Процессы эффективного измельчения в агрегатах с инерционным воздействием на разрушаемый материал (стр. 1 )

На правах рукописи

ВАЙТЕХОВИЧ ПЕТР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ПРОЦЕССЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В АГРЕГАТАХ С ИНЕРЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА РАЗРУШАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ

Специальность: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в учреждении образования «Белорусский государственный технологический университет»

Научный консультант: (если есть)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов

Защита состоится «15» сентября 2011 г. В 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 1/4, ауд. имени (Л – 207)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат разослан « 11 »г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к. т. н, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы измельчения широко используются во многих отраслях промышленности, в том числе и химической. В настоящее время сложились основные тенденции в развитии помольного оборудования. В зависимости от скорости движения рабочих органов все мельницы можно разделить на тихоходные, средне - и быстроходные. Основным помольным агрегатом на отечественных предприятиях до сих пор остается барабанная шаровая мельница, являющаяся с точки зрения механики тихоходной машиной. Это металлоемкий агрегат с высокими энергозатратами на проведение процесса помола.

Анализ современного состояния технологии и техники дезинтеграции показывает, что указанные недостатки преодолимы при использовании в производстве средне - и быстроходных измельчителей. Они отличаются более высокими скоростями движения рабочих органов, а, соответственно, и измельчаемого материала. При этом возникают инерционные силы, существенно превышающие гравитационную и становящиеся основным силовым фактором разрушения материалов. В таких агрегатах значительно повышается интенсивность процесса диспергирования и требуемая производительность может быть достигнута при уменьшении рабочего объема. А это в свою очередь приводит к снижению металло - и энергоемкости измельчающих машин. Подобный эффект может быть достигнут и при использовании диспергаторов, принцип действия которых основан на разрушающих физических эффектах.

Существенный вклад в развитие теории дезинтеграции внесли отечественные специалисты , , Ревнивцев совершенствованием, разработкой методик расчета, в том числе и быстроходных измельчающих агрегатов, успешно занимались и занимаются , , и другие. Коллективами под их руководством выполнен значительный объем научных исследований по проблемам измельчения материалов. Однако эти исследования носят в основном разрозненный характер, направлены на решение отдельных специфических задач для конкретных технологи­ческих процессов. Отсутствуют научно обоснованные предложения по выбору рационального способа воздействия на материал для получения продукта требуемой дисперсности с минимальными энергозатратами. Нет общего подхода к определению значения силовых факторов в измельчителях различных типов и оценке влияния инерционных сил на их величину, что особенно важно для средне - и быстроходных машин. Не установлено связи между интенсивностью воздействия рабочих органов на разрушаемый материал и эффективностью самого процесса разрушения.

Поэтому комплексные исследования среднеходных и быстроходных мельниц, поиск общих закономерностей процессов, реализуемых в них, об­щих подходов к расчету таких агрегатов с обязательным учетом энергетики и эффективности измельчения представляется весьма актуальной задачей.

Работа базируется на обобщении результатов личных исследований автора, полученных при выполнении ряда госбюджетных и хоздоговорных тем кафедры машин и аппаратов химических и силикатных производств: Государственной программы ориентированных фунда­ментальных исследований (ГПОФИ) «Строитель­ство и архитектура», утвержденной постановлением Совета Министров Республики Беларусь, от 01.01.2001г. № 000 задание 29 «Разработка теоретических основ процесса диспергирования материалов в агрегатах раздавливающего типа с проточной классификацией и создание на их основе энергоэффективных помольных установок» (ГБ 26-103, № гос. регистрации , 2006−2010 гг.); по темам, включенным в план НИР БГТУ: ГБ 98-018 «Ис­следование процесса разрушения твердых материалов в жидкой среде под воздействием кавитации» (№ гос. регистрации , 1998−1999 гг.); ГБ 20-029 «Исследование, моделирование и оптимизация процессов диспергирования и механической активации твердых материалов» (№ гос. регистрации 2 гг.); по прямым заказам предприятий на хоздоговорной основе: ХД 24-066, 2004 г. и ХД 27-167, 2007 г.

Целью исследований является развитие научных основ совершенствования процессов измельчения и оптимизации измельчающих агрегатов в направлении повышения их эффективности и снижения удельных энергозатрат.

Для достижения поставленной цели необходимо:

¾  провести анализ теорий разрушения и дезинтеграции материалов и на его основе определить направления совершенствования измельчающих агрегатов и выбрать в качестве объектов исследования наиболее перспектив­ные из них, обеспечивающие возможность значительного повышения эффективности; установить общий критерий оценки воздействия рабочего органа на разрушаемый материал;

¾  составить математические модели движения материальных потоков и рабочих органов измельчающих машин и с их использованием установить оптимальные конструктивные и технологические параметры этих машин; разработать методы и алгоритмы расчета оптимальных параметров;

¾  провести экспериментальные исследования измельчителей для определения направлений их рационального использования, проверки адекватности математических моделей, оптимизации параметров, не подлежащих математическому описанию;

¾  на основе разработанных методов и алгоритмов провести расчет и спроектировать измельчающие агрегаты с оптимальными конструк­тивными и технологическими параметрами; осуществить опытно-промыш­ленные испытания и внедрение в производство оптимизированных агрегатов.

Объектом исследования в работе выбраны среднеходные и быстро­ходные измельчающие агрегаты и диспергатор кавитационного типа, объединенные одним характерным признаком − значительным влиянием инерционным сил на процесс измельчения материала.

Предметом исследования является движение рабочих органов машин, измельчае­мого материала и несущей среды (воздуха, воды); процессы измельчения и классификации, эффективность и энергетика процессов; оптимизация процесса и параметров измельчающих машин.

Научная новизна.

1.  Разработана новая обобщенная методология исследований и оптимизации параметров высокоскоростных измельчающих агрегатов, основанная на изучении движения рабочих органов, несущей среды, измельчаемого материала и учете влияния инерционных сил на процесс его разрушения.

2.  Предложено математическое описание и алгоритм расчета траектории движения материала в зоне измель­чения среднеходных мельниц тарельчатого типа с учетом активных и инерционных сил, позволяющий определить оптимальную скорость враще­ния тарелки из условия гарантированного попадания мате­риала под размольные органы, обеспечивающую повышение эффективности процесса измельчения.

3.  Разработана модель разрушения материала между валком и тарелкой, учитывающая изменение степени измельчения и удельной поверхности при однократном воздействии, позволяющая рассчитать работу разрушения с учетом физических свойств материала и в совокуп­ности с экспериментально определенными затратами на выгрузку готового продукта определить и оптимизировать общие энергозатраты на процесс измельчения в среднеходных мельницах.

4.  Составлена модель и математическое описание помола в замкнутом цикле для мельниц непрерывного действия в виде функций нескольких переменных, включающих такие важные параметры, как производительность, степень измельчения, кратность циркуляции, дис­персность продукта, позволяющая с использованием метода нелинейного программирования установить оптимальные значения указанных параметров.

5.  Предложен метод определения коэффициента загрузки ударных мельниц, основанный на решении уравнений движения частиц исходного продукта в загрузочном устройстве и в пространстве перед ударными элементами, позволяющий рассчитать максимально возможную производительность в зависимости от размеров мельницы и загружаемого в нее продукта.

6.  Предложена физическая модель перемещения элементов загрузки, методика определения наиболее рациональной высоты размольной камеры центробежно-шаровой мельницы, базирующаяся на решении дифференциальных уравнений движения мелющих тел и частиц измельчаемого материала с учетом их взаимодействия; методика определения высоты размольного барабана вертикальной планетарной мельницы, основанная на анализе движения измельчающих тел и загрузки, имитированной в виде сплошной среды.

7.  Разработан комплекс теоретических методов по определению границ режи­мов движения, условий отрыва, высоты падения мелющих тел, границ харак­терных зон загрузки в горизонтальных планетарных мельницах, с учетом взаимодействия между телами и цикличности изменения инер­ционных сил, позволяющих при их реализации устанавливать и поддержи­вать оптималь­ные режимы, давать оценку влияния ударного, раздавли­вающего и истирающего воздействий на процесс разрушения материала, оценивать степень влияния механики движения загрузки и инерционных сил на эффективность помола.

8.  Предложена методика и алгоритм расчета параметров каверны и длины свободного пробега кавитационных пузырьков, базирующаяся соответ­ственно на теореме об изменении кинетической энергии потока и уравне­нии динамики сферической каверны, позволившие определить опти­маль­ные размеры гидродинамических кавитационных диспергаторов, га­ран­ти­рующие предотвращение их эрозионного разрушения и обеспечи­ваю­щие максимальное разрушающее воздействие на измельчаемый мате­риал.

Практическая значимость работы. Предложен общий для всех объектов исследования инерционный фактор, позволяющий оценить влияние инерционных сил, а соответственно, и скоростного режима на дисперсность продукта. Научно обосновано создание новых более эффективных конструк­ций измельчителей, защищенных патентами Республики Беларусь. Разрабо­тан комплекс методов и алгоритмов расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров средне - и быстроходных измельчителей и диспергаторов кавитационного типа. Все методы апробированы при проектировании промышленных агрегатов, девять из которых внедрены в производство, два прошли промышленные испытания и ещё по двум разработаны технические проекты, переданные заказчику.

Апробация работы. Наиболее значимые результаты диссертационной работы, отражающие ее сущность, докладывались на следующих Междуна­родных научно-технических конференциях: «Высокие технологии и научно-технический прогресс в строительном ком­плексе Республики Беларусь» (г. Минск, 1999г.), «Интерстроймех-2002» (г. Могилев, 2002г.), «Новые технологии в химической промышленности» (г. Минск, 2002г.), «Архитек­турно-строительное материаловедение на рубеже веков (г. Белгород, 2002г.), «Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов» (г. Минск, 2003г.), «Центробежная техника – высокие технологии» (г. Минск, 2003г.), «Новые технологии рециклинга отходов производства и потребле­ния» (г. Минск, 2004г), «Центробежная техника – высокие технологии» (г. Минск, 2005г.), «Наука та технологіі: крок в майбутне» (г. Днепропетровск, 2007г.), «Научни дни-2008» (г. София, 2008г.), «Ресурсо - и энергосбе­регающие технологии и обору­дование, экологически безопасные техноло­гии» (г. Минск, 2008г.); “Moderni vymozenosti vedi - 2009” (Praha, 2008г.), “Настоящи изследвания - 2009” (София, 2008г.), “Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2009” (Przemysl, 2009г.), “Новейшие достижения в области импортозаме­щения в химической промышленности и производстве строительных материалов” (Минск, 2009г.), “Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии” (Минск, 2010 г.), 13 научно-технических конфе­ренциях БГТУ (гг.).

Опубликованность результатов диссертации. По теме диссерта­ции опубликованы 73 работы, в том числе 1 монография, 44 статьи (аннотированных ВАК России – 15, ВАК Беларуси – 14), материалы и тезисы 21 конференции, 7 описаний изобретений к патентам Республики Беларусь. Без соавторства опубликована 1 монография, 3 статьи, материалы 2 конференций.

Структура и объем работы. Диссертация (344 с) включает перечень условных обозначений, общую характеристику работы, основную часть, изложенную в 7 главах, заключение и библиографический список (27 с), состоящий из 275 использованных источников и 73 собственных публикаций соискателя. Приложение (32 с) содержит документы, подтверждающие практическое применение результатов исследований. Результаты исследований изложены на 198 с печатного текста и представлены на 144 иллюстрациях (130 с) и в 2 таблицах (2 с).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведены результаты анализа развития теорий разрушения и дезинтеграции. Установлено, что ни одна из них не ответила на главный вопрос о взаимосвязи между дисперсностью продукта и энергетикой процесса и не представила конкретных зависимостей для расчета энергозатрат в реальных измельчающих агрегатах. Практическая значимость этих теорий заключается в том, что проанализированы основ­ные стадии разрушения материалов, установлены факторы, влияющие на дисперсность продукта, определена доля энергии, затрачиваемая на каждой из стадий. Это позволило наметить пути снижения энергозатрат и выбрать рациональные способы воздействия, обеспечивающие это сниже­ние. Таковыми, например, для тонкого измельчения являются раздавли­вание и удар. Однако для процессов сверхтонкой дезинтеграции, доведения частиц до наноразмеров приходится прибегать к более затратному способу, такому как истирание.

С учетом современных тенденций развития техники и технологии дезинтеграции в качестве объектов исследования выбраны средне - и быстроходные измельчители и кавитационный диспергатор с закруткой потока, характеризующиеся значительным влиянием инерционных сил на разрушение материала. Разработана новая методология исследования и оптимизации параметров выбранных объектов, основанная на комп­лексном изучении движения рабочих органов, несущей среды и измельчаемого материала. Такой подход дает возможность определить величину и направление действия разрушающих усилий в момент контакта рабочего органа с измельчаемым материалом. Для учета влияния инерционных сил введен обобщающий инерционный фактор, представляющий собой отношение модуля векторной суммы всех инерционных сил к силе тяжести Φ=çç/G. C помощью этого фактора можно установить взаимосвязь между величиной сил и значением разрушающих напряжений. В результате определяется степень влияния инерционных сил как разрушающего фактора в объектах исследования при разных способах воздействия на материал в каждом из них. Для указанных объектов выбран обобщающий метод исследований – моделирование, который в комплексе с экспериментальными исследованиями призван обеспечить реализацию поставленной цели.

Во второй главе приводятся результаты теоретических и экспе­риментальных исследований среднеходных валковых мельниц. Скорость движения рабочих органов в них составляет несколько метров в секунду. Поэтому инерционные силы не настолько велики, чтобы создать в материале напряжения близкие к разрушающим. Его разрушение осуществляется за счет давления размольного валка. В свою очередь инерция является основной движущей силой при транспортировке материала во всех зонах измельчающего агрегата. Траектория и скорость движения материала на подходе к валку существенно влияют на его раздавливающую способность, а на выходе с тарелки – на условия сепарации частиц. Кроме того, эффективность измельчения, энергетика процесса зависят от кратности циркуляции материала по замкнутому контуру, которая непосредственно связана со скоростью его движения. Всё это свидетельствует о необходимости исследования движения частиц материала в различных зонах среднеходной мельницы.

Первая стадия исследований заключалась в моделировании движе­ния материальных потоков в зоне измельчения. В центре тарелки, куда подается подлежащий измельчению материал, образуется слой опреде­ленной толщины, закономерности движения которого описываются урав­нениями механики сыпучей среды. В частности профиль распределения сыпучего материала по вращающейся тарелке определялся с использованием модели Мизонова-Михеева по уравнению:

(1)

где z – осевая координата, м; f0 – коэффициент внутреннего трения мате­риала; ω – угловая скорость тарелки, рад/с; r – текущий радиус, м; r0 – предельный радиус равновесия (r0 = f0g/w2), м.

Расчет проводился до значения осевой координаты равной среднему размеру загружаемых в мельницу кусков, что соответствует их распре­деле­нию в виде монослоя. Дальнейшее перемещение измель­чаемого материала по тарелке рассматривалось как движение одиночных частиц, рисунок 1. Составлены уравнения относительного движения частиц в подвижной по­лярной системе координат. С учетом инерционных кориолисовой и цен­тробежной сил, силы трения материала по тарелке и впервые учтенной силы трения между частицами получили уравнения движения (2).

(2)

где r; φ – текущие координаты частицы в полярной системе; ω – угловая скорость тарелки (скорость переносного движения), рад/с; f – коэффициент трения частиц о тарелку; f1 – коэффициент взаимного трения между частицами.

Решение этой системы уравнений численными методами позволило реализовать две важные задачи. Во-первых, определить скорость и траек­торию движения частицы на выходе с тарелки. Во-вторых, установить оптимальный диапазон частот вращения тарелки из условия гаран­тированного попадания материала под размольные валки. Это условие заключается в том, что радиальное перемещение частиц материала за время t = 1/zn, где n – частота вращения тарелки, мин-1, z – количество валков, не должно превышать ширины валка Δr £ B. Инерционный фактор при движении по тарелке изменялся в пределах Φ=2¸10.

На выходе с вращающейся тарелки измельченный материал подхва­тывается воздухом и выносится в сепарационную зону. Здесь важно не допустить соприкосновения частиц со стенками корпуса над кольцевым зазором. В противном случае будет наблюдаться провал материала под тарелку. Поэтому возникла необходимость изучения траектории движения частиц материала под воздействием газового потока. Причем для обес­печения равномерного распределения воздуха в кольцевом зазоре он по­давался в корпус мельницы тангенциально, приобретая при этом форму закрученного потока. Движение частиц в таком потоке характеризуется тремя составляющими: радиальной – ur, тангенциальной – uj и осевой – uz.

В проекциях на оси цилиндрической системы координат уравнения движения твердых частиц в закрученном потоке примут вид:

(3)

где m – масса частицы; R – текущий радиус; G – сила тяжести частицы; Fr, Fφ, Fz – проекции силы аэродинамического воздействия на оси цилиндри­ческой системы координат.

Сила аэродинамического воздействия воздуха определялась по следующей формуле:

(4)

где ui − скорость воздушного потока в данной точке кольцевого зазора, м/с; r – плотность воздуха, кг/м3; d –диаметр частицы, м; kф – коэффициент формы частицы.

Так как объемная концентрация твердой фазы в потоке с≤0,02, то коэффициент аэродинамического сопротивления рассчитывался по формуле: ξ = 24(1+0.17 Re 2/3) / Re.

Величину скорости газового потока в зоне кольцевого зазора опре­делили экспериментально с помощью трехканального зонда. Экспери­ментальные данные аппроксимированы выражениями:

(5)

Решая систему уравнений (3) численными методами с помощью ЭВМ и с учетом уравнений (5), определили значения координат и составляющих скорости движения измельченных частиц в сепарационной зоне. Координаты местонахождения частиц в газовом потоке стали от­правным пунктом для расчета и конструирования сепарационного устрой­ства, предотвращающего возможные их соприкосновения со стенками кор­пуса с последующим провалом под тарелку. Это устройство представляет собой усеченный конус с тороидальным кольцом в верхней части.

Важным параметром для среднеходных мельниц, как и для других, являются удельные энергозатраты на проведение процесса измельчения. В тех немногочисленных работах, в которых исследовались энергозатраты для указанных агрегатов, не сделано даже попытки связать их с теорети­ческими аспектами разрушения и дезинтеграции.

Для оценки работы разрушения автором использовалось уравнение Ребиндера, которое имеет вид:

, (6)

где σ, Е – предел прочности и мо­дуль упругости материала, Па; kВ - кратность воздействия; ωS – удель­ная поверхностная энергия, Дж/м2; Sн, S - начальная и текущая поверх­ности измельчаемого материала, м2.

Представим процесс разруше­ния материала между валком и та­релкой как многоцикловой, при ко­тором кубики размером y1 постепенно уменьшаются до yп. Тогда кратность воздействия определяется количеством кубиков, разместившихся между плоскостью тарелки (ось х) от x1 до xn и дугой АВ1 окружности валка.

Координаты любой точки соприкосновения определяются по формулам xi = Rsinji; yi = R − Rcosji. При этом должно выпол­няться условие xi − xi+1 = yi+1. Для любой последующей точки контакта можно записать:

. (7)

Рассчитав таким образом поверхность при каждом цикле воздей­ствия, определим конечную поверхность Sn, соответствующую yn, и опре­делим работу разрушения по уравнению (6).

Полная работа за один оборот

. (8)

где Rт – радиус беговой дорожки тарелки; R – радиус валка, м.

Мощность, затрачиваемая на измельчение , где n – частота вращения тарелки, z – количество валков. Экспериментальная проверка показала хорошую схо­димость с результатами расчета мощности по предлагаемой методике.

Второй важной составляющей общих энергозатрат в мельнице дан­ного типа являются затраты на пневмотранспорт измельченного продукта, которые зависят прежде всего от гидравлического сопротив­ления всего агрегата вместе с сепара­тором. Экспериментально определено гидрав­лическое сопротивление в за­висимости от скорости газа на полное сечение мельницы и угла установки лопастей проходного сепаратора. Установлено, что в опти­маль­ном скорост­ном режиме и угле открытия лопастей 20−30˚ гидравли­ческое сопротивление мель­ницы не превыша­ет 1000 Па и энергозатраты на пневмо­тран­спорт втрое меньше чем на разру­шение материала валками. Общие энерго­затраты без учета системы ас­пи­рации и подачи материала в мель­ницу не превы­шают 10 кВт · ч/т, что сопоставимо с зафиксированными в промыш­ленных усло­виях.

Одновременно с энергозат­рата­ми оценивалась и эффек­тив­ность измельчения по величине удельной поверхности. Прием­ле­мую для производствен­ных усло­вий удельную поверхность 2500–3500 см2/г можно получить при угле установки лопастей 30–35º. Но с уменьшением угла удельная по­верхность может быть дове­дена до 5000–6000 см2/г.

Важным для среднеходных мель­ниц, работающих в замкнутом цикле, является оптимизация пара­метров этого цикла: степени измель­чения, эффективности се­парации, кратности циркуляции материала, производи-тельности мель­ниц и др. В работе предложена схема замкнутого цикла (рису-нок 3) и ее математическое описание. Согласно данной схемы эффективность сепарации Е = С2 / С2 + С3, где С2 – доля циркулирующей загрузки, С3 – доля крупной фракции в готовом продукте.

Для определения степени измельчения с учетом эффективности сепарации получено уравнение:

(9)

Таким образом, получена зависимость целевой функции i в явном виде от пяти параметров. Задача решена методами нелинейного програм­мирования и установлены оптимальные параметры для достижения максимальной степени измельчения.

Однако степень измельчения − это качественный показатель, и его недос­таточно для проведения полного анализа работы мельницы. Необхо­дим учет количественных показателей, главным из которых является производи­тельность. Для расчета производительности среднеходной валковой мельницы можно использовать следующую зависимость:

, (10)

где kц – кратность циркуляции; uв – окружная скорость валка, м/с; B – ширина валка, м; h – толщина слоя материала под валком, м; r – плотность материала, кг/м3; z – число валков.

Кратность циркуляции можно определить исходя из общего количес­тва циклов воздействия на материал до его полного разрушения. Это коли­чество циклов k определяется по следующей формуле: k = 3∙lg(i) / lg(a), где а –объемная степень измельчения при однократном воздействии. В свою очередь, для среднеходной валковой мельницы общее коли­чество циклов равно k = kц · kв, где kв – количество циклов воздействия валка на материал за один проход его по тарелке мельницы. С точки зрения оптимизации по разработанной схеме, все параметры, кроме кратности циркуляции, можно считать постоянными величинами. Обоз­начим их константой Y, и окончательно формула для производитель­ности примет вид

. (11)

Апробация предложенного метода проведена для оптимизации пара­метров полупромышленной валковой мельницы. При решении поставленной задачи с помощью ЭВМ была найдена максимальная производительность Qм = 370 кг/ч помольного агрегата при оптимальном значении кратности циркуляции kц = 6. При этом степень измельчения достигала i = 70.

Третья глава посвящена изучению процесса измельчения в мельнице ударного действия дезинтеграторного типа. Проведена оценка разрушающей способности по величине инерционного фактора. Разрушение материала в слу­чае прямого удара начнется при Φ≥50, что говорит о значительно большем влиянии инерционных сил на процесс измельчения в мельницах ударного действия по сравнению со среднеходными. Эффективное измельчение происходит при Φ≥180, а для механической активации его значение должно быть Φ≥300.

Определены преимущества много­рядного бильного измельчителя перед другими ударными мельницами и наме­чены направления его исполь­зо­вания. Одним из них является механи­ческая ак­ти­вация, в частности вяжу­щих веществ. Проведена обработка це­мен­та мар­ки М400 в дисмем­браторе, по­ка­зав­шая увеличение удельной по­вер­хности цемента с 2500 см2/г до 4700 см2/г. Об­раз­цы, сформован­ные из активирован­ного цемента, показали уве­личение проч­ности на 30−35% во все сроки твердения. При достижении равнопрочности образцов расход активированного цемента на 15% ниже чем обычного.

Наряду с механической активацией мельницы ударного действия мо­гут использоваться для измельчения материалов органического проис­хо­жде­ния. В связи с этим были проведены исследования по измельчению бетаи­на гидрохлорида, используемого в производстве медпрепаратов. При одно­крат­ном прохождении че­рез дисмембратор исходный про­дукт, характеризуемый со­дер­­жанием частиц размером 2 мм более 50% и удельной по­верхностью 350−400 см2/г, до­ве­­ден до дисперсности с R200 < 20% и удель­ной повер­хности 1500−1600 см2/г. Опти­мальная скорость вращения ро­тора при этом состав­ляла 45−50 м/с, рисунок 4. Проведенные опыты подтвердили возмож­ность ис­пользования дисмем­бра­­тора для помола бетаина гидро­хлорида, но одновременно обна­жили проблемные стороны обра­ботки материалов в дисмембраторе, которые ха­рактерны и для других измельчителей ударного действия. Выяснилось, что за один проход даже при доста­точ­но высокой ско­рости вра­щения ротора дис­пер­сность продукта не очень вы­со­ка. Решение указан­ной пробле­мы возможно при организации замкнутого цикла работы дис­мем­братора.

В связи с этим пред­ложено две конструкции дисмембраторов, защищенных патен­тами Республики Беларусь, с ко­мпактным встроенным клас­сифи­катором. Пробные опыты по измельчению материала отмечены устойчивой работой дисмембратора с классифицирующей камерой в широком диапазоне скоростей и значительным увеличением удельной поверхности готового продукта.

При загрузке материала в дисмембратор в виде аэросмеси существенно возрастает скорость его движения в загрузочном патрубке и в предпальцевом пространстве, что сопровождается значительным инерционным воздействием. Это приводит к неравномерности распределения материала в межпальцевом пространстве и как следствие к снижению эффективности измельчения и производительности. Для управления процессом измельчения возникла необходимость в разработке методики определения коэффициента загрузки. С целью реализации указанной задачи составлены математические модели движения частиц в загрузочном патрубке (12) и в предпальцевом пространстве. Сила аэро­динамического воздействия определялась по формуле (4) как и в среднеходных мельницах. Специфика движения материала в дезин­тег­ра­торе от­личается его значительно большей концентрацией в воз­душном пото­ке, кото­рая учтена путем изменения коэффициента аэро­динамического сопро­тив­ления.

Определенные в результате решения системы уравнений (12) ско­рости и ускорения частиц яви­лись на­чальными условиями для рас­чета их распределения в предпальцевом пространстве, математи­ческая мо­дель для которого подобна предыдущей. Отличие заключается в том, что движение рассмат­ривается в одной плоскости Оxy и не учитывается сила трения.

(12)

;

,

где u, u - скорости воздуха и частиц соответственно; ρВ ρм – плотность воздуха и материала; ν – кинематическая вязкость воздуха; kф – коэффи­циент формы; d – диаметр частиц; с1 – концентрация твердой фазы; α – угол наклона загрузочного патрубка; ξ1 – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Последовательный расчет по двум указанным зонам дал воз­мож­ность определить распреде­ление час­тиц исходного продук­та в меж­паль­цевое прост­ран­ство. На рисунке 5 показано распре­де­ление частиц размером более 82,8 мкм при час­тоте вращения 6000 мин-1.

Коэффициент загрузки kзагр = θ / 360, где θ – сектор ротора, заполненный материалом. Итого­вая фор­мула для опре­деления производительности выглядит следующим образом:

Q = kзагрс2r[plpd(Dн − d)−lpSk]n (13)

Адекватность модели подтверждена экспериментально

В четвертой главе при­ведены результаты ана­литических исследований дви­жения мелющих тел и материала в скоростной центробежно-шаровой мельнице. Характерным признаком этих мель­ниц является наличие быстро вра­щающегося вертикального ро­тора. За счет этого измель­чающие тела и материал вовле­чены в интенсивное движе­ние в верти­кальной плос­кости. Таким образом, шаровая мельница прев­ращается в быстро­ходную, и определяющее влияние на специ­фику движения загрузки и на разрушающее воздействие ока­зывают инерционные силы.