Гранулирование материалов

Аэродинамические особенности порошков при непрерывном уплотнении на валковых прессах

Непрерывное уплотнение порошков прессованием на валковых прессах сопровождается активной фильтра­цией воздуха, выдавливаемого в зоне деформации, через слой поступающего в эту зону порошка.

Рис. VI-2. Схема выпрессов - ки воздуха в процессе не­прерывного уплотнения по­рошков и а валковом прессе.

Известные работы по аэродинамике зернистых слоев в аппарате переменного по высоте сечения '[72, ПО, 118, 181] относятся к небольшому классу аппаратов кониче­ской или пирамидальной формы. Анализ особенностей фильтрации газа в слое зернистого материала в этих аппаратах показал, что ни одна из предложенных мо­делей не может быть принята для характеристики осо­бенностей фильтрации в канале, образованном цилинд­рическими поверхностями, что обусловлено различием законов изменения сечений по высоте слоя. Естествен­но ожидать, что и аэродинамические характеристики по­рошков удобрений будут иметь свои особенности.

В работе [154] предложена методика исследования фильтрации выпрессованного воздуха через слой порош­ка в канале, образованном цилиндрическими поверхно­стями, основанная на гипотезе, рассмотренной в [18]. Авторы гипотезы предположили, что воздух выдавлива­ется из порошка вблизи зоны деформации в виде струй, а это приводит к изменению плотности прессуемого по­рошка и нарушению процесса прессования (рис. VI-2). Эти предположения приведены также в работе [188]. Поэтому фильтрацию воздуха через слой порошкообраз­ного материала в процессе его непрерывного прессова­ния можно оценивать как модель, аналогичную модели фильтрации воздуха через слой порошка в канале, об­разованном цилиндрическими поверхностями и газо­распределительной решеткой. Место расположения ре­шетки и ее свободное сечение при этом будут имитиро­вать величину зазора между валками и пористость материала в зоне начала деформации, т. е. в сечении, соответствующем углу уплотнения для данных условий прокатки. Эти соображения положены в основу разра­ботки методики исследования и лабораторной установ­ки, моделирующей процесс фильтрации воздуха через

Рис. VI-3. Схема лаборатор­ной установки для исследова­ния аэродинамики порошкооб­разных материалов:

/ — корпус аппарата; 2 — газорас­пределительная решетка; 3 — под­порная решетка; 4, 6 — манометры; 5 — ротаметр РС-5; 7 — воздуходув­ка ВВД; 8 — термометр.

слой материала при его уплотнении на валковых прессах [154].

Установка (рис.

VI-3) представляет собой аппарат, выполненный из оргстекла, с вогнутыми стенками. Зазор между стенками в плоскости осей равен 5 мм. Ширина аппарата 58 мм. Радиус кривизны стенок (450 мм) и зазор между ними выбраны по характеристике промышленного валкового пресса. В аппарате установ­лена подпорная решетка 3 с живым сечением 50%. В ■сечении, расположенном на расстоянии b=i? sin«n (где «п — угол уплотнения для данных условий прокатки), установлена газораспределительная решетка 2 с живым сечением 4°/о - Живое сечение решетки 'выбрано из рас­чета пористости слоя материала, расположенного на расстоянии b от плоскости осей валков — стенок.

В качестве модельного материала при исследовании был использован хлористый калий со средним размером частиц 1,410; 0,706; 0,350; 0,116 мм и плотностью крио* таллов ут = 1,99 г/см3. В ходе исследования определял#, характер изменения скорости фильтрации и перепада давления в слое в зависимости от размера частиц по­рошковидного материала и ширины загрузочной ворон­ки валкового пресса. Относительная погрешность при определении скорости ожижающего агента (воздуха) составляла 2,3%.

Визуальное наблюдение за стадиями фильтрации воздуха через слой порошка подтвердило предположе­ние исследователей [18, 188] о нарушении плотности в нижней части слоя при определенных скоростях филь­
трации. При фильтрации воздуха в слое более крупных частиц dCp=0,706 (Аг>1-104) и определенной скорости газа вблизи газораспределительной решетки наблюда­ется расслоение материала. Ниже границы расслоения плотность слоя меньше плотности выше лежащих слоев. По мере увеличения расхода воздуха в этой зоне обра­зуется свод, ниже которого наблюдается замкнутый в неподвижном объеме псевдоожиженный слой. Началь­ная высота этого слоя не превышает 10—15% первона­чальной высоты засыпанного слоя. Состоянию образо­вания замкнутого псевдоожиженного слоя соответствует первый пик перепада давлений (рис. VI-4,a и VI-4,6), после которого наблюдается резкое уменьшение перепа­да давления в слое.

Образование границы расслоения в нижней части слоя и последующее образование псевдоожиженного слоя под сводом неподвижного материала объясняются динамическим воздействием ожижающего агента, ско­рость которого вблизи решетки превышает скорость на­чала псевдоожижения данного материала в аппарате постоянного по высоте сечения. При дальнейшем увели­чении расхода воздуха наблюдается увеличение разме­ров свода, что приводит к уменьшению перепада дав­ления в слое.

Моменту перехода всего слоя в псевдоожиженное состояние соответствует характерный второй пик пере­пада давлений. В момент перехода всего слоя в псевдо­ожиженное состояние свод обрушивается, при этом пе­репад давления увеличивается (появляется второй ха­рактерный пик на кривой псевдоожижения), а затем уменьшается, что обусловлено образованием характер­ного ядра кипения.

При переходе слоя частиц в псевдоожиженное со­стояние в канале, образованном цилиндрическими по­верхностями, наблюдаются две зоны кипения—централь­ное ядро, в котором материал движется снизу вверх, и пристеночная зона, в которой материал опускается свер­ху вниз. Аналогичный характер поведения слоя после его полного псевдоожижения был отмечен ранее [118, 181] при исследовании псевдоожижения в конических расширяющихся кверху аппаратах.

Анализ кривых псевдоожижения, приведенных на рис. VI-4 и VI-5, показывает, что критический перепад

Рис. VI-4. Экспериментальные кри­вые псевдоожижения хлористого ка­лия при различных высотах слоя Л0: rf,—0.706 мм; / — Л0=100 мм; 2 — Л0»( = 150 мм; 3 —Л0=175 мм; 4 — Л0=2(Ю мм; ® 1*41 мм; 1 — Ло=600 мм; 2 — hc~

= 125 мм; 3 — Л0= 150 мм, в — dB=0,35 мм;

1 — 5о=ЮО мм; 2 — Ло=150 мм; 3 — 50= =200 мм; e — da=0,116 мм; У — Ло=1Б0 мм;

2 — Ло=200 мм.

давления в слое, соответствующий началу полного псев­доожижения, намного меньше первого пика давления, характеризующего начало сводообразования.

При фильтрации воздуха через слой более мелких частиц (Аг-<1-104) наблюдается иной характер пове­дения материала в аппарате данного типа. Увеличение расхода воздуха сопровождается расширением всего слоя и нарушением профиля его верхней границы. При определенной скорости воздуха слой полностью перехо­дит в псевдоожиженное состояние, что сопровождается характерным пиком перепада давления (рис. VI-4,e и VI-4,a) и образованием двух зон кипения: центрального ядра и пристеночной зоны.

В процессе непрерывного прессования слой порошко­образного материала, как правило, не доводится до со­стояния полного псевдоожижения, так как непрерыв­ность и устойчивость процесса нарушаются уже при по­явлении признаков сводообразования, т. е. при повыше­нии порозности вблизи зоны деформации. Поэтому опи­санные результаты могут быть использованы для рас­чета максимальной скорости непрерывной прокатки по­рошков.

Представляет интерес расчет аппаратов с псевдо­ожиженным слоем, боковые стенки которых выполнены в форме цилиндрических поверхностей. Для таких аппа­ратов расчет максимального перепада давления будет определять выбор воздухонагнетательного устройства. Кроме того, максимальный перепад давления определя­ет часть энергии, затрачиваемой при непрерывном прес­совании на фильтрацию воздуха, выдавливаемого в зо­не уплотнения порошка.

Для расчета максимального перепада давления в слое при условии фильтрации через него воздуха по­лучено следующее уравнение:

(VI-17)

где уо — насыпная масса материала; Но — высота засыпанного слоя; Н — ширина верхнего уровня слоя; Hi — ширина нижнего уровня слоя (ширина газораспределительной решетки; применительно к прессованию — ширина слоя в сечении, соответствующем углу уп­лотнения).

Рис. VI-5. Изменение макси­мального перепада давлення в зависимости от геометрических характеристик слоя хлористого калия с размером частиц dd:

1—1,41 мм; 2 — 0,706 мм; 3 — 0,350 мм; 4 — 0,116 мм; 5 — 0,196 мм, полиднсперсная смесь.

где /гл — зазор между цилинд­рическими стенками в плоскос­ти горизонтальных осей (зазор между валками); а„ — угол, соответствующий сечению, на уровне которого установлена газораспределительная решетка (угол уплотнения); аР — угол, соответствующий верхнему се­чению слоя (угол подачи)

МОЖНО ВЫЧИСЛИТЬ величину ДГшах по уравнению

/;л - f - 2R (1 — cosctp)

,+2R(l — cosctp)

Зависимость, описываемая уравнениями (VI-17) и (VI-18) изображена на рис. VI-5. Экспериментальные точки относительно расчетной прямой расположены со среднестатистическим отклонением, 7%.

Другой аэродинамической характеристикой псевдо­ожиженного слоя данной геометрической конфигурации является скорость начала полного псевдоожижения. Обработка экспериментальных данных показала, что для расчета скорости начала полного псевдоожижения не могут быть использованы известные зависимости, предложенные в работах [27, ПО] для коническо-ци­линдрических и конических расширяющихся кверху ап­паратов. Это обусловлено специфичным профилем ско­рости ожижающего агента по высоте слоя вследствие иного закона изменения сечения аппарата по высоте. Известно [26, 72, 181], что скорость начала псевдоожи­жения в аппаратах переменного по высоте сечения за­висит также от геометрических характеристик слоя. Обработка экспериментальных данных (рис. VI-6) по­зволила получить следующее уравнение для расчета скорости начала полного псевдоожижения:

_!g_ = (ЛХЛ

vp I

где vR — скорость начала полного псевдоожижения слоя в канале, образованном цилиндрическими поверхностями, отнесенная к его нижнему основанию; vp—скорость начала псевдоожижения слоя в аппарате постоянного по высоте сечения.

Безусловный интерес для слоя с переменным по вы­соте сечением представляет профиль псевдоожиженного ядра. На рис. VI-7 изображены типичные профили псев­доожиженного ядра для различных высот начального слоя. Получены следующие расчетные зависимости для определения профиля псевдоожиженного ядра:

Уравнение (VI-23) совпадает с расчетной зависимо­стью, полученной в работе [26] для конических расши­ряющихся кверху аіуіаратов. Это указывает на то, что кривизна стенок аппарата оказывает влияние на про­филь псевдоожиженного ядра лишь при малых высотах слоя (Н/НіС7); при больших высотах слоя (Я/Яi>7)

Рис. VI-6. Зависимость ско­рости начала псевдоожиже­ния от геометрических ха­рактеристик слоя с части­цами размером dB:

/ — 1,41 мм; 2 — 0,706 мм; 3 — 0,35 мм; 4 — 0,196 мм, полндис - персная смесь.

7

профиль псевдоожиженного ядра уже не зависит от кри­визны стенок аппарата, а определяется закономерно­стью распределения скорости ожижающего агента по сечениям слоя, свойственной коническим, расширяющим­ся кверху аппаратам. Пользуясь уравнениями (VI-22) и (VI-23) и учитывая, что

Н h + 2R( 1 — cosap) ’

можно построить профили псевдоожиженного ядра для различных высот засыпанного слоя материала.

Максимальную скорость прокатки порошкообразных материалов, очевидно, следует определять, исходя из скорости фильтрации, соответствующей началу наруше­ния плотности нижней части слоя, т. е. первой критиче­ской скорости фильтрации (ом. рис. VI-4,a и б).

На рис. VI-8 представлены графики зависимости

для слоев хлористого калия с частицами различного диаметра. Расчетная зависимость для определения мак­симальной скорости прокатки порошкообразных мате­

риалов имеет вид

А г0.88 г н 1

Re«P * 600 [ кл - f - 2R (1 — cos ап) J (VI '24)

Количество воздуха, выдавливаемого при непрерыв­ном прессовании (с учетом фильтрации по кромкам плитки), можно определить из уравнения [18]

У = (г-1)ВлМвтах (VI-25)

где г — степень уплотнения материала; z=yл/уо; В л— ширина лен­ты; /гл—толщина ленты после пресса; ь'втах—максимальная ско­рость вращения валков.

С учетом уравнения (VI-25) максимальная скорость прокатки порошкообразных материалов может быть определена как [154]

Аг°,в8 £ j v tBmax= 600 г —I ~d

где k — коэффициент сжатия, k=Hjhn-

Анализ расчетной зависимости (VI-26) показывает, что с изменением одного из параметров процесса прес­сования (давления прессования, зазора между валками, диаметра частиц уплотняемого слоя и т. п.) изменяется и максимальная скорость прокатки. Кроме того, из уравнения (VI-26) следует, что для увеличения макси­мальной скорости про - кекр катки (увеличения про - 50 изводительности валково - 80 го пресса) целесообраз­но: заполнение межчас­тичного пространства gg - слоя газом, вязкость ко­торого 'Меньше ВЯЗКОСТИ М- воздуха, или организация вакуумирования слоя;

Рис. VI-8. Зависимость крити­ческой скорости фильтрации jg слоев хлористого калия от его геометрических размеров при различных da.

1—1.41 мм; 2 — 0,706 мм; 3 —

0,35 мм; 4 — 0.116 мм.

предварительное уплотнение (подпрессовывапие) по­рошкообразного материала в шахте пресса. В этом слу­чае материал будет поступать в зону уплотнения с плот­ностью, превышающей его насыпную плотность. По уравнению (VI-26) рассчитаны максимальные скорости прокатки для различных материалов, которые сопостав­лены с экспериментальными (табл. VI-1).

Из таблицы следует, что расчетные значения макси­мальных скоростей прокатки различных порошков впол­не удовлетворительно согласуются с эксперименталь­ными.