автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Стабилизация гранулометрического состава продуктов вибрационного измельчения путем рационального профилирования разгрузочных устройств вибромельниц

На правах рукописи

оо СМИРНОВ Станислав Федорович

сч!

Стабилизация гранулометрического состава продуктов вибрационного измельчения путем рационального профилирования разгрузочных устройств вибромельниц

05.17.08- Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИВАНОВО -1997

Работа выполнена в Ивановской государственной архитектурно-строительной академии

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Мизонов В.Е.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Бобков С.П.

Кандидат технических наук, доцент Михеев Г.Г.

Ведущая организация -

ТОО"ЭКОХИММАИГ, г. Буй.

Защита сстоится 9 £>/с? 1997 г. в -/У*"*_часов

на заседании диссертационного совета Д 064.76.01 при Ивановской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 153037 г. Иваново, ул 8 Марта, 20.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИГАСА.

Автореферат разослан ^ _1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ладаев Н.М.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Процйссы измельчения играют ключевую роль в получении тонкодисперсных материалов и полуфабрикатов для химической и смежных отраслей промышленности. В мало - и среднетоннажных производствах, наряду с другими типами измельчающих устройств, все более важное место отводится вибрационным мельницам. За счет более равномерного распределения кинетического потенциала по объему размольной камеры, развитой удельной поверхности энергообмена и больших ускорений мелющих тел они позволяют достичь высокой тонкости измельчения и осуществлять механоактивацию, материала при высокой удельной (на единицу объема мельницы) производительности.

Сложившаяся традиция эксплуатации вибромельниц в большей степени ориентирована на периодическое измельчение с механической или пневмовыгрузкой материала. Требуемая тонкость измельчения достигается прямым управлением временем пребывания материала в мельнице. Однако при этом процесс сопровождается всеми недостатками, присущими любому периодическому процессу: низкая производительность, большое число загрузочно-разгрузочных операций и т.п.

Переход к более прогрессивному непрерывному измельчению (в большей степени реализуемому в зарубежном, в основном германском, вибропомольном оборудовании) сопряжен с целым рядом технических и технологических трудностей. Во-первых, связь между производительностью и временем измельчения в вибромельницах достаточно сложна и в настоящее время может быть получена только путем трудоемких экспериментов. Во-вторых, достаточно частое изменение требуемой производительности в малотоннажных производствах в сочетании с относительно большой инерционностью этих мельниц приводит к наработке большого количества некондиционного материала за время переходных процессов. В сочетании с высокой стоимостью измельчаемых материалов и жесткими требованиями к тонкости измельчения это приводит к большим потерям с некондиционным продуктом. Наконец, в-третьих, для достижения высокой тонкости измельчения требуется большое время пребывания материала, что приводит к необходимости иметь относительно длинную (трубную) размольную камеру, где условия измельчения могут существенно меняться по ее длине. Неучет последнего в математических моделях и методах расчета снижает их прогностическую ценность и дает существенно завышенные оценки предельной производительности.

Диссертация направлена на решение перечисленных выше задач, что определяет, на наш взгляд ее актуальность. Работа выполнялась в рамках программы "ТОХТ и новые принципы управления технологическими процессами" РАН, а также планами госбюджетных НИР ИГЭУ и ИГА-СА.

Цель работы - исследование характеристик элементов рабочего процесса в вибромельнице и их влияния на тонкость измельчения, а также целенаправленное создание таких характеристик, которые обеспечивают стабильность тонкости измельчения с изменением производительности.

Научная навизна результатов работы-заключается в следующем.

1. Определена связь производительности и заполнения вибромельницы материалом, обеспечивающая постоянство или заданное изменение тонкости помола с изменением производительности. Показано, что решающую роль в формировании этой связи играет разгрузочная характеристика мельницы.

2. Поставлена и решена задача профилирования проточных частей разгрузочных устройств, обеспечивающих' заданные разгрузочные характеристики мельниц.

3. Разработана математическая модель изменения уровня материала по длине мельницы и получено решение уравнения кинетики измельчения с учетом этого изменения.

Практическая ценность работы может быть определена следующими результатами.

1. Разработан инженерный метод расчета изменения тонкости измельчения в трубных вибрационных мельницах при изменении производительности, а также замене разгрузочных устройств.

2. Разработаны методы расчета разгрузочных устройств, обеспечивающих стабильную тонкость измельчения при изменении производительности.

3. Предложены варианты аппаратурного оформления разгрузочных устройств, обеспечивающих заданные (рациональные) разгрузочные характеристики.

4. Выданы практические рекомендации по модернизации вибропомольного оборудований, разрабатываемой АООТ "Уральский электродный институт" для электродных заводов.

Автор защищает

1. Результаты расчетно - экспериментального исследования влияния характеристик разгрузочных устройств вибромельниц на связь производительности и тонкости измельчения, а также способы управления этой связью путем рационального проектирования разгрузочных устройств.

2. Математическую модель измельчения материала в длинных мельницах с учетом изменения уровня материала по длине барабана и ее экспериментальную проверку.

3. Экспериментальную апробацию разгрузочных устройств, обеспечивающих повышение стабильности тонкости измельчения при изменении производительности в стендовой вибромельнице.

Апробация результатов работы

Отдельные части диссертации докладывались и получили одобрение на Международной научно-технической конференции, "VI Бенардо-совские чтения", Иваново, 1997; итоговой научно-технической Межвузовской конференции ИГАСА "Создание и развитие информационной среды вуза: состояние и перспективы", Иваново, 1997; на научном семинаре кафедры механических процессов технического университета г.Брауншвейг, Германия, 1996; на научных семинарах кафедр "Механика" ИГАСА и "Прикладная математика" ИГЭУ, 1994-1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем работы: Диссертация представлена на 110 стр., содержит 34 рис., 7 табл., состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников ( 52 наименования) и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ выполнен обзор работ по математическому моделированию процессов измельчения в вибромельницах.

Подавляющее большинство работ, посвященных вибромельницам, относится к исследованию мельницы как машины с позиций динамики виброударных систем. Исследованию собственно процессов измельчения посвящено гораздо меньше работ, носящих, как правило, экспериментальный характер. Имеющиеся же теоретические работы не учитывают

- & -

специфику движения материала внутри мельницы, а главное - через ее разгрузочные устройства.

Из большого числа экспериментальных работ следует, что с приемлемой точностью изменение содержания крупного класса в вибромельнице с течением времени может быть описано решением линейного кинетического уравнения

К = 1?0ехр (-а^т , (1).

где постоянная скорость измельчения а зависит от совокупности параметров процесса Р! (амплитуда и частота колебаний, плотность и размеры мелющих тел, размолоспособность материала и т.д.), из которых наибольший, интерес представляет объем материала в мельнице V. А.А.Поспеловым было показано, что связь а и V может быть аппроксимирована степенной зависимостью, когда (1) принимает вид

а01

8 = Я0 ехр (--) (2)

V™

где для данной мельницы (включая режим колебаний) и материала а0=сопз1.

З.Вегпо1а1 экспериментально обнаружил, что связь среднего времени пребывания материала I и объемной производительности О носит достаточно сложный характер (иногда - с наличием экстремума). Это объяснялось тем, что в расчетной формуле для времени пребывания

V

ь = — , (3)

о

загрузка барабана V сама есть функция производительности У=У(й). Позднее совместно с В. Е.Мизоновым и А.А.Поспеловым им было высказано предположение, что в формировании этой зависимости решающим является вид разгрузочного устройства, основные типы которых показаны на рис.1.

На основе гипотезы о полном виброожижении материала были рассчитаны (с применением уравнения Бернулли) разгрузочные характеристики V«!) для этих устройств, получивших хорошее экспериментальное подтверждение. Для расчетов первого приближения было предложено

- 7 -

Основные типы разгрузочных устройств

Разгрузочный экран

Разгрузочный патрубок Рис. 1

Комбинация экрана и патрубка

описывать их степенной зависимостью

V - а™ , (4)

где т - постоянное число (т=2/3 для экрана, т=2 для патрубка). Объединение зависимостей (1)-(4) позволило рассчитывать тонкость измельчения как функцию производительности. На основе описанных моделей был достигнут существенный прогресс в описании процесса. Однако в их рамках не был поставлен и решен ряд важных для технологии задач.

Во-первых, эти работы констатируют ту или иную разгрузочную характеристику, но не ставят вопроса о целенаправленном создании той или иной характеристики, обеспечивающей требуемую связь производительности и тонкости измельчения. Во-вторых, в основе моделей лежит гипотеза о постоянстве загрузки барабана по его длине (У=сопзЪ), что не соответствует действительности в длинных мельницах, применяемых для тонкого измельчения. В частности, это приво-цит к завышенной оценке предельной производительности, при которой "запирается" сечение загрузочного патрубка.

В завершении главы сформулированы уточненные задачи исследования, главным образом, ориентированных на решение упомянутых выше гроблем.

сформулированы требования технологии измельчения к разгрузочным устройствам и описаны методы их расчета в соответствии с этими требованиями.

Базовое уравнение, отражающее связь между тонкостью измельчения и разгрузочной характеристикой, на основе которого ставились и решались поставленные задачи, имеет вид

1

К = 1?0 ехр (-а0 ) • (5)

На основе его были сформулированы требования технологии измельчения к характеристикам разгрузочных устройств в виде

(6)

где С - параметр, характеризующий тонкость измельчения и принимающий различные значения в зависимости от требований стандартов на конкретный вид продукции и определяемый из выражения

С = 1п --. (7)

И

Для приведенных величин (1=0/00 иУ=ЧУУ0, в которых й0 и У0 - номинальные производительность и соответствующая ей материальная загрузка мельницы,получено выражение идеальной разгрузочной характеристики, обеспечивающей полную стабилизацию грансостава продуктов виброизмельчения и зависящей от параметра п

V = 0 л"1 . . (8)

Для оценки степени соответствия реальных разгрузочных устройств требованиям технологии введена функция степени отклонения

Иг. - йн

£= (—-) 100% = [(ехр с Г(й))-1] 100% , (9)

где Ир, II,, - реальная и нормируемая тонкость измельчения; Г(й) -

Зависимость степени отклонения £ для с=1 (а) и с=4 (б) от производительности

-100

-100

а) б)

1 - патрубок; 2 - экран; 3 - комбинированное устройство

функция отклонения

Рис.2

Р(й) = 1 - —

-1

(10)

Расчетные зависимости степени отклонения £ для реальных разгрузочных устройств приведены на рис. 2, из которых следует, что уже при малых отклонениях производительности от номинального значения С1=1 имеются существенные отклонения по грансоставу.

Для получения требуемой связи У(й) для экрана, рассматривая "живое" сечение экрана как функцию вертикальной координаты х -е=б(х) (х=х/Ю, получено интегральное уравнение

/ |/й-х(1-(1-х)2 £(х) йх = ГШ) а

где

1С

¿•(Ю = тэ [(агсз1п(П-1)+(11-1) 1/1-(1-Б)2 + -]1"11,

2

(И)

а0 (НгЬ)

шэ -- --. (:

2С с]^5'2

Разбивая высоту мельницы на конечное число участков с шги 5Й и предполагая на каждом 1-ом участке ^ (х)=сопзЬ, получено { шение уравнения (11) с использованием численного алгоритма.

Примеры расчетных профилей экрана приведены на рис.3.

Показано, что расчетные значения степени отклонения прш денные на рис.4 для расчетных профилей в сильной степени завис от параметра п и при п>0,7 применение такого профилирования не1 лесообразно.

Для расчета "живого" сечения экрана при п>1.0 на основе ч! ленных экспериментов была предложена функция

е(х) = шхк (х<Б0) \

-- ' (1

«(X) = евах (Х>Й0) )

где етах - наибольшая пропускная способность экрана; й0-уров{ мелющих тел.

При 0,7<п<1 целесообразно использовать профиль с е(х)=сопз1

Для разгрузочного устройства типа патрубок из уравнения ( получено в явном виде выражение для проходного сечения патруб! обеспечивающего требуемую тонкость измельчения

а0 (^Ь)1"" У(Е)1"11 Б№) =-- —-- - , (1

сд! |/К 1/й

применение которого может быть обеспечено только при принудите; ном его регулировании.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ разработана математическая модель измельче* материала в длинных мельницах с учетом изменения уровня материг по длине барабана.

Для упрощения расчетных зависимостей поперечное сечение ме; ницы принималось прямоугольным длиной Ь и шириной Ь. Расчет! схема приведена на рис.5.

На основании уравнения Бернулли

<3у = - к^йг , (1

где И - расходная скорость материала в сечении г\ к - коэффицие

Расчетные профили экрана для п=0 (а) и п=0,7 (б) от х

£./7| (и

С х) тэ

X

Рис.3

1.'о ' 1.1В- X б)

Расчетные зависимости степени отклонения 4 для экрана при п=0 (а) и п=0,7 (б) от производительности

100 -60

20 -

-20 --60

-100 и

-1-Г—

0.2 1.0

а)

20-

1.8 ^-20 и

-60 -

Расчетная схема движения материала вдоль мельницы

1

н

н

Н=к,£1

2/3

т и=кпа

Рис.5

пропорциональности, и уравнения расхода

О

VI = -

ьу

получено выражение для относительной высоты уровня материала - У

У = — = [1+ЗМ(1-г)]1/3

ь

и объема материала, аккумулированного в мельнице

Ш1(1+ЗМ)4/3 -1 V = - = ЬШИМ),

4М

где комплекс

кй2Ь ь2 Ь3

(1

(1

Его влияние на форму свободной поверхности приведено на рис.6, зависимость Г(М) приведена на рис.7.

С учетом изменения уровня материала по длине барабана полу но дифференциальное уравнение кинетики измельчения для модельнс

М

сечения мельницы

с11? В

- =--У1"" сЗг , (20)

И й

где В - константа.

Решение уравнения (20) с начальным условием Н/2=0=Но в концевом сечении имеет вид

вш1"» —

И, = йехр (----[(1+ЗМ) 3 -1])' (21)

0МС4-П)

Для средней высоты Ь=У/Ы выражение тонкости измельчения по постоянной высоте имеет вид

В и]1'" (1+ЗМ)4/3 -1

И/ = Иехр (----[-]1'п'>. (22)

0 О 4М

Формулы (21) и (22) совпадают при п=0, когда скорость измельчения не зависит от уровня материала.

Анализ выражений (21) и (22) при различных значениях М показал, что формально значения ^ и Е,° отличаются незначительно и уровень в первом приближении можно считать постоянным по длине, но это допущение может привести к "завалу" мельницы при больших й, когда выражение (22) дает конечное значение скорости измельчения, а барабан заполнен материалом и измельчение вообще практически прекращается.

Установлено, что для малых значений М при изменении (1 имеется возможность поддержания тонкости измельчения путем соответствующего изменения кэ и Кп. что согласуется с рассмотренными выше результатами. Для больших М, когда сопротивление загрузочных устройств значительно меньше сопротивления мелющей среды, уравнения кинетики совпадают и не зависят от типа разгрузочного устройства

4-и

к — вь~

Н, = = й0 ехр((- —) 3 —— п ) . (23)

Влияние комплекса М на форму У

Зависимость функции { от параметра М

4 3 2 I

М=16

О'. 2 ' 0 .'б ' 1:0" 2 о.'б I Й 4' 8' & N

Рис. 6 РИС. 7

Зависимость уровней материалов на входе (й0) и выходе Ма) и комплекса В (б) от производительности

а) о-У=0.8; ¥^=0.5 б).

Рис. 8

В этом случае нет возможности поддержания требуемой тонкости измельчения при изменении производительности, но он характерен лишь для грубого измельчения.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описаны результаты экспериментального исследования изменения уровня материала в барабане стендовой вибро-мелышцы и исследования тонкости измельчения для профилированного экрана и регулируемого проходного сечения патрубка на основе результатов 2-ой главы, а также их сравнение с разгрузочными устройствами, применяемых в промышленных условиях. На рис. 8а приведены результаты исследования уровня материала на входе и выходе из вибромельницы при использовании экрана с постоянным коэффициентом "живого" сечения при различных шаровых загрузках ф, которые показали наличие перепада уровней и различный характер поведения с изменением 0.

Обработка экспериментальных данных показала, что уравнение Бернулли (16) с постоянным коэффициентом к. выполняется для ограниченных значений производительности, т.к. комплекс В=КЬ/К2Нг. зависящий только от к, при прочих равных условиях, начиная с Ц=8г/с, уменьшается (рис.86). В результате этих исследований на стендовой вибромельнице и гидравлической модели, результаты которых приведены в тексте диссертации, показано, что до переполнения межшарового пространства движение материала с приемлемой точностью может быть описано уравнением турбулентной фильтрации, заложенном в теоретическую модель. Точность модели нарушается и- уменьшается по мере превышения материалом уровня шаров, но режимы измельчения в этих условиях менее эффективны и не рекомендуются к эксплуатации.

Экспериментально подтверждена возможность частичной стабилизации гранулометрического состава измельченного материала путем применения специально спрофилированных экранов и показана возможность практически полной стабилизации путем принудительного регулирования проходного сечения патрубка (рис.9). Однако применение такого патрубка требует создания системы внешнего управления. Результаты экспериментов показали, что при отсутствии управления гранулометрический состав продукта измельчения при патрубке более нестабилен, чем при экране.

Кроме того, применение профилированного экрана обеспечивает "беззавальную" работу вибромельницы

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены документы, подтверждающие практическую реализацию результатов.

Зависимости тонкости измельчения для экрана (а) и патрубка (б) от производительности

70

50-

30-

10

и,*

•|£=0.1мм о )Я=93.57о

• 0.5ым о]Яо=78.0^

• 1^=0.8мм

0.5

70-

50-

30.

10.

о- профилированный экран;

а)

(ко

базовый экран

/ =0.1мм

гГ=0.5ым

_____

¿"=0.8 ш

о )

О

ТТо"

б)

1.2

о - регулируемый патрубок; • - базовый патрубок

Рис.9

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Введено понятие идеальной характеристики разгрузочного устройства вибромельницы, обеспечивающей постоянство тонкости измельчения при изменении производительности, и получены расчетные формулы для ее построения. Показано, что реальные характеристики типовых разгрузочных устройств существенно отличаются от идеальной.

2. Предложена методика профилирования по высоте проходного сечения разгрузочного экрана вибромельницы, обеспечивающая в зависимости от параметров кинетического уравнения полную или частичную стабилизацию тонкости измельчения с изменением производительности.

3. Разработана программа регулирования проходного сечения разгрузочного патрубка, обеспечивающая полную стабилизацию тонкости измельчения, но требующая системы внешнего управления проходным сечением.

4. Предложена математическая модель .измельчения в трубных вибромельницах, отличающаяся учетом переменности уровня материала по длине мельницы. Показано, что возможность стабилизации тонкости измельчения существует лишь в том случае, когда сопротивление разгрузочного устройства движению материала соизмеримо с сопротивлением мелющих тел.

5. Экспериментально показана приемлемая точность описания движения материала уравнением турбулентной фильтрации до переполнения межшарового пространства, то есть в практически важных условиях наиболее эффективного измельчения. Данный режим рекомендуется к эксплуатации.

6. Экспериментально подтверждена возможность частичной стабилизации тонкости измельчения с изменением производительности путем применения специально спрофилированных экранов и практически полной ее стабилизации путем принудительного регулирования проходного сечения патрубка, применение которого, однако, требует создания системы внешнего управления проходным сечением. При отсутствии же управления гранулометрический состав для патрубка более нестабилен, чем для экрана.

7. Методы расчета и варианты аппаратурного оформления разгрузочных устройств вибромельниц непрерывного измельчения приняты в банк технических решений АООТ "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ ИНСТИТУТ" для разработки проектов модернизации вибропомольного оборудования и

будут использованы при проектировании технических линий измельчения нефтяных коксов.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Смирнов С.Ф., Лезнова Н. Р., Поспелов A.A. Математическое моделирование и оптимальное управление процессами вибрационного измельчения. - Сб. ст. к конф. "Создание и развитие информационной среды ВУЗА: Состояние и перспективы" /Иваново, 1997, С.228-229.

2. Смирнов С.Ф., Мизонов В. Е., Сизова О.В. Исследование процесса фильтрации сыпучих материалов через вибрационную мельницу. М., 1997. 9 с. /Деп. в ЦНИИТЗстроймаш 24.03.97 N898 - В97.

3. Смирнов С.Ф., Мизонов В. Е., Поспелов A.A. Влияние производительности на степень измельчения в вибромельницах с различными параметрами разгрузочных устройств. М. . 1996. 8 с. Деп. в МАШМИР 3. 09.96 2-Сд 96.

4. Смирнов С.Ф., Мизонов В. Е., Поспелов A.A. Оптимальное проектирование разгрузочных экранов вибромельниц. М., 1996. 9с. Деп. в МАШМИР. 1996, 3.09. 96 З-Сд 96.

5. Смирнов С.Ф., Курочкина Е.В. Применение ЭВМ в расчете разгрузочного устройства вибромельницы. - Сб. ст. к конф. "Опыт информатизации образования в институте: состояние и перспективы" Иван. гос. арх. -строит, акад. /Иваново, 1995, С. 95-97.

6. Смирнов С.Ф., Курочкина Е.В., Мизонов В.Е., Поспелов A.A. Оптимизация разгрузочного устройства вибромельницы. - Сб. науч.-информ. ст. ИИСИ. /Иван инж.-строит, ин-т, Иваново. 1994, Вып. 1, С. 147-149.

7. Смирнов С.Ф., Лезнова Н. Р., Поспелов A.A. Управление тонкостью измельчения материалов в вибромельницах при переменнных режимах работы. : Тез. докл. межд. науч.-техн. конф. "VIII Бенардосовские чтения" /Иванов, гос. энергет. ун-т. Иваново, 1997. С.274