнутые пополам под прямым углом и установленные симметрично относительно вертикальной оси аппарата на его большей.стороне.

Плоские полки закреплены наклонно на меньшей стороне в одной горизонтальной плоскости, при этом проходное сечение между незакрепленными концами полок равно сумме двух проходных сечений, которые образуются при установке двускатной полки [282], Таким образом, нисходящий обрабатываемый материал расслаивается на два потока при контакте с двускатной полкой, которые затем при помощи плоских полок вновь объединяются в один с одновременным отводом частиц от стенок: сепарационного канала пневмоклассификатора.

Трехпоточный контактный элемент (рис.3.18в) состоит из комбинации находящихся на одном уровне двускатных и пластинчатых полок, жестко соединенных между собой и имеющих одинаковую ширину, составляющую половину ширины сепарационного канала. При установке в пневмоклассифи-катор каждый последующий элемент повернут относительно предыдущего на 180 и смещен в плане на половину ширины сепарационного канала [283]. Трехпоточный контактный элемент позволяет секционировать рабочий объем аппарата как в поперечном, так и продольном сечениях, что должно способствовать более интенсивному воздействию воздуха на частицы материала по нескольким направлениям. Кроме этого, такая конструкция способна генерировать несколько мелкомасштабных вихреобразований, а наличие трех проходных сечений должно заметно сказаться на уменьшении величины гидравлического сопротивления аппарата.

Распределение дисперсной среды в пневмоклассификаторах с новыми конструкциями контактных элементов

Приведенные выше данные аэродинамических исследований;свидетельствует о существенном влиянии конструктивных особенностей контактных элехментовна характер распределения несущей среды по объему пневмоклас-сификатора. Соответственно, механизм распределения частиц твердой фазы внутри аппарата также зависит от типа контактного элемента. Участвуя в восходящем и нисходящем движениях, частицы материала, кроме того, распределяются и накапливаются в пространстве между полками. Вследствие этого концентрация твердой фазы неравномерна внутри каждой ступени разделения как по высоте аппарата, так и по его поперечному сечению. Анализ результатов экспериментов по изучению структуры дисперсного материала в пневмо-классификаторе позволят существенно расширить представления о физической картине процесса каскадного фракционирования полидисперсных смесей:

На рис.4.9 и 4.10 показано распределение частиц бинарной смеси в аппаратах со ступенчатыми и двухпоточными контактными элементами при различном содержании узких фракций. Анализируя полученные результаты, можно отметить, что материал, как и в аппаратах с другим типом контактных элементов, распределен неравномерно. В случае размещения в аппарате ступенчатых полок (см. рис.4.9) наибольшая концентрация смеси при низком

Распределение концентрации бинарной смеси по высоте аппарата с двухпоточными контактными элементами: 1,2,3,4 - содержание мелкой фракции в смеси, равное 20; 40; 60; 80 % соответственно; расход материала 12 кг/(м2-с); скорость газа 3,49 м/с содержании в ней мелкой фракции с эквивалентным диаметром c/w=0,25 мм находится на уровне третьего контактного элемента. С увеличением содержания данной фракции в бинарной смеси более 20 % пик концентрации смещается в зону ввода исходного материала в аппарат. Для ступенчатых полок распределение частиц по высоте аппарата характеризуется наличием нескольких пиков концентраций материала на уровне одних полок и спадом этой величины на уровне других, причем такой характер кривых ярче выражен для смеси с низким содержанием мелкой фракции.

При установке двухпоточных контактных элементов максимум концентрации частиц бинарной смеси отмечается в зоне ввода материала в аппарат независимо от относительного содержания компонентов (см.рис.4.10). При этом наблюдается плавное уменьшение концентрации частиц вверх и вниз от места ввода исходной смеси в аппарат, причем в последнем случае снижение концентрации идет до уровня установки третьего контактного элемента, считая сверху. На уровне последующего элемента рассматриваемая величина уменьшается незначительно, но далее в свободном нижнем объеме аппарата концентрация стремительно падает.

Влияние относительного содержания компонентов бинарной смеси можно проследить на примере распределения частиц в нижней и верхней частях аппарата. Так, при установке ступенчатых полок концентрация материала в нижней части больше, чем в верхней при изменении содержания мелкой фракции до значения .гм=80 %. Причем, эта разница увеличивается с ростом содержания крупной фракции в бинарной смеси. Например, при д:м=60 % концентрация частиц в нижней части аппарата превышает соответствующую величину в верхней части в 5 раз, при хм=40 % - почти в 16, а при ,\:м=20 % - в 37 раз. В случае же использования двухпоточных контактных элементов указанная разница концентраций наблюдается только до значения ,ги=50%, при этом ее величина весьма незначительна: при л:м = 40%-Др,=3,2 кг/м , а при д:м=20 % - Ар,- =5,9 кг/м . При превышении содержания мелкой фракции в исходной смеси более 50 % концентрация частиц материала в верхней части аппарата становится больше, чем в нижней.

Распределение концентрации узких фракций при их одинаковом содержании в бинарной смеси в аппаратах со ступенчатыми и двухпоточными контактными элементами. показано на рис.4.11. Из анализа представленных графических зависимостей следует, что характер кривых распределения мелкой и крупной фракций различен. Кривые распределения крупной фракции независимо от типа контактных элементов имеют более сложный вид. Им свойственно наличие нескольких пиков І и спадов, концентрации: частиц по высоте аппарата, причем максимум концентрации материала отмечается ниже места ввода исходной смеси (кривые 2,4). Наибольшая абсолютная величина концентрации частиц обеих фракций наблюдается: в аппарате с двухпоточными контактными элементами. Максимальное значение концентрации мелкой: фракции (кривые 1,3) для рассматриваемых контактных элементов достигается в зоне ввода материала в аппарат, а наименьшее значение р/ - в его нижней части. Отсюда следует, что концентрация мелкого компонента в верхней: части: шахты; больше в аппарате с двухпоточными элементами. Существенная разница концентраций крупного компонента вверху и внизу аппарата наблюдается в: случае установки ступенчатых полок. Так, в аппарате со ступенчатыми полками она составляет почти 15 кг/м , тогда как в аппарате с двухпоточными контактными элементами - 4,5 кг/м3.

На рис.4.12 представлено распределение концентрации частиц бинарной смеси и узких фракций материала в аппарате с шестью трехпоточными контактными элементами. Как видно, максимум концентрации на всех графиках отмечается в зоне ввода исходной: смеси в сепарационный канал, при: этом разница между ее абсолютным значением для мелкого и крупного компонентов незначительна. В отличие от кривых распределения бинарной смеси в аппаратах со ступенчатыми и двухпоточными элементами в данном случае кривая 1 содержит один пик концентрации, что аналогично характеру распределения концентрации материала в аппарате с пластинчатой перфорированной

Расчет пневмоклассификатора для обеспыливания; подсыпочного материала электродных заводов

На основании результатов проведенных исследований были разработаны новые конструкции пневмоклассификаторов, которые внедрены в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство [246,248,294—298]. Промышленная эксплуатация разработанных установок способствовала повышению качества выпускаемой продукции, сокращению потерь ценного сырья и уменьшению пылевыделения в производственные помещения. Данные пневмоклас-сификаторы выгодно отличаются от известных и традиционно применяемых конструкций отсутствием ситовых вибрирующих поверхностей, движущихся частей, новизной и оригинальностью контактных элементов, что делает их эффективными и надежными в эксплуатации.

Далее приведены описания внедренных установок на заводах электродной промышленности, предприятиях по производству твердосплавных порошков, строительных материалов и переработке гранулированных термопластов, а также в селекционных, семеноводческих и фермерских хозяйствах. В расчете, проектировании, наладке и пуске разработанных пне вмо классификаторов с 1976 года по 1981 год вместе с сотрудниками лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры "Технология неорганических веществ" ЮРГТУ (НПИ) принимал активное участие автор диссертации, являясь ответственным исполнителем ряда хозяйственных договоров. С І98Г года подготовительные и пусконаладочные работы, связанные с внедрением новых разработок, проводились под его руководством согласно хозяйственным договорам и типовым договорам на передачу разработок.

Основное назначение аппаратов для обеспыливания подсыпочных материалов камер обжиговых печей электродных заводов состояло в удалении фракций менее 0,5 мм; Содержание этих фракций в шихте отрицательно сказывалось не только на санитарных условиях труда работающих в цехе (пыле-выделения при транспортировке, загрузке и разгрузке из печи), но и на качестве выпускаемой продукции, так как наличие мелких частиц значительно уменьшало газопроницаемость подсыпочного материала.

До внедрения разработок на предприятиях для удаления указанных фракций были: предприняты попытки использовать метод грохочения. Однако положительных результатов это не принесло, так как подсыпочный материал отличался широким фракционным составом и содержал посторонние предметы и крупные куски, что вызывало повышенный износ дефицитных сеток. Кроме этого, грохота имели малую производительность, интенсивное пылевы-деление и низкую эффективность удаления мелких фракций;

На рис.7.1 представлена технологическая линия подготовки подсыпочных материалов в цехах обжига №1 и №2 Новочеркасского электродного заво 268 да после внедрения аппарата для обеспыливания. Отработанный горячий подсыпочный материал из камер обжиговых немей 1 выгружается грейфером в вагонетки 2 и направляется в приемный бункер элеватора 3, который подает его по наклонному патрубку 4 в аппарат для обеспыливания 5. Воздух, насыщенный мелкой фракцией І перед выбросом в атмосферу освобождается от нее, проходя последовательно циклон 6 и электрофильтр 7. Обеспыленный материал попадает в барабанный охладитель S, а затем вибротранспортером подается в бункер элеватора 9 и далее поступает на рассев в грохот 10. Рассеянные фракции ссыпаются в соответствующие емкости и на вагонетках вновь доставляются к печам обжига электродов.

Аппарат для обеспыливания подсыпочных материалов (рис.7.2 и 7.13а) состоял из шахты 1 прямоугольного сечения с.размерами сторон 0,25x0,5 м, в которой, смонтированы, перфорированные пластинчатые полки 2. Исходный материал по патрубку 3 подавался на верхнюю полку и, пересыпаясь по каскаду контактных элементов, интенсивно продувался восходящим потоком воздуха из коллектора, 4. Обеспыленный материал выгружался через нижний штуцер 5, а мелкая-фракция выносилась в верхнюю часть аппарата 6 цилиндрической формы, которая исполняла роль с епарационного пространства. Здесь происходило выпадение из потока случайно вынесенных крупных частиц. Расход воздуха регулировался шибером 7. Диаметр сепаратора составлял 0,9 м, а общая высота аппарата- 4,25 м.

Опытно-промышленные испытания разработанных аппаратов показали, что они работают устойчиво, свободно пропуская куски спекшегося материала размером 100 мм и выше. Для удаления из подсыпочных материалов указанных выше мелких фракций средняя скорость потока в шахте и сепарационном пространстве аппарата должна составлять 4-4,6 и 0,8-0,95 м/с соответственно. Наилучшая разделительная способность аппарата достигается при установке трех перфорированных пластинчатых полок с "живым" сечением 15%, наклоненных иод углом 45 к горизонтали и расположенных до вертикальной оси шахты. Гидравлическое сопротивление аппарата не превышало 4000 Па. Расход воздуха составлял 2000 м3/ч.

Похожие диссертации на Научные основы и принципы совершенствования процессов и аппаратов каскадной пневмоклассификации сыпучих материалов

Разработка и совершенствование процессов и аппаратов технологии производства теплоизоляционных базальтоволокнистых материалов на основе создания и исследования автоматизированной опытно-промышленной установки Литвинов Андрей Владимирович

Совершенствование процесса смешивания сыпучих материалов в новом аппарате с подвижной лентойБакин Михаил Никлолаевич

Совершенствование процесса смешивания сыпучих материалов в новом аппарате с подвижной лентойБакин Михаил Николаевич

Совершенствование процесса измельчения хрупких и абразивных материалов в катково-тарельчатом аппаратеРоманов, Владимир Павлович

Математическое моделирование процесса смешения сыпучих материалов в новом аппарате с эластичными рабочими элементамиЗайцев Иван Анатольевич

Моделирование и оптимизация процесса в аппарате многоступенчатой сепарации зернистых материалов по технологии "Мультисег"Романов Александр Андреевич

Моделирование процесса уплотнения дисперсных материалов в валковом аппарате в режиме подпораГанин, Алексей Владимирович

Моделирование процесса уплотнения дисперсных материалов в валковом аппарате в режиме подпораГанин Алаксей Владимирович

Метод расчета процесса смешивания сыпучих материалов в новом аппарате с открытой рабочей камеройВолков Максим Витальевич

Моделирование процесса струйного смешивания сыпучих материалов в новых аппаратах центробежного типаШеронина, Ирина Станиславовна