397

Глава 7. Оборудование для очистки и сепарирования сыпучего сельскохозяйственного сырья

Науку часто смешивают с знанием. Это глубокое недоразумение. Наука есть не только знание, но и сознание, т.е. уменье пользоваться знанием как следует. Ключевский Василий ОСИПОВИЧ (1841–1911), русский историк

Глава 7

Оборудование для очистки

И сепарирования сыпучего

Сельскохозяйственного сырья

Очистка – процесс отделения посторонних примесей из исходного сыпучего материала.

Сепарирование – процесс разделения сыпучих материалов на фракции, различающиеся физическими и геометрическими размерами. Для разделения сыпучих материалов на фракции используют следующие признаки: плотность частиц, линейные размеры, аэродинамические и ферромагнитные свойства, состояние поверхности и др.

…признаваться в незнании, на мой взгляд, одно из лучших и вернейших доказательств наличия разума. Монтень Мишель де КОЛЬЕ (1533–1592), французский философ и писатель

7.1. Научное обеспечение процессов очистки и сепарирования сыпучего сельскохозяйственного сырья

Часть сыпучего продукта, имеющего размеры ячеек сита и проходящего через ситовую поверхность, называется проходом, а частицы продукта, которые не пройдут по размерам сквозь отверстия сита и ссыпаются с него через край, образуют сход.

Для нормальной организации процесса разделения сыпучего продукта необходимо выполнить основное условие просеивания – скольжение частиц продукта по поверхности сита.

В связи с тем, что в промышленности неподвижные сита редко применяются, ввиду их малой производительности и громоздкости, рассмотрим более подробно механизм просеивания в машинах с подвижными ситами, отвечающих современным требованиям производства.

Предельное ускорение, при котором сила инерции становится равной силе трения, называется критическим ускорением и для случая скольжения плоских частиц по ситу равно а_кр = fg, где f – коэффициент трения скольжения частицы по ситу; g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Ситовой корпус подвешивают к станине машины с помощью плоских стальных пластин и приводят в колебательное движение посредством кривошипно-шатунного механизма.

Предельная частота вращения кривошипа n_n (с^-1) при котором частица не отделяется от сита, находится из формулы

,

где r – радиус кривошипа, м; α – угол наклона сита к горизонту, град.

По аналогии определяют основные параметры и для других кинематических схем.

Для горизонтальных сит с колебаниями в наклонной прямой

,

где β – угол наклона подвески сита к вертикали, град.

Для наклонных сит с колебаниями в наклонной плоскости при β = α

,

где n^_n – частота вращения кривошипа, при которой частица начинает перемещаться либо вниз – знак (–), либо вверх – знак (+).

Процесс сепарирования движущегося сыпучего продукта состоит из двух одновременно происходящих стадий. На первой стадии (самосортировании) частицы, имеющие меньшие размеры, большую плотность, меньшее значение коэффициента внутреннего трения и удобно обтекаемую форму, перемещаются из верхних слоев в нижние и достигают поверхности сита. Вторая стадия (собственно просеивание частиц) происходит при относительном движении их по ситу. Однако для эффективного протекания процесса обе стадии требуют различного кинематического режима движения сита: при увеличении ускорения улучшается самосортирование, а для успешного осуществления просеивания необходимо ограничивать максимально допустимые пределы ускорения.

При возвратно-поступательном движении ситового корпуса в кривошипно-шатунном механизме возникают силы инерции, переменные по величине и направлению. Через шатун и кривошип эти силы передаются на подшипники и опоры ведущего вала, что вызывает повышенный износ механизмов и снижает их работоспособность.

Для уменьшения негативного воздействия сил инерции производят их уравновешивание следующими основными способами: использованием спаренных механизмов; уравновешиванием ситового корпуса с кривошипно-шатунным механизмом посредством вращающегося груза и уравновешиванием ситового корпуса с помощью балансирующего механизма.

Для ограничения амплитуд колебаний ситового корпуса применяют амортизаторы различных конструкций: с применением силы трения элементов или с использованием сил упругости элементов.

Для уравновешивания сил инерции в зерноочистительных сепараторах с возвратно-поступательным движением используют также эксцентриковые и инерционные колебатели.

Пневмосепарирование основано на различии сопротивлений, оказываемых отдельными частицами воздушному потоку, что обусловлено их различными аэродинамическими свойствами.

Рассмотрим схему действия воздушного потока на частицу. На частицу массой m действует сила тяжести G = mg и сила сопротивления воздушного потока

,

где  – коэффициент аэродинамическою сопротивления; F_M – площадь проекции частицы на плоскость, нормальную к вектору относительной ее скорости (миделево сечение), м²; v – относительная скорость частицы в воздушном потоке, м/с;  - плотность воздуха, кг/м³.

Значение коэффициента  зависит от формы частицы, состояния ее поверхности и режима потока воздуха, обтекающего ее, т. е. от числа Рейнольдса (Rе).

В вертикальном восходящем потоке воздуха сила тяжести G и сила сопротивления R, действующая на частицу, всегда противоположны. Таким образом, отношение R/G определяет направление движения частицы: при R/G < 1 частица движется вниз; при R/G > 1 – вверх и при R/G = 1 частица находится в равновесии.

Из соотношения R = G можно найти скорость витания или критическую скорость:

или .

Наибольшее влияние на эффективность пневмосепарирования оказывают: удельная нагрузка продукта на канал q; средняя скорость воздушного потока v_в; выравненность воздушного потока Ф_В; физико-механические свойства примесей сепарируемой смеси и степень засоренности; размеры и конструктивное решение пневмосепарирующих каналов; начальная скорость и условия ввода сепарируемой смеси в пневмосепарирующий канал и др.

Аналитическую зависимость перемещения частицы в пневмосепарирующем канале получил В.В. Гортинский:

,

где k = F_M /(2m) – коэффициент пропорциональности силы аэродинамического сопротивления; t – время, с; v – относительная скорость движения частицы в канале, м/с;  – коэффициент.

Коэффициент извлечения легких примесей в пневмосепарирующем канале

,

где А – коэффициент, зависящий от v_ф и от свойств компонентов, м^-2с;

, ,

здесь v_ф – скорость фильтрации, м/с; t – время, с; q_t – удельная нагрузка, кг/м²; H₀ – начальная толщина слоя продукта, м; L_x – длина рабочего канала, м; _t – плотность псевдоожиженного слоя тяжелого компонента, кг/м³; Н_Т – толщина слоя тяжелого компонента, м.

Магнитное сепарирование. Очистку сырья и промежуточных продуктов от металломагнитных примесей производят на магнитных сепараторах с постоянными магнитами или электромагнитами.

Металломагнитные примеси разнообразны по форме, размерам и происхождению: случайно попавшие мелкие металлические предметы, продукты износа рабочих органов и др.

По способу удаления металломагнитных примесей из движущегося потока продукта различают три типа магнитных сепараторов: с верхним расположением магнитов, с нижним расположением магнитов и барабанные магнитные сепараторы с вращающейся немагнитной обечайкой.

Для нормального отделения металломагнитных примесей в магнитном поле необходимо выполнение следующего условия:

,

где F_м – сила притяжения металломагнитной частицы к магниту, Н; V = m– объем частицы, м³; т – масса частицы, кг;  – плотность частицы, кг/м³; Н – напряженность магнитного поля, А/м; F_с – сила сопротивления, Н; х – удельная объемная магнитная восприимчивость частицы, м³/кг; grad H – градиент напряженности поля, представляет собой производную dH/dr в направлении r (наибольшего возрастания напряженности Н).

В общем случае уравнение для времени осаждения металломагнитных примесей имеет вид

,

где K – коэффициент сопротивления среды, см^-1; Н – толщина слоя очищаемого продукта, м; А – коэффициент, характеризующий магнитное поле (А = (2 + 12)10³), см³с^-2; n – угловая скорость барабана, с^-1.

Данное уравнение определяет эффективность первой стадии процесса магнитной сепарации.

Вторая стадия заключается в удерживании извлеченной металломагнитной примеси на поверхности магнитного экрана от смывания ее потоком очищенного продукта и определяется соотношением смывающей силы потока и удерживающей способности магнита.

Эффективность работы рассева оценивается следующими показателями: нагрузкой, коэффициентом недосева, коэффициентом извлечения. Нагрузка представляет собой количество исходной смеси, поступающей в рассев в единицу времени.

Коэффициент недосева (%) характеризует неоднородность фракций и показывает относительное содержание мелких, проходовых фракций в продуктах, полученных сходом с сита, и вычисляется по формуле

,

где m₀ – масса проходовой фракции, кг; m – масса извлеченного продукта, кг; m_c – масса исходной смеси, кг.

Коэффициент извлечения (%) равен отношению массы извлеченного продукта к массе того же продукта, содержащегося в исходной смеси, т. е. он показывает, какую часть данной фракции удается выделить из исходной смеси:

.

Взаимосвязь коэффициентов недосева и извлечения определяется уравнениями

и ,

где И – относительное содержание проходовой смеси, %.

Человек образованный – тот, кто знает, где найти то, чего он не знает. Зиммель Георг (1858–1918), немецкий философ и социолог