Центробежный сепаратор с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха

В связи с изменением объема и номенклатуры производства в последнее время огромные требования предъявляются к дисперсности конечного продукта. В производстве пластмасс и в кабельной промышленности высококачественные наполнители должны состоять из 90% частиц менее 10 мкм, а остальные 10% не крупнее 40 мкм, [1,2]. При создании композиционных материалов-для защиты от радиации, частицы смеси компонентов органосиликата свинца и полистирола не должны превышать 5 мкм [3]. Известно, что основными агрегатами для получения сверхтонких порошков являются мельницы струйной энергии [4,5,6,7]. Однако дальнейшему развитию производства сверхтонких порошков мешает отсутствие высокоэффективных сепараторов. Применение этих аппаратов позволило бы, не только значительно повысить производительность установки, но и в широком диапазоне регулировать тонкость получаемого продукта без изменения режима работы мельницы. В свою очередь, эффективность работы самого сепаратора оказывает существенное влияние, как на экономичность размалывающего устройства, так и качества готовой пыли.

Как было сказано выше интенсивность или эффективность большинства технологических процессов, использующих материал в порошкообразном состоянии, увеличивается с ростом величины его удельной поверхности.

С изменением характерного размера порошка поведение его частиц обнаруживает качественно новые стороны. Чрезвычайно развитая удельная поверхность особо тонких порошков приводит к появлению различных форм ее активности, в частности к образованию агломератов частиц, которые появляются благодаря поверхностным силам и силам аутогезии [1,8−13]. Это приводит к снижению производительности мельничной установки и ухудшению работы классифицирующего оборудования, т.к. происходит залипание частичек на внутренней поверхности корпуса сепаратора [2]. В тоже время большое содержание крупных частиц в готовом продукте, например, в химической промышленности при производстве фосфорных удобрений — ухудшает условия грануляции, в цементной промышленности — снижает марку цемента, в теплоэнергетике, использующей твердое топливо — снижает к.п.д. парогенератора и т. д. [14−17]. Таким образом, задачами сепаратора являются, во-первых, -максимально полное извлечение мелких, пригодных для использования частиц в готовый продукт, во-вторых, — возврат на домол крупных частиц, засоряющих готовый (тонкий) продукт.

Несмотря на давнее и широкое применение классификаторов пыли, в частности центробежных сепараторов воздушно-проходного типа, рабочий процесс в них изучен недостаточно. Не выявлено влияние определяющих режимных и конструктивных параметров на характеристики разделения. Нет теоретически обоснованной методики расчета. В тоже время опыт работы показывает, что имеются существенные резервы повышения эффективности классификации. Перечисленное, позволяет сделать вывод об актуальности данной проблемы и определяет цель настоящей работы: разработка технических средств и методов их расчета для повышения эффективности классификации высокодисперсных порошков в центробежных сепараторах с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха.

Выбор указанной конструкции для исследования обусловлен точностью разделения и остатком на сите № 0063 от 15 до 0%, а также возможностью выдавать более тонкие продукты [2,3,17,18] и использование этих сепараторов для работы в комплексе с помольными агрегатами [2,3,5−8,69]. Наряду с достоинствами этого сепаратора, авторы [17,18] отмечают и ряд недостатковповышенное энергопотребление (большое аэродинамическое сопротивление) и низкая эффективность классификации. Разработанные методы исследования и полученные результаты в полной мере относятся и к другим классам и конструкциям воздушных сепараторов.

Поскольку явления в газодисперсной среде значительно сложнее, чем в однофазной жидкости, при исследовании процесса сепарации пыли эксперимент должен играть особенно важную роль.

В ряде практически важных случаев возможно создание математической модели процесса (системы дифференциальных уравнений), которая, отличаясь, в силу принятых допущений, от реального процесса позволяет получить как некоторые интегральные эффекты, так и изучить детали исследуемого процесса движения частиц в широком диапазоне изменения определяющих параметров. Численные методы при использовании современной вычислительной техники дают возможность существенно снизить число принимаемых упрощений и повысить достоверность получаемых результатов. Надежность полученной модели к степени адекватности ее реальному процессу позволяет дополнить математическое описание и применять его для расчета оптимизации аппаратов.

Исходя из изложенного, в работе для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать новую конструкцию центробежного сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха.

2. Рассмотреть различные режимы работы сепаратора с целью снижения аэродинамического сопротивления, увеличения эффективности сепарации.

3. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости производительности сепаратора и величины удельной поверхности от входных конструктивно-технологических факторов, и провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанной методики расчета и теоретических моделей.

4. Разработать методику расчета конструктивно — технологических параметров сепараторах с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха в зону сепарации.

5. Апробировать в производстве патентно-чистую конструкцию центробежного сепаратора для классификации тонкодисперсных порошков.

Научная новизна работы представлена математической моделью движения частиц классифицируемого материала в поле центробежных и кориолисовых сил с учетом количества дополнительного поддува воздуха в зону сепарациисистемой уравнений для опредления относительного движения частицы по наклонным и радиальным лопаткам ротора, а также системой уравнений, описывающей относительное перемещение частиц в межлопаточном пространстве с учетом аэродинамических, кориолисовых и центробежных силсоотношением для расчета граничного размера в зависимости от радиуса равновесной траектории и высоты зоны сепарациирезультатами экспериментальных исследований в виде соотношения для определения коэффициентов местных сопротивлений (К.М.С.) сепаратора и его конструктивных элементов, а также конструктивных и технологических параметров.

Практическая ценность работы заключается в методике расчета и соответствующего программного обеспечения определения основных технологических и конструктивных параметров процесса сепарации и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов работы центробежных сепараторов для классификации тонкодисперсных порошков, обеспечивающих эффективность разделения за счет тангенциального поддува дополнительного воздуха в зону сепарации.

По результатам работы разработана новая конструкция сепаратора с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха в зону сепарации, внедрение, которого обеспечивает повышение эффективности разделения на 20%.

Реализация работы. Диссертационная работа проводилась в БелГТАСМ в рамках выполнения г/б НИР: «Исследование аэродинамических параметров противоточных струйных мельниц замкнутого цикла с целью оптимизации конструктивных элементов (трактов транспортировки и сепарации) продуктов измельчения" — «Разработка научных основ получение мелкодисперсных порошков в аппаратах с повышенной энергонапряженностью" — ГРАНТ — 98 «Научные основы и создания динамического сепаратора для разделения сверхтонких порошков». Основные результаты исследований докладывались на научно технических конференциях, проводимых в БелГТАСМ: «Ресурсои энергосберегающие технологии строительных материалов изделий и конструкций» в 1995 г., «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» 1997 г.- на первой Всеукраинской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций» Полтава.

1996 г.- на международной научно-технической конференции «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве», Старый Оскол 1999 г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, получен патент РФ на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 195 страниц, в том числе 130 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 35 рисунков, список литературы из 102 наименований и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1.Ha основе анализа современного состояния техники и технологии воздушной классификации сверхтонких порошков было установлено, что решить проблему выделения сверхтонких порошков можно путем поддува дополнительного воздуха в центробежный отбойно-вихревой сепаратор.

2.Теоретически исследована динамика воздушных потоков и твердых частиц в центробежном сепараторе с дополнительным поддувом воздуха. Установлены соотношения для определения К.М.С. трубопроводов сепаратора для условий слияния и разделения воздушных потоков.

3.Получена система уравнений для определения относительного движения частиц по наклонным и радиальным лопаткам, а также система уравнений описывающая относительное перемещение частицы в межлопаточном пространстве с учетом центробежных и кориолисовых сил. Получено соотношение для определения размера частиц (d)^), которые движутся по окружности радиуса Rq с угловой скоростью ротора сепаратора щ.

4. Аналитически получено соотношение для определения тангенциальной скорости воздушного потока в зоне сепарации с учетом количества воздуха подаваемого при выходе из сопла поддува.

5.Рассмотрен характер движения частиц в зоне сепарации и определена формула, связывающая граничный размер частицы (б^,) с радиусом ее равновесной траектории (г), при заданной высоте зоны сепарации. б. Экспериментально установлено, что:

— наименьшее значение К.М.С. сепаратора находится в области при п=500 мин'1 и, а = 30°-40°;

— дополнительный поддув воздуха влияет на все показатели разделения и основные параметры работы сепаратора (так при п=500мин" 1 граница разделения (Sуменьшается с 48мкм до 28мкм, производительность (Q) увеличивается с.

17,9кг/ч до 34,5кг/ч, при п=1500мин" 1^гр уменьшается с 40мкм до 15мкм, производительность увеличивается 13,8кг/чдо 18,7кг/ч).

7.Разработана новая конструкция сепаратора защищенная патентом на изобретение РФ № 2 123 392 от 2.08.96 г.

8.Разработана инженерная методика расчета сепаратора, а также процесса классификации.

9.Осуществлено внедрение опытно-промышленного образца на УНПК «ТЕХНОЛОГ» для классификации тонкодисперсной глины. Полученная глина соответствует техническим требованиям к керамическим массам для изготовления низковольтных изоляторов по ТУ 3493−002−22 066 339−98. Применение данного сепаратора позволило повысить производительность оборудования в 1,5 раза и снизить удельный расход электроэнергии в 1,1 раза. Экономический эффект от внедрения составил 96 000 рублей (в ценах 1999 года).