Воздушная сепарация (классификация) сыпучих зернистых материалов.

Общие сведения.

Удельная производительность грохотов при классификации материалов с размером частиц менее 1 мм весьма низка. Такие материалы рационально сортировать в воздушных сепараторах, в которых более крупные частицы выпадают из потока под действием сил тяжести или центробежных сил, а мелкие – выносятся потоком воздуха в осадительные устройства. Регулируя скорость потока, можно варьировать размер выносимых частиц. Воздушные сепараторы широко применяют в помольных устройствах производства фосфоритной муки, извести, пигментов. При использо­вании горячих газов в них можно совмещать сортировку с сушкой материалов.

В реальных условиях работы сепараторов точное разделение частиц по заданному размеру невозможно, так как невозможно обеспечить идеально стабильный режим их работы. Скорость движения частиц непрерывно колеблется из-за изменения концентрации частиц, их размеров, флюктаций расхода воздуха, его напора и пр. Вследствие этого мелкий класс (фракция) загрязняется крупными частицами, а крупный – мелкими.

Эффективность сортирования:

,

где m и m₀ —масса мелкого продукта соответственно после сепара­тора и в исходном материале.

Засоренность продукта:

,

где т₁ и m₂ - масса пробы продукта соответственно после сепаратора и после отсева мелкой фракции.

В производственных условиях эффективность разделения составляет 67—80 %, а засоренность 60—70 %.

Принципиальные схемы воздушных сепараторов.

Воздушные сепараторы относятся к аппаратам объёмного типа преимущественно непрерывного действия. В основе процесса воздушной сепарации лежит движение частиц в зоне разделения под действием альтернативных сил классификации, по – разному зависящих от размера этих частиц. Одной из альтернативных сил является сила аэродинамического сопротивления при относительном движении частиц в потоке газа. Если другой силой оказывается сила тяжести, то сепаратор относится к гравитационным, если сила инерции – к инерционным. В зависимости от взаимной ориентации альтернативных сил различают сепараторы противоточные (силы направлены в противоположные стороны) и с «косым» потоком. Кроме того, в зависимости от характера движения несущего газа они подразделяются на проходные и замкнутые (циркуляционные). В последних материал загружается и выгружается из сепаратора механическим способом.

В сепараторах гравитационного противоточного проходного типа (рис. 124, поз. «а») исходный материал в концентрированном состоянии подаётся в загрузочный пат­рубок и разделяется под действием противопо­ложных сил веса и аэро­динамического сопротивления.

а) б) в)

г) д) е)

Рис. 124 Основные типы воздушных сепараторов:

а)Гравитационный противоточный проходной сепаратор;

б)то же с дополнительными местными сопротивлениями в зоне разделения;

в)центробежный проходной сепаратор с гравитационно-инерционной ступенью, противоточный;

г)то же с «косым потоком»;

д)гравитационно-инерционный проходной сепаратор с вращающейся внутри зоны разделения «корзинкой»;

е)воздушный сепаратор с внутренней циркуляцией;

1,2,3 – исходный, крупный и мелкий продукты, В – воздух.

Сепаратор на рис. 124, поз. «б» позволяет повысить эффективность процесса за счет установки в зоне разделения местных сопротивления, в частности пересыпных полок до уровня вибро­грохотов при граничной крупности 0,1...3 мм.

Переход к более низ­ким границам разделе­ния при сохранении вы­сокой производительно­сти требует превышения уровня сил тяжести. Это обеспечивают центро­бежные классификато­ры, примеры аэродина­мических схем которых показаны на рис. 124, поз. «в», «г».

Оба они относятся к центробежным проходным аппаратам, перед которыми установлена гравитационно-инерционная ступень. Кроме того, первый из них имеет чисто противоточный характер, второй - с «косым» потоком, причем в центробежной зоне реали­зуется широкий спектр взаимных ориентаций альтернативных сил, вследствие чего эффективность этого аппарата ниже. Осо­бенностью таких конструкций является подача материала в аппа­рат вместе с несущим газом в состоянии аэросмеси, это делает их употребительными в замкнутых циклах измельчения с вентили­руемыми мельницами.

К этому же классу пневмоклассификаторов относится и аппа­рат 124, поз. «д», где центробежные эффекты дополняются гра­витационной и инерционной классификацией. Вращающаяся внутри зоны разделения корзинка отбрасывает крупные частицы к периферии зоны, усиливая центробежные воздействия на час­тицы, создаваемые потоком газа.

В пневмоклассификаторах с внутренней циркуляцией несу­щего газа (см., например, рис. 124, поз. «е»), организованной за счет встроенного вентилятора, улавливание мелкого продукта класси­фикации также происходит в зоне разделения. Существуют цир­куляционные классификаторы и с выносными вентиляторами и циклонами (рис. 125).

Рис. 125 Сепаратор с внешним вентилятором и осадителями.

1 – приемник крупной фракции; 2 – улитка; 3 – внешние циклоны; 4 – вращающийся диск; 5 – корпус сепаратора; 6 – крыльчатка; 7 – крышка; 8 – патрубок ввода исходного материала; 9 – приводной двигатель диска 4; 10 – коллектор циркулирующего очищенного воздуха; 11 – центробежный вентилятор; 12 – напорный воздуховод.

Воздушные сепараторы имеют более широкие возможности регулирования параметров процесса, чем грохоты, где граничный размер идеальной классификации равен размеру ячеек сита и мо­жет только уменьшаться при одновременном снижении эффективности. В общем случае параметры воздушных сепараторов регулируются изменением уровня сил тяжести и сил аэродинамического сопротивления, а также их взаимной ориентации (последнее со­пряжено с потерей эффективности и применяется редко). В этом смысле наиболее эффективны центробежные сепараторы, поскольку в гравитационных аппаратах ускорение (плотность) сил равно ускорению свободного падения, т.е. постоянно. В цен­тробежных аппаратах уровень массовых сил изменяют, меняя крутку потока, в первую очередь, за счет изменения угла установ­ки закручивающих лопаток. Регулирование граничной крупности в проходных сепараторах за счет расхода несущего газа, как правило, имеет ограниченные пределы, так как этот расход обычно связан с установленным последовательно с сепараторами другим технологическим оборудованием (вентилируемые мель­ницы, системы пылеулавливания). В циркуляционных сепараторах изменение расхода вентилирующего газа достигается изменением скорости вращения крыльчатки встроенного вентиля­тора, которое в аппаратах для крупнотоннажных производств бы­вает преимущественно дискретным за счет изменения передаточ­ного отношения привода рабочего вала сепаратора.

Основы теории воздушных сепараторов.

Разделение смеси сыпучих материалов на классы в воздушных сепараторах происходит вследствие различного действия массовых сил и сил аэродинамиче­ского сопротивления на частицы разных размеров и, следовательно, большей скорости движения, приобретаемой крупными частицами. Схемы аппаратов должны обеспечивать регулирование сил, действую­щих на частицу, и движение частиц различной крупности в разных направлениях. Частицы граничного размера находятся в динамическом равновесии и в зависимости от колебаний режима движения газовой смеси попадают в крупный или в мелкий класс.

На рис. 126 показаны три характерные зоны разделения сепараторов.

Рис. 126 Зоны разделения сепараторов:

а – вертикально-проточная; б – противоточно-центробежная; в – центробежная поперечно-поточная.

Направление движения частицы в вертикальном газовом потоке (рис. 126, поз. «а») зависит от соотношения сил аэродинамической и тяжести, действующих на частицу.

При равенстве действующей на частицу аэродинамической силы газа Р и силы тяжести G, частица зависает (витает) в потоке газа. Размер такой частицы является «границей» разделения смеси. Более мелкие частицы уносятся потоком газа со скоростью _м , а более крупные - выпадают со скоростью _кр .

Аэродинамическую силу газа, действующую на частицу неправильной формы, условно заменяют эквивалентной силой, действующей на шар того же объема и массы; эту замену учитывают коэффициентом формы К_ф.

По методу В. А. Баумана необходимо предварительно определить аэродинамическую силу сопротивления частиц при обтекании ее внешним воздушным потоком:

где С₀ – коэффициент аэродинамического сопротивления шаровид­ной частицы; ρ_г - плотность газа, кг/м³; d – приведенный размер частицы м; _о - скорость обтекания частицы газом, м/с.

Коэффициент формы для шаровидных частиц К_ф = 1,0; для овальных К_ф = 1,1; для пирамидальных К_ф = 1,5; для продолго­ватых К_ф = 1,76, для игольчатых К_ф = 3,8.

Коэффициент С₀ зависит от режима движения газа, оцениваемого числом Рейнольдса. При скорости движения газа в сепараторах 4 – 20 м/с и размере частиц 0,1 - 1,0 мм число Рейнольдса Re = 50…2000. При таком режиме:

где v - кинематическая вязкость газа, м²/с (для воздуха v = 1,5 ^. 10^-5 м²/с). Обозначим силу веса частицы G.

Условие витания частицы: P = G или

где _м - плотность материала частицы, кг/м³,

_вит - скорость витания частицы, м/сек,

При этом условии частицы «зависают» и скорость _о обтекания их воздухом или газом равна абсолютной скорости _в движения воздуха.

Диаметр частицы, по которому проходит граница разделения, d_гр , м:

Скорость, при которой происходит витание частицы:

Если частица движется в потоке газа (Р > G), то скорость ее движения _ч равна разности скоростей движения газа и витания частицы: _ч = _в - _{вит .}

В противоточно-центробежной зоне разделения (рис. 126, поз. «б») газ движется по спирали. Мелкие частицы, для которых аэродинамиче­ская сила газа Р больше центробежной силы Р_ц, движутся к центру, а крупные – к периферии. Выразим Р_ц :

где m‌_ч – масса граничной частицы ,

R – радиус вращения частицы массой m‌_ч ;

и _r , - касательная и радиальная составляющие скорости потока газа соответственно, м/с.

Условие равновесия частиц граничного размера Р_ц = Р или

откуда граничный диаметр разделения:

В центробежной поперечно-поточной зоне разделения (рис. 126, поз. «в») на частицу действуют центробежная сила Р_ц, аэродинамическая сила газа Р, направленная вверх, и сила тяжести G. Крупные ча­стицы, на которые преобладающее влияние оказывают центробежные силы, движутся в горизонтальном направлении к периферии и при касании стенки, потеряв скорость, оседают. Мелкие частицы выносятся потоком вверх. Частицы граничного размера в течение некото­рого времени перемещаются по вертикали на расстояние h и по горизонтали на расстояние l.

Границу разделения можно определить из условия равенства времени движения частицы по вертикали t_вер и горизонтали t_гор: t_вер = t_гор или

где _вер и _гор - скорость движения частицы соответственно по вертикали и горизонтали.

Скорость движения частицы по вертикали _вер = _в - _вит . Скорость движения частицы в горизонтальном направлении _гор , определенная из равенства воздействий на частицу в радиальном ( в направлении к центру) центробежной силы и аэродинамической силы газа, выразим:

где а_ц – центростремительное ускорение, м /с² ;

d_гр – граничный диаметр разделения частиц, м :