Расчет технологических параметров спирально-винтовых классификаторов шлама
РЕФЕРАТ. В статье рассмотрен алгоритм расчета технологических параметров и режима работы спирально-винтового классификатора сырьевого шлама цементного производства. Определены эффективность разделения шлама, коэффициент уноса, объемные расходы твердой и жидкой составляющих шлама, сопротивление слоя осадка, дисперсные составы фильтрата и густого шлама. Приведен пример расчета технологических параметров классификатора с учетом характеристик исходного шлама.
Ключевые слова: шлам, спирально-винтовой классификатор, жидкая и твердая составляющие шлама, объемный и массовый расход шлама, коэффициент уноса твердой составляющей, удельное сопротивление слоя шлама, пронос частиц.
Keywords: sludge, spiral-screw classifier, liquid, liquid and solid sludge constituents, volumetric and mass flow of sludge, coefficient of entrainment of solid constituent, specific resistivity of sludge layer, imposition of corpuscles.
Рассматриваемый в статье спирально-винтовой классификатор [1] относится к динамическим фильтрам (фильтрам-сгустителям), в которых осадок твердой составляющей на разделительной перегородке разрушается в результате его непрерывного смыва потоком суспензии. В таких агрегатах образуется не плотный, а рыхлый слой осадка (концентрат частиц твердой фазы), прилегающий к разделительной перегородке, и шлам фильтруется через него. Проницаемость рыхлого осадка существенно выше, чем плотного, вследствие чего производительность спирально-винтового классификатора значительно увеличивается.
Продуктами разделения исходного сырьевого шлама являются две суспензии:
1) густой шлам, содержащий преимущественно крупнодисперсные частицы;
2) прошедшая через слой рыхлого осадка и разделительную перегородку жидкая суспензия (фильтрат), содержащая в основном частицы размером менее 200 мкм и представляющая собой готовый продукт.
В изотермических условиях разделение шлама описывается уравнениями материального и объемного балансов исходного шлама и продуктов его разделения, например:
где Q и L — соответственно массовый и объемный расходы шлама; индексы Ш, ГШ и Ф — соответственно виды шлама: исходный, густой и фильтрат.
Эффективность разделения шлама характеризуется степенью разделения η:
а также коэффициентом уноса твердой фазы К:
Опытным путем установлено, что объемный расход фильтрата, прошедшего через разделительную перегородку площадью S, прямо пропорционален разности давлений ∆p по обе ее стороны, а также обратно пропорционален вязкости жидкой фазы фильтрата m и сумме сопротивлений фильтрованию, оказываемых рыхлым осадком Rво и разделительной перегородкой Rрп (закон Дарси):
Скорость фильтрования равна отношению объемного расхода фильтрата к площади разделительной перегородки:
Сопротивление фильтрованию, оказываемое слоем рыхлого осадка, прямо пропорционально толщине h этого слоя:
где r0— удельное объемное сопротивление фильтрованию, оказываемое рыхлым осадком.
Толщина слоя рыхлого осадка (в метрах) для типичных условий работы спирально-винтового классификатора сырьевого цементного шлама установлена путем анализа имеющихся опытных данных:
где γ — угол наклона спирали классификатора.
Удельное объемное сопротивление фильтрованию, оказываемое рыхлым осадком, можно определить по формуле [2]:
где
ε — среднее значение его пористости; χ — коэффициент неоднородности распределения твердой составляющей.
Расчеты показывают, что для типичных условий работы спирально-винтового классификатора (
Здесь Е — пористость слоя рыхлого осадка, состоящего из частиц шлама со средним эквивалентным диаметром.
Содержание твердой составляющей в фильтрате определяется коэффициентом уноса:
По объемному расходу фильтрата и массовому расходу твердой составляющей в нем можно найти массовый расход фильтрата QФ и его влажность WФ:
где ρT, ρФ , ρ — плотность твердой составляющей шлама, фильтрата и жидкой фазы (воды) соответственно, кг/м3.
По технологическим характеристикам исходного шлама и фильтрата определяются параметры густого шлама:
Таким образом, основными параметрами, позволяющими рассчитать все характеристики продуктов разделения шлама, являются объемный расход фильтрата и коэффициент уноса твердой составляющей в фильтрат.
Для созданного и действующего в производственных условиях спирально-винтового классификатора параметры продуктов разделения сырьевого цементного шлама имеют следующие значения:
• коэффициент уноса твердой составляющей К ≈ 0,16;
• объемный выход фильтрата LФ ≈ 0,01 м3/с;
• массовые выходы фильтрата и уносимой с ним твердой составляющей — соответственно QФ = 15 кг/с и QФT = 8,4 кг/с;
• влажность фильтрата WФ = 0,44.
Аналогичные характеристики густого шлама: Qгш = 72,5 кг/с, QTгш = 44 кг/с, Wгш = 0,39.
Из приведенных данных следует, что классификатор отделяет более 30 % частиц твердой фазы размером менее 200 мкм. При этом влажность остающегося в классификаторе шлама снижается всего на 1 %, что позволяет направлять его на домол в шаровые мельницы без дополнительного увлажнения.
Согласно закону Дарси, разделение шлама, т. е. прохождение жидкой суспензии через рыхлый осадок и разделительную перегородку, происходит под действием разности давлений Δρ, возникающей в результате совместного действия центробежного (ρц) и гидростатического (ρгс) давлений:
Центробежная сила зависит от радиуса объекта. Полное центробежное давление складывается из частичных давлений dρц, создающихся в результате вращения бесконечно малых элементарных кольцевых фрагментов шлама:
где dFц — центробежная сила, действующая на элементарный кольцевой фрагмент шлама:
dS — площадь боковой поверхности элементарного кольцевого фрагмента; Vокр, r — соответственно окружная скорость и радиус вращения кольцевого фрагмента шлама; dm — элементарная масса кольцевого фрагмента шлама.
Центробежное давление шлама на разделительную перегородку определяется по формуле:
где w — угловая скорость вращения ядра потока шлама, r — радиус до осевой переменной z, Rя— радиус ядра потока шлама, R — радиус корпуса классификатора.
Гидростатическое давление шлама на глубине z равно:
где g — ускорение свободного падения, Hц— высота цилиндрической части классификатора, z — координата вдоль вертикальной оси классификатора (см. рис. 1).
Рис. 1. Центробежный классификатор для разделения сырьевого цементного шлама: 1—подводящий патрубок, 2 — фильтрующее сито; 3 — направляющая спиральная лопасть
Секундный объемный расход фильтрата, который проходит через элементарное кольцо разделительной перегородки, находящейся на уровне z, определяется соотношением:
где Rобщ — общее (суммарное) сопротивление фильтрованию, оказываемое рыхлым осадком и разделительной перегородкой:
Rобщ = Rво + Rрп
ΔS(z)— площадь поверхности элементарного кольца:
Полную производительность классификатора по фильтрату находим по уравнению:
Первая часть этой формулы описывает отделение фильтрата в цилиндрической части классификатора, а вторая — в конической.
Твердая составляющая исходного сырьевого цементного шлама делится между густым шламом и фильтратом. При этом условие материального баланса выполняется не только для твердой составляющей в целом, но аналогичные балансовые соотношения имеют место и для каждой фракции ее частиц:
где
Разделив обе части уравнения (32) на
где
Распределение частиц отдельных фракций между густым шламом и фильтратом определяются фракционными коэффициентами пропуска Cii, которые являются элементами диагональной матрицы классификации:
Используя фракционные коэффициенты пропуска, уравнение (32) можно привести к следующим двум соотношениям:
из которых следуют формулы, связывающие дисперсные составы твердой фазы фильтрата и густого шлама с дисперсным составом исходного шлама:
Массовые расходы твердой фазы фильтрата и густого шлама определяются следующим образом:
Разделив обе части соотношения (39) на
Соотношение для экспериментального определения фракционных коэффициентов пропуска вытекает из формулы (35):
Результаты обработки опытных данных по определению фракционных коэффициентов пропуска промышленного спирально-винтового классификатора приведены в табл. 1.
Опытное значение коэффициента пропуска, найденное по формуле
Функция, аппроксимирующая экспериментально найденные точки (di, Cii) (см. табл. 1), называется функцией разделения
В соответствии с этим подходом будем искать функцию разделения сырьевого шлама в виде:
где
Проскок частиц через слой рыхлого осадка и разделительную перегородку, определяют следующие главные факторы:
• вязкость жидкой фазы шлама μ, Па ∙ с;
• удельное объемное сопротивление рыхлого осадка r0;
• средняя по разделительной перегородке скорость фильтрования
• плотность частиц твердой фазы ρт, кг/м3.
Используя π-теорему, можно доказать, что единственная комбинация перечисленных величин, имеющая размерность длины, имеет вид:
Поэтому соотношение для определения dгр следует искать в виде:
где
Например, по данным, приведенным в табл. 1, найдены значения p = 4,4; b = –8,5 (здесь b — безразмерная эмпирическая постоянная); dгр = 86 мкм.
Исследовалось разделение различных меловых шламов, различавшихся своей влажностью и дисперсностью твердой составляющей, при различных режимах работы спирально-винтового классификатора.
По найденным граничным размерам частиц с использованием формулы (43) определялись значения параметра χ. В результате обработки полученных данных найдены средние значения параметров χ и p: χ — 0,0022; р = 4,36. Подставляя их в формулу для вычисления граничного размера частицы меловых шламов при их разделении в центробежных классификаторах, можно получить следующее выражение:
а функцию разделения можно записать так:
На рис. 2 приведен график функции разделения при dгр = 94,8 мкм.
Рис. 2. Кривая разделения частиц твердой фазы сырьевого шлама в спирально-винтовом классификаторе
С помощью функции разделения могут быть рассчитаны фракционные коэффициенты пропуска частиц шлама в фильтрат.
Используя значения дисперсного состава твердой фазы шлама и найденные фракционные коэффициенты, по формулам (З6) и (37) можно рассчитать дисперсные составы твердой составляющей продуктов разделения — фильтрата и густого шлама. Результаты расчетов для спирально-винтового классификатора приведены в табл. 2.
Полный коэффициент пропуска твердой фазы в фильтрат К = 0,163. Из табл. 2 следует, что если в исходном шламе содержится 50 % частиц с размерами d менее 200 мкм, то в фильтрате оно повышается до 98,6 %, а в густом шламе снижается до 40 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богданов В.С., Богданов Д.В., Богданов Н.Э. Совершенствование конструкции и расчет основных параметров конического классификатора шлама // Цемент и его применение. 2015. № 5. С. 61—65.
2. Жуков В.П., Межунов Г.Г., Мизонов В.Е. Идентификация модели замкнутого цикла измельчения // Химия и химическая технология. 2005. Т. 48, вып. 6. С. 79—81.
| Автор: В.С. Богданов, Д. В. Богданов, Н.Э. Богданов |
| Рубрика: Наука и производство |
| Ключевые слова: шлам, спирально-винтовой классификатор, жидкая и твердая составляющие шлама, объемный и массовый расход шлама, коэффициент уноса твердой составляющей, удельное сопротивление слоя шлама, пронос частиц |