Конструкции пневматических елассификаторов

Условно пневмоклассификацию можно разбить на следующие методы:

1) центробежная классификация под действием центробежных сил инерции и сил аэродинамического сопротивления;

2) гравитационная классификация под действием сил тяжести и аэродинамического сопротивления;

3) классификация в силовых полях (электростатических, магнитных и др.).

Наибольшее распространение получили первые два способа, т.к. они проще, экономичнее, обладают высокой эффективностью и не ограничены наличием специальных свойств материала (проводимости, намагничивания и др.). Среди специалистов в области классификации обычно считается, что гравитационные классификаторы целесообразно применять в области границ разделения 100-3000 мкм. Однако нами проведенные исследования показали возможность успешного их применения для границ до 60-40 мкм /1/. Поэтому остановимся сначала подробнее на рассмотрении гравитационных классификаторов.

В /2/ гравитационные сепараторы разделяются на следующие группы:

1) поперечно-поточные (отклоняющие);

2) поворотные (метательные);

3) противоточные (равновесные);

4) каскадные.

Наиболее прогрессивными среди них являются каскадные аппараты. Они представляют собой одну или ряд вертикальных шахт, состоящих из последовательных разделительных элементов - секций. Внутри каждой секции устанавливаются различного рода вставки - пересыпные элементы. Число секций, как правило, не превышает 10. Подача материала может осуществляться в любую секцию (чаще всего в одну из средних). Такая конструкция позволяет организовать многократную перечистку мелкого и крупного продуктов, способствует интенсификации процесса разделения и обеспечивает высокую эффективность разделения до 80-85 % при большой удельной нагрузке 20 т/ч*м², расходной концентрации материала m=4-5 кг/м³ и малых габаритных размерах (так, например, аппарат на Балашейском ГОКе для разделения формовочных песков по границе 80-100 мкм при производительности 20 т/ч имеет поперечное сечение 1,9*0,4 м и остроту сепарации 75 %).

Совершенствование конструкций каскадных классификаторов идет по пути поиска и разработки более эффективных вставок. Главная задача при этом - создание элементов, обеспечивающих высокую эффективность разделения при повышенных расходных концентрациях материала m > 2 кг/м³. При увеличении рабочей концентрации материала во столько же раз повышается производительность аппарата, снижается требуемый расход воздуха и энергозатраты. Рассмотрим ряд гравитационных аппаратов с разными конструкциями вставок.

Хорошо зарекомендовал себя на практике каскадный классификатор с пересыпными полками (рис. 2.1, а). Назначение пересыпных полок - отвод разделяемого материала от стенок шахты в ядро потока, периодическое возмущение потока, организация надполочных вихрей. Эта конструкция подробно описана и исследована в /2/. На базе данного классификатора разработано множество модификаций различных полочных аппаратов. Это сепаратор с перфорированными полками (цель перфорации - организация диспергирования и разделения на полке, выравнивание скоростей потока), аппарат с увеличивающимся к верхней части шахты сечением (рис. 2.1, в), в секциях которого также установлены полки /3/, сепаратор с полками и угольниками (рис. 2.1, г) /4/ и т.д. Данные классификаторы позволят надежно решать широкий круг производственных задач и имеют остроту разделения 70 % при рабочей концентрации материала 2 кг/м³. Производительность их (как и всех одно-шахтных) обычно не более 5 т/ч, а диапазон границ разделения - 80-3000 мкм.

Организовать отвод материала от стенок аппарата можно и другим способом - специальной формой канала. Примером тому служит сепаратор "Зигзаг" (рис. 2.1, б) /5/, который также имеет множество модификаций. Однако сравнительные испытания показывают /3/, что данный аппарат уступает полочному по эффективности разделения.

Рассмотренные устройства имеют общий недостаток - отвод материала осуществляется только от двух противоположных стенок шахты, то есть полностью не устранено негативное влияние пристенного слоя, в котором мелкие частицы могут осаждаться в крупный продукт и загрязнять его. Кроме того, в данных аппаратах имеет место неравномерность профиля эпюры скоростей воздушного потока и, как следствие, неравномерность поля концентрации по сечению шахты, что также ограничивает остроту разделения.

В поликаскадном классификаторе с кольцевыми вставками (рис. 2.2, в) /6/ реализуется идея использования структуры потока - осуществляется отвод материала от стенок шахты по всему ее периметру в ядро потока, т.е. в область относительно постоянных скоростей (рис. 2.2, а). Причем в процессе пересыпки по кольцам материал многократно провеивается воздушным потоком, проходящим через зазоры между ними. Этот аппарат имеет эффективность разделения 80-85 % при m=2 кг/м³ и позволяет решать очень сложные производственные задачи /3/. Однако он имеет ряд недостатков. При увеличении нагрузки свыше 2 кг/м³ и при уменьшении границы разделения ниже 300 мкм острота сепарации резко падает. Причины этих явлений исследованы и объяснены в /7/. Таким образом, поликаскадный классификатор не рекомендуется использовать для решения поставленной задачи.

Идея целенаправленного активного воздействия на структуру потока положена в основу конструкции классификатора с наборными радиальными решетками (рис. 2.2, б) /8/. Решетки предназначены для выравнивания профиля эпюры скоростей воздушного потока и, тем самым, уменьшения отрицательного влияния пристенного слоя. Кроме того, они позволяют выровнять поле концентраций материала по объему классификатора, что положительно влияет на процесс разделения. Рассматриваемый аппарат менее чувствителен к изменению концентрации материала и границы разделения, чем поликаскадный, однако в нем полностью не устраняется влияние пристенного слоя.

Поликаскадный классификатор с радиальными решетками (рис. 2.2, г) /9/ совмещает преимущества двух предыдущих аппаратов, используя обе заложенные идеи. Два последних классификатора исследовались в работе /7/.

Каскадный классификатор /10/ с установленными в шахматном порядке под нижним обрезом полок стержнями (рис. 2.3, а) реализует эффект выравнивания потока сплошной и дискретной среды по сечению аппарата и организации дополнительного провеивания материала при его пересыпании в стержневом элементе. Это позволяет увеличить рабочую концентрацию материала и обеспечить эффективность разделения 60 % при m=4,5 кг/м³. Аппарат целесообразно применять для решения тех задач, когда не требуется повышенная эффективность разделения, но необходима высокая производительность при небольших габаритах.

Пневматический классификатор с расширенным сечением в средней части шахты и организованным подводом и отводом дополнительного воздуха (рис. 2.3, б) /11/ реализует идею выравнивания концентрации по высоте аппарата. Эксперименты /7/ и исследования математической модели каскадного аппарата /12/ свидетельствуют о том, что максимальная концентрация материала должна быть в средних секциях (у секции питания). Она может превышать концентрацию материала в верхних и нижних секциях более чем в 10 раз. Такое распределение нагрузки по высоте аппарата отрицательно влияет на эффективность по двум причинам: средние секции аппарата вследствие повышенной концентрации имеют более низкую разделяющую способность и, кроме того, разделение в них осуществляется по более тонкой границе, так как известно, что повышении концентрации приводит к уменьшению границы разделения /1/. Устранить эти недостатки (т.е. обеспечить работу всех секций в одинаковом режиме) - главная идея данной конструкции. Однако этот аппарат достаточно сложен.

Гравитационный пневматический классификатор с пересыпными кольцевыми элементами и вращающимися решетками (рис. 2.3, в) /13/ обладает теми же положительными эффектами, что и поликаскадный аппарат с радиальными решетками, однако разделяющее воздействие в нем усилено. Вероятность столкновения частиц с решеткой тем больше, чем больше размер частиц и меньше их скорость. Поэтому крупные и частицы, загрязняющие мелкий продукт имеют в данной конструкции меньшую вероятность выхода вверх, так как они чаще сталкиваются с вращающейся решеткой, гасят свою скорость и отбрасываются к стенке аппарата. Изменяя обороты вращения решетки, можно влиять на вероятность столкновения частиц с решетками и подобрать оптимальный режим для данной скорости воздушного потока и границы разделения. Тонкие частицы имеют большую скорость движения и должны реже сталкиваться с решеткой, кроме того, после случайного столкновения они должны быстро восстановить скорость вследствие малой инерционности. Организация такого дополнительного разделяющего воздействия позволила увеличить эффективность до 85-87 %. Однако, как показали проведенные в работе /14,15/ исследования оптимальный диапазон границ разделения лежит в пределах 250-350 мкм, и сдвинуть его в область более тонких границ за счет изменения скорости вращения решетки или воздушного потока не удается.

Данного недостатка лишен гравитационно-центробежный классификатор /19/ (рис. 2.3, г), в котором закручивающие пересыпные элементы выполнены из набора радиально установленных лопастей в виде сектора круга. Угол наклона лопастей, а, следовательно, и интенсивность закрутки потока регулируются, что позволяет настраивать классификатор на любую границу разделения в диапазоне от 40 мкм до 2 мм. В пневматическом классификаторе /20/ качество разделения по сравнению с предыдущей конструкцией улучшено за счет установки вертикальных ребер. Они отбрасывают материал к центру секции и увеличивают тем самым кратность воздействия центробежных сил. Данный аппарат является наиболее эффективным среди колонных сепараторов и обеспечивает остроту разделения до 80-85 %.Он запатентован в ФРГ, Великобритании, Японии, Франции и других промышленно-развитых странах.

Рассмотрим еще несколько классификаторов, в которых предпринят поиск конструкций разделительных элементов с целью увеличения эффективности разделения отдельных секций и всего аппарата в целом. Ряд конструкций представлен на рис. 2.4 и 2.5.

На рис. 2.4,а приведена схема гравитационного классификатора с поликаскадными полками /16/. В его основу положен принцип поликаскадности, т.е. организации многократной перечистки, пересыпки и провеивания на самом элементе. Благодаря тому, что полки имеют продольные зазоры и установлены параллельно, друг над другом с перекрытием этих зазоров материал имеет возможность интенсивного провеивания на самих элементах. Это позволяет в отличие от полочного классификатора полнее использовать весь объем секций и улучшить качество разделения.

Известно, что в полочном классификаторе процесс разделения происходит наиболее интенсивно в момент провеивания материала при его сходе с полки. Идея увеличения длины граней полки и усиления тем самым указанного эффекта, а также отвод материала от всех стенок, заложена в конструкциях классификаторов представленных на рис. 2.4,б и 2.4,г /17/. Отмеченные эффекты достигнуты за счет треугольной формы полки и поворота каждой секции относительно предыдущей на 90.

Гравитационной пневматический классификатор с полками, установленными на одном уровне и снабженными прямоугольными отверстиями, расположенными в шахматном порядке /18/, рис. 2.4,в, также реализует идею более полного использования объема секции за счет увеличения длины граней и равномерного распределения твердой фазы.

На фотографиях рис. 2.6 приведены траектории движения частиц в полочных классификаторах, которые иллюстрируют описанные эффекты. Так, в полочном классификаторе (рис. 2.6,а) основной акт разделения происходит в зоне между стенкой классификатора нижним обрезом полки. Граничные частицы двигаются горизонтально от обреза полки до противоположной стенки и затем разделяются на два потока - вверх и вниз и извлекаются в крупный и мелкий продукты на 50%. Тонкие частицы в основной зоне сепарации отклоняются вверх, а крупные вниз. В классификаторах с шахматными и треугольными полками, как свидетельствуют фотографии (рис. 2.6,б и 2.6,в), используется более полно весь объем секций.

Среди современных аппаратов можно выделить группу комбинированных каскадных классификаторов. Комбинированный каскад представляет собой ряд шахт (каскадных классификаторов) определенным образом связанных между собой. Эти аппараты несколько сложнее обычных, но обладают большими возможностями. До недавнего времени не было общей методики их расчета. В литературе можно было найти лишь отдельные отрывочные сведения по некоторым конструкциям. С выходом работ /1,15/, где содержится постановка задачи и разработаны методы расчета и определения оптимальной структуры взаимосвязей стало возможным ликвидировать этот пробел. В настоящее время наибольшее распространение среди аппаратов данной группы получили классификаторы, состоящие из вертикальных сепарационных шахт установленных над наклонной перфорированной решеткой. В них реализуется последовательная перечистка крупного продукта (например, /21,22,23,24/, см. рис. 2.5). Такие аппараты вследствие большего поперечного сечения обладают высокой производительностью (до 100 т/час) и вследствие многократной перечистки высокой эффективностью. Аппарат /22/ исследован в работах /1,24/ и с успехом применяется для обеспыливания мелкозернистого хлористого калия на ПО "Уралкалий".

В последние годы в Уральском политехническом институте был разработан ряд новых конструкций сепараторов данной группы. Рассмотрим некоторые из них.

В пневматическом классификаторе /25/ на наклонной перфорированной решетке установлены поворотные пластины. Их назначение - выравнивание концентрации по сепарационным шахтам за счет увеличения времени пребывания материала на решетке под соответствующими шахтами.

Гравитационный пневматический классификатор /26/ снабжен установленными в выходном коллекторе закручивающими элементами. Закручивающие элементы за счет центробежной силы возвращают наиболее крупные частицы на дополнительную перечистку в предыдущие сепарационные шахты. При этом реализуется более эффективная структура взаимосвязей комбинированного каскада, что позволяет увеличить эффективность разделения.

Пневматический гравитационный классификатор сыпучих материалов /27/ содержит специальное устройство для подачи исходного материала в центральную часть сепарационных шахт. Известно (из экспериментальных исследований и анализа математической модели обыкновенного каскада), что центральный ввод материала позволяет получить более высокую эффективность, чем нижний.

Гравитационный классификатор /28/ имеет наклонную перфорированную решетку со специальными колодцами, в которых реализуется режим фонтанирующего слоя. Это приводит к более интенсивному взаимодействию частиц материала между собой, а значит более качественной очистки поверхности зерен. Данный аппарат применяется для сухого обогащения песка за счет оттирки поверхности зерен и удаления глинистой составляющей.

В гравитационном пневматическом классификаторе /29/ заложена другая идея, использующая структуру потоков частиц материала в аппарате. На рис. 2.7 приведена схема движения частиц материала в полочном многорядном классификаторе из которой видно, что мелкие частицы в пространстве между обрезом полки и стенкой шахты уносятся воздушным вихрем вверх, крупные частицы осаждаются вниз и попадают на нижнюю полку, а средний (приграничный, трудно разделяемый) класс частиц движется от нижнего обреза полки горизонтально до противоположной стенки, где делится на два потока. Поэтому в стенках классификатора сделаны щели. Они способствуют возврату трудно разделяемого приграничного класса на дополнительную перечистку в предыдущую шахту. Это позволяет увеличить эффективность классификации.

Гравитационный классификатор /30/ типа "лабиринт" реализует идею увеличения времени пребывания материала в аппарате, а значит и времени разделяющего воздействия воздушного потока на частицы. Достигается это тем, что решетка выполнена в виде лабиринта, и поток материала периодически разворачивается на 180, тормозится, а значит увеличивать время пребывания материала в рабочей зоне. Данный аппарат с успехом эксплуатируется на Балашейском ГОКе для разделения формовочных песков. Он имеет высокую эффективность при небольших габаритах и высокой концентрации материала (граница разделения около 100 мкм, производительность 20 т/ч) имеет поперечное сечение 1,90,4 м и остроту сепарации 75 % при расходной концентрации материала от 4 до 5 кг/м³.

Классификатор порошкообразных материалов /31/, запатентованный во Франции, имеет переливные пороги, установленные на перфорированной решетке. Их назначение - снизить скорость движения материала по решетке и выровнять концентрацию материала в сепарационных шахтах. Гравитационный сепаратор /32,33/, запатентованный во Франции и Италии, имеет несколько решеток, установленных друг над другом. Причем, решетки имеют различное живое сечение. Такая конструкция аппарата позволяет получить высокую эффективность при повышенных расходных концентрациях материала.

Поперечно-поточные классификаторы применяются обычно для разделения крупнозернистых материалов, содержащих частицы размером до 20-30 мм. Особенно успешно они используются в строительной промышленности для обеспыливания песков и щебней, могут быть полезны так же в процессах предварительной подготовки сырья, например, для обогащения руды. Основным элементом этих классификаторов является наклонная жалюзийная решетка. По направлению движения воздушного потока относительно решетки и материала поперечно-поточные сепараторы подразделяются на две группы: с прямым и обратным подводом воздушного потока.

В классификаторах первой группы воздушный поток проходит сначала сквозь решетку, а затем сквозь слой материала - т.е. как в рассмотренных ранее комбинированных аппаратах. Такие сепараторы разработаны достаточно давно, имеют множество модификаций и широко применяются в промышленности. К подобным устройствам относится, например, классификатор для разделения материала на несколько фракций /34/, которые осаждаются в отдельные бункера, расположенные последовательно по длине сепарационной камеры.

Классификатор с наклонной жалюзийной решеткой /35/ с целью выравнивания расходной концентрации материала по высоте и ширине решетки имеет трапециевидную форму решетки и установленные на ней пересыпные угольники. Этот аппарат был внедрен на Чилисайском фосфоритном руднике для отделения пустой породы (песка) от фосфоритной руды по границе разделения 1 мм. Однако данные аппараты недостаточно эффективны и не рекомендуются для решения поставленной задачи.

Классификаторы второй группы по сравнению с первой имеют важное преимущество - они не требуют герметизации загрузочно-разгрузочных узлов, т. к. разделяемый материал подается на наружную поверхность решетки и воздушный поток сначала пересекает слой материала, а затем сквозь решетку вместе с мелкой фракцией попадает внутрь аппарата. Таким образом, процесс разделения исходит снаружи и может быть наблюдаем визуально, что очень важно, например, при работе с влажными карьерными материалами, склонными к налипанию. Рассмотрим подробно несколько конструкций данных аппаратов.

В классификаторе с жалюзийной решеткой, снабженной осадительными пластинами и вибраторами (рис. 2.8) /36/, качественное разделение обеспечивается за счет организации перечистки мелкого продукта и устранения налипания материала на рабочие поверхности. Жалюзийная решетка 1 и ограждающие ее с боков продольные пластины 2 крепятся к корпусу классификатора на пружинных опорах 3. К внутренней стороне решетки 1 под углом к горизонту присоединены осадительные пластины 4, на которых установлены вибраторы 5, сообщающие колебательное движение решетке 1 и пластинам 4. Исходный материал подается на верхнюю часть решетки 1 и, пересыпаясь по ее полкам вниз, продувается горизонтальным потоком воздуха. Мелкая фракция увлекается воздушным потоком в осадительную камеру 6, где крупные частицы осаждаются на пластины 4 и возвращаются на внешнюю рабочую поверхность решетки 1, а мелкие попадают в сборный бункер камеры 6, или транспортируются потоком в пылеуловитель. Вибраторы 5 препятствуют налипанию влажного материала на решетку 1, пластины 4 и способствуют его дезагрегации. Аппарат данного типа производительностью 80 т/ч был внедрен на карьере "Фетешты" в Молдавии для обеспыливания влажных отсевов дробления известняка и показал хорошие результаты /37/.

Воздушный сепаратор для фракционирования и обогащения сыпучих материалов (рис. 2.9) /38/, реализует идею повышения эффективности разделения влажных материалов путем их предварительного диспергирования и аэрирования. Для этого над разделительной камерой 1 классификатора установлена шахта 2, на одной стенке которой расположены направленные внутрь шахты 2 щелевые сопла 3, а на противоположной стенке отражательные элементы 4 в виде треугольных призм. Сопла 3 через воздуховод 5 и камеру 6 соединены с напорным патрубком вентилятора 7. Разделительная камера 1 снабжена жалюзийной решеткой 8 и соединена воздуховодом 9 с всасывающим патрубком вентилятора 7. Поступающий из бункера 10 в шахту 2 исходный материал движется вниз по зигзагообразному каналу, испытывая многократное воздействие воздушных струй, истекающих из сопел 3, и соударение с гранями призм 4. Затем диспергированный и аэрированный материал поступает в камеру разделения 1, где на решетке 8 разделяется на фракции в горизонтальном воздушном потоке. Соотношение расходов воздуха через камеру 1 и сопла 3 зависит от свойств исходного материала, границы разделения и регулируется вентилем 11 и заслонкой 12.

На рис. 2.10 изображен классификатор с трубчатыми решетками /39/. В этом аппарате положительный эффект достигается за счет интенсивного разрушения агрегатов из слипшихся частиц струями сжатого воздуха и совмещения процесса дезагрегации с непрерывной пневматической классификацией. Сепаратор включает в себя камеру разделения 1, две противоположные стенки которой выполнены в виде наклонных параллельных решеток 2. Со стороны внутренней решетки 2 камера разделения 1 соединена с осадительной камерой 3, пылеуловителем и вентилятором. Сами решетки 2 собраны из поворачивающихся вокруг продольных осей патрубков 4 с соплами 5, которые ориентированы внутрь камеры разделения 1. Сопла 5 расположены по высоте решеток в шахматном порядке. Посредством воздуховодов 6 высокого давления с вентилями 7 патрубки 4 обеих решеток 2 соединены с источником сжатого воздуха 8. Исходный материал подается в камеру разделения 1 из бункера 9 сверху и, подвергаясь многократному действию высокоскоростных струй, истекающих из сопел 5, дезагрегируется. Мелкие частицы увлекаются основным горизонтальным потоком в осадительную камеру 3 и пылеуловитель, а крупные разгружаются из аппарата через бункер 10. Интенсивность дезагрегации регулируется изменением скорости истечения струй и угла их наклона к горизонту.

Конструкции пневматических гравитационных классификаторов

а) б) в) г)

Рис. 2.1.

а) б) в) г)

Рис. 2.2.

а) б) в) г)

Рис. 2.3.

а) б) в) г)

Рис. 2.4.

Рис. 2.5. Конструкция многорядного комбинированного

классификатора

а) б) в)

Фотографии траекторий движения частиц в гравитационных классификаторах с различными пересыпными элементами

Схема движения частиц материала в каскадном

многорядном классификаторе

Рис. 2.7.

Рис. 2.8. Поперечно-поточный классификатор с вибрирующей решеткой

Рис. 2.9. Поперечно-поточный классификатор с камерой

аэрирования

Дата добавления: 2015-10-02