автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Метод расчета процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице

На правах рукописи

Бадоев Владимир Ахметович

МЕТОД РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ АСФАЛЬТОВОЙ КРОШКИ В ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЕ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005544988

Ярославль - 2013

005544988

Работа выполнена на кафедре "Теоретическая механика" Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Научный руководитель Официальные оппоненты

доктор технических наук, доцент Таршис Михаил Юльевич

Падохин Валерий Алексеевич, доктор

технических наук, профессор,

Институт химии растворов РАН, г. Иваново

Анисимов Павел Вячеславович, кандидат технических наук,

директор ООО "ЭЛКОНТ", г. Ярославль

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет», г. Иваново

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке при ФГБОУ ВПО "Ярославский государственный технический университет" по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88

Автореферат разослан { ноября 2013 :

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук г- А.А.Ильин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вторичное использование отходов строительного производства, в том числе и дорожного, является актуальной проблемой для всех стран. Ежегодно в Российской Федерации в процессе ремонта снимаются миллионы тонн старого дорожного покрытия, которое, в основном, идет на засыпку откосов этих же дорог. Такое использование старого асфальта, содержащего дорогостоящие битумоминеральные составляющие, вряд ли является эффективным. К сожалению, имеющиеся в стране методы регенерации старого асфальта не принесли существенного результата. Главная причина в том, что асфальт является абразивным материалом и его измельчение в центробежных устройствах и в электромагнитном поле приводит к быстрому изнашиванию рабочих органов.

Измельчение является одним из наиболее широко применяемых технологических процессов во многих отраслях промышленности. Исследованию этого процесса посвящено большое количество научных работ. Однако в настоящее время этот процесс остается недостаточно изученным. Отсутствуют простые и надежные методы экспериментального исследования.

Отмеченные аспекты отражают необходимость изучения процесса измельчения асфальтовой крошки и перспектив его практического использования.

Настоящая работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований по тематическому плану "Исследование механики поведения тонкодисперсных порошкообразных материалов в процессах их производства и переработки" № гос. per. 0120.1275358,2012-2014.

Цель работы. Разработка метода расчета процесса измельчения асфальтовой крошки на основе теоретического и экспериментального изучения кинетики процесса.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка нового экспериментального метода построения функций измельчения;

2. Описание кинетики процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице с использованием функций измельчения;

3. Создание нового метода расчета удельной поверхности асфальтовой крошки в процессе измельчения;

4. Разработка новой конструкции многосекционной шаровой мельницы для измельчения асфальтовой крошки.

5. Разработка метода расчета процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Научная новизна.

- Выполнено математическое описание процесса измельчения асфальтовой крошки в новой шаровой мельнице.

- Разработана математическая модель расчёта собственных вращений мелющих тел при работе мельницы в режиме переката.

- Предложен и реализован новый экспериментальный метод определения функций измельчения твёрдых частиц в мельнице.

- Разработан новый метод расчета удельной поверхности асфальтовой крошки;

- Построено кинетическое уравнение процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Практическая ценность.

1. Использование разработанной на основе теоретико-экспериментальных исследований новой конструкции шаровой мельницы для асфальтовой крошки позволяет получить требуемые по технологии продукты измельчения с малыми затратами энергии.

2. Методика расчёта режимных и конструктивных параметров мельницы и блок-схема расчета будут востребованы при разработке мельниц в химической, дорожно-строительной и др. отраслях.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований находят использование в процессе получения товарной фракции крошки, которую планируется использовать в производстве асфальта марки ДЗ. Предполагаемый эффект от её использования составит 1000000 рублей в год.

Личный вклад автора. Диссертантом выполнен весь объём экспериментальных исследований, проведены необходимые расчёты, обработка результатов и их анализ. Автор принимал непосредственное участие в обсуждении результатов и написании публикаций, формулировке выносимых на защиту выводов и рекомендаций.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на XXV Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях": ММТТ - 25 (Волгоград, 2012); на XXVI Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях": ММТТ - 26 (Саратов, 2013), на 65-й Региональной научно-технической конференции ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль, 2012).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 научных работах, в том числе в 2 статьях в журналах из перечня ВАК РФ и в 3 тезисах докладов на научных конференциях, две из которых международные.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 105 наименований. Общий объем работы 110 страниц, в том числе 30 рисунков и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, указаны научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного оборудования для измельчения сыпучих материалов и методов его математического моделирования.

Во второй главе приводятся теоретические исследования движения и переработки асфальтовой крошки в шаровой мельнице. С целью повышения эффективности процесса измельчения асфальтового гранулята была разработана многокамерная шаровая мельница, на которую получено решение о выдаче патента РФ. Схема мельницы показана на рисунке 1. Она содержит корпус 1 из последовательно скрепленных эластичных горообразных камер с лифтерами 2, разделённых внутренними перфорированными перегородками 3, которые соединены снаружи стяжками 7, проходящими через отверстия этих перегородок.

Корпус заполнен мелющими телами и установлен на роликовых опорах 11, одна из которых соединена с приводом. (Мелющие тела и привод на рисунке не показаны). При работе мельницы измельчаемый материал подается через патрубок 8 в первую камеру (грубого помола) корпуса 1, где измельчается мелющими телами до размеров, меньших размеров отверстий перегородки 3.

.11

Рисунок 1 - Многокамерная шаровая мельница

Измельчённые частицы через отверстия перегородки 3 поступают в камеру более тонкого помола. Механизмы процессов, происходящих в этой и последующих камерах, качественно не отличаются от механизмов переработки материала в зоне грубого помола. Из последней камеры корпуса 1 продукт через трубу 10 поступает в патрубок выгрузки 9.

При работе шаровых мельниц имеет место два основных режима. Для измельчения пластичных материалов используются небольшие скорости вращения рабочей камеры, образующие каскадный режим движения частиц. При

этом число оборотов рабочей камеры составляет п = (0,4 — 0,6)/7 , где

п —11 об/мин • Исходный материал измельчается как за счет воздействия ч>

мелющих тел, так и за счет самоизмельчения.

В случае переработки хрупких материалов используются высокие скорости вращения рабочей камеры, когда имеет место водопадный режим. При этом число оборотов рабочей камеры составляет п = (0,7 — 0,8)^ ■ Измельчение

материала происходит, в основном, за счет удара, частично истиранием и за счет самоизмельчения.

Асфальтовая крошка является пластичным материалом и, следовательно, для его переработки может быть использован именно каскадный режим или режим переката.

Исследованиями движения сыпучих материалов во вращающемся барабане в режиме переката занимались многие учёные. В частности, в работах Рах-лина З.М. показано, что распределение скоростей мелющих тел в области измельчения может быть записано в виде:

Ух(х,у)=ш-(Ясс&3-гДх)) -а(у- ; (1)

Vу{х,у)=сах-а-ф{х^у-фС)) , (2)

где <р(х) - уравнение общей границы областей различного поведения материала.

Схема к расчету свободной поверхности и границы областей различного поведения материала в сечении мельницы показана на рисунке 2.

Уравнение общей границы областей различного поведения материала находится из решения дифференциального уравнения:

й(р Их.'

%

а> -г{х,(рУд(х,<р)

■ -у/1 + д(х, ф) + а>1 ■ г(х, <р)

(3)

Здесь функции г{х,(р) и q(x,<p) определяются выражениями

д{х,<р)=-

(4)

(5)

Ксо&5 - <р - /-х

Рисунок 2 - Расчётная схема

Начальные условия для уравнения (3) записываются в виде:

х = Язт£; <р = 0 (6)

>

где II - радиус рабочей поверхности, 5 - половина угла загрузки материала.

Решение уравнения (3) с начальными условиями (6) проводилось методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Вычисление осуществлялось в программе ИеЩ 7.

Исходя из линейной модели, определяемой уравнениями (1), (2) и используя уравнение балансов потоков скоростей, получено уравнение для определения свободной поверхности в виде:

/<х) = ^х)+-[а,(х)+.К(х)+-а2(х)] а V со

где

а, (х) = R cos S - <р(х)

(8)

а2(х) = R2 -х2 -(Rcosö-qAx))2 ■ (9)

В работе Кравцова A.B. было показано, что угловая скорость собственных вращений мелющих тел может быть рассчитана по формуле

8v 1

дп

— rotv 2 г

(10)

На основе зависимостей (1), (2) рассчитаны скорости собственных вращений мелющих тел. Результаты расчётов представлены на рисунке 3. Из анализа картины распределения угловых скоростей мелющих тел следует, что значения угловой скорости достигают максимальной величины в середине скатывающегося слоя, что согласуется с данными других исследователей.

- свободная поверхность

общая граница областей I и 11

-0.S-0.6-0.4-0.2

0.2 0.4 0.6 0,S

— — — - сер едина слоя

Рисунок 3 - Распределение угловых скоростей мелющих тел.

Процесс порционного измельчения в общем случае может быть описан следующим кинетическим уравнением:

dt

дх

у - (И)

где F(y,t) - интегральная функция распределения частиц по размерам; S(x) -селективная функция измельчения; В(у,х)- распределительная функция измельчения; X и у - размеры частиц асфальтовой крошки.

Распределительная функция измельчения должна удовлетворять следующим условиям:

В{у,0) = 0-,В{у,у) = \. (12)

Для решения интегро-дифференциального уравнения (11) необходимы начальные и граничные условия, которые определяются из следующих соображений. В начальный момент времени распределение частиц по размерам задается некоторой функцией от аргумента у :

Е{у,0) = ср(у). (13)

Интегральная функция распределения частиц по размерам удовлетворяет двум граничным условиям, которые вытекают из ее определения

= Р(утах,,) = \, (14)

где _утах - максимальный размер измельчаемых частиц.

Для решения уравнения (11) была использована разностная схема, которая позволила свести его к матричной форме:

Р^х • -В1к , (15)

Ы}

где ' , В1Л = В(у,,хк) ■ 06)

Основным параметром измельченной асфальтовой крошки является удельная поверхность, которая может быть вычислена по формуле:

*»(0 = 6У 07)

1 Р„У,

где п - число фракций, которое определяется ситовым анализом; - коэффициент формы данной фракции; р1 (/) - вероятность попадания частиц в интервал с размерами частиц у{, ум данной фракции; у1 - средний размер частиц данной фракции; рм - плотность материала.

Вероятность попадания частиц в интервал у1, ум определяется выражением:

д(0 = Пи+„0-ПМ). (18)

где функция распределения частиц по размерам является решением

уравнения (11).

Средний размер измельченных частиц может быть определен по формуле:

_ /I _

у = ?,Р1(ОУ1, 09)

1=1

где средний размер частиц на интервале может быть оценён средним значением:

— У;+У;

Л+±. (20)

' 2

Одной из важных характеристик измельчения являются затраты мощности. Мелющие тела совершают собственные вращательные движения в процессе измельчения. При этом элементарная работа сил внутреннего трения, за счет которых происходит измельчение, определяется выражением:

£¿4, = Мтр •d(pi, (21)

где м — момент сил трения, действующих на мелющее тело со стороны измельчаемого материала, который может быть найден:

Mmp-fmp~-PW- (22)

о

Здесь f - коэффициент трения поверхности мелющего тела об измельчаемый

материал; d -диаметр мелющих тел; p(h) - давление мелющего тела на материал.

Соответственно, мощность сил трения, действующих на единичное мелющее тело:

(23)

Здесь ф. - угловая скорость собственных вращений мелющих тел, определяется по формуле (10).

Правомочно предположить, что в области скатывающегося слоя давление со стороны мелющих тел на измельчаемый материал будет определяться только силой тяжести. Тогда нормальное напряжение на поверхности мелющего тела, находящегося в /-ом слое и обусловленное действием сил тяжести, будет равно гидростатическому давлению:

P{h) =Ра,• А)• Рш'v'" -g-fix)-/$) •cosfl > (24)

где рш, рм - соответственно, плотности мелющих шаров и измельчаемого материала; Vm,VM - соответственно, объёмы мелющих шаров и измельчаемого материала; h (х) - средняя высота слоя в области скатывания; hi - высота г'-го

слоя, измеряемого от общей границы областей, в- угол обрушения (рисунок 2).

Суммируя мощности сил трения по всем мелющим телам, окончательно получим:

.. . nd-L ршл-рч-8 а Л ч (25)

N = fmp- 16 1 + <?--g-QB&e-2J{xj)-m(xj).

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Эксперименты проводили в мельнице периодического действия в соответствии с рисунком 1. При этом число оборотов барабана изменялось в пределах (0,3-0,6) соКр В опытах использовалась асфальтовая крошка дисперсностью до 5 мм, которая была получена методом ситового анализа из фрезерного старого асфальта, снятого при реконструкции дорог в г. Ярославле.

Для определения удельной поверхности отдельных фракций использовали прибор ПСХ-4. Данные по средней удельной поверхности фракций и коэффициенту формы приведены в таблице 1.

Коэффициент формы рассчитывается из уравнения (17).

Приведенные данные показывают, что форма для крупных и мелких частиц значительно отличается от идеальной (сферической). В то же время средняя фракция имеет форму, близкую к идеальной. Видимо, это объясняется тем, что средняя фракция состоит, в основном, из кварцевого песка, имеющего сферическую форму.

Таблица 1. Удельная поверхность фракций, составляющих асфальтовую крошку

Размер фракции, мм 5-10 2,5-5 1,252,5 0,631,25 0,310,63 0,140,31 0,070,14 <0,07

Удельная поверхность ПО ПСХ-4м2/ кг 0,74 1,7 3,7 5,0 9,5 28 67 460

Расчетная удельная поверхность м2/ кг 0,57 1,14 2,25 4,5 9,11 19,04 40,8 158,3

Коэффициент формы 1,29 1,49 1,64 1,11 1,04 1,47 1,64 2,9

Удельную поверхность материалов до и после измельчения определяли как средневзвешенную величину по формуле:

^уд = X Р1 ' ^^

;=1

где ¿¡. - удельная поверхность фракций г, м2/кг; р. - массовая доля фракций г.

В качестве показателя, характеризующего интенсивность процесса измельчения материала, был принят показатель скорости измельчения:

к = (27>

"м д<

где у - скорость измельчения м2/кг/сек.; приращение удельной погод*

верхности м2/кг; Д/- временной диапазон измельчения, сек.

Согласно приведенным в главе 2 данным, при малых значениях времени измельчения изменение удельной поверхности подчиняется линейному закону. На рисунке 4 представлено сопоставление теоретических и экспериментальных данных по изменению удельной поверхности при измельчении асфальтовой крошки в шаровой мельнице для различных значений числа оборотов барабана.

Полученные результаты свидетельствуют о хорошем соответствии экспериментальных данных линейному закону зависимости удельной поверхности от времени измельчения. Скорость измельчения определяется как значение параметра уравнения соответствующей линии регрессии.

8уд(кв.м/кг)

160 140 120 100 80 60 40 20 0

* п=22 об/мин

■ п-2& об/мин

а п=18 об/мин

—*--"""

1 1 1 1 —1 - ----1-

t(ceK)

0 90 180 270 360 450 540 630

Рисунок 4 - Зависимость удельной поверхности асфальтовой крошки от времени измельчения.

С целью оценки комплексного воздействия параметров процесса на эффективность измельчения асфальтового гранулята был проведен полнофакторный эксперимент ПФЭ З3. В качестве критерия эффективности технологии использовали показатель скорости измельчения VlnM (м2/кг/с) асфальтовой крошки с исходным размером частиц 0-5мм. В качестве основных технологических параметров процесса приняты: доля объема измельчаемого материала в общем объеме загрузки х,, число оборотов барабана jc2 , угол загрузки х3 • С помощью программы Statistica 6.0 были определены численные значения коэффициентов регрессионного уравнения зависимости скорости измельчения гранулята от технологических параметров (в безразмерных координатах): v„M, =-0,0074*? -0,0018х, -0,0016^-0,0136.x2 -0,0007х3 -0,0425х2 + 0,0057^ + 0,17 • (28) Зависимости скорости измельчения асфальтовой крошки от исследуемых параметров приведены на рисунках 5-6.

В проведённых опытах наиболее эффективно процесс измельчения осуществляется при числе оборотов барабана 23 об/мин (на рисунках 5, 6 - оси п), угле

загрузки 120° (ось 25) и доле объема загрузки мелющих тел 0,6 (на рисунке 5 -ось Ум/V).

В экспериментальных исследованиях определялась также зависимость скорости измельчения асфальтовой крошки от температуры х,, влажности х2, диаметра мелющих тел х3 и их оптимальные значения. На основании этих данных

с помощью программы 81аИз11са 6.0 был смоделирован трехфакторный эксперимент по центральному композиционному плану ПФЭ З3.

Рисунок 6 - Зависимость скорости измельчения асфальтовой крошки от числа оборотов барабана и угла загрузки.

Рисунок 5

- Зависимость скорости измельчения асфальтовой крошки от объема загрузки мелющих тел и числа оборотов барабана

Зависимость скорости измельчения гранулята от его свойств имеет вид (в безразмерных координатах):

ум„ = 0,0098*,2 -0,000Ц3 -0,0295*л +0,0135^ -0,028х3 -0,0148х32 +0,155 • (29)

Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

- скорость измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице существенно зависит от числа оборотов барабана и диаметра мелющих тел, а также от влажности и температуры материала в процессе измельчения;

- в проведённых опытах максимальная скорость измельчения наблюдается при угловых скоростях вращения барабана, составляющих порядка 0,6 от критической.

Для определения селективной и распределительной функций исходный материал рассеивали на шесть фракций 0,07-0,14 мм; 0,14-0,31 мм; 0,31-0,63 мм; 0,63-1,25 мм; 1,25-2,5 мм.

Каждую фракцию измельчали в шаровой мельнице отдельно. При этом режимные и технологические параметры соответствовали максимальным значениям скорости измельчения. Значения этих параметров приведены в предыдущем разделе. Время измельчения составляло t = 30с . Путем рассева определяли гранулометрический состав измельченного материала.

Экспериментальные значения селективной функции и распределительной функции рассчитывались по формулам, предложенным в работах Гарднера Р.П и Аустина Л.Г.:

ад=-2,ом)]/'

В(у, х)-( = Е* (у, 0/(1 - АР* (X, 0)

(30)

(31)

где х - средний размер частиц фракции после измельчения; Р*{у- массовая доля измельченного материала, приходящегося на фракцию с нижней границей крупности, которая соответствует ситу с размером у .

Результаты регрессионного анализа показывают, что селективная и распределительная функции могут быть описаны уравнениями

В(у,х) =

1-е

1-е

-1

,у<х

Б(х) - ах

(32)

0,>->х

где к,а- некоторые константы.

Достоверность модели селективной функции и распределительной функции по критерию Фишера составила, соответственно, 0,9 и 0,85.

При заданных режимных и геометрических параметрах: числе оборотов барабана 23 об/мин, угле загрузки 120° и доле загрузки мелющих тел 0,6 для значений параметров селективной и распределительной функций были получены значения:

к = 1,97;« = 0,017.

На рисунке 7 приведены характерные кривые изменения гранулометрического состава асфальтовой крошки в процессе измельчения на лабораторной установке. По этим кривым можно судить о фракционном составе материала в зависимости от времени измельчения. Например, доля фракции в смеси 0-1,0 мм через 120с составляет около 68 %, а через 240 с порядка 80 %. Через 480 с доля этой фракции примерно 92 %.

Статистическая проверка соответствия экспериментальных данных по измельчению асфальтовой крошки в шаровой мельнице решению уравнения (15) осуществлялась по критерию Пирсона. Показано, что с надёжностью 0,9 данные модели не противоречат экспериментальным данным.

Экспериментальным путём определяли износостойкость мелющих тел и данные по удельной мощности. Было показано, что при производительности 100 кг/час износ мелющих составляет 0,5 кг на тонну асфальтовой крошки. Экспериментальные данные свидетельствуют о росте удельной мощности с увеличением числа оборотов барабана, что связано непосредственно с ростом мощности сил тяжести. Увеличение объема загрузки, как показывают опыты экспериментов, также приводит к росту удельной мощности, что хорошо согласуется с данными теоретических исследований. Максимальное расхождение при этом не превышает 16%.

F(x)

/Г'

l-z/

V /1

у

1/ ?— -*- время 120 с время 240 С время 360 с

/

ш

ц

р 1 1

х(мм)

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Рисунок 7- Изменение гранулометрического состава асфальтовой крошки в процессе измельчения.

В четвертой главе приведена методика расчета многосекционной шаровой мельницы для измельчения асфальтовой крошки. Блок-схема расчета кон-

структивных и технологических параметров шаровой мельницы представлена на рисунке 8.

Исходными данными для расчета являются: весовая производительность по исходному продукту 0, гранулометрический состав, который определяется функцией ^0(х), коэффициент внутреннего трения / измельчаемого материала о мелющие тела, истинная плотность измельчаемого материала рт,

удельная поверхность конечного простои дукта Ьуд .

К конструктивным параметрам относятся: диаметр барабана О, длина секции д, количество секций п

^ секI/ '

диаметр мелющих тел с1. Технологические параметры: влажность % и температура асфальтового гранулята

Режимные параметры - число оборотов барабана п, объем загрузки, определяемый углом 28, доля объема измельчаемого материала в общем объеме загрузки 8загр .

В диссертации приведен пример расчета мельницы производительностью

Рисунок 8 - Блок-схема расчета конструктивных и технологических параметров шаровой мельницы

0,4 т/час.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнено математическое описание процесса измельчёния асфальтовой крошки в новой шаровой мельнице, на основе которого выявлен механизм переработки материала при взаимодействии с мелющими телами.

2. Разработана математическая модель расчёта собственных вращений мелющих тел при работе мельницы в режиме переката и получено выражение для определения удельной мощности в процессе измельчения асфальтовой крошки. Показано, что затраты мощности на измельчение составляют 15% от общих затрат.

3. Разработан и реализован новый экспериментальный метод определения функций измельчения частиц в мельнице.

4. Построено кинетическое уравнение процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице, которое позволяет рассчитать время измельчения для заданных технологических показателей.

5. Проведенный комплекс экспериментальных исследований позволил определить значения режимных и технологических параметров, при которых скорость измельчения асфальтовой крошки максимальна.

6. Предложен новый метод расчёта удельной поверхности асфальтовой крошки. Экспериментально определены коэффициенты формы частиц различных фракций.

7. Экспериментальными исследованиями по кинетике измельчения крошки в шаровой мельнице подтверждены основные выводы и результаты теоретических исследований.

8. Разработана инженерная методика, составлена блок-схема расчёта новой шаровой мельницы для переработки асфальтовой крошки, на которую получено решение о выдаче патента РФ. Приведен пример расчета.

9. Разработанную конструкцию мельницы предполагается использовать в процессе получения товарной фракции в производстве асфальта марки ДЗ в ООО "Ярдорремстрой" (г. Ярославль). Предполагаемый эффект от её применения составит 1000000 рублей в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Бадоев, В.А. Математическая модель измельчения старого афальтбетона в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Изв. ВУЗов, «Химия и химическая технология».- 2012, Т.55, №12, С. 106-108.

2. Бадоев, В.А. Исследование процесса измельчения сыпучих материалов в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.В. Волков, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Изв. ВУЗов, «Химия и химическая технология» - 2013, Т.56 , №. 8 Стр. 109-110.

3. Бадоев, В.А. К расчету процесса измельчения сыпучих материалов в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26 [текст]: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф., 2013, т.7, С. 47-48.

4. Бадоев, В.А. Моделирование процесса измельчения сыпучих материалов в шаровой мельнице/ В.А. Бадоев, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев //Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25 [текст]: сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: в Ют., Т. 7. Секция 11. - Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012. С. 77-78.

5. Бадоев, В. А. К расчету удельной поверхности измельчаемых материалов/ В. А. Бадоев, М. Ю. Таршис//65-я Регион, науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов [текст]: тез. докл. - Ярославль, 2012. - С. 248.

Подписано в печать 19.11.2013 г. Печ. л. 1. Заказ 1398. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

Ярославский государственный технический университет

Метод расчета процесса измельчения асфальтовой крошки

в шаровой мельнице

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Бадоев Владимир Ахметович

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Таршис М.Ю.

Ярославль - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

Глава 1. Анализ современного оборудования для измельчения

сыпучих материалов и методы математического моделирования..............9

1.1. Анализ конструкций и схем оборудования

измельчения материалов....................................................................................9

1.2. Методы математического моделирования процесса измельчения сыпучих материалов.................................................................21

1.3. Методы определение функций измельчения.................................26

1.4. Описание механики движения материала в шаровой мельнице...........29

Выводы по главе 1.................................................................32

Глава 2. Математическая модель измельчения асфальтовой крошки в многосекционной шаровой мельнице..............................................................34

2.1. Описание конструктивной схемы новой шаровой мельницы....................34

2.2. Особенности механизма измельчения асфальтовой крошки в

мельнице................................................................................................................35

2.3 Движение мелющих тел в шаровой мельнице.............................................36

2.4. Кинетическое уравнение измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.........................................................................................................44

2.5. Моделирование функций измельчения на основе экспериментальных данных..............................................................................................................47

2.6. Расчет мощности, затрачиваемой на измельчение асфальтовой крошки..................................................................................................................53

Выводы по главе 2....................................................................56

Глава 3. Экспериментальные исследования процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.........................................................57

3.1. Описание конструкции и принципа работы лабораторной

установки..............................................................................................................57

3.2. Экспериментальные исследования изменения удельной поверхности и среднего размера частиц при измельчения............................................58

3.3.Исследование влияния режимных параметров на процесс измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице..........................61

3.4. Исследование влияния свойств асфальтовой крошки и мелющих тел на эффективность измельчения........................................................................65

3.5. Экспериментальные исследования гранулометрического состава асфальтовой крошки в мельнице................................................................69

3.6. Оценка износостойкости мелющих тел в процессе помола асфальтовой крошки......................................................................74

3.7. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по

движению мелющих тел в шаровой мельнице..............................................76

3.8.Экспериментальные исследования по определению мощности измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице...............................................78

Выводы по главе 3.............................................................................79

Глава 4 . Расчет многокамерной шаровой мельницы для измельчения

асфальтовой крошки.......................................................................................81

4.1 .Определение производительности мельницы...................................82

4.2.Определение удельной мощности привода шаровой мельницы.............83

4.3. Расчет коэффициента полезного действия шаровой мельницы при работе в режиме переката.............................................................................................86

4.4. Метод и порядок расчета шаровой мельницы для измельчения асфальтовой крошки......................................................................88

4.5. Пример расчета.............................................................................................90

Выводы по главе 4....................................................................92

Общие выводы и результаты работы...................................................................94

Список использованной литературы...................................................96

Прил ожени 1........................................................................................................107

Приложени 2........................................................................................................108

Приложени 3........................................................................................................109

Прил ожени 4........................................................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

Вторичное использование отходов строительного производства, в том числе и дорожного, является актуальной проблемой для всех стран. Ежегодно в Российской Федерации в процессе ремонта снимаются миллионы тонн старого дорожного покрытия, которое, в основном, идет на засыпку откосов этих же дорог. Такое использование старого асфальта, содержащего дорогостоящие битумоминеральные составляющие, вряд ли является эффективным. К сожалению, имеющиеся в стране методы регенерации старого асфальта не принесли существенного результата. Главная причина в том, что асфальт является абразивным материалом и его измельчение в центробежных устройствах и в электромагнитном поле приводит к быстрому изнашиванию рабочих органов.

Измельчение является одним из наиболее широко применяемых технологических процессов во многих отраслях промышленности. Изучению этого процесса посвящено большое количество научных работ. Однако, в настоящее время, этот процесс остается недостаточно изученным. Мало изучена физика процесса, отсутствуют простые и надежные методы экспериментального исследования.

Для описания кинетики процесса измельчения самым последовательным, с точки зрения математического описания, является использование кинетических уравнений, как для дифференциальной, так и интегральной функции распределения дисперсного состава. Однако в последние годы этот подход мало используется. Видимо, это связано с тем, что при таком описании процесса измельчения требуется определение функций измельчения, которые, строго говоря, могут быть найдены только на основе эксперимента. Имеющиеся в настоящее время методы определения функций измельчения очень трудоемки и требуют использования дорогостоящей техники. В связи с этим является актуальной разработка не сложных и не дорогостоящих методов нахождения функций измельчения.

Для их практического использования требуется определение не только дисперсного состава измельчаемого материала, но и определение удельной поверхности. В настоящее время предлагается несколько способов для определения удельной поверхности по известному дисперсному составу. Но как показывает практика, эти методы недостаточно надежны. Кроме этого, экспериментальное изучение изменения удельной поверхности в процессе измельчения позволяет, в свою очередь, найти неизвестные параметры функций измельчения.

В связи с этим является актуальной разработка новых экспериментальных методов построения функций измельчения и описание на их основе кинетики измельчения, создание новых теоретических и экспериментальных методов определения удельной поверхности измельчаемого материала.

Целью настоящей работы является разработка метода расчета процесса измельчения асфальтовой крошки на основе теоретического и экспериментального изучения кинетики измельчения.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка нового экспериментального метода построения функций измельчения;

2. Описание кинетики процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице с использованием функций измельчения;

3. Создание нового метода расчета удельной поверхности асфальтовой крошки в процессе измельчения;

4. Разработка новой конструкции многосекционной шаровой мельницы для измельчения асфальтовой крошки.

5. Разработка метода расчета процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Выполнено математическое описание процесса измельчения асфальтовой крошки в новой шаровой мельнице.

- Построена математическая модель расчёта собственных вращений мелющих тел при работе мельницы в режиме переката.

- Предложен и реализован новый экспериментальный метод определения функций измельчения твёрдых частиц в мельнице.

- Разработан новый метод расчета удельной поверхности асфальтовой крошки.

- Построено кинетическое уравнение процесса измельчения асфальтовой крошки в шаровой мельнице.

Практическая ценность работы.

1. Использование разработанной на основе теоретико-экспериментальных исследований новой конструкции шаровой мельницы для асфальтовой крошки позволяет получить требуемые по технологии продукты измельчения с малыми затратами энергии.

2. Методика расчёта режимных и конструктивных параметров мельницы и блок-схема её расчета будут востребованы при разработке мельниц в химической, дорожно-строительной и других отраслях.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований находят использование в процессе получения товарной фракции крошки, которую планируется использовать в производстве асфальта марки ДЗ. Предполагаемый эффект от её использования составит 1000000 рублей в год.

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-математических методов анализа результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований, удовлетворительном, статистически обоснованном совпадении теоретических и экспериментальных данных. Апробацией результатов работы в производстве.

Автор защищает следующие основные положения: 1. Методологию определения функций измельчения асфальтовой крошки в многосекционной шаровой мельнице;

2. Математическую модель в виде кинетического уравнения, позволяющую рассчитать дисперсный состав измельченной асфальтовой крошки в многосекционной шаровой мельнице;

3. Методологию определения удельной поверхности измельченной асфальтовой крошки;

Личный вклад автора Диссертантом выполнен весь объём экспериментальных исследований, проведены необходимые расчёты, обработка результатов и их анализ. Автор принимал непосредственное участие в обсуждении результатов и написании публикаций, формулировании выносимых на защиту выводов и рекомендаций.

Методология и методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований были изучены и обобщены научные разработки в области моделирования процесса измельчения материалов.

Использованы методы математического моделирования, составлены программы решения основных математических уравнений, использованы современные компьютерные технологии.

Проверка теоретических положений работы проводилась с использованием стендовых лабораторных установок и современных измерительных устройств.

Внедрение результатов работы. Результаты работы будут использованы в ООО "Ярдорремстрой" (г.Ярославль, см. приложение 4).

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на XXV Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях": ММТТ - 25 (Волгоград, 2012); на XXVI Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях": ММТТ - 26 (Саратов, 2013), на 65-й Региональной научно-технической конференции ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль, 2012).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 научных работах, в том числе в 2 статьях в журналах из перечня ВАК РФ и в 3 тезисах докладов на научных конференциях, две из которых международные.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 105 наименований. Общий объем работы 110 страниц, в том числе 30 рисунков и 24 таблицы.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

1.1 Анализ конструкций и схем оборудования измельчения

материалов

Под измельчением понимают разрушение твердых тел до необходимых размеров[1]. Измельчение способствует улучшению однородности смесей, ускорению и повышению глубины протекания гетерогенных химических реакций, повышению интенсивности сочетаемых с ним других технологических процессов (перемешивание, сушка, обжиг), улучшению физико-механических свойств и структуры материалов (твердые сплавы, бетон, керамика, огнеупоры и т. п.), повышению красящей способности пигментов и красителей, переработке полимерных композиций, включающих высокодисперсные наполнители (напр., сажу, слюду, химические и иные волокна), утилизацию отходов производства, бракованных и изношенных изделий (резиновые шины) и т. д. [1].

Процесс измельчения находит также применение в производстве дорожных покрытий, в частности, при регенерации старого асфальтобетона. В этом случае процесс измельчения имеет некоторые особенности, связанные со сравнительно высокой пластичностью асфальтобетона, что определяет выбор оборудования. Поскольку для ударного разрушения асфальтобетона необходимо обеспечение скоростей измельчаемых частиц порядка 50 м/с, необходимо применение высокоскоростных измельчителей ударного типа (например, центробежных). Однако, такие устройства малоэффективны в силу их высокой энергоемкости. Измельчители раздавливающего действия (валковые, щековые и др.) неэффективны из-за пластичности асфальтобетона и его склонности к агломерации. Наиболее эффективными оказываются низкоскоростные измельчители, реализующие при работе механизмы раздавливания и

истирания. К таким измельчителям относятся тихоходные барабанные шаровые мельницы. Рассмотрим подробнее их основные типы.

Барабанные шаровые мельницы относятся к тихоходным измельчитель-ным устройствам со свободными мелющими телами. В зависимости от конструкции барабана различают шаровые мельницы [2 - 4]:

1) цилиндрические; 2) трубчатые; 3) конические, а также мельницы: с горизонтальным, наклонным и вертикальным корпусом. По методу выгрузки готового материала:

1) мельницы со свободным выходом измельченного материала через пустотелую цапфу; 2) мельницы с выгрузкой по всей длине барабана через цилиндрическое сито; 3) мельницы с внешней системой сепарации, в которых готовый продукт отделяется от недомолотого материала в сепараторах, вне мельничного барабана.

На рисунке 1.1 показана барабанная шаровая цилиндрическая мельница [1, 3, 4]. Она содержит цилиндрический корпус 1, мелющие тела 2, футеро-вочные плиты 3 и привод 4.

Барабанные шаровые мельницы (рисунок 1.2) загружаются мелющими телами обычно на 35-40% объема, в межшаровом пространстве находится материал, который измельчается в результате совместного действия шаров и крупных кусков материала, а также взаимного истирания частиц.

В зависимости от величины угловой скорости барабана, мельница может работать в каскадном и водопадном режимах (рисунок 1.2). При каскадном

3

Рисунок 1.1- Барабанная шаровая цилиндрическая мельница

режиме, при небольшой угловой скорости вращения барабана шары поднимаются на некоторую высоту, и затем скатываются параллельными слоями (рис 1.2, а). При большей скорости вращения барабана каждый шар в верхней зоне отрывается от слоя и свободно падает по параболической траектории (водопадный режим) (рис 1.2, б).

При каскадном режиме движения шаров измельчение происходит раздавливанием и истиранием. При работе мельницы в водопадном режиме измельчение интенсифицируется, что обусловлено дополнительным воздействием удара [3].

В цилиндрических ситчатых мельницах барабан состоит из спирально изогнутых плит с продольными щелями между ними. Измельченный материал проходит в эти щели, затем сквозь цилиндрическое сито и выгружается через разгрузочную воронку корпуса мельницы [2,3]. В трубчатых мельницах шары воздействуют на измельчаемый материал более длительно. Эти мельницы имеют длинные барабаны, облицованные изнутри кремниевыми брусками или кремниевой галькой на цементе [3]. Корпус мельницы может быть двухкамерным и выполненным цилиндроконическим.

Например, мельница [5] (рисунок 1.3) состоит из двух камер 1 и 2. Длина камеры 1 в 2,5—3 раза меньше ее диаметра, а длина камеры 2 больше или равна диаметру. Камера 2 может быть цилиндрической (а), либо цилиндро-конической (б) формы. Камеры 1 и 2 разделены перегородкой 3, имеющей центральное отверстие 4. На торцовых стенках камеры установлены кольцевые и отражательные плиты 5. Передняя крышка мельницы имеет полую

а)

б)

Рисунок 1.2 - Режимы работы барабанной мельницы (а) - каскадный, б) - водопадный)

цапфу 6, в которой установлена загрузочная воронка 7. На перегородке 3 со стороны камеры 2 установлена диафрагма 8. Задняя крышка мельницы имеет полую цапфу 9, в которой установлена разгрузочная воронка 10. Камера 2 заполнена мелющими телами 11. Барабан мельницы установлен на подшипниках 12.

Рисунок 1.3 - Двухкамерные мельницы: а) - цилиндрическая,

б