Совершенствование процесса разделения тонкодисперсных порошков в классификаторе центробежного типа

В связи с изменением объема и номенклатуры производства в последнее время огромные требования предъявляются к дисперсности готового продукта. Например, в производстве пластмасс и в кабельной промышленности высококачественные наполнители должны состоять на 90% из частиц размером менее 10 мкм, а остальные 10% не крупнее 40 мкм, [1,2]. При создании композиционных материалов для защиты от радиации, частицы смеси компонентов органосиликата свинца и полистирола не должны превышать 5 мкм [3]. Известно, что основными агрегатами для получения тонкодисперсных порошков являются шаровые, вибрационные мельницы, дезинтеграторы, мельницы струйной энергии [4,5,6,7]. Однако дальнейшему развитию производства тонкодисперсных порошков с равномерным гранулометрическим составом мешает отсутствие высокоэффективных классификаторов отечественного производства. Применение этих аппаратов позволило бы не только значительно повысить производительность помольных систем замкнутого цикла, но и в широком диапазоне регулировать тонкость получаемого продукта и его равномерность без изменения режима работы мельницы. В условиях финансового кризиса предприятиям цементной промышленности с небольшими производственными мощностями до 500 000 тонн в год не доступно приобретение дорогих зарубежных классификаторов по причине большого срока их окупаемости. В свою очередь, эффективность работы самого классификатора оказывает существенное влияние, как на экономичность размалывающего устройства, так и качества готового порошка.

Эффективность большинства технологических процессов, использующих материал в порошкообразном состоянии, увеличивается с ростом величины его дисперсности.

С изменением характеристического размера порошка поведение его частиц обнаруживает качественно новые стороны. Чрезвычайно развитая удельная поверхность особо тонких порошков приводит к появлению различных форм ее активности, в частности, к образованию агломератов частиц, которые появляются благодаря поверхностным силам и силам аутогезии [1,8−13]. Это приводит к снижению производительности мельничной установки и ухудшению работы классифицирующего оборудования, т.к. происходит залипание частичек на внутренней поверхности корпуса классификатора [2]. В тоже время большое содержание крупных частиц в готовом продукте, например, в химической промышленности при производстве фосфорных удобрений — ухудшает условия грануляции, в цементной промышленности — снижает марку цемента, в теплоэнергетике, использующей твердое топливо — снижает к.п.д. парогенератора и т. д. [14−17]. Таким образом, задачами классификаторов являются, во-первых, -максимально полное извлечение мелких, пригодных для использования частиц в готовый продукт, во-вторых, — возврат на домол крупных частиц, засоряющих готовый (тонкий) продукт.

Несмотря на давнее и широкое применение классификаторов пыли, в частности центробежных классификаторов воздушно-проходного и циркуляционного типа, рабочий процесс в них изучен недостаточно. Не выявлено влияние определяющих режимных и конструктивных параметров на характеристики разделения. Нет теоретически обоснованной методики расчета. В тоже время опыт работы показывает, что имеются существенные резервы повышения эффективности классификации. Перечисленное, позволяет сделать вывод об актуальности данной проблемы и определяет цель настоящей работы: усовершенствование процесса сепарации, разработка технических средств и методов их расчета для повышения эффективности разделения высокодисперсных порошков в классификаторах центробежного типа.

Выбор указанной конструкции для исследования обусловлен точностью разделения и остатком на сите № 0063 от 15 до 0%, а также возможностью выдавать более тонкие продукты [2,3,17,18] и использование этих классификаторов для работы в комплексе с помольными агрегатами [2,3,5−8,69]. Наряду с достоинствами этого классификатора, авторы [17,18] отмечают и ряд недостатков — повышенное энергопотребление (большое аэродинамическое сопротивление) и низкая эффективность классификации. Разработанные методы исследования и полученные результаты в полной мере относятся и к другим классам и конструкциям воздушных классификаторов.

Поскольку явления в газодисперсной среде значительно сложнее, чем в однофазной жидкости, при исследовании процесса сепарации пыли эксперимент должен играть особенно важную роль.

В ряде практически важных случаев возможно создание математической модели процесса (системы дифференциальных уравнений), которая, отличаясь, в силу принятых допущений, от реального процесса позволяет получить как некоторые интегральные эффекты, так и изучить детали исследуемого процесса движения частиц в широком диапазоне изменения определяющих параметров. Численные методы при использовании современной вычислительной техники дают возможность существенно снизить число принимаемых упрощений и повысить достоверность получаемых результатов. Надежность полученной модели к степени адекватности ее реальному процессу позволяет дополнить математическое описание и применять его для расчета оптимизации аппаратов.

Исходя из изложенного, в работе для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать новую конструкцию классификатора центробежного типа с тангенциальным вводом рабочего энергоносителя его равномерной подачей в зону сепарации и рациональной подачей исходного материала на разбрасывающий диск.

2. Аналитически исследовать кинематику движения частиц материала в классификаторе.

3. Установить рациональные режимы работы классификатора с целью снижения аэродинамического сопротивления, увеличения эффективности классификации.

4. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости производительности классификатора от входных конструктивно-технологических факторов, и провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанной методики расчета и теоретических моделей.

5. Разработать методику расчета конструктивно — технологических параметров классификатора центробежного типа с тангенциальным вводом рабочего энергоносителя и рациональной подачей исходного материала на разбрасывающий диск.

6. Апробировать конструкцию классификатора центробежного типа для классификации тонкодисперсных порошков.

Научная новизна работы представлена уравнениями движения частиц классифицируемого материала в поле центробежных и кориолисовых сил с учетом места подачи исходного материала на разбрасывающий дисксистемой уравнений для определения относительной траектории частиц, скользящих без сопротивления по вращающемуся в горизонтальной плоскости диска, а также системой уравнений, описывающей перемещение частиц в зоне сепарации цилиндрической формы с учетом силы аэродинамического сопротивления и силы тяжестисоотношением для расчета граничного размера в зависимости от радиуса равновесной траектории и высоты зоны сепарациирезультатами экспериментальных исследований в виде соотношения для определения коэффициентов местных сопротивлений (К.М.С.) классификатора и его конструктивных элементов, а также конструктивных и технологических параметров.

Практическая ценность работы заключается в методике расчета и соответствующего программного обеспечения определения основных технологических и конструктивных параметров процесса сепарации и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов работы классификаторов центробежного типа для получения тонкодисперсных порошков с равномерным гранулометрическим составом, обеспечивающих эффективность разделения за счет тангенциального ввода рабочего воздуха в зону сепарации с одинаковой скоростью и местом подачи исходного материала на разбрасывающий диск.

По результатам работы разработана новая конструкция классификатора центробежного типа для получения тонкодисперсных порошков с равномерным гранулометрическим составом, внедрение, которого обеспечивает повышение эффективности разделения на 10%.

Реализация работы. Диссертационная работа проводилась в БГТУ им. В. Г. Шухова в рамках выполнения г/б НИР: «Разработка научных основ получения мелкодисперсных порошков в аппаратах с повышенной энергонапряженностью" — ГРАНТ — 2004 «Научные основы и создания динамического сепаратора для получения порошков с равномерным гранулометрическим составом». Основные результаты исследований докладывались на научно — технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В. Г. Шухова: межвузовский сборник статей «Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов» в 2004 г.- межвузовский сборник статей «Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов» 2005 г.- международная научно-практическая конференция «Современные технологии в промышленности строительных материалов и строй индустрии» 2005 г.- V межрегиональная научно-техническая конференция с международным участием «Механики XXI — веку» Братск 2006 г,.

Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: Сборник докладов Международной научно-практической конференции" - Белгород: БГТУ им. Шухова, 2007 г. Часть7, «Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов» Межвузовский сборник статей, Белгород 2011, выпуск № 10.

Публикации. По результатам работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, утвержденных ВАК РФ, подана заявка на патент РФ на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 195 страниц, в том числе 135 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 102 наименований и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа современного состояния техники и технологии воздушной классификации тонкодисперсных порошков установлено, что одним из прогрессивных способов получения порошков с равномерным гранулометрическим составом является способ воздействия на частицу разнонаправленными силами.

2. Установлены закономерности движения частиц на вращающемся диске центробежного классификатора от центробежной и кориолисовой силы, силы сопротивления и ускорения относительного движения. Определено место подачи исходного материала на разбрасывающий диск.

3. Получены соотношения скорости схода частиц с диска, и показано движение частиц различного диаметра в зоне сепарации цилиндрической формы в зависимости от силы тяжести, аэродинамической силы, неоднородности физико-механических параметров частиц, пульсации скорости вращения диска, расхода порошка, а также перемещение падающих частиц различной крупности в зависимости от расхода воздуха. Получено соотношение граничного размера порошка в зависимости от радиуса равновесной траектории и высоты зоны сепарации.

6. Экспериментально установлены оптимальные конструктивно-технологические параметры классификатора:

— снижение коэффициента местного (К.М.С.) сопротивления классификатора происходит при условии СЬ/СЬ^ и СЬ/СЬ^, когда классификация порошков будет затруднена. Для проведения опытов с материалов остается единственное условие при СЬ/СЬ=1.

— Рациональный режим работы классификатора при удовлетворении требованиям ГОСТ 10 178–85 (Ыоо8 не более 18,0%) для сырьевой смеси составляет при п=59 мин" 1, 0= 55 900м3/ч, г=0,3 м, а=15 град, С=22,5 т/ч, Коо8= 15,3%.

7. Разработана инженерная методика расчета классификатора, а также процесса классификации.

8. Осуществлено внедрение результатов научных исследований на ОАО «Верхнебаканский цементный завод» для классификации сырьевой смеси карбонатной породы производства цемента по сухому способу. Полученный порошок смеси соответствует ГОСТ 10 178–85. Применение данного классификатора позволило повысить эффективность разделения на 10% и снизить удельный расход электроэнергии на 9%. Расчетный экономический эффект от внедрения составил 649 600 рублей в год.

5.5 Заключение.

Модернизация оборудования позволила сократить расход электроэнергии с 16 кВт-ч до 14,6 кВт-ч, что привело к экономии электроэнергии на сумму 838,6 тыс. рублей. Прибыль увеличилась на 649,6 тыс. рублей., индекс доходности составил 1,31 > 1, срок окупаемости капитальных вложений составил 1,8 < 3 лет.

Таким образом, данная модернизация эффективна, что подтверждается техническим и экономическим расчетом.