Рисунок 2.16 - Пневматический классификатор

Классификатор включает в себя сепарационные секции 1, на стенках которых консольно закреплены пересыпные полки 2 рис.2.17, выполненные в виде дуговых колосниковых сит, с нагревательными элементами 3. При этом ширина зазоров между стержнями 4 сита увеличивается по направлению к зоне основной сепарации. Кроме того, имеются загрузочное 5 и разгрузочное 6 приспособления и циклон 7.

На классификатор подается материал с помощью питателя 8, а вентиляторная установка 9 служит для отделения мелких частиц и регулируется вентилем 10.

Классификатор работает следующим образом:

Дробленая продукция питателем 8 подается на дуговые колосниковые полки 2 секции 1 классификатора. При стекании дробленой массы по дуговым полкам с увеличивающейся шириной зазоров 4 между стержнями колосников происходит равномерное распределение фракционируемого материала по сечению классификатора. Материал по мере перемещения по пересыпным полкам, выполненным в виде нагревательных элементов, просушивается и попадает в центральную часть вертикального классификатора, где происходит эффективное разделение на мелкие и крупные фракции восходящим потоком воздуха.

Рисунок 2.17 - Пересыпная полка

Основное отличие данного аппарата от других - с целью повышения качества разделения и производительности разделения влажных материалов, пересыпные полки рис. 2.17 выполнены в виде дуговых колосниковых сит, набранных из нагнетательных элементов, причем ширина зазоров между стержнями сита увеличивается от стенок к свободному концу пересыпных полок.

Батарейный пневмоклассификатор [13] представленный на рисунке 2.18 предназначен для классификации сыпучих материалов на необходимое число фракций.

Рисунок 2.18 - Батарейный пневмоклассификатор

Классификатор состоит из прямоугольных пневмокамер 1, последовательно сообщенных между собой, которые разделены вертикальными перегородками 2 и 3. Перегородки 2 разделяют пневмокамеры между собой, которые в свою очередь делятся перегородками 3 на гравитационные (большие части) 4 и инерционные (меньшие часть) 5 камеры. В гравитационных камерах 4 наклонно установлены пересыпные полки 6, причем в нижней части от места подачи исходного материала они выполнены перфорированными. Над выходными отверстиями в инерционных камерах 5 установлены отражательные пластины 7. Входное отверстие 5 служит для подачи материала, патрубки 9 для подачи вертикального воздушного потока, а патрубок 10 - для вывода запыленного газа. Для отбора фракций предназначена система сборников (бункеры) 11 - 14, установленных в нижней части каждой камеры.

Классификатор работает следующим образом:

Полидисперсный материал непрерывно подается через загрузочное приспособление в окно 8 и, пересыпаясь по нижнему каскаду перфорированных полок, продувает я восходящим потоком воздуха, засасываемым из патрубков 9. Крупная фракция (фр. 1) выпадает в бункер 14, а остальной материал выносится вверх и попадает в каскад сплошных полок, где благодаря вихревым потокам, существующим на каждой полке, под действием центробежных сил дополнительно освобождается от крупных частиц. Мелкие фракции через канал в верхней части вертикальной перегородки 3 попадают в инерционную камеру 5, где под действием сил инерции, возникающих при огибании отражательной пластины, осаждается в бункер 13 более мелкая фракция (фр. 2). Оставшаяся часть материала через выходное отверстие в перегородке 2 попадает в следующую гравитационную камеру, и процесс разделения повторяется вновь.

Благодаря тому, что сечение каждой гравитационной камеры увеличивается в сторону выделения мелких фракций и превышает сечение последующей инерционной камеры, уменьшается скорость движения в них воздушного потока и его транспортирующая способность. Это в конечном счете повышает четкость границы разделения, так как в каждой камере осаждаются частицы определенных размеров и удельного веса. При достижении необходимого числа фракций путем присоединения нужного количества пневмокамер газопылевой поток через патрубок 10 направляется на очистку.

При подаче дополнительного количества воздуха в гравитационные камеры через патрубки, снабженные индивидуальными регуляторами 15 расхода воздуха, можно добиться четкого выделения частиц требуемого размера независимо от сечения колонок.

Основное отличие данного аппарата от других - с целью повышения производительности при получении фракций с неперекрывающимися границами за счет непрерывного одноциклового процесса пневмоклассификации, каждая пневмокамера снабжена вертикальной перегородкой, делящей ее на две неравные части, сообщенные между собой с верхней части пневмокамеры, при этом сборники готовых фракций установлены индивидуально в каждой части пневмокамеры, выходные отверстия расположены в меньших частях пневмокамер, а входные отверстия и патрубки подачи вертикального потока воздуха в больших, причем большие и меньшие части пневмокамер выполнены с поперечным сечением, последовательно увеличивающимся от пневмокамеры к пневмокамере.

Пневматический классификатор [14] представленный на рисунке 2.19 предназначен для обогащения полезных ископаемых.

Рисунок 2.19 - Пневматический классификатор

Он включает рабочую камеру 1 конусообразной формы, в которой имеются наклонные пересыпные полки 2, расположенные с переменным шагом. Материал в аппарат загружается через патрубок 3, подача воздуха осуществляется по патрубку 4. Разделение в аппарате осуществляется по принципу противотока. Над местом подачи материала в аппарат установлено одна или две полки, что способствует дополнительной перечистке выделенных мелких и легких фракций.

В такой конструкции классификатора в нижней части аппарата скорости несколько превышают средние скорости витания частиц граничной крупности, в верхней его части - 5 они несколько меньше. Это приводит к накоплению в зоне разделения частиц граничной крупности, которые в этом случае играют роль утяжелителя среды, что сказывается на резком возрастании чистоты выхода мелкого продукта.

Разгрузка аппарата от крупных и тяжелых фракций осуществляется в нижней части, унесенные из классификатора потоком воздуха частицы улавливаются в специальном циклоне.

Основное отличие данного аппарата от других - с целью повышения эффективности процесса разделения, рабочая камера снабжена полками, расположенными под углом к стенкам в шахматном порядке с переменным шагом.

Пневматический классификатор [15] представленный на рисунке 2.20 предназначен для обработки зернистых материалов и может найти применение в химической, металлургической, строительной и других отраслях народного хозяйства, в частности для фракционирования полидисперсных сыпучих материалов, и позволяет повысить качество классификации.

Пневматический классификатор содержит корпус, состоящий из нижней секции 1 прямоугольного сечения и верхней секции 2, патрубки ввода 3 и вывода 4 материала, патрубки подвода газа 5 и отвода аэросмеси 6.

В секции 1 расположены пересыпные полки 7. В секции 2 расположена газораспределительная решетка 8 из вертикально 20 установленных выравнивающих элементов 9, которые состоят из участков 10 постоянного поперечного сечения, участков 11 клиновидного поперечного сечения с перфорацией в виде горизонтальных щелевидных прорезей 12, пластин 13 и имеют открытую снизу внутреннюю полость 14.



Рисунок 2.20 - Пневматический классификатор

На фиг. 1 представлен классификатор, разрез; на фиг. 2 - выравнивающий элемент; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.

Цель изобретения - повышение качества продуктов разделения путем увеличения эффективности процесса классификации на 3-5% за счет снижения скорости потока в пространствах между выравнивающими элементами и дополнительного провеивания аэросмесей струями газа, выходящими из перфорации, расположенной на клиновидных участках элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в пневматическом классификаторе, включающем корпус, состоящий из нижней секции прямоугольного сечения с перфорированными пересыпными полками и верхней секции с вертикально установленными выравнивающими элементами, выполненными из расположенных снизу вверх плавно сопряженных между собой участков постоянного поперечного сечения и клиновидного поперечного сечения и пластины, патрубок ввода материала, установленный между перфорированными полками и выравнивающими элементами, патрубки вывода крупного материала и подвода газа, расположенные в нижней части корпуса, и патрубок отвода аэросмеси, установленный в верхней части корпуса, выравнивающие элементы выполнены полыми и открытыми снизу, при этом клиновидные участки выравнивающих элементов выполнены перфорированными, перфорация может иметь 5 форму горизонтально или вертикально расположенных щелевидных прорезей, а также круглых отверстий.

Формула изобретения:

1. Пневматический классификатор, включающий корпус, состоящий из нижней 30 секции прямоугольного сечения с перфорированными пересыпными полками и верхней секции с вертикально установленными выравнивающими элементами, выполненными из расположенных снизу вверх плавно сопряженных между собой участков постоянного поперечного сечения и клиновидного поперечного сечения и пластины, патрубок ввода материала, установленный между перфорированными полками и выравнивающими элементами, патрубки вывода крупного материала и подвода газа, расположенные в нижней части корпуса, и патрубок отвода аэросмеси, установленный в верхней части корпуса, отличается тем, что, с целью повышения качества классификации, выравнивающие элементы выполнены полыми и открытыми снизу, при этом клиновидные участки выравнивающих элементов выполнены перфорированными.

2. Классификатор отличается тем, что перфорация выполнена в виде горизонтально расположенных щелевидных прорезей.

Гравитационный воздушный сепаратор [16] представленный на рисунке 2.21 предназначен для разделения, например, полидисперсного порошка на несколько монофракций, с несколькими установленными один над другим увеличивающимися по размерам конусами, снабженными сборниками фракций.



Рисунок 2.21 - Гравитационный воздушный сепаратор

Сепаратор состоит из нескольких установленных один над другим конусов (1) и (2). увеличивающихся снизу вверх. Площадь нижнего основания (3) вышележащего конуса (2) меньше, чем площадь верхнего основания (4) нижележащего конуса (1). Внутри конусов (1) .и (2) установлены поперечные пластины (5) с отверстиями (тарелки), которые накапливают на различных уровнях конусов (1) и (2) частицы материала определенных размеров и этим обеспечивают одновременную выдачу нескольких фракций в сборники (6).

На высоте 3 - 5 см., от уровня пластин (5) в стенке конусов прорезаны отверстия, к которым припаиваются трубки с меньшими по размерам конусами (7). К ним и присоединяются сборники (6) для приема фракций порошка. В каждом из сборников имеется трубка (8) для поступления воздуха. У трех из пяти пластин (5) вместо конусов (7) могут быть установлены вертикально трубки (9). Внутри дополнительных конусов (7) и трубок (9) устанавливаются поперечные пластины (5).

Верхний конус (2) соединяется с матерчатым фильтром (10), который подключается к вентилятору (11) .высокого давления. Количество воздуха, просасываемого через сепаратор, измеряется диафрагмой (12), а количество воздуха, поступающего в дополнительные конуса (7), -- реометрами. Изменение величины отсасываемого воздуха осуществляется посредством шибера (13); сопротивление измеряется ртутным манометром (14).

Порошок в сепаратор подается из воронки (15) через отверстие в трубе (16), по которой увлеченный воздухом порошок попадает на первую тарелку (5) в нижнюю часть конуса (1). Большая скорость движения воздуха обеспечивает энергичное кипение порошка. В процессе кипения происходит унос частиц меньше определенного размера в верхний конус (2). При этом частицы крупнее 0,3 мм из нижнего конуса не уносятся, так как при движении потока вверх происходит постепенное уменьшение скорости движения воздуха. На пластине (тарелки) (.5) происходит постепенное обогащение полидисперсной смеси крупными фракциями и накопление материала. При достижении кипящим слоем определенной высоты начинается разгрузка материала через отверстие в корпусе. Порошок, падая с пластины на пластину (5), равномерно распределяется по сечению. Подаваемый навстречу порошку воздух выдувает высокодисперсные фракции.

Аналогичным образом протекает процесс разделения на всех пластинах (тарелках) (5); при этом чем выше расположена пластина (тарелка) в конусе, тем более тонкий продукт получается из имеющегося в ней дополнительного конуса (7).

Существенное улучшение сепарации в описанном устройстве удалось достигнуть путем обеспечения энергичного кипения порошка в нижней части сепаратора и устранения - выноса крупных частиц в вышележащую его часть.

Небольшой диаметр нижней части верхнего конуса (2) позволяет создать вновь большие скорости и обеспечить максимальную скорость протекания медленно идущего процесса выдувания высокодисперсных фракций из сипящего слоя. Как и на всех предыдущих пластинах (5) (тарелках), на нижней пластине верхнего конуса (2) накапливаются наиболее крупные частицы и разгружаются в дополнительный конус (7); высокодисперсные частицы уносятся сильным потоком воздуха вверх аппарата как с тарелки, так и из дополнительного конуса. Унос крупных частиц устраняется вследствие уменьшения скорости движения воздуха по мере удаления от низа конуса.

Таким образом, применение нескольких конусов, нижнее основание вышележащего из которых меньше верхнего основания нижележащего конуса, позволяет интенсифицировать процесс разделения и улучшить однородность получаемых фракций.

Установка на определенной высоте внутри обоих конусов сепаратора пластин (5) (тарелок) с отверстиями, например, диаметром 5 мм, позволяет осуществить одновременное получение нескольких фракций. В отверстиях каждой тарелки скорость движения воздуха больше, чем в свободном сечении сепаратора над и под тарелкой. Поэтому частицы, поступающие на тарелку, не могут провалиться через отверстия и происходит постепенное накапливание частиц определенного размера. При, этом слой частиц находится в условиях энергичного кипения, что обеспечивает унос вверх сепаратора более мелких частиц.

Основное отличие аппарата состоит в том, что, с целью обеспечения сепарации материала в кипящем слое и удлинения времени пребывания частиц материала в потоке, площади нижних оснований вышележащих конусов выполнены .меньшими площадей верхних оснований нижележащих конусов, а внутри конусов установлены поперечные пластины с отверстиями (тарелки), предназначенные для. накапливания на различных уровнях конусов частиц материала определенных размеров и обеспечения этим одновременной выдачи нескольких фракций в сборники.

Пневмоклассификатор [17] представленный на рисунке 2.22 предназначен для классификации сыпучих материалов на необходимое число фракций.



Рисунок 2.22 - Пневмоклассификатор

Корпус 1 пневматического классификатора состоит из верхней 2 и; нижней 3 секций. В нижней секции 3 квадратного сечения установлены наклонные полки 4, выполненные с перфорацией в виде продольных прорезей. Полки имеют возможность перемещаться в опорах 5, перекрывая тем самым сечение секций. Через коллектор 6 поступает воздух, расход которого регулируется шибером 7. Верхняя секция имеет прямоугольное сечение, при этом две стенки параллельны одна другой, а две другие -- образуют расширение кверху. Внутри установлен разгрузочный элемент 8 для вывода материала определенного гранулометрического состава. Подача материала осуществляется через патрубок 9, а отвод 5 крупнозернистых частиц и. пыли, соответственно через патрубки 10 и 11. Для равномерного распределения двухфазного потока по сечению аппарата устанавливается клиновидная решетка 12.

Пневматический классификатор работает следующим образом:

Сыпучий материал подается в классификатор через патрубок 9 в нижнюю квадратную секцию 3 и движется вниз по наклонным полкам 4. Навстречу потоку сыпучего материала через коллектор 6 поступает воздух. В нижней секции происходит первичное разделение исходного материала на фракции в зависимости от аэродинамических характеристик частиц за счет того, что воздух, проходя через прорези наклонных полок 4, пронизывает движущийся слой сыпучего материала.

Перемещение полок в опорах 5 позволяет регулировать скорость воздушного потока в нижней секции. Крупнозернистая фракция удаляется из аппарата через патрубок 10. Частицы средней крупности транспортируются воздушным потоком в верхнюю секцию 2, где, проходя через клиновидную решетку 12, и улавливаются разгрузочным элементом 8 и выводятся из аппарата. Пылевые фракций материала удаляются из аппарата через патрубок 11 и поступают на пылеочистку.

Пневматический классификатор конструктивно прост и удобен в обслуживании, обладает малым гидравлическим сопротивлением и большой эффективностью при разделении сыпучего материала.

Формула изобретения

1. Пневматический классификатор, включающий корпус, состоящий из верхней и нижней секции, наклонные пересыпные полки, патрубки для подвода и отвода материала и воздуха, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разделения исходного материала и улучшения качества продуктов разделения, наклонные полки установлены с возможностью поступательного перемещения в опорах.

2. Классификатор отличается тем, что наклонные полки выполнены перфорированными.

Пневмоклассификатор [18] представленный на рисунке 2.23 предназначен для пневматической классификации полидисперсных сыпучих материалов.



Рисунок 2.23 - Пневмоклассификатор

Недостатком этого классификатора является низкая производительность аппарата, которая резко падает при разделении высокодисперсных и волокнистых материалов, вызванная наличием каскадной установки пересыпных полок, снижающих скорость продвижения материалов, а также невысокое качество разделения. Кроме того, возникновение вихревого потока под каждой полкой повышает гидравлическое сопротивление и переизмельчает материал.

Классификатор снабжен установленными в верхней части корпуса попарно и шарнирно закрепленными по оси классификатора отражательными полками и установленными в нижней части корпуса перфорированными полками, расположенными в шахматном порядке, при этом нижняя часть корпуса выполнена с одинаковым сечением по высоте.

Классификатор включает корпус 1, который состоит из верхней 2 и нижней 3 конических частей. В верхней конической части 2 расположены сплошные отражательные полки 4, шарнирное закрепление которых даст возможность изменять угол между расположенными полками. Кроме того имеются приемные полки 5, которые играют роль отборников отдельных фракций. Нижняя часть 3 представляет собой вертикальный канал с патрубками 6 и 7 для ввода материала и подачи воздуха соответственно. На стенках секции с противоположных сторон под углом в шахматном порядке закреплены перфорированные полки 8.

Верхняя часть соединена с циклоном, 10 а нижняя со специальным бункером, в который выпадают наиболее крупные частицы.

Классификатор работает следующим образом:

Материал подается через патрубок 6 на наклонную перфорированную полку 8. Здесь поток материала тормозится и воздухом, подаваемым через патрубок 7, псевдоожижается. Крупные частицы выпадают вниз, а остальной материал, подхваченный восходящим потоком воздуха, устремляется вверх, в коническую 2 часть корпуса. В ней частицы материала поочередно огибают отражательные полки 4 и вследствие резкого уменьшения скорости потока, а также возникновения при повороте центробежной силы на каждую пару приемных полок 5 из потока выпадают наиболее крупные частицы материала, причем по высоте нижней части концентрация частиц и их размер различны, и на верхние приемные полки осаждаются частицы с минимальными размерами. Таким образом, на каждую пару приемных полок выпадает определенная монофракция материала. В циклон уносится практически наибольшее количество мельчайших частиц, в связи с чем более тонкая очистка воздуха не требуется.

Установка отражательных полок уменьшает высоту аппарата и улучшает качество разделения за счет создания центробежных сил при повороте потока. Шарнирное закрепление отражательных полок позволяет изменять угол между ними, что дает возможность варьировать в широких пределах скорость движения потока, а также управлять направлением движения -потока полидисперсного материала, в результате чего повышается производительность аппарата и качество классификации продукта, позволяющее получить несколько монофракций.

Установка в нижней части корпуса перфорированных полок дает возможность затормозить поток подаваемого через патрубок материала (с тем, чтобы исключить проскок в провал вместе с наиболее крупными частицами и частиц малой и средней крупности и придать ему направленное движение вверх.

Применение предлагаемого классификатора повышает качество классификации на 15 - 20%.

Формула изобретения

Классификатор, включающий корпус, внутри которого расположены приемные полки,, загрузочный патрубок, установленный в нижней части корпуса, патрубок для подвода воздуха и разгрузочные патрубки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества классификации, классификатор снабжен установленными в верхней части корпуса попарно и шарнирно закрепленными по оси классификатора отражательными полками и установленными в нижней части корпуса перфорированными полками, расположенными в шахматном порядке, при этом нижняя часть корпуса выполнена с одинаковым сечением по высоте.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КЛАССИФИКАЦИИ И РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ КЛАССИФИКАТОРА

3.1 Гидродинамика движения двухфазного потока

Структура потоков в технологических аппаратах оказывает большое влияние на проводимые в них тепловые и гидродинамические процессы. Эффективность работы рассматриваемых аппаратов для охлаждения и пневмоклассификации зернистых материалов в значительной степени определяется полем течения в них газового потока, которое, в свою очередь, влияет на профиль температур и концентраций твердой фазы в двухфазном потоке. Рассмотрение характера движения газа важно для установления закономерностей взаимодействия его с твердой фазой, что определяет скорость движения и время пребывания частиц в рабочем объеме аппарата; для определения режимных параметров ведения процесса в аппарате; для нахождения конструктивных характеристик газораспределительных устройств.

Выясним основные закономерности движения твердых частиц в указанных типах дисперсных двухфазных потоков, позволяющие определить такие важные гидродинамические параметры, как скорость движения твердой фазы и ее время пребывания в слое. Определение данных параметров является одним из основных этапов гидродинамического расчета технологических аппаратов.

В основе всех гидродинамических расчетов дисперсных двухфазных потоков лежит второй закон Ньютона:

(3.1)

где - скорость твердой частицы; - время; m - масса твердой частицы; - сумма всех сил действующих на твердую частицу.

В общем случае уравнения движения частиц полидисперсного материала рассматривается с учетом следующих сил: гидродинамического сопротивления со стороны восходящего газового потока, тяжести, столкновения частиц со стенками аппарата и контактными элементами, удара частиц друг о друга, с вращением частиц и их взаимодействием с газовым потоком.

Рассмотрим динамику нисходящего (режим гравитационно падающего слоя») и восходящего (пневмотранспорт) движения твердой фазы в вертикальном канале аппарата. Уравнения движения частиц в горизонтальном и вертикальном направлении имеют следующий вид:

(3.2)

Знак «+» ставится, когда направления векторов сил тяжести и гидродинамического сопротивления совпадают, знак «-» соответствует противоположному направлению векторов сил.

Величина коэффициента гидродинамического сопротивления определяется средним эффективным диаметром частицы , относительной скоростью , плотностью r и вязкостью m газового потока, тоесть связана с критерием Рейнольдса:

3.3)

При справедлива формула Стокса:

(3.4)

При

В реальных условиях технологических аппаратов существенное влияние на движение твердых частиц оказывают стесненность их движения вследствие высокой концентрации частиц в рабочем объеме, взаимодействие частиц друг с другом, форма частиц и стенок аппарата. Поэтому предложена универсальная зависимость, учитывающая эти факторы:

(3.5)

где ,, - коэффициенты, учитывающие соответственно условия стесненного движения частиц вследствие их взаимодействия, влияния стенок аппарата и формы частиц. Интегрирование дифференциальных уравнений с учетом зависимости дает выражения для определения относительных скоростей твердой фазы в рабочем объеме аппарата на нестабилизированном участке двухфазного потока:

(3.6)

и времени пребывания твердых частиц в рабочем объеме аппарата:

 (3.7)

где ,

, , ,

, ,

На стабилизированном участке технологических аппаратов частицы движутся с постоянной скоростью, называемой скоростью витания. В данном случае наступает равенство сил тяжести и давления газового потока на частицу.

Скорость витания твердых частиц зависит от формы, размера и плотности частиц, физических свойств взвешивающей среды. При равенстве скорости газового потока скорости витания в условиях установившегося движения частицы будут находиться в покое относительно стенок аппарата. Если , то реализовывается режим «пневмотранспорта» и частицы движутся со скоростью В режиме «гравитационно падающего слоя» скорость частиц равна

Соотношение для определения скорости витания твердых частиц:

(3.8)

?????? ????????? ?? ???? ?????? ???????????, ????????? ??????????? ????????????? ??????? ?? ???????? ? ????? ??? ?????? ??????????? ??????????? ? ??????? ????????? ????????? ????? ??????????. ??????? ?????? ???????????? ????????????? ??????? ?????? ??? ??????????? ???????? ??????? ??????:

(3.9)

где (3.10)

Необходимым условием пневмотранспорта является . Для нахождения рабочей скорости газа W рекомендуется использовать коэффициент К к скорости витания частиц:

(3.11)

Для частиц размером больше 100 мкм, К = 1,1, для более мелких К = 1,3 - 1,5, для мелких частиц К = 1,9 - 2,0.

Установка в вертикальном канале аппарата вставок различной конструкции создает дополнительное торможение частиц и увеличение времени их пребывания при гравитационном падении в рабочем объеме аппарата. Общее время пребывания частиц в рабочем объеме аппарата выражается через время движения их над поверхностью вставок и в пространстве между ними:

(3.12)

Для каскадно расположенных вставок, при определении величины объемной концентрации, следует различать две области по величине коэффициента аэродинамического торможения :

1. При область слабого аэродинамического торможения:

(3.13)

3. При область повышенного аэродинамического торможения

(3.14)

После взаимодействия твердых частиц с поверхностью тормозящей вставки и стенками канала в зоне разгрузочного пространства, поступательная и вращательная скорости и направления их движения меняются и составляют:

(3.15)

(3.16)

(3.17)

(3.18)

где - вращательная скорость частицы;

- угол наклона поверхности тормозящей вставки.

, , , (3.19)

, (3.20)

(3.21)

, - нормальная и тангенциальная, по отношению к поверхности вставки, составляющие вектора скорости частицы до удара о поверхность вставки (в предположении, что скольжение и качение частицы по поверхности вставок отсутствуют); , - то же после удара о поверхность вставки; , - коэффициенты восстановления нормальных и тангенциальных составляющих скорости; - угол между направлением движения до удара и осью X; - угол падения частицы на поверхность вставки.

Для гравитационных аппаратов с каскадом полочных перфорированных вставок критическая скорость газового потока определяется:

(3.22)

При повышении расхода твердой фазы и незначительном расходе газового потока уменьшаются радиальные перемещения частиц, что приводит к увеличению объемной плотности потока, движущегося в режиме «плотного гравитационно падающего слоя».

В данном режиме материал движется, перетекая с верхнего полочного контакта на нижележащие. Поток материала движется по поверхности полочных вставок под действием сил тяжести и трения. Так как движение равноускоренное, то конечная скорость движения твердых частиц по поверхности полочных вставок определится:

(3.23)

где (3.24)

- угол трения движения материала;

- угол падения потока материала на поверхность полки;

- высота падения потока материала на поверхность полки;

- начальная скорость падения потока материала на поверхность полки.

Скорость твердой фазы и время пребывания частиц в гравитационно опускающемся слое в свободном от тормозящих вставок вертикальном канале при условии, когда давление восходящего газового потока и силы трения- сцепления незначительны, определяются расходом твердой фазы через рабочее сечение аппарата. Средние значения скоростей движения и времени пребывания частиц определяются из следующих соотношений:

(3.25)

Для различных аппаратов с активными гидродинамическими режимами характерно усиление перемешивания твердых частиц в слое. Причем, движение и перемешивание частиц в активных гидродинамических режимах определяется в основном крупномасштабными циркуляционными потоками через весь рабочий объем аппарата в отличие от хаотического, менее упорядоченного мелкомасштабного движения твердых частиц внутри пакетов псевдоожиженного слоя. Создание активных гидродинамических режимов в аппаратах с восходящим газовым потоком можно охарактеризовать режимом «фонтанирования». Сюда следует отнести различного рода вихревые слои, фонтанирующие слои, неоднородно взвешенные слои с вдувом в слой газовой струи, инженерные слои. Гидродинамика всех вышеуказанных типов фонтанирующих систем определяется условиями взаимодействия активных газовых струй или единичной струи с твердыми частицами материала в рабочем объеме аппарата.

Фонтанирующий гидродинамический режим образуется при движении газовой струи через зернистый слой материала. При достаточной скорости струи над входным отверстием образуется каверна. Если высота слоя не превышает некоторого предельного значения, то каверна выходит наружу слоя, образуя фонтан. Входящая в зернистый слой газовая струя подхватывает попадающие в нее внизу и с боков частицы и выносит их наверх над уровнем слоя. Здесь газовая струя растекается, скорость выносимых частиц замедляется, и они задерживаются на поверхности слоя. Часть частиц отбрасывается и движется вдоль газовой струи вниз под действием силы тяжести. Вблизи от входа газовой струи в зернистый слой скользящие вниз частицы вновь вовлекаются в восходящее движение газовой струей.

В отличие от обычного псевдоожиженого слоя движение частиц зернистого материала в фонтанирующем слое является направленным. Скорости твердых частиц и время пребывания их в самом фонтане и в зоне вокруг него (кольцевая зона) значительно различаются. Твердые частицы, попадающие из кольцевой зоны в газовую струю над входным отверстием, быстро приобретают максимальную скорость, которая постепенно уменьшается до нулевого значения в вершине фонтана. Основной силой, сообщающей ускорение частицам, является сила давления восходящего газового потока, а торможение частиц осуществляется силой тяжести, столкновениями с другими частицами в фонтане и образующими его стенками. Поскольку частицы поступают в фонтан с разных участков по высоте аппарата и разгоняются, то скорости их различны. Поэтому расчет пневмотранспорта частиц по высоте фонтана более корректен в случае, если известна закономерность изменения скорости газа в фонтане по мере удаления от входного отверстия.

Для гравитационных полочных аппаратов характерно комбинирование зон идеального вытеснения над поверхностью полки и зоны идеального перемешивания над разгрузочным пространством.

3.2 Основные конструктивные параметры разрабатываемой модели

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

Рассмотрим параметры, определяющие геометрию сепарационной камеры аппарата, к которым относятся: ее форма, размеры поперечного сечения, соотношение сторон. По поводу влияния формы сепарационной камеры в литературе имеются противоречивые мнения. Одни ученые считают, что наиболее полно требованиям эффективного проведения процесса разделения отвечает прямоугольная форма, другие предпочтение отдают цилиндрической форме. Так, А.Б. Демский приводит результаты сравнительных испытаний каналов различной формы: прямоугольной и конической, причем аппараты конической формы были переменного сечения - с расширением вверх и расширением вниз. Исследования показали, что наибольший эффект классификации достигается в вертикальном прямоугольном канале постоянного сечения. В то же время М.Д. Барский, сопоставляя результаты разделения полидисперсного материала, в пустотелых аппаратах круглого и прямоугольного сечения при работе их в оптимальном режиме, установил, что аппарат круглого сечения имеет несколько большую эффективность. Это объясняется отсутствием в каналах круглого сечения завихрений различного масштаба и вторичных движений воздуха, которые наблюдаются в каналах прямоугольного сечения. Однако, учитывая, что в аппаратах цилиндрической формы труднее организовать равномерное распределение воздуха по его сечению и сложности, возникающие при проектировании узла ввода исходного материала, креплении пластинчатого контактного элемента и т.п., автор считает прямоугольную форму более рациональной. Эффективность разделения в прямоугольном канале гравитационного классификатора выше, чем в каналах круглого и квадратного сечения. Следует также отметить, что в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве используются, в основном, пневмоклассифицирующие аппараты прямоугольного сечения. Считается, что одним из основных параметров, определяющим результаты разделения, является соотношение между сторонами поперечного сечения аппарата. Этот параметр можно считать единственным, поддающимся варьированию для получения заданных значении производительности. Проводя исследования влияния данного параметра на результаты классификации, исследователи вначале экспериментов моделировали протекание процесса в аппаратах различного поперечного сечения, сохраняя неизменными соотношение сторон: b/a = 07, и расстояние между четырьмя сплошными пластинчатыми контактными элементами: В дальнейшем исследования проводились на классификаторах, имеющих одинаковую площадь сечения, но разное соотношение сторон. Как показали результаты проведенных экспериментов, с увеличением масштаба аппарата (масштабного фактора) полнота разделения уменьшается. Отсюда сделан вывод, что в узком пространстве, ограждающем поток, достигается интенсивное взаимодействие материала со стенками аппарата. Данное взаимодействие способствует созданию тормозящего эффекта для крупных частиц, что и приводит к увеличению эффективности процесса. Кроме этого, в узком пространстве профиль эпюры скоростей потока получается более равномерным, что также положительно сказывается на результатах разделения. На основании полученных данных рекомендуется при большой производительности компоновать классификатор в виде батареи малых аппаратов.

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

Влияние высоты аппарата на механизм гравитационной классификации, исследовался многими учеными. Некоторые ученые считают, что для обеспечения высокой эффективности процесса разделения пневматические классификаторы должны иметь значительную высоту, так как по мере удаления от мест ввода воздуха и исходного материала частицы достигают установившихся скоростей своего движения. Другие ученые на основании экспериментальных данных придерживаются мнения, что требуемая эффективность процесса достигается и в пневмоклассификаторах ограниченной высоты. Учитывая результаты распределения материала в пневмоклассификаторе, утверждается, что процесс гравитационного разделения начинается с места ввода материала в поток и практически завершается на ограниченной высоте аппарата. Дальнейшее увеличение высоты аппарата существенно не сказывается на результатах классификации.

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

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

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

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

К условиям ввода материала в аппарат относится и место расположение узла подачи исходной смеси. Влияние данного параметра на изучаемый процесс описано в литературе, авторы в зависимости от расположения узла подачи исходной смеси относительно контактных элементов различают нижний ввод материала (под полочную часть аппарата), средний ввод материала и верхний ввод материала (на верхний контактный элемент). Считается, что при вводе материала в верхнюю, нижнюю или среднюю часть аппарата для гравитационной классификации его можно разделять, соответственно, по принципу противотока, прямотока или их комбинации. Экспериментальные данные, полученные при разделении песка в пневмоклассификаторе со сплошными пластинчатыми контактными элементами, подтвердили целесообразность противоточного разделения. На основании полученных данных, Ю.П. Канусик при исследовании влияния различных мест ввода материала в аппарат при изменении его высоты, скорости потока и гранулометрического состава разделяемой смеси, делает вывод, что самую высокую разделительную способность имеет пневмоклассификатор со средним (симметричным) вводом. Аппараты, работающие при подаче материала в нижнюю часть аппарата, обладают наиболее низкой разделительной способностью. Влияние места ввода материала в пневмоклассификатор с перфорированными пластинчатыми контактными элементами на механизм протекания процесса разделения изучено В.Е. Кравчиком. Им проведен анализ зависимости структуры двухфазного потока и эффективности процесса от указанного параметра при изменении расстояния между контактными элементами и фракционного состава разделяемой смеси. Отмечено, что наиболее равномерное распределение концентрации частиц наблюдается в аппарате со средним вводом материала. Расположение узла подачи исходной смеси обусловливает и относительное содержание фракций на различных уровнях по высоте пневмоклассификатора. Так, содержание мелкого компонента внизу аппарата наименьшее при верхнем и среднем вводе материала, тогда как нижний ввод способствует повышению концентрации мелких фракций в этой зоне почти в восемь раз. Показано, что наилучшей разделительной способностью обладает аппарат с верхним вводом материала, причем увеличение числа полок приводит к повышению степени извлечения мелкого компонента в унос. При среднем вводе материала унос мелкого компонента с увеличением числа полок в верхней части аппарата уменьшается. Причем отмечается, что в провале содержание мелких частиц с увеличением числа полок резко уменьшается, тогда как при среднем вводе оно наоборот растет.

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

Выводы

Анализ литературных источников позволил установить, что на структуру двухфазного потока, определяющего гидродинамику аппарата и его эффективность работы, влияют такие конструктивные характеристики контактных элементов как, ширина разгрузочных перетоков, живое сечение, угол наклона и количество полок. В настоящее время перспективные разработки полок, и прошедшие с успехом промышленную апробацию, конструируются из отдельных элементов, позволяющих секционировать объем сепарационной камеры в продольном и поперечном сечениях. Такие технические решения направлены на оптимизацию гидродинамической обстановки в сепарационной камере аппарата, что не только повышает эффективность разделения, но и расширяет область использования.

Перемещение и разделение полидисперсных материалов на фракции в рассматриваемых устройствах основано на использовании разницы в скоростях и направлении движения частиц различного размера в восходящем потоке в основном под действием гравитационного поля. Из-за малого значения коэффициента сопротивления воздуха разница в скорости движения частиц различных размеров сравнительно невелика, время их пребывания в аппарате мало, и четкого разделения на фракции не всегда удается достигнуть. Поэтому в аппаратах для разделения материалов посредством пневмоклассификации используется совокупное воздействие на частицы и других сил, прежде всего центробежных и инерционных. Инерционные создают полки, вынуждающие восходящий поток изменять направления своего движения.

Полки, повышая скорость и турбулентность потока, в месте их установки оказывают сильное влияние как на скорость движения, так и на распределение частиц в поперечном сечении и по высоте канала. Существенно изменяются как транспортирующая, так и взвешивающая способности потока, поскольку на движение частиц начинают влиять инерционные силы. Например, мелкие частицы выносятся вверх под воздействием потока, а крупные выпадают вниз под действием силы тяжести или выводятся в направлении, перпендикулярном направлению движения потока под действием инерционных сил. Указанные силы, вызывающие разделение частиц по крупности, являются различными функциями размера частиц. Сила воздействия потока на поверхность частицы (сила трения) зависит от величины шероховатости и формы этой поверхности частиц и в первом приближении пропорциональна квадрату линейного размера. Объемные (гравитационные и инерционные) силы определяются величиной массы частиц, они пропорциональны третьей степени определяющего размера частиц. Кроме того, поверхностные силы являются функцией относительной скорости, между потоком и частицами, которая определяет режим обтекания потоком частицы.

Установлены отличительные гидродинамические особенности процесса в аппаратах со сплошными и перфорированными пластинчатыми полками:

- механизм работы сплошных полок характеризуется цикличным процессом образования и распада скопления частиц над разгрузочным пространством сепарационного канала. При повышенных расходах исходного материала, масштаб пристенного течения с повышенной концентрацией твердой фазы становится настолько значительным, что перекрывает межкаскадный переток и становится причиной резкого распада; названного течения, сопровождающегося поршневым уносом частиц различной дисперсности из аппарата, что приводит к падению эффективности процесса разделения. Структура однофазного потока при наличии сплошных полок характеризуется образованием над их поверхностями крупномасштабных вихрей и значительной неравномерностью распределения скорости потока по объему аппарата. Также неравномерно распределена дисперсная фаза, концентрация; которой достигает своего максимального значення в надполочном пространстве.

- наличие перфорации расширяет диапазон рабочих нагрузок по твердой фазе, благодаря перераспределению воздушного потока между разгрузочным пространством и отверстиями на поверхности полок, что исключает образование режима поршневого уноса частиц из аппарата. Данное перераспределение несущей среды, а также снижение интенсивности и масштаба вихреобразований над поверхностью полок под действием проходящих через перфорацию струек воздуха, способствуют уменьшению размеров образующихся скоплений частиц над разгрузочным пространством. В результате это - то также наблюдается более равномерное распределение частиц материала по объему сепарационного канала пневмоклассификатора. В аппарате с перфорированными полками материал активно взаимодействует с потоком воздуха не только в районе разгрузочного пространства_> как в случае установки сплошных полок, но и над их поверхностями, что приводит к увеличению поверхности контакта фаз. Указанные отличительные особенности механизма работы перфорированных полок объясняют повышенную эффективность процесса разделения - снабженных ими пневмоклассификаторах по сравнению с аппаратами со сплошными полками.

Сравнительные испытания типовых конструкций аппаратов взвешенного слоя показали, что сочетание процессов пневмоклассификации, охлаждения или сушки зернистых материалов целесообразно выполнять в полочных аппаратах. В последних удельный расход охлаждающего воздуха для достижения той же эффективности охлаждения на 30-40% ниже, а температура отходящего воздуха выше на 30-35°С [1]. Благодаря интенсивному контакту фаз, в полочных аппаратах обеспечивается максимальное обеспыливание продукта при высоких удельных нагрузках, достигающих 15 - 20

Концентрация пыли в отходящих газах после полочного охладителя-пневмоклассификатора составляет 200-500 при удельных расходах охлаждающих воздуха 0,5 - 0,6 . Анализ опытных данных по изучению зависимости величины уноса мелких частиц и эффективности охлаждения материала от режимных (скорости воздушного потока, расхода материала) и конструктивных параметров (величины живого сечения полок, их числа и расстояния от конца полок до стенок аппарата) [1], а также анализ зависимостей предельной несущей способности газового потока и высоты зоны сепарации от скоростей потока и витания частиц, позволили выбрать оптимальные конструкцию классификатора - классификатор с перфорированными полками.

4. АЛГОРИТМ И БЛОК-СХЕМА РАСЧЕТА ПНЕВМОКЛАССИФИКАТОРА

Учитывая высокую степень обеспыливания, принимаем величину концентрации частиц на выходе пневмоклассификатора [1]. Выход целевой фракции в провал не должна превышать 5%.

Концентрация мелкой фракции в уносе:

(4.1)

где Y_Д - концентрация частиц на выходе из пневмоклассификатора, г/м³;