автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Сепарация полидисперсных зернистых материалов различной плотности

РГБ

2 3 НОЙ «98

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. №

ПРОНИН ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СЕПАРАЦИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ

(05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 1998

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедре «Технологическое оборудование и прогрессивные технологии».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Долгунин Виктор Николаевич кандидат технических наук, доцент Уколов Андрей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гришаев Игорь Григорьевич кандидат технических наук, профессор Коптев Андрей Алексеевич

Ведущая организации - ВИИТИН

Защита состоится « / » ^ 0 # <■ '/ -?1998 г. в ( '/ часов в ауд. 60, ул. Ленинградская, ] на заседании диссертационного совета К 064.20.01 Тамбовского государственного технического университета. Отзьшы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ Автореферат разослан « / Т~ » 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент

В. М. Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время технология дисперсных материалов (Particle Technology) характеризуется как бурно развивающаяся отрасль мировой экономики, которая имеет важное, все более возрастающее значение для развития химической, пищевой промышленности и многих других отраслей хозяйства. Интенсивные исследования, проводимые в рамках этой технологии, позволяют создавать новые материалы с оригинальными потребительскими свойствами, разрабатывать эффективные технологические процессы и оборудование, а также совершенствовать действующее производство и находить решения актуальных проблем экологии. Среди процессов технологии дисперсных материалов особое место занимает процесс сепарации, широко используемый на различных стадиях производства от подготовки сырья до финишных операций по обеспечению качества продукта. Традиционными задачами сепарации являются разделение частиц материала либо по размеру либо по плотности. Однако, во многих случаях, в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства существует проблема сепарации частиц зернистых материалов, различающихся по комплексу физико—механических свойств, чаше всего частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности. Сепарация таких материалов сопряжена со значительными проблемами, связанными с необходимостью последовательного применения и ситовой классификации и пневмо-гидравлической сепарации с использованием вспомогательных газожидкостных потоков. Эти обстоятельства приводят к снижению надежности и эффективности процесса, особенно в случае неправильной формы частиц, и, кроме того, являются причиной пониженной экологической безопасности.

Анализ указанной проблемы свидетельствует, что она имеет широкий межотраслевой характер и ее решение могло бы способствовать совершенствованию процессов сепарации в металлургии, энергетике, химической, горнорудной промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях.

В связи с этим проведенные в настоящей работе исследования эффектов сегрегации в сдвиговом гравитационном потоке неоднородной зернистой среды с их реализацией для организации технологии бесситовой сепарации частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности имеют актуальное научное и практическое значение. Работа выполнена в рамках единого заказ — наряд;! Министерства образования Российской Федерации, МНТП (шифр П. Т. 465, П. Т. 419)

Цель работы. Диссертационная работа посвящена разработке способа сепарации зернистых материалов, частицы которых различаются одновременно по размеру и плотности, за счет комплексного использования эффектов сегрегации в сдвиговом гравитационном потоке. В соответствии с этим в задачу данной работы входило:

- комплексный анализ эффектов сегрегации в быстром гравитационном потоке неоднородной зернистой среды, и разработка способа сепарации частиц, различающихся по размеру и плотности;

- моделирование процесса сепарации зернистых материалов, базирующегося на комплексном использовании различных механизмов сегрегации;

- разработка рекомендаций по организации процесса сепарации частиц зернистых материалов, различающихся по размеру и плотности;

- разработка технических решений по сепарации зернистых материалов и их промышленная апробация.

Научная новизна. Экспериментально исследована эффективность сегрегации частиц, различающихся по размеру и плотности, в быстром гравитационном потоке и определены условия максимальной эффективности процесса сепарации.

Предложен способ оценки эффективности разделения смеси частиц, различающихся по размеру и плотности при неоднородном пространственном распределении твердой фазы в гравитационном потоке на шероховатом наклонном скате.

Составлена математическая модель многоступенчатой сепарации частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, позволяющая исследовать влияние технологических параметров процесса на его эффективность.

Практическая ценность. Предложена технология бесситовой сепарации зернистых материалов, частицы которых отличаются по размеру и плотности, основанная на комплексном использовании эффектов гидромеханической сегрегации и миграции частиц в быстром гравитационном потоке без применения вспомогательных газовых и жидкостных потоков.

Разработана методика технологического расчета аппарата для многоступенчатой сепарации частиц на базе комплексного использования эффектов сегрегации в быстром гравитационном потоке с применением разработанной математической модели. Модель позволяет оценить влияние основных конструктивных и эксплуатационных параметров на эффективность сепарации и может быть использована при совершенствовании конструкции и оптимизации условий работы сепаратора.

Проведено комплексное исследование эффективности сепарации зерновой смеси, имеющей важное промышленное значение, и выданы рекомендации по организации процесса.

Технология сепарации зернистых материалов, основанная на комплексном использовании эффектов сегрегации в гравитационном потоке частиц, внедрена в производстве зерна в колхозе «Новый Мир» Тамбовской области с экономическим эффектом 94 тыс. руб. в ценах 1998 г.

Апробация работы Результаты диссертационной работы доложены на III и IV научных конференциях, проводимых в Тамбовском государственном техническом университете в 1996-97 гг., на 2-й межрегиональной научно-практической конференции — «Пищевая промышленность — 2000» (Казань, 1998 г.), на школе молодых ученых при международной конферен-

ции «Математические методы в химии и химической технологии» (Новомосковск, 1997 г.), на международном форуме по переработке зернистых материалов (Иерусалим, Израиль 1997 г.).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе одно положительное решение на выдачу авторского свидетельства на изобретение.

Объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено краткое содержание работы и показана актуальность решаемых в ней задач.

В первой главе на конкретных примерах, касающихся металлургии, горнорудной, химической промышленности и сельского хозяйства приведен анализ проблем, возникающих при сепарации зернистых материалов, частицы которых различаются по размеру и плотности.

Традиционные методы классификации зернистых материалов по размеру или плотности частиц предполагают либо использование вспомогательных потоков газа или жидкости, либо обработку смеси на вибрирующей поверхности. При больших мощностях производства это приводит к необходимости расхода больших объемов воды, воздуха, применения мощных источников вибрации, особенно в случае крупнозернистых материалов. Вследствие этого возникают неблагоприятные условия труда и повышенная опасность загрязнения окружающей среды выбросами запыленного воздуха, сточными водами и шумоизлучением.

Особыми проблемами сопровождается ситовая классификация зернистых материалов, содержащих абразивные частицы неправильной формы. В этом случае в связи с интенсивным абразивным износом возникает необходимость применения достаточно толстых сит, отверстия которых быстро забиваются.

Пневматическую сепарацию затруднительно использовать для классификации в тех случаях, когда с увеличением размера частиц их плотность уменьшается. Обычно подобного рода технологическая проблема разрешается путем предварительного ситового фракционирования смеси на достаточное число классов по размеру с последующей сепарацией частиц каждого класса по плотности. Такая технология, помимо уже указанных недостатков традиционных методов, характеризуется недостатками многопоточной, многостадийной технологической операции (повышенная энергоемкость, низкая надежность).

В связи с приведенными недостатками приведенных технологий сделан вывод о целесообразности разработки способа сепарации частиц, различающихся по размеру и плотности, за счет комплексного использования различных эффектов сегрегации в быстром гравитационном потоке материала.

Вторая глава посвящена разработке технологии многоступенчатой сепарации частиц зернистых материалов, различающихся по размеру и плот-

ности на базе комплексного использования эффектов миграции и гидромеханической сегрегации частиц в быстром гравитационном потоке.

Технология сепарации разработана с учетом особенностей гидродинамики быстрых сдвиговых гравитационных течений. Анализ результатов исследований динамики таких течений и проявляющихся в них эффектов сегрегации позволил представить их в абстрактном виде, изображенном на рис. 1. Приведенные данные показывают, что при определенных условиях течения слой материала можно условно разбить на три зоны. Зона 1, расположенная вблизи основания слоя, характеризуется резким увеличением порозносги в направлении к основанию слоя и повышенной концентрацией менее плотных и более мелких частиц материала. Зона 2, расположенная в середине слоя, имеет наиболее высокое и относительно стабильное содержание твердой фазы и повышенную концентрацию более крупных и более плотных частиц. В зоне 3, расположенной в верхней части слоя, имеет место резкое увеличение его порозносги в направлении к открытой поверхности потока и повышенное содержание менее плотных и относительно мелких частиц.

Приведенные распределения частиц, таким образом, обладают общей характерной особенностью, которая заключается в том, что концентрация легких (менее плотных и мелких) частиц, возрастает к основанию слоя и к его поверхности, а в средней части слоя (зона 2) концентрируются тяжелые (крупные и плотные) частицы материала. Это происходит потому, что более инерционные частицы, имеющие большую массу, вытесняют из зоны 2 слоя, имеющей повышенную плотность, легкие подвижные частицы в области потока с пониженной концентрацией твердой фазы (зоны 1 и 3).

Концентрационные профили рассмотренной конфигурации формируются в быстром гравитационном потоке под действием различных механизмов сегрегации. В центральной зоне потока, имеющей минимальный градиент концентрации твердой фазы, преобладает механизм гидромеханической сегрегации, аналогичный проницанию. В соответствии с этим механизмом разделение частиц осуществляется преимущественно по размеру, в результате чего происходит перемещение крупных частиц в верхнюю часть потока, а мелких - в нижнюю и нижняя зона обогащается мелкими частицами, а верхняя - преимущественно крупными. В этих свойствах зоны проявляется ее функциональная аналогия с ситовой классификацией.

Рис. 1. Профили скорости и, порозности е, концентрации частиц малой плотности С1 и крупных частиц С2 в гравитационном потоке смеси частиц, различающихся по размеру и плотности

В верхней и нижней зонах потока, характеризующихся высокими градиентами концентраций твердой фазы, доминирует механизм квазидиффузии частиц, называемый миграцией. Под действием механизма миграции в этих зонах частицы разделяются одновременно по размеру и плотности и при этом более подвижные (легкие) из них перемещаются в разреженные области потока, в то время как более инертные (тяжелые) - перемещаются в направлении центральной более плотной части потока. В итоге средняя зона (зона 2) потока оказывается обогащенной крупными и плотными частицами, причем наиболее крупные и плотные из них сосредотачиваются вблизи верхней границы зоны. В связи с этим механизм сегрегации в периферийных зонах потока имеет некоторую функциональную аналогию с пневмо-гидросепарацией зернистых материалов.

На основе проведенного анализа гидродинамики и сегрегации в быстром гравитационном потоке неоднородного зернистого материала предложена следующая технология сепарации. Исходный продукт, представляющий собой смесь частиц, различающихся по размеру и плотности, поступает из бункера - накопителя (рис. 2) в среднюю часть наклонной пластины 1 у верхней ее кромки. Для получения развитого сдвигового течения по всему объему зернистого материала пластана выполнена шероховатой и установлена под углом к горизонту, близким углу естественного откоса материала.

При определенных условиях течения взаимодействие частиц приводит к их перераспределению в потоке, соответствующему концентрационным профилям, приведенным на рис. 1. Под действием механизмов гидромеханической сегрегации и миграции в центральной, наиболее плотной часта слоя, будут концентрироваться малоподвижные - наиболее крупные и плотные частицы. В периферийных, менее плотных областях слоя, у основания и у открытой его поверхности, будут скапливаться подвижные (менее плотные) частицы, приобретающие при столкновении более высокие скорости. Причем более крупные из них будут перемещаться в верхней, а мелкие - в нижней части потока. Слой ссыпающихся частиц делят по высоте на три части в некотором соответствии с соотношением объемов слоя по зонам (зоны 1, 2, 3 на рис. 1). Полученные части перемещают противоточно вдоль

Исходная снесь

Рис. 2. Схема сепарации зернистых частиц, различающихся по размеру и плотности: 1— шероховатый скат

нижней кромки пластины, направляя среднюю часть к одной торцевой ее кромке, а нижнюю и верхнюю - к другой.

Вдоль пластины организуется некоторое число ячеек сепарации. При этом перемещение частей потока осуществляется ступенчато, от одной ячейки сепарации к другой, с повторной их подачей на плоскость и разделением слоя на три части на каждой ступени сепарации (рис. 2) Тем самым реализуется принцип многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц. В соответствии с этим принципом каждый из потоков при перемещении от одной ступени сепарации к другой обогащается частицами определенного свойства. В итоге у торцевых кромок пластины с одной стороны выгружается наиболее плотный продукт, а с другой - менее плотный компонент.

Аналогом предложенной технологии является технология многоступенчатой сепарации «Мульти-сег», которая предполагает использование только эффекта гидромеханической сегрегации и соответственно разделение гравитационного потока на две равные части.

Для подтверждения эффективности предлагаемого способа сепарации и определения технологических параметров его реализации проведены соответствующие экспериментальные и аналитические исследования

В исследованиях использован метод, базирующийся на анализе потока частиц в фазе их свободного падения за порогом ссыпания с шероховатой наклонной плоскости. Принципиальная схема эксперимен-

Устаиовка состоит из наклонного канала 1 прямоугольного сечения, установленного под углом к горизонту с возможностью регулирования последнего. Под нижним концом канала на некотором расстоянии по отвесу размещена кювета 2, разделенная поперечными перегородками 3 на ячейки. В канале 1 закреплена с возможностью перемещения ограничительная планка 4, с помощью которой обеспечивается регулирование толщины и длины скатывающегося слоя. Дно канала имеет шероховатость, равную половине диаметра крупных частиц. Угол наклона плоскости ската варьируется в пределах, близких углу естественного откоса среды.

В качестве объекта исследования была выбрана полидисперсная зерновая смесь ячмень-овсюг, компоненты которой вместе с тем отличаются друг

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 - плоскость ската, 2 - кювета, 3 - перегородки разделительные, 4 - планка ограничительная, 5 - бункер

тальной установки представлена на рис. 3.

от друга и по плотности. Разделение этой смеси является чрезвычайно актуальной проблемой для Российского сельского хозяйства. Овсюг — трудноотделимая примесь, которая существенно снижает урожайность и сохраняемость зерна.

Поскольку технологические условия гравитационного течения существенно влияют на распределение потока по зонам 1, 2 и 3 (рис. 1), то в качестве факторов, определяющих эффективность сепарации, учтены угол наклона ската, удельный расход материала на единицу длины ссыпного порога ската и его дайна.

Диапазоны изменения характеристик потока в эксперименте были следующие: 1,8 и 6,8 кг-м^-с"1 — по удельному расходу зерна; sina/sinaQ = = 1,04+1,2 — по углу наклона ската; / > 0,35 м — по длине ската.

Методика проведения эксперимента состояла в следующем. После установки необходимых значений угла наклона плоскости ската, расхода материала (толщины слоя) зерновую смесь дозируют с заданным расходом непосредственно в канале. Первоначально скатывающийся материал принимают в буферную емкость. После наступления режима установившегося течения открывают доступ ссыпающегося материала к ячейкам кюветы 2 (рис. 3). При этом частицы, движущиеся в нижней части слоя и имеющие на пороге ссыпания наименьшую скорость, попадают в ближние ячейки, а частицы верхней части потока, имеющие большую скорость — в дальние. В течение определенного времени ячейки кюветы заполняются падающими частицами. После заполнения кюветы содержимое каждой ячейки взвешивают и определяют концентрацию целевого компонента и массу 1000 зерен.

Для получения статистически значимых результатов все опыты были проведены многократно. Затем экспериментальные данные были обработаны с применением общепринятых статистических методов и использованы для расчета коэффициентов разделения (сепарации) К«..

Обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ с использованием стандартных вычислительных методов. В результате эксперимента получены функции плотности распределения по ячейкам кюветы зернистого материала mj(x) и целевого компонента rii(x) и изменение массы 1000 зерен ячменя п2(х). В приведенных функциях распределения аргумент представляет собой координату по длине кюветы (аналог высоты слоя) для приема ссыпающегося материала. Для удобства проведения расчетов дифференциальные функции плотности распределения ш(х) и nj(x) были преобразованы в соответствующие интегральные функции М (х), Nt (х) и N2 (х)(рис. 4).

Поскольку экспериментальные функции М(х) и N; (х) заданы таблично, то для получения интегральных функций была использована интерполяция в форме гладких восполнений. Далее массовая доля потока в зоне 1 (М() варьировалась в диапазоне от 1% до 50%, доля потока в зоне 2 составляла 50% от общего массового расхода материала и на зону 3 приходился остаток потока М3, определяемый разностью между массой всей навески материала в кювете G и суммарной массой приходящейся на зоны 1 и 2.

Таким образом, при величине первой зоны, равной 50% массы всего потока, имело место разделение потока на две зоны в полном соответствии с традиционной технологией «Мультисег». Для каждого из вариантов разделения потока определялась величина коэффициента сепарации (разделения).

К„ =•

С,-С

н

сн(1-

й 6 X

Рис. 4. К определению местоположения зон потока

величиной G с использованием интегральных функций распределения ссыпающегося материала М(х) и целевого компонента Nt(x)

■Сн) (1)

где Сн — средняя концентрация целевого компонента в начале гравитационного потока на пластине; С2 — концентрация целевого компонента в зоне 2 потока. При этом для традиционной технологии С2 — концентрация целевого компонента в верхней части потока, а для вновь предложенной С2 — концентрация компонента в центральной части потока (зона 2).

Выражение (I) представляет собой формулировку эффективности разделения для отдельной ступени сепарации и косвенно характеризует эффективность технологии в целом, которая обеспечивает усиление этого элементарного эффекта на множестве ступеней. В соответствии с выражением (1) коэффициент эффективности сепарации определяется как отношение изменения концентрации целевого компонента в потоке в результате перераспределения частиц на одной ступени сепарации к исходной неоднородности смеси.

Коэффициент сепарации смеси по массе 1000 зерен определялся как относительное изменение этой массы в результате перераспределения частиц в сдвиговом потоке на одной ступени сепарации.

_1000 т-> -т

то

■н_

т

1000

(2)

где - т[{ — масса 1000 зерен в исходной смеси, а т2 — масса 1000 зерен в зоне 2 потока после сепарации.

В дальнейшем на этапе анализа сравнительной эффективности предложенной и традиционной технологий коэффициент разделения Кс определялся для того варианта трехзо-нальното разделения потока, при котором наблюдалась максимальная эффективность сепарации. На рис. 5 приведены полученные в эксперименте зависимости коэффициента сепарации Кс от угла наклона ската для различных значений удельной величины потока при трехзональной схеме его разделения. Приведенные результаты позволяют утверждать, что эффективность сепарации зерновой смеси при различных величинах потока изменяются в диапазоне значений 0,1 — 0,3. При этом для малой величины потока максимальные значения эффективности сепарации имеют место при меньших углах наклона ската и, напротив, для потока большой величины потока они обнаруживаются при больших углах наклона.

На рис. 6 приведено сравнение эффективности для предложенной и традиционной технологий сепарации при различной величине потока в зависимости от угла наклона ската. Сравнение проведено как по эффективности отделения примесей (рис. 6,а), так и по эффективности выделения зерен с наибольшей массой (рис. 6,6).

Сравнение показывает, что и при малой удельной величине потока (зависимости 1, 3) и при большой (зависимости 2, 4) эффективность сепарации с использованием предложенной технологии оказывается на 25—50% выше эффективности традиционной технологии. При этом преимущества новой технологии проявляются во всем диапазоне изменения угла наклона ската.

Наблюдаемое увеличение коэффициента разделения К^ является чрезвычайно существенным, если принимать во внимание особенности принципа многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц, позволяющей усилить эффект, достигаемый на одной ступени.

Кс 0,3

од

а!

№

с-'

з-б^кгм^г'

Л1поС0

Рис. 5. Влияние угла наклона ската а и удельной величины потока в на коэффициент сепарации К,.

О.)

Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что максимум коэффициента сепарации по массе зерен (рис. 6,6) наблюдается при тех же значениях угла наклона, что и для сепарации примесей (рис 6,а). Для потоков небольшой величины (высота слоя равна 4—5 диаметрам частиц) и больших потоков (высота слоя равна 9-10 диаметрам частиц) предпочтительные углы наклона поверхности ската определяются из отношения БтаДшао, равного 1,1 и 1,14 соответственно. Очевидно, что эти значения безразмерных симплексов должны быть учтены при проектировании и эксплуатации аппарата.

Кроме того, в результате проведенных исследований определены оптимальные соотношения частей гравитационного потока по зонам 1, 2 и 3, соответствующие максимальным значениям коэффициентов сепарации.

Приведенный анализ дзет возможность утверждать о существенных преимуществах предлагаемой технологии сепарации по сравнению с традиционной при сепарации смесей частиц, различающихся по размеру и плотности. В частности, применительно к решаемой проблеме сепарации зерновой смеси предложенная технология позволит осуществить одновременную очистку зерна от трудноотделяемых примесей и его калибровку одновременно по размеру и плотности.

В третьей главе разрабатывается модель сепаратора зернистых материалов, реализующего предложенный способ сепарации частиц по размеру и плотности. С учетом промышленного опыта и практики исследований для реализации способа использован аппарат с вращающимся барабаном, имеющим периферийную насадку. Это связано с тем, что насадочный барабан этих устройств обеспечивает равномерную подачу материала на классифицирующее устройство по всей ето длине и продольное транспортирова-

Рис. 6. Эффекгшвносгь сепарации в гравитационном потоке зерна при отделении примеси (а) и при выделении зерен с наибольшей массой (б) для трехзональной (1, 2) и традиционной (3, 4) схем деления потока при удельных величинах потока 1,8 кгм^с-1 (1,3) и

6,8 кгм'х"1 (2,4)

ние материала при минимальных энергетических и капитальных затратах. Высокая степень организации потоков в таких аппаратах создает благоприятные условия для детерминированного анализа процесса сепарации.

В настоящей работе, при разработке математической модели многоступенчатой сепарации была проанализирована схема устройства с вращающимся насадочным барабаном при загрузке исходного материала на некотором его участке (участках). Внутри барабана установлена неподвижная сепарирующая насадка (рис. 7). Насадка представляет собой шероховатую наклонную плосхость и три ряда располо-

Рис. 7. К расчету сепарации частиц по размеру и плотности:

а) схема аппарата: 1 - барабан, 2 - шероховатая пластина, 3 - трехрядная насадка; б) функция плотности распределения загружаемого материала

женных под ее нижней кромкой отклоняющих элементов. Ряды элементов отделены друг от друга перегородками, которые выполняют роль делителей сдвигового потока частиц на три зоны в соответствии с принципиальной схемой способа, представленной на рис. 2. При этом три соседних элемента, расположенных в смежных рядах насадки, и соответствующий им участок аппарата образуют одну ступень сепарации. Такая схема устройств представляется наиболее общей для организации процесса, в связи с чем она использована при разработке математической модели.

При разработке модели сделаны следующие допущения: 1) продольное перемешивание описывается однолараметрической диффузионной моделью за исключением фазы контакта материала с сепарирующей насадкой; 2) коэффициент заполнения по длине барабана одинаков.

Уравнение, описывающее динамику распределения частая целевого компонента в барабане при отсутствии сепарирующей насадки записывается в следующем виде:

| = + (3)

а 32 * дг1 Р-тт-Щар

Краевые условия сформулированы в следующей форме:

дс 8г

z-0 52

= 0, (4)

z=L

c(0,z)=c0=const (5)

Средняя скорость продольного движения материала определяется как

1 z W=-Ц--flrdz, (6)

где z3 - координата нейтрального сечения загрузки, в котором скорость равна 0.

Основным функциональным узлом рассматриваемого устройства является блок отклоняющих элементов, который выполняет две главные функции: 1) делит поток частиц после сегрегации на три части в соответствии с зонами слоя; 2) обеспечивает противоточный транспорт выделенных частей потока по ступеням сепарации.

Интенсивность исчерпывания целевого компонента подъемной насадкой барабана на сепарацию оценивается отрицательным источником, мощность которого определяется как

I- = 22ц-п^2рл . c(t;Z) = g. c(t;Z) (7)

i

ар

где Fj, — площадь сечения засыпки материала на лопасти, выгружаемого на сепарирующую насадку (рис. 8)

Для Г- образной лопастной насадки будем иметь

Рд' ±~'hp -sin2(cc0 -¡3) -(ctg(a0 —¡3) — ctg(a0 -0)) -^-(R—ы„)-Ьл,

(В)

Для радиальной насадки

Рл = ~' (9 ~ X)• R2 -Ьр • sin2(а0 -р) • (ctg(aо -р) -ctg(«0 -6)) , (9)

где х = Р - агс$т[ьл / ^(Я - Нл)2 + Ьл

Далее для оценки влияния сепарирующей насадки на распределение целевого компонента в й ячейке сепарации полагаем, что на стадии контакта частиц с отклоняющими элементами насадки происходит идеальное перемешивание каждой из частей потока. Тогда соответствующие значения концентраций по зонам можно определить, исходя из концентраций в начале потока с использова-

нием коэффициента сепара- Рис- 8- к определению площади засыпки

ции:

Р„ на лопасти подъемно-лопастной

насадки

Ь: - а- •> 1 1 а4

1

Ъ; - Я •

. Ь, 4

^ = /(4 • сн(г)- 2 • Т2(сн(2))- ^(с„(2)))С12 ,

(Ю)

(И)

(12)

где 1 = 1, 2, ..., к; а;, ^ — координаты границы 1-й ячейки (рис. 7).

Приток целевого компонента вследствие действия сепарирующей насадки описывается функцией положительного источника:

^ = • ^- 1к)+ 8?00" -4) + • с^ - Ц , (13)

где — среднее время контакта частиц с сепарирующей насадкой, g1i (г), ВгХ2). 8з' (г) — функции плотности распределения компонента смеси для 1— й ячейки по зонам сепарации 1, 2 и 3 соответственно.

Для периферийных — 1 и 3 зон <3= 1,3) эта функция принимает значения

о,

—(г - а. - /г + £)> 2 ' 7

г 1

2/$

О,

(Ь, -ьА + ^-гХ

г < а1 + Ь -

Для центральной зоны (зоны 2) потока функция распределения выражается как

О,

■<а, -Ь-%

(15)

^-(6, -/г + 4 - г), + %

О,

где ^ е (0, //2), /=ам-а;, И — величина отклонения, которая равна 11=11О-сС0(_1 Ь0 — расстояние между нижней кромкой отклоняющего элемента и свободной поверхностью засыпки; д— угол наклона отклоняющих элементов к горизонту.

С учетом функции источников (7), (13) приходим к следующему уравнению динамики распределения целевого компонента в сепараторе:

дс

^•с) а2с 4-с,

а2 +

-I, +1;

(16)

'дгг [3 • Я • Од ар

Разработанная модель многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц реализована на ЭВМ. С этой целью уравнение динамики процесса (16) с граничными условиями (4), (5) приведено к алгебраическим уравнениям с использованием неявной разностной схемы Кранка -Николсона.

Проверка адекватности разработанной модели проведена путем сравнения результатов моделирования процесса сепарации зерновой смеси с экспериментальными данными.

Экспериментальные данные были получены на установке с барабаном диаметром 0,5 м м длиной 1,5 м. Сравнение расчетной и эхсперимен-

тапьной динамики распределения целевого компонента по длине барабана свидетельствует об удовлетворительном их соответствии.

На рис. 9,а приведена динамика изменения концентрации примесей в продукте, представленная в виде эффективности сепарации С,

Сэ = (Си - С)/Сн

(17)

где Сн

концентрация примеси (овсюга) в исходной смеси. На рис 9,6 показаны экспериментальные кривые динамики эффективности калибровки зерна по массе, вычисленной как

Сэ = (М - Мн)/Мн, (18)

где М, Мк — масса 1000 зерен ячменя в продукте и в исходной смеси соответственно.

Анализ результатов свидетельствует об адекватности разработанной модели и достаточно высокой эффективности разработанного способа сепарации частиц по размеру и плотности.

ео

Рис. 9. Эффективность сепарации зерна в барабанном классификаторе при отделении примеси (а) VI при выделении зерен с наибольшей массой (б) для разработанного (1) и традиционного (2) способа сепарации

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана технология сепарации зернистых материалов, частицы которых различаются по размеру и плотности, за счет комплексного использования эффектов гидромеханической сегрегации и миграции в быстром гравитационном потоке.

2. Проведено экспериментальное исследование эффективности предложенной технологии сепарации, в результате которого выявлены существенные ее преимущества по сравнению с традиционной технологией и разработаны рекомендации по организации процесса.

3. Составлена математическая модель аппарата для многоступенчатой сепарации частиц, различающихся по размеру и плотности. Модель позволяет прогнозировать динамику распределения целевого компонента смеси в зависимости от основных конструктивных и эксплуатационных параметров аппарата. Проведена проверка адекватности модели.

4. Разработана методика технологического расчета аппарата для многоступенчатой сепарации частиц, различающихся по размеру и плотности, с использованием разработанной математической модели.

5. Проведены исследования сепарации зерновой смеси, имеющей промышленное значение, и выданы рекомендации по организации процесса. Результаты исследования внедрены в виде промышленной установки для сепарации зерна с годовым экономическим эффектом 94 тыс. руб. в ценах 1998 года.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

X, у, z - координаты; w - скорость потока среды, мс"1; s - порозность слоя; h - толщина слоя на пластине, м; р - плотность частиц, кг-м"3; с -концентрация целевого компонента, кг-кг1, кг"!; t - время, с; Dnp - коэффициент перемешивания частиц, м2 с-1; a, uo - угол наклона плоскости ската к горизонту и естественного откоса материала соответственно, град.; Кс -коэффициент сепарации; 1( - плотность распределения загрузки материала по длине барабана, м2-с-1; I+v, I"v - функции источников (стоков) целевого компонента, с"1; L - длина барабана, м; пл - число лопастей в барабане; ю -угловая скорость вращения барабана, с-1; D6ap - диаметр барабана, м; ß -коэффициент заполнения барабана, м3 м"3; G - удельный поток материала на скате, кг-м^-с-1.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Модель барабанного классификатора дисперсных материалов/ Уколов A.A., Куди А.Н., Пронин В.А.//Магематические методы в химии и химической технологии: Тез. докл. международн. конф. Новомосковск, 1997.

2. Технология и оборудование для переработки зерновых продуктов/ Долгунин В.Н., Уколов A.A., Куди А.Н., Пронин В.А.// Пищевая промышленность — 2000: Тез. докл. 2—oit межрегиональной, конф. Казань, 1998.

3. К определению оптимальных условий сепарации зернистых материалов в гравитационном потоке/ Пронин В .А, Уколов А.А.//Труды ТГТУ, Тамбов, 1998. - с. 20 — 25.

4. Granular materials separation based on segregation effects// V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, A.N. Kudy, V.A. Pronin, A.M. Klimov// The forum for Bulk Solids Handling, Proceedings, Jerusalem, 1997, p. 11.63 — 11.69.

5. A. c....( положительное решение по заявке N° 4825721///OV^fcCCP, МКИ В 07 В 13/05. Классификатор сыпучих материалов).