МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ КЛАССИФИКАТОРЫ

Пневмоклассификаторы относятся к ап­паратам объемного типа преимущественно непрерывного действия. В отдельных редких случаях они дополняются поверхностной клас­сификацией частиц на границах зоны разделе­ния. В основе процесса пневмоклассификации лежит движение частиц в зоне разделения под действием альтернативных сил классификации, по-разному зависящих от размера этих частиц. Одной из альтернативных сил является сила аэродинамического сопротивления при относи­тельном движении частиц в потоке газа. Если другой силой оказывается сила тяжести, то классификатор относится к гравитационным, если сила инерции, - к инерционным. В зави­симости от взаимной ориентации альтернатив­ных сил различают классификаторы противо - точные (силы направлены в противоположные - стороны) и с «косым» потоком. Кроме того, в зависимости от характера движения несущего газа они подразделяются на проходные и замк­нутые (циркуляционные). В последних матери­ал загружается и выгружается из классифика­тора механическим способом.

Важной характеристикой процесса и ап­парата является размер равновесной частицы хе, совпадающий с граничным размером разде­ления или близким к нему. Такая частица по­коится в восходящем потоке при равенстве сил тяжести и аэродинамического сопротивления: mg = Fd

Или

NxЈ Wl

Где pp и pЈ - плотность соответственно частиц и газа; cw - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы, зависящий от числа Рейнольдса обтекающего ее потока Re = = Wxe /v, W - скорость газа; v - коэффициент кинематической вязкости газа;

W(2-n)/(\+n)

4 G Р

Для условий промышленной классифика­ции наиболее характерен диапазон чисел Рей - нольдса, соответствующий закону сопротивле­ния Аллена, при котором

\2/3

39 Уу Pg 4 G Рр

По формуле (2.3.3) можно рассчитать скорость газа W, обеспечивающую требуемую границу разделения хс = хе. Необходимый рас­ход газа Q при заданной крупности разделения можно приблизительно оценить по исходной производительности В\ сыпучего материала и его допустимой массовой концентрации р (кг/кг) в зоне разделения:

2 = В, Дц pg). (2.3.4)

В гравитационных классификаторах верхний предел эффективного разделения дос­тигается при р. = 2...2,5 кг/кг. Площадь про­ходного сечения классификатора рассчитыва­ют по формуле

F = Q/W.

Ность и ремонтопригодность. При граничном размере более 200 мкм обеспечивается высокая острота разделения. Аппарат удобен для обес­пыливания кокса, мела, удобрений, бокситов, пластиковых гранул, применяется для разделе­ния пищевых материалов, например, при пере­работке сои. В последнее время широко ис­пользуется при переработке предварительно измельченных старых кабелей и другого элек­трического и электронного лома для выделения ценных металлов и отделения пластмассы.

В отечественной промышленности более распространен классификатор с пересыпными полками, аналогичный по принципам обеспе­чения эффективного разделения (рис. 2.3.12, б). Более подробные сведения о расчете гравита­ционных пневмоклассификаторов можно найти в [3,21].

Переход к более низким границам разде­ления при сохранении высокой производи­тельности требует уровня массовых сил, пре­вышающих уровень сил тяжести. Это обеспе­чивают центробежные классификаторы. Клас­сификация в них происходит в закрученном (вихревом) потоке с центральным стоком (рис. 2.3.13). Сила аэродинамического сопротивле­ния Fj увлекает частицу к центру к разгру­зочному патрубку, а центробежная сила инер­ции Fm стремится отбросить ее к периферии.

Обе силы по-разному зависят от размера час­тицы. Если эти силы равны, то частица враща­ется по равновесной траектории - окружности

Если площадь получается слишком большой, то трудно сохранить приемлемую равномерность потока по сечению. Тогда при­бегают к продольному секционированию аппа­рата, выполняя его из нескольких однотипных колонок.

Среди гравитационных противоточных классификаторов наибольшее распространение получили аппараты «Zigzag» фирмы Альпине (Мультиплекс Zigzag MZM и MZF). Аппарат представляет собой набор параллельно соеди­ненных колонок, одна из которых показана на рис. 2.3.12, а. Производительность такого ап­парата по исходному материалу достигает 200 т/ч. Его отличают малый износ корпуса, защита от перегрузок, низкая чувствительность характеристик процесса к гранулометрическо­му составу исходного материала, возможность плавного регулирования граничного размера дроссельными заслонками, высокие надеж-

Радиуса г. Чем больше размер частицы, тем больше радиус ее равновесной траектории. Таким образом, в центробежном классифика­торе имеется спектр размеров равновесных частиц хе.

За характерный размер разделения обыч­но выбирают размер частицы хс\, имеющей равновесие на внешнем радиусе зоны разделе­ния R\. Условие этого равновесия имеет вид

W}x

"Pg

Где Wr\ и fVyі - соответственно радиальная и окружная скорость газа на внешнем радиусе. Если поток закручивается лопатками, установ­ленными под углом а к радиусу, то Wyi =

= »Vitg а. Формула для расчета размера этой равновесной частицы имеет вид

Г ЛІ/0+Я)

3 Av" РG Rx

Хе\ =

4 к" рр {&2(х

Откуда также можно рассчитать необходимую радиальную скорость газа Wr\ и угол закрутки потока а по требуемой характерной крупности разделения. (Реальный граничный размер цен­тробежной классификации находится между

Размерами хе\ и хе2, где хе2 - размер частицы, имеющей равновесие на радиусе Rx, оба раз­мера связаны соотношением, учитывающим затухание угла закрутки потока а по радиусу зоны разделения [21].)

Расход газа выбирают по соотношению (2.3.4) с учетом того, что предельная массовая концентрация материала в газе, совместимая с достаточно высокой эффективностью разделе­ния, составляет в центробежных классифика­торах 1 1,5 кг/кг. Высота зоны разделения

В

Н =

2 тiRxWr

При прочих равных условиях в геометри­чески подобных центробежных классификато­рах величина^і остается неизменной, если

,(2л+1)/ 1 рых подчиняется закону Стокса с п = 1, имеем условие подобия

V/Q = idem,

Где К-объем классификатора.

Более подробные сведения о расчете цен­тробежных пневмоклассификаторов можно найти в [21. 33].

Несмотря на аналої ичносі ь принципа действия, известно большое число разнообраз­ных конструкций центробежных классифика­торов. Некоторые из аэродинамических схем классификаторов, не содержащих вращающих­ся элементов в зоне разделения, показаны на рис. 2.3.14.

Перед центробежными проходными ап­паратами (рис. 2.3.14, а, б) установлена грави - тационно-инерционная ступень предваритель­ного разделения. Классификатор конструкции ТКЗ-ВТИ выпускается отечественной про­мышленностью с диаметром типажного ряда 2,6...4,75 м, производительностью по исход­ному материалу до 100 т/ч, а по мелкому при /?з(0,09) = 7 % - до 50 т/ч, с граничным разме­ром разделения 20... 100 мкм. Здесь /?3(0,09) = = 7 % при остатке в мелком продукте на сите частиц диаметром 0,09 мм, равным 7 %. Ин­декс при R означает отношение соответственно к исходному (1), крупному (2) и мелкому (3) продуктам. Выбор типоразмера классификато­ра осуществляется по желаемой тонкости мел­кого продукта /?з(0,09) через величину Ну = = QIV (Q ~ расход газа в м3/ч), называемую напряжением объема классификатора. По Hv находят объем аппарата V = Q/Ну, а затем - необходимый диаметр D \ =

= (К/0,435)1/3.

Соотношения тонкости мелкого продукта /?з(0,09) и напряжения объема Hv при выборе типоразмера классификатора ТКЗ-ВТИ приве­дены ниже.

4...6 6...15 15...28 28...40 2000 2500 3500 4500

Особенностью конструкции такого клас­сификатора является подача материала в аппа­рат вместе с несущим газом в состоянии аэро­смеси, что делает их употребительными в замкнутых циклах измельчения с вентилируе­мыми мельницами. Однако такой аппарат име­ет ограниченную эффективность разделения, поскольку в центробежной зоне реализуется широкий спектр взаимных ориентаций альтер­нативных сил классификации и разделение носит циклонный характер.

В классификаторе конструкции ИГЭУ (рис. 2.3.14, б) во второй ступени реализуется чистое центробежно-противоточное разделе­ние, в результате чего эффективность разделе­ния в нем выше. Замена классификатора ТКЗ - ВТИ на классификатор ИГЭУ в замкнутых схемах измельчения позволяет в зависимости от тонкости помола повысить производитель­ность на 5...25 %.

Увеличение высоты зоны разделения по­зволяет проводить эффективную классифика­цию по границам до 5 мкм, однако при боль­ших высотах необходимо секционировать зону разделения кольцевыми вставками для сохра­нения плоского вихревого потока. В первом приближении диаметр такого классификатора можно выбирать по той же методике, что и классификатора ТКЗ-ВТИ.

Центробежные классификаторы с гори­зонтальной осью зоны разделения широко ис­пользуются в зарубежной промышленности (рис. 2.3.14, в, г). Механическая загрузка ис­ходного материала легко осуществляется из промежуточного бункера. Классификатор ЕС фирмы Ларокс (Финляндия) имеет внутри зоны разделения специальные вставки, создающие необходимую структуру вихревого потока (рис. 2.3.14, в). Производительность этих аппа­ратов по мелкому продукту составляет 3... 100т/ч при границе разделения 30... 100 мкм. Классификаторы содержат вентиляционную установку и систему улавливания мелкого про­дукта из несущего газа.

Спиральный классификатор «Микро - плекс» фирмы Альпине снабжен встроенным вентилятором, а отвод улавливаемого на пери­ферии крупного продукта производится шне­ком. Кроме того, одна из торцовых стенок зоны разделения выполнена вращающейся для того, чтобы снизить неоднородность несущего газо­вого потока. Наличие встроенного вентилятора повышает автономность аппарата, но приводит к интенсивному износу лопастей вентиля­тора, через которые проходит весь мелкий про­дукт.

В воздушно-проходных классификаторах с неподвижной зоной разделения вихревой поток адаптируется к условиям протекания процесса (свободный вихрь), и его параметры могут существенно меняться с изменением, например, производительности. Поэтому ха­рактеристики классификации являются отно­сительно нестабильными. Этот недостаток отсутствует у классификаторов с роторами (корзинками), вращающимися внутри зоны разделения, создающими стабильный вынуж­денный вихревой поток и одновременно отби­вающими крупные частицы.

В классификаторе MS (Micron Separator) фирмы Хосокава исходный материал вместе с воздухом подается в зону разделения к верхней части вращающегося конического ротора с отбойными лопатками (рис. 2.3.15). Мелкие частицы просасываются сквозь лопатки и вы­водятся через центральную часть ротора вместе с воздухом. Для повышения эффектив­ности разделения предусмотрена подача вто­ричного воздуха в различные зоны классифи­кации. Одна его часть подается в окрестности середины ротора, а другая - в нижнюю часть окружающего ротор конического внутреннего корпуса, чтобы предотвратить попадание оставшихся мелких частиц в крупный про­дукт.

Классификаторы MS производятся шести типоразмеров MS-1...MS-6 с отношением диа­метра к длине d/l = 700/1500...2800/7000 мм с частотами вращения ротора соответственно 2300...300 мин-1. Для классификации по особо тонким граничным размерам (менее 5 мкм) предусмотрена повышенная (примерно в 2 ра­за) частота вращения.

При повышенных скоростях достигается эффективное разделение до d97 = 2 мкм, где d<)-j - размер фракции, выносимой в мелкий продукт на 97 %. Такие классификаторы широ­ко применяются для удаления мелких частиц перед мельницами, для обеспыливания порош­ков и гранул, для удаления крупных и примес­ных частиц, в ряде случаев - для разделения материалов по плотности.

В отличие от других аппаратов этого типа классификаторы для сверхтонкого разделения «Турбоплекс» ATP-GS и ATP-S/GS фирмы Альпине имеют горизонтально расположенный ротор, ось которого ориентирована перпенди­кулярно потоку газа с частицами (рис. 2.3.16). Основной рабочий диапазон крупности разде­ления d97 = 4...200 мкм. Классификатор вы­пускается с одним, тремя, четырьмя и шестью роторами, изготовленными из стали или керамики. Частота вращения составляет от 11500 мин"1 у малых типоразмеров (диаметр

Ротора 100 мм) до 1200 мин"1 у больших (диа­метр ротора 1000 мм). Для керамических рото­ров частота вращения несколько меньше. При d97 = 10 мкм производительность по мелкому продукту составляет 45...2500 кг/ч.

Классификатор успешно применяется для разделения минералов, абразивов, пигментов, металлических порошков, тонеров, фармацев­тических и пищевых материалов. Используется как мельничный классификатор с малотоннаж­ными мельницами, например, с противоточной струйной мельницей 100 AFG фирмы Альпине.

В пневмоклассификаторах с внутренней циркуляцией несущего газа улавливание мел­кого продукта происходит непосредственно внутри классификатора. Существуют циркуля­ционные классификаторы с выносными венти­ляторами и циклонами [21, 33].

Воздушно-замкнутый классификатор «Вентоплекс» фирмы Альпине является типич­ным представителем аппаратов этого типа (рис. 2.3.17).

Исходный материал подается на вра­щающуюся распределительную тарелку 14, и частицы движутся к ее периферии. Крупные частицы падают вниз, а мелкие классифициру­ются в коническом вихревом потоке над тарел­кой, создаваемом встроенным вентилятором 13. Параметры потока изменяются в зависимо­сти от частоты вращения вентилятора и поло­жения по высоте всей роторной системы. Гра­ничный размер в таких классификаторах со­ставляет 30...200 мкм.

Относительно низкие скорости движения газа способствуют малому износу элементов конструкции, но не обеспечивают эффективное диспергирование частиц, вследствие чего ост­рота разделения в этих аппаратах относительно невысокая Отсутствие необходимости в до­полнительном оборудовании (вентиляторах, циклонах) делают их особенно удобным для технологий, в которых классификация является относительно независимой операцией, а также в замкнутых циклах измельчения с невентили - руемыми мельницами.

Размеры классификатора (диаметр х вы­сота) в зависимости от типоразмера составляют от 1200 х 2800 мм (у модели VI2) до 3600 х х 6670 (у модели V36), а частота вращения ротора 640...210 мин"1, производительность по исходному материалу 1,5...5 т/ч для модели V12 и 20...80 т/ч для модели V36. Производи­тельность по мелкому продукту классифика­ции зависит от его требуемой тонкости: для модели V12 она изменяется от 0,5...0,8 т/ч при <^97 = 50 мкм до 1,5...2 т/ч при d97 = 150 мкм (для известняка). Классификатор успешно при-

Меняется для разделения частиц известняка, полевого шпата, фосфатов, коалинового сырья, глины, гипса, различных руд, стеклянных по­рошков, абразивов, пищевых и кормовых про­дуктов.

Пневмоклассификаторы могут использо­ваться и для многопродуктового разделения. На рис. 2.3.18 приведены аэродинамические схе­мы классификаторов для разделения на три фракции: а) центробежно-противоточного раз­деления; б) инерционного. В последнем более мелкие частицы, ввиду малой инерционности, движутся по траекториям с меньшим радиусом кривизны, а более крупные - с большим, в ре­зультате чего они попадают в разные патрубки отвода фракций.

Пневмоклассификаторы имеют более широкие возможности регулирования парамет­ров процесса, чем грохоты, в которых гранич­ный размер идеальной классификации равен размеру ячеек сита и может только уменьшаться при одновременном снижении эффективности.

В общем случае параметры пневмоклас - сификации регулируются изменением уровня движущих сил и сил аэродинамического со­противления, а также их взаимной ориентации

(последнее сопряжено с потерей эффективно­сти и применяется редко). В этом смысле наи­более эффективны центробежные классифика­торы, поскольку в гравитационных аппаратах ускорение свободного падения частиц посто­янно. В центробежных аппаратах уровень дви­жущих сил изменяют, меняя крутку потока, в первую очередь, изменением угла установки закручивающих лопаток.

Регулирование граничной крупности в проходных классификаторах за счет расхода несущего газа, как правило, имеет ограничен­ные пределы, так как этот расход обычно свя­зан с установленным последовательно с клас­сификатором другим технологическим обору­дованием (вентилируемых мельниц, системы пылеулавливания).

В циркуляционных классификаторах из­менение расхода вентилирующего газа дости­гается изменением частоты вращения крыль­чатки встроенного вентилятора, которое в ап­паратах для крупнотоннажных производств бывает преимущественно дискретным вследст­вие изменения передаточного отношения при­вода рабочего вала классификатора.

Разнообразие аэродинамических схем пневмоклассификации и сложность движения и разделения частиц в газопылевом потоке обу­словливают отсутствие в настоящее время на­дежных универсальных методов технологиче­ского расчета пневмоклассификаторов и при­водит к необходимости использования опыт­ных зависимостей.

На рис. 2.3.19 показаны области рацио­нального применения различных механических и пневматических классификаторов. Расши­ренные области, отмеченные штриховыми стрелками, относятся к перспективным конст­рукциям, еще не получившим широкого про­мышленного освоения.

Центробежная классификация