Классификация материалов

Скорость проведения процессов и длительность их осуществления с присутствием твердой фазы (измельчение, растворение, адсорбция, сушка, химические реакции и т.д.) определяются размером частиц, находящихся в обрабатываемой среде. Поэтому для осуществления таких процессов стараются использовать частицы близкого размера, которые получают чаще всего классификацией исходного сырья.

Классификация – процесс разделения сыпучего материала на части (фракции, классы) с различным размером содержащихся в них кусков и частиц.

Основными способами классификации являются:

· грохочение (механическая классификация) – рассев сыпучих материалов на ситах, решетках или других устройствах;

· гидравлическая классификация – разделение смеси твердых частиц на фракции, основанное на их различной скорости осаждения в жидкости;

· воздушное (пневматическое) сепарирование – разделение твердых частиц на фракции, основанное на их различной скорости осаждения в воздухе.

Размер твердых частиц характеризуется их гранулометрическим составом, который выражается либо в виде таблиц, либо графически в виде интегральной (суммарной) или дифференциальной кривой.

Интегральная кривая (рис. 18.1, а) изображает суммарное процентное содержание всех фракций. Дифференциальная кривая (рис. 18.1, б) показывает процентное содержание отдельных фракций в материале. При этом на оси абсцисс откладывается размер час тиц, а на оси ординат – процентное содержание каждой фракции х, отнесенное к интервалу Δd размеров ее частиц. Кривая 1 (см. рис. 18.1) характеризует материал с разнородным размером частиц, кривая 2 – с более однородным размером.

Таким образом, содержание любой фракции равно площади под кривой, отсекаемой граничными размерами рассматриваемой фракции. Соответственно площадь под всей дифференциальной кривой составляет 100%.

Для гранулометрического анализа твердых веществ на практике применяют следующие методы: ситовый, микроскопический, седиментационный*, гидравлической и воздушной классификации.

При ситовом анализе навеска материала просеивается через набор сит с постепенно уменьшающимися размерами отверстий. Сита характеризуются их номером, который по ГОСТ 3584 соответствует размеру отверстий в миллиметрах. По стандарту Германии номер сита соответствует числу отверстий на 1 см, по стандарту США – числу отверстий («меш») на 1 дюйм (24,5 мм). Материал, прошедший через данное сито, обозначается знаком минус, а оставшийся на сите – плюс. Средний размер фракции на каждом сите обычно принимается как среднеарифметическое значение размеров отверстий этого и вышележащего сита.

При выборе размеров отверстий последовательных сит принимается постоянство отношения размеров отверстий смежных сит. Это отношение называется модулем. В зависимости от выбранного модуля ( по ГОСТ 3584) имеются различные системы серий сит.

Микроскопический анализ заключается в замере под микроскопом с измерительной шкалой частиц пробы. Необходимо учитывать, что микроскопический анализ непосредственно дает не массовые проценты фракций, а процентное число частиц в них. Под микроскопом можно измерить размеры частиц до 0,4 мкм, а при применении ультрафиолетового света – до 0,1 мкм. Электронный микроскоп позволяет видеть частицы размером до 0,001 мкм.

Седиментационный анализ заключается в отстаивании суспензированной пробы материала в инертной жидкости, при этом наблюдается количество осевшего материала за определенные интервалы времени. Пользуясь выражениями для скорости отстаивания частиц определенного размера, можно вычислить размер частиц, которые выпали в ту или иную (по времени отстаивания) фракцию на данной высоте сосуда.

Фракционный анализ может быть выполнен методом гидравлической классификации в восходящем потоке жидкости (воды). При скорости потока, большей скорости осаждения частиц заданного размера, фракция, состоящая из более мелких частиц, уносится с потоком.

При последующем увеличении скорости восходящего потока могут быть отделены все более и более крупные фракции. Аналогичная классификация может быть проведена и в восходящем потоке газа (воздуха).

Грохочение осуществляется на специальных рассеивающих устройствах (грохотах), к которым относятся:

· сита, изготавливаемые с квадратными или прямоугольными отверстиями. В зависимости от их размера различают рассев: грубый (десятки миллиметров), средний (миллиметры), тонкий (десятые доли миллиметров);

· решета, изготавливаемые из металлических листов, в которых штампуют круглые или продолговатые отверстия размером 510 мм;

колосники, представляющие собой стержни, чаще всего трапецеидального сечения. Такая форма препятствует забиванию отверстий, расширяющихся книзу.

Работа грохотов оценивается по двум показателям:

· эффективность грохочения – отношение веса просеянного (нижнего) продукта к общему весу твердого материала того же размера в исходном материале;

· производительность грохота – весовое количество материала, получаемого с 1 м поверхности сита.

Грохочение осуществляется непрерывно и периодически. В промышленности наибольшее распространение получило многократное непрерывное грохочение, осуществляемое следующими способами:

· от мелкого к крупному – через сита, расположенные в одной плоскости, размеры отверстий которых увеличиваются от каждого предыдущего сита к последующему (рис. 18.2, а);

· от крупного к мелкому – через сита, расположенные один над другим, размеры отверстий которых уменьшаются от верхнего сита к нижнему (рис. 18.2, б);

· комбинированным способом (рис. 18.2, в).

Достоинства грохочения первым способом – удобство обслуживания, ремонта и смены сит, небольшая высота грохота, удобство распределения отдельных фракций продукта по сборникам.

Недостатки – невысокое качество грохочения, так как отверстия мелких сит перекрываются крупными кусками, перегрузка и повышенное изнашивание мелких сит, значительная длина грохота.

Достоинства грохочения вторым способом – лучшее грохочение вследствие отсева в первую очередь наиболее крупны х кусков, меньшее изнашивание сит.

Недостатки – сложность ремонта и смены сит, большая высота грохотов, неудобный отвод готового продукта.

Недостатки первых двух способов грохочения удается в известной мере преодолеть при грохочении комбинированным способом.

Типы грохотов зависят от формы рабочей поверхности, различают плоские и барабанные (цилиндрические) грохоты. Принцип действия грохотов основан на просеивании сыпучего материала при его движении вдоль рабочей поверхности грохотов.

Плоские грохоты по конструкции рабочей поверхности разделяют на решетчатые, ситовые, колосниковые и валковые.

Для предварительного грохочения (отделения мелочи или больших кусков) используют неподвижные грохоты, рабочая поверхность которых установлена с углом наклона 30...50°, аналогичные конструкциям, изображенным на рис. 18.2. Движение твердых частиц вдоль их поверхности осуществляется путем естественного скатывания материала, однако грохот дает несовершенное разделение частиц по размерам, а также может легко забиваться.

Указанных недостатков частично лишены роликовые грохоты, рабочая поверхность которых состоит из параллельно расположен­ных валов с насаженными на них роликами или дисками, вращающимися в направлении движения сортируемого материала, причем скорость их вращения постоянно возрастает, что препятствует забиванию зазоров между ними.

Мелкие частицы проваливаются в зазор между роликами, крупные – разгружаются в конце грохота.

Значительная интенсификация и повышение эффективности процесса грохочения достигается путем придания рабочей поверхности грохотов колебательного движения.

По устройствам привода ситовые грохоты делят на качающиеся, гирационные и вибрационные.

Качающийся грохот представляет собой прямоугольный короб ситом, установленный на пружинящих опорах, которому сообщаются качания от эксцентрикового механизма. Короб устанавливается на 4...6 наклонных пружинящих стержнях. При качаниях грохота, наклоненного к горизонту по углом 7...14°, материал перемещается вдоль сита; при этом нижний продукт просеивается, а верхний сбрасывается с разгрузочного конца грохота.

Наклон грохота, частота вращения эксцентрикового вала и длина хода сита для получения достаточной производительности эффективности грохочения устанавливаются опытным путем. Обычно частота вращения эксцентрикового вала составляет 300...500 об/мин.

Качающиеся грохоты применяют для классификации сухим и мокрым способом твердых материалов с размером кусков не более 50 мм.

Достоинства качающихся грохотов – большая производитель­ность, чему колосниковых и барабанных грохотов, высокая эффективность грохочения, компактность, удобство обслуживания ремонта.

Недостатки грохотов – неуравновешенность конструкции, в результате работа их сопровождается сотрясениями и толчками.

Гирационный грохот представляет собой короб с одним или двумя ситами, совершающий круговые движения в вертикальной плоскости с помощью эксцентрикового вала.

Спокойная работа вследствие уравновешенности конструкции, высокие производительность и эффективность грохочения – основные достоинства гирационных грохотов.

Вибрационный грохот состоит из плоского и обычно наклонного сита, совершающего с помощью вибратора 900...1500 колебаний в минуту с амплитудой 0,5 ... 12 мм. У вибрационных грохотов жесткая связь между элементами грохота полностью или частично отсутствует, вследствие чего амплитуды колебаний сита в различных точках его поверхности неодинаковы и зависят от числа колебаний, упругости опорных пружин, движущейся массы грохота с материалом и других факторов.

Преимущества вибрационных грохотов – отсутствие забивки материалом отверстий сит при любых режимах работы; более высокая производительность и эффективность грохочения, чем у грохотов других типов; пригодность для грохочения влажных материалов; компактность; относительная легкость регулирования и простота смены сит; меньший, чем для других грохотов, расход энергии.

Барабанный грохот (рис. 18.3) представляет собой барабан 2 цилиндрической, конической или многогранной формы, выполненный из сетки или перфорированных стальных ластов. Барабан открыт с торцов и установлен под углом 4...7° (барабаны конической формы устанавливаются горизонтально). При вращении барабана с помощью приводного механизма 3 с окружной скоростью 0,6... 1,25 м/с материал, поступающий через патрубок 1, перемещается вдоль его поверхности, причем размер отверстий чаще всего уменьшается по ходу движения материала.

Многогранные грохоты (бураты) применяют для сравнительно тонкого грохочения. В буратах возможна быстрая смена сит, установленных на каждой грани.

Достоинства барабанных грохотов – простота конструкции и обслуживания, хорошее качество классификации. Однако эти устройства имеют высокую металлоемкость и низкую удельную производительность с единицы поверхности сита, легко забиваются.

Гидравлическая классификация происходит в движущихся потоках капельной жидкости (восходящем, горизонтальном, вращающемся и т. п.), скорость которых подбирается таким образом, чтобы частицы меньше определенного размера уносились в слив, а большего оставались в классификаторе. В отличие от грохочения гидравлическая классификация применяется для разделения мелких материалов (0,05...5 мм и менее).

К основным типам гидроклассификаторов относятся: многосекционные; конические; спиральные или шнековые; реечные и реечно-чашевые, или грибковые; центробежные.

Спиральный классификатор (рис. 18.4) представляет собой установленное под углом 12...18° корыто 3, внутри которого со скоростью 2,5...17 об/мин вращаются одна или несколько спиралей 2, погруженные в суспензию и перемещающие ее вместе с крупными частицами в верхнюю часть корыта. Суспензия с более мелкими частицами удаляется из нижней части классификатора через порог 1. Эффективность классификации зависит от угла наклона корыта, числа оборотов спиралей, концентрации твердого материала в суспензии.

В реечных классификаторах перемещение суспензии вдоль наклонного корыта осуществляется рамами со скребками, совершающими возвратно-поступательное движение. Число качаний рам с грибками составляет 14...28 в минуту. Однако по сравнению со спиральными классификаторами реечные имеют несколько меньшую удельную производительность и более сложную конструкцию. Спиральные и реечные классификаторы часто работают в замкнутом цикле с измельчителями.

Высокую производительность и эффективность, особенно при обработке мелких частиц, обеспечивают центро6ежнъте классификаторы, в качестве которых используются гидроциклоны (см. рис. 3.19) и отстойные центрифуги со шнековой выгрузкой (см. рис. 3.13).

Воздушная классификация отличается от гидравлической классификации тем, что скорость осаждения частиц в воздухе значительно выше, чем в воде, поэтому воздушная сепарация осуществляется обычно в восходящем воздушном потоке.

Сепараторы делятся на воздушно-проходные и воздушно-циркуляционные (рис. 18.5).

В воздушно-проходном сепараторе (рис. 18.5, а) поток воздуха с твердым материалом поступает по патру6ку 1 со скоростью 15...20 м/с, омывает отбойный конус 2, проходит по кольцевому пространству между корпусом 3 и внутренним конусом 4 и затем через тангенциально установленные лопатки завихрителя 5.

Выделение крупных твердых частиц из исходной смеси происходит сначала в кольцевом пространстве между корпусом 3 и конусом 4 под действием силы тяжести вследствие резкого снижения скорости воздушного потока в этом пространстве (до 4...6 м/с). Дальнейшая сепарация осуществляется под действием центробежных сил, возникающих при закручивании потока в лопатках завихрителя 5. При этом крупные частицы отбрасываются на внутреннюю стенку конуса 4, попадают на отбойный конус 2 и удаляются через патрубок 7, предварительно подвергаясь дополнительному разделению в воздушном потоке кольцевого пространства. Тонкая фракция вместе с воздухом отводится через патрубок 6.

Сепараторы этого типа позволяют разделять материал по граничному составу 150 ... 200 мкм. Эффективность разделения можно регулировать изменением скорости воздуха и положения лопаток завихрителя.

Воздушно-циркуляционные сепараторы (рис. 18.5, б), позволяющие осуществлять более тонкое разделение (по границе 30 ... 60 мкм), отличаются от воздушно-проходных тем, что воздушный поток циркулирует внутри аппарата и не выводится наружу.

Разделяемый материал по патру6ку 1 поступает на вращающийся диск 2. Крупные частицы отбрасываются центробежной силой к стенке конуса 3, опускаются по ней и удаляются через патрубок 4. На валу 10 тарелки укреплено вентиляторное колесо 9,

создающее поток воздуха, циркуляция которого показана на рис. 18.5, б стрелками. Циркулирующий пылевоздушный поток, проходя между лопатками завихрителя 8, под действием центробежных сил дополнительно освобождается от крупных частиц, которые по внутренней поверхности конуса 7 отводятся к патрубку 4. В корпусе 6 аппарата улавливаются частицы мелкой фракции, которые удаляются через патрубок 5. Процесс выделения мелкой фракции в корпусе 6 аналогичен выделению пыли в циклонах. Центробежное ускорение потоку в корпусе 6 сообщает вентиляторное колесо 9.

Выполняя одновременно функции классификатора, вентилятора и циклона, воздушно-циркуляционные сепараторы по сравнению с воздушно-проходными более компактны и требуют меньших затрат энергии.