ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ. ГРАНУЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ. В ПЛАНЕТАРНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ

Движение материала в грануляторах окатывания

Характер движения сыпучего материала во вращающихся аппа­ратах определяет их транспортную производительность, а также су­щественно влияет на эффективность процесса гранулирования. Кро­ме того, для обоснованного выбора оптимальных технологических параметров процессов гранулирования необходимо знать время пре­бывания материала в аппаратах различного типа.

1.4.1. Движение материала в барабане со стационарной осью и гладкими стенками

Величина динамических нагрузок на гранулу данного размера зависит от характера ее движения [11]. Тело, находящееся внутри вращающегося барабана, под действием силы тяжести и центробеж­ной силы прижимается к поверхности барабана и отклоняется от вер­тикали на угол рд, величина которого зависит от скорости вращения барабана. Таким образом, поведение тела определяется соотношени­ем трех сил: тяжести, центробежной и трения.

После достижения предельного значения угла рд нарушается равновесие тела относительно поверхности барабана, сдвигающая сила становится больше силы трения и тело начинает перемещаться вниз. При этом исчезает действие на тело центробежной силы, в ре­зультате чего уменьшается сила трения. Однако в дальнейшем, вследствие движения по криволинейной траектории, центробежная сила возникает вновь.

Скатывание тела вниз является ускоренным. Максимальная ско­рость достигается в тот момент, когда силы сдвига и трения равны. При дальнейшем движении вниз скорость начинает падать, и при определенном значении угла в тело останавливается.

Поведение тела после остановки зависит от того, пересекло ли оно вертикальную плоскость, проходящую через ось барабана. Если тело не пересекло вертикальную плоскость, то оно и после остановки остается в том же положении, так как расстояние, на которое тело переместится к вертикали под действием силы тяжести, вследствие равенства линейных скоростей будет скомпенсировано обратным движением тела в результате вращения барабана. Оставаясь непод­вижным относительно абсолютной системы координат, тело будет непрерывно скатываться по внутренней поверхности барабана. Такое движение называется режимом окатывания [11].

Если тело остановилось после пересечения вертикальной плоскости, то под действием силы тяжести оно будет двигаться в ту же сторону, что и поверхность вращающегося барабана. В этом случае движение будет совершаться циклами: подъем-скатывание (челночный режим). Челноч­ный режим наступает при высоких скоростях вращения.

В практических условиях работы в барабане одновременно на­ходится не одно тело, а их совокупность - некоторый объем сыпуче­го материала, поведение которого характеризуется закономерностя­ми, отличными от закономерностей движения одиночного тела. Ха­рактер движения материала зависит от степени заполнения [19], ско­рости вращения [20] и состояния внутренней поверхности барабана.

При малой степени заполнения в случае небольшого трения о внутреннюю поверхность барабана сыпучий материал вдет себя по­добно одному сплошному телу, т. е. движется в челночном режиме или чаще в режиме окатывания. В последнем случае угол подъема центра тяжести загрузки меньше угла естественного откоса.

При отклонении центра тяжести загрузки на угол, больший угла естественного откоса, и достаточном коэффициенте заполнения картина поведения материала меняется. Как только наклон поверхности загруз­ки превысит угол естественного откоса, избыток материала начнет осы­паться вниз, стремясь восстановить первоначальный угол. При этом центр тяжести загрузки остается на одном месте, а вокруг него вращает­ся материал: около стенки он поднимается вверх, а по свободной по­верхности ссыпается вниз. В поперечном сечении гладкого вращающе­гося барабана сыпучий материал движется по замкнутому циркуляци­онному контуру. Материал, находящийся в грануляторе, можно разде­лить на поднимающийся (ANB') и скатывающийся (ЛЛ'В'Б) слои (рис. 1.6). Принимается обычно, что первый слой вращается вместе с барабаном и неподвижен относительно его поверхности. Второй слой материала движется по первому в противоположную сторону, толщина его меньше толщины первого слоя, а средняя скорость скатывания больше. Между ними находятся частицы, которые вращаются и выпол­няют роль катков для скатывания подвижного слоя [3].

Характерной особенностью такого движения в режиме переката является отсутствие у частиц параболического участка траектории, т. е. после кругового участка пути частицы сразу переходят на уча­сток ссыпания. Объем материала при движении в этом режиме при­мерно на 10 % больше объема в неподвижном состоянии.

Кроме режима переката различают также водопадный и цикличе­ский, характеризующиеся наличием участков траектории свободного полета. Оба эти режима не пригодны для смешивания и гранулирова­ния, поскольку градиент скорости отдельных элементарных потоков не большой. Для гранулирования наиболее эффективен режим переката. В этом режиме основная масса сыпучего материала движется по круго­вым траекториям со скоростью, равной угловой скорости вращения са­мого барабана. Достигнув высшей точки, материал слоем определенной толщины начинает ссыпаться вниз. Нижележащие слои переходят на круговые траектории, расположенные ближе к центру барабана, а верх­ние слои переходят на траектории большего радиуса. Такое распределе­ние ссыпающегося потока частиц создает условия для повторения опи­санной картины, т. е. каждый элементарный слой как бы вращается во­круг неподвижной точки. Совокупность этих точек образует линии раз­дела поднимающегося и скатывающегося слоев. Эпюра скоростей дви­жения отдельных элементарных сравнительно медленно смешиваю­щихся друг с другом слоев материала относительно внешней системы координат изображена на рис. 1.7. Величины линейных скоростей опре­деляются скоростью вращения барабана и силами трения отдельных слоев материала один о другой.

Для процесса окатывания большое значение имеет толщина слоя ссыпающегося материала. Экспериментально [21] исследова­лась зависимость отношения количества поднимающегося материа­ла апод к общему объему материала в засыпке Ооб от параметров вращения барабана. Установлено, что

где ю - угловая скорость вращения барабана, рад/с;

R - радиус барабана, м.

В работе [21] указано также, что у не зависит от коэффициента заполнения. Следовательно, толщина ссыпающегося слоя определя­ется коэффициентом заполнения. Гранулы, скатывающиеся из верх­ней части потока, подвергаются меньшим динамическим нагрузкам, чем гранулы, расположенные внутри потока и соприкасающиеся с поднимающимся слоем. Поэтому на гранулометрический состав продукта влияет толщина скатывающегося слоя, т. е. коэффициент заполнения, который должен быть оптимальным для требуемого гра­нулометрического состава. При гранулировании в барабане коэффи­циент заполнения не превышает 25 % и в каждом конкретном случае находится экспериментально.

Поскольку для процесса окатывания наиболее благоприятен ре­жим переката, представляют интерес предельные значения парамет­ров перехода к водопадному режиму. Водопадный режим вообще невозможен до тех пор, пока верхний край загрузки не достигнет уг-

Отсюда нетрудно определить предельную степень заполнения барабана, до достижения которой материал будет двигаться в режиме переката. При этом условии угол ф в зависимости от угла ссыпа - ния Рд будет определяться по следующей формуле:

ф = 180 - 2Р

Угол рд определяется углом естественного откоса Р и сущест­венно зависит от скорости вращения барабана. При прочих равных условиях угол ссыпания увеличивается с повышением степени за­полнения барабана. С учетом динамических нагрузок угол рд получа­ется на 10-25° больше угла естественного откоса. Чем выше ско­рость вращения, тем больше угол рд и меньше предельная степень заполнения.

При небольших степенях заполнения, когда верхняя часть за­грузки поднимается на угол более 90°, начало водопадного режима определяется равенством углов подъема верхнего края загрузки и отрыва материала от поверхности барабана. При этих условиях найдена критическая скорость вращения барабана [11], характери­зующая границу между режимом переката и водопадным режимом:

(1.46)

При выборе скорости вращения гранулятора нужно стремиться к тому, чтобы создавались не только условия режима переката, но и условия, предотвращающие разрушение сформировавшихся гранул требуемого размера. Окатывание необходимо производить при ско­ростях скатывания, не превышающих скоростей, при которых проис­ходит разрушение. Энергия, переданная от одной гранулы другой в момент их столкновения, не должна превышать работу разрушения. Из этого условия получена [11] упрощенная формула для определе­ния допускаемой скорости скатывания гранул:

(1.47)

где ст - допустимое напряжение в грануле, Па;

Y - удельный вес материала, Н/м3.

Скорость скатывания определяется параметрами работы грану­лятора и свойствами материала. Для приближенных расчетов можно пользоваться уравнением, полученным из следующих соображений. Количество скатывающегося материала, исходя из условия нераз­рывности потока, равно количеству поднимающегося материала. При этом чем меньше материала скатывается, тем больше его скорость и меньше время скатывания. Максимальный путь скатывания при­нимается равным хорде, проведенной между крайними точками за­сыпки. Тогда

Тпод ^од / ипод Спод V

Тск / иск Сск 1 - V’

2R sin — 2w sin—

иск _ W_________ 2 _______ 2

ипод 1 - V R— (1 - V)— ’

где - путь, проходимый гранулами при скатывании, м;

5Лод - путь, проходимый гранулами при подъеме, м.

Скорость подъема материала определяется параметрами движе­ния барабана. Если проскальзывание материала около стенки отсут­ствует, то средняя скорость подъема частиц, расположенных между стенкой барабана и линией, разграничивающей поднимающийся и скатывающийся слои,

ипод _®R /2,

а средняя скорость скатывания в поперечном сечении барабана

Поскольку скатывание происходит не по плоскости, а по изо­гнутой поверхности, формула (1.50) дает несколько заниженные ре­зультаты. Кроме того, действительная скорость скатывания частиц по свободной поверхности больше, а время меньше, чем расчетные,
так как слой скатывающихся частиц менее плотный, чем слой час­тиц, поднимающихся вместе с барабаном. Задаваясь допустимым значением скорости скатывания из уравнения (1.50), определяют уг­ловую скорость барабана [3]. Для промышленных грануляторов ско­рость вращения составляет обычно (0,2-0,6)гакр, где гакр - скорость, при которой материал под воздействием центробежной силы враща­ется без отрыва от стенки. Чем выше сыпучесть материала, тем больше скорость вращения.