Научные основы и принципы совершенствования процессов и аппаратов каскадной пневмоклассификации сыпучих материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор технических наук Кирсанов, Виктор Александрович

• Кирсанов, Виктор Александрович
• доктор технических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор технических наук Кирсанов, Виктор Александрович

Введение.

1. Состояние и перспективы развития процессов и аппаратов гравитационной пневмоклассификации полидисперсных материалов.

1.1. Основные закономерности движения двухфазных потоков в сепарационном канале пневмоклассификаторов.

1.2. Анализ существующих конструкций пневмоклассификаторов.

1.3. Влияние технологических и конструктивных параметров процесса на взвешивание, распределение и перенос частиц в сепарационных каналах пневмоклассификаторов.

1.3.1. Влияние структуры турбулентного потока на протекание процессов переноса и распределения твердой фазы.

1.3.2. Влияние дисперсности, концентрации и фракционного состава твердой фазы на основные характеристики процесса переноса частиц

1.3.3. Влияние конструктивных параметров сепарационного канала пневмоклассификатора на эффективность процесса разделения.

1.3.4. Влияние конструктивных параметров контактных элементов на процесс пневмоклассификации.

1.4. Анализ существующих критериев оценки эффективности процесса разделения сыпучих материалов.

1.5. Современные представления о механизме процесса каскадной пневмоклассификации.

1.6. Анализ методов расчета каскадных пневмоклассификаторов . 88 Выводы по 1-й главе. Постановка задач исследования.

2. Методика исследований и основные экспериментальные установки. л Выводы по 2-й главе.

3. Гидродинамические особенности взвешенного слоя частиц в условиях гравитационной пневмоклассификации и принципы конструирования контактных элементов

3.1. Гидродинамические особенности взвешенного слоя частиц в условиях гравитационной пневмоклассификации.

3.2. Основные принципы конструирования контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов.

Выводы по 3-й главе.

4. Экспериментальная оценка влияния конструктивных инноваций на гидродинамическую обстановку в сепарационных каналах пневмоклассификаторов.

4.1. Особенности механизма работы новых конструкций контактных элементов.

4.2. Распределение воздушного потока в пневмоклассификаторах с новыми конструкциями контактных элементов.

4.3. Распределение дисперсной среды в пневмоклассификаторах с новыми конструкциями контактных элементов.

Выводы по 4-й главе.

5. Влияние технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов на эффективность процесса разделения. ф 5.1. Влияние расхода материала, его фракционного состава и скорости воздушного потока на эффективность процесса

5.2. Влияние основных конструктивных параметров аппарата и контактных элементов на эффективность процесса

5.3. Зависимость эффективности процесса многокомпонентного

разделения от конструктивных параметров аппарата.

Выводы по 5-й главе.

6. Методы определения и прогнозирования основных технологических параметров каскадных пневмоклассификаторов. т 6.1. Определение количественных характеристик уноса и провала

Щ- 6.2. Метод определения рабочей скорости газа в каскадных пневмоклассификаторах.

6.3. Метод определения гидравлического сопротивления каскадных пневмоклассификаторов.

6.4. Расчет оптимальной эффективности процесса разделения.

6.5. Прогнозирование результатов процесса каскадной пневмоклассификации

Выводы по 6-й главе

7. Промышленная реализация результатов исследований.

7.1. Методика расчета основных технологических и конструктивных ц, параметров каскадных пневмоклассификаторов.

7.2. Примеры расчета каскадных пневмоклассификаторов

7.2.1. Расчет пневмоклассификатора для обеспыливания подсыпочного материала электродных заводов

7.2.2. Расчет установки для очистки засоренных гранулированных термопластов.

7.3. Внедрен,;0' оазработанных пневмоклассификаторов в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство.

7.3.1. Аппараты для обеспыливания подсыпочных материалов электродных заводов. ф 7.3.2. Установка для обеспыливания твердосплавного порошка "Рэлит".

7.3.3. Установка для пневмоклассификации глиняных порошков.

7.3.4. Аппараты для обеспыливания нефтяного кокса.

7.3.5. Линия очистки засоренных гранулированных термопластов.

7.3.6. Пневмоклассификаторы семян различных сельскохозяйственных культур.

Выводы по 7-й главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы и принципы совершенствования процессов и аппаратов каскадной пневмоклассификации сыпучих материалов»

В химической, горнодобывающей, строительной и других отраслях промышленности исходным сырьем являются дисперсные вещества, к фракционному составу которых предъявляются высокие требования. Нередко и продукты получают в виде порошка, крупнозернистого материала или гранул, качество которых существенно зависит от их однородности. Разделить полидисперсный материал на узкие фракции с заданным гранулометрическим составом можно путем проведения технологического процесса называемого классификацией, область использования которого чрезвычайно широка. Например, фракционирование гранулированных материалов применяется при получении минеральных удобрений, удаление высокодисперсных частиц (обеспыливание) из подсыпочного материала камер обжиговых печей используется при производстве электродов, очистка семян является важнейшей технологической операцией в сельском хозяйстве. Высокая степень разделения при осуществлении процессов классификации дисперсных материалов влияет не только на расходные нормы сырья и его качество, но и определяет производительность и эффективность работы других машин и аппаратов в технологической схеме, что в конечном итоге сказывается на технико-экономических показателях всего производства.

Задачи, на которые ориентировано проведение разделительных процессов в различных отраслях промышленности, можно сформулировать следующим образом:

-удаление тонкодисперсных фракций и получение обеспыленных продуктов;

- удаление крупных фракций и получение тонкодисперсного продукта;

- выделение из сыпучего материала требуемой фракции по граничному размеру частиц;

- выделение из пол и дисперсного материала более двух фракций с заданным гранулометрическим составом.

Самыми распространенными методами в практике разделительных процессов являются механический, гидравлический и пневматический, каждый из которых имеет свою область применения.

Механический метод (грохочение) осуществляется путем рассева сыпучих материалов по геометрическому признаку на фракции при помощи сит с определенным размером отверстий. Этот метод применяется преимущественно для разделения частиц размерами от нескольких сантиметров до миллиметра. Скорость и полнота разделения пол и дисперсных смесей на фракции посредством грохочения падают при рассеве материала, размер частиц которого менее одного миллиметра. Это объясняется увеличением засоренности надрешеточного материала из-за. уменьшения вероятности попадания в отверстия сита частиц при значительной величине их пробега или большой плотности слоя. Кроме этого, грохочение имеет ряд и других существенных недостатков, таких как вибрация, шум, износ сеток, громоздкость, энергоемкость и пылевыделения, вызванные переизмельчением материала и не герметичностью оборудования.

Гидравлическая классификация базируется на различии скоростей осаждения отдельных фракций разделяемой смеси в жидкости. Наибольшее распространение этот метод нашел в горнодобывающей промышленности при обогащении полезных ископаемых, тогда как в химической используется значительно реже. Это связано с изменением физико-химических и технологических свойств обрабатываемого материала при его увлажнении. Кроме того, при проведении гидравлической классификации образуются большие объемы шламовых вод, требующие значительных энергетических затрат на выделение твердой фазы и последующего обезвоживания материала.

Подобно гидравлической классификации, пневматическая основана на разнице скоростей витания частиц различных фракций в потоке воздуха. Этот метод лишен многих недостатков, свойственных механической и гидравлической классификации, и имеет определенные преимущества. Так, в отличие от механической классификации в воздушном потоке разделяют исходный материал на фракции по совокупности физико-механических свойств частиц: размерам, форме, шероховатости поверхности и плотности. По сравнению с гидравлической классификацией пневматический метод разделения позволяет получат!, продукты в сухом виде, что снижает энергоемкость проводимых технологических процессов. Эти отличительные признаки способствуют все большему распространению пневматической классификации в различные отрасли промышленности.

Основными способами пневматической классификации являются гравитационный и центробежный, последний успешно используется при разделении тонкодисперсных материалов по граничному размеру менее 0,1 мм. Гравитационная классификация позволяет разделять смеси с частицами от 0,1 до 5 мм, наиболее часто встречающиеся в технологии производства минеральных удобрений, электродной, пищевой, зерноперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Теорию гравитационных процессов разделения разработали П.Риттин-гер и Р.Ричардс и далее развили ее в своих работах Ф.Кайзер, Р.Ханкок, Г.О.Чечот, П.В.Лященко, И.М.Верховский, И.Н.Плаксин, В.И.Классен, Н.Н.Виноградов, Е.А.Непомняхций, В.И.Ревнивцев и др. Несомненный вклад в дальнейшее углубление теоретических основ воздушной гравитационной классификации внесли М.Д.Барский, Е.В.Донат, Г.Л.Бабуха, А.А.Шрайбер, А.М.Кутепов, Н.И.Зверев, С.Г.Ушаков, В.Е.Мизонов, В.В.Гортинский, А.Б.Демский, В.Ф.Веденьев и многие другие ученые.

В настоящее время, с учетом возросших требований к качеству продуктов и экономии сырьевых материалов, разработка новых принципов организации процесса гравитационной пневмоклассификации, его теоретических основ и аппаратурного оформления является актуальной проблемой.

М.Д.Барский [1], принимая во внимание исследования немецкого ученого Ф.Кайзера [2], предложил новые принципы рациональной организации процесса гравитационной классификации и разработал их физические основы. Основная суть этих принципов заключается в переводе процесса на неустановившийся режим движения газовзвеси, что достигается размещением внутри сепарационного канала аппарата каскада контактных элементов. Перспективность каскадной пневмоклассификации, организованной в объеме одного аппарата, подтверждена им при использовании в качестве контактных элементов наклонных сплошных пластинчатых полок.

С целью повышения эффективности процесса разделения сыпучих материалов и расширения области его использования дальнейшее усовершенствование каскадных пневмоклассификаторов идет по пути создания новых контактных элементов. Это, по нашему мнению, вполне оправдано, так как конструкция контактных элементов в значительной степени определяет структуру двухфазного потока и механизм протекания процесса разделения в целом. От типа и количества контактных элементов, представляющих собой своеобразные местные сопротивления при движении восходящего воздушного потока, зависит также и энергоемкость аппарата.

Однако на сегодня известны лишь отдельные работы, в которых предпринимаются попытки следовать темили иным принципам разработки эффективных образцов соответствующего оборудования. Отсутствие систематических исследований, посвященных глубокому изучению особенностей и закономерностей процесса пневмоклассификации, протекающего в таких аппаратах, которые позволили бы провести сравнительный анализ новых конструкций контактных элементов и выявить оптимальные области их использования, препятствует накоплению экспериментального материала. Это, учитывая преимущество статистического подхода к описанию сложного многофакторного процесса разделения частиц в условиях каскадной пневмоклассификации, сдерживает получение новых углубленных теоретических знаний, создание надежных инженерных методов расчета каскадных пневмоклассификаторов и широкое их внедрение в различные отрасли промышленности.

Целью настоящей работы является разработка научных основ и принципов совершенствования процессов и аппаратов каскадной пневмоклассификации сыпучих полидисперсных материалов.

Для достижения указанной цели поставлен и решен комплекс следующих задач:

1. Проведены исследования процесса в пневмоклассификаторах традиционных конструкций: пустотелом (равновесном), с пластинчатыми сплошными и перфорированными наклонными полками, в результате которых выявлены гидродинамические особенности функционирования аппаратов ("дю-нообразование", крупномасштабная турбулентность) и их отрицательное влияние на эффективность классификации полидисперсных материалов.

2. С учетом выявленных негативных гидродинамических эффектов в указанных выше аппаратах разработаны научно обоснованные принципы конструирования контактных элементов каскадных пневмоклассификаторов и осуществлена их практическая реализация.

3. Проведена экспериментальная оценка и выявлен положительный эффект влияния конструктивных инноваций на механизм работы контактных элементов, структуру воздушного потока и характер распределения твердых частиц в сепарационной камере пневмоклассификатора.

4. Проведен сравнительный анализ и определены области предпочтительного технологического применения пневмоклассификаторов с новыми конструкциями контактных элементамов.

5. Экспериментально установлены технологические и конструктивные параметры процесса многокомпонентной пневхмоклассификации полидисперсных материалов, обеспечивающие высокую эффективность фракционирования в объеме одного аппарата.

6. Разработаны методы определения технологических характеристик каскадных пневмоклассификаторов: уноса, провала, рабочей скорости газа, гидравлического сопротивления, граничной крупности частиц и эффективности их работы, а также прогнозирования результатов процесса фракционирования.

7. На базе проведенных исследований создана методика расчета основных технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов.

8. Осуществлено широкое внедрение разработанных пневмоклассифици-рующих установок в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство.

Систематическая работа в этом направлении проводится в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры "Технология неорганических веществ" ЮРГТУ (НПИ) с 1978 года под руководством и при непосредственном участии автора. Исследования проводились согласно:

- координационным планам: научно-исследовательских работ АН СССР на 1976-1980 годы (направление 2.21 "Цветная металлургия. Физико-химические основы процессов"); Минвуза СССР по процессам и аппаратам химической технологии (приказ Минвуза СССР №1 от 3.01.83 г., письмо ХНО №24-33-54/11-03-08 от 4.02.83 г.); важнейших НИР Минвуза СССР но процессам и аппаратам химических: производств и кибернетике химико-технологических процессов на 1986-1990 годы (приказ Минвуза СССР №325 от 8.05.87 г., раздел 10.1); комплексной научно-технической программе Минвуза РСФСР "Продовольствие" (письмо Головного совета программы №38-03/ПП от 27.04.87 г.); а также Постановлению Совета Министров РСФСР "О государственном плане экономического и социального развития РСФСР на 1989 год" №460 от 31.10.88 г. (приложение №3); Республиканской научно-технической профаммы в области химии и химической технологии на 19911995 годы "Новые процессы получения дисперсных материалов" (письмо Головного совета по химии и химической технологии Минвуза РСФСР №4078 от 4.06.90 г.);

- единым заказ-нарядам на: 1991-1995 годы по теме 2.91 "Изучение физических основ процесса получения дисперсных материалов методом многокомпонентной воздушной классификации"; 1993-1996 годы по теме 122.93 "Создание высокоэффективного оборудования для очистки семян сельскохозяйственных культур от трудноотделимых примесей"; 1994-1998 годы по теме 14.94 "Поиск новых принципов рациональной организации процесса фракционирования сыпучих материалов и разработка способов их осуществления"; 1997-2000 годы по теме 281.97 "Разработка универсальной малогабаритной зерноочистительной машины для фермерских и семеноводческих хозяйств"; 2000-2004 годы по теме 2.00 "Разработка теоретических основ высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, синтеза энергоемких химических веществ и способов преобразования энергии" по научному направлению "Прогнозирование и разработка новых химических соединений, технологий и источников энергии";

- договорам: с Новочеркасским электродным заводом (№№3273,1976 г., 3352,1977 г., 3625,1981 г., 4085/3,1989 г.); Новочеркасским заводом строительных материалов (№3687, 1981 г.); Днепровским электродным заводом (г. Запорожье, Украина, №3411, 1978); Вяземским заводом графитовых изделий (№106т, 1987 г.); институтом "Госпластпроект" (г.Ростов-на-Дону, №4136, 1988 г.), Новочеркасским заводом синтетических продуктов (№4091, 1988 г.), Агропромышленным комитетом Ростовской области (№4234, 1988 г.); Бирючекутской овощной селекционной опытной станцией (г.Новочеркасск, №494т, 1986 г.), Новочеркасским комбинатом хлебопродуктов (№495т, 1986 г.), Государственным институтом по проектированию предприятий по производству изделий из пластмасс (г.Ростов-на-Дону, №58т, 1990 г.), Херсонским заводом "Дельта" (№114т, 1991 г.), Харьковским заводом "Харпла-стмасс" (№518т, 1986 г.), СКБ "Упакмаш" (г.Новочеркасск, №15с/1п, 1992 г.), Ассоциацией крестьянских (фермерских) хозяйств и сельскохозяйственных кооперативов (г.Ростов-на-Дону, №220т, 1992 г.).

Научная новизна проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований механизма движения двухфазного потока в условиях каскадной пневмоклассификации заключается в следующем:

- впервые экспериментально обнаружено и теоретически объяснено периодическое формирование в пристенной области пневмоклассификаторов традиционных конструкций локальных образований с повышенным содержанием частиц, нисходящих в режиме "противодюнного" течения и приводящих к снижению четкости разделения;

Ml - с использованием кино- и видеотехники проведено исследование особенности гидродинамики дисперсных потоков в пневмоклассификаторах со сплошными и перфорированными полками, в результате анализа которого предложены научно обоснованные способы снижения масштаба турбулентности несущей среды и негативного последствия "противодюнного" течения зон с повышенной концентрацией частиц в пристенной зоне;

- получено экспериментальное подтверждение рационального распределения газовзвеси, способствующего повышению пропускной способности и эффективности процесса разделения в каскадных пневмоклассификаторах, реализующего предложенные способы снижения масштаба турбулентности и 01 негативного влияния "противодюнного" течения газовзвесей с повышенной концентрацией частиц; разработаны методы расчета технологических параметров каскадных пневмоклассификаторов: концентрации частиц в уносе, величины провала, рабочей скорости газа, гидравлического сопротивления, граничной крупности частиц и эффективности процесса, а также прогнозирования результатов их работы.

Практическая ценность работы заключается в решении ряда инженерно-технических задач, приоритет которых подтвержден 10 авторскими свидетельствами СССР, 3 патентами РФ на изобретения и 3 свидетельствами Л РФ на полезную модель, а также во внедрении 46 разработок в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство.

Разработаны принципы конструирования каскадных пневмоклассификаторов с повышенной эффективностью, обеспечиваемой в результате снижения масштаба турбулентности и негативного влияния нисходящих пристенных образований с повышенной концентрацией частиц за счет продольного и поперечного секционирования рабочей зоны перфорированными элементами.

На основании предложенных принципов разработаны и внедрены в производство:

Ш ~ новые конструкции высокоэффективных каскадных пневмоклассификаторов (а.с.СССР №№713618, 1461530, 1510958, 1776457, патенты РФ №№2123391, 2125493, 2169626) для различных технологических процессов: обеспыливания подсыпочных материалов и нефтяного кокса электродных заводов (Новочеркасский и Днепровский электродные заводы, Вяземский завод графитовых изделий), твердосплавного порошка "Рэлит" (Торезский завод наплавочных твердых сплавов, Украина), фракционирования глиняных порошков (Новочеркасский завод строительных материалов) и очистки семян различных сельскохозяйственных культур от примесей (используются на 32 предприятиях сельскохозяйственного профиля: в семеноводческих и фермершу ских хозяйствах, селекционных станциях и агрофирмах);

- многокомпонентный пневмоклассификатор (а.с. СССР № 1304916) для разделения полидисперсных материалов на три фракции (внедрен на Азовском тарном комбинате, Каменском ПО "Химволокно", Херсонском заводе "Дельта", Харьковском заводе "Харпластмасс", ОАО "Арамильском заводе пластических масс и Новомосковском ОАО "Полимерконтейнер").

Экспериментально установлены основные технологические и конструктивные параметры процесса разделения в новых каскадных пневмоклассифи-каторах, а также многокомпонентной пневмоклассификации в объеме одного аппарата. jjr На основе результатов проведенных исследований создана методика расчета основных технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов.

Разработанные автором лабораторные установки для исследования структуры одно- и двухфазного потоков, изучения процесса многокомпонентной пневмоклассификации, определения скорости витания твердых частиц применяются аспирантами и соискателями кафедры ТНВ ЮРГТУ (НПИ) при проведении научных исследований и студентами в ходе выполнения учебно-исследовательской работы и лабораторного практикума. Теоретическое обоснование гидродинамической особенности процесса гравитационного фракционирования используется в курсе лекций по "Процессам и аппаратам химической технологии" и "Процессам и аппаратам пищевых производств". Основные экспериментальные зависимости и методика расчета каскадных пневмоклассификаторов применяются в курсовом проектировании по вышеуказанным курсам, а также дипломном проектировании студентами специальностей 240801 (170500) - "Машины и аппараты химических производств" и 260601 (170600) - "Машины и аппараты пищевых производств".

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Очистка вентиляционных выбросов и защита воздушного бассейна от загрязнений" (г.Ростов-на-Дону, 1977 г.), II Всесоюзной научной конференции по технологии неорганических веществ" (г.Новочеркасск, 1978 г.), IV и V Всесоюзных конференциях "Механика сыпучих материалов" (г.Одесса, 1980, 1991 гг.), II Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (г.Чимкент, 1980 г.), II и III Всесоюзных студенческих научных конференциях "Интенсификация тепло- и массооб-менных процессов в химической технологии" (г.Казань, 1982, 1987 гг.), И, III и IV Всесоюзных совещаниях "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии" (г.Сумы, 1982, 1986, 1989 гг.), Всесоюзной конференции "Очистка газовых выбросов на предприятиях различных отраслей промышленности" (г.Москва, 1983 г.), II Всесоюзной научно-технической конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей (г.Курган, 1983 г.), Всесоюзной научно-технической конференции по состоянию и перспективам развития техники псевдоожижения (техники кипящего слоя) (г.Ленинград-Поддубская, 1988 г.), Всесоюзной конференции "Технология сыпучих материалов" (г.Ярославль, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и внедрение вихревых электромагнитных аппаратов для интенсификации технологических процессов АВС-89" (г.Тамбов, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Математические методы в химии" (г.Новочеркасск, 1989 г.), III Всесоюзной конференции "Гидромеханические процессы разделения гетерогенных систем" (г.Тамбов, 1991 г.), IV Всесоюзной научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (г.Ярославль, 1994 г.), Международной научно-практической конференции "Пищевые продукты XXI века" (г.Москва, 2001 г.), III научно-практической конференции "Экология и сельскохозяйственная техника" (г.Санкт-Петербург, 2002 г.), XVI и XVII международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях" (г.Ростов-на-Дону, 2003 г., г.Кострома, 2004 г.), региональных конференциях и совещаниях, а также на ежегодных научных конференциях

ЮРГТУ (НПИ).

Разработки по данной теме экспонировались на ВДНХ СССР (г.Москва, 1988 г, серебряная медаль), Всесоюзной выставке научных достижений молодых ученых (г.Пермь, 1986 г.), Всесоюзной выставке "Научно-техническое творчество молодежи" (г.Ростов-на-Дону, 1987 г.), двух юбилейных выставках научных разработок НГТУ и ЮРГТУ (НПИ) в 1997 и 2002 гг.

По результатам научных исследований опубликованы 94 работы, в том числе: 2 монографии (одна депонирована), 41 статья в академических, отраслевых журналах и изданиях, 35 тезисов докладов, получено 10 авторских свидетельств СССР и 3 патента РФ на изобретения, а также 3 свидетельства на полезную модель

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Кирсанов, Виктор Александрович

Выводы по 7-й главе

1. На основании проведенных исследований разработана методика расчета основных технологических и конструктивных параметров новых каскадных пневмоклассификаторов. Данная методика позволила рассчитать и спроектировать ряд пневмоклассификаторов, защищенных авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации, которые внедрены в различные Г,Ф отрасли промышленности и сельское хозяйство.

2. Внедрение пневмоклассифицирующих установок позволило: на заводах электродной промышленности повысить выход годной на переделе обжига электродной продукции, снизить затраты на ремонт оборудования и существенно улучшить условия труда работающих за счет исключения пылевых выбросов; на предприятиях, связанных с переработкой гранулированных термопластов, возвратить в производство более 300 тонн различного вида пластмасс, используя экономически и экологически выгодный сухой способ очистки; на предприятиях сельскохозяйственного профиля занять определенную нишу среди множества зерно- и семяочистительных машин благодаря отсутствию сит, исключению выброса пыли в помещение, простоте конструкции, высокой эффективности и надежности в работе.

Фактический экономический эффект от внедрения отдельных разработок составляет свыше 300 тысяч рублей в год (в ценах 1978-1989 гг.).

Заключение и общие выводы по работе

Проведенные комплексные исследования, накопленные новые экспериментальные данные, результаты испытаний и внедрений созданных пневмоклассификаторов в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство позволили осуществить теоретические обобщения, разработать новые технические решения, направленные на совершенствование оборудования для фракционирования сыпучих материалов, и сделать следующие выводы:

1. Впервые в сепарационных каналах гравитационных пнемоклассифика-торов (пустотелом, со сплошными и перфорированными пластинчатыми полками) экспериментально выявлен и объяснен гидродинамический эффект, выражающийся в циклически возникающем пристенном потоке газовзвеси с повышенной концентрацией частиц, движущемся в режиме "противодюнного" течения. Периодический распад данного потока в местах межкаскадных перетоков полочных пневмоклассификаторов сопровождается поршневым выносом частиц различной дисперсности и, как следствие, является причиной снижения четкости разделения.

2. Сформулированы научно обоснованные принципы конструирования полочных гравитационных пневмоклассификаторов, основная суть которых заключается в подавлении крупномасштабной и развитии мелкомасштабной турбулентности, выравнивании эпюры скоростей несущей среды в поперечном сечении классификатора, обеспечении гидродинамических условий противодействующих формированию нисходящих пристенных потоков газовзвеси с повышенной концентрацией частиц. Одним из основных технических приемов, прошедших промышленную апробацию, является продольное и поперечное секционирование сепарационного канала контактными элементами.

3. Установлено, что наличие перфорации на контактных элементах пневмоклассификаторов исключает образование режима поршневого выноса частиц благодаря перераспределению газовзвеси между межкаскадными перетоками и отверстиями на поверхности полок, способствует снижению масштаба и интенсивности вихрей, более равномерному распределению скоростей при движении воздушного потока, что повышает эффективность процесса разделения сыпучих полидисперсных материалов на 20-25%.

4. На основе сформулированных принципов совершенствования каскадных пневмоклассификаторов предложены базовые конструкции перфорированных контактных элементов, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами и патентами; характеризующиеся повышенной эффективностью, высокой селективностью по одному из продуктов разделения и меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с традиционно используемыми в промышленности пластинчатыми полками. Выявлены особенности гидродинамической обстановки, структуры однофазного потока и характера распределения твердой фазы в аппаратах с предлагаемыми разработками, учет которых необходим для создания рациональной организации процесса фракционирования сыпучих материалов.

5. Установлено, что для каждого вида контактных элементов существует определенная область оптимальных значений нагрузки по твердой фазе и скорости газа. Например, по границе разделения 0,35 мм полидисперсной смеси кварцевого песка: для аппаратов со ступенчатыми полками (7=10,5-10,8 кг/(м2,с) и Кг=3,2 м/с;, с трехпоточными элементами (7=8,6-8,9 кг/(м2-с) и Гг=3,2'м/с; с пластинчатыми полками (7=6,2-6,5 кг/(м2-с) и Г, =3,5 8 м/с; с двухпоточными элементами (7=1,1—1,3' кг/(м2-с) и Уг=2,46 м/с. Следует отметить, что аппараты с двухпоточными контактными элементами обеспечивают сравнительно высокую эффективность разделения (77 %) при меньших расходах материала и воздуха.

6. Выявлены основные конструктивные параметры каскадных пневмоклассификаторов, обеспечивающие высокие показатели эффективности процесса, которые составляют: угол ввода исходного материала в аппарат 45°; "живое сечение" контактных элементов 15 %; относительная ширина разгрузочных межкаскадных перетоков 0,5; угол наклона пластинчатых полок 45°, ступенчатых 35°; месторасположение верхних пластинчатой и ступенчатой полок — непосредственно под патрубком питателя, двух- и трехпоточных контактных элементов - из расчета обеспечения попадания струи вводимого материала на вершину двускатной полки; расстояние между контактными элементами независимо от их конструкции равняется длине большей стороны сепарационного канала; целесообразное количество контактных элементов 3-4 шт.

7. Впервые исследован процесс многокомпонентной пневмоклассификации в объеме одного аппарата с каскадом контактных элементов и экспериментально установлены значения основных технологических и конструктивных параметров, позволяющих проводить процесс разделения засоренных гранулированных термопластов, нефтяного кокса и семян подсолнечника на три фракции с высокой эффективностью.

8. Установлено, что характер влияния удельной производительности на величины уноса и провала не зависит от вида контактных элементов. В зависимости от величины уноса аппараты располагаются в следующей последовательности: с трехпоточными, двухпоточными, пластинчатыми, ступенчатыми контактными элементами и пустотелый. Получены уравнения для расчета величин уноса и провала в исследуемых аппаратах в зависимости от удельного расхода материала и параметра VJVT, характеризующего дисперсность частиц материала и взвешивающую способность воздушного потока.

9. Предложен метод расчета рабочего значения скорости воздуха в свободном сечении пневмоклассификатора, учитывающий возможность эффективной пневмоклассификации при скоростях газа, не превышающих величины, при которой концентрация крупных частиц в уносе нарастает быстрее, чем мелких.

10. Разработан метод определения гидравлического сопротивления каскадных пневмоклассификаторов с учетом типа контактных элементов, их "живого" сечения, количества, а также расхода и дисперсности исходного материала. Показано, что аппараты с двухпоточными элементами имеют большее гидравлическое сопротивление, чем аппараты с трехпоточными, но меньшее — по сравнению с аппаратами, снабженными ступенчатыми полками. Пневмоклассификаторы с пластинчатыми полками обладают наибольшим гидравлическим сопротивлением.

11. На основе аналитического описания кривых фракционного разделения с учетом суммарной характеристики дисперсности материала получены уравнения для расчета эффективности процесса при требуемой граничной крупности частиц, а также оптимально достижимой эффективности работы, каскадного пневмоклассификатора, что дает возможность выявить наиболее перспективную конструкцию аппарата для заданных технологических условий.

12. Разработан метод прогнозирования результатов процесса фракционирования сыпучих материалов в зависимости от изменения концентрации частиц в сепарационном канале пневмоклассификатора, обеспечивающий максимальный выход целевого продукта с учетом предъявляемых технологических требований к его качеству.

13. Результаты проведенных исследований положены в основу разработанной методики расчета технологических и конструктивных параметров каскадных пневмоклассификаторов с новыми контактными элементами, что позволило спроектировать и осуществить внедрение 46 установок в различные отрасли промышленности и сельское хозяйство с фактическим экономическим: эффектом свыше 300 тысяч рублей в год (в ценах 1978-1989 гг.). Промышленная эксплуатация пневмоклассифицирующих установок позволила повысить качество выпускаемой продукции, сократить потери сырья, снизить затраты на ремонт оборудования и улучшить условия труда за счет снижения пылевых выбросов в производственные помещения.

Разработанные лабораторные установки для исследования структуры одно- и двухфазного потоков, изучения процесса многокомпонентной пневмоклассификации, определения скорости витания твердых частиц применяются аспирантами и соискателями кафедры ТНВ ЮРГТУ (НПИ) для проведения научных исследований и студентами в ходе выполнения учебно-исследовательской работы и лабораторного практикума. Теоретическое обоснование гидродинамической особенности процесса гравитационного фракционирования используется в курсе лекций по "Процессам и аппаратам химической технологии" и "Процессам и аппаратам пищевых производств". Основные экспериментальные зависимости и методика расчета каскадных пневмоклассификаторов применяются в курсовом проектировании по вышеуказанным курсам, а также дипломном проектировании студентами специальностей 240801 (170500) — "Машины и аппараты химических производств" и 260601 (170600) — "Машины и аппараты пищевых производств".

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Кирсанов, Виктор Александрович, 2005 год

1. Барский М.Д., Ревнивцев В.И., Соколкин Ю.В. Гравитационная классифи-кация зернистых материалов. М.: Недра, 1974. - 232 с.

2. Kaiser F. Der Zickzack Sichter ein Windsichter nach neuen Prinzip// Chemie1.genieur Technik. - 1963. - Bd.35, №4. - S.273-282.

3. Барский М.Д. Фракционирование порошков. M.: Недра, 1980. - 327 с.

4. Шишкин С.Ф. Интенсификация процесса гравитационной пневматическойклассификации: Дис.канд. техн. наук-Свердловск, 1983.-211 с.

5. Говоров AJB. Каскадные и комбинированные процессы фракционированиясыпучих материалов: Дис . канд. техн. наук. Свердловск, 1986. -284 с.

6. Данилов В. Л. Оптимизация процесса сухого разделения песков: Дис.канд. техн. наук. Свердловск, 1991. - 181 с.

7. Лященко П.В. Гравитационные методы обогащения. М.: Металлургиздат,1940.-412 с.

8. Глембоцкая Т.В. Возникновение и развитие гравитационных методов обогащения полезных ископаемых. М.: Наука, 1991. - 256 с.

9. Шилаев В.П. Основы обогащения полезных ископаемых. М.: Недра,1986.-296 с.

10. Виноградов Н.Н. Движение частиц в струе пульсирующей жидкости, применительно к процессу отсадки // Сб. тр. Моск. горн, ин-та. М.: Уг-летехиздат, 1952. - Вып.9. - С.36-48.

11. Невский Б.В. Усилить работы по теории гравитационных методов обогащения // Горный журнал. 1953. - №4. - С.21-26.

12. Новые направления теории и технологии процессов отсадки полезных ископаемых / Н.Н.Виноградов, Э.Рафалес-Ламарка, К.К.Коллодий и др. // Тр. VIII конгресса обогатителей. М., 1968. - Т.1. - С. 279-292.

13. Еремин П.Ф. Определение скорости минеральных зерен при совместном падении // Вопросы теории гравитационных методов обогащения полезных ископаемых. М.: Госгортехиздат, 1969. - С. 195-197.

14. Таггарт А.Ф. Основы обогащения руд М.: Металлургиздат,1958. - 566 с.

15. Подкосов Г.Л. Механизм и некоторые закономерности процесса гидравлической классификации // Вопросы теории гравитационных методов обогащения полезных ископаемых. М.: Госгортехиздат, 1960. - С. 186-194.

16. Благов И.С., Коткин A.M., Фоменко Т.Г. Гравитационные процессы обогащения. М.: Госгортехиздат, 1962. - 232 с.

17. Мушловин Л.Б. Определение и оценка промышленных результатов обогащения полезных ископаемых. М.: Госгортехиздат, 1963. - 166 с.

18. Верховский И.М. Основы проектирования и оценки процессов обогащения полезных ископаемых. М.: Углетехиздат, 1949. - 489 с.

19. Бочковский В.М. Расслаивание наиболее важный раздел теории и практики гравитации // Горный журнал. 1954. - №1. - С.47-55.

20. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Г. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия, 1967. - 664 с.

21. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидромеханические основы процессов химической технологии. М.: Химия, 1987. - 360 с.

22. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975. - 378 с.

23. Телетов С.Г. Вопросы гидродинамики двухфазных систем // Вестн. МГУ.

24. Сер. математики, механики, астрономии, физики, химии. М.: Изд-воМГУ, 1958,-№2. -С. 15-27.

25. Баренблатт Г.И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке

26. Прикладная математика и механика. 1953. - Т.17, №3. - С.261-274; 1955. - Т. 19, №1. -С.61.

27. Тодес О.М., Горошко В.Д., Розенбаум Р.Б. Приближенные закономерности гидравлики взвешенного слоя и стесненного падения // Нефть и газ. 1958. -№1. -С.125-128.

28. Броунштейн Б.И., Тодес О.М. Обтекание твердых сферических частиц,взвешенных в турбулентном потоке // Труды гос. ин-та прикладной химии. 1960. -№46. - С. 126-136.

29. Фридман Б.А. О распределении твердых частиц в вертикальном потокежидкости // Изв. АН СССР, сер. Механика и машиностроение. 1963. -№3. - С. 175-176.

30. Дюнин А.К., Борщевский Ю.Т., Яковлев И.А. Основы механики многокомпонентных потоков Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1965.-74 с.

31. Франкль Ф.И. Уравнение энергии для движения жидкостей со взвешенными наносами // Докл. АН СССР. 1955. - Т. 102, №5. - С. 903-906.

32. Горбис 3.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков,- М.: Энергия, 1970. 424 с.

33. Донат Е.В. Взвешивание и перенос твердых частиц в технологическихаппаратах и трубопроводах. Система "газ-твердые частицы". -Дис.докт. техн. наук. М.: МИХМ, 1971. - 267 с.

34. Франкль Ф.И. К теории движения взвешенных наносов // Избранные труды по газовой динамике. М.: Наука, 1973. - С. 669-687.

35. Слезкин Н.А. Основные уравнения движения деформируемой среды частиц с переменной массой//Докл.АН СССР-1951.-Т.79, №1.- С.33-36.

36. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука, 1980.- 176 с.

37. Медников Е.П. Теория турбулентного переноса взвешенных частиц в проточных аэро- и гидродисперсных средах // Теоретические основы химической технологии. 1986. - Т.ХХ, №3. - С.366-374.

38. Марцулевич Н.А. Хаотическое движение частиц в турбулентном потокегаза // Теоретические основы химической технологии. 1987. - T.XXI, №3. - С.362-367.

39. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г. Аналогия между дисперсными системами и сплошными средами // Химическая промышленность. 1987. -№12. - С.32-36.

40. Лева М. Псевдоожижение / Пер. с англ.; Под ред. Н.И.Гельперина. М.:

41. Гостоптехиздат, 1961. 400 с.

42. Дэвидсон Дж., Харрисон Д. Псевдоожижение / Пер. с англ.; Под ред.

43. Н.И.Гельперина. М.: Химия, 1973. - 725 с.

44. Кондуков Н.Б., Сосна М.Х. Теория равновесия бинарных систем в применении к псевдоожиженному слою и начальная скорость переходной области // Химическая промышленность, 1965. №6. - С.402-406.

45. Донат Е.В. Определение дисперсного состава фракций, получаемых в гравитационных сепараторах // Промышленная вентиляция: Сб. ст. -Свердловск: Металлургиздат, 1957. Вып.6. - С.37-39.

46. Донат Е.В., Пономарев F.C., Кирсанов В.А. Исследование уноса частиц изполидисперсного псевдоожиженного слоя // Химия и технология топлив и масел. 1976. - №7. - С.33-37.

47. Пономарев Г.С. Исследование процесса классификации зернистых материалов в аппаратах с провальной решеткой: Дис.канд. техн. наук. -Пермь, 1974.- 138 с.

48. Никитин В.Г. Исследование процесса классификации тонкодисперсныхматериалов: Дис . канд. техн. наук. М.: МИХМ, 1977. - 218 с.

49. Плановский А.Н., Никитин В.Г., Бассель А.Б. Расчет эффективности многоступенчатых систем для классификации порошков // Теоретические основы химической технологии. 1977. - T.XI, №1. - С. 113-116.

50. Кондуков Н.Б. Гидродинамические особенности и условия подобия в переходном режиме псевдоожижения // Инженерно-физический журнал. -1961.-Т.4,№3.-С.31-38.

51. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. М.:1. Недра, 1980.-400 с.

52. Шрайбер А.А., Милютин В.Н., Яценко В.П. Гидромеханика двухкомпо-нентных потоков с твердым полидисперсным веществом. Киев: Науко-ва думка, 1980. - 252 с.

53. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М.:

54. Изд-во иностр. лит., 1960. 510 с.

55. Толубинский Е.В. Теория процессов переноса. Киев: Наукова думка,1969.-259 с.

56. Донат Е.В., Голобурдин А.И. Аппараты со взвешенным слоем для интенсификации технологических процессов. М.: Химия, 1993. - 144 с.

57. Протодьяконов И.О., Богданов С.Р. Статистическая теория явлений переноса в процессах химической технологии. Д.: Химия, 1983 - 400 с.

58. Турбулентные течения газовзвеси / А.А. Шрайбер., Л.Б. Гавин, В.А. Наумов, В.П.Яценко Киев: Наукова думка, 1987. - 240 с.

59. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. 4.1. - М.: Наука, 1965. - 530 с.

60. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.-336 с.

61. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1978. 736 с.

62. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984. - 104 с.

63. Исмайлов Р.Ш., Абдуллаев Р.Х. К теории двухфазных потоков с переменной массой //Журнал прикладной химии. 1990. - №8. - С. 1662-1666.

64. Непомнящий Е.А. Определение характеристики процесса разделения сыпучих смесей с учетом гравитационного течения частиц // Изв. Ленингр. электротехн. ин-та. 1963. - Вып. 18. - С.317-325.

65. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. М.:1. Наука, 1968.-463 с.

66. Леви П. Стохастические процессы и броуновское движение. М.: Наука,1972.-375 с.

67. Непомнящий Е.А. Кинетика некоторых процессов переработки дисперсных материалов // Теоретические основы химической технологии. 1973. T.XI, №5. - С.754-763.

68. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. К расчету центробежных классификаторовпорошкообразных материалов // Теоретические основы химической технологии. -1980. T.XXV, №5. - С.784-786.

69. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г., Кушеров К.Б. Разработка и исследование стохастических моделей разделения пол и дисперсных порошков в осе-симметричных вихревых потоках // Механика сыпучих материалов: Тез. докл. IV Всесоюз. конф. Одесса, 1980. - С.27-28.

70. Кутепов A.M. Стохастический анализ гидромеханических процессов разделения гетерогенных систем // Теоретические основы химической технологии. 1987. - T.XXI, №2. - С. 147-15 6.

71. Дейч В.Г. О вычислении сепарационной характеристики в стохастическойтеории разделительных процессов // Теоретические основы химической технологии. 1987. -T.XXI, №3. - С.411-415.

72. Шабанов С.И. Влияние соударений на скорость установившегося движения полифракционных частиц в вертикальном потоке // Тепло- и массо-перенос в дисперсных системах. — Минск: Наука и техника, 1965. -С.110-118.

73. Бабуха Г.Л., Сергеев Г.И. Экспериментальное исследование соударенийчастиц двухфазного потока со стенками вертикального канала // Вопросы технической теплофизики. Киев: Наукова думка, 1968. - Вып. 1. -С. 31-36.

74. Экспериментальное исследование движения дисперсного материала в восходящей газовзвеси / Г.Л. Бабуха, М.И. Рабинович, Г.И. Сергеев, А.А. Шрайбер // Инженерно-физический журнал. 1969. - T.XVI, №4. -С.639-646.

75. Бабуха Г.Л., Рабинович М.И. Механика и теплообмен потоков полидисперсной газовзвеси. — Киев: Наукова думка, 1969. 219 с.

76. Левич В.Г., Мясников В.П. Кинематическая теория псевдоожиженногослоя // Химическая промышленность. 1966. - №6. - С.4-8.

77. Мясников В.П., Струминский В.В. Состояние механики дисперсных сред