Разработка аппаратурно-технологического оформления процесса газодинамического диспергирования материалов

Глава 1. Предмет и область определения науки газодинамического диспергирования

  1. Проблемы развития техники и технологии измельчения материалов.

Высокие темпы социального развития, рост сложности и многообразия техносферы, уменьшение запасов материальных и энергетических ресурсов порождает множество трудностей в сфере материального производства. С увеличением мирового промышленного производства непрерывно возрастает потребность в минеральном и органическом сырье; ежегодно перерабатывают миллиарды тонн этого сырья. При этом большая часть такого сырья в процессе его переработки для получения пригодного для продажи продукта, требует предварительного измельчения. Прежде всего, это относится к производству нерудных материалов (цемента, извести), а также к переработке руд. Поскольку затраты на измельчение в некоторых случаях составляют 60 -70% всех затрат на переработку, возможности их снижения представляют значительный интерес. Основными элементами затрат на измельчение являются энергия и износ измельчительного оборудования и мелющих тел. Широкое применение измельченных материалов, высокая энергоемкость и материалоемкость обусловливает необходимость тщательного подхода к выбору способа измельчения, а также оборудования обеспечивающего получение продукта, отвечающего требованиям производства к специфике продукта, получаемого в результате измельчения. Не последнюю роль в этой сфере играет измельчение материалов, как процесс подготовки сырья к технологическому переделу (химическая, металлургическая, пищевая и др. отрасли промышленности), а также производства готовой продукции, одной из основных характеристик которой является дисперсность составляющих её частиц (производство цемента, пищевых добавок, фармацевтической продукции и т.п.). Степень использования сырья (извлечение ценных компонентов), интенсивность протекания физико-химических процессов на его основе существенно возрастают по мере роста дисперсности и равномерности распределения дисперсных фаз в объеме системы. Поэтому достижение необходимой дисперсности, создание и поддержание в ходе технологического процесса, высокой величины действующей (активной) поверхности – общий принцип повышения эффективности получения продукции на основе тонкомолотых порошков. Многие трудности в этой сфере, вырастающие до уровня экологических проблем, возникают в результате частных точек зрения. Одной из таких точек зрения была и остается ориентация разработчиков техники и технологии измельчения на достижение прибыли. Сегодня многим становится ясной необходимость целостного охвата различных технических проблем, основная сущность которых заключается в удовлетворении человеческих потребностей в условиях общественной жизни, т. е. Росту потребностей в высокоэффективных технологиях, обеспечивающих получение высококачественной продукции на основе тонкомолотого сырья, сопутствует развитие соответствующих орудий производства – измельчительных установок. Расширение ассортимента продукции, а также повышение требований к ней, обусловливает необходимость производства все более новых или модернизации существующих технических средств и технологий измельчения, создание которых требует значительных материальных и временных затрат. В этой связи основные направления социально-технической деятельности должны определяться экономическими потребностями с учетом всех возможных последствий существования технических средств при согласованном действия всех участников этого процесса – проектировщиков, экономистов, экологов и политиков. Процесс капиталовложений (инвестиций) в развитие техники и технологии тесно связан с потребностями и определяется ими. При этом следует вылить актуальные и потенциальные потребности. К актуальным потребностям науки измельчения, которые требуют неотложного удовлетворения, определены многочисленными многовековыми исследованиями в этой области. …. К потенциальным потребностям ОТ

Введение

С увеличением мирового промышленного производства непрерывно возрастает потребность в минеральном и органическом сырье; ежегодно перерабатывают миллиарды тонн этого сырья. При этом большая часть такого сырья в процессе его переработки для получения пригодного для продажи продукта, требует предварительного измельчения. Прежде всего, это относится к производству нерудных материалов (цемента, извести), переработке руд, а также органических материалов. Поскольку затраты на измельчение в некоторых случаях составляют 60 — 70% всех затрат на переработку, возможности их снижения представляют значительный интерес. Основными элементами затрат на измельчение являются энергия и износ измельчительного оборудования и мелющих тел. Широкое применение измельченных материалов, высокая энергоемкость и материалоемкость которых обусловливает необходимость тщательного подхода к выбору способа измельчения, а также конструктивного варианта оборудования, обеспечивающего получение продукта, отвечающего требованиям производства при минимальных затратах. Процесс измельчения характеризуется следующими показателями: размером исходного продукта, его физико-механическими свойствами; достижимой степенью сокращения частиц исходного продукта; гранулометрическим составом и формой зерен измельченного продукта; величиной потребляемой энергии. Отмеченные показатели «потребности» наряду с такими показателями функционирования измельчительных установок, как эффективность, принцип действия, долговечность и надежность способствуют выявлению комплекса критериев оценки измельчительных агрегатов, исключающих субъективный подход к оценке целесообразного конструктивного его варианта, а также определение оптимального направления решения задачи повышения эффективности. Установление взаимосвязи между свойствами измельчаемого материала, способами его разрушения, потреблением энергии и требованиями (характеристикой) к получаемому продукту, имеет важное технико-экономическое, а также операционное значение для процессов проектирования измельчительных комплексов и разработки конструкции измельчительных машин. Совокупность свойств измельчаемого материала, учитываемых в процессе оптимизации процесса измельчения, определяется в первую очередь физико-механическими свойствами, его структурой, определяющей целесообразный механизм разрушения. Физико-механические свойства любых материалов зависят от физических и химических явлений, имеющих место на молекулярном уровне. Твердые тела сохраняют свою форму благодаря химическим и физическим связям, существующим между их атомами и молекулами. Тело воспринимается твердым только тогда, когда образующим его молекулам ни механические ни тепловые воздействия, ни химические процессы не препятствуют их объединению в упорядоченную систему кристаллических образований, в беспорядочную, но плотно упакованную систему аморфного тела, а также цепочки или развитые сетки этих цепочек тканей растений, пластмасс и эластомеров. Образовавшееся, таким образом, твердое тело «сопротивляется» приложенному к нему внешнему воздействию (механическому, тепловому или химическому воздействию, также воздействию других видов энергии). Любое тело можно вывести из строя несколькими различными путями механическим разрушением, плавлением или воздействием на него химическими реагентами. Так как в каждом случае должны быть разорваны какие-то внутренние связи одного типа, можно предположить, что существует некая простая связь между всеми названными формами разрушения. nike air huarache soldes Измельчение представляет собой процесс разрушения твердого тела без изменения его фазового состояния, без перехода его из твердой в жидкую или паровую фазу. Soldes Louboutin Способность твердого тела разрушаться под воздействием внешних нагрузок, т. е. уменьшать, в результате приложения к нему внешнего воздействия, свой размер от определенного значения в его исходном состоянии до определенного значения размеров образовавшихся частиц, называют размалываемостью. Размалываемость обычно определяется в единицах затраченной мощности на весовую единицу полученного продукта и представляет собой энергию, затраченную в процессе измельчения. Величина этой энергии зависит непосредственно от природы минерала, от используемого механизма его разрушения, а также тонины (крупности) получаемых частиц. Общепринятые категории тонкого измельчения определяются как:

  • тонкое — частицы менее 76 мкм;
  • очень тонкое — частицы менее 53 мкм;
  • сверхтонкое — частицы менее 25 мкм:
  • ультратонкое — частицы менее 5 мкм.

Для этого может потребоваться энергия на совершение работы трения, сжатия, удара, разрыва частиц использовано под воздействием:

  1. Технические и технико-экономические аспекты выбора технологической схемы измельчения и измельчительного оборудования.

Принципы выбора технологической схемы, способа измельчения, также измельчительного оборудования должны основываться на известных закономерностях… и сводятся к удовлетворению следующих требований:

  • обеспечение технологичности процесса, гарантирующего получение продукта с заданными свойствами – гранулометрическим и химическим составом, плотностью и геометрической формой частиц и т. п.;
  • минимизации стоимости процесса измельчения в общей схеме получения продукта за счет снижения затрат энергии, капитальных затрат, а также расходов на обслуживание и ремонт;
  • обеспечение максимально достижимого уровня эксплуатационных свойств и, в частности, минимальных габаритов и массы используемого оборудования, минимального потребления энергии, доступность и заменяемость всех элементов, имеющих ограниченный срок службы, оптимальная надежность;
  • обеспечение оптимальных эргономических показателей и, в частности, простота, легкость и удобство обслуживания, защита от вредных побочных факторов (помех), таких как шум, тепло, вибрации, выхлопные газы, пыль и т.п., минимизация вреда окружающей среде;
  • максимальный учет всех особенностей существующих производств в части опыта применения имеющихся материалов, стандартных узлов и деталей, имеющегося оборудования и технологий, а также документации.

Из рассмотренных требований логически вытекают ряд принципов, которыми руководствуется конструктор, а именно:

  • выбор наиболее простого конструкторского решения;
  • обеспечение технологичности процесса изготовления оборудования
  • одинаковый (не всегда максимальный) срок службы всех деталей и узлов или легкая заменяемость деталей и узлов, подверженных износу;
  • оптимальное использование прочности материалов;
  • учет особенностей окружающей среды, включая материальные и энергетические ресурсы, а также человеческие факторы;
  • учет и уважение существующих традиций.

Минимизация затрат на стадии измельчения означает прежде всего: а) снижением расчетной величины энергозатрат и б) повышением эффективности использования подводимой к технологии энергии. Снижение расчетной величины энергозатрат на измельчение определенного количества материала может быть достигнуто:

  1. Снижением степени сокращения размера частиц путем:
    1. Уменьшения крупности частиц подаваемого на измельчение материала
    2. Снижения переизмельчения частиц.
  2. Снижением прочностных свойств измельчаемого материала путем:
    1. Применения ПАВ.
    2. Увеличением скорости разрыва образующихся в процессе измельчения трещин.
    3. Сокращением времени τ от момента приложения нагрузки до момента разрушения частицы (т. е. сокращение долговечности материала частицы)

, где τ0~ периоду тепловых колебаний атомов в твердом теле (10-12 с); U0 – энергия близкая к энергии сублимации (перехода, с поглощением теплоты, кристаллического в-ва в газообразное) материала; V – функция условий (характера) разрушения, активационный объем, составляющий обычно несколько тысяч атомных объемов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термической и механической обработки во время нагружения; к = 1,38х10-16 – постоянная Больцмана. При низких температурах долговечность материала резко падает с ростом напряжения σ. Эффективность использования подведенной к газодинамической технологии энергии оценивается двумя параметрами: величиной работы (L), производимой единицей рабочего тела и коэффициентом полезного действия (η) рабочего цикла. Оба параметра определяются типом принятого термодинамического цикла, реализуемого определенными термодинамическими элементами системы и зависят от совершенства каждого отдельно взятого элемента или устройства. Таким образом, выбору рациональной схемы аппаратурно-технологического оформления процесса струйного измельчения должны предшествовать обоснование и выбор термодинамического цикла с последующим … 3. Выбор измельчительного агрегата для помола сырья зависит от свойств измельчаемого материала, определяющих энергоемкость процесса измельчения, а также от требуемой тонины (величины удельной поверхности частиц материала) в соответствии с требованиями технологии получения продукта заданного качества. Крупность частиц перерабатываемого материала или их удельная поверхность, практически во всех отраслях промышленности является доминирующим фактором, технические требования к которому, наряду с энергоемкостью процесса измельчения, ужесточаются с каждым годом. В частности, если раньше для цемента удовлетворительной была удельная поверхность 3000 или 3100 по Блейну, то согласно современным требованиям эта величина должна быть не менее 3800. Для получения быстротвердеющего цемента требуется измельчать материал до получения удельной поверхности не менее 5000 по Блейну, но не более, по мнению некоторых исследователей, 7000. Площадь поверхности частиц (в расчете на грамм вещества) увеличивается с уменьшением их размера. Однако, если задаться средним размером частиц, то увеличение полдисперсности приводит к уменьшению площади поверхности, приходщейся на грамм вещества. Средний размер частиц известняка в производстве цемента по современным требованиям должен составлять 10 мкм, а в производстве пигментов уже не приемлемы продукты с размером частиц свыше 15 мкм. Пожалуй, самым важным применением тонкодисперсных частиц в промышленном производстве является их использование в качестве промежуточной фазы при получении материалов с высокой степенью дисперсности. Механическим измельчением получить мелкие частицы очень трудно. Части измельчение нескольких микрометров получать дроблением даже невозможно. Проще раздробить вещество до молекулярного состояния, а потом позволить ему скондесироваться в частицы, размером которых относительно лгг-1 ко управлять, меняя режим конденсации: скорость охла к-1 дения пара, степень разбавления, концентрацию исходного , пара (рис. 14). Применение дисперсных материалов весьма разнообразно. При получении резины из каучука, к нему добавляют в качестве наполнителя сажу. Наполнитель повышает механическую прочность материала, повышает устойчивость к истиранию. При этом частицы наполнит о-ля должны быть достаточно малыми и не только для toi о, чтобы обеспечить однородность материала, но и для того, чтобы иметь большую поверхностную энергию. Наполнители присутствуют во всех пластических массах. Плас г-масса — это затвердевшая полимерная смола, к которой добавлен наполнитель. Краски и эмали представляют собой суспензии ди •-персного пигмента в связующей клеевой или лаковой основе: в «высыхающей», т. е. полимеризующейся, олиф !, или в растворе полимерной смолы в испаряющемся ра<—творителе. Многие химические реакции в химической технологии протекают только на катализаторах. Для того чтобы обе< -печить быстрое протекание химической реакции, катализатор должен иметь большую удельную поверхность, т. е. большое отношение поверхности частиц к их весу. Поскольку вес пропорционален кубу размера частицы, а поверхность — квадрату, получается, что при измельчении начальной массы удельная поверхность возрастает обратно пропорционально размеру частиц. Иначе говоря, чтобы удельная поверхность была больше, частицы должны быть как можно меньше. Благодаря тому что мелкие … (см. брошюру: Аэрозоли стр. 69 или в ноут-буке сайт «? ДиспнрснМ-лы»)

Основы развития

В основе развития измельчительного оборудования лежит стремление получить продукт с меньшим размером частиц без заметных усовершенствований существующего оборудования, за счет которых можно было бы обеспечить высокую дисперсность без существенного повышения энергоемкости и износа оборудования. Увеличение дисперсности получаемого продукта, обеспечивается в основном за счет интенсификации режимов работы, увеличения энергонапряженности существующего измельчительного оборудования (шаровые, молотковые, вальцевые, механические дезинтеграторы, вибрационные и др.), без изменения, ввиду неочевидности и трудоемкости учета, влияния других параметров при изменении вариантов структуры, принципов разрушения материала, конструкции или компоновки оборудования. Одной из основных проблем, связанных с получением тонкодисперсных материалов, является проблема классификации – разделение частиц по крупности и выделение из общей их массы частиц с заданными размерами. Такая проблема встает при переходе к размерам частиц менее 37 мкм (400 меш). Это размер ячеек самых мелких из существующих сеток или сит и, поэтому, ниже этого размера единственным количественным методом сепарации является воздушная. Ограничение этого метода сепарации заключается в том, что он реализуется только на сухих материалах. ugg soldes 2017 Разумеется воздушная классификация применяется и для разделения частиц более крупных размеров, в частности для выделения частиц с размерами более 0, 84 мм (20 меш). Отмеченная особенность воздушной классификации обусловила создание измельчительных установок со встроенным классификатором. Введенный в практику измельчения О Нейлом еще в 1893 году этот принцип использовался, главным образом в трех типах мельниц – в мельницах-классификаторах («Харрикен» фирмы «Бауэр бразерс компани», в молотковой мельнице «Пулвокрон» фирмы «Стронг скоттс» и др) в вибрационных шаровых и струйных мельницах. Мельницы самоизмельчения с воздушной сепарацией широкое применение находят для помола мягких материалов, особенно при высоком их влагосодержании Сотрудник фирмы «Стюртевант» Инглиш еще в средине прошлого века прогнозировал широкое использование мельниц со встроенным классификатором и отмечал все более проявляющийся интерес к струйным мельницам. Однако до настоящего времени применение этого типа мельниц ограничивается теми сферами, где требуется получение небольших количеств высокодисперсного продукта без посторонних примесей. louboutin femme Проявляющаяся тенденция увеличения мощности измельчительного оборудования пока решается применением трубных и многокамерных мельниц. Существенным подспорьем решения проблемы снижения энергоемкости получения тонкодисперсных материалов в струйных мельницах является разработка высокоэффективных методов контроля размеров частиц, гранулометрического состава материала в микронном и субмикронном диапазонах, распределение концентрации дисперсной фазы в потоке газа, величины потока массы дисперсной фазы, расхода, уровня сыпучего материала в накопительных емкостях и т. п., с использованием этой информации в системах регулирования режимами измельчения и классификации. Известные лабораторные методы и оборудование для определения размеров частиц в микронном и субмикронном диапазонах, характеризуются малой скоростью измерения и ручным управлением. Основным направлением решения задачи определения крупности частиц в зарубежной практике является использование для этих целей стандартных воздушных классификаторов, … Для измерения концентрации дисперсной фазы в смеси применялись различные методы: электрический – при исследовании аэрозолей (335 ); оптический метод регистрации рассеяния света (656) – при суммарных измерениях на больших образцах и при относительно малом числе частиц в единице объема; системы регистрации с помощью счетчика соударения частиц (741) и с помощью датчиков в отдельных точках (830)- при сравнительно болшом размере частиц, а также при малом содержании твердой фазы. С помощью последних методов исследуется скорее локальный поток массы, чем концентрация. Для определения концентрации частиц измеряется ослабление света методами волоконной оптики (404, 766). Для определения скорости дискретной фазы разработан электростатический датчик потока массы, позволяющий измерять поток массы взвешенных частиц (745). Распределение концентрации измерялось с помощью фотоэлектрического зонда по полному сигналу фотоумножителя всегда с использованием компенсационной схемы. Распределение потока массы частиц измеряется по величине их заряда, определяемого законами трибоэлектрических явлений (849): зонд с заданным поперечным сечением, установленный в потоке газовзвеси будет приобретать заряд со скоростью пропорциональной массовому потоку частиц.

Моделирование и оптимизация систем ГДД

1.1.Функциональные и структурные особенности газодинамического диспергирования материалов

Совокупность агрегатов и узлов технологического комплекса, обеспечивающего сокращение размеров частиц определенного количества измельчаемого материала до заданной величины за счет энергии газовой струи будем назвать газодинамической дезинтеграторной установкой (ГДДУ). В настоящее время известно большое число совершенно различных типов таких установок, однако каждая из них может быть представлена в виде схемы, набираемой из типовых (по назначению, а не по конструкции) агрегатов и узлов. Это связано, во-первых, с общностью назначения таких установок и, во-вторых, с тем, что их работа основана на подобных физических эффектах и физико-химических воздействиях на технологические среды. При этом в отдельных конкретных типах установок некоторые узлы могут отсутствовать, а иногда в одном и том же агрегате могут осуществляться одновременно несколько (два и более) процессов. Некоторые схемные особенности вызываются конструкцией и назначением ГДДУ в целом. Тремя основными комплексами агрегатов в газодинамической дезинтеграторной установке являются: источник газового энергоносителя (рабочего тела), тяговая система и собственно дезинтегратор. Кроме того, эта же энергетическая установка должна удовлетворять потребности в рабочем теле других, вспомогательных потребителей — пнвмотранспортных установок и т.п. В связи с этим появляется необходимость в преобразовании энергии рабочего тела, а для обеспечения нужных режимов работы всех этих узлов необходима система регулирования получения и распределения энергии. В качестве источника рабочего тела в длительно работающих установках может рассматриваться либо компрессор с источником тела, либо парогенератор Систему сообщающую частицам измельчаемого материала требуемые (заданные) кинетические параметры, будем называть тяговой системой (ускоряющей системой, инжектором ?). Особенности конструктивного исполнения тяговой системы определяются принятым способом ускорения рабочего тела и частиц. Ускоряющая система может быть классифицирована по методу ускорения на газодинамическую с разгоном рабочего тела в сопле и с использованием сил гидродинамического давления; электростатическую с разгоном заряженных частиц рабочего тела (как в виде микрочастиц — ионов, электронов, так и макрочастиц — коллоидных заряженных образований) в электрическом поле за счет электростатических сил; электромагнитную с разгоном плазмы (электрически нейтральной смеси ионов и атомов) в разных комбинациях электрического и магнитных полей за счет действия злектромагнитных (лоренцовых) сил. Последние схемы ускоряющих систем могут отличаться по стационарности работы (непрерывного действия и пульсирующие), по геометрической схеме (коаксиальные, рельсовые, торцовые) и по способу создания магнитного поля — за счет специального устройства (с внешним магнитным полем) или под действием проходящего тока (с собственным магнитным полем. В связи с возможной необходимостью выпуска из двигателя только строго нейтральной по заряду струи рабочего тела, в двигателях с электростатическим ускорением заряженных частиц необходимо иметь специальную нейтрализующую систему для обеспечения введения в поток и разгона частиц противоположного знака (обычно электронов). Работа большинства систем тепловых двигателей связана с тепловыделением в них , а, следовательно, и с необходимостью охлаждения.. Система охлаждения может быть основана либо на регенерации тепла рабочим телом, либо на отводе тепла излучением. Наиболее рационально по к.п.д. применение регенеративного охлаждения, когда рабочее тело одновременно служит и теплоносителем.

Характеристика удельных параметров и кпд источников энергоносителя

Основной величиной, характеризующей любой газодинамический аппарат является развиваемая ним тяга R, определяемая величиной полного секундного импульса газа, текущего со скоростью w в выходном сечении сопла площадью F: = Ф = Мw + рF, где М — массовый секундный расход; р — давление газа в выходном сечении сопла. На практике величина рF обычно мала по сравнению с величиной Мw, поэтому ею можно пренебречь и тогда уравнение (1) перепишется: = Ф = Мw   Эффективная тяга по своему физическому смыслу представляет собой равнодействующую всех сил давления и трения, действующих на его рабочие поверхности со стороны газового потока, протекающего через газогенератор. Эффективная тяга является той силой, которая идет на совершение полезной работы, т.е. используется на преодоление лобового сопротивления и инерции частиц измельчаемого материала. Задача определения эффективной тяги газогенератора сводится к определению суммы векторов всех указанных сил.

Добавить комментарий