Процесс измельчения

 

Введение

Измельчением называется процесс уменьшения размеров кусков (зерен) материала путем разрушения их под действием внешних сил, преодолевающих внутренние силы сцепления, которые связывают между собой частицы твердого вещества. Условно принято считать, что дробление - это измельчение кусков от 1 м в поперечнике до 10-20 мм, а размол - измельчение частиц до размера менее 5 мм.

Измельчение материалов широко используется в химической и  других отраслях промышленности. В  химической технологии процесс измельчения  включен в большинство технологических  схем, так как от величины поверхности  твердых материалов зависит интенсивность  многих химических процессов. Поэтому, чтобы повысить качество и выход конечного продукта, материалы измельчают. Конечная крупность получаемых при измельчении продуктов устанавливается исходя из требований технологии потребляющих производств.

Процесс измельчения широко используется для измельчения апатитов и фосфоритов, серного колчедана в производстве серной кислоты, самородной серной руды, в производстве цианамида кальция, известняка в производстве преципитата, в производстве ультрамарина, в производстве литопона, в производстве двуокиси титана и в других производствах.

В химической технологии применяют все виды измельчения, начиная от крупного, когда размер кусков достигает 1 м, и кончая коллоидным, когда размер частиц достигает долей микрона.

Разнообразие типов и размеров измельчителей объясняется особенностями химических производств и многообразием их масштабов. Существуют небольшие измельчители, производительность которых составляет несколько килограммов час, и установки производительностью до 1500 т/ч.

В зависимости от крупности исходного сырья и требований к конечному продукту измельчения материала производят или в один прием  (в одном измельчителе), или в несколько приемов (в измельчителях, установленных последовательно). Характер исходного сырья и требуемая степень измельчения

  

 

определяют число ступеней измельчения и типы применяемого оборудования.

В различных производствах  удельный объем процесса измельчения  неодинаков. В одних он играет основную роль, в других – вспомогательную. Однако там, где химической переработке подвергается твердое минеральное сырье, а также, когда выпускаемый продукт поставляется в виде порошков или пудры, измельчение твердого  материала как звена технологический схемы – обязательно.

С развитием химии  объем перерабатываемого сырья непрерывно увеличивается, следовательно, возрастает потребность в оборудовании для измельчения и увеличиваются требования к самому процессу измельчения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Раздел 1.Технологическая  характеристика процесса и аппарата для измельчения твердых материалов.

1.1.Теоретические  основы процесса измельчения  твердых материалов.

1.1.1.Общие сведения.

Измельчением называют процесс разрушения кусков твердого материала при критических внутренних напряжениях, создаваемых в результате какого-либо нагружения и превышающих соответствующий предел прочности. Напряжения в материале могут создаваться механическим нагружением, температурными воздействиями, ультразвуковыми колебаниями и др. Наибольшее применение в современном производстве имеют механические способы измельчения.

Измельчение делят на дробление и помол, а машины, применяемые  для этих целей, называются дробилками и мельницами. В зависимости от размеров частиц продукта различают следующие виды измельчения, приведенные на табл.1:

Таблица 1

Классы измельчения	Размер кусков до измельчения dН, мм	Размер кусков после  измельчения dК, мм
Крупное (дробление) Среднее (дробление) Мелкое (дробление) Тонкое (размол) Коллоидное (размол)	1000÷200 250÷50 50÷25 25÷3 0,2÷0,1	250÷40 40÷10 10÷1 1÷0,4 до 0,001

 

Основной характеристикой процесса измельчения является степень измельчения, которая определяется соотношением средневзвешенных размеров частиц материала  до и после измельчения:

                                                       i = d_н / d_к .

Степень измельчения  отражает технологию и определяет параметры  измельчителей.

С целью обеспечения эффективности  измельчение материала от исходной до конечной крупности осуществляется, как правило, в несколько приемов, с последовательным переходом от крупного дробления к более мелкому и к помолу

 

 

с постадийным разделением  материала по классам. Следовательно, процесс измельчения целесообразно осуществлять последовательно на нескольких измельчителях. Каждый отдельный измельчитель выполняет часть общего процесса, называемую стадией измельчения.

Число стадий измельчения  определяется требуемой степенью измельчения. Например, если в исходном твердом  материале содержатся куски размером до 1200 мм, а готовый продукт должен содержать частицы с максимальным размером до 40 мм, то общая степень измельчения i_o = 1200 / 40 = 30 .

Степень измельчения, достигаемая  на одной машине, для большинства  видов дробильного оборудования не превышает 3 – 7. Поэтому для обеспечения i = 30 необходимо применить несколько стадий дробления, например: i₁ = 3, i₂ = 3, i₃ = 4. Тогда i_o = i₁i₂i₃ = = 36, т.е. требуется минимум три стадии измельчения.

В то же время следует отметить, что увеличение стадий дробления  приводит к повышению капитальных  затрат на строительство заводов, переизмельчению материала и к удорожанию эксплуатации завода. Поэтому выбор схемы измельчения следует осуществлять из условия обеспечения минимального числа стадий дробления. Однако, в ряде случаев только применение многостадийных схем (четырех- и пятистадийных) обеспечивает получение готового продукта в необходимом объеме и высокого качества.

Энергозатраты, нагрузки на элементы измельчителей и качество продукта зависят от прочности, хрупкости, твердости, упругости, абразивности и плотности твердых материалов.

Прочность – свойство твердого материала сопротивляться разрушению при возникновении внутренних напряжений, появляющихся в результате какого-либо нагружения. Обычно прочность твердых материалов оценивается пределом прочности при сжатии σ_c. По величине σ_c измельчаемые материалы делят на мягкие (σ_c < 80 МПа), средней прочности (σ_c = 80 – 150 МПа), прочные (σ_c=150 – 250 МПа) и очень прочные ( σ_c > 250 МПа).

При других видах деформаций прочность твердых материалов существенно ниже. Например, предел прочности известняка, гранита составляет при

 

 

 

растяжении 2 – 5%, при изгибе 8 – 10% и при сдвиге 10 – 15% предела прочности при сжатии.

Хрупкость – свойство твердого материала разрушаться без заметных пластических деформаций. Она определяется на специальном копре числом ударов мерного груза. По числу ударов, выдерживаемых образцами, твердые материалы делят на очень хрупкие (до 2), хрупкие (2 – 5), вязкие (5 – 10), очень вязкие (более 10).

Абразивность – способность перерабатываемого материала изнашивать рабочие органы машины. Ее оценивают в граммах износа эталонных бил, отнесенных к одной тонне измельченного материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.2.Физико-механические основы измельчения твердых материалов.

Основной вопрос теорий измельчения состоит в установлении связи между затратами энергии и размерами конечных и начальных кусков материала, их формой, взаимным расположением, физико-механическими свойствами и т.п. В связи с многочисленностью влияющих факторов существующие теории измельчения характеризуют энергозатраты в общем виде с учетом лишь наиболее важных параметров процесса и материала.

Согласно гипотезе П. Риттингера работа при измельчении  материала пропорциональна площади вновь образованной поверхности ΔF:

                                          ,           (1.1)

где K₁ – коэффициент пропорциональности.

Величину ΔF можно выразить через начальные d_н и конечные d_к размеры кусков измельчаемого материала. Если предположить, что куски имеют форму куба с размером ребер d_н до и d_к = d_н / i после измельчения, то можно определить:

           

При дроблении Q (м³) материала со средним размером кусков d_н общее число измельчаемых частиц равно , а работа дробления в соответствии с формулой (1.1):

                                

При массе измельчаемого  материала Q_м (кг):

                  

где ρ – плотность материала; K_R – коэффициент пропорциональности между затраченной работой и вновь образованной поверхностью.

Теория Риттингера не учитывает изменения формы тел при измельчении. Вследствие этого она не пригодна для описания процессов дробления в случаях, когда готовый продукт имеет малую удельную поверхность.

Кирпичев В.Л. (1874) и  Ф. Кик (1885) установили, что энергия, необходимая для одинакового изменения формы подобных и однородных тел,

 

 

пропорциональна их объемам, т.е.

                                             

где k₂ – коэффициент пропорциональности.

При измельчении Q_м (кг) материала со средним размером кусков d_н общее количество измельчаемых кусков равно , соответственно, работа измельчения:

                                           

где ρ – плотность куска, кг/м³.

Рассмотренные гипотезы измельчения отражают только часть сложных процессов, происходящих при измельчении.

Теория Кирпичева-Кика оценивает энергию, расходуемую на деформирование материала, и не учитывает затраты на образование новых поверхностей. Ее целесообразно применять при крупном и среднем дроблении, когда влияние вновь образованных поверхностей незначительно. Теория Риттингера не учитывает затраты энергии на упругую деформацию кусков. Она наиболее применима при мелком дроблении и помоле материалов.

В реальном процессе измельчения деформирование кусков и образование новых поверхностей происходит одновременно. В связи с этим многие ученые стремились оценить эти явления в комплексе. Так, П.А. Ребиндер (1940) и Ф. Бонд (1951) предложили определять энергозатраты при дроблении с учетом работы как деформации кусков, так и образования новых поверхностей.

На основании опытных  исследований предложена эмпирическая формула для расчета мощности электродвигателя дробилок:

                   

где E_i – энергетический показатель, зависящий от физико-механических свойств измельчаемого материала; K_м – коэффициент масштабного фактора (определяется в зависимости от d_н); d_н – средневзвешенный размер кусков исходного материала, м; Q_м – производительность, кг/с.

 

 

 

1.1.3.Способы  измельчения твердых материалов.

Твердый материал можно  разрушить и измельчить до частиц желаемого размера раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, резанием, распиливанием, истиранием, ударом и различными комбинациями этих способов.

Раздавливание (рис. 1.1, а) – тело под действием нагрузки деформируется по всему объему и, когда внутреннее напряжение в нем превысит предел прочности сжатию, разрушается. В результате такого разрушения получают частицы различного размера и формы.

Раскалывание (рис. 1.1, б) – тело разрушается на части в местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых клинообразными рабочими элементами измельчителя. Образующиеся при этом частицы более однородны по размерам и форме, хотя форма, как и при раздавливании, непостоянна. Способ раскалывания по сравнению с раздавливанием позволяет регулировать крупность получаемых частиц.

Разламывание (рис. 1.1, в) – тело разрушается под действием изгибающих сил. Размеры и форма частиц, получающихся при разламывании, примерно такие же, как и при раскалывании.

Резание (рис. 1.1, г) – тело делиться на части заранее заданных размеров и формы. Процесс полностью управляемый.

При распиливании (рис. 1.1, д) результаты получаются такие же, как и при резании. Процесс полностью управляем, и частицы имеют заранее заданный размер и форму.