Раздел 4. Механические процессы и аппараты
12Ч., в т.Ч. Лаб. Раб. И практ. Занят 4ч.
Студент должен:
знать:
устройство и принцип действия машин и аппаратов для измельчения, классификации, смешивания, перемещения твердых материалов;
условия проведения механических процессов;
принципы расчета материального баланса;
принципы выбора оборудования для ведения механических процессов;
уметь:
выбирать машины и аппараты (для проведения механических процессов) в зависимости от условий их использования.
Тема 4.1. Измельчение твердых материалов 4ч., в т.Ч. Лаб. Раб. И практ. Занят 2ч.
Процесс измельчения. Способы измельчения. Классификация методов измельчения и применяемого оборудования.
Крупное, среднее и мелкое дробление. Тонкое и сверхтонкое измельчение.
Измельчение твердых материалов
Измельчение – процесс многократного разрушения твердого тела на части под действием внешних сил, превышающих силы молекулярного притяжения в измельчаемом теле.
Процесс измельчения сопровождается многократным увеличением удельной поверхности измельчаемого материала, что позволяет резко интенсифицировать химические и массообменные процессы, скорость которых определяется площадью межфазного взаимодействия.
При проведении процессов измельчения учитывают следующие свойства твердых тел:
прочность при сжатии и изломе:
Очень прочные........................................................................> 1800
Прочные................................................................................1500...1800
Средней прочности..............................................................1000...1500
Мягкие....................................................................................500...1000
Особо мягкие..........................................................................100...500
С низкой механической прочностью…………………………< 100
твердость оценивается по 10-балльной шкале Мооса. За нулевой балл принята твердость талька, за десятый – твердость алмаза. Твердость твердых тел определяет не только параметры проведения процесса измельчения, но и скорость изнашивания применяемых при этом рабочих органов машин.
Поскольку исходный измельченный материал содержит частицы различного размера, для их характеристик используют следующие величины: наибольший dmax и наименьший dmin диаметры частиц в анализируемом материале, размах варьирования R = dmin/dmax, средний диаметр частиц dср.
Так как частицы твердого материала имеют неправильную форму, при расчетах используют их эквивалентный диаметр либо размер отверстий сит, через который они просеиваются.
Важное значение для оценки измельченного материала имеет удельная поверхность его частиц, а также гранулометрический состав, характеризующий долю или процент массы частиц каждого класса крупности в пробе.
Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения – отношением среднего размера твердого тела до измельчения dср. н к среднему размеру материала после измельчения dср. к
В зависимости от назначения оборудования меняется и степень измельчения, которая для машин крупного измельчения составляет i = 3 ... 8, для мелкого и тонкого измельчения – до i = 100.
В зависимости от крупности исходного и измельченного твердого материала различают процессы дробления и измельчения. Эти процессы в зависимости от конечной крупности получаемого материала, условно разделены на несколько стадий, представленных в табл. 17.1.
Дробление твердых материалов обычно осуществляют сухим способом, а тонкое измельчение – мокрым способом, что исключает пылеобразование и облегчает транспортирование получаемых продуктов.
Основными способами измельчения являются удар, раздавливание, истирание, раскалывание и резание (рис. 17.1).
При ударе (рис. 17.1, а, б) под действием динамических нагрузок в теле возникают напряжения, приводящие к его разрушению. При этом различают разрушение при стесненном и свободном
ударе. Стесненный удар обеспечивается наличием нескольких рабочих органов, оказывающих воздействие на тело. Свободный удар обеспечивается столкновением с рабочим органом машины или другим измельчаемым телом. Удар применяется в роторных и молотковых дробилках, молотковых и струйных мельницах, дезинтеграторах.
При раздавливании (рис. 17.1, в) определяющими являются напряжения сжатия под действием статической нагрузки между рабочими органами. Раздавливание применяется в щековых дробилках.
При истирании (рис. 17.1, г) основные разрушающие напряжения – напряжения сдвига. Истирание в комбинации с раздавливанием применяется в валковых и шаровых мельницах, валковых и конусных дробилках.
При раскалывании (рис. 17.1, д) в теле создаются изгибающие напряжения, этот способ измельчения применяется в дискозу6ых дробилках.
При резании (рис. 17.1, е) возникают напряжения сдвига, этот способ применяется при измельчении пластичных материалов, древесных отходов, бумаги и т. п.
Схемы измельчения
Осуществление процесса измельчения любым способом связано с затратой большого количества энергии, поэтому основной принцип, положенный в основу схемы измельчения, - «не дробить ничего лишнего». Полученный после каждой стадии измельченный продукт подвергается рассеву (классификации). Более крупные куски возвращаются на повторное измельчение, а куски требуемых размеров поступают на следующую стадию.
При этом, чем прочнее материал, тем меньше выбирается значение степени измельчения, а следовательно, увеличивается число самих стадий.
Измельчение может осуществляться в открытом и замкнутом циклах, а также в один или несколько приемов.
При измельчении в открытом цикле (рис. 17.2, а, б) твердый материал проходит через измельчающее устройство только один раз. По такой схеме проводят измельчение, когда нет необходимости соблюдать четкий размер частиц в продуктах размола. В ряде случаев для сокращения энергозатрат исходный материал классифицируют и измельчают только крупные куски, а отделенную мелочь присоединяют к конечному продукту (см. рис. 17.2, б).
При измельчении в замкнутом цикле (рис. 17.2, в, г) измельчающая машина функционирует совместно с классифицирующим и транспортирующими устройствами, при помощи которых крупный продукт непрерывно возвращается на повторное измельчение. Такие схемы, позволяющие рационально использовать энергию и повысить производительность оборудования, используют для получения конечного продукта однородного состава.
Количество материала, возвращаемого на повторное измельчение, называемое циркуляционной нагрузкой, может изменяться в пределах 25...600 % от количества исходного материала.
Оборудование для измельчения
Измельчающее оборудование классифицируют:
по организации процесса (периодические и непрерывные);
по крупности измельчаемого продукта (машины крупного, среднего и мелкого дробления, тонкого и коллоидного измельчения);
по применяемому в них способу измельчения (раскалывающего и разламывающего действия; раздавливающего действия; истирающего и раздавливающего действия; ударного действия; ударного и истирающего действия; коллоидное измельчение).
Наиболее общим является способ классификации по виду энергии, используемой для измельчения: механические дробилки; механические мельницы (с мелющими телами); взрывные, пневматические, электрогидравлические, электроимпульсные, электротермические размольно-дробильные аппараты; аэродинамические и пневмомеханические мельницы (струйные аппараты без мелющих тел).
Щёковые дробилки (рис. 17.3) применяют для дробления крупного кускового материала. Состоит из неподвижной щеки 1 и подвижной щеки 2, шарнирно подвешенной на оси 3 таким образом, что при качании она то приближается к неподвижной щеке, то удаляется от нее. Движения эти создаются вращением вала 4, сообщающего возвратно-поступательное движение шатуну 11, соединенному с распорными плитами 10. Плиты 10 шарнирно соединены с подвижной щекой 2 и распорными клиньями 6 и 7, позволяющими изменять ширину выпускной щели, а следовательно, и степень измельчения материала.
Дробление твердого материала, подаваемого сверху, осуществляется в момент сближения подвижной щеки и неподвижной. При прохождении между ними вниз размер частиц измельчаемого продукта уменьшается. Перемещение подвижной щеки в период холостого хода осуществляется под действием собственного веса и тяги 9 с пружиной 8.
Поскольку цикл работы щековой дробилки состоит из периодов измельчения (с затратой энергии) и холостого хода (без затрат энергии), нагрузка на приводной двигатель является неравномерной. C целью ее выравнивания вал 4 сна6жен двумя маховиками 5, аккумулирующими энергию при холостом ходе и отдающими ее при рабочем ходе.
Достоинства щековых дробилок – простота и надежность конструкции, широкая область применения, компактность и легкость обслуживания.
Недостатки – периодический характер воздействия дробящего усилия и неуравновешенность движущихся масс, вызывающие шум и вибрацию.
Конусные дробилки применяют для крупного, среднего и мелкого измельчения, они отличаются постоянным воздействием на дробимый материал дробящей поверхностью.
Известны два типа конусных дробилок.
1. Конусная дробилка с подвесным валом и головкой в виде крутого конуса (рис. 17.4, а) состоит из наружного конуса 1, внутри которого помещен подвижный дробящий конус 2, установленный на валу 9, подвешенном на сферической опоре 4. Нижний конец вала 9 свободно вставлен в эксцентриковый стакан 5, который получает вращение от шкива 6 через зубчатую передачу 7. Благодаря наличию эксцентриситета геометрические оси наружного и внутреннего конусов не совпадают, а имеют лишь общую точку пересечения в месте подвеса. Поэтому при вращении эксцентрикового стакана 5 ось вала 9 описывает коническую поверхность вокруг этой точки, т. е. совершает круговое, так называемое, гирационное качание. Вместе с валом круговые качания совершает и дробящий конус. Он не вращается принудительно от приводного механизма машины, а только катится по внутренней поверхности наружного конуса; при приближении к нему материал измельчается, а при отдалении от него – опускается вниз к разгрузочному отверстию.
Материал загружается в дробилку через воронку 3, а измельченный продукт разгружается либо по наклонному желобу 8 сбоку, либо под дробилку, уменьшая ее высоту и предотвращая забивание ее материалом.
2. Конусная дробилка с консольным валом и головкой в виде полого конуса (грибовидная дробилка) (рис. 17.4, б) отличается от описанной ранее формой головки и корпуса. Корпус 2 представляет собой конус, расширяющийся в ту же сторону, что и пологий конус 3 дробящей головки, причем их стенки на определенной длине параллельны и образуют узкую щель (зону параллельности). Корпус 2 связан, и станина 5 амортизируется пружинами 4, расположенными по периметру корпуса.
Основной вал дробилки установлен консольно и опирается на шаровой подпятник 6; на верхнем конце вала установлена тарелка 1, с которой куски материала равномерно сбрасываются в дробилку при качаниях вала. Степень измельчения регулируется подъемом или опусканием корпуса.
В грибовидных дробилках достигаются большая производительность и высокая степень измельчения (i = 10...30).
Для более мелкого измельчения применяют короткоконусные дробилки с большей зоной параллельности и большим углом наклона конуса.
Достоинства конусных дробилок: высокая производительность из-за непрерывности измельчения материала одновременно раздавливанием и изгибом; спокойная, уравновешенная работа; высокая степень измельчения.
Валковая дробилка (рис. 17.5) состоит из двух параллельно расположенных гладких или зубчатых цилиндрических валков 1 и 2, установленных в станине 3 машины и вращающихся навстречу
друг другу. При вращении они захватывают поступающий сверху материал и дробят его раздавливанием.
Для предохранения валков от аварии в случае попадания в них кусков более твердых материалов валок 1 устанавливается в подвижных подшипниках и удерживается в заданном положении силой пружин 4, которые при увеличении давления позволяют валку отходить влево. Степень измельчения валковой дробилки не более 10 и регулируется изменением расстояния между валками. В зависимости от свойств исходного материала степень измельчения составляет i = 10...15 для зубчатых и i = 3...8 для гладких валков.
Молотковые дробилки (рис. 17.6) – машины ударного действия и используются, как правило, для измельчения малоабразивных материалов.
В корпусе 1 дробилки, футерованном броневыми зубчатыми плитами 2, на горизонтальном вращающемся валу 3 насажены
диски 4 с шарнирно закрепленными на них ударными молотками 5. Исходный материал подается через загрузочное отверстие 7, подхватывается молотками, частично разбивается ими на лету, а частично измельчается ударом о плиты корпуса. Измельченный материал высыпается из машины через колосниковую решетку 6. Конечные размеры измельчаемого материала определяются размерами отверстий разгрузочной решетки.
Молотковые дробилки различают по числу роторов (одно- и двухроторные), а также по расположению молотков в одной или нескольких плоскостях вращения (одно- и многорядные). Степень измельчения в однороторных дробилках i = 10...15, в двухроторных i = 30...40.
Дезинтегратор (рис. 17.7) состоит из двух дисков 1 и 2, закрепленных на соосных валах 5 и 9. Диски приводятся во вращение в противоположных направлениях от шкивов 6 и 8. На дисках по концентрическим окружностям расположены пальцы (била) 3. Каждый ряд пальцев одного диска расположен с небольшим зазором между двумя рядами пальцев другого диска.
Материал поступает в дезинтегратор сбоку через питатель 4 и измельчается ударами быстровращающихся пальцев. Измельченный материал удаляется через разгрузочный конус 7.
Достоинства дезинтеграторов – простота устройства и компактность, высокие производительность и степень измельчения, надежность в работе.
Недостатки – повышенное изнашивание консольно закрепленных пальцев; большое пылеобразование; значительный расход энергии.
Б
Вращающаяся барабанная мельница (рис. 17.8) представляет собой враща‑
ющийся барабан 1, в который помещены дробящие тела (шары) 2 и измельчаемый материал. При вращении барабана шары и материал под действием трения и центробежной силы поднимаются до некоторой высоты, а затем падают и скатываются вниз. Измельчение материала при этом происходит как от удара падающих шаров, так и от истирания его между шарами и внутренней поверхностью мельницы.
Вращающиеся барабанные мельницы могут работать как периодически, так и непрерывно.
Эти мельницы хорошо работают, если влажность измельчаемого материала меньше 5 %. При влажности измельчаемого материала 8...15 % мельница пёрестает работать из-за налипания материала на шары. Однако, начиная с влажности 20 ... 30 % и выше,
мельница вновь начинает работать, даже более эффективно по сравнению с размолом сухого вещества.
Шаровые мельницы отличаются универсальностью, постоянством степени измельчения в течение длительного периода работы, надежностью, безопасностью и простотой обслуживания.
Недостатки шаровых мельниц – громоздкость и большой вес; низкий КПД; изнашивание мелющих тел (шаров) и загрязнение материала продуктами изнашивания, шум во время работы.
Коллоидные измельчители обеспечивают величину измельчаемого продукта менее микрона. Измельчение осуществляется чаще всего мокрым способом. Основными частями коллоидного измельчителя являются корпус с коническим гнездом и ротор. Между конической поверхностью корпуса и поверхностью ротора устанавливается зазор для подачи суспензии, равный долям миллиметра, в котором твердые частицы измельчаются истиранием.
Механохимическая активизация
Исследования процессов в мельницах показали, что измельченные материалы аккумулируют значительно большую энергию, чем та, что идет на образование новой поверхности. Они также позволили определить, что твердые тела в зависимости от условий измельчения (интенсивности подвода энергии, свойств вещества, длительности процесса и т. д.) аккумулируют 8...30 % подведенной энергии.
Эта энергия делает твердое тело химически столь активным, что становятся возможными химические превращения, которые были в иных условиях нереализуемы.
При создании напряженного состояния твердого тела часть подведенной механической энергии накапливается в нем в виде новой поверхности и линейных точечных дефектов. В свою очередь, химические свойства кристаллов определяются наличием в них дефектов, их природой и концентрацией.
С помощью механической активации изменяется структура твердых тел, ускоряются процессы диффузии при пластических деформациях, образуются активные центры на новых поверхностях (как внешних, таки внутренних), возникают импульсы высоких локальных температур и давлений при продвижении трещин, эмиссия электронов высоких и средних энергий при образовании трещин и т. д.
Эти явления наиболее интенсивны в процессе деформации твердых тел, особенно при высокой скорости подвода к ним энергии. Проведенные исследования показывают, что накопленную энергию можно использовать для интенсификации различных процессов с участием активированной твердой фазы:
существенного повышения реакционной способности твердых тел;
ускорения твердофазных и каталитических реакций, реакций в полимерных системах;
повышения скоростей диффузии, тепло- и массообмена при реализации комбинированных процессов в системах газ – твердое тело, жидкость – твердое тело;
увеличения растворимости, т. е. скоростей растворения, и сублимации твердых тел.
Контрольные вопросы
1. Какова основная цель процесса измельчения?
2. Какие существуют основные способы измельчения?
3. По каким показателям осуществляют классификацию оборудования для измельчения?
4. Какие устройства используются для осуществления процесса измельчения?
5. В чем заключается сущность механохимической активизации?