«В.Л. Софронов, Е.В. Сидоров МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего ...»

СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ

В.Л. Софронов, Е.В. Сидоров

МАШИНЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

В.Л. Софронов, Е.В. Сидоров

МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Часть II Учебное пособие Северск УДК 66.01. ББК 35. С- Софронов B.J1. Машины и аппараты химических производств: ч. 2: / В.Л. Софронов, Е.В. Сидоров. - Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2010.-212 с.

В учебном пособии кратко изложен курс лекций по дисциплине «Машины и аппараты химических производств».

Пособие предназначено для студентов СТИ НИЯУ МИФИ специальности 240801 - «Машины и аппараты химических производств».

Учебное пособие будет полезным и студентам специальности - «Химическая технология материалов современной энергетики» при выполнении курсовых и дипломных проектов, инженерно-техническим работникам в своей практической деятельности, а также преподавателям при подготовке и проведении занятий как по курсу «МАХП», так и по специальным курсам «Процессы и аппараты химической технологии», «Основы проектирования химического оборудования и производств» и другим.

Пособие одобрено на заседании методического семинара кафедры МАХП (протокол № 4 « 30 » марта 2010г.) Рецензенты: Коробочкин В В., заведующий кафедрой ОХТ ТПУ, профессор, доктор технических наук;

Андриец С.П., директор ОГК ОАО «СХК», кандидат технических наук Печатается по постановлению Редакционно - издательского совета СТИ НИЯУ МИФИ.

Per. № 17/10 от « 5 » мая 2010 г.

ISBN © Северский технологический институт, Содержание Введение 1 Машины для измельчения материалов 1.1 Понятие о процессе измельчения 1.2 Характеристики исходного материала и готового продукта 1.2.1 Физико-механические и физические свойства 1.2.2 Сыпучие материалы 1.3 Энергоёмкость процесса измельчения 1.3.1 Расход энергии на измельчение 1.3.2 Основные энергетические гипотезы измельчения 1.4 Способы измельчения 1.5 Классификация измельчителей 1.5.1 Принципы классификации измельчителей 1.5.2 Дробилки 1.5.3 Мельницы 1.6 Определение коэффициентов запасов прочности 1.7 Расчет измельчителей 1.7.1 Цель расчетов 1.7.2 Щековые дробилки 1.7.3 Конусные дробилки 1.8 Контрольные вопросы 2 Машины и аппараты для разделения неоднородных систем 2.1 Машины и аппараты для классификации сыпучих материалов 2.1.1 Основные понятия 2.1.2 Классификация машин и аппаратов для разделения сыпучих материалов на фракции 2.1.3 Конструкции просеивающих элементов 2.1.4 Параметрический и прочностной расчёты машин и аппаратов для разделения неоднородных систем 2.2 Аппараты для очистки газов 2.2.1 Классификация аппаратов для очистки газов 2.3 Контрольные вопросы 4.1.1 Области применения машин барабанного типа 4.1.4 Классификация внутренних устройств барабанов 4.1.5 Вращающиеся печи химических производств 4.2.3 Шнековые машины в атомной промышленности 5.1 Технологические трубопроводы и их категоричность 5.2 Трубы, соединительные детали, компенсаторы и опоры 6.1 Требования, предъявляемые к химическим реакторам (ХР)... 6.6 Реакторы с псевдоожиженным (кипящим) слоем катализатора 6.7.2 Жидкофазные реакторы непрерывного действия 6.8.3 Уплотнение валов в реакторах высокого давления 6.10.2 Химические реакторы с электроразрядной плазмой... Развитие атомной и химической промышленностей требует новых высокоэффективных, экономичных, надежных и безопасных в эксплуатации технологических машин и аппаратов. Переработка веществ, обладающих взрывоопасными и вредными свойствами, ведение технологических процессов под большим избыточным давлением или в глубоком вакууме, а также при высокой или низкой температурах обуславливают необходимость детальной проработки всех вопросов расчета и конструирования химического оборудования с целью обеспечения безопасности обслуживающего персонала.

Выбор типа и принципиальной конструкции машины или аппарата, определение их рабочих параметров, основных размеров, марок конструкционных материалов и других, необходимых для проектирования и расчета оборудования на прочность производят проектировщики (инженеры-механики и технологи) на основе выбранного процесса производства, технологических расчетов и особенностей перерабатываемой среды.

В учебном пособии приведены лишь некоторые сведения о наиболее важных технологических процессах, происходящих в химическом оборудовании, знание которых необходимо для качественного его расчета, конструирования. Приведенные конструкции машин и аппаратов, методы параметрических и прочностных расчетов их деталей и сборочных единиц в целом базируются на официальных технических требованиях и нормах.

В учебном пособии в относительно небольшом объёме изложены основные сведения о современном типовом механическом и гидромеханическом оборудовании предприятий химических производств и производств ядерно-топливного цикла (ЯТЦ). При этом в отдельные главы выделены барабанные и шнековые аппараты, широко применяемые на предприятиях ЯТЦ, а так же аппараты для проведения химических процессов, так называемые реакторы химической промышленное™.

В основу распределения материала по главам положена классификация машин и аппаратов по функционально-конструктивному признаку.

В целях исключения повторений при описании типов и конструкций, например, классификаторов, измельчителей, смесителей, барабанного и шнекового оборудования и т.д., последние группируются по конструктивному признаку, независимо от их технологического назначения.

При написании учебного пособия были использованы материалы, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе.

1 Машины для измельчения материалов 1.1 Понятие о процессе измельчения Процесс уменьшения размеров упруго-хрупкого тела от первоначальной (исходной) крупности до требуемой путём воздействия внешних сил называется измельчением (дроблением или помолом), а машины, используемые для этих целей, дробилками или мельницами.

Химическая промышленность не имеет себе равных по многообразию измельчаемых материалов, степени измельчения, типам измельчающего оборудования.

Измельчению подвергают природные материалы, полуфабрикаты и товарную продукцию.

В одном случае измельчением вскрывают целевое вещество, заключённое в твёрдой породе, в другом - увеличивают поверхность фазового контакта.

Измельчаемые материалы могут быть твёрдыми, мягкими, хрупкими, вязкими, липкими, термически неустойчивыми, нейтральными, химически активными, вредными, безвредными для окружающих и т.д.

В химической промышленности применяют все виды измельчения, начиная от самого крупного (размер кусков материала достигает 200-1000 мм) и заканчивая коллоидным (размеры измельчённых частиц составляют доли микрона). В широком диапазоне изменяются производительность и размеры измельчителей.

В зависимости от крупности исходного сырья и требований к конечному продукту измельчение производят в один или несколько приёмов по открытому или замкнутому циклу. В первом случае перерабатываемое сырьё не возвращается в измельчитель для дальнейшей обработки.

В зависимости от размера кусков исходного сырья и конечного продукта измельчение делят на несколько классов, классы измельчения приведены в таблице 1.1.

измельчения Дробление:

Помол:

Процесс измельчения характеризуется отношением размера кусков исходного материала к размеру кусков готового продукта.

Это отношение называют степенью измельчения i:

и оно является важнейшим качественным показателем измельчительной машины в отдельности.

Различают также и объемную степень измельчения iv:

~vHДля ориентировочной оценки измельчительной машины ее возможную степень измельчения можно определить по формуле:

где В и b - ширина приемного отверстия и выходной щели машины Поскольку куски и частицы не имеют правильной (симметричной) формы, на практике проводят ситовой анализ, т.е. просеивают сыпучий материал через набор сит и взвешивают каждую полученную фракцию материала.

В каждой фракции находят средний размер частиц сЦ:

где dmax - максимальный размер кусков или диаметр отверстий сита, через которое проходит весь материал данной фракции, м;

dmin - минимальный размер измельченных частиц, м.

Средневзвешанный характерный размер частиц в смеси вычисляется по формуле:

где ai, а2,... а„ - массовые доли (или мае. %) каждой фракции.

1.2 Характеристики исходного материала и готового продукта 1.2.1 Физико-механические и физические свойства При выборе способа и оборудования для измельчения учитывают физико-механические свойства продуктов: прочность, хрупкость, абразивность, крупность кусков, а также их физические свойства:

влажность, плотность, порозность, взрыво- и пожаробезопасноть, воспламеняемость и температура плавления.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению при возникновении внутренних напряжений, появляющихся в результате какого-либо нагружения (например, механическом сжатии).

Качественными показателями этого свойства служат пределы прочности на сжатие стсж и на растяжение о р.

Оба показателя можно определить экспериментально с помощью пресса на нормализованных образцах кубической формы с ребром 50 мм или цилиндрической формы, используя соотношение:

где Р - разрушающее усилие, МН;

F - площадь сечения образца в плоскости, перпендикулярной разрушающему усилию, м2.

Исходя из предела прочности на сжатие 0СЖ, измельчаемые материалы разделяют на категории [24, 31]:

- особопрочные (очень прочные) более 250 МПа;

Хрупкость - свойство материала разрушаться без заметных пластических деформаций.

Существуют различные методы количественной оценки хрупкости.

При испытании строительных материалов часто используют методику, по которой хрупкость материала определяют по числу ударов гири массой 2 кг, падающей каждый раз с высоты, превышающей предыдущую на 0,01 м, до разрушения образца.

Испытание проводят на нормальных образцах цилиндрической формы. По числу ударов, выдерживаемых образцами, материалы разделяют на следующие типы:

Абразивность - способность перерабатываемого материала изнашивать рабочие органы машин.

Абразивность материалов важно знать при определении рациональной области использования оборудования для переработки.

По методике, ВНИИстройдормаша, абразивность выражают в граммах износа эталонных бил, отнесённых к 1 т передробленного материала. По абразивности материалы разделяют на 10 категорий, шкала абразивности приведена в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Шкала ВНИИстройдормаша для оценки абразивности материалов абразивности зивности зивности абразивности Крупность кусков материалов характеризуют линейными размерами - длиной а, шириной b и толщиной с или оценивают по его диаметру d. Диаметры кусков определяют разными способами:

- как среднеарифметическое их линейных размеров - среднегеометрическое этих величин:

- как диаметр окружности, описанной вокруг ширины и толщины куска:

- или эквивалентным диаметром:

где Sy - удельная поверхность частицы, равная отношению поверхности S к её массе т.

1.2.2 Сыпучие материалы Под сыпучим материалом (или сыпучим телом) подразумевают дисперсную систему, состоящую из твёрдых частиц произвольной формы, находящихся в контакте.

Пространство между частицами заполнено газом, а иногда, частично, и жидкостью.

В зависимости от диаметра d частиц сыпучий материал может быть в следующих состояниях:

Гигроскопичностью называют свойство сыпучего материала сорбировать парообразную воду из воздуха, её определяют по формуле:

где W - максимальная гигроскопичность, %;

т в, т с, т 6 - масса, соответственно, пробы влажного материала с бюксой, бюксы с высушенной пробой материала и бюксы.

Плотностью р материала называют массу единицы объёма вещества.

Её определяют пикнометрическим методом.

Насыпной плотностью рн сыпучего материала называют массу единицы его объёма при свободном засыпании в измерительный стакан.

Для сыпучих материалов р„ изменяется в широком диапазоне (от 0,2 до 4 г/см3) в зависимости от дисперсного состава частиц, их формы, плотности и способа засыпки в ёмкость.

Порозностью слоя сыпучего материала называют отношение:

где V, - свободный объём пространства между частицами в слое сыпучего материала объёмом V0.

Величина s зависит от формы и размера частиц, а также от других факторов.

Значения е, р и р„ связаны зависимостью:

Изменение структуры слоя под действием сжимающей нагрузки характеризируют коэффициентом уплотнения:

где рпр, рн - насыпная плотность порции сыпучего материала после Взрыво- и пожароопасность. Горючие сыпучие материалы при определённых условиях могут самовозгораться, а в смеси с воздухом - взрываться.

Взрыв аэровзвеси сыпучих горючих компонентов происходит только в том случае, если их концентрация в воздухе находиться в диапазоне между нижним и верхним переделами воспламенения.

Согласно нормам, принятым в России, нижний предел воспламенения служит основным критерием взрывоопасности аэровзвесей.

Взрывоопасными принято считать пылевоздушные смеси, нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) которых меньше или равен 65 г/м Пылевоздушные смеси с НКПВ, превышающим 65 г/м3, считают пожароопасными.

Аутогезия. Между частицами сыпучего материала существуют силы взаимодействия различной природы. Эти силы объединяют термином - «аутогезия», которая охватывает все виды и формы связи между частицами независимо от числа и свойств взаимодействующих частиц.

Помимо этого основного термина в технической литературе применяют и другие термины: адгезия, когезия, агломерация, агрегация, слёживаемость.

Адгезия частиц - взаимодействие частиц и твердой поверхности стенок аппарата, рабочих органов аппарата и т.д.;

- когезия - это связь между молекулами, приводящая к образованию единого твёрдого тела (возникает в месте контакта тел);

- агломерация - процесс укрупнения частиц в процессе спекания;

- агрегация - самопроизвольное укрупнение частиц;

- слёживаемость - возникновение сил взаимодействия между частицами в результате появления кристаллизационных мостиков между частицами или капиллярных сил.

Силу аутогезии можно представить в виде суммы нескольких составляющих: сил Ван-дер-Ваальса и сил когезионного взаимодействия, имеющих молекулярную природу, а также сил электрических, механического сцепления частиц и капиллярных (для влажных сыпучих материалов).

Для оценки поведения сыпучего материала под действием внешней нагрузки используют несколько характеристик:

- угол естественного откоса а, - начальное сопротивление сдвигу т0, - угол внутреннего трения ф, - коэффициент внутреннего трения f, - коэффициент внешнего трения fBH, - коэффициент размалываемости Кр, - коэффициент бокового давления - коэффициент текучести Кт.

Модуль деформации Е рассчитывают по результатам испытаний сыпучего материала на приборах одноосного сжатия по формуле:

где к - постоянный для данного прибора коэффициент, зависящий от формы, размеров, жёсткости штампа и коэффициента Пуассона, v, м"1;

Р - нагрузка на подошву штампа, Н;

А - изменение высоты слоя сыпучего материала, м.

Коэффициент Пуассона приближённо можно рассчитать по коэффициенту бокового давления Коэффициент бокового давления при условии одноосного сжатия без возможности бокового расширения равен отношению:

где а„ - боковое давление в слое сыпучего материала;

oz - нормальное давление на сыпучий материал.

При относительно малых давлениях сжатия (0,2-4,2 МПа) коэффициент бокового давления для большей части порошков имеет постоянное значение, практически не зависящее от размеров частиц и равное 0,3-0,4.

Способность сыпучего материала вытекать из отверстий в стенках машин и аппаратов оценивают коэффициентом текучести Кт, который определяют по времени истечения т порошка из калиброванной воронки:

где г - радиус воронки в цилиндрической части, мм m - масса порошка засыпаемого в воронку, г.

В расчётах процессов измельчения используют коэффициент размалываемости:

где U - энергия, затрачиваемая на измельчение, Дж;

SH - вновь образованная удельная поверхность сыпучего материала, м2;

Кр - коэффициент размалываемости, Дж м"2.

Слёживаемостью называют свойство сыпучего материала терять свою текучесть при длительном хранении.

Причиной слёживания сыпучих материалов может быть увеличение либо плотности упаковки частиц, либо влажности, что приводит к появлению кристаллизационных мостиков между частицами или капиллярных сил.

1.3 Энергоёмкость процесса измельчения 1.3.1 Расход энергии на измельчение Подсчитано, что на измельчение (дробление и помол) ежегодно тратится не менее 5 % всей производимой в мире энергии, включая энергию двигателей внутреннего сгорания.

Это подчёркивает важность процессов измельчения в жизнедеятельности человека. Однако, значительная часть энергии затрачивается непроизводительно вследствие несовершенства измельчающих машин и их приводных систем и т.д. [21, 31].

Установочная мощность электродвигателя измельчающей машины существенно отличается от определенной по существующим методам расчёта, поэтому мощности двигателей дробилок и мельниц часто назначают на основе практических данных.

1.3.2 Основные энергетические гипотезы измельчения Основным вопросом гипотез измельчения является установление связи между затратами энергии и размерами конечных и начальных кусков материала, их формой, физико-механическими свойствами и т.п.

Многофакторность изучаемого явления затрудняет анализ, в связи с чем существующие гипотезы измельчения характеризуют энергозатраты лишь в общем виде [17, 21, 24, 42].

В 1867 г. П. Риттингер выдвинул гипотезу о том, что работа при измельчении материала А, Дж, пропорциональна площади вновь образованной поверхности AS, м2 (первая гипотеза измельчения):

где Ki - коэффициент пропорциональности.

Площадь вновь образованной поверхности можно выразить через начальные или конечные размеры кусков измельчаемого материала.

Пусть куски имеют кубическую форму с размерами рёбер dH до измельчения и после измельчения, как показано на рисунке 1. Рисунок 1.1 - Схема к расчету вновь образованной Следовательно, с учётом общего числа вновь образованных частиц:

найдём:

Если дроблению подвергают объём V, м3, материала со средним размером кусков dH, то общее число измельчаемых частиц составит V/dH3 и работа дробления в соответствии с формулой (1.1):

При массе измельчаемого материала т м, кг, окончательная формула, выражающая закон Риттингера, имеет вид:

где р - плотность материала, кг/м ;

KR - коэффициент пропорциональности между затраченной работой и вновь образованной поверхностью.

Определить коэффициент пропорциональности между затраченной работой и вновь образованной поверхностью весьма трудно, что снижает практическое значение этой формулы.

Кроме того, гипотеза Риттингера не учитывает изменения формы тел при измельчении и поэтому плохо описывает процессы дробления в случаях, когда продукты измельчения имеют малые удельные поверхности.

В 1874 г. В.Л. Кирпичёв и в 1885 г. Ф. Кик предложили считать, что энергия, необходимая для одинакового изменения формы подобных и однородных тел, пропорциональна их объёмам (вторая гипотеза измельчения).

Действительно, в соответствии с законом Гука работа упругих сил при одноосной деформации тела:

Колебания угловой скорости задают степенью неравномерности вращения маховика 5, которую для щековых дробилок принимают в пределах 0,015-0,035 [5, 21, 24].

Степень неравномерности:

Средняя угловая скорость:

Усилие дробления Рд воспринимается сферическим подпятником и эксцентриковой втулкой и вызывает соответствующие реакции Р ф и Рэ.

Схема действия реакций Рсф и Рэ показана на рисунке 1.26.

В данной схеме a - угол опережения, т.е. угол, образованный пересечением линии действия усилия дробления с горизонтальной осью основания подвижного конуса. Практически угол a = 15°-20°.

Зная равнодействующую силу дробления Рд и точку её приложения, а также принимая положение реакции эксцентриковой втулки посередине высоты эксцентрика, определяют графически реакции Р ф и Рэ:

Усилия Рсф, Рэ и Рд являются исходными для прочностного расчёта элементов дробилки.

При работе дробилки эти усилия не остаются постоянными, а изменяются от минимальных до максимальных значений. При практических расчётах при определении работы или мощности, расходуемой на дробление допускается принимать усреднённые значения усилий.

Профессор В. А. Олевский предлагает следующую эмпирическую формулу для определения средних усилий дробления [39, 40]:

где Рср - среднее усилие дробления, МН;

Ffl - площадь боковой поверхности дробящего конуса, м2.

Следует отметить, что удельная нагрузка КД меньше, чем в щековых, из-за их криволинейной поверхности измельчения, и составляет Ру = 2 МПа (в ЩД, Ру = 2,7 МПа).

При этом усилие дробления определяют по формуле:

Горизонтальную Рг и вертикальную Рв составляющие усилия дробления можно определить по следующим формулам:

- для КСД и КМД (см. рисунок 1.24, б):

При этом усилие дробления Рд определяют как:

По этим значениям сил рассчитывают вал (Р г ), опоры (Р в ) и другие элементы КД.

Неподвижный конус. Он нагружен усилием дробления Рд; силой трения FTp, направленной в сторону, обратную скорости движения куска материала; силой тяжести верхней части корпуса GKop и суммарным усилием от пружин Р0п:

где Рн,< - усилие, действующие на неподвижный конус, МН.

При рассмотрении моментов сил относительно точки А (см. рисунок 1.15) условие дробления выразится следующим образом:

Отсюда, введя коэффициент запаса 1,5, получим:

Подвижный конус. В зависимости от конструкций подвижный конус рассчитывают на изгиб (полый конус) или на сжатие (монолитный конус) под действием равнодействующей усилий дробления Рд, определяемой по формулам (1.61) или (1.68), усилий трения и силы тяжести конуса:

где Р ш - усилие, действующие на подвижный конус, МН.

Эксцентриковый вал. Этот вал рассчитывают на сложное сопротивление от изгиба и кручения.

Для конусных дробилок изгиб происходит под действием силы Рэ, определяемой по формуле (1.63).

В зависимости от принятой конструкции и способа закрепления вала определяют усилия, действующие на подшипники, и проводят расчёт подшипников.

По найденным усилиям следует построить эпюру изгибающих и крутящих моментов, а затем определить напряжение изгиба (сттах) в опасных сечениях по формуле (1.39), напряжения кручения по формуле (1.40), эквивалентное напряжение по формуле (1.41) и требуемый диаметр вала в опасном сечении по формуле (1.42).

Эксцентриковая втулка. Эксцентриковая втулка испытывает такое же сложное напряженное состояние, как и эксцентриковый вал, поэтому и расчёт её аналогичен.

Изгиб происходит под действием силы Рд, определяемой по формуле (1.61). При определении напряжений изгиба, кручения и эквивалентных напряжений следует учесть, что втулка полая.

Сферический подпятник. Сферический подпятник воспринимает массу конуса, эксцентрикового вала и усилия дробления, т.е. рассчитывается на сжатие под действием силы Рсф (см. формулу 1.63).

Пружины. Максимальное усилие сжатия дробимого материала в камере дробления машины определяется упругой силой амортизационных пружин, выполняющих функции предохранительного механизма.

Для конусных дробилок сила прижатия пружинами опорного кольца к фланцу станины составляет 4 - 6 МН, а число пружин - 20 - 30.

Сила предварительной затяжки пружин около 5 кН.

Усилие, действующее на пружину, достигает максимальной величины в момент прохождения через параллельную зону недробимого материала.

При этом для расчёта максимального усилия Ртах следует графически определить наибольшую осевую деформацию у тах пружины при различных положениях недробимого тела размером В (см. рисунок 1.15) в зазоре между конусом.

где с - жесткость пружины, м-1.

По этому усилию выполняют поверочный расчёт пружины.

Другие детали. Конструкции конусных дробилок, как и других типов дробилок, непрерывно совершенствуются, поэтому расчёт на прочность следует производить в зависимости от величины и характера усилий, действующих на элементы дробилки.

Исходными величинами при определении усилий на все детали У р а в н о в е ш и в а н и е сил инерции вращающихся масс. Неуравновешенными массами являются подвижный конус и эксцентриковая втулка; для их уравновешивания предназначен противовес или прилив на коническом зубчатом колесе, соединённом с эксцентриком, как показано на рисунке 1.27.

Рисунок 1.27 - Схема уравновешивания сил подвижного конуса с эксцентриковой втулкой и противовесом Момент от сил инерции, возникающий в прецессионном движении подвижного конуса, И м:

где w - угловая скорость эксцентрика, рад/с;

Ji и J2 - момент инерции массы подвижного конуса относительно соответственно собственной оси вращения и оси, проходящей через точку подвеса перпендикулярно собственной оси у - угол эксцентриситета подвижного конуса (см. рисунок 1.25);

Р - угол между осью дробилки и мгновенной осью вращения подвижного конуса (для дробилок ККД обычно р = 10°-25°, для дробилок КСД и КМД р = 40°-45°).

Помимо инерционного момента М0 в той же плоскости на дробящий конус действуют центробежная сила:

и сила инерции эксцентриковой втулки:

где гк и гэ - расстояние от центров масс конуса и эксцентриковой втулки до оси вращения.

Для полного уравновешивания сил инерции необходимо иметь не менее двух противовесов.

Так как по конструктивным условиям в рассматриваемом случае можно использовать лишь один противовес, то обычно выполняют лишь одно частичное уравновешивание сил инерции в соответствии с условием равенства нулю моментов всех инерционных сил, включая силу инерции противовеса Р„, относительно точки О пересечения осей:

Здесь zK, z3, zn - расстояние от точки 0 до линии действия соответствующих сил.

При массе противовеса т п и расстоянии гп от его центра масс до оси вращения сила инерции противовеса:

Из этого уравнения методом подбора можно определить рациональные значения т п и гп.

Статический момент массы противовеса:

Для противовеса, выполненного в форме кольцевого сектора прямоугольного сечения:

где a n - угол кольцевого сектора противовеса;

р - плотность материала противовеса, кг/м3;

Гь г2, h - наружный и внутренний радиусы и толщина (высота) противовеса, м;

Подставив значения т п и гп в уравнение (1.74), можно получить:

Окончательно инерционная сила противовеса определяется подстановкой значения МП из выражения (1.77) в формулу (1.74).

1.8 Контрольные вопросы 1 Измельчение. Классы измельчения.

3 Классификация измельчителей по способу измельчения.

4 Задачи параметрического расчета измельчителей.

5 Щековые дробилки (ЩЦ). Основные конструктивные смены.

6 Параметрический расчет ЩД. Определение угла захвата подвижной щеки.

7 Определение числа качаний подвижной щеки в единицу времени.

8 Расчет размеров основных конструктивных элементов.

9 Расчет потребляемой мощности.

10 Прочностной расчет основных конструктивных элементов ЩЦП.

11 Рекомендации по выбору материала для конструктивных элементов ЩД.

12 Прочностной расчет основных конструктивных элементов ЩД со сложным качанием подвижной щеки.

13 Конусные дробилки. Основные конструкции.

14 Параметрический расчет конусных дробилок.

15 Прочностной расчет основных конструктивных элементов конусных дробилок.

16 Мельницы. Основные конструкции.

17 Основные принципы параметрического и прочностного расчетов мельниц.

2 Машины и аппараты для разделения неоднородных систем 2.1.1 Основные понятия В различных процессах химической технологии твёрдые материалы должны иметь определённый размер частиц, который обуславливает оптимальное протекание требуемых превращений.

При добыче и измельчении твердых материалов редко удаётся сразу получить продукт требуемого состава. Измельчённый материал обычно состоит из частиц различного размера и формы, а из него надо выделить требуемые фракции.

Разделение твёрдых зернистых материалов на классы по крупности кусков или зёрен называется классификацией, а машины и аппараты, используемые для этого процесса, классификаторами.

Существует три основных вида классификации:

- механическая (грохочение);

- пневматическая (воздушная сепарация);

- гидравлическая.

В химической промышленности применяют главным образом грохочение и сепарацию в воздушном потоке.

Разделение смесей происходит в поле гравитационных, гравитационно-инерционных и гравитационно-центробежных сил.

Первые два вида силовых полей используются для ситовой и гидравлической, третий вид - для воздушной классификации.

На рисунке 2.1 приведена схема классификации материалов при помощи неподвижного сита. Исходный материал поступает на верхнюю часть сита и перемещается по его наклонной поверхности под действием силы тяжести. Мелкие частицы просеиваются сквозь отверстия сетки, образуя подрешётный (нижний) класс 1. Крупные частицы скатываются по поверхности сита и образуют надрешётный (верхний)класс 2.

ИСХОДНЫЙ

1 - подрешетный класс; 2 - надрешетный класс Рисунок 2.1 - Схема классификации материалов Процесс классификации происходит при двух условиях: перемещение материала по поверхности сита и перемещение материала при движении по ситу, чтобы крупные частицы не преграждали путь к отверстиям сита мелким частицам.

При движении по поверхности сита не все мелкие частицы проходят сквозь отверстия.

Качество процесса грохочения оценивают эффективностью грохочения Е, под которой понимают выраженное в процентах или долях единицы, отношения массы продукта, прошедшего сквозь сито т, к массе нижнего класса в исходном материале т 0.

Задачами классификации являются либо выделение из конгломерата частиц заданного размера, либо промежуточная классификация в процессе измельчения.

Процесс измельчения можно строить по двум технологическим схемам: многоступенчатое измельчение без классификации и с классификацией.

Для классификации материала с размерами частиц более 5-10 мм обычно применяют процесс грохочения.

Классификацию более мелкого продукта выгоднее проводить сепарацией.

В ряде случаев особо тонкий помол выгоднее проводить до размеров частиц, не требующих классификаций.

2.1.2 Классификация машин и аппаратов для разделения сыпучих материалов на фракции На рисунке 2.2 приведена схема классификации аппаратов и машин для разделения сыпучих материалов, основанная на конструктивной общности и учитывающая вид классификации (рассев, гидравлическая или воздушная).

Почти в каждом из указанных в схеме видов аппаратов имеются разновидности конструкций. На рисунках с 2.3, а по 2.3, з приведены принципиальные упрощенные схемы наиболее распространенных классификаторов каждого вида, а ниже дано описание лишь некоторых из них.

Грохоты подразделяют на неподвижные и подвижные. По форме просеивающей поверхности они бывают плоскими и цилиндрическими (барабанные). Кроме того, могут быть наклонными и горизонтальными.

Плоским неподвижным грохотом является колосниковая решётка (см. рисунок 2.3, а), скрепленная на установочных трубках, устанавливаемая с наклоном 30°-50°, и имеющая размер щели между колосниками не менее 50 мм.

Рисунок 2.2 - Схема классификации аппаратов и машин для разделения сыпучих материалов на фракции Изготавливают колосники литыми или из стальных балок из износостойкой стали 110Г13Л. Сечение балок Т-образное или в виде равнобедренной трапеции. Их устанавливают широким основанием вверх, чтобы не было застревания кусков. Производительность колосниковых грохотов прямо пропорциональна их углу наклона.

К грохотам с подвижными колосниками относятся валковые (см.

рисунок 2.3, б), просеивающей поверхностью которых являются диски, насаженные на вращающиеся горизонтальные валы, установленные параллельно друг другу.

Рассеиваемый материал движется по дискам, просев проваливается в зазоры между дисками, а отсев разгружается в конце процесса грохочения. Основной недостаток их - износ дисков.

Диски валковых грохотов изготавливают круглыми или треугольными. Круглые диски имеют эксцентрично расположенное центральное отверстие для насадки на вал, а треугольные диски имеют центральное отверстие для насадки на эксцентриковый вал. Треугольные диски более сложны в изготовлении, но менее подвержены износу.

Плоские грохоты с принудительным движением сита могут быть односитовыми, некоторые схемы которых приведены на рисунках 2.3,в, 2.3, г и многоситовыми, компонуемыми по вертикали - это видно из рисунка 2.3, д, или по горизонтали, как показано на рисунке 2.3, е.

Многоситовые грохоты имеют большую производительность, позволяют получить не две, а несколько фракций (число фракций равно числу сит плюс единица).

По виду привода плоские ситовые грохоты могут быть качающимися, гирационными (полувибрационными) и вибрационными.

Просеивающая поверхность в качающихся грохотах, как показано на рисунке 2.3, в, совершает принудительное движение от приводного эксцентрика через жёсткую кинематическую связь.

1 - короб; 2 - сито; 3 - подвеска; 4 - рама опорная; 5 - привод Рисунок 2.3, в - Односитовый качающийся грохот 1 - короб; 2 - сито; 3, 6 - подвеска пружинная; 4 - вал дебалансный; 5 - дебаланс Рисунок 2.3, г - Односитовый вибрационный грохот Достоинствами этих грохотов являются относительно высокая производительность и эффективность; компактность и удобство обслуживания, незначительное крошение материала.

Основной недостаток - неуравновешенность конструкции и быстрый выход из строя опорных стоек грохота.

В гирационном грохоте просеивающая поверхность движется под действием эксцентрикового вала, на котором она закреплена.

Центробежные силы инерции, возникающие при движении корпуса, уравновешиваются контргрузами, установленными на дисках, которые насажены на эксцентриковый вал. Вследствие этого данные грохоты уравновешены, имеют более высокие производительность и эффективность грохочения. Грохоты подвешивают на пружинных подвесках и устанавливают под углом 8°-25°.

Рисунок 2.3, д - Многоситовый с вертикальной компоновкой 1 - сборник фракций; 2 - сито мелкое; 3 - сито среднее; 4 - сито крупное Рисунок 2.3, е - Многоситовый с горизонтальной компоновкой Вибрационные грохоты, представленные на рисунке 2.3, г, широко используют в промышленности. Их достоинствами являются: высокая производительность и эффективность грохочения; значительно меньшая возможность забивания отверстий сит по сравнению с грохотами других видов; пригодность для крупного и тонкого грохочения;

компактность и лёгкость смены сит; относительно небольшой расход энергии.

Барабанные грохоты состоят из дырчатого вращающегося барабана, опорного устройства и приводного механизма, как показано на рисунках 2.3, ж, 2.3, з).

Рисунок 2.3, ж - Многоситовый с концентрической компоновкой сит Подлежащий фракционированию материал поступает внутрь барабана.

Главным достоинством барабанных грохотов является простота их конструкций и равномерность работы.

Недостатки: громоздкость, малая удельная производительность и низкая эффективность (особенно при грохочении мелкого материала). Эти грохоты вытесняются вибрационными.

Рисунок 2.3, з - Многоситовый с последовательной компоновкой сит Гидроклассификаторы. В основу работы положена зависимость скорости осаждения в воде зёрен твёрдого материала от их размеров, схемы аппаратов представлены на рисунках 2.3, и; 2.3, к; 2.4, л.

Наиболее простая конструкция гидроклассификаторов представлена многосекционным отстойником, вдоль которого движется поток суспензии. Поступающая в классификатор суспензия теряет скорость в направлении выходного штуцера. В первом сборнике оседает самая крупная или тяжёлая фракция, а в каждом последующем - все более мелкая.

В промышленности широко применяют так называемые механические классификаторы - аппараты, снабжённые механическим транспортным устройством для непрерывного удаления осевшего нижнего продукта (песков). Их используют для разделения мелкого материала (от 5 до 0,05 мм и менее), получаемого в мельницах, и работают с ними в замкнутом цикле. При этом слив классификатора является готовым продуктом, а пески возвращают на доизмельчение.

В спиральных (или шнековых) классификаторах транспортирующим органом является медленно вращающаяся одна (или две) спираль, частично погружённая в жидкость. Угол наклона корыта, число оборотов спиралей и концентрация твёрдого материала в пульпе являются основными факторами, влияющими на эффективность классификации и производительность аппарата.

1 - выгружатель; 2 - мешалка; 3 - сборник фракций; 4 - штуцер питания; 5 - корпус; 6 - вал приводной для мешалок;

Рисунок 2.3, и - Многосекционный гидроклассификатор В реечных классификаторах пески транспортируют в корыте коробчатого сечения с помощью рамы со скребками, совершающими возвратно-поступательное движение.

1 - корыто; 2 - рама гребковая; 3 - пульпа; 4 -штуцер сливной;

5 - лоток сливной; 6 - механизм качания рамы гребковой Рисунок 2.3, к - Классификатор спиральный реечный Общим недостатком механических классификаторов является низкий к.п.д., т.к. выдаваемые ими на доизмельчение в мельницы пески содержат большое количество тонкого материала (до 20% класса (-75) мкм).

Высокая производительность и эффективность классификации достигается в центробежных классификаторах, в качестве которых используются гидроциклоны и отстойные центрифуги со шнековой выгрузкой, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

1 - рама; 2 - штуцер спускной; 3 - корыто; 4 - карман с желобом для слива;

5 - механизм подъема спирали; 6 - лоток приёмный; 7 - спираль; 8 - привод спирали; 9 - ось поворота спирали; 10 - штуцер для крупной фракции Рисунок 2.3, л - Классификатор спиральный Воздушные сепараторы, работающие в открытом или замкнутом циклах с мельницами сухого помола, делятся на воздушнопроходные и воздушно-циркуляционные (воздушно-замкнутые), схемы которых представлены на рисунках 2.3, м, 2.3, н.

В сепараторах первого типа выделение крупных частиц (грубой фракции) из смеси происходит сначала в кольцевом пространстве между конусами (см. рисунок 2.3, м) под действием силы тяжести вследствие резкого снижения скорости потока, а затем под действием центробежных сил, возникающих при закручивании потока, в лопатках завихрителя.

В воздушно-циркуляционных сепараторах воздушный поток циркулирует внутри аппарата и не выводится наружу.

Рисунок 2.3, м - Сепаратор центробежный воздушно-проходной 1- вал; 2, 9, 10 - патрубки; 3 - колесо вентиляторное; 4 - д и с к вращающийся; 5 - конус внутренний; 6 - завихритель; 7 - конус; 8 - корпус Рисунок 2.3, н - Сепаратор центробежный воздушно-циркуляционный В качестве просеивающих элементов используют листовые сита (решета), сетки, струны и колосниковые решётки.

Листовые сита с круглыми отверстиями, показанный на рисунке 2.4, а, применяют для грохочения материалов с относительно круглой формой кусков, сита с продолговатыми отверстиям, показанный на рисунке 2.4, б - для классификации материалов с кусками удлинённой формы.

При движении слоя материала по просеивающей поверхности движение отдельных кусков в сторону ограничивают соседние куски.

При шахматном расположении отверстий куски, перемещающиеся по перемычке между отверстиями одного ряда, свободно проваливаются в отверстия последующего ряда. Это существенно повышает эффективность грохочения.

а и 6 - соответственно листовые с круглыми (решета) и продолговатыми отверстиями; в и г - соответственно листовые сита из резины или полиуретана; д - проволочное плетёное сито Рисунок 2.4 - Виды просеивающих элементов Отверстия могут быть также квадратными и прямоугольными.

При большом разнообразии форм отверстий их сравнительную характеристику устанавливают по эффективности грохочения.

Равноценными считают отверстия, которые обеспечивают одинаковую эффективность грохочения. ВНИИстройдормаш рекомендует при расчёте решет с круглыми и прямоугольными отверстиями следующие переходные коэффициенты:

где Ькр - диаметр круглого отверстия, м;

Ькв - сторона квадрата, м;

Ьпр - ширина прямоугольного отверстия, м.

Преимущества листовых сит: прочность, жесткость и продолжительный срок службы.

Для грохочения абразивных материалов применяют листовые сита из резины или полиуретана с квадратными и прямоугольными отверстиями (см. рисунки 2.4, в - 2.4, д); размер квадратных или прямоугольных отверстий от 3 мм до 20 мм при толщине резинового листа от 3 мм до 6 мм.

Для классификации с одновременной промывкой, обезвоживанием и сушкой применяют щелевые сетки, которые изготавливают из проволоки либо круглого, либо специального сечения.

Наряду с отечественной системой сит в литературе используют две дюймовые американские шкалы Риттингера и Ричардсона где а и b - стороны решетки, и метрическую немецкую:

где b - сторона отверстия, м;

m - номер сита.

2.1.4 Параметрический и прочностной расчёты машин и аппаратов для разделения неоднородных систем 2.1.4.1 Задача расчетов В задачу параметрических расчётов машин и аппаратов для разделения неоднородных систем входят:

- установление (или расчёт) оптимального режима выполнения заданного процесса (рассев, фильтрация, центрифугирование и т.п.);

- расчёт расходов неоднородных сред и их компонентов (воды, воздуха или жидкости и газов в общем случае и т.д.);

- определение размеров основных элементов конструкции, исходя из заданной производительности;

- расчёт энергетических затрат на реализацию процесса.

В задачу прочностных расчётов входит определение усилий, моментов, напряжений, действующих на отдельные конструктивные элементы машины или аппарата, их геометрических размеров, а также расчёт всей машины или аппарата на жёсткость и устойчивость.

2.1.4.2 Плоские качающиеся грохоты Условие прохода частиц через отверстие. На рисунке 2.5 изображена схема прохождения зерна сквозь отверстие наклонного сита.

Рисунок 2.5 - Схема прохождения зерна сквозь наклонное сито Диаметр зерна, свободно проходящего сквозь отверстие:

где a - угол наклона сита, град;

b - ширина отверстия, м;

h - толщина сита, м.

На наклонном грохоте получают нижний класс той же крупности, что и на горизонтальном, только при большем размере отверстий наклонного сита. При a = 20° в 1,15 раза и в 1,25 при a = 25°.

Движение материала по наклонной поверхности сита. При размере отверстий Ь, диаметре куска d, скорости движения и и угле наклона сита а, как показано на рисунке 2.6, перемещения куска материала за время т:

Откуда Рисунок 2.6 - Схема движения куска по наклонному ситу В предельном случае, когда кусок материала сталкивается с ребром отверстия можно получить (см. рисунок 2.6):

Подстановка выражений (2.2) и (2.3) в формулу (2.1) дает следующую формулу:

Это выражение связывает относительную скорость движения материала по грохоту с размерами частиц а, углом наклона а и размером отверстий Ь.

Так, при a = 20°; b = 6d; d = 0,05 м скорость, при которой кусок сталкивается с кромкой отверстия, и0 = 4,2 м/с.

При горизонтальной поверхности сита (а = 0) уравнение (2.4) упрощается:

При d = 0,8b предельная скорость:

Предельная скорость движения материала мала при близких размерах просеиваемых кусков и отверстий. Эту скорость можно увеличить до 4 - 10 м/с, если размер отверстий превышает диаметр кусков в 6 - 8 раз.

Чем больше отклонение формы кусков от сферической, тем ниже эффективность грохочения.

Число качаний грохота или число оборотов приводного эксцентрика. Относительная скорость движения материала по грохоту определяется числом качаний короба в единицу времени и эксцентриситетом приводного эксцентрика.

Рассмотрим движение частицы массой m на грохоте под действием следующих сил: силы тяжести G, скатывающей силы S, силы трения Т и силы инерции Ри, схема которых приведена на рисунке 2.7:

силы трения силы инерции где f - коэффициент трения между ситом и материалом;

а - угол наклона грохота, град;

а - ускорение частиц, м/с2.

Рисунок 2.7 - Схема сил, действующих на кусок материала, находящегося на поверхности наклонного листа Величину угла а выбирают из условия, чтобы в спокойном состоянии материал не скатывался с грохота под действием силы тяжести.

Следовательно, угол а должен быть меньше угла трения между материалом и грохотом. Ускорение а, сообщаемое частице при качании грохота, является переменной величиной:

она движется вверх по грохоту.

Силы инерции Ри и трения Т всегда противоположны по направлению.

При направлении силы инерции Ри в сторону уклона (на рисунке 2.7 влево) условие сдвига куска вниз уравнение (2.7) имеет вид:

где Ри = т ю 2 е - эксцентриситет кривошипного вала;

со = 2лп - угловая скорость кривошипного вала, рад/с;

п - частота вращения кривошипного вала, об/с).

После подстановки значений Ри с учётом уравнения (2.6) и f = tgip (где ф - угол трения куска материала о поверхность сита), а также сокращения на g уравнение примет вид:

Сдвиг куска вверх согласно формуле (2.8) может происходить при направлении силы инерции Ри в сторону подъёма (на рисунке 2. вправо) при условии:

или При увеличении частоты вращения кривошипного вала возможен другой вид движения материала - с отрывом от поверхности сита. Условие отрыва:

Преобразование дает Исследования плоских качающихся грохотов показали, что нормальной скоростью вращения эксцентрика для них является величина порядка:

Относительная скорость движения материала и, м/с, по грохоту:

Производительность плоского грохота. Назначение грохота выделить из сырья целевую фракцию независимо от того, сколько её содержится в сырье.

Иногда в качестве производительности принимают выход какойлибо одной фракции.

Более удачной является оценка производительности грохота по количеству прошедшего по нему сырья в единицу времени.

Полнота разделения определяется равномерностью питания (по ширине грохота и во времени), поддержанием на грохоте толщины слоя материала, размер которого не превышает диаметр наиболее крупных частиц материала.

Количество материала, проходящего через грохот т, т/ч, пропорционально относительной скорости движения материала и, ширине грохота В и толщине слоя материала d:

где В - ширина грохота, м;

и- относительная скорость движения материала, м/с;

d- размер наиболее крупных кусков материала, м;

ц- коэффициент разрыхления движущегося материала, который Принимая во внимание относительную скорость движения материала по грохоту (формула 2.16), формулу (2.17) запишем в виде:

Потребляемая грохотом мощность расходуется на сообщение движущимся массам кинетической энергии и на преодоление сопротивления трению материала по ситу грохота.

Кинетическая энергия движущейся массы определяется по известной формуле:

где G - вес движущегося материала, Н.

Для эксцентрикового привода скорость и за один ход короба грохота (прямой и обратный) изменяется по синусоиде от нуля до максимума и от максимума до нуля:

где иэ - окружная скорость кривошипа или эксцентрика, м/с;

е - радиус эксцентрика, м;

п - число оборотов эксцентрика, об/м.

Угол ф поворота эксцентрика за один ход изменяется от 0 до л.

При ф = 0 и ф = я скорость и = 0, а при ф = л / 2 скорость и достигает максимума:

В первой половине хода скорость грохота возрастает от нуля до Umax- Подвижной массе материала сообщается энергия. Во второй половине хода скорость снижается от umax до нуля и масса материала отдает энергию. Теоретически сумма подводимой и отводимой энергии равна нулю.

Таким образом, с достаточной для практических целей точностью работу за один ход можно представить в виде:

и, аналогично, при обратном ходе грохота:

Таким образом, работа за один оборот эксцентрикового вала составляет:

где G - вес подвижной массы (грохота и материала), кН;

и,, u2 - максимальные скорости прямого и обратного ходов грохота, м/с.

В случае обыкновенного кривошипа или эксцентрика Ut = u2, и тогда:

Выражение (2.25) дает величину поглощаемой грохотом энергии за один полный ход короба.

Приняв во внимание формулу (2.21), можно найти потребляемую мощность NK, КВТ, на сообщение движущейся массе кинетической энергии:

Потребляемую мощность на преодоление сил сопротивления трению материала по ситу можно вычислить следующим образом.

Работа трения материала по ситу грохота:

где Ат - работа трения материала по грохоту, кДж;

f - коэффициент трения;

G„ - вес материала на сите, кН, равный Здесь В и L - ширина и длина грохота соответственно, м;

d - высота слоя материала на грохоте, м;

у„ - насыпной вес материала, кН/м3.

Работа трения:

а потребляемая мощность NT, кВт, на преодоление сил трения:

Формула (2.30) получена в предположении, что сила трения всегда противоположна движению грохота.

В действительности относительное движение материала совершается частично и в сторону движения грохота. По этой причине формула (2.30) дает несколько завышенные результаты. Л.Б. Левинсон оценивает это завышение на 1/3, так что можно принять [5]:

В соответствии с формулами (2.29) и (2.31) затрачиваемая мощность пропорциональна длине грохота L.

Длина грохота L определяется необходимым временем пребывания материала на сите до его разделения на классы.

Время рассева материала при данных условиях определяется опытным путём. Чем толще слой материала на грохоте, тем труднее идёт рассев, тем больше требуется времени для проведения этого процесса и тем больше длина грохота.

Общая мощность, потребляемая плоским качающимся грохотом, равна:

Прочностной расчёт. Прочностной расчёт конструктивных элементов плоских качающихся грохотов и расчёт их приводов проводят по действующим нагрузкам, к основным из которых можно отнести инерционную силу Ри (формулы (2.6) - (2.15)) и ее проекции на вертикальную и горизонтальную оси, силу тяжести материала на грохоте, вес грохота и крутящий момент на валу приводного эксцентрикового вала.

2.1.4.4 Барабанные грохоты Перемещение материала по грохоту, а так же другие параметры барабанного грохота определяют аналогично, что и в барабанных измельчителях (см. 1.7.6). Поэтому приведём лишь конечные формулы, применяемые для параметрических расчётов барабанных грохотов:

- скорость вращения барабана, об/с, - производительность грохота, м3/с, где F - сечение слоя материала в поперечном сечении барабана, м2, b и h - соответственно ширина и высота слоя материала в поперечном сечении грохота, принимают u0 - линейная скорость движения частиц по барабану, определяемая как у - угол наклона барабана к горизонту, принимают у = 2°-6°;

dmax - максимальный размер разделяемых частиц, м;

R - радиус барабанного грохота, м;

- мощность, потребляемая грохотом, кВт, где GM - вес материала в барабане, кН.

2.1.4.5 Разделение под действием гравитационноинерционных сил В многотоннажных производствах и при получении особо тонких порошков разделение последних на классы или выделение целевого продукта осуществляется методом раздельного высаживания частиц под действием гравитационно-инерционных и гравитационно-центробежных сил.

Принцип гравитационно-инерционного разделения сыпучих материалов на фракции состоит в следующем. Любая частица, которая входит с потоком газа или жидкости в сепаратор, как показано на рисунке 2.8, находится под действием двух главных сил - горизонтальной, вызванной давлением движущегося потока на частицу, и вертикальной, т.е. силы тяжести. Под действием этих сил частицы движутся в горизонтальном направлении со скоростью ur, в вертикальном ив.

Траекторией движения частиц в этом случае будет парабола.

Рисунок 2.8 - Схема к рассмотрению принципа гравитационноинерционной сепарации В тех случаях, когда скорость носителя в сепараторе иг постоянна, скорость движения частицы вдоль сепаратора можно принять также постоянной и тогда:

При осаждении частиц в ламинарном потоке, как указано выше:

где рт, рс - соответственно плотности частиц и среды, кг/м3;

Цс - вязкость среды, Па с.

Тогда дальность полета частицы от места ее входа в сепаратор:

Так как иг, h, |дс, рт, рс - величины постоянные, то т.е. дальность полёта частицы обратно пропорциональна квадрату её диаметра.

Чем крупнее частицы, тем меньше дальность их полёта, тем ближе от места входа они выпадут.

Чем больше h, тем более чётко произойдет деление материала на классы.

2.1.4.6 Оборудование для воздушной сепарации материалов Общие сведения. Удельная производительность грохотов при классификации материалов при размере частиц менее 1 мм весьма низкая.

Такие материалы рационально сортировать в воздушных сепараторах, в которых более крупные частицы выпадают из потока под действием сил тяжести или центробежных сил, а мелкие - выносятся потоком воздуха в осадительные устройства.

Эффективность сортирования:

где т и т 0 - масса мелкого продукта соответственно после сепаратора и в исходном материале.

Засоренность продукта:

где т, и т 2 - масса пробы продукта соответственно после сепаратора В производственных условиях эффективность разделения составляет от 67 % до 80 %, а засорённость от 6,0 % до 7,0 %.

2.2 Аппараты для очистки газов 2.2.1 Классификация аппаратов для очистки газов Промышленная очистка газов от взвешенных в них твердых или жидких частиц проводится для уменьшения загрязнённости воздуха, улавливания из газа ценных продуктов или удаления из него вредных примесей, отрицательно влияющих на последующую обработку газа.

Различают следующие способы очистки газов:

1) осаждение под действием сил тяжести (гравитационная очистка);

2) осаждение под действием инерционных (центробежных) сил;

3) фильтрование;

4) мокрая очистка;

5) осаждение под действием электрических сил (электрическая очистка).

Для реализации этих способов имеются различные конструкции аппаратов, схемы которых приведены на рисунках 2.10, а - 2.10, и, классификация которых приведена на рисунке 2.9.

Пылеосадительные камеры. Осаждение взвешенных в газовом потоке частиц в пылеосадительных камерах происходит под действием сил тяжести.

Простейшими конструкциями аппаратов этого типа являются отстойные газоходы, показанные на рисунке 2.10, а.

Для очистки горячих печных газов широко применяют многополочные пылеосадительные камеры, внутри которых установлены горизонтальные перегородки (полки) с расстоянием от 0,1 м до 0,4 м.

Рисунок 2.9 - Схема классификации аппаратов для очистки газов Эти камеры громоздки и малоэффективны. Их используют для предварительной грубой очистки газов от частиц размером более 100 мкм, степень очистки составляет 30-40 %.

1 - выгружатель ячейковый; 2 - сборник фракции; 3 - штуцер входа загрязнённого газа; 4 - корпус; 5 - перегородка; 6 - штуцер выхода очищенного газа Циклоны. Этот вид аппаратов относится к центробежным осадителям.

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - труба выхлопная; 4 - патрубок Рисунок 2.10, б - Циклон конструкции НИИГАЗ Частицы твёрдого материала, содержащегося в газовом потоке, осаждаются в поле центробежных сил, появляющихся вследствие того, что очищаемый газ поступает в циклон по трубопроводу, направленному по касательной к цилиндрической части аппарата.

Конструкции циклонов разнообразны. Распространены циклоны конструкции НИИГАЗа (см. рисунок 2.10, б). Циклоны выпускают диаметром от 40 до 800 мм.

Степень очистки газа зависит от величины центробежной силы, которая увеличивается с уменьшением радиуса циклона. Это обстоятельство учтено при конструировании батарейных циклонов (см. рисунок 2.10, в), более эффективных по сравнению с обычными.

Батарейный циклон состоит из параллельно установленных элементов малого диаметра (10-250 мм). Эти циклоны имеют прямоугольный корпус и состоят из одной или нескольких секций.

1 - патрубок для очищенного газа; 2,5 - решётки; 3 - корпус; 4 - элемент;

6 - днище конусное; 7 - патрубок для ввода запыленного газа Их применяют в широком диапазоне температур очищаемого газа (до 400 °С) с размерами осаждаемых частиц до 5-20 мкм. Степень очистки зависит от размера осаждаемых частиц и для указанного выше интервала изменяется от 65 % до 95 %. При этом содержание пыли в очищаемом газе составляет 0,05-0,10 кг/м3.

Фильтры. При очистке фильтрованием газы, содержащие взвешенные твёрдые частицы, проходят пористые перегородки, которые пропускают газ и задерживают на своей поверхности твёрдые частицы.

В зависимости от вида перегородки различают следующие фильтры:

1) с гибкими пористыми перегородками из природных синтетических и минеральных волокон (тканевые материалы), нетканых волокнистых, пористых листовых и других материалов;

2) с полужёсткими пористыми перегородками (слои из волокон, стружки, сеток);

3) с жесткими пористыми перегородками (пористые керамика, пластмассы, спрессованные или спеченные порошки металлов и др.);

4) с зернистыми слоями из кокса, гравия, кварцевого песка и т.д.

В первой группе наиболее распространенными стали рукавные фильтры (см. рисунок 2.10, г).

1 - входной газоход; 2 - рама; 3, 5 - клапаны дроссель; 4 - патрубок для очищенного газа; 6 - механизм встряхивающий; 7 - рукав; 8,9 - вентиляторы;

10 - камера; 11 - затвор шлюзовой; 12 - шнек; 13 - решетка распределительная Рисунок 2.10, г - Фильтр рукавный периодического действия В этих фильтрах запылённый газ нагнетается вентилятором через входной газоход в камеру, проходит через рукав и удаляется из аппарата через выхлопную трубу. Пыль осаждается в порах ткани и ее периодически удаляют путем встряхивания рукавов.

В рукавных фильтрах достигается высокая степень очистки (до 98-99 %), улавливаются частицы размером 2-10 мкм.

Высокая степень очистки газов достигается также в фильтрах с полужесткими и жесткими перегородками, которые представляют собой вертикальные аппараты с расположенными внутри фильтрующими перегородками плоской и цилиндрической формы (гильзы).

Например, гильзы металлокерамических фильтров, изготовленных из гранул и порошка или стружки металла путем прессования или спекания, проката или литья, способны задерживать твёрдые частицы размером до 0,5 мкм.

Фильтры с зернистым слоем могут быть двух разновидностей:

1) с неподвижным фильтрующим слоем;

2) с непрерывно движущимся фильтрующим слоем (см. рисунок 2.10, д).

Эти фильтры применяют для тонкой очистки газов.

1 - корпус; 2 - перегородка фильтровальная; 3 - штуцер входной;

4 - материал фильтрующий; 5 - затвор; 6 - штуцер выходной; 7 - питатели Рисунок 2.10, д - Фильтр с движущимся слоем зернистого Электрофильтры. Работа электрофильтров основана на ионизации молекул газа в электрическом поле, создаваемом двумя электродами: отрицательным (коронирующим) и положительным (осадительным).

Частицы твёрдого материала, встречаясь с отрицательно заряженными ионами или электронами, заряжаются также отрицательно и движутся к положительному электроду, на котором осаждаются. Последний, периодически встряхивают для разгрузки от осаждаемых частиц.

В зависимости от формы электродов электрофильтры могут быть трубчатыми (см. рисунок 2.10, е) и пластинчатыми (см. рисунок 2.10, ж). Трубчатые электрофильтры представляют собой камеры, в которых установлены осадительные электроды в виде круглых или шестигранных труб.

1 - входной газоход; 2 - электрод осадительный; 3 - электрод коронирующий; 4 - камера; 5 - изолятор; 6 - рама; 7 - выходной Коронирующими электродами служат отрезки проволоки, натянутые на оси труб. Сверху электроды прикреплены к раме, подвешенной на изоляторах, снизу - связаны общей рамой для предотвращения колебаний. Газ распределяется равномерно по трубам с помощью газораспределительной решетки.

В пластинчатых электрофильтрах осадительные электроды представляют собой параллельно установленные гладкие металлические листы или сетки, натянутые на рамы. Между ними располагают в виде проволоки коронирующие электроды.

Трубчатые электрофильтры обеспечивают создание более эффективного электрического поля и равномерного распределения газа по элементам, что улучшает очистку, и увеличивает производительность аппарата.

Трубчатые электрофильтры применяют для очистки трудноулавливаемой пыли, капель жидкости из туманов (не требующих встряхивания электродов) и для наиболее высокой степени очистки сухих газов.

Пластинчатые электрофильтры более просты по конструкции и облегчают встряхивание осадительных электродов. Их используют для очистки сухих газов.

1 - входной газоход; 2 - камера; 3 - электрод осадительный;

4 - электрод коронирующий; 5, 8 - рама; 6 - изолятор;

7 - выходной газоход; 9 - решетка распределительная Рисунок 2.10, ж - Электрофильтр пластинчатый В циклонных элементах (см. рисунок 2.10, з) газ поступает не тангенциально, а сверху через кольцевое пространство между корпусом 3 и выхлопной трубой 1. В кольцевом пространстве установлены две винтообразные лопасти 2, наклоненные под углом 25°. При помощи этих лопастей газовый поток получает вращательное движение, способствующее осаждению частиц на стенках корпуса.

Общими недостатками пылеосадителей являются: высокое гидравлическое сопротивление; быстрое истирание стенок частицами истираемого материала; чувствительность к колебаниям нагрузки; недостаточная очистка газа от тонкодисперсной пыли.

1 - труба выхлопная; 2 - лопасти винтовые; 3 - корпус Рисунок 2.10, з - Элемент батарейного циклона Аппараты для мокрой очистки газов. Эти аппараты применяют для тонкой очистки газов, заключающейся в промывке газов водой или другой жидкостью.

Тесное взаимодействие между жидкостью и запыленным газом осуществляется на поверхности капель (полые скрубберы, скрубберы Вентури), на поверхности стекающей по вертикали жидкой пленки (пленочные или насадочные скрубберы), или пузырьков газа (барботажные пылеуловители) (см. рисунок 2.10, и).

1 - штуцер для ввода; 2 - тарелка; 3 - камера; 4 - порог;

5 - штуцер сливной; 6 - штуцер для запыленного газа Рисунок 2.10, и - Барботажный (пенный пылеуловитель) Мокрая очистка газов наиболее эффективна тогда, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые твердые или жидкие частицы имеют незначительную ценность.

Существенным недостатком мокрой очистки газов является образование большого количества сточных вод (шламов), которые вызывают коррозию аппаратуры и должны подвергаться дальнейшему разделению или очистке.

Полые или насадочные скрубберы представляют собой вертикальные аппараты прямоугольного или круглого сечения. Запыленный газ движется в них снизу вверх со скоростью не более 0,8-1,5 м/с (для снижения брызгоуноса) и орошается водой, подаваемой форсунками или брызгалами, установленными по всей высоте аппарата. Насадкой в насадочных скрубберах являются кольца, хорды, кусковой кокс, кварц и другие материалы. Степень очистки газа составляет 60 % - 85 %.

Центробежный скруббер по своей конструкции подобен циклону.

Запыленный газ поступает через входной штуцер касательно к стенке аппарата, по которому стекает пленка жидкости. Частицы твердой взвеси отбрасывают к стенке центробежной силой и улавливают водой, которая уносит их в нижнюю конусную часть аппарата в виде шлама.

В центробежных скрубберах степень очистки газа достигает 95 % при улавливании частиц размером 5-30 мкм.

Барботажные тарельчатые (пенные) пылеуловители применяют для очистки сильно запыленных газов (например, технологических, выхлопных и дымовых), вентиляционного воздуха содового производства и т. д. В этих аппаратах жидкость, взаимодействующую с газом, приводят в состояние подвижной пены, что обеспечивает большую поверхность контакта между жидкостью и газом.

В таких аппаратах устанавливают тарелки, число которых определяет степень очистки газов. Последняя достигает 95% - 99 % при относительно низких капитальных затратах и эксплуатационных расходах.

2.3 Контрольные вопросы 1 Разделение сыпучих материалов. Классификация классификаторов.

2 Параметрический расчет плоских грохотов.

3 Энергетический расчет плоских грохотов.

4 Разделение сыпучих материалов под действием гравитационно-инерционных сил.

5 Аппараты для очистки газов. Классификация.

6 Циклоны фильтры.

7 Электроциклоны.

8 Основные принципы параметрического и прочностного расчетов оборудования для очистки газов.

3 Смесители, питатели и дозаторы 3.1 Смесители 3.1.1 Основы процесса смешения Общие положения. Смесителями называют машины или аппараты, предназначенные для осуществления процесса смешивания материалов.

Под процессом смешивания принято понимать такой механический процесс, в результате которого первоначально находящиеся раздельно компоненты после смешивания в объёме образуют однородную смесь.

Термин "перемешивание" связан с воздействием рабочего органа на перемешиваемый материал и этот процесс не обязательно должен привести смесь к однородному состоянию.

Обратным процессу смешивания является процесс сегрегации, приводящий к разделению смеси на отдельные компоненты.

В состав смесей может входить различное число компонентов.

Процесс смешения осуществляется в системах твёрдое вещество - твердое вещество (Т : Т), жидкость - жидкость (Ж : Ж), твердое вещество - жидкость (Т : Ж).

В зависимости от поставленной задачи в результате процесса смешивания может быть достигнуто: простое физическое смешение;

диспергирование (двух несмешивающихся жидкостей, твердых тел или газов в жидкостях и т. д.); изменение физического состояния компонентов (растворение, кристаллизация, плавление); управление химическими реакциями и их ускорение.

Наиболее общий характер носит простое физическое смешение, протекающее без изменения агрегатного состояния и размеров частиц компонентов.

Остальные процессы сопровождаются, как правило, тепло- или массообменными явлениями, им присущи свои особенности. Оборудование, в котором реализуются эти процессы, относятся к специальному.

В процессе простого смешения наиболее неудобными для получения однородной смеси являются сыпучие материалы. Это объясняется сложностью, как самого процесса смешивания, так и анализа свойств материалов.

3.1.2 Оценка качества смеси Для упрощения расчётов все смеси условно считают двухкомпонентными, состоящими из так называемого ключевого компонента и условного, включающего все остальные компоненты смесей.

Подобный прием позволяет оценивать однородность смеси параметрами распределения одной случайной величины - содержанием ключевого компонента в пробах смеси.

В качестве ключевого компонента обычно выбирают такой компонент, который либо легко анализировать, либо распределение его в смеси особенно важно по технологическим требованиям.

В качестве критерия оценки качества смеси используют коэффициент вариации (неоднородности), %, [24]:

где с - среднее арифметическое значений концентрации ключевого компонента во всех п пробах смеси, %;

с, - концентрация ключевого компонента в i-й пробе смеси, %.

3.1.3 Кинетика процесса смешивания Процессы смешивания в смесителях периодического действия. Анализ экспериментальных зависимостей.

где т - время смешивания, ч;

полученных при исследованиях смесителей периодического действия различных конструкций, показывает, что кинетическая кривая процесса смешивания, как видно из рисунка 3.1, имеет три характерных участка. каждый из которых соответствует определенному по времени периоду смешивания.

Рисунок 3.1 - Кинетическая кривая процесса смешивания материалов в смесителях периодического действия В периоде I преобладает процесс смешивания за счёт конвективного переноса компонентов по внутреннему объёму смесителя.

Процесс сегрегации, по сравнению с процессом смешивания, идет с небольшой скоростью. В связи с этим в периоде I Кс резко уменьшается до некоторого значения К^. К концу этого периода тк в рабочем объёме смесителя практически нет агрегатов (макрообъёмов), состоящих из частиц одного компонента.

В периоде II скорость процесса смешивания становится сопоставимой со скоростью сегрегации, поэтому значения Кс со временем изменяются незначительно (по сравнению со значениями периода I).

Сам же процесс смешивания реализуется, в основном, за счёт перемещений отдельных частиц одна относительно другой. Из-за внешней схожести с процессом диффузии молекул этот процесс смешивания называют диффузионным.

В периоде III скорость процесса смешивания становится равной скорости процесса сегрегации, поэтому Кс не меняется во времени.

Наименьшее значение коэффициента неоднородности называют предельным коэффициентом неоднородности «„,.

Время хсм (тг) достижения смесью однородности, оцениваемой значением Ксп, является оптимальным временем смешивания, так как при дальнейшем смешивании Ксп не уменьшается.

3.1.4 Классификация смесителей В химических производствах применяют большое количество смесителей для сыпучих, жидких, пастообразных материалов и различных неоднородных систем.

На рисунке 3.2 приведена схема классификации, основанная на использовании конструктивной общности смесителей, их назначения и характерных особенностей работы.

На рисунках 3.3, а - 3.3, к, показаны схемы основных видов смесителей для сыпучих материалов.

Ниже будут даны описания конструкций смесителей, нашедших наибольшее распространение.

Рисунок 3.2 - Схема классификации машин для смешивания материалов Барабанные смесители с вращающимся корпусом без перемешивающих устройств относятся к наиболее распространенным машинам для смешивания сыпучих материалов.

Различаются они формой корпуса и его расположением по отношению к оси вращения.

В промышленности используют различные виды барабанных смесителей: цилиндрический горизонтальный и наклонный; биконический вертикальный (см. рисунок 3.3, а); бицилиндрический; со сложным движением цилиндра (чаши); биконический горизонтальный; граненный горизонтальный и т. д.

Барабанные смесители относятся к тихоходным машинам. Линейная скорость барабана составляет обычно от 0,17 м/с до 1 м/с.

В зависимости от степени заполнения в барабанных смесителях с цилиндрическим корпусом можно наблюдать три режима движения сыпучей массы;

1) при малой степени заполнения (3 %) материал совершает колебательное движение, скользит по поверхности барабана как одно целое без перераспределения;

2) при заполнении барабана на 3 % -10 % материал скользит по поверхности барабана как одно целое;

3) при степени заполнения барабана на 30 % - 7 0 % материал непрерывно обрушивается и перемешивается.

Рисунок 3.3, а - Барабанный биконический смеситель для Барабанные смесители с цилиндрическим корпусом (см. рисунок 3.3, б) под углом 4° работают в третьем режиме.

Рисунок 3.3, б - Барабанный цилиндрический смеситель К преимуществам барабанных смесителей можно отнести: простоту устройства, возможность смешивания компонентов без истирания и разрушения формы зерна, перемешивание абразивных компонентов.

Их недостатки: плохое качество и длительный цикл смешивания, большие энергетические затраты на единицу продукции готовой смеси.

Лопастные смесители являются универсальными. В них можно смешивать как сухие сыпучие материалы, так и увлажненные смеси и пасты. Изготавливают их с одним или в большинстве случаев с двумя валами, на которых смонтированы смесительные элементы. Последние имеют различные конструктивные исполнения. Некоторые конструкции лопастей напоминают червяки, вследствие чего такие смесители называются червячно-лопастными.

Лопастные смесители имеют значительно меньшую металлоемкость по сравнению с барабанными при одинаковых показателях энергозатрат, времени смешивания и объёма перемешиваемого материала. Однако при смешении компонентов, частицы которых значительно отличаются друг от друга по плотности, возможно отложение на дне корыта тяжелых частиц.

С целью устранения этого явления и для большей эффективности процесса смешения применяют барабанно-лопостные (см. рисунок 3.3, в) и лопастные одновапковые смесители (см. рисунок 3.3, г). Они являются комбинацией первого и второго видов смесителей и характеризуются тем, что в процессе смешивания вращаются и барабан и лопастной вал (один или два).

Рисунок 3.3, в - Барабанно-лопастной смеситель для сыпучих Направление движения барабана, и лопастного вала может быть одинаковым и противоположным. В первом случае частоты вращения их различны.

Рассмотренные виды смесителей относятся к тихоходным. Процесс смешения материала ускоряется с увеличением частоты вращения смесительных устройств. Когда скорость их вращения достигает величин, способствующих псевдоожижению материала, смесители относятся к машинам с быстровращающимся ротором.

1 - барабан; 2 - лопасти; 3 - вал приводной; 4 - привод Рисунок 3.3, г-Лопастной одновальный смеситель для сыпучих материалов Центробежные смесители. В смесителях этого типа для смешения материалов используется энергия вращающегося перемешивающего устройства и центробежная сила, под действием которой частицы движутся и взаимно перемешиваются (см. рисунок 3.3, д).

Рисунок 3.3, д - Центробежный смеситель для сыпучих материалов Центробежные смесители являются высокоинтенсивными и эффективными смесителями, обеспечивающими в короткий период получение однородной смеси.

Пневмосмесители. Принцип действия этих смесителей основан на псевдоожижении слоя сыпучего материала воздухом или инертным газом, кинетическая энергия которых используется для последующего перемешивания (см. рисунок 3.3, з).

1 - корпус; 2 - труба эрлифта; 3 - решетка; 4 - труба для ввода воздуха в эрлифт Рисунок 3.3, з - Смеситель пневматический по принципу эрлифта для Известно, что при псевдоожижении слоя сыпучего материала газом его гомогенизация может быть достигнута за очень короткий промежуток времени. Этому способствует продольное перемешивание частиц и общая циркуляция массы в сосуде над газораспределительным устройством.

Смесители с б ы с т р о в р а щ а ю щ и м с я ротором и псевдоожижением сыпучего материала. Схемы смесителей этой группы представлены на рисунках 3.2, и - 3.3, м. Псевдоожижение сыпучего материала с помощью вращающейся лопастной мешалки зависит от скорости вращения, формы и геометрических размеров лопастей, от высоты слоя материала над лопастью и его физико-механических свойств.

В зависимости от конструкции ротора циркуляционные смесители с псевдоожижением слоя можно подразделить на лопастные, дисковые, шнековые. Эти смесители являются машинами периодического действия.

Рисунок 3.3, и - Смеситель с быстро вращающимся ротором для Рисунок 3.3, к - Смеситель пневматический с добавочной мешалкой 1 - штуцер для смешиваемых компонентов; 2 - лоток наклонный; 3 - шибер; 4 - обечайка цилиндрическая; 5 - днище конусное; 6 - наконечник ударно распылительный Рисунок 3.3, л - Гравитационный ударно-распылительный смеситель Рисунок 3.3, м - Планетарно шнековый смеситель периодического 3.2 Питатели и дозаторы 3.2.1 Общие сведения Во многих технологических процессах требуется непрерывная подача сыпучих материалов в заданных количествах: либо в виде отдельных порций (доз), либо в виде непрерывного потока. Подобную подачу осуществляют с помощью питателей и дозаторов.

Питатели - это устройства, предназначенные для равномерной и регулируемой подачи сыпучих и штучных грузов из бункеров, загрузочных лотков и магазинов накопителей к транспортирующим или перерабатывающим машинам.

Дозаторы - устройства для автоматического отмеривания (дозирования) заданной массы или объёма сыпучих материалов.

Дозаторы, выдающие взвешенные порции сыпучих материалов, называют весовыми, а по объёму - объёмными.

Для выполнения своих функций питатель должен иметь следующие элементы: транспортирующий механизм с регулируемым приводом, ограничитель потока материала, позволяющий изменять сечение потока дозируемого материала, измерительный элемент (датчик), измеряющий массу или объём дозы материала, систему регистрации и автоматического управления.

В химической промышленности, применяют следующие конструкции питателей и дозаторов (по конструкции транспортирующего органа):

- питатели - тарельчатые (дисковые), пластинчатые, ленточные, барабанные, шнековые (винтовые);

- дозаторы - объёмные, весовые.

Дозаторы также классифицируют по следующим признакам:

- принципу действия (дискретного и непрерывного действия);

- числу потоков (по числу дозируемых компонентов);

- способу регулирования производительности;

- принципу взвешивания (рычажные и электромеханические) или набора дозы определенного объёма;

- способу управления (дистанционные и с местным управлением).

3.3 Контрольные вопросы 1 Смесители.

2 Основы процесса смешения.

3 Оценка качества смеси.

4 Кинетика процесса смешивания.

5 Классификация смесителей.

6 Питатели и дозаторы.

4 Машины барабанного типа и шнековые 4.1 Машины барабанного типа 4.1.1 Области применения машин барабанного типа В подавляющем большинстве химических производств, особенно в основной химии, перерабатывают мелкодисперсные сыпучие материалы со специфическими свойствами (слеживаемость, низкая газопроницаемость, пыление), часто затрудняющими проведение химических реакций и процессов тепло- и массообмена.

При выборе оборудования для переработки таких материалов, чаще всего отдают машинам барабанного типа, таким, как вращающиеся печи, сушилки, грануляторы, охлаждающие барабаны, кристаллизаторы, химические реакторы и т. д. [17, 24, 27, 33, 39].

Широкое распространение машин барабанного типа в химической и других отраслях промышленности обусловлено следующими их преимуществами:

1) высокая единичная производительность, что делает их незаменимыми для крупнотоннажных производств;

2) простота конструкции; динамическая уравновешенность;

3) универсальность; возможность реализации периодических и непрерывных процессов; широкий диапазон обрабатываемых материалов с различными физико-химическими свойствами;

4) высокая экономичность вследствие рациональности конструкции и, во многих случаях, совмещения в одной машине нескольких технологических процессов;

5) высокая надежность конструкции (в частности, при проведении высокотемпературных процессов металлические детали защищены от перегрева);

6) возможность полной механизации и автоматизации.

Несмотря на различие размеров (от сравнительно небольших сушилок диаметром 1 м и длиной 4-6 м до гигантских вращающихся печей цементной промышленности диаметром до 7,5 м, длиной до 236 м) и технологических процессов, проводимых в барабане, все эти машины относятся к одному классу.

Общими признаками являются: однотипность конструкции; наличие процессов тепло- и (или) массообмена, в которых одним из реагентов является мелкодисперсный сыпучий материал; сходный характер движения сыпучего материала.

4.1.2 Принцип действия Принцип действия машины барабанного типа заключается в том, что ее рабочая камера (полый цилиндр, установленный на опорных станциях) совершает вращательное движение вокруг продольной оси.

Вращающиеся барабанные аппараты состоят из барабана, габаритные размеры которого определяются необходимой величиной рабочего или реакционного пространства.

Внутри барабан может иметь насадку для лучшего перемещения и пересыпания материала с целью улучшения тепло- и массопередачи.

Барабан расположен горизонтально и наклонен к горизонту под небольшим углом от 1° до 5°. Барабан вращается с помощью венцовой шестерни 3, которая связана с шестерней, сидящей на валу редуктора, как показано на рисунке 4.1.

1 - барабан; 2 - бандаж; 3 - венцовая шестерня; 4 - уплотнение; 5 - башмак;

6 - штуцер входа сушильного агента; 7 - штуцер выхода материала;

8 - опорно-упорная станция; 9 - приводная станция; 10-опорная станция;

Рисунок 4.1 - Вращающийся барабанный аппарат Для передачи давления на фундамент от масс всех вращающихся частей аппарата барабан снабжен бандажами, которые опираются на опорные ролики так называемой опорной станции.

Количество опорных станций зависит от длины барабана, расстояние между опорами не превышает 18-20 м.

Опорные ролики изготавливают обычно из более мягкого, чем бандаж, или одинакового с ним материала. Чаще всего бандаж представляет собой кольцо прямоугольного сечения, свободно надетое на установленные по окружности барабана башмаки, под которые подкпадываются усиливающие и регулирующие подкладки.

Также применяют бандажи, жестко скрепленные с барабаном.

Жесткое крепление бандажа на корпус ухудшает его взаимодействие с опорными роликами и требует большой точности при изготовлении и монтаже конструкции.

При свободной посадке бандажа на барабан необходимо предусматривать температурные зазоры, иначе в стенках барабана при разогреве возникают концентрации напряжений из-за дополнительных нагрузок.

По обоим концам барабана устанавливают камеры, необходимые для загрузки и выгрузки твердого или жидкого материала, а также для подвода и отвода газообразных агентов. Зазор между вращающимся барабаном и неподвижными камерами уплотняют лабиринтами, сальниковыми или манжетными уплотнениями.

4.1.3 Классификация машин барабанного типа Машины барабанного типа, используемые в химической промышленности, классифицируют по виду реализуемых технологических процессов, конструктивным особенностям, непрерывности или периодичности работы, способу тепло- и массопереноса и другим критериям.

В соответствии с классификацией по наличию внутренних устройств барабана и частоте его вращения можно выделить следующие группы:

1) медленно вращающиеся барабаны без внутренних устройств (вращающиеся печи химических производств; охлаждающие барабаны и т. д.);

2) быстро вращающиеся барабаны без внутренних устройств (грануляторы-аммонизаторы; грануляторы для сажи и т. д.);

3) медленно вращающиеся барабаны с внутренними устройствами (сушилки барабанные; сушилки гранулирующие и т. д.);

4) быстровращающиеся барабаны с внутренними устройствами.

Цель такой классификации сгруппировать машины различного функционального назначения, для которых идентичны методы основных конструктивных и технологических параметров.

Рабочая угловая скорость со медленно вращающихся барабанов не превышает 0,2сОф (сокР - критическая угловая скорость, рад/с).

Быстро вращающиеся барабаны работают в диапазоне рабочих угловых скоростей (0,2-0,6) сокр.

Критическую угловую скорость определяют по формуле:

где с - угол естественного откоса материала, град.;

Уз - степень заполнения барабана, %;

R - внутренний радиус барабана, м.

4.1.4 Классификация внутренних устройств барабанов Внутренние устройства барабанных машин предназначены для равномерного распределения материала, обеспечения контакта между перерабатываемыми веществами по всему сечению барабана.

Внутренние устройства должны интенсивно перемешивать материал без его измельчения.

В зависимости от физико-химических свойств обрабатываемого материала и характера их изменения по длине могут располагаться различные насадки.

Винтовые, подъёмно - лопастные и секторные насадки, показанные на рисунке 4.2, широко распространены в различных модификациях.

Эти насадки применяют при обработке материалов, обладающих значительной адгезией к материалу барабана.

а - винтовая распределительная; б-д - подъёмно-лопастные;

е-з - секторные; и-с прямыми самоочищающимися лопастями Рисунок 4.2 - Схема насадок различных типов Для переработки мелких частиц, плохо переносящих удары и слабо сопротивляющихся истиранию рекомендуют различные секторные насадки, в которых путь свободного полета частиц в ячейках весьма мал.

4.1.5 Вращающиеся печи химических производств Эти машины в основном относятся к группам 1 и 3 (см. 4.1.3).

Они предназначены для проведения химических и тепломассообменных процессов с сыпучим мелкодисперсным материалом.

В процессе обработки в печах материал может изменять свой химический состав и физико-химические свойства.

Основные факторы, определяющие производительность и скорость прохождения процесса, а следовательно, и экономичность: уровень температурного поля, поверхность контакта в гетерогенной системе, время контакта.

Второй и третий факторы определяются характером движения материала в печи, который зависит от размера барабана и режима работы.

Размеры печи и режим работы определяют при параметрическом расчете. Полученные данные следует скорректировать по ГОСТ 11875-79.

Ряды диаметров и длин барабанов, установленные стандартом, построены по принципу: каждый последующий типоразмер аппарата, в том числе и вращающейся печи, превосходит предыдущий на 20 % по рабочему объёму.

Размеры основных узлов печей диаметром D равным от 1000 до 2800 мм регламентированы отраслевыми стандартами: ОСТ 26-01корпус печей), ОСТ 26-01-445-78 (бандажи опорные и опорноупорные с башмаками) и т. д.

Продольные сварные швы не должны быть продолжением один другого; их следует смещать в соответствии с ОСТ 26-291-79 на величину трехкратной толщины листа, но не менее чем на 100 мм.

В процессе работы поперечное сечение барабана не представляет собой правильного кольца постоянного радиуса. Сплющивание барабана вызвано собственным весом и весом футеровки, давящей на нижнюю половину корпуса.

Для сохранения формы поперечного сечения барабана устанавливают кольца жесткости толщиной от 20 мм до 30 мм, шириной от 120 мм до 150 мм; внутренний диаметр кольца принимают с учетом температурной деформации корпуса; шаг установки колец от 2 доЗ м.

Футеровка барабана предохраняет металл от перегрева и абразивного изнашивания, уменьшает потери теплоты в окружающую среду.

Материал футеровки выбирают в зависимости от характера реакций, протекающих в аппарате, кислотности среды в печи и температуры.

Стойкость футеровки определяет длительность эксплуатации печей между остановками на профилактический ремонт.

4.1.6 Уплотнение машин Вращающиеся печи работают при разряжении 50-250 Па, что исключает выход газов из реакционного пространства в окружающую среду.

Назначение уплотнений - уменьшение до минимума подсоса холодного воздуха в месте входа вращающегося барабана в головки.

Самые простые уплотнения - лабиринтные радиальные и аксиальные, показаны на рисунке 4.3.

Они незначительно снижают подсос; при составлении теплового баланса печи легко учитывать количество прошедшего через них воздуха.

а - лабиринтное радиальное; б - лабиринтное аксиальное Более широко распространены радиальные секторные уплотнения, показанные на рисунке 4.4, в которых секторы 3, имеющие подвижность благодаря наличию продолговатых пазов под винтом 2, пружинами 1 прижимаются к кольцу 4 уплотнения, наваренному на конец барабана.

Рисунок 4.4 - Уплотнение секторное радиальное На каждый сектор приходятся по две пружины; секторы соединены один с другим в паз. На скользящие поверхности наносят графитовый смазочный материал. Уплотнение этого типа устанавливают преимущественно на горячем конце печи.

Для холодного конца печи используют более дешевое ленточное уплотнение, показанное на рисунке 4.5, состоящее из резиновых листов 1, стягиваемых канатом 2 на горловине барабана. Концы каната замкнуты пружиной. От сползания канат удерживают металлические канатодержатели 3.

1 - лист резиновый; 2 - канат; 3 - канатодержатель Перспективно применение аэродинамического уплотнения, показанного на рисунке 4.6, в котором удар струи воздуха, поступающего по каналам создает противодавление, а через клапан отработанный воздух засасывается в замкнутую систему подачи воздуха.

Рисунок 4.6 - Уплотнение аэродинамическое Установка печи под некоторым углом к горизонтали а' = Г - 5 ° (см.

рисунок 4.1) вызывает появление осевой составляющей GjSina' от силы тяжести барабана на опорных роликах, как показано на рисунке 4.7,а.

I спи печь не вращается (монтаж, остановки), то эта составляющая значительно меньше силы трения скольжения покоя fGjSina' между бандажом 1 и роликом 2, и корпус остается в покое.

Представим себе, что оси бандажа и ролика не параллельны, тогда после начала вращения вектора скоростей и, и и2 не совпадут (см.

рисунки 4.7,6 и 4.7,в). Результирующая скорости u 2 i, равная их геометрической разности, вызовет появление в месте контакта направленной в противоположную сторону силы Ti 2, которая при закрепленном ролике будет сдвигать бандаж.

На этом принципе основан метод предупреждения сползания печи с опорных роликов. Парные ролики одной - двух станций всегда перекашиваются в одну сторону; угол перекоса в пределах 20'-40' выбирают экспериментально. Правило выбора направления перекоса иллюстрирует рисунок 4.7, г; при фиксированном направлении I вращения барабана и необходимости смещать корпус в направлении II направление перекоса роликов соответствует стрелке III.

Перекашивание осуществляется винтовыми упорами с последующей фиксацией опорной плиты ролика на станине станции. Преимущество способа состоит в том, что упорные ролики являются контрольными и нагрузка на них носит эпизодический характер, недостаток - интенсивное и неравномерное изнашивание опорных роликов.

а - схема действия сил при неподвижном барабане; б, в - направление скоростей и сдвигающих сил после начала вращения; г - правило выбора направления перекоса опорных роликов: I - направление вращения барабана; II - направление смещения барабана; III - направление перекоса роликов; 1 - бандаж; 2 - ролик Рисунок 4.7 - Схема действия сил и скоростей на вращающиеся Более прогрессивным является способ удержания корпуса упорными роликами, соединенными с гидроцилиндром, как показано на рисунке 4.8, так как последний обеспечивает большую устойчивость барабана.

Двуопорная машина. Расчет барабана на прочность.

Масса обрабатываемого материала т, кг, находящегося в аппарате:

где 1-ф - длина футеровки, м.

Поперечная сила, действующая на барабан в месте крепления венцовой шестерни, Н:

где т ш - масса венцовой шестерни, кг;

т к р - масса элементов крепления венцовой шестерни, кг.

Суммарная масса (футеровки и вращающегося барабана):

где тк - масса корпуса барабана, кг;

т м - масса материала в барабане, кг.

Линейная нагрузка, Н:

Реакции опор от действия q и G B показанных на рисунке 4.9:

Рисунок 4.9 - Распределение нагрузок на барабан Максимальный изгибающий момент, действующий на барабан (на двух опорах):

Момент сопротивления сечения барабана:

где Dcp - средний диаметр барабана, м.

Напряжение в барабане:

где [о] = 5-10 МПа - допускаемое напряжение на изгиб для аппаратов [а] = 20 МПа - для аппаратов с футеровкой.

Для корпусов машин барабанного типа, работающих при нормальных температурах, [о] можно увеличивать до 30 МПа [25, 33].

Расчет барабана на жесткость. Суммарный максимальный прогиб от действующих нагрузок [33]:

где q, - линейная нагрузка от обрабатываемого материала, МН/м;

q2 - линейная нагрузка от масс (футеровки, насадки и барабана), МН/м;

Е - модуль упругости материала корпуса при рабочей температуре, МПа;

1Х - момент инерции единичного кольцевого участка барабана, м, рассчитывают по формуле:

Относительный прогиб:

где [в] = 1/300 - допускаемый относительный прогиб (барабан с футеровкой);

[е] = 1/200 - допускаемый относительный прогиб (барабан без футеровки).

Многопролетная машина. Многопролетная конструкция с расчетной точки зрения представляет собой статически неопределимую балку.

Из нескольких возможных методов раскрытия статистической неопределимости (метод сил, метод последовательных приближений и уравнение трех моментов) для машин барабанного типа чаще применяют уравнение трех моментов [7, 15, 24].