- •Оборудование для физико-химической обработки материалов
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Измельчение твердых материалов
- •1.1. Физические основы измельчения
- •1.2. Классификация измельчителей
- •1.3. Устройство дробилок
- •1.3.1 Щековые дробилки
- •1.3.2 Конусные дробилки
- •1.3.3. Валковые дробилки
- •1.3.4. Молотковые дробилки
- •1.3.5. Роторные (отражательные) дробилки
- •1.3.6. Дезинтеграторы и дисмембраторы
- •1.4. Устройство мельниц
- •1.4.1. Барабанная (шаровая и стержневая) мельница
- •1.5. Циклы работы измельчителей
- •2. Классификация и сортировка материала
- •2.1. Грохочение
- •2.1.1. Способы грохочения
- •2.1.2. Устройство грохотов
- •2.1.2.1. Плоские неподвижные грохоты
- •2.1.2.2. Барабанные грохоты
- •2.1.2.3. Валковые грохоты
- •2.1.2.4. Плоские качающиеся грохоты
- •2.1.2.5. Гирационные (полувибрационные) грохоты
- •2.1.2.6. Вибрационный (инерционный) грохот
- •2.1.2.7. Вибрационный электромагнитный грохот
- •2.1.2.8. Дуговые и конусные сита (щелевые сита)
- •2.2. Гидравлическая классификация
- •2.2.1. Отстойник – конус (вертикальный отстойник)
- •2.2.2. Отстойник Брандеса (горизонтальный отстойник)
- •2.3. Механическая классификация.
- •2.3.1. Шнековые (спиральные) классификаторы
- •2.3.2. Реечные классификаторы
- •2.3.3. Гидроциклоны
- •2.4. Пневматическая классификация (воздушная сепарация)
- •2.4.1. Сепарация в псевдоожиженном слое
- •2.4.2. Классификатор с пересыпными полками
- •3. Смешивание
- •3.1. Аппараты для смешивания сыпучих и пастообразных материалов (смесители)
- •3.1.1. Барабанные смесители
- •3.1.2. Лопастные смесители
- •3.1.3. Смеситель с псевдоожижением материала вращающимся ротором
- •3.1.4. Пневмосмеситель
- •3.1.5. Гравитационно-ударный и гравитационно-лотковый смесители
- •3.1.6. Планетарно-шнековые смесители
- •3.1.7. Конусно-шнековые смесители
- •4. Гранулирование
- •4.1. Метод окатывания на движущихся поверхностях
- •4.1.1. Барабанный гранулятор
- •4.1.2.Тарельчатый гранулятор
- •4.1.3. Лопастной гранулятор
- •4.1.4. Виброгранулятор
- •4.1.5. Скоростной роторно-центробежный гранулятор
- •4.2. Гранулирование путем разбрызгивания расплавов и охлаждение их во встречном потоке воздуха
- •4.3. Гранулирование суспензий и плавов в псевдоожиженном слое гранул с одновременной сушкой
- •4.4. Гранулирование методом формования (экструзии)
- •4.5. Гранулирование методом прессования (вальцедробления)
- •Список рекомендуемой литературы
Введение
Во многих отраслях химической и нефтехимической промышленности широко применяются механические процессы, такие как измельчение, классификация, смешение порошков, гранулирование и др.
Механические процессы используются в тех производствах, где химической переработке подвергается твердое минеральное сырье, когда процессы осуществляются в гетерогенной среде, или когда готовый продукт выпускается в порошкообразной либо гранулированной формах.
В результате измельчения значительно увеличивается удельная поверхность обрабатываемого материала, что позволяет значительно ускорить такие процессы, как растворение, сушку, выщелачивание, обжиг, химическое взаимодействие и др.
Процесс измельчения осуществляется чаще всего в замкнутом цикле с классификацией, когда крупные частицы, не удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к размеру конечного продукта, вновь возвращаются в измельчитель для дальнейшей обработки.
Измельчение в комплексе с классификацией повышает производительность оборудования, снижает расход энергии на единицу готового продукта.
Необходимость гранулирования порошковых материалов обусловлена преимуществами гранул по сравнению с порошкообразной формой веществ. Гранулы обладают хорошей сыпучестью, не налипают на поверхность бункера, не слеживаются при хранении, не пылят при транспортировании и расфасовке.
Для получения многокомпонентных порошкообразных или пастообразных смесей используются разнообразные смесители, конструкции которых в основном зависят от свойств отдельных компонентов, а также от качества и интенсивности смешения.
В настоящем пособии кратко рассмотрена конструкция и принцип действия основного оборудования для осуществления перечисленных механических процессов.
1. Измельчение твердых материалов
1.1. Физические основы измельчения
Во многих случаях возникает необходимость измельчения частиц твердого материала с целью увеличения поверхности контакта при обжиге, растворении, химических реакциях, флотации и других процессах.
Измельчение – это процесс уменьшения размеров частиц, как правило, до 2 мм.
Дробление – это предварительное грубое измельчение до размеров частиц не более 2…5 мм. Цель дробления – получение кускового продукта необходимой крупности, а также подготовка к измельчению и размолу.
Размол – это тонкое измельчение частиц до порошкообразного состояния размером менее 0,1 мм.
Для измельчения используется различное разрушающее воздействие (рис. 1.1)
а |
б |
в |
г |
д |
е |
Рис. 1.1. Методы измельчения
|
||
а – раздавливание; б – раскалывание; в – истирание; г – удар; д – резание; е – излом. |
В большинстве случаев в машинах реализуются одновременно все эти способы, но главную роль играет один из них (тот, для которого сконструирована данная машина).
Метод измельчения выбирают исходя из физико-механических свойств материала (табл. 1.1) и требуемой степени измельчения i (табл. 1.2).
Таблица 1.1
Выбор метода измельчения в зависимости от свойств материала
№ |
Материал |
Метод измельчения |
Пример |
1. |
Твердый и хрупкий |
Раздавливание и удар |
|
2. |
Твердый и вязкий |
Раздавливание |
|
3. |
Хрупкий, средней твердости |
Удар, раскалывание, истирание |
|
4. |
Вязкий, средней твердости |
Истирание, и удар |
|
Степень измельчения (i) – это отношение средневзвешенного размера частиц материала до и после измельчения.
, (1.1)
где – средневзвешенный размер частиц до измельчения, мм;
– средневзвешенный размер частиц после измельчения, мм.
,
где – средний размер частиц n-ой фракции в исходном материале, мм;
– массовый процентное содержания частиц n-ой фракции в исходном материале.
Куски, получаемые в результате измельчения, не имеют правильной формы. Размеры частиц (D и d) определяют размером отверстий сит, через которые просеивают материал до и после измельчения (ситовой анализ).
Каждая машина может обеспечить только ограниченную степень измельчения. Например, для щековых дробилок i = 3…6; для валковых дробилок i = 5…15. Поэтому на практике измельчение проводят в несколько стадий.
Таблица 1.2
Зависимость степени измельчения от метода измельчения
Вид измельчения |
Рекомендуемый метод измельчения |
Размер исходных частиц D, мм |
Размер частиц после измельчения d, мм |
Степень измельчения i |
Крупное дробление |
Раздавливание, раскалывание |
1500…300 |
300…100 |
2…6 |
Среднее дробление |
Раздавливание, раскалывание, удар |
300…100 |
50…10 |
5…10 |
Мелкое дробление |
Раздавливание, удар |
50…10 |
10…2 |
10…50 |
Тонкий размол |
Раздавливание, удар |
10…2 |
2…0,075 |
50 и более |
Сверхтонкий размол |
Истирание, гидравлический удар, вибрация высокой частоты |
10…0,075 |
0,075…0,0001 |
– |
Крупное и среднее дробление, как правило, производится сухим способом, а мелкое дробление и размол – сухим или мокрым способами.
Мокрое измельчение имеет ряд преимуществ:
-
уменьшается пылеобразование;
-
улучшаются условия выгрузки материала (так как образуется подвижная суспензия);
-
повышается равномерность помола;
-
существенно сокращаются энергозатраты за счет эффекта Ребиндера
(жидкость, проникая в микротрещины материала, оказывает расклинивающее действие; жидкость как бы «распирает» материал).
При измельчении совершается работа внешних сил, преодолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. Механизм этого процесса чрезвычайно сложен. Поэтому в настоящее время существует около 100 гипотез, объясняющих в той или иной степени механизм измельчения, но наибольшее распространение получили только некоторые из них.
При измельчении куски реального твердого материала подвергаются сначала объемной деформации, а затем разрушаются по сечениям, ослабленным различными дефектами (микро- и макротрещинами), с образованием новых поверхностей.
Работа, полезно затраченная на измельчение, расходуется на объемную деформацию разрушаемых кусков и на образование новых поверхностей.
, (1.2)
где К – работа упругого деформирования единицы объема тела;
V – изменение объема тела.
, (1.3)
где – поверхностное натяжение тела (работа, затраченная на образование единицы новой поверхности);
F – величина вновь образованной поверхности.
Полная работа внешних сил при дроблении выражается уравнением Ребиндера
, (1.4)
При крупном дроблении величина вновь образующейся поверхности сравнительно невелика, а объемные деформации значительны. В этом случае объемная работа намного больше, чем поверхностная (AV AF).
Тогда расход энергии на дробление будет пропорционален изменению объема тела ( первоначальному объему, т.е. D3, где D характеризует размер)
, (1.5)
где К’ – объемный коэффициент формы частиц.
Работа при крупном дроблении пропорциональна объему (массе) дробимого куска. Это объемная гипотеза (теорема) Кика-Кирпичева.
При мелком дроблении и тонком размоле изменение объема частиц при упругих деформациях незначительно, а вновь образующая поверхность велика. В этом случае поверхностная работа намного больше, чем объемная (AF AV).
Тогда расход энергии при мелком дроблении и тонком размоле пропорционален изменению поверхности тела ( первоначальной поверхности, т.е. D2, где D характеризует размер)
, (1.6)
где К – коэффициент формы частиц, К 1.
Работа при мелком дроблении и тонком размоле пропорциональна величине вновь образующейся поверхности. Это поверхностная гипотеза (теорема) Риттингера.
Для среднего дробления (промежуточный случай):
, (1.7)
где К2 – опытная величина для каждого дробимого тела.
Это гипотеза среднего дробления Бонда.