Метод расчета процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице

Размещено на http://allbest.ru

13

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Метод расчета процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Бадоев Владимир Ахметович

Ярославль - 2013

Работа выполнена на кафедре "Теоретическая механика" Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Таршис Михаил Юльевич

Официальные оппоненты: Падохин Валерий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, Институт химии растворов РАН, г. Иваново

Анисимов Павел Вячеславович, кандидат технических наук, директор ООО "ЭЛКОНТ", г. Ярославль

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет», г. Иваново

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу:150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке при ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный технический университет" по адресу:150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук А.А.Ильин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вторичное использование отходов строительного производства, в том числе и дорожного, является актуальной проблемой для всех стран. Ежегодно в Российской федерации в процессе ремонта снимаются миллионы тонн старого дорожного покрытия, которое, в основном, идет на засыпку откосов этих же дорог. Такое использование старого асфальта, содержащего дорогостоящие битумоминеральные составляющие, вряд ли является эффективным. К сожалению, имеющиеся в стране методы регенерации старого асфальта не принесли существенного результата. Главная причина в том, что асфальт является абразивным материалом и его измельчение в центробежных устройствах и в электромагнитном поле приводит к быстрому изнашиванию рабочих органов.

Измельчение является одним из наиболее широко применяемых технологических процессов во многих отраслях промышленности. Исследованию этого процесса посвящено большое количество научных работ. Однако в настоящее время этот процесс остается недостаточно изученным. Отсутствуют простые и надежные методы экспериментального исследования.

Отмеченные аспекты отражают необходимость изучения процесса измельчения асфальтовой крошки и перспектив его практического использования.

Настоящая работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований по тематическому плану "Исследование механики поведения тонкодисперсных порошкообразных материалов в процессах их производства и переработки" № гос. рег. 0120.1275358, 2012-2014.

Цель работы. Разработка метода расчета процесса измельчения асфальтовой крошки на основе теоретического и экспериментального изучения кинетики процесса.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка нового экспериментального метода построения функций измельчения;

2. Описание кинетики процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице с использованием функций измельчения;

3. Создание нового метода расчета удельной поверхности асфальтовой крошки в процессе измельчения;

4. Разработка новой конструкции многосекционной шаровой мельницы для измельчения асфальтовой крошки.

5. Разработка метода расчета процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Научная новизна. - Выполнено математическое описание процесса измельчения асфальтовой крошки в новой шаровой мельнице.

- Разработана математическая модель расчёта собственных вращений мелющих тел при работе мельницы в режиме переката.

- Предложен и реализован новый экспериментальный метод определения функций измельчения твёрдых частиц в мельнице.

- Разработан новый метод расчета удельной поверхности асфальтовой крошки;

- Построено кинетическое уравнение процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Практическая ценность:

1. Использование разработанной на основе теоретико-экспериментальных исследований новой конструкции шаровой мельницы для асфальтовой крошки позволяет получить требуемые по технологии продукты измельчения с малыми затратами энергии.

2. Методика расчёта режимных и конструктивных параметров мельницы и блок-схема расчета будут востребованы при разработке мельниц в химической, дорожно-строительной и др. отраслях.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований находят использование в процессе получения товарной фракции крошки, которую планируется использовать в производстве асфальта марки Д3. Предполагаемый эффект от её использования составит 1000000 рублей в год.

Личный вклад автора. Диссертантом выполнен весь объём экспериментальных исследований, проведены необходимые расчёты, обработка результатов и их анализ. Автор принимал непосредственное участие в обсуждении результатов и написании публикаций, формулировке выносимых на защиту выводов и рекомендаций.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на XXV Международной научной конференции "Математические методы в технике технологиях": ММТТ - 25 (Волгоград, 2012); на XXVI Международной научной конференции "Математические методы в технике технологиях”: ММТТ - 26 (Саратов, 2013), на 65-й Региональной научно-технической конференции ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль, 2012).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 научных работах, в том числе в 2 статьях в журналах из перечня ВАК РФ и в 3 тезисах докладов на научных конференциях, две из которых международные.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 105 наименований. Общий объем работы 110 страниц, в том числе 30 рисунков и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, указаны научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного оборудования для измельчения сыпучих материалов и методов его математического моделирования.

Во второй главе приводятся теоретические исследования движения и переработки асфальтовой крошки в шаровой мельнице. С целью повышения эффективности процесса измельчения асфальтового гранулята была разработана многокамерная шаровая мельница, на которую получено решение о выдаче патента РФ.

Схема мельницы показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Многокамерная шаровая мельница

Она содержит корпус 1 из последовательно скрепленных эластичных торообразных камер с лифтерами 2, разделённых внутренними перфорированными перегородками 3, которые соединены снаружи стяжками 7, проходящими через отверстия этих перегородок. Корпус заполнен мелющими телами и установлен на роликовых опорах 11, одна из которых соединена с приводом. (Мелющие тела и привод на рисунке не показаны). При работе мельницы измельчаемый материал подается через патрубок 8 в первую камеру (грубого помола) корпуса 1, где измельчается мелющими телами до размеров, меньших размеров отверстий перегородки 3. Измельчённые частицы через отверстия перегородки 3 поступают в камеру более тонкого помола. Механизмы процессов, происходящих в этой и последующих камерах, качественно не отличаются от механизмов переработки материала в зоне грубого помола. Из последней камеры корпуса 1 продукт через трубу 10 поступает в патрубок выгрузки 9.

При работе шаровых мельниц имеет место два основных режима. Для измельчения пластичных материалов используются небольшие скорости вращения рабочей камеры, образующие каскадный режим движения частиц. При этом число оборотов рабочей камеры составляет:

,

где . Исходный материал измельчается как за счет воздействия мелющих тел, так и за счет самоизмельчения.

В случае переработки хрупких материалов используются высокие скорости вращения рабочей камеры, когда имеет место водопадный режим. При этом число оборотов рабочей камеры составляет . Измельчение материала происходит, в основном, за счет удара, частично истиранием и за счет самоизмельчения. Исследованиями движения сыпучих материалов во вращающемся барабане в режиме переката занимались многие учёные. В частности, в работах Рахлина З.М. показано, что распределение скоростей мелющих тел в области измельчения может быть записано в виде:

; (1)

, (2)

где - уравнение общей границы областей различного поведения материала.

Схема к расчету свободной поверхности и границы областей различного поведения материала в сечении мельницы показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Расчётная схема

Уравнение общей границы областей различного поведения материала находится из решения дифференциального уравнения:

. (3)

Здесь функции и определяются выражениями

; (4)

. (5)

Начальные условия для уравнения (3) записываются в виде:

, (6)

где R - радиус рабочей поверхности, д - половина угла загрузки материала.

Решение уравнения (3) с начальными условиями (6) проводились методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Вычисление осуществлялось в программе Delfi 7. Исходя из линейной модели, определяемой уравнениями (1), (2) и используя уравнение балансов потоков скоростей, получено уравнение для определения свободной поверхности в виде:

, (7)

где , (8)

. (9)

В работе Кравцова А.В. было показано, что угловая скорость собственных вращений мелющих тел может быть рассчитана по формуле

. (10)

На основе зависимостей (1), (2) рассчитаны скорости собственных вращений мелющих тел. Результаты расчётов представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Распределение угловых скоростей мелющих тел.

Из анализа картины распределения угловых скоростей мелющих тел следует, что значения угловой скорости достигают максимальной величины в середине скатывающегося слоя, что согласуется с данными других исследователей.

Процесс порционного измельчения в общем случае может быть описан следующим кинетическим уравнением:

(11)

где - интегральная функция распределения частиц по размерам; - селективная функция измельчения; - распределительная функция измельчения; и - размеры частиц асфальтовой крошки.

Распределительная функция измельчения должна удовлетворять следующим условиям:

;. (12)

Для решения интегро-дифференциального уравнения (11) необходимы начальные и граничные условия, которые определяются из следующих соображений. В начальный момент времени распределение частиц по размерам задается некоторой функцией от аргумента :

. (13)

Интегральная функция распределения частиц по размерам удовлетворяет двум граничным условиям, которые вытекают из ее определения

, , (14)

где - максимальный размер измельчаемых частиц.

Для решения уравнения (11) была использована разностная схема, которая позволила свести его к матричной форме:

, (15)

где , , . (16)

Основным параметром измельченной асфальтовой крошки является удельная поверхность, которая может быть вычислена по формуле:

, (17)

где - число фракций, которое определяется ситовым анализом; - коэффициент формы данной фракции; - вероятность попадания частиц в интервал с размерами частиц , данной фракции; - средний размер частиц данной фракции; - плотность материала.

Вероятность попадания частиц в интервал , определяется выражением:

, (18)

где функция распределения частиц по размерам является решением уравнения (11).

Средний размер измельченных частиц может быть определен по формуле:

, (19)

где средний размер частиц на интервале может быть оценён средним значением:

. (20)

Одной из важных характеристик измельчения являются затраты мощности. Мелющие тела совершают собственные вращательные движения в процессе измельчения. При этом элементарная работа сил внутреннего трения, за счет которых происходит измельчение, определяется выражением:

, (21)

где - момент сил трения, действующих на мелющее тело со стороны измельчаемого материала, который может быть найден:

. (22)

Здесь - коэффициент трения поверхности мелющего тела об измельчаемый материал;

диаметр мелющих тел;

- давление мелющего тела на материал.

Соответственно, мощность сил трения, действующих на единичное мелющее тело:

. (23)

Здесь - угловая скорость собственных вращений мелющих тел, определяется по формуле (10).

Правомочно предположить, что в области скатывающегося слоя давление со стороны мелющих тел на измельчаемый материал будет определяться только силой тяжести. Тогда нормальное напряжение на поверхности мелющего тела, находящегося в i-ом слое и обусловленное действием сил тяжести, будет равно гидростатическому давлению:

, (24)

где - соответственно, плотности мелющих шаров и измельчаемого материала; - соответственно, объёмы мелющих шаров и измельчаемого материала; - средняя высота слоя в области скатывания; - высота i-го слоя, измеряемого от общей границы областей, - угол обрушения (рисунок 2). асфальт измельчение переработка шаровый

Суммируя мощности сил трения по всем мелющим телам, окончательно получим:

(25)

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Эксперименты проводили в мельнице периодического действия в соответствии с рисунком 1. При этом число оборотов барабана изменялось в пределах (0,3-0,6) щ_кр. В опытах использовалась асфальтовая крошка дисперсностью до 5 мм, которая была получена методом ситового анализа из фрезерного старого асфальта, снятого при реконструкции дорог в г. Ярославле.

Для определения удельной поверхности отдельных фракций использовали прибор ПСХ-4. Данные по средней удельной поверхности фракций и коэффициенту формы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Удельная поверхность фракций, составляющих асфальтовую крошку

Размер фракции, мм	5-10	2,5-5	1,25-2,5	0,63-1,25	0,31-0,63	0,14-0,31	0,07-0,14	<0,07
Удельная поверхность по ПСХ-4м2/ кг	0,74	1,7	3,7	5,0	9,5	28	67	460
Расчетная удельная поверхность м2/ кг	0,57	1,14	2,25	4,5	9,11	19,04	40,8	158,3
Коэффициент формы	1,29	1,49	1,64	1,11	1,04	1,47	1,64	2,9

Коэффициент формы рассчитывается из уравнения (17).

Приведенные данные показывают, что форма для крупных и мелких частиц значительно отличается от идеальной (сферической). В то же время средняя фракция имеет форму, близкую к идеальной. Видимо, это объясняется тем, что средняя фракция состоит, в основном, из кварцевого песка, имеющего сферическую форму.

Удельную поверхность материалов до и после измельчения определяли, как средневзвешенную величину по формуле:

(26)

где - удельная поверхность фракций i, м²/кг; - массовая доля фракций i.

В качестве показателя, характеризующего интенсивность процесса измельчения материала, был принят показатель скорости измельчения:

, (27)

где - скорость измельчения м²/кг/сек.;- приращение удельной поверхности м²/кг; - временной диапазон измельчения, сек.

Согласно приведенным в главе 2 данным, при малых значениях времени измельчения изменение удельной поверхности подчиняется линейному закону.

Рисунок 4 - Зависимость удельной поверхности асфальтовой крошки от времени измельчения.

На рисунке 4 представлено сопоставление теоретических и экспериментальных данных по изменению удельной поверхности при измельчении асфальтовой крошки в шаровой мельнице для различных значений числа оборотов барабана.

Полученные результаты свидетельствуют о хорошем соответствии экспериментальных данных линейному закону зависимости удельной поверхности от времени измельчения. Скорость измельчения определяется как значение параметра уравнения соответствующей линии регрессии.

С целью оценки комплексного воздействия параметров процесса на эффективность измельчения асфальтового гранулята был проведен полнофакторный эксперимент ПФЭ З³. В качестве критерия эффективности технологии использовали показатель скорости измельчения (м²/кг/с) асфальтовой крошки с исходным размером частиц 0-5мм. В качестве основных технологических параметров процесса приняты: доля объема измельчаемого материала в общем объеме загрузки , число оборотов барабана , угол загрузки . С помощью программы Statistica 6.0 были определены численные значения коэффициентов регрессионного уравнения зависимости скорости измельчения гранулята от технологических параметров (в безразмерных координатах):

. (28)

Зависимости скорости измельчения асфальтовой крошки от исследуемых параметров приведены на рисунках 5-6.

В проведённых опытах наиболее эффективно процесс измельчения осуществляется при числе оборотов барабана 23 об/мин (на рисунках 5, 6 - оси n), угле загрузки 120⁰ (ось 2д) и доле объема загрузки мелющих тел 0,6 (на рисунке 5 - ось V_М /V).

В экспериментальных исследованиях определялась также зависимость скорости измельчения асфальтовой крошки от температуры , влажности , диаметра мелющих тел и их оптимальные значения. На основании этих данных с помощью программы Statistica 6.0 был смоделирован трехфакторный эксперимент по центральному композиционному плану ПФЭ 3³.

Рисунок 5 - Зависимость скорости измельчения асфальтовой крошки от объема загрузки мелющих тел и числа оборотов барабана

Рисунок 6 - Зависимость скорости измельчения асфальтовой крошки от числа оборотов барабана и угла загрузки.

Зависимость скорости измельчения гранулята от его свойств имеет вид (в безразмерных координатах):

. (29)

Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

? скорость измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице существенно зависит от числа оборотов барабана и диаметра мелющих тел, а также от влажности и температуры материала в процессе измельчения;

? в проведённых опытах максимальная скорость измельчения наблюдается при угловых скоростях вращения барабана, составляющих порядка 0,6 от критической.

Для определения селективной и распределительной функций исходный материал рассеивали на шесть фракций 0,07-0,14 мм; 0,14-0,31 мм; 0,31-0,63 мм; 0,63-1,25 мм; 1,25-2,5 мм.

Каждую фракцию измельчали в шаровой мельнице отдельно. При этом режимные и технологические параметры соответствовали максимальным значениям скорости измельчения.

Значения этих параметров приведены в предыдущем разделе. Время измельчения составляло .

Путем рассева определяли гранулометрический состав измельченного материала.

Экспериментальные значения селективной функции и распределительной функции рассчитывались по формулам, предложенным в работах Гарднера Р.П и Аустина Л.Г.:

, (30)

, (31)

где - средний размер частиц фракции после измельчения; - массовая доля измельченного материала, приходящегося на фракцию с нижней границей крупности, которая соответствует ситу с размером .

Результаты регрессионного анализа показывают, что селективная и распределительная функции могут быть описаны уравнениями

и , (32)

где - некоторые константы.

Достоверность модели селективной функции и распределительной функции по критерию Фишера составила, соответственно, 0,9 и 0,85.

При заданных режимных и геометрических параметрах: числе оборотов барабана 23 об/мин, угле загрузки 120⁰ и доле загрузки мелющих тел 0,6 для значений параметров селективной и распределительной функций были получены значения:

(33)

На рисунке 7 приведены характерные кривые изменения гранулометрического состава асфальтовой крошки в процессе измельчения на лабораторной установке.

По этим кривым можно судить о фракционном составе материала в зависимости от времени измельчения.

Например, доля фракции в смеси 0-1,0 мм через 120с составляет около 68 %, а через 240 с порядка 80 %. Через 480 с доля этой фракции примерно 92 %.

Статистическая проверка соответствия экспериментальных данных по измельчению асфальтовой крошки в шаровой мельнице решению уравнения (15) осуществлялась по критерию Пирсона.

Показано, что с надёжностью 0,9 данные модели не противоречат экспериментальным данным. Экспериментальным путём определяли износостойкость мелющих тел и данные по удельной мощности. Было показано, что при производительности 100 кг/час износ мелющих составляет 0,5 кг на тонну асфальтовой крошки.

Экспериментальные данные свидетельствуют о росте удельной мощности с увеличением числа оборотов барабана, что связано непосредственно с ростом мощности сил тяжести.

Увеличение объема загрузки, как показывают опыты экспериментов, также приводит к росту удельной мощности, что хорошо согласуется с данными теоретических исследований. Максимальное расхождение при этом не превышает 16%.

Рисунок 7- Изменение гранулометрического состава асфальтовой крошки в процессе измельчения.

В четвертой главе приведена методика расчета многосекционной шаровой мельницы для измельчения асфальтовой крошки. Блок-схема расчета конструктивных и технологических параметров шаровой мельницы представлена на рисунке 8.



Рисунок 8 - Блок-схема расчета конструктивных и технологических параметров шаровой мельницы

Исходными данными для расчета являются: весовая производительность по исходному продукту, гранулометрический состав, который определяется функцией , коэффициент внутреннего тренияизмельчаемого материала о мелющие тела, истинная плотность измельчаемого материала, удельная поверхность конечного продукта .

К конструктивным параметрам относятся: диаметр барабана, длина секции , количество секций , диаметр мелющих тел . Технологические параметры: влажность и температура асфальтового гранулята .

Режимные параметры - число оборотов барабана , объем загрузки, определяемый углом , доля объема измельчаемого материала в общем объеме загрузки .

В диссертации приведен пример расчета мельницы производительностью 0,4 т/час.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнено математическое описание процесса измельчения асфальтовой крошки в новой шаровой мельнице, на основе которого выявлен механизм переработки материала при взаимодействии с мелющими телами.

2. Разработана математическая модель расчёта собственных вращений мелющих тел при работе мельницы в режиме переката и получено выражение для определения удельной мощности в процессе измельчения асфальтовой крошки.

Показано, что затраты мощности на измельчение составляют 15% от общих затрат.

3. Разработан и реализован новый экспериментальный метод определения функций измельчения частиц в мельнице.

4. Построено кинетическое уравнение процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице, которое позволяет рассчитать время измельчения для заданных технологических показателей.

5. Проведенный комплекс экспериментальных исследований позволил определить значения режимных и технологических параметров, при которых скорость измельчения асфальтовой крошки максимальна.

6. Предложен новый метод расчёта удельной поверхности асфальтовой крошки. Экспериментально определены коэффициенты формы частиц различных фракций.

7. Экспериментальными исследованиями по кинетике измельчения крошки в шаровой мельнице подтверждены основные выводы и результаты теоретических исследований.

8. Разработана инженерная методика, составлена блок схема расчёта новой шаровой мельницы для переработки асфальтовой крошки, на которую получено решение о выдаче патента РФ.

Приведен пример расчета.

9. Разработанную конструкцию мельницы предполагается использовать в процессе получения товарной фракции в производстве асфальта марки Д3 в ООО "Ярдорремстрой" (г. Ярославль). Предполагаемый эффект от её применения составит 1000000 рублей в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Бадоев, В.А. Математическая модель измельчения старого афальтбетона в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Изв. ВУЗов, «Химия и химическая технология».- 2012, Т.55, №12, С. 106-108.

2. Бадоев, В.А. Исследование процесса измельчения сыпучих материалов в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.В. Волков, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Изв. ВУЗов, «Химия и химическая технология» - 2013, Т.56 , №. 8 Стр. 109-110.

3. Бадоев, В.А. К расчету процесса измельчения сыпучих материалов в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26 [текст]: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф., 2013, т.7, С. 47-48.

4. Бадоев, В.А. Моделирование процесса измельчения сыпучих материалов в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев //Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25 [текст]: сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: в 10т., Т. 7. Секция 11. - Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012. С. 77-78.

5. Бадоев, В. А. К расчету удельной поверхности измельчаемых материалов/ В. А. Бадоев, М. Ю. Таршис//65-я Регион. науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов [текст]: тез. докл. - Ярославль, 2012. - С. 248.

Размещено на Allbest.ru

...