Методичка 5018
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ
Москва
2015
0
Составители: С. И. Антонов, Н. Н. Лясникова, Е. С. Соколов-Бородкин
УДК 66.022.51 ББК 35.116
М55
Рецензенты:
Кандидат технических наук, профессор Российского химикотехнологического университета имени Д. И. Менделеева
Е. П. Моргунова
Кандидат технических наук, профессор Московского государственного машиностроительного университета
И. В. Скопинцев
Механические процессы и аппараты химической технологии.
Измельчение: учебно-методическое пособие / сост.: С. И. Антонов, Н. Н. Лясникова, Е. С. Соколов-Бородкин. – М.: РХТУ им. Д. И.
Менделеева, 2015. – 56 с.
ISBN 978-5-7237-1257-7
В данном пособии приведены основные сведения о механических процессах измельчения сыпучих материалов.
Рассмотрены вопросы устройства, работы и эксплуатации технологического оборудования для измельчения.
Представлены конструкции наиболее распространенных машин.
Данное пособие предназначено для студентов 2 курса очного и заочного отделений.
УДК 66.022.51 ББК 35.116
SBN 978-5-7237-1257-7 |
© Российский химико-технологический |
|
университет им.Д. И. Менделева, 2015 |
2
Введение
В химической и смежных отраслях промышленности широко применяются процессы измельчения, смешивания и сортировки сыпучих материалов. Темпы развития химической и других отраслей промышленности требуют совершенствования конструкций оборудования для измельчения, смешивания и классификации, повышения его надежности и работоспособности. Кроме того, остро стоит проблема снижения себестоимости продукции, повышения ее качества и увеличения рентабельности производств.
Данная проблема может быть решена широким внедрением новой техники и повышением эффективности использования действующего оборудования.
Необходимая интенсификация механических процессов может быть достигнута только на основе глубоких знаний как принципа действия и конструкций соответствующего оборудования, так и особенностей его эксплуатации.
Целью настоящего учебного курса является ознакомление с основными конструкциями, методиками расчета соответствующего оборудования, а также расчета отдельных узлов оборудования.
3
1. Физико-механические свойства сыпучих материалов
Под сыпучим материалом понимают дисперсную систему, состоящую из твёрдых частиц произвольной формы, находящихся в контакте. Пространство между частицами может быть заполнено газом или жидкостью.
Между частицами сыпучего материала могут возникать силы взаимного притяжения. В этом случае сыпучий материал называют связанным. В идеальном сыпучем материале силы связи между частицами отсутствуют.
К сыпучим материалам относится продукция производств удобрений, строительных материалов (цемент), моющих средств, красителей. Их получают добычей из естественных карьеров, измельчением твердых веществ, выделением из суспензий, кристаллизацией. Рассмотрим некоторые физико-механические свойства сыпучих материалов, оказывающие влияние на процессы их переработки.
Технический сыпучий материал – это полидисперсная система, состоящая из частиц различной формы и размеров. Основным размером частицы неправильной формы принято считать средний диаметр частиц исследуемой порции материала.
В зависимости от среднего диаметра частиц различают следующие состояния сыпучего материала:
-пылевидное (d ≤ 0,05 мм);
-порошкообразное (0,05 мм < d ≤ 0,5 мм);
-мелкозернистое (0,5 мм < d ≤ 2 мм);
-крупнозернистое (2 мм < d ≤ 10 мм);
-кусковое (d > 10 мм).
Насыпной плотностью ρн смеси частиц твердого (сыпучего) материала называют массу единицы объема сыпучего материала при свободном засыпании в измерительный стакан.
Величину ρн используют при определении необходимого объема бункеров, смесителей, при расчетах расхода энергии на перемешивание
4
сыпучего материала и т. д.
Между истинной плотностью ρ и насыпной плотностью ρн существует связь:
|
н |
1 |
, |
V |
V |
, |
(1) |
|
|
св |
|
где ε – порозность смеси частиц твердого материала, равная отношению
объема свободного пространства |
V |
|
||
св между частицами к полному объему |
||||
V |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Насыпная |
плотность сыпучего материала зависит от |
размера |
|
составляющих его частиц, влажности, плотности укладки частиц |
в слое. |
|||
Она не остается постоянной даже при покое сыпучего материала. Под влиянием вибраций стенок сосуда сыпучий материал со временем уплотняется и его насыпная плотность достигает некоторого предельного значения ρmax. В процессе движения, перемещения, смешения, наоборот,
происходит разрыхление материала. Насыпная плотность при |
этом |
уменьшается, приближаясь к предельному значению ρmin. Отношение |
ρmax/ |
ρmin для некоторых материалов достигает значений 1,52. |
|
По величине насыпной плотности различают сыпучие материалы: |
|
- лёгкие (ρн < 600 кг/м3); |
|
- средние (600 < ρн < 1100 кг/м3); |
|
- тяжёлые (1100 < ρн < 2000 кг/м3); |
|
- весьма тяжелые (ρн > 2000 кг/м3).
Углом естественного откоса α |
называют угол наклона образующей |
конуса из сыпучего материала |
к горизонтальной подложке, на |
которую свободно вытекла из воронки порция этого материала. |
|
При определении угла α исследуемый сыпучий материал выпускают |
|
из воронки на горизонтальную площадку, в результате чего там образуется
конус из материала. Для связных |
сыпучих |
материалов существует |
||
минимальный |
диаметр |
отверстия |
воронки, |
при котором над ним |
образуется устойчивый |
свод из частиц сыпучего материала, |
|||
препятствующий их истечению из отверстия. |
|
|||
5
Угол α определяет подвижность сыпучего материала, его необходимо учитывать при конструировании лотков, выпускных конических частей бункеров.
Значения угла α колеблются от 25 до 44°.
Параметры, характеризующие поведение сыпучего материала под действием внешней нагрузки:
-коэффициент внутреннего трения fвн , определяющий характер движения и перемешивания частиц материала;
-коэффициент внешнего трения f, характеризующий взаимодействие частиц с рабочими органами машин;
-начальное сопротивление сдвигу τ0 – давление, необходимое для преодоления сил сцепления частиц неподвижного слоя материала.
Значения fвн , f и τ0 для конкретных материалов определяют на специальных сдвиговых приборах. Вместо fвн и f в справочниках иногда
приводят углы внутреннего φвн и φ внешнего трения ( fвн = tg φвн , f = tg φ). |
|
Значения коэффициента внутреннего трения |
fвн колеблются от 0,35 |
до 1. |
|
Значения коэффициента внешнего трения (по стали) f колеблются от |
|
0,28 до 0,78. |
|
Изменение структуры слоя под действием |
сжимающей нагрузки |
характеризуется коэффициентом уплотнения |
k |
y |
|
k |
y |
|
н1 |
|
н2 |
, |
(2) |
|
|
|
где н1 , ρн2 – насыпные плотности соответственно до и после прессования (уплотнения).
Способность сыпучего материала вытекать с той или иной скоростью из отверстий оценивают коэффициентом текучести kт
k |
m |
tr 2,58 |
/ G , |
(3) |
|
|
|
|
где t – время вытекания сыпучего материала из воронки, с; r – радиус отверстия воронки, мм; G – навеска сыпучего материала, засыпанного в воронку, г. Значение коэффициента kт зависит от многих физикомеханических параметров и колеблется в широких пределах. (Для
6
кварцевого песка kт = 3 ÷ 4). Чем больше величина kт, тем менее подвижен материал, тем медленнее он вытекает из отверстий.
Влажность
формулам
u
и
влагосодержание
U
материала определяют по
где
u |
mв mс |
100 % , |
U |
mв mс |
100 % , |
(4) |
|
||||||
|
|
|||||
|
mв |
|
mс |
|
||
m |
и |
m |
– масса влажного и абсолютно сухого материала. |
в |
с |
Присутствие влаги в сыпучем материале увеличивает его плотность.
2. Общие сведения об измельчении
Измельчением называют процесс разрушения кусков твердого материала при критических внутренних напряжениях, создаваемых в результате какого-либо нагружения и превышающих соответствующий предел прочности. Напряжения в материале могут создаваться механическим нагружением, температурными воздействиями, ультразвуковыми колебаниями и др. Наибольшее применение в современном производстве имеют механические способы измельчения.
Измельчение делят на дробление и помол, а машины, применяемые для этих целей, называются дробилками и мельницами. В зависимости от размеров частиц продукта (конечного размера частиц dк) различают следующие виды измельчения:
-дробление крупное (100 < dк < 350 мм);
-среднее (40 < dк < 100 мм);
-мелкое (5 < dк < 40 мм);
-помол грубый (0,1 < dк < 5 мм);
-средний (0,05 < dк < 0,1 мм);
-тонкий (0,001< dк < 0,05 мм);
-сверхтонкий (dк< 0,001мм).
Основной характеристикой процесса измельчения является степень измельчения, которая определяется соотношением средних диаметров кусков исходного материала dн и продукта dк:
7
i |
d |
|
d |
||
|
н к
.
(5)
Значения dн, dк – обычно максимальные линейные размеры наибольшего куска материала.
Степень измельчения отражает технологию и определяет параметры измельчителей.
С целью обеспечения эффективности измельчение материала от исходной до конечной крупности осуществляется, как правило, в несколько приемов. Последовательный переход от крупного дробления к более мелкому и к помолу осуществляется с постадийным разделением материала по классам. Следовательно, процесс измельчения целесообразно осуществлять последовательно на нескольких измельчителях. Каждый отдельный измельчитель выполняет часть общего процесса, называемую
стадией измельчения.
Число стадий измельчения определяется требуемой степенью измельчения. Например, если в исходном твердом материале содержатся куски размером до 1200 мм, а готовый продукт должен содержать частицы с максимальным размером до 4 мм, то общая степень измельчения i =
1200/ 4 = 300.
Степень измельчения, достигаемая на одной машине, для большинства видов дробильного оборудования колеблется от 5 до 50. Поэтому для обеспечения i = 300 необходимо применить несколько стадий дробления, например: i1 = 5, i2 = 6, i3 = 10. Тогда , i = i1∙i2∙i3 = 5 6 10
=300, то есть требуется три стадии измельчения.
Вто же время следует отметить, что увеличение стадий измельчения приводит к переизмельчению материала и увеличению эксплуатационных затрат. Поэтому процесс измельчения следует осуществлять, исходя из условия обеспечения минимального числа стадий дробления.
3.Способы измельчения материалов
Взависимости от назначения и принципа действия в машинах для измельчения могут использоваться различные виды нагрузок (рис.1).
8
В каждой измельчающей машине реализуются, как правило, все способы измельчения, но главную роль играет тот, для которого она создана.
Рис. 1. Способы механического разрушения материалов:
а – раздавливание; б – раскалывание; в – разламывание; г – истирание; д – стесненный удар; е – свободный удар
Раздавливание (рис.1,а) – тело под действием нагрузки деформируется по всему объему и, когда внутреннее напряжение в нем превысит предел прочности по сжатию, разрушается. В результате такого разрушения получают частицы различных размеров и форм. (Напряжения сжатия являются определяющими.)
Раскалывание (рис.1,б) – тело разрушается на части в местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых клинообразным рабочим элементом измельчителя. Образующиеся при этом частицы более однородны по размерам и форме, хотя форма, как и при раздавливании, непостоянна. Способ раскалывания по сравнению с раздавливанием позволяет регулировать крупность получаемых частиц.
9
Разламывание (рис.1,в) – тело разрушается под действием изгибающих сил. Размеры и форма частиц, получающихся при разламывании, примерно такие же, как при раскалывании. (В теле возникают в основном изгибающие напряжения).
Истирание (рис.1,г) – тело измельчается под действием сжимающих, растягивающих и срезающих сил. При этом получают мелкий порошкообразный продукт. Истирание в комбинации с раздавливанием – один из наиболее экономичных способов измельчения.
Удар – тело распадается на части под действием динамической нагрузки. Различают свободный и стесненный удары.
При стесненном ударе (рис.1,д) тело разрушается между двумя рабочими органами измельчителя. Эффект такого разрушения зависит от кинетической энергии ударяющего тела.
При свободном ударе (рис.1,е) разрушение тела наступает в результате столкновения с рабочим органом или другим измельчаемым телом. Эффект такого разрушения определяется скоростью их столкновения независимо от того, движется разрушаемое тело или рабочий орган измельчителя.
Выбор способа измельчения производится в зависимости от прочностных свойств материала и от исходной крупности кусков.
Обычно прочность твердых материалов оценивается пределом прочности при сжатии σсж. (Прочность – свойство твердого материала сопротивляться разрушению при возникновении внутренних напряжений, появляющихся в результате какого-либо нагружения). По величине σсж измельчаемые материалы делят на:
- мягкие (σсж < 80 МПа); - средней прочности (80 < σсж < 150 МПа);
-прочные (150 < σсж < 250 МПа);
-очень прочные (σсж > 250 МПа).
Хрупкость определяется на специальном копре числом ударов мерного груза. (Хрупкость – свойство твердого материала разрушаться без заметных пластических деформаций). По числу ударов, выдерживаемых образцами, материалы делят:
10