Сепаратори та класифікатори

37

Міністерство освіти та науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра будівельних, дорожніх, меліоративних машин

Сепаратори та класифікатори

Виконав:

Студент 3-го курсу МЕФ

Групи ОХВ-31

Дмитрук І.М.

Перевірив:

Науменко Ю.В.

Рівне - 2006 р.

1. Повітряні циркуляційні сепаратори

Для отримання цементу більш вузького гранулометричного складу з підвищеним вмістом тонких фракцій відповідно до вимог, що пред'являються в даний час до якості цементу, перекладають цементні млини на роботу в замкнутому циклі з сепараторами. Застосування повітряних сепараторів дозволяє підвищити продуктивність розмельного агрегату на 25--50% і понизити питомі енерговитрати па 10--20%. При цьому виграш в продуктивності і енерговитратах тим більше, чим вище тонкість помелу готового продукту.

Явні переваги сепараторного помелу зумовили широке розповсюдження сепараторів на цементних заводах США і деяких країн Західної Європи. Останніми роками сепараторний помел інтенсивно упроваджується і на вітчизняних цементних заводах.

Млини для помелу клінкеру великої продуктивності проектують і встановлюють на цементних заводах в більшості випадків з повітряними сепараторами продуктивністю від 40 до 90 т/год готового цементу з питомою поверхнею не менше 3500 см²/г.

За рубежем переважне розповсюдження в установках з подрібненнями високої продуктивності отримали повітряні сепаратори із замкнутою циркуляцією повітря, звані циркуляційними.

В апаратах цього типу утворюється пилоповітряна суміш. Під дією сил (гравітаційної, відцентрової, інерції, тертя) з суміші виділяється груба фракція і осідає тонка фракція. По методу розділення в основній зоні сепарації їх можна умовно розбити на дві групи.

До першої групи відносять сепараторів, в яких розділення матеріалу відбувається під дією відцентрової сили, направленої перпендикулярно або під кутом до напряму руху потоку. Таких сепараторів можна назвати поперечнопоточними. До них відносяться сепаратори «Рема» (Англія), «Шильде» і WSI (ФРН), «Полідор моделі» «Симплекс» (ГДР), «Раймонд» (США) і ін.

В другу групу -- противоточних сепараторів -- входять сепаратори, в яких розділення відбувається під дією відцентрової сили, направленої назустріч радіальної складової руху потоку. Це сепаратори «Стюртевант» і «Гейко» (США), «Сміт» (Данія) і ін.

Критерії для якісної оцінки будь-якого сепаратора наступні:

1. Повітряний потік в своєму перетині повинен мати однакові швидкості.

Сили, діючі на кожну частинку, повинні знаходитися в різній функціональній залежності від її розміру і мати протилежний напрям.

Для частинок певної величини (тобто одного так званого граничного розміру) в зоні розділення повинна встановлюватися динамічна рівновага; частинки інших розмірів повинні виноситися із зони розділення в різних напрямах: менші в одну сторону, великі -- в іншу.

Величини діючих сил для частинок будь-якого розміру повинні регулюватися в широких межах.

Якнайповніші цим умовам задовольняють сепараторів другої групи. Отже, принципова схема противоточних сепараторів є досконалішою і її слід закладати в конструкції сепараторів для цементу.

Підтверджується це також і порівнянням деяких питомих показників сепараторів «Полідор моделі» «Симплекс» і «Стюртевант». Наприклад, питомі енерговитрати на сепарацію для «Симплекс» складають 1,35--1,9 квт-год/т, для «Стюртевант»-- 1,45 квт-год/т (при отриманні продукту з 5% залишку на ситі з сіткою № 0075); навантаження на 1 м2 -- відповідно 1,2-- 1,5 т/год і 2,6 т/год.

Невипадково сепаратор фірми «Стюртевант» займає перше місце по розповсюдженню на цементних заводах США.

Розглянемо принцип дії противоточного циркуляційного сепаратора, приведеного на мал. 73. Матеріал по завантажувальних тічках 1 поступає на розкидаючий, що обертається, диск 7 і під дією відцентрової сили віялом скидається з нього. Відбувається перший відбір крупних частинок, які випадають вниз або, долітаючи до стінки, сповзають по ній в розвантажувальний бункер 9 і по тічці 1.0 повертаються на домол. Створюваний вентилятором 2 повітряний потік захоплює більш дрібні частинки в основну зону А розділення, що знаходиться між диском 6 крильчатки, діафрагмою 3 і стінкою внутрішнього кожуха 4. Завдяки дії лопаток 5 крильчатки в цій зоні виникає повітряний вихор; на кожну частинку діють дві сили: відцентрова, пропорційна діаметру частинки третього ступеня, і сила тиску потоку, яка пропорційна діаметру в другому ступені. Залежно від розміру частинки, превалюватиме одна з цих сил. Дрібні частинки, для яких сила тиску потоку більше відцентрової, виносяться у вентилятор. Крупні частинки і грудки дрібних частинок переважаючою дією відцентрової сили відкидаються до стінки і, сповзаючи по ній вниз, перемішуються з крупними частинками, скиненими з диска. Цей матеріал потрапляє в нижню зону В сепарації, у жалюзі 8, де відбувається додатковий віддув 9 в матеріалі тонких фракцій.

Потік повітря з дрібними частинками прямує вентилятором в зону Д осадження, обмежену стінками внутрішнього і зовнішнього корпусу. Тут під дією відцентрових сил, що виникають унаслідок поворотів потоку, частинки підтискаються до стінки зовнішнього кожуха, сповзають по ній в конусну частину і через випускний патрубок 11 поступають в готовий продукт.



Мал. 73. Схема циркуляційного сепаратора противогаза: /1 -- зона розділення; В -- зона сепарації; Д -- зона осадження; 1 -- тічка; 2-- вентилятор; 3 -- шиберна діафрагма; 4 -- внутрішній кожух; 5 -- лопатки крильчатки; 6 -- диск крильчатки; 7 -- розкидаючий ДИСК; 8 -- жалюзі; 9 -- розвантажувальний бункер для крупи; 10 -- розвантажувальна тічка; І -- випускний патрубок

Обчищене повітря через жалюзі повертається у внутрішній корпус -- камеру сепарації.

Процес руху частинок в двофазному потоці вельми складений і мало вивчений. Строгої методики розрахунку повітряних сепараторів різних типів не є.

Після вибору принципової схеми сепаратора визначення типоразміру і розробку його конструкції необхідно проводити на підставі наявних досвідчених даних, а розрахунок параметрів -- по наближених теоретичних формулах, вводячи відповідні поправочні коефіцієнти, які повинні бути отриманий в результаті випробувань моделі або дослідного зразка сепаратора.

Орієнтуючись на ці дані, можна вибрати діаметр сепаратора і відповідне число обертів ротора. Потім визначити продуктивність і споживану потужність, використовуючи наступну залежність, справедливу для ряду геометрично подібних сепараторів:

(1)

де D ---діаметр сепаратора;

п -- число обертів ротора в хвилину.

Дослідження різних типів і конструкцій повітряних сепараторів, проведені за останні декілька років, дозволили отримати деякі відомості про процес сепарації і його характеристики, що приводяться нижче.

Основні показники роботи сепараторів не залежать від концентрації висхідного матеріалу (пил) в повітряному потоці (при пилі, що не злипається). За даними І. И. Климова (ЦКТІ) максимально допустима концентрація пилу складає 1,5 кг/м. По нормах Електропрома для вугільних сепараторів ця величина рівна 0,5---0,55 кг/м3, а за даними німецьких фірм, опублікованим до 1940 г.,-- 0,65 кг/м3. Е. И. Культин рекомендує приймати не більше 0,35 кг/м². За експериментальними даними для противоточних сепараторів концентрація не повинна перевищувати 0,33 кг/мг повітря. При визначенні необхідної витрати повітря в сепараторі величина концентрації є основною.

Робота сепаратора може характеризуватися к. к. д. і ефективністю або ступенем розділення. К. к. д. виражається відношенням ваги одного з продуктів (тонкого або грубого) до ваги продукту такого ж складу, що міститься у висхідному матеріалі:

(2)

Де -- відповідно продуктивність по одному з продуктів і по продукту такого ж складу, що знаходиться у висхідному матеріалі;

a, b, c -- вміст мінусової фракції відповідно у висхідному матеріалі, матеріалі грубого і тонкого помелу.

З допомогою к. к. д. легко визначити продуктивність сепаратора. Проте формула до. п. д. не враховує наявності грубої фракції в тонкому продукті, і може, наприклад, вийти так, що сепаратор, що має більш високий до. п. д., видаватиме гірший продукт, ніж потрібен за технічних умов.

«Забруднення» тонкого продукту крупними частинками враховуються формулою ефективності або ступеня розділення

(3)

де -- продуктивність по «мінусу» в тонкому продукті у висхідному матеріалі відповідно;-- продуктивність по «плюсу» там же.

До. п. д. і ефективність сепараторів залежать від виду оброблюваного матеріалу, його вогкості, форми частинок і їх розмірів, конструкції, необхідної дисперсності готового продукту, конструкції сепаратора. Аналіз роботи повітряних сепараторів в промислових умовах показує, що к. к. д. їх в середньому рівний 65% при приватних значеннях, що лежать в межах 45--80%.

Для повної характеристики роботи сепаратора необхідно за даними експериментального дослідження сепаратора і дисперсійного аналізу побудувати криву класифікації.

Розрахунок циркуляційних сепараторів рекомендується вести в наступній послідовності (стосовно розглянутої схеми).

Кількість матеріалу, що поступає з млина в сепаратора, визначається по формулі

(4)

де G -- продуктивність по готовому продукту в т/ч;

k_ц-- кратність циркуляції, практично k_ц = 3 ч 5.

За технічних умов на готовий продукт і за досвідченими даними визначають розмір найбільшої частинки в тонкому продукті.

По продуктивності сепаратора і граничної концентрації пилу в повітряному потоці підраховується необхідна витрата повітря

(5)

де s -- вміст необхідного продукту у виході з млину в %;

с -- гранично допустима концентрація пилу. Досвід експлуатації розмельних агрегатів в замкнутому циклі показує, що якнайкращі результати роботи сепараторних млинів виходять при s = 20 ч 30%.

Основний розрахунковий параметр -- межа розділення. Розмір ^:частинок, вірогідність попадання яких в тонку і грубу фракції однакова, визначається емпіричною залежністю між розміром найбільшої частинки в тонкому продукті і межею розділення:

Зона (межа) розділення д в мк 100 100--25 25--3

Діаметр найбільшої частинки в тонкому продукті в мк.. д?2 2 д рд

Якщо технічними умовами на готовий продукт задана величина питомої поверхні, то для визначення межі розділення необхідно знати функціональну залежність між питомою поверхнею і межею розділення продуктів класифікації.

Розрахунок основної зони розділення противоточних сепараторів, тобто зони крильчатки над розкидаючим диском, ведеться по формулі

(6)

де Q -- витрата повітря в см³/сек

h---висота крильчатки в см;

D_Т-- діаметр диска крыльчатки в см;

k -- коефіцієнт форми частинок (А = 1,00-1-3,8);

г -- питома вага матеріалу в г/см³;

п-- швидкість обертання ротора в об/хв.

Звичайно D_T вибирається рівним 0,6D зовнішні кожухи сепаратора. З формули (6) визначається висота крильчатки h. Проводиться попередній розрахунок вентилятора по звичайній методиці; величина натиску приймається 90--100 мм вод. ст.:

де D₁ і D₂ -- відповідно внутрішній і зовнішній діаметри по кромках лопаток вентиляторів.

Розрахунок зони осадження ведеться по якнайменше уловлюваній частинці. Висота зони осадження визначається по формулі, в якій враховується (на відміну від формули для циклонів) обертання повітря і частинок на виході з вентилятора:

(7)

де D --діаметр зовнішнього кожуха сепаратора;

D_в---діаметр внутрішнього кожуха, як правило, D_в = 0,8D;

г_в і г --відповідно питома вага повітря і матеріалу;

н-- кінематичний коефіцієнт в'язкості повітря;

п -- швидкість обертання ротора;

k -- коефіцієнт форми частинок;

d -- діаметр якнайменшої уловлюваної частинки;

Q -- витрата повітря.

Досліди показали, що на жалюзійних гратах відбувається додатковий віддув дрібних частинок, тобто «переочистка грубого продукту», Розрахунок межі розділення на жалюзі проводиться по формулі

де R_ж -- радіус жалюзійних грат по внутрішніх кромках лопаток;

h_ж -- висота лопаток жалюзі;

в -- кут між радіусом, проведеним до внутрішнього кінця лопатки жалюзі, і продовженням лопатки всередину. Вибираючи з конструктивних міркувань R_ж, прораховують вплив в на величину межі розділення при різних значеннях h_ж. Значення h_ж беруть з умови, щоб д_ж була рівна або близька до значення д основній зоні класифікації.

На підставі розрахунку виконують ескізний проект сепаратора, а потім визначають втрати натиску. Унаслідок невивченості опорів в потоках втрати натиску, що обертаються, визначають по аналогії з розрахунком рухи повітря в трубах. Це, звичайно, дає наближені значення ?Р, які повинні уточнюватися за даними випробувань моделі.

На мал. 1 зображений повітряний циркуляційний сепаратор конструкції ВНІїЦеммаша діаметром 5 м. Він має наступні технічні дані:

Продуктивність в т/год 40

Висхідний матеріал Продукт помелу

Залишок на ситі з сіткою № 0085 в % 8

Число оборотів ротора в хвилину ... 180

Споживана потужність в квт .... 75

На мал. 2 зображена конструкція вельми поширеного за рубежем сепаратора фірми «Ведаг» (ФРН) з виносним вентилятором. Сепаратор складається з центрального сепаруючого корпусу, що має форму конуса відцентрових сепараторів, і периферійних циклонів (залежно від розмірів сепаратора їх може бути від 4 до 12). В центральному корпусі розміщена тільки розкидаюча тарілка і нерухомий конус. Усередині цього конуса є декілька коротких конусних кілець, що направляють і пересипаючих крупу з метою більш повного відділення дрібних фракцій, підхоплюваних потоком циркулюючого повітря. Подрібнений в млині матеріал поступає на розкидаючий диск, відкидається до стінки корпусу і тут сепарується потоком циркулюючого повітря, що поступає під розкидаючу тарілку від виносного вентилятора. Проходячи в просторі між тарілкою і корпусом, струмінь циркулюючого повітря підхоплює дрібні фракції і виносить в периферійні циклони. Крупа, обложена в корпусі, відправляється в млин на домол через нижній патрубок конічної частини. Периферійні осадкові циклони направляють матеріал на склад.

Виносний вентилятор всмоктуючим патрубком сполучений з газоходом колектора, в який периферійні циклони виходять верхніми патрубками. Нагнітаючим патрубком він сполучений з прямокутним отвором, провідним в нижню частину центрального корпусу. Циркуляційне повітря, пройшовши центрального сепаратора і периферійні циклони, значно насищається найдрібнішими фракціями матеріалу, що сепарується, і щоб уникнути перенасичення ними (що порушило б роботу сепаратора) повинен постійно розбавлятися свіжим, незапорошеним повітрям, а частина циркуляційного повітря постійно викидається в атмосферу через пилеочисної електрофільтр або рукавний фільтр. Робота вентилятора регулюється так, щоб центральний сепаратор постійно знаходився під деяким розрідженням. Завдяки цьому свіже повітря постійно засмоктується в центрального сепаратора разом з сировиною, що подається.

Мал. 1. Повітряний циркуляционный сепаратор ВНІїЦеммаша

Мал. 2. Сепаратор Ведага з виносним вентилятором

Сепаратори «Ведаг» зарекомендували себе легкістю регулювання як продуктивності, так і розподілу продукту, що сепарується. Вони зручні в експлуатації, оскільки вентилятор, циклони і всі основні повітряні комунікації знаходяться зовні і доступні для огляду і ремонту.

Питома витрата електроенергії у сепараторів «Ведаг» дещо вищий, ніж у описаних раніше відцентрових циркуляційних сепараторів, через великі аеродинамічні опори.

2. Електростатичні сепаратори

Останнім часом в цементну промисловість успішно упроваджують електростатичних сепараторів конструкції ВНІїЦеммаша. Ці сепаратори мають ряд істотних переваг перед повітряними циркуляційними як по питомих витратах електроенергії і металоємності, так і по точності розділення висхідного матеріалу по фракційному складу.

До появи електростатичних сепараторів застосовували електричних коронних сепараторів, широко поширені і в даний час. Ці сепаратори за способом зарядки в них. частинок оброблюваних матеріалів, формі електричного поля і конструктивному виконанню підрозділяють на камерні, барабанні, стрічкові, трубчасті, дискові і ін. Частіше застосовують електростатичних сепараторів барабанного типу для збагачення руд. Найпростішими і найпоширенішими є коронні камерні електростатичні сепаратори з вільним падінням частинок, що сепаруються.

На мал. 76 показаний загальний вид трьохсекційного коронного камерного сепаратора конструкції інституту Гірської справи ан СРСР. Сепаратор призначений для класифікації різних сухих сипких матеріалів, а також для розділення по складу сумішей, що складаються з компонентів, значно що розрізняються по питомій вазі.

В камерному сепараторі розділення відбувається під дією сильного електричного поля коронного розряду. Частинки матеріалу з різними електрофізичними властивостями під впливом електричних і механічних сил рухаються в сепараторі у бік осадкового електроду по різних траєкторіях і виносяться відповідно в різних по висоті точках осадкового електроду з електричного поля. Відбір виділених, на електроді компонентів дозволяє добиватися відомого ефекту розділення.

Мал. 3 Трьох секційний коронний камерний сепаратор I -- приймальний бункер; 2 -- живильник; 3 -- короніруючі електроди; 4 -- осадкові електроди; 5 -- зтрушувачі

При виборі режиму сепарації регулюють продуктивність по завантаженню, взаємне розташування і висоту електродів в секціях, напруженість електричного поля, вогкість і температуру висхідного матеріалу. Сепаратор придатний для обробки матеріалу крупною до 8 мм і вогкістю до 5% до. п. д. сепаратора може досягати 95%. Витрата електроенергії на 1 т продукту 0,1 квт* ч.

Коронні камерні сепаратори відрізняються малою витратою електричної енергії, великою продуктивністю, малою вагою і незначними експлуатаційними витратами. При їх роботі не відбувається додаткового подрібнення оброблюваних матеріалів, оскільки тут немає деталей, що рухаються і труть. Позитивні якості цих сепараторів відкривають широкі перспективи їх використовування для сепарації різних сипких матеріалів.

В інституті «ВНІїЦеммаш» проведені експерименти по класифікації цементу на лабораторному камерному електростатичному сепараторі. Дослідженнями встановлена можливість розділення цементу по крупній в електричному полі коронного розряду. На цьому сепараторі можна одержувати цемент із змістом фракцій будь-якого діапазону крупної із заданою питомою поверхнею. В той же час виявлений ряд труднощів: в настройці сепаратора при виділенні матеріалу тієї або іншої крупної; точно витримувати інтенсивність завантаження матеріалу, напругу, що подається на електроди, відстань між останніми і інші умови. Порушення будь-якої з вказаних умов приводило до припинення розділення матеріалу.

В камерних сепараторах розділення відбувається за рахунок відмінності траєкторій осадження частинок з різними електрофізичними властивостями. В цьому випадку потенційні можливості сильних електричних полів використовуються неповністю. Було помічене також, що на камерних сепараторах не вдається розділяти цемент по різко вираженій межі крупної. Для сепарації матеріалу необхідно витримати відстань між електродами від 150 до 250 мм

Електростатичний сепаратор дозволяє виділити фракції строго певної крупної, залежної в основному від розмірів осередків сітки. Зміна напруги струму і інших чинників істотно не впливає на класифікацію, а впливає тільки на вихід виділеного матеріалу. Цей сепаратор працює при максимально допустимому за умов коронірування високій напрузі.

Конструктивно сепаратора можна виконати з невеликою міжелектродною відстанню (10---60 мм), що дозволить отримати високі питомі показники знімання готового продукту. Такі сепаратори можуть працювати на відносно малих напругах (6--10 кв). Це, у свою чергу, забезпечує більш безпечне обслуговування їх і можливість використовування змінного струму високої напруги і застосування для їх живлення компактних високовольтних установок.

Промислові зразки електростатичного сепаратора ВНІїЦеммаша (мал. 4) продуктивністю 40 т/год готового продукту з 3% залишку на ситі з сіткою № 0085 випускають з 1967 р.

Мал. 4. Електростатичний сепаратор ВНІїЦеммаша

3. Гідросепаратори

Не менший ефект підвищення продуктивності сировинних млинів дає сепарація сировинних матеріалів при мокрому помелі. Такі сепаратори звичайно носять назву «гидроциклони» або «гидроклассифікатори».

Гідроциклони

Пластичні сировинні матеріали (мів, мергель, глина) після дисперсіювання в базіках містять 70--80% дрібних фракцій, що не вимагають додаткового подрібнення в млинах. Відділення готового продукту із загальної маси шламу після базік і помел тільки некондиційного продукту дозволяє скоротити загальну потребу в помольних агрегатах і інтенсифікувати процес помелу, підвищивши тим самим його економічність. Як класифікаторів для відділення готового шламу з успіхом можуть бути застосований гідроциклони, вживані в збагачувальній галузі гірничорудної промисловості. Ці апарати прості по пристрою і зручні в обслуговуванні, вимагають невеликих експлуатаційних і капітальних витрат; в даний час освоєно промислове їх виготовлення.

Гідроциклони дозволяють виділити з що поступає на помел шламу до 70% готового кондиційного продукту, не вимагаючого помелу в млинах. При застосуванні гидроциклонов знижується потреба в сировинних млинах, а витрата електроенергії на приготування шламу скорочується майже на 50%.

Для розділення шламів по крупній застосовують гідроциклони Южгіпроцемента (мал. 5). Гідроциклон складається з двох частин: верхньої -- циліндрової і нижньої -- конічної. Живлення його проводиться під тиском через живлячий патрубок. Поступаючи тангенціально, початковий шлам придбаває обертальний рух. Внаслідок цього усередині циклону виникають значні відцентрові сили, під дією яких більш крупні частинки відкидаються до стінок і по спіральній траєкторії рухаються вниз, а потім віддаляються через нижній зливний патрубок.



Мал. 6. Схема розподілу потоків в гідроциклоні

Мал. 5. Схема гідроциклона:

7 -- живлячий патрубок;

2 -- верхній зливний патрубок;

3 -- нижній зливний патрубок

Більш дрібні частинки рухаються у внутрішньому спіральному потоці вгору і відводяться через верхній зливний патрубок.

В процесі роботи гідроциклона створюються кругові, вертикальні і циркуляційні струми (мал. 6). Тому поле діючих сил (тривимірне) є дуже складним. Поки що методики розрахунку, що враховує весь комплекс діючих сил в процесі розділення.

Враховуючи розподіл швидкостей і діючих сил, процес розділення шламів в гідроциклоні можна представити в наступному вигляді. Під дією відцентрових сил тверді частинки прагнуть рухатися від осі до периферії. Їх руху перешкоджають опір середовища і радіальний рух рідини. Для частинок деякого критичного розміру d_K на деякій поверхні відцентрові сили врівноважуються силами, діючими з боку рідини: в межах цієї поверхні швидкість осадження частинок даного розміру стає рівною нулю. У внутрішньому об'ємі частинки розміром d < d_к переміщаються до осі гідроциклона і віддаляються у верхній злив, а зовні цієї поверхні осідають частинки розміром d > d_K, які відкидаються до периферії і віддаляються через нижній зливний патрубок.

Частинки, що мають проміжний розмір між максимальною крупною зерен, що йдуть у верхній злив, і мінімальною крупною зерен, яку можна отримати в нижньому зливі, вельми довго циркулюватимуть в деякій «мертвій зоні», поволі осідати і віддалятися через нижній зливний патрубок.

Розрахунок гідроциклонів зводиться до визначення основних геометричних розмірів і параметрів, що характеризують їх роботу. Основними показниками роботи гідроциклонів є мінімальна крупна розділення, продуктивність і вихід продуктів розділення.

Мінімальна крупна розділення теоретично може бути визначений лише з тим або іншим ступенем наближення.

Максимальну крупну розділення можна визначити, прийнявши, що рух частинок в центральному висхідному потоці під дією відцентрової сили відбувається тільки в радіальному напрямі. Тоді в межах застосовності закону Стокса для граничних зерен в області в'язкого опору розрахункова формула отримає вигляд

де d_n -- діаметр живлячого патрубка;

м-- в'язкість суспензії;

Q -- продуктивність за об'ємом;

h -- висота центрального потоку;

р, р_о -- густина відповідно твердої і рідкої фаз пульпи;

ц_х -- коефіцієнт зміни окружної швидкості.

Продуктивність гідроциклона визначають по формулі

де Н -- натиск;

g -- прискорення сили тяжкості;

d_в -- діаметр верхнього патрубка;

D -- діаметр гідроциклона;

k -- коефіцієнт пропорційності (для гідроциклонів з кутом конусності б = 38° k = 0,524; для б = 15° k = 1,11).

Є і інші формули для визначення продуктивності, проте всі вони дають лише орієнтовні результати. Продуктивність встановлюється в процесі роботи гідроциклона.

Великий вплив на продуктивність гідроциклона і що досягається в ньому крупну розділення надають діаметри живлячого патрубка, патрубків верхнього і нижнього зливу продуктів, а також їх співвідношення.

Діаметр нижнього зливного патрубка мало впливає на пропускну спроможність гідроциклона, але робить вплив на крупну і чіткість розділення. Його підбирають виходячи з відношення діаметрів нижнього і верхнього зливного патрубків (за даними ряду досліджень співвідношення складає 0,37--0,55).

Розміри і конструктивні особливості гідроциклона повинні відповідати його призначенню--для класифікації, збагачення або освітлення суспензій. Чим менше діаметр гідроциклона, тим більше відцентрові сили і тим тонше виходить відокремлюваний продукт, оскільки радіальне прискорення, що придбавалося в гідроциклоні частинками, обернено пропорційно до радіусу траєкторії обертання. Отже, чим менше діаметр гідроциклона, тим коротше шлях, який повинна пройти частинка, щоб досягти стінки гідроциклона, і тим швидше вона осідає, крім того, більше ефективність розділення в гідроциклонах з малим кутом конусності (15° і навіть 10°). При такій формі конусності подовжується шлях твердих частинок і збільшується час перебування їх в центральному потоці, що обертається (це збільшення часу визначається, проте, частками секунди).

Для класифікації застосовують гідроциклони діаметром 300--350 мм і заввишки 1 --1,2 м. Більш тонка класифікація відбувається в гідроциклонах діаметром 100 мм і менше.

Живлячий патрубок виготовляють прямокутного перетину, причому висота його у декілька разів більше ширини. За рахунок цього зменшується ширина потоку, що впливає на поліпшення класифікації. Для створення необхідного напряму потоку при вході в гідроциклон живлячий патрубок зміщений вгору на 3--5° по відношенню до горизонтальної площини циліндра гідроциклона.

Проведені різними цементними заводами дослідження по класифікації в гідроциклоні сировинних матеріалів показали, що унаслідок відмінностей у водоутримуючій здатності, мінералогічному складі і властивостях реологій одержувані продукти класифікації мають різні показники, причому основними визначальними чинниками є властивості реологій.

Дуговий гідрокласифікатор ВНІїЦеммаша

Вітчизняні цементні заводи застосовують при мокрому помелі сировини дуговий класифікатор конструкції БНІїЦсммаша (мал. 7).

Сировинний шлам після помелу в млині подається насосом в нижню порожнину 1 дугового короба прямокутного перетину. Короб має дві порожнини. Верхня відокремлена від нижньої в приймальній частині глухою листовою перегородкою, а далі -- спеціальною сіткою. Під впливом відцентрової сили, що притискує в дуговому коробі шлам до сітки, у верхню порожнину 2 через сітку проникають дрібні фракції шламу (разом з відповідною частиною води) і як готовий продукт виводяться в шламові басейни. Крупна фракція повертається на домол 3

Цей класифікатор дозволяє інтенсифікувати помел в коротких млинах і підвищити їх продуктивність до 50%. На відміну від гідроциклонів Южгипроцемента, ефективно працюючих на м'якій сировині, дугові класифікатори ВНІїЦеммаша можуть працювати на будь-якій сировині.

На Жигулівському комбінаті будівельних матеріалів успішно пройшов випробування на млині 3,0 X 14 м новий апарат

Мал. 7. Дуговий гідрокласифікатор ВНІїЦеммаша

4. Класифікатори

Класифікатори розділяють на механічні і гідравлічні. До механічних класифікаторів відносяться спіральні, рейкові, драгові і чашові. Ці класифікатори мають рухомий механізм взмучування і розвантаження. В спіральних класифікаторах цей механізм виконаний у вигляді спіралі, в рейкових і чашових у вигляді гребінкових рейок, в драгових у вигляді скребків на нескінченній стрічці або ланцюзі.

Спіральні класифікатори відрізняються простотою конструкції, великою продуктивністю і ефективністю. Вони отримали найбільше розповсюдження при мокрих процесах збагачення піску. Спіральний класифікатор є коробом, основною робочою частиною якого є спіральний пристрій. При обертанні спіралі пульпа взмучувається; злив, що містить дрібні частинки, відводиться в нижній частині короба через зливний поріг, а крупні частинки прямують спіраллю до верхнього розвантажувального вікна.

Розрізняють спіральні класифікатори з незануреною спіраллю (з високим порогом) і зануреної. В перших класифікаторах поріг розташований нижче за верхню кромку спіралі на зливному кінці (мал. 8), в других класифікаторах нижній кінець спіралі повністю

занурений в пульпу, унаслідок чого верхня зона осадження твердих частинок знаходиться у відносному спокої, що забезпечує більш чітку класифікацію. Ці класифікатори можуть бути односпіральними і двоспіральними і відповідно відрізнятися шириною корита і продуктивністю при однаковій довжині.

Дані класифікатори використовують в основному для виділення в злив частинок піску розміром менше 0,15 мм, а також для обезводнення пісків до транспортабельного стану. На мал. 130 показаний спіральний класифікатор з діаметром спіралі 1200 мм, розроблений з урахуванням специфічних умов збагачення будівельних пісків. Для підвищення продуктивності в цьому класифікаторі збільшена ширина спіральної стрічки і приблизно на 40% частота обертання спіралі. Для цього збільшені розміри розділової камери класифікатора, яка утворена бічними стінками, нахиленими під кутом 60°. З машини злив відводиться через бічні і торці стінки.

Для підвищення ефективності класифікації і відмивання найдрібніших фракцій на ділянці спіралі, що знаходиться під дзеркалом зливу, встановлені перемішуючі лопаті.

Продуктивність (кг/с) спірального класифікатора для піску

де k -- коефіцієнт, що збільшує кут нахилу корита класифікатора ; п -- частота обертання спіралі, об/с; D -- діаметр спіралі, м.

Мал. 8. Спіральний класифікатор для піску з високим порогом

Мал. 9. Спіральний класифікатор С-871

Значення коефіцієнта k, що враховує кут нахилу корита класифікатора, наступні:

Кут нахилу, град . 10 14 18 22 26

k 1,09 1,05 1,0 0,83 0,72

Гідравлічні класифікатори відносяться до групи гравітаційних апаратів, в яких вода служить середовищем для розділення зернистого матеріалу на фракції. По конструктивному виконанню і характеру руху початкової піщаної пульпи гідравлічні класифікатори можна умовно розділити на вертикальні і горизонтальні класифікатори.

До самих відомих вітчизняних вертикальних класифікаторів відносяться класифікатори конструкцій ВНІїГСа (Всесоюзний науково-дослідний інститут гідротехнічних і санітарно-технічних робіт) і ВНІПІїСтромсирье.

Мал. 10. Схема вертикального класифікатора

На мал. 131 показаний класифікатор ГКД-2 конструкції ВНІїГСа працюючий за наступною схемою. Піщано-гравієва суміш вводиться в класифікатор через нижній патрубок і, проходячи дифузор, поступає в збагачувальну камеру, площа перетину якої значно перевищує площу верхнього перетину дифузора. Тому швидкість висхідного потоку гідропісчаної суміші після виходу її з дифузора значно зменшується, що спричиняє за собою випадання найкрупніших частинок, які із збагачувальної камери потрапляють в класифікаційну. Камера класифікації розташована між дифузором і зовнішньою оболонкою апарату. Над нею знаходиться збагачувальна камера.

Чиста вода, що створює в камері гвинтовий висхідний потік, в якому матеріал розділяється по заданому граничному зерну, подається в нижню частину класифікаційної камери. Частинки піску, швидкість падіння яких менше швидкості висхідного потоку, відводяться по трубі як шлам через верхній зливний колектор, крупний продукт, що випав з класифікаційної камери, обезводнюється і транспортується на склад.

Вертикальний класифікатор ГКД-2 розділяє початкову гідросуміш на дві фракції по одному граничному зерну. Межа розділення в межах 0,5--3,0 мм регулюється кількістю води в класифікаційну камеру, що подається, і площею її поперечного перетину, яку можна змінювати при перестановці трьох дифузорів, що комплектують класифікатор.

Мал. 11. Схема і загальний вигляд вертикального гідрокласифікатора конструкції ВНІПІїСтром сировина

Гідрокласифікатори ГКД-2 працюють під натиском і розраховані на тиск 0,3 МПа на рівні зливного колектора, так що транспортування крупного і дрібного продукту може відбуватися під дією тиску, створюваного всередині класифікатора гідронасосами, по даючими водопіщану суміш, і водним насосом, що подає додаткову воду.

Вертикальний гідравлічний класифікатор КГ конструкції ВНІПІїСтромсирье показаний на мал. 132. Він призначений для фракціонування гідропісчаної суміші по одному граничному зерну в межах 0,3--2,0 мм

Мал. 12. Класифікаційні установки системи «Реакс»: а -- компаунд;

6 -- східчаста; в -- комбінована

Робота гідрокласифікатора КГ відрізняється від описаної вище роботи гідрокласифікатора ГКД-2 тим, що початкова суміш подається зверху в бак-дозатор і через розподільник гідросуміші потрапляє в приймально-розділову камеру. При вертикальному русі частинок у висхідних потоках води більш крупні частинки і частинки, близькі за розміром до граничних зерен, з прийомно-розподільчої камери потрапляють в класифікаційну камеру, куди подається чиста вода для остаточної класифікації по заданому граничному зерну. Дрібний продукт виводиться через верхню зливну трубу, крупний -- через нижній розвантажувальний отвір.

До даного класифікатора можна під'єднати спеціальну розвантажувальну камеру, в якій крупна фракція піску частково обезводнюватиметься до вогкості 25%. Класифікатори КГ випускають трьох типорозмірів продуктивністю 300--2200 м³/ч по початковій водогрунтовій суміші і продуктивністю 25--400 м³/ч по початковому піску.

Для отримання товарної фракції із стабільним зерновим складом на даних класифікаторах необхідно забезпечити постійне живлення як по зерновому складу, так і по консистенції пульпи, що поступає . Одна фракція (друга) дрібна, видавана цими класифікаторами, забруднена шламами і вимагає додаткового збагачення.

Для отримання декількох фракцій необхідно послідовно встановити відповідне число таких класифікаторів.

Вертикальні класифікатори прості по конструкції, надійні в роботі і при вимогах невисокої точності класифікації можуть бути використаний для збагачення будівельних пісків. Особливо раціонально застосовувати їх на гідромеханізованих кар'єрах, оскільки вони можуть працювати в комплексі з машинами, розробляючими кар'єр.

За рубежем при розділенні пісків на декілька фракцій з вертикальних класифікаторів складають східчасті, компаунди або комбіновані установки, за допомогою яких можливо підвищити точність розділення на фракції і зменшити втрати товарних фракцій в сливі.

На мал. 12 показані схеми класифікаційних установок системи «Реакс». Комбінуючи ці установки з гідравлічними класифікаторами, можна отримати високу точність розділення матеріалу на фракції. При цьому технологічна схема може бути розроблений з урахуванням конкретних вимог виробництва і з урахуванням економічних і технологічних критеріїв оптимізації процесу збагачення. Так, триступінчата система компаунда класифікації (мал. 12, а) складається з двох, трьох або чотирьох конусних гідравлічних класифікаторів з горизонтальною подачею води при класифікації. При двухступінчатій системі класифікації (мал. 12, б), що підвищує точність розділення, двох конусних гідравлічних класифікаторів встановлено один над іншим. Комбінована система класифікації (мал. 12, в) складається з класифікаторів з горизонтальною подачею води і вертикальною подачею чистої води, що дозволяє отримати декілька фракцій.

Горизонтальні гідравлічні класифікатори по характеру осадження частинок в класифікаційних камерах можна розділити на дві групи: з вільним і обмеженим падінням.

Класифікатори першої групи є класифікуючим жолобом призматичного або пірамідального перетину, в якому відбувається випадання частинок піску з що переміщається по жолобу пульпи. Що поступає в ці класифікатори пульпа сильно розріджена і рухається з малою швидкістю, що забезпечує добрі умови осадження частинок по крупній. Частинки більш крупні осідають на початку класифікатора, а більш дрібні -- в кінці. Звичайно такі класифікатори мають декілька поперечних перегородок, створюючих окремі класифікаційні камери. Щоб створити сприятливі умови для осадження більш дрібних частинок, такі класифікатори до розвантажувального кінця виконують розширеними.

На мал. 13 показаний гідрокласифікатор вільного падіння англійської фірми Пегсон-Телсміт, є місткістю прямокутного перетину. Дно місткості виконано з розвантажувальними отворами і клапанами. Над кожним розвантажувальним отвором встановлений датчик управління клапаном, задаючим елементом якого є вертикальний вал з крильчаткою на кінці. Вал з крильчаткою обертається в потоці пульпи із заданою швидкістю. Пісок, що осів, накопичується на дні класифікатора, і коли товщина шару над вихідним отвором досягає певного значення, створюється опір обертанню крильчатки, внаслідок чого значно сповільнюється її обертання або вона зупиняється, що є сигналом до відкриття клапана.



Мал. 13. Гідрокласифікатор вільного падіння

Мал. 14. Схема класифікаційної камери

Ефективність роботи цих класифікаторів низька, тому їх застосовують для отримання дрібного заповнювача, що використовується в бетонах невисоких марок. Оскільки крупна початкового піску при його обробці в гідравлічних класифікаторах обмежена, і, крім того, готовий продукт вимагає обезводнення, то гідравлічні класифікатори звичайно працюють в комплексі з грохотами і спіральними класифікаторами. Продуктивність гідравлічних класифікаторів вільного падіння досягає 100 т/ч.

Для більш високої точності розділення матеріалу на фракції використовують класифікатори обмеженого падіння з висхідним потоком води . Перевагами цих класифікаторів є компактність, відносно велика продуктивність, а також можливість отримання необхідної кількості фракцій піску. Необхідна якість піску досягається не тільки унаслідок подачі додаткової кількості води при класифікації, але і збільшенням числа камер.

Схема камери багатокамерного гідравлічного класифікатора конструкції ВНІїстройдормаша показана на мал. 14. Фракції, необхідного розміру одержують регулюванням кількості води, що подається в класифікаційні камери знизу і створюючої висхідні потоки. Вода, підіймаючись по камері, виносить частинки піску, швидкість падіння яких менше швидкості руху висхідних потоків.

Пісок розвантажується з камер автоматично при заданій густині пульпи. Для вимірювання густини пульпи в кожній камері встановлена гідростатична трубка 3 з двома індукційними датчиками рівня 1. Усередині трубки є поплавець 2 з феритовою пластинкою. При накопиченні зважених частинок в камері густина пульпи збільшується і внаслідок цього підіймається рівень води в гідростатичній трубці разом з поплавцем. При досягненні поплавцем рівня верхнього датчика через систему реле подається сигнал на відкриття розвантажувального отвору 4 класифікаційної камери. В процесі розвантаження густина в камері зменшується, рівень води, а також поставок опускаються. При проходженні поплавця через нижній датчик система автоматичного управління дає команду на закриття розвантажувального отвору. Потім починається новий цикл роботи камери. Змінюючи відстань між верхнім і нижнім датчиком, а також розташування їх по висоті трубки, можна змінювати тривалість циклу роботи камери, час розвантаження і густину розвантажуваної пульпи.

Автоматична система розвантаження матеріалу з камер в класифікаторі забезпечує отримання чотирьох фракцій піску з постійним зерновим складом і постійною густиною.

Продуктивність класифікатора складається з продуктивності його окремих камер.

При зміні зернового складу початкового матеріалу і необхідних меж розділення продуктивність змінюватиметься.

Загальна продуктивність гідравлічних класифікаторів зростає із збільшенням меж розділення.

Тому для підвищення продуктивності багатокамерних класифікаторів іноді доцільно на їх сливі встановлювати гідроциклони для додаткового розділення дрібних фракцій.

Відцентрові класифікатори складають особливу групу гідравлічних класифікаторів. Їх робота заснована на використовуванні відцентрових сил інерції, що виникають в потоці пульпи, що обертається .

Ефективність розділення визначатиметься співвідношенням між швидкістю осідання частинок і швидкістю потоку пульпи в класифікаторі. Чим вище відцентрове прискорення, тим менше межа розділення і, отже, вище продуктивність за твердим матеріалом.

Відцентрові класифікатори застосовують в основному для класифікації дрібних частинок з граничним розміром 5--500 мкм.

Мал. 15. Схема гідроциклона

Розрізняють два типи відцентрових класифікаторів.

1. Центрифуги -- апарати, в яких обертання гідросуміші досягається обертанням робочих поверхонь, що рухаються. Центрифуги в основному використовують для обезводнення таких дрібнозернистих матеріалів, як глина, мів і т.д. Широкого застосування в промисловості будівельних матеріалів вони не знайшли через значний знос робочих поверхонь.

2. Гідроциклони -- нерухомі апарати, до яких пульпа підводиться тангенціально з необхідною швидкістю. Гідроциклон є литим або зварним корпусом, нижня частина / якого має форму конуса, а верхня 2 -- циліндра (мал. 15).

Висхідний матеріал під надмірним тиском" 0,1--0,2 МПа подається через живлячий патрубок 3 в циліндрову частину корпусу тангенціально до внутрішньої поверхні. Це створює обертальний рух пульпи. Швидкість на вході в гідроциклон досягає декількох десятків метрів в секунду. У зв'язку з цим виникає доцентрове прискорення, яке перевищує прискорення вільного падіння частинок у декілька разів. При цьому кожна частинка матеріалу рухається по гвинтовій просторовій спіралі і описує декілька стільників оборотів в хвилину навкруги центральної геометричної осі апарату. Чим крупніше частинка, тим більше радіус її обертання. В нижній половині конуса обертальний потік унаслідок різних по значенню відцентрових сил інерції розділяється на дві частини: крупні частинки випадають і розвантажуються через піскову насадку 5, дрібні підхоплюються вихровим потоком в центрі гідроциклона і через зливний патрубок 4 виводяться назовні.

Межа розділення в гідроциклоні регулюється тиском на вхідному патрубку, причому, чим вище тиск, тим менше виходить розмір граничного зерна.

Застосовувати гідроциклоні для фракціонування пісків з межею розділення більше 0,5 мм неефективно, оскільки з підвищенням крупної зливу необхідно зменшувати тиск на вході, що, у свою чергу, викликає різке зниження якості одержуваного матеріалу.

Розміри гідроциклонів залежать не тільки від продуктивності, але і від крупної частинок в сливі. Чим менше діаметр гідроциклоиа, тим більше точно здійснюється розділення на фракції.

Гідрокласифікаціонні установки. Для отримання піску заданого складу створюють технологічні лінії збагачення із застосуванням необхідного устаткування, визначуваного вимогами виробництва.

Мал. 16. Автоматична гідрокласифікаційна установка С-882

Якщо по технічних вимогах необхідно тільки відділити частинки піску менше 0,15 мм, то самим виправданим буде використовування спірального класифікатора відповідної продуктивності. Оскільки звичайно цій операції передує мокре грохочіния, то в схему отримання піску, що збагатив, як правило, включають гуркіт, нижній продукт якого прямує в механічний класифікатор, Це найпростіша схема отримання заповнювача ускладнюється при коректуванні зернового складу висхідного матеріалу. Для отримання двох фракцій піску залежно від межі розділення може бути використаний гуркіт з двома ситами і пристроями або вертикальний гідравлічний класифікатор, або гідроциклон із спіральним класифікатором. Найгнучкішими при регулюванні процесу збагачення є багатокамерні гідравлічні класифікатори, що дозволяють одержувати на одному апараті декілька фракцій піску. Потім ці фракції повинні бути змішаний в необхідних пропорціях, для чого в технологічних лініях по збагаченню будівельних пісків використовують різне допоміжне устаткування.

На мал. 16 показана схема автоматичної гідрокласифікаційнї установки, в якій використаний чотирикамерний гідравлічний класифікатор обмеженого падіння конструкції ВНІїстройдормаша.

Схема камери цього класифікатора показана на мал. 14. На установці можна отримати піщану суміш будь-якого зернового складу.

Установка розділяє початковий пісок на чотири фракції і видаляє в злив мулисті і глинисті частинки, змішує отримані фракції в необхідних пропорціях і обезводнює готовий продукт до вогкості, що дозволяє транспортувати його на стрічкових конвеєрах.

Завдяки автоматичному розвантаженню гідравлічного класифікатора 1 можливо отримати чотири фракції піску однакової консистенції і при змішенні фракцій застосувати об'ємне дозування. Для цього під класифікатором встановлюють шихтуючий пристрій, що складається з двох лав бункерів дозувань 5, працюючих по черзі, розподільних механізмів 2 і місткості змішувача 5.

На зовнішніх вертикальних стінках бункерів дозувань по висоті виконані отвори для установки датчиків сигналізаторів рівня, що фіксують певний об'єм збираного матеріалу. Датчики на бункерах встановлюють так, щоб забезпечити пропорційність об'ємів що дозуються гідросумішей заданим співвідношенням відповідних фракцій в необхідній суміші.

З камер класифікатора окремі фракції піску за допомогою розподільних механізмів 2 прямують у відповідний бункер працюючого ряду. При заповненні одного з бункерів матеріалом для датчика рівня, що фіксується, відповідний розподільний механізм автоматично переводить поворотну воронку в середнє положення і потім направляє надлишки заданої фракції по жолобу 7 між бункерами в спіральний класифікатор 9 для обезводнення. При наповненні пульпою наступного бункера до заданого рівня його поворотна воронка також переходить в середнє положення. Після заповнення останнього бункера працюючого ряду незалежно від черговості їх заповнення розподільні механізми всіх камер переводять воронки в наступне робоче положення: на заповнення другого ряду бункерів дозувань. Починається новий цикл. Одночасно відкриваються клапани випускних отворів 4 заповнених бункерів і гідропісчана суміш поступає в місткість змішувача 5, де вона перемішується і рівномірно прямує по лотку 6 в спіральний класифікатор 8 для обезводнення.

Процес збагачення піску відбувається автоматично і управляється з одного пульта, розташованого в кабіні оператора.

На цій установці одержують пісок необхідного зернового складу і митий пісок довільного зернового складу (надлишки по фракціях) вогкістю 14--18%.

Що входить до складу установки гідравлічний класифікатор визначає її продуктивність 50 т/ч за початковим матеріалом, максимальну крупну матеріалу 5 мм і питому витрату води 4--6 м3/т.

Робота гідрокласифікатор КГ відрізняється від описаної вище роботи гідрокласифікатора ГКД-2 тим, що початкова суміш подається зверху в бак-дозатор і через розподільник гідросуміші потрапляє в приймально-розділову камеру. При вертикальному русі частинок у висхідних потоках води більш крупні частинки і частинки, близькі за розміром до граничних зерен, з прийомно-разподільної камери потрапляють в класифікаційну камеру, куди подається чиста вода для остаточної класифікації по заданому граничному зерну. Дрібний продукт виводиться через верхню зливну трубу, крупний -- через нижній розвантажувальний отвір.

До даного класифікатора можна під'єднати спеціальну розвантажувальну камеру, в якій крупна фракція піску частково обезводнюватиметься до вогкості 25%. Класифікатори КГ випускають трьох типорозмірів продуктивністю 300--2200 м3/ч по початковій водогрунтовій суміші і продуктивністю 25--400 м3/ч по початковому піску.

Для отримання товарної фракції із стабільним зерновим складом на даних класифікаторах необхідно забезпечити постійне живлення як по зерновому складу, так і по консистенції пульпи, що поступає.