Совершенствование конструкции и расчет основных параметров конического классификатора шлама

РЕФЕРАТ. В статье рассмотрена усовершенствованная конструкция спирально-винтового классификатора. Показаны сущность проблемы и важность классификации сырьевого шлама. Приведены рациональные конструктивные и технологические параметры классификатора. Получены аналитические выражения для расчета гидравлического сопротивления классификатора, эквивалентного диаметра частиц, долей жидкой и твердой составляющих шлама. Приведен пример расчета технологических параметров работы спирально-винтового классификатора.

Ключевые слова: классификатор, сырьевой шлам, шаровые сырьевые мельницы, помол, домол, твердая составляющая шлама, плотность, диаметр частицы, гидравлическое сопротивление.

Keywords: classifier, sewage sludge, ball raw mill, milling, regrinding, solid sludge constituent, density, particle diameter, hydraulic resistance.

Конический классификатор усовершенствованной конструкции

Важным условием производства качественного цемента является надлежащее приготовление сырьевой смеси путем тонкого помола и тщательного перемешивания сырьевых материалов [1, 2]. Измельчение сырьевых компонентов до необходимой тонкости в одном агрегате имеет недостатки, связанные с возможностями получения продукта необходимой тонины, поэтому сначала карбонатное сырье и глину вместе с водой и добавками измельчают в мельницах самоизмельчения «Гидрофол» до получения сметанообразной суспензии — шлама, содержащего 32—45 % воды. Мягкий, хорошо рас­пускающийся в воде мел измельчается в этих мельницах до такой степени, что необходим дополнительный помол лишь некоторой части сырьевого шлама (40—50 %). Поэтому шлам, выходящий из мельниц «Гидро­фол», целесообразно разделять на два продукта: более крупнодисперсный, который подается на домол в шаровые сырье­вые мельницы, и более мелкодисперсный (с размером частиц менее 200 мкм), который можно сразу же направлять в шламовый бассейн.

При таком разделении (классификации) сырьевого шлама существенно снижаются энергозатраты на его приготовление.

Для классификации сырьевых шламов используются высокочастотные виброгрохоты, дуговые сита и гидроциклоны [3], но, как показал опыт промышленной эксплуатации, для разделения мелового шлама эти агрегаты малопригодны из-за низкой производительности, а также недостаточной точности разделения и низкого качества получаемых продуктов.

В связи с этим возникает необходимость разработки нового классифицирующего агрегата с учетом физико-механических и фильтрационных особенностей меловых суспензий.

Поскольку оба продукта разделения сырьевого цементного шлама являются целевыми и направляются на дальнейшую переработку, то их разделение должно осуществляться непрерывно и с гидроудалением осадка твердой составляющей на фильтровальной (разделительной) перегородке (сите). Этим условиям наилучшим образом удовлетворяет конический классификатор усовершенствованной конструкции [4], внутренний корпус которого выполняет также функции разделительной перегородки (рис. 1). Шлам подается в агрегат тангенциально, что приводит к закрутке потока суспензии и одновременно препятствует образованию на перегородке (сите) плотного слоя осадка. Оба эти обстоятельства интенсифицируют разделение исходного шлама на густой шлам и фильтрат и обеспечивают достаточно высокую производительность агрегата.


Рис. 1. Схема центробежного классификатора для разделения сырьевого цементного шлама: 1 — подводящий патрубок, 2 — фильтрующее сито; 3 — направляющая спиральная лопасть

Для снижения скорости выпадения шлама по фильтровальной перегородке на ее внутренней поверхности установлена направляющая лопасть, имеющая форму винтовой спиральной линии. Ее шаг S0 связан с углом наклона γ следующим соотношением:

      

Работающий в производственных условиях промышленно-экспериментальный образец винтового классификатора имеет следующие конструктивно-технологические параметры: R1 = 0,6 м; R2 = 0,075 м; Hц = 0,3 м; Нк = 0,8 м; H = 1,1 м; l = 0,96 м; ширина направляющей лопасти d ≈ 0,15 м; угол наклона лопасти g = 5...8°; объем классификатора Vc = 0,68 м3, площадь перегородки Fпр = 3,16 м2; объемный расход питания классификатора Lш = 200 м3/ч = 0,056 м3/с; влажность шлама Wш = 40 % = 0,4; выход фильтрата Lф = 40 м3/ч = 0,011 м3/с; скорость фильтрования υф ≈ 0,0035 м/с.

Разделительная перегородка классификатора изготовлена из щелевой сетки, сплетенной из проволоки фасонного сечения и охватывающей поперечные поперечные прутья проволоки круглого сечения. Ячейки сетки представляют собой щелевидные отверстия шириной b1 = 0,5 мм и высотой b2 = 100 мм.

Каждое отверстие сетки охвачено (окантовано) рамкой, продольные стороны которой имеют ширину bт/2, а поперечные — bп/2, где bт — длина основания треугольного сечения продольных проволок, bп — диаметр поперечных стягивающих проволок.

Коэффициент живого сечения сетки, т. е. отношение суммарной площади отверстий к площади сетки, определяется по формуле:


Гидравлическое сопротивление сетки (в паскалях) можно представить в следующем виде [5]: 


где ρ = 1000 кг/м3 — плотность жидкой фазы (воды); υср — скорость фильтрования, м/с; ζ — коэффициент местного сопротивления сетки, который можно оценить по формуле [6]:


Разделительные свойства сетки характеризуются ее сопротивлением фильтрованию Rрп, м–1. Этот параметр входит в закон Дарси [7], который для разделительной перегородки можно представить в виде: 

    

где m — коэффициент динамической вязкости жидкой фазы шлама, равный 0,001 Па · с.

Подставив соотношение (5) в формулу (3), получим: 


Из формулы (6) следует, что сопротивление разделительной перегородки фильтрованию зависит от коэффициента живого сечения сетки и скорости фильтрования. Характер этих зависимостей показан на рис. 2.


Рис. 2. Зависимость сопротивления фильтрованию Rрп разделительной перегородки I от ее коэффициента живого сечения f и скорости фильтрования при υcp = 0,0020 (1); 0,0035 (2) и 0,0045 м/с (3)

Диаметр выпускного отверстия классификатора D2 должен быть достаточным для истечения густого шлама. Объемный расход густого шлама при истечении жидкости через малое отверстие при постоянном напоре определяется соотношением: 


где в нашем случае Н — глубина слоя шлама в классификаторе, м; μ0 — коэффициент расхода отверстия, равный 0,6; D = D2, м; g — ускорение свободного падения, м/с2.

При диаметре отверстия, обеспечивающем выполнение условия (7), число Рейнольд­са для вытекающего через это отверстие гус­того шлама находится в следующей области значений: 


где ρгш, μгш — соответственно плотность и коэффициент динамической вязкости густого шлама.

Расчеты показывают, что для типичных условий работы шламового классификатора (ρгш  ≈ 1500 кг/м3; μгш  ≈ 0,004 Па · с) условие (8) выполняется (Re0 = 2,8 · 105), поэтому из соотношения (7) вытекает следующие условие: 


где Lгш — объемный расход густого шлама.

Выбирая радиус выпускного отверстия R2, необходимо учитывать также угол наклона направляющей спиральной лопасти g.

Определение характеристик шлама, необходимых для расчета технологических параметров режима работы классификатора

Свойства сырьевого цементного шлама определяются свойствами веществ, образующих его твердые (дисперсные) и жидкую фазы.

Жидкая фаза сырьевого цементного шлама представляет собой воду с растворенными в ней примесями.

Чистая вода имеет плотность ρ = 1000 кг/м3 и вязкость μ = 0,001 Па · с.

Твердые ингредиенты шлама — мел и глина представляют собой мягкие, легко растирающиеся осадочные породы, состоящие из частиц с сильно развитой поверхностью. Содержание карбоната кальция СаСО3 в меле — 98—99 %, содержание примесей SiО2, AI2O3 и MgCО3 незначительное. Плотность мела — 2500—2600 кг/м3, объемная масса — 1600—2000 кг/м3, влажность — 15—20 %, предел прочности при сжатии — 2—6 МПа, угол естественного откоса — 42—45°.

Дисперсную составляющую шлама образуют частицы мела и глины, различающиеся по форме и размерам. В качестве размера несферической частицы принимают диаметр сферической частицы той же плотности, имеющей одинаковые с реальной частицей обоб­щенные геометрические или физические параметры.

Если в качестве такого параметра выбирается объем, то эквивалентный диаметр час­тицы равен: 

       

В качестве оценочного значения объема реальной частицы можно взять среднее геометрическое результатов ее измерения в трех взаимно перпендикулярных направлениях: 

   

Эквивалентный по площади поверхности диаметр частицы вычисляется по формуле: 

       

При моделировании процессов разделения суспензий наиболее адекватным параметром для определения эквивалентного диаметра частицы неправильной формы dэ является скорость седиментации, т. е. гравитационного осаждения.

Тонкость измельчения твердой составляющей сырьевого шлама характеризуется зерновым (дисперсным) составом частиц, который можно выразить при помощи содержания ΔDi ее отдельных фракций, т. е. совокупностей частиц, размеры которых попадают в интервал (di-1, di), где i — порядковый номер фракции.

Принимается, что частицы, принадлежащие одной и той же фракции, имеют одинаковый размер, равный 

         

Аналитическими характеристиками дис­персного состава являются интегральные функции распределения по проходу

       

и остатку: 

    

а также дифференциальная функция распределения частиц по размерам: 

     

Для аппроксимации функции распределения по размерам частиц шлама и продуктов его разделения будем использовать логарифмически-нормальный закон: 


где  — интеграл вероятностей, значения которого определяются по таблицам [8];


3десь dp — размер ячейки сита, допускаю­щий проход р-й доли массы просеиваемого материала (в метрах); в частности, d0,5 — медианный размер частиц, допускающий проход половины материала.

Среднеобъемный (среднемассовый) размер частиц вычисляется по формуле: 

   

где N — число фракций.

При исследовании процессов разделения суспензий часто используется среднеповерх­ностный размер частиц.

Для его вычисления необходимо знать фракционное распределение частиц по площади их поверхности.

Условно заменив реальные частицы сферическими частицами того же объема, найдем суммарную площадь поверхности частиц i-й фракции: 

   

где 

         

Ni — число частиц i-й фракции материала, m—масса пробы.

Суммарная площадь поверхности всех час­тиц, находящихся в этой пробе, равна: 

   

Для определения дисперсного состава твердой составляющей шлама и продуктов его разделения их высушивают и рассеивают по фракциям через специальный набор сит. Для частиц с размерами менее 40 мкм используются микроскопический и седиментационный анализы или лазерная гранулометрия.

В качестве примера в таблице приведен дисперсный состав частиц твердой составляющей исходного шлама, сепарацию которого проводили в данной работе. Параметры функций распределения (16) и (17), аппроксимирующих характеристики этого состава, можно грубо оценить по опытным значениям ΔDi(d0—5 ≈ 200 мкм, σ= 2,67), а более точно — методом наименьших квад­ратов.

Относительные доли фракций твердой фазы шлама определяются следующим образом: 


а выражение для среднеповерхностного размера частиц можно записать так: 


Для частиц твердой составляющей шлама, характеристики которого приведены в таблице,  = 302 мкм, а = 147,5 мкм.

Обобщенной характеристикой дисперс­ности твердой составляющей сырьевого шлама может служить удельная поверхность ее частиц, равная отношению суммарной площади поверхности частиц к их массе или объему:

 

Для твердой составляющей того же шлама = 16,27 м2/кг,  = 40678 м23.

Основной характеристикой шлама является содержание в нем дисперсной (твердой) составляющей, которое характеризуется тремя взаимосвязанными показателями: ее концентрацией, , кгт3ш, т. е. массой твердой составляющей, находящейся в 1 м3 шлама; ее массовой долей , кгт/кгш, т. е. массой дисперсной составляющей в 1 кг шлама, и ее объемной долей Cv, м3т3ш, т. е. объемом, занимаемым дисперсной составляющей в 1 м3 шлама.

Численные характеристики содержания твердой составляющей связаны между собой соотношениями: 

          

где ρт, ρш — плотности твердой фазы и шлама, кг/м3, соответственно.

Важными характеристиками шлама яв­ляются также влажность Wш, т. е. отношение массы жидкой фазы к массе шлама: 

     

и доля объема шлама, занимаемая жидкой фазой: 

    

Плотность шлама выражается через его влажность и плотность его составляющих: 

         

Через плотность шлама можно выразить концентрацию твердой составляющей: 

         

а с помощью формулы (28) — и другие показатели ее содержания. Массовые расходы шлама и его твердой составляющей определяются формулами: 

             

Реологические свойства шлама в значительной мере определяются его вязкостью, для оценки которой можно использовать следующее уравнение [9]: 


Входящий в формулу (36) безразмерный комплекс  выражается через плотности составляющих шлама и его влажность:


Таким образом, предложенная нами методика позволяет рассчитать все основные технологические параметры шлама, которые необходимо учитывать при определении режима работы сепаратора рассмотренной конструкции.

Например, шлам характеризуется следующими показателями: 


Тогда при работе винтового классификатора с приведенными выше конструктивно-технологическими параметрами 


Основными факторами, определяющими физико-механические и фильтрационные свойства шлама, являются содержание в нем твердой фазы CтШ и ее дисперсность, выраженная через dvср, который рассчитывается по приведенной выше методике. Эти факторы существенным образом влияют на режим работы классификатора.



ЛИТЕРАТУРА

1. Бутт Ю.М. Технология цемента и других вяжущих материалов. М.: Стройиздат, 1976. 407 с.

2. Дуда В. Цемент. М.: Стройизтдат, 1981. 464 с.

3. Богданов В.С., Ильин А.С., Семикопенко И.А. Процессы в производстве строительных материалов н изделий. Белгород: Везелица, 2007. 512 с.

4. Богданов В.С., Шарапов Р.Р., Тетерин К.К. Винтовой классификатор. Патент на полезную модель № 109022 от 10.10.2011.

5. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1975. 323 с.

6. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопро­тивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

7. 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.

8. Статистические методы обработки эмпирических данных, рекомендации. М.: Издательство стандартов, 1978. 232 с.

9. Дик И.Г., Матвиенко О.В., Неессе Т. Моделирование гидродинамики и сепарации в гидроциклоне // ТОХТ. 2000. Т. 34, № 5. С. 478—488.



Автор: В.С. Богданов, Д.В. Богданов, Н.Э. Богданов

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.