Раздел IV Машины и оборудование для воздушной сепарации материалов Общие сведения о процессе, область применения и технологические показатели воздушных сепараторов

Сухие порошковые материалы крупностью менее 1 мм сортировать на механических грохотах становится затруднительно и малоэффективно. Рациональнее применять воздушную сепарацию, при которой более крупные частицы выпадают из потока газов под действием силы тяжести (а в некоторых случаях и под действием центробежных сил), а мелкие уносятся. Регулируя различными способами скорость газового потока, можно варьировать крупность выносимых частиц.

В промышленности строительных материалов воздушные сепараторы широко применяют в помольных установках, работающих по замкнутому циклу, при производстве гипса, извести, цемента и др. В этих случаях существенно повышается производительность и снижаются затраты энергии мельниц вследствие непрерывного отбора готового продукта. В воздушных сепараторах при использовании горячих газов легко совмещаются сортирование и сушка материалов.

Основным технологическим требованием, предъявляемым к сепараторам, является точность разделения смеси на фракции.

В реальных условиях работы аппаратов точное разделение получить невозможно, так как невозможно обеспечить стабильное протекание процесса. Режим движения частиц непрерывно изменяется в результате изменения концентрации частиц в потоке, их формы, местных завихрений потока и т. д. Вследствие этого мелкая фракция оказывается «загрязненной» крупными частицами, и наоборот.

Точность разделения в сепараторах наиболее часто оценивают коэффициентом полезного действия и эффективностью разделения.

К. п. д. в % выражается отношением массы одного из продуктов (мелкого или крупного) к массе продукта того же класса, содержащегося в исходном материале:

, (246)

где и — масса мелкого продукта, вышедшего из сепаратора, и масса этого

же продукта в исходном материале.

К. п. д. сепаратора дает возможность легко определить его производительность по мелкой или крупной фракции, но оценить с его помощью степень загрязнения фракций нельзя. Эту оценку можно произвести с помощью э ф ф е к т и в н о с т и р а з д е л е н и я

, (247)

где и — производительность по фракции меньшей границы раздела в мелком

продукте и в исходном материале;

и — производительность по фракции большей границы раздела там же.

В промышленных условиях к. п. д. сепараторов составляет 65—70%, а эффективность разделения в среднем 55%. Более конкретные сведения о качестве сепарации дает график классификации, построенный по экспериментальным исследованиям.

Основы теории воздушных сепараторов

В рабочих зонах сепараторов, где смесь разделяется на фракции, на частицу могут действовать силы давления, тяжести и центробежные силы инерции. В зависимости от схемы взаимодействия сил и их величины частица движется в том или ином направлении.

Силы, действующие на частицы разной крупности, будут неодинаковыми, поскольку силы давления потока на частицу пропорциональны второй степени ее диаметра, а силы тяжести и инерции, зависящие от массы, пропорциональны третьей степени диаметра.

Воздушные сепараторы должны быть такой конструкции, чтобы в рабочих зонах наиболее полно выполнялись следующие условия:

1.Силы, действующие на частицу любого размера, должны регулироваться. При этом поле скоростей потока должно оставаться однородным.

2.Силы, действующие на частицу, должны находиться в различной функциональной зависимости от их размера и быть противоположно направленными.

3.Частицы «граничного» размера должны находиться в динамическом равновесии, а частицы других размеров выноситься из зоны разделения; причем, более мелкие в одном направлении, а более крупные в другом.

На рис. 30, а, б показаны принципиальные схемы наиболее распространенных сепараторов. Обычно в сепараторах используют несколько схем зон разделения, но, как правило, одна из них имеет преобладающее значение для процесса сортирования.

В сепараторе проходного типа (рис. 30, а) используются противоточная центробежная (рис. 30, I) и вертикальная поточная гравитационная зоны разделения (рис. 30, II). В циркуляционном се­параторе (рис. 30, б) использованы вертикально-поточная гравитационная (рис. 30, II), центробежная поперечно-поточная гравитационная (рис. 30, III) и циклонная (рис. 30, IV) зоны разделения.

При расчете процесса сепарации стремятся получить зависимость скорости движения газа от размера частиц (с учетом их физических свойств) и геометрических размеров элементов сепаратора.

Проанализируем некоторые характерные зоны разделения.

В е р т и к а л ь н о п о т о ч н а я г р а в и т а ц и о н н а я з о н а (с противоточным разделением частиц). На частицу (рис. 30, II), находящуюся в потоке газа, действуют сила тяжести G, направленная вниз, и сила давления потока Р, направленная вверх. Если для какой-либо частицы выполняется условие равенства сил, т. е.

Р = G, (248)

то частица зависает (витает) в потоке. Размер такой частицы является «границей» разделения. Более мелкие частицы выносятся потоком со скоростью , образуя «тонкий» (мелкий) продукт, а более крупные — выпадают из него со скоростью и образуют «грубый» (крупный) продукт.

Частицы граничного размера движутся с потоком или оседают в результате столкновений с частицами, а также из-за местных завихрений потока, трения о стенки и других случайных причин.

Р ис. 30. Схемы сепараторов:

а – проходного;

б – циркуляционного;

I -IV – зоны противопоточная

центробежная, вертикальнопоточная гравитационная, центробежная поперечнопоточная, циклонная

Согласно законам аэродинамики сила давления потока на частицу (Н)

, (249)

где С — коэффициент аэродинамического сопротивле­ния;

— проекция частицы на плоскость, перпенди­кулярную относительной

скорости потока, м²;

— коэффициент формы частицы: для шаровидных =1,0, для

овальных — 1,1, для угло­ватых — 1,53, для продолговатых — 1,76,

для пластинчатых — 3,8;

d — приведенный диаметр частицы, м;

— плотность газа, кг/м³;

— относительная скорость потока (скорость обтекания частицы

газом), м/с;

— коэффициент аэродинамического сопротивле­ния частицы

шаровидной формы.

Определить коэффициент аэродинамического сопротивления частиц разной формы и шероховатости довольно сложно, поэтому реальную частицу обычно заменяют эквивалентным шаром того же объема и массы, а эту замену учитывают коэффициентом формы.

Коэффициент аэродинамического сопротивления для частиц шаровидной формы в основном зависит от режима движения газов, оцениваемого числом Рейнольдса и может быть рассчитан по следующим формулам для различных чисел Re:

при 0 < Re < 1

;

при 1 < Re < 10

;

при 10 < Re < 1000

,

где v — кинематическая вязкость газа, м²/с.

Определив силу Р по формуле (249) и зная силу

,

запишем условие равновесия частицы:

. (250)

Из этой зависимости можем определить границу разделения в м п р и

з а д а н н о й скорости движения воздуха :

, (251)

где — плотность материала, кг/м³, или скорость потока (м/с), обеспечивающую «витание» частицы размером

. (252)

Если частица движется в потоке (т. е. Р G), то скорость ее установившегося движения равна разности между действительной скоростью потока газов и скоростью газа, при которой частица «витает», т. е.

, (253)

где — скорость движения газа.

Подставив в формулу (251) и (252) значения С₀ (например, для интервала

0 < Re < 1 ), получим значение (м) границы разделения материала при данной скорости

, (254)

откуда

, (255)

и скорость витания (м/с) для частицы размером d

. (256)

Аналогично можно получить формулы для других значений Re и С_0.

Пределы применимости формул для расчета С₀ можно найти, решая выражение для определения числа Re относительно размера частиц. Например, для области

0 < Re < 1, приняв Re = 1 запишем

.

Откуда

. (257)

Приняв для шаровидной частицы = 1, v = 1,5·10 м²/c, = 1,22 кг/м³,

= 2650 кг/м³, получим

мм.

Таким образом, формула для области 0 < Re < 10 применима для материалов с размером частиц не более 50 мкм.

Аналогично можно установить, что формула для области 10 < Re < 1000 действительна для частиц с размерами в интервале от 0,1 до 1,0 мм.

В п р о т и в о т о ч н о й ц е н т р о б е ж н о й з о н е разделения (рис. 30, I) на частицу действуют центробежная сила , направленная по радиусу от центра, сила давления потока газа P, направленная к центру, и сила тяжести G. Воздух в этой зоне движется по архимедовой спирали, а частица — по кривой, близкой к логарифмической спирали. Мелкие частицы, для которых сила давления больше центробежных сил, движутся к центру, крупные — к периферии. Частицы граничного размера движутся по окружности и попадают в грубый или тонкий продукт под действием случай­ных причин. Условие равновесия частицы граничного размера (пре­небрегая действием силы тяжести)

.

Заменив (где — центробежное ускорение), а силу давления потока согласно формуле (249), получим

; (258)

откуда граница разделения (м)

, (259)

где и — радиальные и касательные составляющие скорости потока, м/с;

R — средний радиус зоны разделения, м.

В ц е н т р о б е ж н о й п о п е р е ч н о п о т о ч н о й з о н е разделения (рис. 30, III) на частицу действуют центробежная сила при вращении ее потоком газа, сила давления Р, направлен­ная вверх, и сила тяжести G. В результате действия этих сил частица движется по конической спирали.

Крупные частицы, на которые преобладающее значение оказывает центробежная, сила, преимущественно движутся в горизон­тальном направлении и при касании стенки, потеряв скорость, осе­дают. Мелкие частицы под действием сил давления быстрее дви­жутся по вертикали и выносятся потоком вверх. Частицы гранич­ного размера за некоторое время перемещаются по вертикали на расстояние h и одновременно по горизонтали на некоторое расстоя­ние l.

Таким образом, границу разделения можно определить из равенства времени движения частицы по вертикали на величину h и времени движения по горизонтали на величину l:

(260)

или

. (261)

Скорость движения частицы по вертикали

. (262)

Горизонтальную скорость движения частицы найдем из равенства

. (263)

Давление потока на частицу в радиальном направлении

; (264)

тогда

; (265)

откуда горизонтальная скорость движения частицы в м/с

, (266)

где — коэффициент аэродинамического сопротивления при дви­жении

частицы в радиальном направлении.

Подставив значение скорости в формулу (261), получим

, (267)

где — коэффициент аэродинамического сопротивления при дви­жении

частицы в вертикальном направлении.

Откуда граница разделения (м) при заданной вертикальной ско­рости потока составит

. (268)

Конструирование и расчет основных параметров воздушных сепараторов

Проработать по учебнику “Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций” В.А.Бауман, Б.В.Клушанцев, В.Д.Мартынов, издательство “Машиностроение” 1975 г. стр. 184 – 194.