Распределение твердых частиц в пневмоклассификаторе с четырехпоточными контактными элементами

УДК 622.752.3:699.33

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ПНЕВМОКЛАССИФИКАТОРЕ С ЧЕТЫРЕХПОТОЧНЫМИ КОНТАКТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

© 2008 г. В.А.Кирсанов, В.В. Титаренко, Б.Е.Владимиров

Южно-Российский государственный South-Russian State Technical University

технический университет

Выявлены особенности распределения твердых частиц по высоте пневмоклассификатора с каскадом че-тырехпоточных контактных элементов. Приведена математическая модель структуры дисперсной среды при работе пневмоклассификатора в стационарном режиме.

Ключевые слова: воздушная классификация сыпучих материалов, каскадная пневмоклассификация, четырехпо-точные контактные элементы, распределение твердых частиц, дисперсная среда.

The peculiarity distribution of hard Particle along height of Pneumatic Classifier with the Four-Flow Contact Elements is revealed. The mathematical model of structure of dispersion environment under work of Pneumatic Classifier in stationers regime are cited.

Keywords: air classification of quick material, cascade pneumatic classification, four-flow contact elements, distribution of hard particle, dispersion environment.

Структура потока газовзвеси, определяющая эффективность процесса разделения сыпучих материалов на фракции с заданными технологическими свойствами, существенно зависит от нагрузки по твердой фазе, скорости воздушного потока и конструктивных особенностей контактных элементов. Без четкого представления механизма распределения твердых частиц в сепарационном канале аппарата невозможно создать физическую и математическую модели процесса каскадной пневмоклассификации. В данной статье эта задача решается применительно к пневмо-классификатору с перспективными четырехпоточны-ми контактными элементами [1, 2].

Структура двухфазного потока изучалась на модельной установке методом мгновенных отсечек [3]. В качестве исследуемого материала использовалась бинарная смесь частиц кварцевого песка, состоящая из фракций с эквивалентным диаметром d А = 0,502 мм и dЭ = 0,251 мм с различным соотношением компонентов. В ходе экспериментов определялась масса и гранулометрический состав материала на каждой отсечке. На основании полученных данных строились графики зависимости р,- = /(Я), где Н - высота сепа-рационного канала аппарата, м; р, = GJVi - локальная концентрация частиц в ,-м объеме, равная рi = GJVi, где Gi - масса материала на ,-й отсечке, кг; V, - ,-й объем, заключенный между двумя соседними отсечками, м3.

На рис. 1 показано распределение частиц бинарной смеси кварцевого песка в аппарате с шестью че-тырехпоточными контактными элементами.

Здесь сплошной стрелкой обозначено место подачи исходного материла, а пунктирной - место ввода газового потока. Как видно, материал неравномерно распределен по высоте рабочей камеры, причем максимум концентрации бинарной смеси наблюдается в месте подачи исходного материала. При этом концентрация частиц в нижней части шахты растет при увеличении содержания крупной фракции в смеси. Это означает, что большая часть мелкой фракции находится в сепарационном канале выше рабочей зоны с контактными элементами, что увеличивает вероятность попадания мелочи в унос. Следует отметить, что характер кривых при изменении содержания компонентов в смеси остается практически одинаков, за исключением нижней части аппарата, где на высоте 0,4 м максимальная разница концентраций между кривыми 5 и 3 составляет 17,1 кг/м3.

Распределение концентрации частиц бинарной смеси равновероятностного состава и узких фракций материала в аппарате с исследуемыми полками показано на рис. 2. Как и на предыдущем графике, максимум концентрации частиц находится в месте ввода материала. В зоне установки контактных элементов мелкие частицы распределены более равномерно, чем крупные. Так же из данного рисунка видно, что концентрация как мелкой фракции частиц в нижней части аппарата, так и крупной фракции в верхней части минимальна.

На рис. 3 и 4 представлены графики распределения концентрации мелкой и крупной фракций в аппарате. В обоих случаях в районе места ввода наблюдается максимум концентрации частиц, причем ее на-

растание происходит с увеличением содержания соответствующей фракции в исходной смеси. Следует отметить, что в зоне установки контактных элементов концентрация мелкой фракции резко уменьшается, причем на уровне четырех элементов ее значение значительно меньше, чем на уровне двух. В нижней части шахты и в районе установки пятого и шестого элементов концентрация мелочи остается постоянной, а ее величина - значительно меньше, чем в верхней части сепарационного канала при всех соотношениях

компонентов в исходной смеси. Для крупной фракции (рис. 4) наблюдается равномерное распределение частиц в нижней части аппарата при любом соотношении компонентов. В месте установки каскада элементов отмечается неравномерное распределение материала, концентрация которого в значительной степени зависит от содержания в смеси крупного компонента. Концентрация крупных частиц минимальна при всех соотношения компонентов в исходной смеси в верхней части сепарационного канала.

\

Рис. 1. Распределение концентрации частиц материала по высоте аппарата: 1, 2, 3, 4, 5 - содержание мелкой фракции в бинарной смеси, равное 10; 30; 50; 70; 90 % соответственно; скорость газа 2,8 м/с; расход материала 12 кг/

Рис. 2. Распределение концентрации частиц материала по высоте аппарата: 1 - бинарная смесь с равным соотношением компонентов; 2, 3 - фракции -0,63+0,4 мм и -0,315+0,25 мм соответственно; скорость газа 2,8 м/с; расход материала 12 кг/

Рис. 3. Распределение концентрации мелкой фракции по высоте аппарата: 1, 2, 3, 4, 5 - содержание мелкой фракции в смеси, равное 10; 30; 50; 70; 90% соответственно; скорость газа 2,8 м/с; расход материала 12 кг/

Рис. 4. Распределение концентрации крупной фракции по высоте аппарата: 1, 2, 3, 4, 5 - содержание мелкой фракции в смеси, равное 10; 30; 50; 70; 90 % соответственно; скорость газа 2,8 м/с; расход материала 12 кг/

Анализируя приведенные выше данные, можно сделать следующие выводы. Процесс разделения осуществляется ниже места ввода исходного материала в пределах установки каскада контактных элементов, при этом исходный материал целесообразно подавать на середину первого элемента, т.е. на его двускатную полку и в центральные щели. Применение данной конструкции контактного элемента позволяет более

равномерно распределить мелкую фракцию в месте его установки по сравнению с плоскими двух- и трех-поточными элементами [3]. Следует отметить, что наименьшая концентрация крупной фракции наблюдается в верхней части аппарата, поэтому аппараты с четырехпоточными контактными элементами предпочтительней для качественной очистки мелкого продукта.

Исходя из результатов проведенных исследований, механизм работы пневмоклассификатора с четы-рехпоточными контактными элементами можно представить следующим образом. Исходный материал непрерывно подается питателем в полочное пространство аппарата, где движется по контактным элементам, распадаясь на несколько потоков. При этом частицы материала совершают зигзагообразное движение, что способствует интенсивному перемешиванию материала воздушным потоком, т.е. более равномерному распределению твердых частиц по сечению аппарата, а следовательно, и увеличению поверхности контакта фаз. Навстречу материалу движется воздух, который проходит через разгрузочные щели, способствуя ликвидации застойных зон, и через перфорацию полок, пронизывая нисходящий слой частиц в нескольких направлениях. В процессе разделения мелкие и легкие фракции транспортируются в надполоч-ное пространство, а крупные и тяжелые - в нижнюю часть пневмоклассификатора. Исходя из анализа опытных данных можно отметить, что при достижении стационарных условий концентрация частиц в полочном пространстве аппарата практически не изменяется. Следовательно, справедливо выражение

р = ро(1 - е - а в т),

где р - концентрация твердых частиц в аппарате; р0 -концентрация твердых частиц в полочном пространстве аппарата; а - опытная постоянная; G - массовый расход материала; т - время.

Уравнение материального баланса при рассмотрении процесса распределения твердых частиц с момента подачи материала в аппарат имеет вид

Q = Ql + Q2 + Qз,

где Q = G•т - количество материала, подаваемого в аппарат за время т; Q1, Q2, Q3 - соответственно количество материала, находящегося в аппарате, уносе и провале.

Величину Q1 можно определить путем вычисления площади, ограниченной кривой, выражающей распределение концентрации частиц по высоте аппарата Z

Z0 , ; Н . .

01 = F | р1екZ"Zl С + F | р0е^-^ С =

= FPlk-lek(Z-Zi) | Z» + Fp0 (-k)-1 ek(Z-Z») | * = = Fp1k1 (ekZ -Zi) -1) - Fp0k1 (e k(H-Zo) -1) =

риваемого уровня до полочного пространства; р1 - концентрация твердых частиц в нижней части аппарата.

Количество уносимого материала определяется из выражения

02 = fFV р( Н ) С т,

о

где V - скорость движения твердых частиц; р(Н) -

концентрация частиц на уровне Н, которую можно определить по следующему уравнению:

р (Н) = ре к(Z^о) = р0 (1 - е~авт ) ек(Z).

Тогда

ß2 = FV J Poe-(Z - Zo)dZ =

= FV J p0(1 - e~aG%)e~k (Z-Zo)dx =

= FV p0e~k (Z - Zo) J (1 -e ~aGT)d x =

= FVр0e-к(Z-;г0)(т + е-аСт /ав) =

0

= FVр0е-к(Z-Zо) [т- (1 - еавт )/ав] .

Величина провала определяется из выражения

0з = с в т,

где с - опытная постоянная, зависящая от соотношения скорости витания твердых частиц и скорости движения воздушного потока.

Так как 0 = 01 + 02 + 0з , то 0 - 0з = 01 + 02 или

0 - 0з = (1 - с) в т. При этом

01 + 02 = FPlk1 (ек^-Zl) -1) + Fрок 1 (1 -е-к(Н)) +

+FVpo e

-k

x-[1 - e-aGx) / aG

Тогда

(1 - c) Gt = Fp1k- (ek (Z-Z1) -1) + Fpok- (1 - e_k(H-Zo)) +

+FVpoe

-k

Л -aGT \

t-11 - e )

/ aG

Продифференцируем по т левую и правую части

Fр1к- (ек(;?0 Zl) -1) + Fр0к- (1 - е к(Н Zо)), последнего равенства, получим

где F - площадь поперечного сечения аппарата; Н - высота рассматриваемого уровня над полочным пространством аппарата; Z0 - высота уровня с максимальной концентрацией частиц; Z1 - высота рассмат-

(1 - с) в = FVр0e-к (Z-Zо) (1 - е-авт ) .

При ав >0 и больших значениях т выражение

(1 - е~ а в т) «1.

o

Следовательно,

(1 - с) G = КУр0е~к2-20

Полученное уравнение описывает распределение твердых частиц в аппарате с четырехпоточными контактными элементами при выходе его на стационарный режим. Влияние многочисленных факторов на рассматриваемый процесс учитывается величиной опытных постоянных к, с и а, которые, в свою очередь, являются функциями осредненных технологических параметров.

Поступила в редакцию

Литература

1. Пат. 2123391 РФ. МКИ В07В 4/00, 4/08. Гравитационный пневмоклассификатор / В.А.Кирсанов, В.Н.Славянский, А.М.Новоселов.- Заявл.21.06.94; 0публ.20.12.98, Бюл. № 35.

2. Кирсанов В.А., Титаренко В.В. Определение основных технологических параметров процесса каскадной пнев-моклассификации // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 3. С. 98-101.

3. Кирсанов В.А. Каскадная пневмоклассификация сыпучих материалов / Ред. журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», Ростов н/Д., 2004.

16 сентября 2008 г.

Кирсанов Виктор Александрович - докт. техн. наук, профессор кафедры ТНВ Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) Тел.(863-52) 55-5-95. E-mail kirsanovi@rambler.ru

Титаренко Василий Викторович - ассистент кафедры МАХиПП Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Владимиров Борис Ефимович - канд. техн. наук, доцент кафедры МАХиПП Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).