Центробежный сепаратор с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Дмитриенко, Виктор Григорьевич

• Дмитриенко, Виктор Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дмитриенко, Виктор Григорьевич

Введение.

Глава I. Современное состояние техники и технологии классификации тонких и сверхтонких порошков.

1.1. Тенденции развития тонкодисперсного сепарирования.

1.2. Анализ конструкций центробежных воздушно-проходных сепараторов.

1.3. Конструкция нового центробежного сепаратора с дополнительным поддувом воздуха.

1.4. Обзор существующих методик расчета сепараторов с противоточной центробежной зоной разделения.

1.5. Цель и задачи исследования*,*.9.*.^.

1.6. Выводы.

Глава II. Теоретические исследования динамики воздушных потоков и твердых частиц в центробежном сепараторе.

2.1. Потери давления воздушного потока в тройниках системы трубопроводов сепаратора.

2.1.1 Потери давления при разделении воздуха в камере сепаратора.

2.1.2. Потери давления при слиянии воздушных потоков в узле загрузки сепаратора.

2.2. Взаимодействие лопатки ротора с частицами сепарируемого материала.

2.2.1. Динамика скольжения частицы по радиальной лопатке.

2.2.2. Особенности динамики скольжения частицы по наклонной лопатке.

2.3. Движение частицы в межлопаточном пространстве.

2.3.1. Основное уравнение относительного движения частицы.

2.3.2. Критические траектории частиц.

2.4. Поведения частиц в сепараторе при тангенциальном поддуве дополнительного воздуха

2.4.1. Исходные предпосылки.

2.4.2. Изменение скорости воздуха в струе поддува дополнительного энергоносителя.

2.4.3. Характер движения частиц в зоне сепарации.

2.5. Выводы.

Глава III. Методика проведения исследований и характеристика исследуемого материала.

3.1. Основные положения экспериментальных исследований.

3.2. Описание экспериментального оборудования и средств контроля.

3.3. Характеристика исследуемого материала.

3.4. План многофакторного эксперимента для определения эффективности процесса сепарации.

3.5. Выводы.

Глава IV. Экспериментальные исследования центробежного сепаратора с дополнительным поддувом воздуха.

4.1. Исследование аэродинамических характеристик сепаратора.

4.1.1 .Исследование вентилирующей способности сепаратора.

4.1.2.Исследование влияния угла конусности и частоты вращения. ротора на аэродинамическое сопротивление сепаратора.

4.2. Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса сепарации в центробежном отбойно-вихревом сепараторе.

4.2.1 .Экспериментальные исследования парных воздействий варьируемых факторов на величину удельной поверхности тонкого продукта и производительности сепаратора.

4.2.2.0пределение кривой парциальных выносов центробежного сепаратора по экспериментальным данным.

4.2.3.Уточнение теоретического соотношения для расчета границы

разделения сепаратора.

4.3. Апробация центробежного сепаратора в промышленных условиях.

4.3.1. Методика расчета центробежного отбойно-вихревого сепаратора.

4.3.2. Промышленное внедрение.

4.3.3. Расчет экономической эффективности.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Центробежный сепаратор с тангенциальным поддувом дополнительного воздуха»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Дмитриенко, Виктор Григорьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

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

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

120

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

7.Разработана новая конструкция сепаратора защищенная патентом на изобретение РФ №2123392 от 2.08.96 г.

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

9.Осуществлено внедрение опытно-промышленного образца на УНПК «ТЕХНОЛОГ» для классификации тонкодисперсной глины. Полученная глина соответствует техническим требованиям к керамическим массам для изготовления низковольтных изоляторов по ТУ 3493-002-022066339-98. Применение данного сепаратора позволило повысить производительность оборудования в 1,5 раза и снизить удельный расход электроэнергии в 1,1 раза. Экономический эффект от внедрения составил 96000 рублей (в ценах 1999 года).