Воздушная сепарация

Классификация материала в жидкой и воздушной средах

Разделение продуктов по фракциям в жидкой или воздушной средах, а также гравитационные методы обогащения сырьевых материалов основаны на различии в скоростях падения частиц разного размера и плотности в этих средах. Как известно, падение тел может быть свободным и стесненным. В классификационных аппаратах любой конструкции движения частиц в жидкости и газе происходит в стеснённых условиях, которое характеризуется взаимным влиянием частиц, двигающихся в потоке жидкости или газа. При этом гидродинамические условия обтекания их иные, чем при свободном движении.

При стеснённом падении встречные потоки жидкости, обтекающие частицы, движутся в промежутках между ними. Сужение потоков увеличивает градиент относительной скорости жидкости, что, в свою очередь увеличивает касательные силы, действующие на частицы, т.е. увеличивает гидродинамическое сопротивление. При действии одной и той же активной силы (например, силы тяжести) скорость частиц при совместном падении будет меньше скорости их свободного падения.

Чем больше объёмная концентрация твёрдой фазы во взвеси, а, следовательно, меньше расстояние между частицами, тем меньше скорость стесненного падения. В классификационных аппаратах стесненное падение частиц происходит в потоке жидкости, ограниченной стенками аппарата. Вследствие воздействия турбулентных вихрей, срывающихся со стенок, в аппарате происходит перемешивание частиц как в продольном, так и в поперечном направлениях. Кроме того, распределения скоростей по сечению неравномерно – меньше у стенок и выше в центре. Из-за неравномерности скоростей потока по сечению и поперечному перемешиванию скорости частиц относительно стенок аппарата различны.

Установлено, что в полидисперсных взвесях скорость падения крупных частиц уменьшается по сравнению со скоростью их падения при отсутствии мелких частиц (при одном и том же общем объемном содержании твердого компонента). Скорость падения мелких частиц при наличии в пульпе крупных наоборот, увеличивается. При осаждении крупных частиц преобладающие значение имеет динамическое сопротивление, а при осаждении мелких – сопротивление трения.

Разделение материалов в газовых средах называют воздушной сепарацией, а в жидких – гидравлической классификацией.

Воздушную сепарацию применяют для сухих порошкообразных материалов крупностью менее 1 мм, когда использование вибрационных грохотов нерационально из-за малой производительности и быстрого износа тонких сит. Крупность материала, подвергаемого гидравлической классификации, в основном, не превышает 5 мм. В промышленности строительных материалов воздушная сепарация широко применяется при помоле цемента, гипса, извести, сухой глины.

Применение в качестве несущего агента горячего воздуха или дымовых газов позволяет совместить процессы помола и сушки в одном агрегате (например, аэробильные мельницы при производстве гипса). Воздушная сепарация позволяет повысить производительность помольного аппарата на 25…50% за счет своевременного удаления помольного продукта и снизить удельные затраты энергии на 10…20%, причем тем больше, чем выше тонкость помола.

Преимущественное распространение в промышленности строительных материалов получили проходные и циркуляционные сепараторы. В проходном сепараторе (рис. 3.21, а) воздух с исходным материалом по патрубку 1 поступает в полость между корпусами 2 и 3. За счет внезапного расширения канала скорость воздуха падает и крупные частицы, выпадая из взвесенесущего потока, через патрубок 7 отводятся на домол. Поток по направляющим лопаткам 4 поступает во внутренний конус 3, где закручивается. Регулируя угол поворота лопаток, меняют направление и скорость потока, изменяя тем самым границы разделения частиц. Мелкие частицы, выпадая из потока, отводятся по патрубку 6, а воздух со взвешенной пылью направляется по патрубку 5 в пылеосадительные устройства.

В циркуляционных сепараторах (рис. 3.21, б) пылевоздушная смесь образуется непосредственно в самом аппарате. По патрубку 1 классифицируемый материал попадает на вращающийся диск 5, расположенный на валу 2. Крупные частицы под действием силы тяжести падают вниз или же под действием центробежных сил сбрасываются на внутренний корпус 6. В обоих случаях они через воронку 11 попадают в выгрузочный патрубок 9. Вращающиеся вместе с диском 5 вентилятор 3 и крыльчатка 4 засасывают воздух из нижней зоны, который, поднимаясь вверх, подхватывает более мелкие частицы и поступает в пространство между внутренним 6 и внешним 8 корпусами, двигаясь по спирали вниз. Центробежная сила отбрасывает мелкие частицы к стенкам, где они, теряя скорость, выпадают из потока и стекают в патрубок 10. Через жалюзи 7 воздух снова поступает во внутренний корпус, где процесс повторяется. Граница разделения регулируется изменением угла установки жалюзей и радиуса расположения лопастей крыльчатки.

(а) – проходной сепаратор: 1 – входной патрубок; 2 – внешний корпус; 3 – внутренний корпус; 4 – направляющие лопатки; 5 – выходной патрубок; 6, 7 – разгрузочные патрубки соответственно мелкой и крупной фракции; (б) – циркуляционный сепаратор: 1 – входной патрубок; 2 – вал; 3 – вентилятор; 4 – крыльчатка; 5 – диск; 6 – внутренний корпус; 7 – жалюзи; 8 – внешний корпус; 9, 10 – выгрузочные патрубки соответственной крупной и мелкой фракции; 11 – воронка

Рисунок 3.21 – Принципиальные схемы проходного и циркуляционного сепаратора

Циркуляционные сепараторы по сравнению с проходными более компактны и экономичны, так как в одном аппарате объединены вентилятор и осадительные устройства.

Расчет разделяющих (сепараторов) и осаждающих (циклонов) аппаратов приведен в Приложении 3.