7.1.3. Работа по измельчению (расход энергии)

Процессы измельчения связаны со значительной затратой энергии, расход которой оценивают исходя из существующих теорий.

Теория поверхностного измельчения предложена в 1867 г. П. Риттингером, согласно которой необходимая для измельчения работа пропорциональна вновь обра­зующейся поверхности измельчаемого материала:

А„=

96

' УУУУУУУУУУУУУ,

ж

д е

Рис. 7.1. Способы измельчения.

а — раздавливание; б — раскалывание; в — удар; г — истирание; д -■- раз­ламывание; е — изрезывание; ж — распиливание.

где А — работа образования новой поверхности при измельчении, Дж; а — коэффициент пропорциональ­ности, равный работе, затраченной на образование единицы новой поверхности твердого тела, образую­щейся при измельчении; зависит от свойств измель­чаемого материала и определяется опытным путем, Дж; Д/⁷ — величина вновь образованной поверхности, м². Гипотеза П. Риттингера применима для прибли­женного определения полной работы при мелком и тонком измельчении, затрачиваемой на образование новой поверхности.

Теория объемного измельчения, предложенная в 1874 г. В. Л. Кирпичевым и позднее, в 1885 г., Ф. Ки­ком, исходит из того, что при измельчении работа расходуется на деформацию материала, предшествую­щую разрушению, т. е. пропорциональна изменению (уменьшению) объема его кусков перед измельчением:

A_D= kAV,

где Ad—работа упругого деформирования разру­шаемого куска, Дж; k — коэффициент пропорцио­нальности, равный работе упругой и пластичной де­формации единицы объема твердого тела, Дж; W — изменение объема (деформированный объем) разру­шаемого куска, м³.

4 — 942

97

При этом полная работа измельчения определяется приближенно лишь для среднего и крупного измельче­ния, поскольку учитывается только работа деформи­рования объема.

В реальных условиях обычно сочетается объемное и поверхностное измельчение. Это нашло отражение в теории измельчения, предложенной П. А. Ребиндером, согласно которой расходуемая на измельчение матери­ала энергия определяется суммой работ, затрачивае­мых на деформацию измельчаемых тел и на образова­ние новых поверхностей.

А = oAF + kAV.

Указанные теории не отражают в полной мере всех явлений, происходящих при измельчении, поэтому ис­пользуются только для сравнительной оценки про­цессов.

Измельчение — энергоемкая операция, поэтому не­обходимо стремиться к уменьшению массы перераба­тываемого продукта, руководствуясь принципом — не измельчать ничего лишнего. С целью уменьшения рас­хода энергии целесообразно перед измельчением вы­делить из материала частицы мельче того размера, до которого производится измельчение, например, си­товым разделением. Процесс более экономичен при использовании машин непрерывного действия, в кото­рых продукт, достигший требуемой степени измель­чения, постоянно удаляется.

7.1.4. Машины для измельчения твердых тел

Измельчающие машины могут быть классифициро­ваны по различным признакам: степени измельчения материала, которую можно достичь с помощью ма­шин (для среднего и мелкого измельчения) и мель­ниц (для тонкого и коллоидного измельчения); спо­собу измельчения — машины изрезывающие, истираю­щие, раздавливающие, ударные, ударно-истирающие и др. В дальнейшем изложении будем придерживаться обеих классификаций, дополняющих друг друга.

7.1.4.1. Машины для среднего и мелкого измельчения

Изрезывающие машины. Применяются для измель­чения высушенного растительного лекарственного сы-

98

Рис. 7.2. Траворезка.

а — дисковая; б — барабанная; 1 — ножевой барабан, 2 — шкив; 3 — ма­ховик.

рья, которое изрезывается до размера частиц 2—8 мм (для получения сборов или производства экстракци­онных препаратов) с помощью траво- и корнерезок. Рабочим инструментом изрезывающих машин является нож или система ножей, совершающих возвратно-поступательное или вращательное движение. В не­которых случаях машина имеет две системы ножей. Один нож в этих системах двигается, другие смонти­рованы неподвижно.

4* ₉₉

Траво- и корнерезки. В зависимости от строения ножей различают траворезки дисковые и барабанные (рис. 7.2). В дисковых траворезках ножи имеют изо­гнутое лезвие и насажены на спицы рабочего колеса (рис. 7.2, а), в барабанных ножи помешаются на бо­ковой поверхности барабана, вращающегося вокруг своей оси (рис. 7.2,6).

Для измельчения плотных частей растений (корни, корневища, коры) применяются корнерезки (рис. 7.3). Отличительной их особенностью является наличие гильотинных ножей. Растительное сырье подается с помощью транспортера (2), представляющего собой брезентовую ленту или металлическую сетку, натяну­тую на два валика, из которых один совершает вра­щательное движение, обеспечивающее перемещение ленты. Транспортер помещается в глубоком лотке (1) для создания направления движения материала. Прессующие и направляющие валики с рифленой поверхностью (3), которых бывает две или три пары, вращающиеся навстречу друг другу, создают компакт­ный слой материала и продвигают его на определен­ную длину. Электродвигатель (на рис. не указан) при­водит во вращение маховик (5) кривошипного вала (4). Кривошипом приводится в движение гильотинный нож (6), совершающий возвратно-поступательное дви­жение; растительное сырье подается между нижним неподвижным (7) и верхним (6) падающим ножом, разрезается на куски определенной регулируемой ве­личины.

Раздавливающие машины. Валковая дробилка (рис. 7.4) состоит из двух параллельных цилиндри­ческих валков, которые, вращаясь навстречу друг дру­гу, измельчают материал главным образом путем раз­давливания. Валки размещены на подшипниках в корпусе, причем валок (1) вращается в неподвижно установленных, а валок (2) — в скользящих под-шинниках, которые удерживаются в заданном поло-женин (в зависимости от требуемой ширины зазора) с помощью пружины (3). При попадании в дробилку куска материала чрезмерной твердости пружины ее сжимаются, подвижный валок отходит от неподвижно­го и кусок выпадает из дробилки, при этом устраняет­ся возможность ее поломки.

В промышленности используются валковые дро­билки, отличающиеся по числу, форме и скорости

100

Рис. 7.3. Устройство корнерезки с гильотинными ножами. Объясне­ние в тексте.

Рис. 7.4. Устройство валковой дробилки. Объяснение в тексте.

Рис. 7.5. Устройство дисмембра­тора. Объяснение в тексте.

вращения валков. Привод­ной механизм состоит из двухпеременных передач от отдельного двигателя на шкив каждого валка, ок­ружная скорость которых составляет 2—4,5 м/с. Наибольший размер кус­ков измельчаемого в вал­ковой дробилке материала зависит от диаметра вал­ков и зазора между ними. Для того чтобы куски из­мельчаемого материала вследствие трения втяги­вались между гладкими валками, их диаметр дол­жен быть приблизительно в 20 раз больше диаметра максимального куска из­мельчаемого материала. Поэтому гладкие валки применяются только для среднего и мелкого из­мельчения.

Для хрупких материалов (соли и др.) применяют зубчатые валковые дробилки, которые измельчают их раскалыванием и частично раздавливанием и могут захватывать куски размером 'Д—'Л диаметра валка. Валковые дробилки компактны и надежны в ра­боте. Вследствие однократного сжатия материал не переизмельчается. Они наиболее эффективны для ма­териалов умеренной твердости.

Ударно-центробежные мельницы. Дисмембратор и дезинтегратор. Рабочими частями дисмембрато­ра (рис. 7.5) являются диски: вращающийся — со скоростью до 3000 об/мин (1) и неподвижный (3). Роль последнего выполняет внутренняя стенка кор­пуса. На внутренней поверхности дисков укреплены по концентрическим окружностям пальцы. При этом диски поставлены один против другого так, что паль­цы (2) вращающегося диска входят в свободное про-

102

Рис. 7.6. Устройство дезинтегратора. Объ­яснение в тексте.

странство между пальцами (4) неподвижного диска. Число пальцев в концентрических окружностях уве­личивается по направлению от центра к периферии. Материал, подлежащий измельчению, через загрузоч­ный бункер (5) поступает в центр дисмембратора, в зону между вращающимися и неподвижными паль­цами, где и происходит его измельчение. Под действи­ем центробежной силы частицы перемещаются от цент­ра к периферии рабочего органа дисмембратора, мно­гократно ударяются о пальцы, поверхность дисков, испытывают взаимные удары и разрушаются. Измель­ченные частицы отбрасываются в улитку (6), откуда, ударяясь о корпус дисмембратора (7) и вращающийся диск, падают вниз и выводятся из машины. Для пред­отвращения попадания в зоны измельчения механиче­ских предметов исходное сырье проходит предвари­тельно через магнитный сепаратор (8), который уста­навливается в нижней части бункера.

Дезинтегратор (рис. 7.6) конструктивно отли-

103

чается от дисмембратора тем, что его рабочие части состоят из двух входящих друг в друга, вращаюшчхся со скоростью до 1200 об/мин в противоположном на­правлении дисков (1) и (2) с пальцами (9). Каждый диск (ротор) закреплен на отдельных валах (3) и (7), которые приводятся во вращение от индивидуальных электродвигателей через шкивы (4) и (6). Материал подается в машину сбоку через воронку (8) вдоль оси дисков, отбрасывается к периферии, подхватывает­ся пальцами и, подвергаясь многочисленным ударам, измельчается и удаляется через разгрузочную ворон­ку (5) в нижней части корпуса.

7.1.4.2. Машины для тонкого измельчения

Барабанные мельницы. Материал измельчается внутри вращающегося корпуса (барабана) под воз­действием мелющих тел. В зависимости от вида ме­лющих тел различают шаровые и стержневые мель­ницы. В зависимости от формы барабана и отношения его длины / к диаметру d различают короткие (l/d — = 1,5—2,0), трубные (l/d = 3,0—6,0), цилиндро-кони-ческие мельницы (барабан имеет форму двух усечен­ных конусов, широкие основания которых соединены цилиндрической частью) и др.

Шаровые мельницы. В химико-фармацевтической промышленности для тонкого измельчения наиболее широко применяются шаровые мельницы периодиче­ского действия. Они представляют собой (рис. 7.7) пустотелый вращающийся барабан, в который через люк с плотно прижатой к барабану специальной ско­бой-крышкой загружают измельчаемый материал и мелющие тела — стальные шары диаметром от 25 до 150 мм (приблизительно на 40—45% объема бара­бана). Наилучший эффект измельчения в шаровых мельницах достигается, когда скорость вращения (чис­ло оборотов барабана) является оптимальной и соот­ветствует определенному режиму ее работы. В этот период на шар, находящийся во вращающейся мель­нице (рис. 7.7,6) действует центробежная сила Р и вес шара G, равные:

где Р — центробежная сила, Н; m — масса шара, кг; оз — угловая скорость вращения барабана, рад/с; г — радиус вращения шара (радиус барабана), м; п — число оборотов барабана в минуту, мин"¹; g — ускоре­ние свободного падения, м/с²; G — вес шара, Н. Ша­ры, поднявшись на максимальную высоту, падают по параболическим траекториям. Материал в процессе со­ударения с шарами измельчается в основном ударом, а также истиранием и раздавливанием. При скорости вращения меньше оптимальной шары поднимаются на незначительную высоту и скатываются параллель­ными слоями вниз, измельчая материал лишь раз­давливанием и истиранием, без участия удара.

Значительное увеличение числа оборотов приводит к тому, что центробежная сила становится настолько большой, что прекращает падение шаров, которые вращаются вместе с барабаном, не производя измель­чения. На рис. 7.7, б шар в точке М изображен в мо­мент его наибольшего подъема, после чего он начи­нает свободно падать по параболической траекто­рии MN. Положение шара в точке М определяется углом падения а, который можно найти из равновесия сил, действующих на шар в этой точке:

1800

900

Pcosa = mg, mg mg

cos a s= ■

где D — внутренний диаметр барабана мельницы, м. Определим критическое число оборотов п_кр, при котором шар начнет вращаться вместе со стенкой. Очевидно, шар не сможет оторваться от стенки, если достигнет самой высокой точки в барабане, для кото­рой угол <х=0 и cosa= 1. В этом случае

_ ¹⁸⁰⁰

42,4

1 800

G = mg,

Рабочее число оборотов барабана «_раб в большин­стве случаев принимается равным 75 % от критиче­ского и находится в пределах (с учетом всех слоев

104

105

Рис. 7.7. Шаровая мельница, а — общий вид; б — схема работы.

32 37

шаров) от —— до ——. Достоинствами шаровой у D -\j D

мельницы являются простота конструкции и эксплуа­тации, отсутствие распыления порошка при работе. К недостаткам относится неоднородность конечного продукта (гранулометрического состава). Это требует проведения дополнительных операций — просеивания и измельчения.

Получение продукта однородного гранулометриче­ского состава после однократного измельчения обес­печивает вертикальная шаровая мельница (рис. 7.8). Она представляет собой вертикальный цилиндриче­ский сосуд (1) с рубашкой (2) для водяного охлаж­дения или нагрева. В цилиндре размещен ротор, состоящий из вала (3) с насаженными на него дис­ками (4). Цилиндр заполнен шариками (5) диамет­ром 0,8—2 мм из базальта или кварцевого стекла. Измельчаемый продукт с помощью насоса (6) по­дается через нижнее отверстие в цилиндре. При вра­щении ротора твердые частицы материала измельча­ются в результате трения о мелющие тела и друг о друга. Готовый продукт выходит через патрубок (7) в верхней части цилиндра. Небольшие размеры мелю­щих тел и их большое количество обусловливают вы­сокую эффективность измельчения, степень которого зависит от времени пребывания продукта в мельнице и регулируется изменением скорости подачи материа­ла в цилиндр. 106

Рис. 7.8. Устройство вертикальной шаровой мельницы Объяснение в тексте.

Стержневые мельницы. По конструкции эти мель­ницы близки к шаровым, но отличаются формой ме­лющих тел. Они имеют короткий барабан, в который вместе с материалом, подлежащим измельчению, за­гружают стальные стержни диаметром 40—100 мм и длиной на 25—50 мм меньше длины барабана. При не­большом числе оборотов барабана (12—30 об/мин) стержни не падают, а перекатываются в нем, измель­чая материал раздавливанием, ударом и истиранием. При этом стержни соприкасаются с материалом во многих точках и в первую очередь дробят крупные его частицы, защищая от переизмельчения мелкие. Поэтому продукт в стержневой мельнице получается более равномерной крупности, чем в шаровой.

107

7.1.4.3. Мельницы для сверхтонкого измельчения

Вибрационные мельницы (рис. 7.9). Цилиндриче­ский корпус мельницы (1) примерно на 80% объема заполнен мелющими телами — шарами, иногда стерж­нями (2). Внутри корпуса установлен вибратор (4). Это вал с дебалансом или эксцентриковый механизм, который при работе мельницы совершает 1500— 3000 колебаний в минуту при амплитуде 2—4 мм. При этом мелющие тела и измельчаемый материал приводятся в интенсивное движение. Частицы матери­ала, вибрируя во взвешенном слое, измельчаются под действием частых соударений с мелющими телами и истираются. Для предотвращения вибрации пола кор­пус мельницы установлен на пружинах (3).

2 3

Мельницы могут измельчать как сухие, так и влажные продукты. В вибрационных мельницах весь­ма быстро достигается высокая дисперсность и боль­шая однородность размеров частиц измельчаемого

Рис. 7.9. Устройство вибра- Рис. 7.10. Устройство струйной

ционной мельницы Объясне мельницы с плоской помольной

ние в тексте. камерой Объяснение в тексте

108

продукта. Недостатком их является низкая произво­дительность, быстрый износ мелющих тел.

Струйные мельницы. Измельчение материала про­исходит в струе энергоносителя (воздух, инертный газ, перегретый пар), подаваемого в мельницу со скоростью, достигающей нескольких сотен метров в секунду.

В струйной мельнице с плоской помольной каме­рой (рис. 7.10) энергоноситель из распределительного коллектора (2), через сопла (3) отдельными струями поступает в помольно-разделительную камеру. Оси со­пел расположены под некоторым углом относительно соответствующих радиусов камеры, вследствие чего струи газа внутри камеры пересекаются. Материал на измельчение подается инжектором (струйный ком­прессор) через штуцер (1), увлекается струями газа, получает усконение и измельчается под действием мно­гократных соударений и частично истиранием частиц в точках пересечения струй. Так как струи энерго­носителя входят в зону измельчения под некоторым углом, вся масса пылегазовой смеси приобретает вра­щательное движение в направлении струй. В резуль­тате такого движения частицы оказываются в поле центробежных сил и разделяются на фракции. При этом более крупные сосредоточиваются в периферий­ной части зоны измельчения, а мелкие оттесняются к центру. Измельчившись до определенных размеров (1—6 мкм), частицы вместе с нисходящим газовым потоком, непрерывно вращаясь, вытекают из зоны из­мельчения в корпус циклона-осадителя (4), осаждают­ся на его внутренней поверхности и удаляются в при­емник (5). Наиболее мелкие частицы, содержание ко­торых 5—10 % увлекаются восходящим потоком от­работанного воздуха, уносятся через штуцер (6) и улавливаются в дополнительных циклонах или матер­чатых фильтрах.

Метод измельчения материалов в струйных мель­ницах имеет ряд существенных преимуществ по срав­нению с другими, так как позволяет сочетать измель­чение и классификацию с сушкой, смешиванием и другими технологическими процессами. К достоинст­вам метода относится: возможность получения про­дукта .с очень высокой степенью измельчения; при из­мельчении элементы мельницы практически не изнаши­ваются (отсутствуют вращающиеся детали и мелю-

109

щие тела) и, следовательно, не вносят примеси в го­товый продукт; материал в процессе измельчения не изменяет своей начальной температуры, что позволяет перерабатывать термолабильные вещества. Недостат­ком струйных мельниц является большой расход энергоносителя и, следовательно, высокая энергоем­кость процессов, необходимость равномерной подачи материала и поддерживания постоянного аэродинами­ческого режима работы.

7.2. РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗМЕЛЬЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Разделение измельченного материала на фракции (классы) осуществляется по размеру частиц. Из­вестны следующие способы разделения: механиче­ское — на ситах; гидравлическое — в зависимости от скорости осаждения частиц в воде; воздушное (се­парация) — по величине скорости их осаждения в воздухе.