Измельчение твердых материалов

Известно, что сахарный песок растворяется в воде быстрее, чем кусочек сахара. Так и в технологическом процессе: чем мельче твердые частицы, участвующие в нем, тем быстрее он протекает. Это происходит потому, что суммарная площадь поверхности мелких частиц во много раз больше площади поверхности круп­ных кусков той же массы. Многие процессы происходят именно на поверхности твердой фазы, поэтому перед проведением ос­новного процесса важно измельчить твердый материал.

Измельчением получают материал с требуемым размером сы­пучих частиц. По круп ноет и образующихся частиц из­мельчение условно подразделяют на дробление и размол. При дроб­лении получают мелкие куски материала, а при размоле — поро­шок, причем граница между этими категориями весьма расплыв­чата. Оба процесса характеризуются одним и тем же параметром — степенью измельчения — отношением размеров зерен (частиц) до и после измельчения.

Однако частицы твердого материала, за редким исключением, не имеют правильной формы, и их размеры невозможно одно­значно измерить и сопоставить. Для проведения сравнения исполь­зуют так называемый ситовый анализ: материал просеивают через несколько сит с разными размерами ячеек и таким образом раз­деляют его на фракции. В каждой фракции содержатся частицы неодинаковых размеров, но находящихся в достаточно узких пре­делах: не более одной и не менее другой величины. В итоге срав­нивают диапазоны размеров частиц, содержащихся в разных фрак­циях, а не размеры отдельных частиц.

Рис. 4.1. Способы измельчения материала: а — раздавливание; 6 — удар; в— истирание; г — раскалывание

В зависимости от конечного результата различают сле­дующие категории измельчения: крупное дробление с размером получаемых кусков до 40 мм: среднее дробление — до 6 мм; мелкое дробление — до 1 мм: тонкое измельчение (размол) — примерно до 0,1 мм; сверхтонкое измельчение (размол) — до 0,01 мм.

По характеру механического воздействия разли­чают несколько способов измельчения кусков, зерен и частиц твердого материала: раздавливание, удар, истирание и раскалы­вание. Суть этих механических воздействий на материал иллюст­рирует рис. 4.1. Раздавливание обычно применяют при крупном и среднем дроблении, а истирание — при тонком измельчении.

В зависимости от того, добавляют воду при проведении процесса или нет, различают мокрый и сухой способы измельче­ния. Крупное и среднее дробление проводят, как правило, сухим способом. Более тонкие виды измельчения могут быть осуществ­лены как сухим, так и мокрым способами.

В реальных производственных условиях перечисленные спосо­бы разрушения чаще всего комбинируют. Например, для хрупких материалов средней твердости может быть использовано сочета­ние удара, раскалывания и истирания.

По числу проходов материала через измельчающие машины различают открытую или замкнутую схему проведения процесса. В случае применения открытой схемы материал проходит через дробилку или мельницу однократно. При использовании зам­кнутой схемы материал с размерами частиц, превышающими тре­буемые, возвращают на повторную процедуру измельчения. Перед возвращением измельченный материал разделяют на фракции — проводят классификацию (см. гл. 5). Мелкие фракции выводят из установки, следуя принципу «не дробить ничего лишнего».

В соответствии с категориями измельчения материала машины для измельчения разделяют на дробилки, предназначен­ные для крупного, среднего и мелкого дробления, и, мельницы, служащие для тонкого и сверхтонкого измельчения. И те и другие машины классифицируют по конструктивному исполнению измельчающих элементов (рис. 4.2).

В конструкциях задействован либо один способ измельчения, либо сочетание разных способов. Например, в щековой дробилке происходит раздавливание, а в маятниковой мельнице — раздав­ливание и истирание.

Рис. 4.2. Классификация машин для измельчения твердых материалов

Щековые дробилки. Дробилки этого типа (рис. 4.3) предназна­чены для измельчения крупнокускового материала методом раз­давливания.

Рис. 4.3. Щековая дробилка: 1 — неподвижная плита (щека); 2 — подвиж­ная щека; 3 — ось; 4 — тяга с пружиной; F— сила раздавливания

Щековые дробилки отличаются компактностью, простотой устройства и обслуживания. Однако из-за неурав­новешенности движущихся частей их работа сопровождается ударами и со­трясениями. Для предохранения зда­ний, в которых устанавливаются по­добные машины, щековые дробилки монтируют на тяжелых фундаментах.

Неподвижная плита (щека) 1 закреплена на массивной стани­не. Подвижная щека 2 подвешена на оси 3, относительно которой она качается. Движение в одну сторону происходит под действием кривошипно-шатунного механизма (на рисунке не показан), ко­торый передает рабочее усилие на разрушаемый материал, а в обратную сторону (холостой ход) — под действием тяги 4 с пру­жиной. На куски исходного материала, засыпаемые сверху через широкий зазор между щеками, действует сила раздавливания F. Раздробленный материал выпадает из рабочей зоны при отводе подвижной щеки.

При по­падании материала в зазор поверхность головки за счет трения о материал вращается в обратную сторону по отношению к направ­лению вращения эксцентрика.

Таким образом, между дробящей головкой и корпусом образу­ется зазор переменной ширины. При его уменьшении материал раздавливается, при увеличении — высыпается из рабочей поло­сти дробилки.

Конусные дробилки имеют довольно высокую производительность ввиду возможности проведения процесса в непрерывном ре­жиме, но конструктивно они более сложны, чем щековые дробилки.

Валковые дробилки. Такие машины измельчают кусковой материал при попадании его в зазор между вращающимися навстречу друг другу валками (рис. 4.5). Рабочие поверхности валков 1 и 2 могут быть гладкими, при этом материал раздавливается. Для хрупких материалов поверхность делают зубчатой. В этом случае разру­шение материала происходит в результате раскалывания и раздав­ливания. Валковые дробилки обычно используют для измельче­ния материалов средней твердости (известняк, соли, мел и др.).

Опоры одного валка неподвиж­ны, он вращается в подшипниках, закрепленных на станине. Другой валок подвижен, его опоры могут

Рис. 4.5. Валковая дробилка: 1 — неподвижный валок; 2 — подвижный валок; 3 — пружина

Рис. 4.7. Дезинтегратор: 1, 2 — роторы; 3 — воронка; 4 — пальцы; 5 — решетка

перемешаться по горизонтали при сжатии или растяжении пружины 3, что предотвращает разрушение вал­ков или подшипников. При попа­дании в дробилку чрезмерно проч­ного материала зазор между вал­ками увеличивается, и «опасный» кусок проваливается, не причиняя вреда машине. Валковые дробилки просты по устройству, компактны и надежны в работе, но непригодны для дроб­ления высокопрочных материалов. Молотковые дробилки. В молот­ковой дробилке (рис. 4.6) на рото­ре 1 подвижно, на шарнирах, под­вешены молотки 2. По периферии ротора, на верхней части корпуса закреплены стальные плиты 5, а в нижней части, под ротором, смонтирована колосниковая решетка 6.

Исходный материал проваливается в рабочую полость машины через воронку 3. Молотки, которые движутся с большой скорос­тью, ударяют по падающим кускам материала, частично разру­шают их и отбрасывают на плиты. При ударе о плиты дробление продолжается. Таким образом, в этой части дробилки действует «ударный» метод измельчения. Раз­дробленные куски материала попа­дают на колосниковую решетку, где под действием молотка допол­нительно измельчаются истирани­ем. Измельченный материал высы­пается через решетку. Дезинтеграторы. В дезинтеграто­ре (рис. 4.7) роторы 1 и 2, уста­новленные параллельно друг дру­гу, вращаются в противоположных направлениях. На каждом из них по окружностям закреплены пальцы 4

Рис. 4.6. Молотковая дробилка: 1 — ротор; 2 — молоток; 3 — во­ронка; 4 — корпус; 5 — плита; 6 — колосниковая решетка

так, что ряды пальцев одного ротора входят в пространство меж­ду рядами пальцев другого.

Материал, подаваемый в центральную часть дробилки через воронку 3, проваливается в рабочую зону, где движутся пальцы. Под их ударами он измельчается и проваливается через решетку 5 Куски материала, размер которых больше заданного, остаются в рабочей зоне, и их разрушение продолжается.

Дисмембраторы. В конструкции дисмембратора предусмотрено вращение одного ротора. Кроме того, пальцам дисмембратора при­дают форму ножей. Такие машины, предназначенные для измель­чения волокнистых материалов, одновременно срезают и разры­вают волокна.

Барабанные мельницы. В этих машинах (рис. 4.8) вращается ба­рабан 4, заполненный дробящими телами 5. Барабан может быть цилиндрической или цилиндроконической формы, коротким или длинным (трубная мельница). Измельчаемый материал загружают в барабан через полую цапфу 1, расположенную на его торцевой стенке. Измельченный материал выгружают либо через полую цап­фу 2 на противоположной торцевой стенке, либо через диафраг­му — поперечную решетчатую перегородку, размещенную внутри барабана (на рисунке этот вариант конструкции не показан). При­вод барабана осуществляется с помощью шестерни 3.

При вращении барабана дробящие тела в виде шаров или стерж­ней поднимаются на некоторую высоту за счет трения о стенку, а затем падают. Вместе с ними движется измельченный материал. При падении шары или стержни ударяют по кускам материала. Кроме ударов при взаимном движении материала и дробящих тел происходит процесс истирания. В барабанных мельницах исполь-

Рис. 4.8. Барабанная мельница: 1 — загрузочная полая цапфа; 2 — разгрузочная полая цапфа; 3 — приводная шестерня; 4 — барабан; 5 — дробящее тело

зуют как сухой, так и мокрый (в присутствии воды) методы из­мельчения.

Маятниковые мельницы. В шаровых мельницах некоторые ма­ териалы (пигменты, тальк, мел и др.) могут налипать на дробя­ щие шары, что затрудняет обработку таких материалов. Этого не­достатка лишены маятниковые мельницы, применяемые для тон­кого измельчения. На рис. 4.9 показана маятниковая роликоколь­цевая мельница.

В корпусе 4 на вертикальном валу закреплена крестовина 5. На ней свободно подвешены маятники 3, на нижних концах которых вращаются ролики 2. При вращении крестовины ролики под дей­ствием центробежных сил опираются на кольцо 1 и, вращаясь на маятнике, обегают кольцо. Материал подается питателем 6 на пе­риферию кольца и поступает в зазор между роликами и кольцом, где измельчается раздавливанием и истиранием. Измельченные ча­стицы засасываются воздухом в пневмотранспортную трубу 7.

Вибрационные мельницы. При вибрационном воздействии сила мала по величине, но действует многократно и безостановочно. Разрушение происходит из-за так называемой усталости материа­ла, когда образующиеся внутри него микротрещины не успевают смыкаться, а постепенно разрастаются вплоть до разлома.

Рис. 4.10. Вибрационная мельница: 1 — корпус; 2 — мелющие тела; 3 — груз-дебаланс; 4 — пружинная опора

Рис. 4.9. Маятниковая мельница: 1 — кольцо; 2 — ролик; 3 — маятник; 4 — корпус; 5 — крестовина; 6 — пита­тель; 7 — пневмотранспортная труба

В вибрационной мельнице инерционного типа (рис. 4.10) ци­линдрический корпус 1 установлен на пружинной опоре 4. Через подшипники корпус связан с валом, на котором эксцентрически закреплен груз-дебаланс 3. При вращении вала его колебательные движения (вибрация) передаются корпусу. Колебательные движе­ния корпуса носят отчасти круговой характер и имеют неболь­шую амплитуду.

Вкорпус загружают мелющие тела (шары) 2, которые пере­мещаются в сторону обратную направлению вращения вала, пе­рекатываясь и сталкиваясь друг с другом, в результате чего загру­женный вместе с ними материал подвергается истиранию и до­стигает категории тонкого или сверхтонкого измельчения. Измель­ченные частицы выносятся из корпуса воздухом в пневмотранспортном режиме.

Струйно-вибрационные мельницы. Измельчение происходит при многократном взаимном столкновении частиц, которые движутся с большой скоростью под воздействием воздушных струй.

Контрольные вопросы

1.С какой целью измельчают твердые материалы в технологических процессах химического производства?

2.Как классифицируют измельчение по крупности частиц получае­мого материала?

3.Какие способы разрушения материала используют в процессах измельчения?

4.В чем состоит особенность измельчения по замкнутой схеме?

5.Приведите примеры конструкций дробилок и мельниц. Опишите их устройство и принцип действия.

Глава 5