Совершенствование процесса и оборудования каскадной пневмоклассификации дисперсных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование процесса и оборудования каскадной пневмоклассификации дисперсных материалов

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Титаренко Василий Викторович

Тамбов 2009

Работа выполнена на кафедре "Технология неорганических веществ"

Южно-Российского государственного технического университета

(Новочеркасского политехнического института)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кирсанов Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Каталымов Анатолий Васильевич

доктор технических наук, профессор

Долгунин Виктор Николаевич

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет ", г. Иваново

Защита состоится " " _______ 2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г.Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью) просим направлять по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.260.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " " _____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доцент В.М.Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Воздушная классификация полидисперсных материалов служит важнейшим средством повышения эффективности многочисленных технологических процессов в различных отраслях промышленности. Эффективность разделения в значительной мере определяет расходные нормы сырья, выход и качество получаемой продукции, а также, в конечном итоге, сказывается на технико-экономических показателях всего производства. Наиболее перспективным способом проведения данного процесса является каскадная пневмоклассификация, осуществляемая в вертикальном аппарате с каскадом контактных элементов разнообразных конструкций. Наличие контактных элементов обеспечивает наибольшую поверхность контакта фаз, способствует равномерному распределению материала по объему аппарата, препятствует развитию крупномасштабной турбулентности и повышает эффективность процесса при малых энергозатратах. Кроме этого, конструкция контактных элементов должна исключить выявленный ранее в каскадных пневмоклассификаторах негативный эффект "противодюнного" течения циклически возникающего пристенного потока газовзвеси с повышенной концентрацией твердой фазы.

Это указывает на то, что разработка, исследование и внедрение новых конструкций контактных элементов каскадных пневмоклассифицирующих установок является актуальной задачей, решение которой направлено на создание энергосберегающего и высокоэффективного оборудования для различных технологических условий.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом НИР кафедры "Технология неорганических веществ" Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) и едиными заказ-нарядами по темам 281.97 "Разработка универсальной малогабаритной зерноочистительной машины для фермерских и семеноводческих хозяйств" (1997-2000 гг.); 2.00, 1.05 "Разработка теоретических основ высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, синтеза энергоемких химических веществ и способов преобразования энергии" по научному направлению "Прогнозирование и разработка новых химических соединений, технологий и источников энергии"(2000-2004 гг.; 2005-2009 гг.).

Целью работы является совершенствование процесса и оборудования каскадной пневмоклассификации за счет использования четырехпоточных контактных элементов.

Основными задачами для достижения указанной цели, решение которой направлено на выявление новых закономерностей протекания процесса фракционирования сыпучих материалов и разработку высокоэффективного пневмоклассификатора с перспективными техническими решениями, являются:

- исследование процесса в лабораторной модели пневмоклассификатора с четырехпоточными контактными элементами и узлом доочистки крупного продукта с целью установления гидродинамических особенностей функционирования аппарата и влияния новых технических решений на протекание процесса разделения полидисперсных материалов;

- экспериментальная оценка влияния конструкции контактных элементов на механизм их работы, структуру восходящего потока газа и характер распределения твердых частиц в сепарационной камере пневмоклассификатора;

- проведение сравнительного анализа предлагаемых технических решений с целью оценки влияния количества секций контактных элементов и узла доочистки крупного продукта на протекание изучаемого процесса;

- определение основных технологических параметров предлагаемого каскадного пневмоклассификатора: концентрации частиц в уносе и провале, их фракционного состава, скорости газа, гидравлического сопротивления и эффективности процесса разделения;

- разработка методики расчета основных режимных и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов с четырехпоточными контактными элементами и узлом доочистки крупного продукта;

- промышленная апробация разработанных пневмоклассификаторов.

Научная новизна. Установлены и объяснены особенности механизма процесса разделения сыпучих полидисперсных материалов в пневмоклассификаторе с каскадом четырехпоточных контактных элементов, заключающиеся в образовании большого числа мелкомасштабных разнонаправленных вихрей над элементом, а так же в поочередной разгрузке односкатных и двускатных полок.

Выявлена структура распределения однофазного потока, характеризующаяся образованием большого количества вихрей непосредственно над всей поверхностью элемента, а также стабилизацией скорости воздушного потока в надполочном пространстве аппарата.

Показано, что структура распределения двухфазного потока обеспечивает равномерное распределение материала по объему сепарационной камеры пневмоклассификатора.

Разработана математическая модель распределения твердых частиц по высоте пневмоклассификатора при работе его в стационарном режиме.

Выявлено влияние технологических параметров процесса и конструкции четырехпоточных контактных элементов на количественные и качественные показатели пневмоклассификации сыпучих материалов.

Получено уравнение для определения гидравлического сопротивления каскадного пневмоклассификатора с четырехпоточными контактными элементами.

Проведены экспериментальные исследования нового технического решения в виде узла дополнительной очистки тяжелой фракции в объеме одного аппарата, повышающего эффективность процесса разделения.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Созданы новые технические решения по конструктивному оформлению каскадных пневмоклассификаторов, приоритет которых подтвержден патентом РФ № 2169626 и свидетельствами РФ на полезные модели №№ 18958, 22625.

Предложен метод расчета скорости газа, позволяющий уменьшить диапазон возможного изменения ее значения с учетом технологических требований конкретного производства.

Разработана инженерная методика расчета технологических и конструктивных параметров пневмоклассификатора с каскадом четырехпоточных контактных элементов.

Результаты работы использованы при создании и внедрении пневмоклассификаторов с четырехпоточными контактными элементами и узлом доочистки крупного продукта в линию по производству напорных и безнапорных фильтров очистки воды, а также малогабаритных установок для сортировки семян различных сельскохозяйственных культур. В результате промышленной эксплуатации аппарата с узлом доочистки снизилось гидравлическое сопротивление данных фильтров за счет удаления тонкодисперсных фракций из насыпного материала, а также увеличился срок службы фильтрующих элементов.

Автор защищает. Результаты исследований механизма работы четырехпоточных контактных элементов, структуры одно- и двухфазного потоков в каскадном пневмоклассификаторе.

Математическую модель распределения твердых частиц по высоте сепарационной камеры пневмоклассификатора при работе его в стационарном режиме.

Метод расчета скорости воздушного потока с учетом технологических требований конкретного производства.

Инженерную методику расчета технологических и конструктивных параметров разработанных пневмоклассификаторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно - технической конференции студентов и аспирантов НГТУ (Новочеркасск, 1997 г.), на конференции "Научно - техническое творчество молодых - возрождению университета" (Новочеркасск, 1999 г.), на юбилейной международной научно - практической конференции "Пищевые продукты ХХI века" (Москва, 2001 г.), на научно - технической конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ (Новочеркасск, 2001 г.), на международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" (Воронеж, 2006 г., Псков, 2009 г.).

Разработки по теме диссертации экспонировались в 1997 и 2002 гг. на юбилейных выставках научных разработок НГТУ и ЮРГТУ (НПИ) и были отмечены дипломами I степени.

По результатам научных исследований опубликовано 11 работ, из которых 4 в рецензируемом журнале из перечня ВАК, 1 патент РФ и 2 свидетельства РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 146 страницах, включая 55 рисунков и 5 таблиц. Список литературы насчитывает 161 наименование работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, показана научная новизна и практическая ценность работы, представлены положения, выносимые на защиту, приведены данные апробации диссертации.

В первой главе на основании анализа литературных данных рассмотрены основные закономерности процессов взвешивания, переноса и разделения сыпучих материалов в аппаратах с восходящим потоком воздуха. Отмечается целесообразность описания процессов фракционирования в гравитационных каскадных пневмоклассификаторах стохастическими математическими моделями, так как разделение зернистых материалов в воздушном потоке определяется действием как детерминированных, так и случайных факторов.

Выполнен обзор существующих конструкций пневмоклассификаторов, из которого следует, что для разделения дисперсных материалов широкого фракционного состава наиболее перспективны аппараты, реализующие каскадный принцип фракционирования. Подчеркнуто, что основным направлением их дальнейшего развития является разработка новых конструкций контактных элементов, позволяющих секционировать рабочий объем аппарата как в продольном, так и в поперечном направлениях. Кроме этого, несомненный интерес в плане повышения эффективности процесса представляют технические решения, направленные на проведение дополнительной очистки одного из продуктов в объеме сепарационной камеры.

Сформулированы теоретические предпосылки работы, в которых обобщаются данные экспериментов о влиянии конструкции контактных элементов на результаты процесса разделения сыпучих материалов, анализируются известные критерии эффективности процесса разделения и методики расчета каскадных пневмоклассификаторов.

На основании выполненного анализа литературных источников сформулированы основные задачи настоящей работы.

Во второй главе приведены результаты экспериментов и аналитические исследования.

Для изучения процесса пневмоклассификации с целью выявления его основных закономерностей и механизма работы контактных элементов применялась универсальная установка, представляющая собой вертикальную шахту прямоугольного сечения с размерами сторон 50х100 мм и высотой 1000 мм со съемными боковыми стенками. Внутри шахты устанавливались исследуемые контактные элементы, в основном, четырехпоточного типа, состоящие из верхнего и нижнего наборов перфорированных двускатных и односкатных полок. Верхний набор содержал двускатную полку 1 и четыре односкатные 2, а нижний - две двускатные полки 1 и две односкатные 2 (рис.1). В качестве сравнительных образцов использовались плоские, двух- и трехпоточные контактные элементы.

Модельными материалами служили кварцевый песок, подсыпочный материал камер обжиговых печей электродных заводов, нефтяной кокс. В зависимости от цели эксперимента использовались их узкие монофракции, искусственные бинарные и реальные полидисперсные смеси.

При проведении экспериментов применялись метод внешней фильтрации, метод измерения скорости газа трубкой Пито-Прандтля, метод отсечек, метод видеосъемки и компьютерной покадровой обработки отснятого материала, ситовый анализ. Оценку анормальности результатов наблюдений и определение необходимого числа измерений производили согласно ГОСТ 11.002-73 "Правила оценки анормальности результатов наблюдений".

В качестве величин, определяющих технологические условия проведения исследований, использовались осредненные параметры процесса. Количество подаваемого в аппарат материала выражали через его удельный расход G, кг/(м²·с). Несущую способность газового потока характеризовали его осредненной скоростью движения V_г, м/с. Способность дисперсного материала переходить во взвешенное состояние оценивалась по скорости витания частиц отдельных монофракций V_в, м/с.

За величину уноса Y, кг/м³, принята осредненная расходная концентрация частиц в потоке на выходе из аппарата, равная частному от деления массы унесенного материала на расход воздуха за определенный промежуток времени.

За величину провала G_пр, кг/(м²·с), принималась удельная нагрузка выпавшей из потока массы частиц, равная частному от деления массы материала, отобранного из нижней части аппарата, на площадь его поперечного сечения и время опыта.

Оценка эффективности процесса пневмоклассификации производилась с помощью наиболее используемых показателей: критерием Ханкока - Луйкена Е, %, и кривыми фракционного разделения Ф_р(х). В последнем случае для получения экспресс-оценки качества разделения полидисперсной смеси при изменении технологических параметров проводился сравнительный анализ крутизны построенных кривых, а для определения количественной характеристики рассчитывался критерий Эдера-Майера.

Рис.1. Схема расположения четырехпоточного контактного элемента в пневмоклассификаторе: 1 - двускатная полка, 2 - односкатная полка

Для выявления особенностей механизма взвешивания и переноса частиц в аппарате с исследуемыми контактными элементами была проведена видеосъемка процесса, анализ видеограмм которого выявил сравнительно сложный характер течения двухфазного потока (рис.2). Последнее объясняется наличием только в верхнем и нижнем горизонтальных сечениях первого элемента девяти разгрузочных щелей: трех центральных и шести боковых. При этом по высоте аппарата эти щели смещены в поперечном сечении относительно друг друга на треть ширины шахты. Аналогично смещены и чередуются составные части контактных элементов, т.е. под односкатными полками верхнего набора расположена двускатная полка нижнего, а под последней - односкатные полки второго элемента и т.д. Такое чередование односкатных и двускатных полок в каждом из трех рассматриваемых вертикальных сечениях сепарационного канала позволяет постоянно отводить частицы от стенок шахты в центральные разгрузочные щели и затем - от центра к боковым щелям, где материал интенсивно взаимодействует со встречным потоком воздуха.

а	б	в	г

Рис.2. Кадры видеограммы процесса в аппарате с четырехпоточными контактными элементами: материал - бинарная смесь фракций мм, мм кварцевого песка; удельный расход смеси - 12 кг/(м²·с); скорость газа - 3,0 м/с; частота видеосъемки - 25 кадр/с; интервал времени между кадрами - 0,08 с; - движение материала; - движение основного потока воздуха

Кроме этого, количество мелкомасштабных вихрей возрастает до шести (по два в каждом вертикальном сечении), что способствует более равномерному рассредоточению твердой фазы по поперечному сечению аппарата. Причем наличие большего количества центральных и боковых щелей в поперечном сечении исследуемого аппарата по сравнению с пневмоклассификатором с трехпоточными контактами элементами позволяет не только интенсифицировать взаимодействие твердой фазы с воздушным потоком, но и исключить появление агломератов частиц в полочном пространстве. Поочередная разгрузка односкатных (рис.2 а, б) и двускатных полок (рис.2 в, г) способствует также возникновению зигзагообразного движения частиц, причем как в вертикальном, так и в поперечном сечении. Установлено, что выявленная структура двухфазного потока полностью исключает такое негативное явление, наблюдаемое в полочных аппаратах, как "противодюнное" течение циклически возникающего пристенного потока газовзвеси с повышенной концентрацией твердой фазы. Следовательно, предлагаемая четырехпоточная схема - это не результат простого наращивания некоторого количественного признака контактных элементов (количество секций), а детерминированный качественно новый уровень в организации процесса фракционирования сыпучих материалов в сепарационной камере прямоугольного сечения.

Анализ эпюр распределения скорости газа в исследуемом аппарате свидетельствует о наличии вихреобразной структуры потока непосредственно над всей поверхностью четырехпоточного контактного элемента. Конструкция данного элемента вызывают появление мелкомасштабных вихрей как в пристенной области аппарата, так и в его центральной части. При этом количество образующихся завихрений значительно больше, чем в аппарате с двухпоточными или трехпоточными контактными элементами. Наличие большого числа центральных и боковых разгрузочных щелей позволяет достигнуть стабилизации воздушного потока в средней и верхней частях аппарата. Кроме этого, следует отметить положительное влияние перфорации четырехпоточного элемента на выравнивание эпюры распределения скорости потока в надполочном пространстве. На наш взгляд, секционирование поперечного сечения аппарата на три части является основной причиной образования большого количества разнонаправленных мелкомасштабных вихрей, взаимодействие между которыми определяет сложный характер полученных эпюр.

При изучении особенности распределения дисперсной среды в аппарате с отсечками установлено, что процесс разделения осуществляется ниже места ввода исходного материала в пределах установки каскада четырехпоточных контактных элементов. При этом выявлена целесообразность подачи исходного материала на середину первого элемента, т.е. на двускатную полку, и в центральные разгрузочные щели. Применение данной конструкции контактного элемента позволяет более равномерно распределить мелкую фракцию в месте их размещения по сравнению с плоскими, двух- и трехпоточными элементами. Следует отметить, что при установке четырехпоточных контактных элементов в верхней части сепарационной камеры аппарата наблюдается наименьшая концентрация крупной фракции, поэтому исследуемые контактные элементы предпочтительнее для качественной очистки мелкого продукта.

Исходя из проведенных исследований, характер работы пневмоклассификатора с четырехпоточными контактными элементами можно представить следующим образом. Исходный материал непрерывно подаётся питателем в рабочую зону "В", где движется по контактным элементам, распадаясь на несколько потоков (рис.3). При этом частицы материала совершают зигзагообразное движение, что способствует интенсивному перемешиванию материала с воздушным потоком, т.е. более равномерному распределению твердых частиц по сечению аппарата, а, следовательно, и увеличению поверхности контакта фаз. Навстречу материалу движется воздух, который проходит через разгрузочные щели и перфорацию полок, пронизывая нисходящий слой сыпучего материала в нескольких направлениях, равномерно распределяя частицы по объёму сепарационной камеры. В процессе разделения мелкие и легкие фракции транспортируются в зону "С", а крупные и тяжелые - в зону "А".

Рис. 3. Схема распределения твердых частиц в пневмоклассификаторе

Анализ опытных данных позволяет предположить, что концентрация частиц в полочном пространстве аппарата до момента достижения стационарных условий стремится к постоянной величине и, следовательно, справедливо выражение

µ = µ₀(1 - е - ^{б G ф} ), (1)

где µ - концентрация твердых частиц в аппарате; µ₀ - концентрация твердых частиц в полочном пространстве аппарата; б - опытная постоянная, зависящая от соотношения скоростей витания частиц и воздушного потока; ф - время.

Уравнение материального баланса при рассмотрении процесса распределения твердых частиц с момента подачи материала в аппарат имеет вид

Q=Q₁+Q₂ +Q₃, (2)

где Q=G·ф - количество материала, подаваемого в аппарат за время ф;

Q₁, Q₂, Q₃ - соответственно количество материала, находящегося в аппарате, уносе и провале.

Количество материала, находящегося в аппарате, можно определить путем вычисления площади, ограниченной кривой, выражающей распределение частиц по высоте H аппарата:

где F - площадь поперечного сечения аппарата; Н^* - высота рассматриваемого уровня над полочным пространством аппарата; Н₀ - высота уровня с максимальной концентрацией частиц; Н₁ - высота уровня до полочного пространства; µ₁ - концентрация твердых частиц в нижней части аппарата.

Количество уносимого из аппарата материала определяется из выражения

где V - скорость движения твердых частиц; - концентрация частиц на уровне H^*, которую можно найти по следующему уравнению:

Тогда

Количество материала в провале определяется из выражения

Q₃=с·G·ф,

где с - опытная постоянная.

Из (2) следует, что Q-Q₃=Q₁+Q₂ или

.

Продифференцировав по ф левую и правую части последнего равенства, получим

При >0 и больших значениях ф выражение (1 - е - ^{б G ф} ) ?1. Следовательно,

. (3)

Полученное уравнение описывает распределение твердых частиц в аппарате с четырехпоточными контактными элементами при стационарном режиме его работы. Влияние многочисленных факторов на рассматриваемый процесс учитывается величиной опытных постоянных k, с, б, которые, в свою очередь, являются функциями осредненных технологических параметров.

В третьей главе анализируются экспериментальные данные о влиянии основных технологических и конструктивных параметров на количественные и качественные показатели процесса разделения сыпучих материалов.

Экспериментально установлен характер влияния удельной производительности по исходному материалу на величины уноса и провала в аппарате с четырехпоточными контактными элементами. Установлено подобие соответствующих зависимостей с выявленными ранее при исследовании пневмоклассификаторов с другими видами контактных элементов. Получены уравнения для расчета концентрации частиц определенной крупности в уносе и величины провала

каскадный пневмоклассифицирующий энергосберегающий оборудование

при ; (4)

при , (5)

где - расход материала, при котором унос достигает своего постоянного значения; V_в/V_г - параметр, характеризующий дисперсность частиц материала и взвешивающую способность несущего потока.

Уравнения (4) и (5) справедливы в диапазоне исследованных значений расхода твердой фазы, скорости газа и витания частиц: G=0-32 кг/(м²•с), V_г=1,2-4,6 м/с и V_в=0,9-5,3 м/с.

Установлено, что при разделении бинарных и полидисперсных смесей максимальная величина эффективности процесса в исследуемом аппарате достигается в более широком диапазоне изменения удельного расхода материала и скорости газа, чем в аппаратах с ранее исследованными контактными элементами. Из рис.4 видно, что для пневмоклассификатора с четырехпоточными контактными элементами максимальное значение эффективности процесса разделения бинарной смеси кварцевого песка достигается при изменении расхода материала от 6 до 12 кг/(м²•с), а скорости воздушного потока - от 2,5 до 3,2 м/с.

Рис.4. Влияние расхода материала и скорости воздушного потока на эффективность разделения бинарной смеси

Как следует из рис.5, граница разделения при максимальной эффективности процесса для исследуемого аппарата находится в относительно широком диапазоне от 0,35 до 0,47 мм, тогда как для пневомоклассификаторов с двух- и трехпоточными элементами граница разделения составляет 0,31 мм, с плоскими - 0,4 мм.



Рис.5. Зависимость критерия Эдера-Майера от граничного размера частиц

1, 2, 3, 4 - соотвественно аппараты с плоскими полками, двух-, трех- и четырехпоточ-ными контактными элементами

Обобщение экспериментальных данных о влиянии конструкции контактных элементов на процесс разделения позволило установить, что для обеспечения высокой эффективности процесса разделения количество четырехпоточных контактных элементов должно быть не менее 2-3 штук, а их "живое" сечение - 15 %. Питательный контактный элемент целесообразно размещать в сепарационной камере пневмоклассификатора следующим образом: струя исходного материала должна попадать на вершину двускатного элемента верхнего набора, а пересечение мнимого продолжения его односкатных полок располагается на вершинах двускатных полок нижнего набора.

Анализ результатов исследований процесса разделения в каскадном пневмоклассификаторе с узлом доочистки крупного продукта позволил сделать вывод о целесообразности применения данного усовершенствования, которое защищено свидетельством РФ на полезную модель № 22625. Данный узел состоит из наклонной сетки, расположенной в нижней части сепарационной камеры и занимающей все ее поперечное сечение, и патрубка для вывода крупного продукта из аппарата. При разделении бинарных смесей кварцевого песка широкого фракционного состава в пневмоклассификаторе с четырехпоточными контактными элементами и узлом доочистки эффективность процесса по сравнению с аппаратом без узла доочистки увеличилась в среднем на 5-8 % (рис.6).

Рис.6. Зависимость критерия Ханкока-Луйкена от расхода бинарной смеси в аппарате с узлом доочистки (1,2) и без него (3,4)

Разработан метод расчета скорости воздушного потока при пневмоклассификации полидисперсного материала, необходимость которого вызвана широким диапазоном возможного изменения ее величины. Для этого предлагается предварительно выделить в исходном материале по обе стороны границы разделения крупную и мелкую монофракции, и по уравнениям (6) и (7) рассчитать предельные значения скорости газа. Затем, приняв в полученном диапазоне определенную ее величину, необходимо по уравнениям (4) рассчитать концентрацию частиц отдельных монофракций в уносе и, в случае несоответствия полученных значений с технологическим регламентом производства, следует откорректировать принятую ранее рабочую скорость газа.

при ; (6)

, (7)

где V₁ - скорость газа, при которой наступает прекращение провала и происходит полный вынос материала; V₂ - скорость газа, при которой концентрация крупных частиц в уносе превышает концентрацию мелких частиц.

Получено уравнение для расчета гидравлического сопротивления пневмоклассификатора с исследуемыми контактными элементами

z, Па, (8)

где ц и z - соответственно доля "живого" сечения контактных элементов и их количество; с - плотность воздуха кг/м³; в - массовая концентрация частиц в потоке, кг/кг.

Показано, что аппарат с четырехпоточными контактными элементами оказывает меньшее сопротивление восходящему потоку газа по сравнению с пневмоклассификаторами с трехпоточными контактными элементами на 7 %, с плоскими полками на 11 %, с двухпоточными контактными элементами на 24 %.

В четвертой главе изложена предлагаемая инженерная методика расчета основных технологических и конструктивных параметров аппаратов с четырехпоточными контактными элементами. Приведены результаты работы пневмоклассификатора с четырехпоточными контактными элементами и узлом доочистки крупного продукта, внедренного в линию по производству напорных и безнапорных фильтров очистки воды, а также малогабаритных установок для сортировки семян различных сельскохозяйственных культур.

В приложениях приведены видеограммы процесса разделения в аппарате с четырехпоточными контактными элементами; представлены акты внедрения разработанных пневмоклассификаторов в промышленность и сельское хозяйство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые проведены комплексные исследования механизма работы четырехпоточных контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов. Методом видеосъемки и компьютерного покадрового просмотра выявлена физическая картина процесса разделения сыпучих материалов. Показаны особенности гидродинамической обстановки, структуры одно- и двухфазного потоков. Установлено, что, наличие большого количества мелкомасштабных вихреобразований и зигзагообразное движение газовзвеси как в вертикальном, так и в поперечном сечениях, способствует более равномерному рассредоточению обрабатываемого материала по объему сепарационной камеры пневмоклассификатора. Выявленная структура двухфазного потока полностью исключает такое негативное явление, наблюдаемое в полочных аппаратах, как "противодюнное" течение циклически возникающего пристенного потока газовзвеси с повышенной концентрацией твердой фазы. Разработана математическая модель распределения частиц твердой фазы в сепарационной камере пневмоклассификатора при работе его в стационарном режиме.

2. Экспериментально установлено влияние технологических и конструктивных параметров на количественные и качественные показатели процесса взвешивания, переноса и разделения частиц в условиях каскадной пневмоклассификации. Установлен характер влияния удельного расхода исходного материала на величины уноса и провала в пневмоклассификаторе с четырехпоточными контактными элементами. Выявлены диапазоны изменения расхода материала и скорости газа, при которых целесообразно проведение процесса классификации. Получены уравнения для расчета концентрации частиц определенной монофракции в уносе и величины провала.

3. Анализ экспериментальных данных по разделению бинарных и полидисперсных смесей позволил установить области нагрузок по твердой фазе и скорости газа, обеспечивающие максимальную эффективность процесса разделения. Так, значения удельного расхода материала находятся в пределах от 6 до 12 кг/(м²•с), скорости газа - от 2,5 до 3,2 м/с. Наибольшая эффективность процесса достигается при разделении бинарной смеси, в которой содержание фракции частиц ниже границы разделения составляет от 20 до 40 %. При этом применение четырехпоточных контактных элементов обеспечивает чистоту верхнего продукта.

4. Установлено, что максимальная эффективность процесса разделения достигается при следующих условиях: количество четырехпоточных контактных элементов должно быть не менее 2-3 штук, а их "живое" сечение - 15 %. Питательный контактный элемент целесообразно размещать в сепарационной камере пневмоклассификатора следующим образом: струя исходного материала должна попадать на вершину двускатного элемента верхнего набора, а пересечение мнимого продолжения его односкатных полок располагается на вершинах двускатных полок нижнего набора.

5. Анализ результатов исследований процесса разделения в каскадном пневмоклассификаторе с узлом доочистки крупного продукта позволил сделать вывод о целесообразности применения данного усовершенствования, которое защищено свидетельством РФ на полезную модель № 22625. Так, при разделении бинарных смесей материала в модифицированном аппарате эффективность процесса увеличилась в среднем на 5-8 %.

6. Получены уравнения, позволяющие определить возможный диапазон изменения рабочей скорости газа в аппарате. Разработан метод расчета значения данного технологического параметра при пневмоклассификации полидисперсных материалов.

7. Экспериментально установлена зависимость гидравлического сопротивления пневмоклассификатора от конструкции исследуемых контактных элементов, их количества, концентрации твердой фазы, дисперсности частиц и скорости газа. Получено уравнение, позволяющее рассчитать гидравлическое сопротивление пневмоклассификатора при непрерывной подаче в него исходного материала. Показано, что аппарат с четырехпоточными контактными элементами оказывает меньшее сопротивление восходящему потоку газа по сравнению с пневмоклассификаторами с плоскими полками, двух- и трехпоточными элементами.

8. На основании проведенных исследований разработана методика расчета технологических и конструктивных характеристик аппарата с четырехпоточными контактными элементами, которая позволила спроектировать пневмоклассифицирующие установки, внедренные в линию по производству напорных и безнапорных фильтров очистки воды и сельское хозяйство. В результате промышленной эксплуатации аппарата с узлом доочистки снизилось гидравлическое сопротивление данных фильтров за счет удаления тонкодисперсных фракций из насыпного материала, а также увеличился срок службы фильтрующих элементов.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- эквивалентный диаметр мелкой и крупной фракций, м; d_гр(х_гр) - граничный размер частиц, м; Е - критерий Ханкока-Луйкена, %; G - удельный расход материала, кг/(м²·с); G_пр - величина провала, кг/(м²·с); Y - концентрация твердых частиц в уносе, кг/м³; µ - концентрация твердых частиц в сепарационной камере пневмоклассификатора; в - массовая концентрация частиц в потоке, кг/кг; ?P - гидравлическое сопротивление аппарата, Па; z - количество контактных элементов; с - плотность воздуха кг/м³; V_г - осредненная скорость движения газа, м/с; V_в - скорость витания частиц, м/с; ц - доля "живого" сечения контактных элементов; ч - критерий Эдера-Майера, %.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Пат. 2169626, Российская Федерация, МКИ В07В 4/02. Пневмоклассификатор / Кирсанов В.А., Таранушич В.А., Филин В.М., Титаренко В.В.; заявитель и патентообладатель Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - № 99125484; заявл. 30.11.99; опубл. 27.06.01, Бюл. №18.

2. Свидетельство РФ на полезную модель № 18958. Пневматический классификатор / Кирсанов В.А., Титаренко В.В., Таранушич В.А. - № 99127806/20; опубл. 10.08.01, Бюл. №22.

3. Свидетельство РФ на полезную модель № 22625. Пневматический классификатор / Кирсанов В.А., Титаренко В.В., Таранушич В.А. - № 2000102506/20; опубл. 20.04.02, Бюл.№11.

4. Кирсанов В.А., Титаренко В.В. Расчет гидравлического сопротивления пневмоклассификаторов с трехпоточными контактными элементами // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2002. - №3. - С.43-44.

5. Математическое моделирование механизма распределения частиц в сепарационной камере пневмоклассификатора / В.А. Кирсанов, А.А. Авдеева, М.Н. Авдеев, В.В. Титаренко // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. ХIХ Междунар. науч. конф. Т.4. Секция 4. - Воронеж: изд-во ВГТА, 2006. - С.52-53.

6. Расчет скорости газа в пневмоклассификаторе с каскадом трехпоточных контактных элементов / В.А. Кирсанов, А.А. Авдеева, М.Н. Авдеев, В.В. Титаренко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2006. - №4. - С.75-78.

7. Кирсанов В.А., Титаренко В.В. Определение основных технологических параметров процесса каскадной пневмоклассификации // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2008. - № 3. - С.98-101.

8. Кирсанов В.А., Титаренко В.В. Расчет фракционного состава продуктов каскадной пневмоклассификации // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2008. - № 4. - С.132-134.

9. Кирсанов В.А., Титаренко В.В., Владимиров Б.Е. Распределение скорости газа в пневмоклассификаторе с четырехпоточными контактными элементами // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2008.-№ 5.- С.62-66.

10. Кирсанов В.А., Титаренко В.В., Владимиров Б.Е. Распределение частиц материала в аппарате с четырехпоточными контактными элементами // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2008. - № 6.- С.92-96.

11. Кирсанов В.А., Титаренко В.В., Владимиров Б.Е. Использование данных фракционного состава уноса при расчете скорости газа в каскадном пневмоклассификаторе // Математические методы в технике и технологиях: Сб. тр. ХХII Междунар. науч. конф. Т.4. Секция 3. - Псков: изд-во ППИ, 2009. - С. 52-53.

Размещено на Allbest.ru

...