АННОТАЦИЯ
В
настоящем дипломном проекте разработана установка для переработки отходов слюдопластового
производства на «Слюдяной фабрике» в Колпино.
Актуальность
темы обусловлена необходимостью решения проблемы утилизации отходов
производства, которой должно уделяться особое внимание, так как использование
техногенных минеральных ресурсов является важной составной частью государственной
политики ресурсосбережения и охраны окружающей среды. Настоящая разработка
позволяет практически полностью использовать отходы, имеющие 3-4 класс
опасности. В настоящее время отходы размещаются на территории предприятия, а
затем вывозятся и захораниваются, что приносит немалые убытки предприятию.
Внедрение же разработанной установки позволит не только снизить отрицательное
воздействие на экологию, но и получить экономический эффект. Годовая прибыль от
реализации продукта переработки - слюды флогопит мокрого помола 315 составит
около 2 млн. руб. в год, и это не считая экономии на вывозе и утилизации
отходов другими предприятиями. Срок окупаемости установки - 2 года.
Главными
техническими решениями, принятыми в данной работе являются использование для
помола шаровой барабанной мельницы с разгрузкой через решетку, классификация
при помощи гидроциклона, отжим слюдяной пульпы в осадительной горизонтальной
шнековой центрифуге и окончательное удаление влаги в сушилке кипящего слоя.
При
помощи технологических расчетов выявлены основные конструктивные размеры
оборудования и его потребное количество. Конструктивные расчеты выполнены для
сушилки кипящего слоя. Рассчитана толщина стенки корпуса аппарата, толщина
газораспределительной решетки, произведен расчет укреплений отверстий,
фланцевого соединения и др.
В
качестве объекта автоматизации выбрана спроектированная сушилка кипящего слоя. Нормальная
работа сушилок КС возможна только при определенной высоте кипящего слоя, с
целью поддержания заданного значения этого параметра стабилизируется
гидродинамическое сопротивление слоя, т. е. перепад давлений до и после
решетки, воздействием на вариатор электродвигателя питателя сухого материала.
Сушилка
кипящего слоя является наиболее опасным аппаратом установки для переработки
отходов. Поэтому она выбрана в качестве основного объекта анализа с точки
зрения безопасности. Универсальное оборудование эксплуатируется в соответствии
с технической документацией завода-изготовителя и паспортом промышленной
безопасности объекта.
В
данной пояснительной записке содержатся 33 рисунка и 18 таблиц, общий объем -
114 страниц. К пояснительной записке прилагаются 9 чертежей.
СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
2.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
2.1 Производство слюдопластовых электроизоляционных материалов
2.2
Образование отходов при производстве слюдопластовой бумаги
2.3 Продукт
переработки отходов - молотая слюда флогопит
2.4
Измельчение
2.5
Классификация
2.6
Центрифугирование
2.7 Сушка
2.8
Транспортирование материала
2.9
Технические решения
3.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
3.1 Расчет
барабанной мельницы
3.2 Расчет
классификатора
3.3 Подбор насосов
3.4 Расчет центрифуги
3.5 Расчет
сушилки с кипящим слоем
3.5.1
Материальный и тепловой баланс процесса горения
3.5.2
Тепловой и материальный баланс процесса сушки
3.5.3
Тепловой конструктивный расчет
3.6 Подбор циклона
3.7 Подбор
фильтра
3.8 Расчет
топочного устройства
3.9 Подбор
газодувки
3.10 Подбор питателей
4.
КОНСТРУКТИВНЫЕ РАСЧЕТЫ
4.1 Расчет
сушилки кипящего слоя
4.1.1 Выбор
материала аппарата
4.1.2 Расчет
толщины обечайки
4.1.3 Расчет
толщины газораспределительной решетки
4.1.4 Расчет
штуцеров и подбор фланцев
4.1.5 Расчет
фланцевого соединения
4.1.6 Расчет
укрепления отверстий
4.1.7 Расчет тепловой
изоляции
4.1.8 Расчет
опор аппарата
5. СИСТЕМА
АВТОМАТИЗАЦИИ
6.
БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ
6.1
Производственная безопасность
6.2
Экологическая безопасность
6.3
Возможные неполадки и аварийные ситуации, способы их устранения
7.
РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
8. СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы дипломной работы обусловлена необходимостью
решения проблемы утилизации отходов производства, которой должно уделяться
особое внимание, так как использование техногенных минеральных ресурсов
является важной составной частью государственной политики ресурсосбережения и
охраны окружающей среды. Ежегодно на территории России накапливается 3,5 млрд.
т техногенных отходов, но уровень их использования продолжает оставаться крайне
низким. Необходимо постоянно улучшать качество и количество используемых
минерально-сырьевых ресурсов на всех стадиях от добычи полезных ископаемых и
переработки сырья до выпуска и использования конечной продукции. В силу
вышесказанного, появляется объективная необходимость в разработке максимально
возможной безотходной технологии, позволяющей наиболее полно использовать
отходы производства.
Сегодня проблема утилизации отходов горнодобывающего и
горноперерабатывающего производств чрезвычайно актуальна в силу различных
причин. С одной стороны, происходит истощение разрабатываемых месторождений, а
дальнейшая их разработка требует крупных капитальных вложений. В такой ситуации
возможно вовлечение в переработку так называемых техногенных образований. С
другой стороны, особый интерес представляет переработка текущих отходов
производства, позволяющая наиболее рационально извлечь из них ценные
компоненты, снижая количество вновь поступающих отходов. Основная масса
добываемых и перерабатываемых сегодня слюд идет на производство
электроизоляционных материалов, среди которых следует выделить слюдяную бумагу,
слюдопластоленту, слюдопласт, микалекс, миканит. Производство любого вида
продукции из слюды сопровождается наличием определенного количества
технологических отходов (от 10 до 40%).
На «Слюдяной фабрике» наибольшее количество отходов
образуется при производстве слюдопластовой бумаги из слюды флогопит. Среди
видов отходов следует выделить нерасщепленную слюду, слюду в оборотной воде,
укрупненные частицы - «хвосты» и «мику» в отходящей воде. Отходам слюды присвоен
4 класс опасности, степень вредного воздействия на окружающую природную среду -
низкая. Критерием отнесения к данному классу является нарушение экологической
системы с периодом самовосстановления не менее 3-х лет. Слюда флогопит
мелкодисперсная имеет 3 класс опасности, для которого период восстановления -
не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника.
Вовлечение этих отходов в переработку позволит решить проблему их утилизации и
снизить себестоимость основной продукции - слюдопластовой бумаги.
Существующие сейчас на «Слюдяной фабрике» способы утилизации
отходов слюдяного производства имеют огромное количество недостатков. Для
складирования требуются все большие и большие территории, отходы проникают в
почву, нарушая обменные процессы в природной среде. Дальнейшее захоронение
отходов опять же требует новых территорий. Подземные свалки не заметны на
первый взгляд, но на поверхности земли над ними почва отравлена и разрыхлена,
она не пригодна, ни для строительства, ни для земледелия, ни для выпаса скота.
Таким образом, единственным, относительно экологически чистым, способом борьбы
с промышленными отходами, на сегодняшний день, является переработка отходов.
Отходы, получаемые в процессе производства слюдопластовой
бумаги и слюдопласта, по своим характеристикам близки к природным компонентам,
поэтому могут быть вторично вовлечены в производство. Продукт переработки
отходов производства слюдопластовой бумаги - молотая слюда флогопит пользуется
спросом на рынке и находит применение в различных отраслях промышленности.
Отходы слюдяной пульпы образуются в результате сброса из системы расщепления находятся
в отстойниках в водной среде. Это обстоятельство определяет способ помола,
которым производится порошок слюды флогопит. Слюда мокрого помола используется,
в основном, в качестве наполнителя для производства «перламутровых» красок для
автомобильной промышленности и в качестве добавок во всевозможные лаки и
шпаклевки, что придает им влагоустойчивость, морозоустойчивость и стойкость
против коррозии. Уникальные светоотражающие и светопреломляющие свойства слюды
мокрого помола обусловили ее применение в производстве художественных обоев и в
косметической промышленности в качестве наполнителя при производстве средств
макияжа (тени, пудра, помада с эффектом блеска и т.д.). Также молотую слюду
флогопит используют для производства резины и в качестве наполнителя в
пластмассу.
Таким образом, разработка установки для переработки отходов слюдопластового
производства актуальна не только из-за необходимости снижения отрицательного
воздействия на окружающую среду, но и по экономическим соображениям.
К сожалению, на сегодняшний день нельзя говорить о
достаточной степени изученности проблемы по использованию отходов слюдяного
производства. Проведенный анализ литературы показал, что в настоящее время
уделяется недостаточное внимание вопросам утилизации отходов слюдяного
производства как в форме техногенных образований, так и текущим
производственным отходам. Но все же стоит отметить, что кое-какие исследования
и разработки в этой области ведутся.
В 2008 году при Иркутском государственном техническом
университете Перфильевой Ю. В. была разработана технология извлечения слюды из
отходов горно-обогатительных и слюдоперерабатывающих предприятий.
«Нижнеудинская слюдинитовая фабрика» являлась базой
эксперимента. Производственные отходы этой фабрики были использованы в качестве
исходного компонента для производства модифицированного микалекса. Отходы
фабрики можно разделить на две группы - отходы слюдяного производства (включают
5 видов) и отходы слюдокерамического сырья (включают два вида). Обе группы
отходов были использованы в производстве микалекса. После грохочения в процессе
производства слюдопластовой бумаги на базе скрапа флогопита Ковдорского
месторождения образуются отходы. Подрешетный продукт является отходом и
представляет собой грубые чешуйки различной формы и разных размеров. Из этих
отходов были изготовлены пластины модифицированного микалекса. Технология
изготовления модифицированного микалекса из отходов осталась та же, что и при
изготовлении микалекса из слюды мусковит.
Кроме того были проведены исследования процесса измельчения
отходов с целью получения сырья оптимальной структуры и плотности. Была
проведена проверка уравнения кинетики измельчения отходов в шаровой мельнице и
молотковой дробилке экспериментальным и графическим методом, обосновано
применение технологии флотации для получения дополнительного источника сырья
при производстве модифицированного микалекса.
Также решением проблемы по переработке отходов слюды
занимаются в Горном институте Кольского научного центра Российской академии
наук. В 2000 году сотрудники института обратились к проблеме переработки
мусковитовых руд отвалов рудника Риколатва. Были обследованы все отвалы, выделены
промышленно значимые, подсчитаны запасы и отобраны технологические пробы. По
данным опробований отвалов, проведенных технологических исследований, впервые в
России были утверждены запасы забалансовых мусковитовых руд на примере рудника
Риколатва с учетом всей слюды, находящейся в отвалах. Эта слюда может быть
использована для производства молотых слюд, а крупный мусковит (до 20 мм) для
производства слюдобумаг. Учитывая состояние мусковитовых рудников, эти отвалы
могут стать основным сырьем для производства концентратов различной крупности и
молотых слюд на основе мусковита.
Перечисленные выше факторы в пользу актуальности проблемы
переработки отходов слюды и ее недостаточная изученность определили тему
дипломной работы. Целью настоящей работы является разработка установки,
позволяющей использовать отходы слюдопластового производства для производства
молотой слюды флогопит.
Работа имеет практическую значимость, так как разработанная
установка может быть использована для переработки отходов на «Слюдяной фабрике»
в городе Колпино.
2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
2.1 Производство слюдопластовых
электроизоляционных материалов
Темой
настоящей дипломной работы является переработка отходов слюды. В коммерческом
отношении термином "слюда" обозначают мусковит и маложелезистый
флогопит. К листовой слюде относят светлые прозрачные разновидности, которые
расщепляются на пластины разной толщины, пригодные для штамповки изделий нужных
форм. Благодаря высоким электроизоляционным свойствам слюды используются в
радиоэлектронике, электромашиностроении, электротермии. С
самого начала использования слюды специалисты стремились заменить редкую и
чрезвычайно ценную крупнолистовую слюду более мелкой. Мелкочешуйчатая
слюда под торговым названием "скрап" идет на изготовление теплоизоляционных
материалов в теплоэнергетике и стройиндустрии и служит сорбентом в сельском
хозяйстве.
Продуктами
слюдопластового производства являются следующие теплоизоляционные материалы:
слюдопластовая бумага, слюдопласт, слюдопластовая лента, изделия из
слюдопластов (трубки и втулки). Последним направлением
использования мелкой слюды как заменителя крупнолистовой слюды является
изготовление различных слюдопластовых бумаг. Их производство интенсивно растет
во всем мире. В слюдопластовой бумаге чешуйки скреплены между
собой молекулярными силами без помощи склеивающих веществ. Он изготовляется
посредством расщепления отходов или мелких (не пригодных для ручной щипки)
кристаллов слюды на чешуйки и соединения их в листы без применения смолы.
В
зависимости от назначения листы слюдопластовой бумаги в дальнейшем подвергают
пропитке (лакировке) с термообработкой и прессованием. Склеивающие вещества
служат для заполнения пор в материале и склеивания листов слюдопластовой бумаги
между собой. Слюдопласты обладают достаточно высокой механической прочностью
при повышенной температуре, позволяющей изготовлять из них различные фасонные
изделия. Эти свойства слюдопласта являются следствием того, что в данном
производстве слюда не подвергается химической деструкции и не загрязняется
химикатами, как это происходит при получении слюдинитовых бумаг; элементарные
частицы имеют в основном толщину от 0,5 до 2 мкм, а по площади намного
превосходят свою толщину, что обеспечивает хорошее прилегание частиц друг к
другу и дальнейшее их сцепление за счет сил молекулярного притяжения.
Как
говорилось раньше, наиболее отходным видом слюдопластового производства
является производство слюдопластовой бумаги. Поэтому целью настоящей работы
является разработка установки, позволяющей перерабатывать отходы и получать при
этом не менее полезный и востребованный в промышленности продукт - молотую
слюду флогопит.
2.2 Образование отходов при производстве слюдопластовой
бумаги
На «Слюдяной фабрике» в Колпино производят слюдяную бумагу из
слюды флогопит марок ИФ-14, ИФ-12 ТУ 21-25-41-78. Сырьем для слюдобумаги
является слюда-сырец флогопит Ковдорского месторождения марок СФК-25, СФК-10,
СФК-4, СФК-4-10 (ТУ 21-25-223-79). Эта слюда представляет собой пластинчатые
кристаллы произвольной формы, ограниченные по площади и толщине. В таблице
2.2.1 приведены технические требования к сырью для производства слюдобумаги.
Таблица 2.2.1 Технические требования к слюде флогопит для
производства слюдопластовой бумаги
| Продукт |
Площадь кристалла, мм2∙102
|
Толщина кристалла, мм |
| СФК-25 |
от 25 до 35 |
не более 20 |
| СФК-10 |
то 10 до 25 |
не более 20 |
| СФК-4 |
от 4 до 25 |
от 0,05 до 2 |
| СФК-4-10 |
от 4 до 35 |
не более 20 |
Технологический процесс производства состоит из следующих
этапов:
1.
участок первичной обработки слюды (термирование, расколка,
очистка);
2.
участок производства слюдяной массы;
3.
участок отлива слюдобумаги.
1. Участок первичной обработки слюды.
Термист насыпает из ящика слюду в приемный бункер, откуда она
подается транспортером (2) на грохот (3) и далее в конвейерную электропечь (4).
Грохот служит для очистки слюды от песка и пыли. В процессе подачи сырья в
термопечь обеспечивается очистка его от щепок и мусора вручную. Загрузка слюды
регулируется скоростью движения подающего транспортера. При термировании слюды
удаляется вода, что приводит к уменьшению связей между плоскостями совершенной
спайности. Продолжительность термирования слюды - не менее 15 минут.
Из печи термированная слюда поступает в ударную машину (8),
где происходит расщепление кристаллов на слои. Расщепленные пластинки слюды
проскакивают в щель между броней и лопастями, подаются на пневмосепарацию и
далее на сито-бурат (14). Толщина кристаллов регулируется величиной зазора
между лопастями ротора и лопастями брони.
Вентилятор (5) подает слюду в циклон (11), где она оседает и
поступает в трубопровод, в котором происходит пневмосепарация, плохо
расщепленные кристаллы возвращаются в ударную машину, а кристаллы толщиной
менее 2 мм поступают в следующий циклон и далее на сито бурат. Пневмосепарация
регулируется шибером перед вентилятором (13). Воздух, который расходуется на
пневмотранспорт и пневмосепарацию, очищается от слюдяной пыли в скруббере (7) и
выбрасывается в атмосферу.
Сито-бурат (14) представляет собой вращающийся барабан,
покрытый сеткой с размером ячеек 3*4 мм. Слюда поступает внутрь барабана, где
проходит сортировка ее по площади. Мелкая фракция (класс «-5») проходит сквозь
ячейки барабана и поступает в бумажные мешки (15). Деловая слюда (класс «+5»)
поступает в делитель объемов (16). Содержание мелочи в деловой слюде не
превышает 1%.
2. Участок производства слюдяной массы
После сито-бурат деловая фракция поступает в делитель объемов
слюды, где происходит разделение общей массы на четыре примерно равных потока,
каждый поток слюды по пневмотранспорту подается в осадитель (17). Из осадителя
слюда подается в моечные машины непрерывного действия (19). В моечной машине
происходит удаление с поверхности слюды загрязнений. Слюда непрерывно через
загрузочный лоток поступает во вращающийся перфорированный барабан, погруженный
в бак с водой и с помощью ребер лопастей перемещается к выходу, где посредством
ковшей выгружается из барабана в лоток и по лотку подается на вибролоток (20) и
далее на многовалковый прокатный станок (21).
Прокатные станки служат для расщепления кристаллов слюды по
плоскостям совершенной спайности и частичного измельчения по площади за счет
вдавливания последней рифлеными валиками в резиновую ленту. В процессе прокатки
кристаллы слюды смачиваются водой. В конце транспортирующей ленты прокатанные
кристаллы смачиваются водой в течку, соединенную с приемной воронкой
дезинтегратора (22).
Мокрые, прокатанные кристаллы слюды через загрузочную трубу
попадают в расщепляющую камеру дезинтегратора. Расщепление слюды происходит под
действием струи воды, входящей в камеру через сопловое отверстие под давлением.
Расщепленные чешуйки слюды поднимаются в классифицирующую часть дезинтегратора
и под действием восходящего потока подпиточной воды поднимаются наверх и через
переливную трубу транспортируются в сгуститель (25). Нерасщепленные чешуйки
слюды снова опускаются в расщепляющую камеру.
В сгустителе происходит повышение концентрации пульпы за счет
осаждения слюдяных частиц. Подача пульпы в сгуститель осуществляется через
центральный приемник, оборудованный гасителем в виде сеточного рукава. Сгущенная
пульпа подается в классификатор непрерывным потоком в нижней части конуса по
трубопроводу, называющемуся «гусиной шейкой». Осветленная вода от сгустителей
поступает в бак оборотных вод.
В гидравлическом классификаторе (26) происходит выделение из
слюдяной пульпы грубых частиц - «хвостов», которые не могут подняться вверх,
вследствие малой скорости восходящего потока. Частицы эти опускаются вниз
классификатора, откуда через «гусиную шейку» непрерывно сливаются в канализацию.
Верхний класс слюдяной пульпы поступает через слив в сгуститель-накопитель (28).
Сгуститель-накопитель представляет собой емкость, оборудованную барботирующим
устройством периодического действия. При достижении заданного количества пульпы
автоматически включается в работу пневматический затвор, герметизирующий
накопитель. Затем открывается кран и через отверстия в барботирующее устройство
подается сжатый воздух, необходимый для взрыхления слюдяной массы перед ее
поднятием наверх в промежуточную емкость (29). После взрыхления кран
перекрывается, а барботирующее устройство продолжает работать. В результате
того воздух собирается в верхней части накопителя и выдавливает пульпу в
промежуточную емкость, в которой производится накапливание слюдяной массы перед
загрузкой мешального бассейна. Мешальный бассейн заполняется водой, затем из
промежуточной емкости выгружается пульпа, перемешивается и перекачивается в
рабочий бассейн.
3. Участок отлива слюдобумаги
Отлив слюдобумаги производится на слюдопластоделательной
машине К-1425. Слюдяная пульпа из рабочего бассейна (32) по лотку поступает в
напускное устройство машины, где она равномерно распределяется по ширине и
через переливной барьер, поступает в ригельную зону (зону осаждения). В
ригельной зоне частицы слюды оседают на непрерывно движущуюся по наклонному
формовочному столу сетку, образую слой слюдопластовой бумаги. Этот слой
удерживается на сетке при выходе из воды благодаря вакууму в отсасывающих
ящиках формовочного стола. Далее сетка со слюдобумагой перемещается по
вакуум-блоку, где слюдобумага подвергается вакуумированию. В зоне вакуума
воздух над блоком нагревается трубчатыми электронагревателями, что способствует
лучшему испарению воды. Затем полотно слюдобумаги поступает в сушильную часть,
которая разделена на 4 зоны сушки. Сушка производится горячим воздухом,
нагретым электрокалориферами. Намотка слюдобумаги производится на накате
осевого типа. Слюдобумага после прохождения сушильной части поступает на
натяжную станцию, состоящую из параллельно укрепленных на поворотной вилке
валов и неподвижно укрепленного вала. Рулоны слюдобумаги, снятые с машины,
взвешиваются и проверяются контролером на соответствие требованиям ТУ.
Как видно из таблицы 2.1.1, отходы, подлежащие переработке,
находятся в отстойнике в водной среде. Эти отходы представляют собой пульпу -
смесь воды и пластинок слюды, размером до 30-40 мм. Массовая влажность отходов,
находящихся в отстойнике и поступающих на дальнейшую переработку, равна
примерно 50-60%, т.е. на 2 тонны слюдяной пульпы, поступающей в отстойник в
сутки от основного производства слюдопластовой бумаги, приходится примерно 1 т
воды и 1 т слюды. Остальные отходы реализуются другими предприятиями, например,
слюда мелкой фракции (класс «-5»). На свалку вывозится только мелкая загрязненная
слюда класс «-4», дальнейшее применение которой пока что невозможно на данном
предприятии. Отходы производства можно переработать в пористый наполнитель для
бетона, например. Но так как в данном производстве слюдопластовой бумаги слюда
не подвергается химической деструкции и не загрязняется химикатами, из отходов
можно получить более качественный продукт - слюду мокрого помола по ГОСТ
19571-74, 19572-74, 19573-74, ТУ 5725-011-13187253-97, применяемую в качестве
добавок в лаки, краски, шпаклевки, жидкие обои, в качестве наполнителя в
пластмассу, для производства резины и др.
Таблица 2.1.1 Отходы производства, их использование
| Наименование отходов |
% отходов |
Местообразование отходов |
Использование отходов |
| Мелкая загрязненная слюда (класс «-4») |
3 |
Грохот |
Вывоз на свалку |
| Слюда крупная толщиной более 2 мм |
2 |
Пневмосепарация |
Подача в термопечь |
| Слюда мелкой фракции (класс «-5») |
12 |
Сито-бурат |
Реализация другими предприятиями |
| Слюда (класс «-5») в оборотной воде |
8 |
Моечная машина |
В отстойник |
| Нерасщепленная слюда |
4 |
Дезинтегратор |
В отстойник |
| Слюда в оборотной воде |
9-11 |
Сгуститель-осадитель, сгуститель-накопитель |
Подается с оборотной водой в дезинтеграторы, моечные
машины |
| Укрупненные частицы слюды (хвосты) |
8 |
Классификатор |
В отстойник |
| «Мика» в отходящей воде |
13-14 |
Слюдопласто-делательная машина |
В отстойник |
| Кромка, обрывы слюдобумаги |
5-6 |
Накат |
Барботер отходов, затем промежуточная емкость |
2.3 Продукт переработки отходов - молотая слюда флогопит
Как говорилось раньше, слюдопластовая бумага производится из
флогопита, поэтому продуктом переработки отходов является молотая слюда
флогопит по ГОСТ
19571-74, 19572-74, 19573-74 - порошок с размером частиц до 315 мкм. Слюда флогопит является
представителем группы слюд алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов.
Для слюды характерна высокая электрическая и механическая прочность,
термическая и химическая стойкость, гибкость, упругость, прозрачность. В
таблице 2.2.1 представлен химический состав слюды флогопит.
Таблица 2.2.1 Химический состав флогопита (%):
|
SiO2
|
37-41 |
|
Al2O3
|
12-14 |
|
Fe2O
|
6,5-7 |
| MgO |
24-26 |
|
K2O
|
9-11 |
|
TiO2
|
0,8-2 |
|
Na2O
|
0,4-0,7 |
Физические свойства слюды флогопит:
·
удельная
теплоемкость: 0,87∙10-3 Дж/кг∙К;
·
твердость: 2
3 (по шкале Мооса);
·
плотность: 2670
2730 кг/м3;
·
удельное объемное
сопротивление: (1,7
6,8)∙1012 Ом∙мм;
·
пробивное
напряжение: 4,2
4,6 кВ при частоте 50 ГЦ;
·
термостойкость:
линейное увеличение толщины 29
169 % при нагревании до 750 градусов Цельсия;
·
тангенс угла
диэлектрических потерь: 0,0034
0,0147 при частоте 50 кГц.
Технические требования к порошку слюды флогопит 315:
·
массовая доля
остатка на сетке № 2 - отсутствует;
·
массовая доля
остатка на сетке № 0315 - не более 6,0 %;
·
массовая доля
остатка на сетке № 0125 - не более 50,0 %;
·
массовая доля
частиц, проходящих через сетку № 0063 -
не более 55,0 %;
·
массовая доля
пустой породы - не более 5 %;
·
массовая доля
влаги - не более 3,0 %;
·
массовая доля Si2O-
не более 40,0 %;
·
массовая доля FeO3-
не более 7,5 %;
·
массовая доля Al2O3-
не более 15,0 %;
·
массовая доля MgO
- не менее 20,0 %;
·
массовая доля (K2O
и Na2O) - не менее 8,0 %;
·
массовая доля SO3
- не более 0,1 %;
·
массовая доля P2O5
- не более 0,1 %;
·
насыпная масса -
не более 0,5 г/см3.
Данные качественные показатели
вырабатываемой продукции определяют технологию производства, а с учетом
заданной производительности, равной 1 тонне порошка в сутки, и основные
конструктивные параметры оборудования. Из слюдяной пульпы со средним размером
частиц, равным 20 мм и влажностью 50 процентов необходимо получить продукт -
порошок с размером частиц до 315 мкм и влажностью не более 3%. На рисунке 2.3.1
изображена схема материального баланса производства молотой слюды флогопит с
размером частиц до 315 мкм. Отходы от производства слюдопластовой бумаги
подлежат измельчению и сушке с предварительным отжимом в центрифуге. Таким
образом, целью настоящей дипломной работы является разработка установки,
позволяющей осуществить технологический процесс по переработке отходов,
образующихся при производстве слюдопластовой бумаги, в материал с заданными
качествами.
влажная слюда - 2 т/сут
влажность - 50 %
размер частиц - 20 мм
влажная слюда - 2 т/сут
влажность - 50 %
размер частиц - 315 мкм
влажная слюда - 1,43 т/сут
влажность - 30 %
размер частиц - 315 мм
слюда - 1 т/сут
влажность - 1 %
размер частиц - 315 мм
|
|
МОЛОТАЯ СЛЮДА ФЛОГОПИТ 315 мкм
|
|
Рисунок 2.3.1. Материальный баланс производства молотой слюды
2.4 Измельчение
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 (конечного размера
частиц dк) различают следующие виды измельчения: дробление крупное
(dк = 100
350 мм), среднее
(dк = 40
100 мм), мелкое
(dк = 5
40 мм), помол
грубый (dк = =0,1
5 мм), средий (dк
= 0,05
0,1 мм), тонкий
(dк = 0,001
0,05 мм),
сверхтонкий (dк < 0,001 мм).
Основной
характеристикой процесса измельчения является степень измельчения, которая
определяется соотношением средневзвешенных размеров частиц материала до (dн)
и после (dк) измельчения:
i
= dн/dк,
i
= 20/0,315
65.
Степень
измельчения отражает технологию и определяет параметры измельчителей. Таким
образом, необходимо подобрать аппарат, способный обеспечить степень
измельчения, равную 65. Степень измельчения, достигаемая на одной машине, для
большинства видов дробильного оборудования не превышает 5
50. Поэтому для
обеспечения больших степеней измельчения необходимо применить несколько стадий
дробления. В то же время следует отметить, что увеличение стадий измельчения
приводит к переизмельчению материала и увеличению эксплуатационных затрат.
Поэтому процесс измельчения следует осуществлять, исходя из условия обеспечения
минимального числа стадий дробления. Кроме того, необходимо учесть, что
измельчаемый материал представляет собой пульпу, т.е. аппарат должен
обеспечивать мокрое измельчение.
Рассмотрим
возможность применения различных видов используемого в промышленности оборудования
для проведения мокрого измельчения с i
= 65.
Щековые
и конусные дробилки применяют для крупного и среднего дробления различных
материалов во многих отраслях народного хозяйства. По технологическому
назначению их делят на дробилки: крупного дробления, обеспечивающие степень
измельчения i = 5
8; среднего и
мелкого дробления (степень измельчения i = 20
50). Вышеперечисленные
аппараты не могут обеспечить требуемую степень измельчения в одну стадию.
Валковые
дробилки применяют для среднего и мелкого дробления материалов высокой и
средней прочности, а также для измельчения пластичных и хрупких материалов. Процесс
измельчения осуществляется непрерывно при затягивании кусков материала в
суживающееся пространство между параллельно расположенными и вращающимися
навстречу друг другу валками. Валковые дробилки также не способны обеспечить
требуемую степень измельчения.
Выше
были рассмотрены дробилки, разрушающие материал сжатием, рассмотрим дробилки
ударного действия. В измельчителях ударного действия измельчение материала
осуществляется под действием ударных нагрузок, которые могут возникать при взаимном
столкновении частиц измельчаемого материала, столкновении частиц материала с
неподвижной поверхностью, столкновении материала и движущихся рабочих органов
машин. К дробилкам ударного действия относятся роторные и молотковые дробилки,
а также пальцевые измельчители. Дробилки ударного действия применяют для
измельчения малоабразивных материалов средней и низкой прочности (известняков,
мела, гипса, калийных руд и др.). Они обеспечивают степень измельчения i = 15
20, и лишь в
отдельных случаях до i = 50.
Таким
образом, осуществить необходимый технологический процесс способны лишь аппараты
для помола. Среди них можно выделить барабанные, вибрационные и струйные мельницы.
При проектировании схем измельчения любых материалов необходимо соблюдать
принцип «не измельчать ничего лишнего», поскольку переизмельчение приводит к
излишнему расходу энергии, снижению производительности и росту износа дробилок
и мельниц. Поэтому нецелесообразно применять в данном производстве молотой
слюды вибрационную и бисерную мельницы, которые способны произвести помол слюды
до 5 мкм.
Наиболее
оптимальным является использование барабанной мельницы. Она способна обеспечить
степень измельчения до 100. Достоинствами барабанных мельниц являются простота
конструкции и удобство в эксплуатации. Кроме того, существуют конструкции барабанных
мельниц мокрого помола.
Схема
процесса измельчения материала в барабанной мельнице показана на рисунке 2.4.1.
При вращении полого барабана смесь измельчаемого материала и мелющих тел (шаров
или стержней) сначала движется по круговой траектории вместе с барабаном, а
затем, отрываясь от стенок, падает по параболической траектории. Часть смеси,
расположенная ближе к оси вращения, скатывается вниз по слоям смеси.
Измельчение материала происходит в результате истирания при относительном
движении мелющих тел и частиц материала, а также вследствие удара.
Рисунок
2.4.1. Схема рабочего процесса в барабанной шаровой мельнице
Режим движения мелющих тел в барабане, от которого зависит
эффективность помола, определяется его угловой скоростью ω. При небольшой
угловой скорости загрузка (мелющие тела и измельчаемый материал) циркулирует в
нижней части барабана (рисунок 2.4.2), поднимаясь по концентрическим круговым
траекториям на некоторую высоту и затем скатываясь параллельными слоями вниз.
Такой режим работы называют каскадным.
Рисунок 2.4.2. Схема для расчета параметров шаровой
барабанной мельницы
При большей скорости центробежная сила инерции Ри
превысит составляющую G∙cosα силы тяжести G шара, и последний не
будет отрываться от стенки барабана даже в верхней точке C, т.е.
m∙ω2∙R > m∙g,(2.4.1)
где m - масса шара, кг.
Откуда критическая угловая скорость вращения барабана будет
равна:
ωк =
, (2.4.2)
где R - радиус внутренней поверхности барабана, м.
Большей эффективностью помола характеризуется водопадный
режим движения шаров. Он реализуется при частоте вращения барабана меньше
критической. При этом шары поднимаются, например, в точку А (рисунок 2.4.2), а
затем, отрываясь от стенок, свободно падают по параболическим траекториям.
Измельчение материала происходит под воздействием удара, а также, частично,
раздавливания и истирания.
Для определения условия отрыва и свободного полета шара
массой m рассматриваем его как материальную точку, на которую действуют лишь
массовые силы. Отрыв шара в точке А от стенки барабана происходит при условии m∙g∙cosα
≥ Pи . Следовательно, условие отрыва и свободного падения,
которое можно получить из соотношения m∙g∙cosα ≥ m∙ω2R,
имеет вид:
ω ≤
. (2.4.3)
Опыт
эксплуатации барабанных мельниц показал, что наиболее рациональным является
избирательное измельчение материала, когда крупные частицы измельчаются ударом,
а мелкие - истиранием. Следовательно, режим работы мельниц должен обеспечивать
чередование ударного режима с истиранием. На практике это реализуется за счет
использования для футеровки элементов, обеспечивающих переменный коэффициент
сцепления мелющих тел со стенками барабана. [4]
Основными
критериями при выборе той или иной конструкции барабанной мельницы являются
производительность, природа измельчаемого материала и вид помола - сухой или
мокрый. В меньшей степени влияние на выбор оказывает тонина помола.
Шаровые
мельницы по виду разгрузки измельчаемого материала делятся на два вида:
мельницы с принудительной разгрузкой через решетку и мельницы с центральной
разгрузкой через цапфу. Мельницы с разгрузкой через решетку предназначены для
получения сравнительно крупного продукта, а мельницы с центральной разгрузкой -
более мелкого продукта.
Так
как помол, производимый при переработке отходов является грубым (dк=
= 0,1
5 мм), то
наиболее рационально использовать мельницу с разгрузкой через решетку. Решетку
перед разгрузочной цапфой ставят для увеличения производительности шаровой
мельницы за счет понижения уровня разгрузки и регулирования степени измельчения
при значительных коэффициентах заполнения барабана. Так же решетка служит для
удержания в рабочем пространстве барабана шаров и недостаточно размолотого
материала. Достаточно измельченный продукт проходит через отверстия решетки,
поднимается ее ребрами (лифтерами) и выгружается через разгрузочную цапфу. Разгрузочная
решетка мельницы, конструкция которой приведена на рисунке 2.4.3, обычно
характеризуется «живым сечением», т. е. суммарной площадью всех отверстий.
Рисунок
2.4.3. Разгрузочная решетка шаровой мельницы: 1 - центральная футеровка; 2 -
клинья крепления решетки
В
отношении выбора «живого сечения» решеток в литературе не имеется твердых
указаний. Так, например, многие специалисты рекомендуют общее «живое сечение»
решеток выбирать в 10 раз большим поперечного сечения разгрузочной цапфы.
Диаметр цапф мельниц обычно не является параметром ГОСТа, поэтому определение
«живого сечения» решеток, как функции нерегламентируемого параметра, следует
считать неудачным. Канд. техн. наук Е. Н. Болталов «живое сечение» решетки
рекомендует выражать как функцию от диаметра мельницы или от площади поперечного
сечения барабана. «Живое сечение» решеток современных мельниц, выпускаемых
отечественными и зарубежными заводами, составляет 20
30% площади
поперечного сечения барабана. Профиль сечения щелей решеток в большинстве
случаев выполняется сопловидной формы с углом расширения в сторону разгрузочной
цапфы. Расположение щелей в плоскости решетки определенным образом влияет на
производительность мельницы. Экспериментально доказано, что мельницы,
оборудованные решетками с щелями, расположенными по хордам, имеют большую
производительность по мелким классам и вновь образованной поверхности
измельчаемого продукта.
С
учетом установки решетки задаемся отношением диаметра к длине барабана
мельницы. Правильный выбор длины барабана по отношению к ее диаметру оказывает
большое влияние на получение максимальной производительности и на оптимальный
расход энергии, т. е. на решающие технико-экономические показатели
измельчительного агрегата в целом. Для современных мельниц с разгрузкой через
решетку это отношение равно 0,75
1,6. Принимаем
это отношение, равным 1.
Применение
шаров в качестве мелющих тел обусловлено тем, что стержни способны обеспечить
тонину помола лишь до 0,5 мм, что неприемлемо для настоящих требований к
степени измельчения слюды.
Загрузочные
устройства шаровых мельниц в принципе состоят из двух элементов - питателя той
или иной конструкции и загрузочного патрубка цапфы, служащего одновременно ее
футеровкой. Оба эти элемента предназначены для транспортирования продукта с
уровня загрузки в полость барабана мельницы. Конструкцию и размеры загрузочных
устройств выбирают такими, чтобы обеспечить поступление необходимого количества
продукта в барабан мельницы и тем самым обеспечивать необходимую скорость
загрузки. Скорость загрузки определяется количеством материала, пропускаемого
через мельницу в единицу времени. При работе мельницы в открытом цикле она
равна производительности по исходному материалу. При работе в открытом цикле
количество материала увеличенной крупности, выдаваемого мельницей, возрастает с
увеличением скорости загрузки. Низкая скорость загрузки приводит к
переизмельчению материала и, следовательно, к понижению производительности и
эффективности измельчения по определенному классу. Таким образом, при неудачном
выборе параметров питателя или загрузочного патрубка цапфы, может быть снижена
производительнсть мельницы. Одним из основных требований, которому должны
удовлетворять питатели любой конструкции, является его высокая транспортирующая
сила, способная преодолеть все сопротивления движению загружаемого материала.
Эти сопротивления движению материала слагаются из сопротивлений движению в
спиральном проходе и загрузочном патрубке цапфы, обусловленных трением и
зависанием материала, а также из сопротивлений, обусловленных давлением пульпы
из внутренней полости барабана мельницы.
Барабанный
питатель, конструкция которого приведена на рисунке 2.4.4, представляет собой
литую из чугуна или сварную из стали цилиндро-коническую камеру, открытую с
обоих концов. Отверстие 2 служит для загрузки и отверстие 3 - для разгрузки
материала. Питатель крепится болтами к загрузочной цапфе мельницы. Большее
распространение барабанные питатели получили для загрузки на уровне оси мельниц
при питании последних крупным сухим исходным материалом. При применении этих
питателей отпадает необходимость в устройстве специальной загрузочной коробки,
необходимой, например, при применении улиткового питателя.
Рисунок
2.4.4. Барабанный питатель: 1 - крышка питателя; 2 - загрузочное отверстие; 3 -
разгрузочное отверстие; 4 - полость
Данный
тип питателей трудноприменим в условиях мокрого помола, поэтому рассмотрим
другие конструкции. Улитковый питатель, конструкция которого представлена на
рисунке 2.4.5, представляет собой конструкцию из одного, двух или трех
спиральных черпаков.
Рисунок
2.4.5. Улитковый питатель: 1 - корпус питателя; 2 - сменный козырек
Обычно
питатель делается сварным из листовой стали. Питатель имеет отверстие для
выпуска зачерпнутого материала. На конце каждого черпака крепится сменный
козырек из марганцовистой стали или легированного чугуна. Максимальный радиус
улиткового питателя выбирается в зависимости от скорости вращения мельницы. Для
предотвращения разбрасывания материала в загрузочной коробке скорость черпания
не должна превышать 85% критической скорости, вычисленной по отношению к
козырьку улитки. Предпочтительнее делать питатели симметричными, так как при
одночерпаковых питателях, из-за неуравновешенности вращающихся частей мельницы
иногда появляется неравномерный износ зубьев венцовой шестерни привода
мельницы. Мельницы с улитковыми питателями применяют в тех случаях, когда
необходимо производить загрузку материала с более низкого уровня, например, при
работе с классификатором. Улитковый питатель снабжен загрузочной коробкой.
Между стенками и днищем загрузочной коробки и улиткой должны быть предусмотрены
зазоры, по размеру несколько большие, чем максимальный размер куска руды или
догружаемого шара. Комбинированный питатель, конструкция которого приведена на
рисунке 2.4.6, представляет собой конструкцию, объединяющую достоинства
барабанных и улитковых питателей.
Рисунок
2.4.6. Комбинированный питатель: 1 - корпус питателя; 2 - спиральный черпак; 3
- козырек; 4 - крышка
При
использовании барабанного питателя крупнокусковой материал попадает в мельницу,
минуя загрузочную коробку. Черпаки при этом служат как элеваторы. Конструкция
комбинированного питателя наиболее предпочтительна для производства молотой
слюды из отходов, так как с одной стороны улитковый питатель позволяет
осуществить мокрый помол, а с другой - может служить для загрузки в мельницу крупных
кусков материала. [1]
Барабан
мельницы изготовлен из углеродистой стали, и если его не защитить изнутри
прочной облицовкой, то при измельчении абразивных материалов он быстро
износится, и мельница выйдет из строя. Кроме того футеровка обеспечивает лучший
подъем мелющих тел при вращении барабана. По назначению футеровки обычно делят
на две основные группы - футеровки для мельниц, работающих на крупном
загружаемом материале и футеровки для мельниц тонкого измельчения. Конечно,
такое деление сугубо условное. Футеровки барабанов в цилиндрической части
шаровых мельниц, работающих на крупном исходном материале, имеют ребра или
волны. Футеровки мельниц тонкого измельчения имеют мелкие ребра или выполняются
гладкими. Совсем гладкая футеровка применяется при дроблении сравнительно
мягких пород или мелкого питания, когда не требуется создавать высокое давление
дробящей среды, но зато требуется получить максимальное истирающее действие. В
данном технологическом процессе наиболее целесообразно использовать футеровку с
небольшой высотой волн, так как помол слюды - грубый, но ближе к среднему
помолу, чем к мелкому дроблению. Футеровка, конструкция которой приведена на
рисунке 2.4.3, пригодна больше для очень грубого помола, чем для описанного
выше. На рисунке 2.4.7 изображена волнистая футеровка с распорными клиньями.
Кроме того, данная футеровка барабанных мельниц является самой распространенной
и выпускается отечественными заводами.
Рисунок
2.4.7. Волнистая футеровка с распорными клиньями
Крепление
к барабану ступенчатых и волнистых футеровочных плит шаровых мельниц
осуществляется чаще при помощи болтов с фасонными головкам. Для посадки
фасонных головок болтов в тело плиты последние имеют отверстия овальной формы,
идущие на конус в направлении к барабану. На рисунке 2.4.8 изображен болт для
крепления футеровочных плит к барабану.
Рисунок
2.4.8. Болт для крепления футеровочных плит к барабану: 1 - упругая шайба; 2 -
уплотняющая шайба; 3- корпус барабана
Также
футеровочные плиты устанавливают и на торцевых частях барабана. У мельниц с
решеткой роль футеровки торцевой части барабана на разгрузочном конце выполняет
сама решетка, снабженная центральной футеровкой. Футеровку загрузочной и
разгрузочной крышек чаще выполняют гладкой, состоящей из отдельных секторов.
Футеровки загрузочной и разгрузочной цапф делают в виде вставных втулок разной
конструкции. Загрузочный патрубок выполняют из чугуна в виде конуса,
расширяющегося в сторону барабана. Футеровку разгрузочной цапфы выполняют в
виде чугунной воронки с гладкой внутренней поверхностью.
На
рисунке 2.4.9 приведена примерная конструкция барабанной мельницы мокрого
помола, которую предполагается использовать при производстве молотой слюды. Для
поддержания в барабане определенного уровня пульпы и вывода измельченного
материала из зоны измельчения перед торцовой крышкой 15 устанавливают
диафрагму. Она состоит из круглой решетки 9 с ребрами 10. Форма ребер
соответствует наклону торцовой крышки. Пространство между решеткой и крышкой
делится ребрами на секторы. Со стороны барабана против отверстий на решетку
укладывают колосники 8 и закрепляют их с помощью кольца 11 и болтов 12. Этими
же болтами притягивают к торцовой крышке и диафрагму.
Пульпа
через колосники и отверстия в решетке попадает в нижние секторы между
диафрагмой и крышкой. При вращении барабана секторы поднимаются вверх, а
находящаяся в них пульпа стекает в выводную цапфу и удаляется из измельчителя.
Рисунок
2.4.9. Разрез барабанной мельницы мокрого помола: 1 - улитковый питатель; 2 -
загрузочный вкладыш; 3 - подшипник; 4 -передняя крышка с цапфой; 5 - барабан; 6
- броневые плиты; 7 - люк; 8 - колосники; 9 - решетка диафрагмы; 10 - ребра
решетки; 11- кольцо; 12 - болты; 13 - выводной вкладыш; 14 - центральная труба;
15 - задняя крышка; 16 - венцовая шестерня
Уровень
пульпы в барабане, из которого она начинает переливаться в секторы,
регулируется закрытием или открытием отверстий в решетке. Если в решетке
открыты все отверстия, то в секторы попадает пульпа из самых нижних слоев
материала в барабане. Если же в решетке все отверстия закрыты, то пульпа может
выходить только через центральное отверстие в диафрагме и трубу 14.
Следовательно, в этом случае уровень пульпы должен подниматься выше нижней
точки центрального отверстия. Открытие и закрытие отверстий в решетке, а также
очистку этих отверстий и колосников производят через люки, предусмотренные в
крышке. Колосники устанавливают на решетке так, что во время вращения барабана
они могут перемещаться в радикальном направлении и таким образом самоочищаться.
Загрузку шаров в мельницу и их выгрузку производят через люки 7.
Исходный
материал вместе с определенным объемом жидкости поступает в специальный
приемный короб, устанавливаемый под улитковым питателем. Днище короба имеет
цилиндрическую форму с радиусом цилиндра, несколько большим радиуса вращения
крайней точки черпака питателя. При вращении барабана вместе с ним вращается и
питатель, захватывая черпаком пульпу из короба. Зачерпнутая питателем пульпа по
улитке проходит через загрузочный вкладыш 2 в зону измельчения, а измельченный
материал также в виде пульпы, пройдя разгрузочную диафрагму и выводной вкладыш
13, выходит из мельницы. Мельницы этого типа работают в замкнутом цикле с
гидравлическими классификаторами. [2]
2.5
Классификация
Измельчение
слюды осуществляется в замкнутом цикле, т.е. материал неоднократно проходит
через барабанную мельницу. Измельченный материал из мельницы поступает в
классификатор, где из продукта выделяются частицы материала размерами больше
допустимого предела, которые возвращаются в ту же мельницу. Частицы размером
315 мкм и меньше удаляются в слив и далее поступают в центрифугу, а частицы с
размером больше 315 мкм возвращаются обратно на доизмельчение в мельницу.
Аппаратами для гидравлической
классификации являются спиральные классификаторы и гидроциклоны. Первые
применяются преимущественно в первой из двух или трех стадий измельчения при
небольшой и средней производительности измельчительных переделов. Гидроциклоны
могут устанавливаться как в первой, так и во второй стадиях измельчения, а
также при доизмельчении продуктов. Гидроциклоны, используемые в качестве
классификаторов, обеспечивают то же качество разделения, что и механические
классификаторы, но имеют большую производительность. Достоинства гидроциклонов:
высокая производительность, отсутствие движущихся частей, компактность,
простота и легкость обслуживания, относительно небольшая стоимость. Выбираем в
качестве классификатора гидроциклон.
Выбор типоразмеров
классифицирующих аппаратов определяется принятой схемой измельчения и
производительностью. При выборе гидроциклонов так же необходимо учитывать
следующее:
·
гидроциклоны
большего диаметра надежнее в эксплуатации, чем гидроциклоны малого диаметра.
Гидроциклоны диаметром 710 мм и более рекомендуются для классификации материала
по граничной крупности 100
150 мкм;
·
давление «Р0»
пульпы на входе в гидроциклон при работе последнего в открытом цикле должно
быть не менее 0,04 МПа, а для гидроциклонов, работающих в замкнутом цикле - не
менее 0,08 МПа. [14]
Исходная пульпа подается
в гидроциклон под давлением через питающую насадку 2, установленную тангенциально
непосредственно под крышкой аппарата. Пески разгружаются через песковую насадку
3, а слив - через сливной патрубок 4, расположенный в центре крышки и
соединенный со сливной трубой 5 непосредственно или через сливную коробку 6 (рисунок
2.5.2).
Рисунок 2.5.2.
Гидроциклон: 1 - цилиндроконический сосуд; 2 - питающая насадка; 3 - песковая
насадка; 4 - сливной патрубок; 5 - сливная труба; 6 - сливная коробка
Возникающая при вращении
пульпы благодаря тангенциальной подаче питания центробежная сила выводит
частицы из потока к наружной стенке циклона. Поскольку скорость радиальной
миграции частиц пропорциональна плотности частиц и их диаметру в квадрате, то
более крупные и более тяжелые частицы успевают выйти из ядра потока, а мелкие,
в основной своей массе, остаются в ядре потока. В результате крупная фракция
частиц выгружается через песковую насадку, а слив - через сливной патрубок и
сливную трубу.
2.6 Центрифугирование
После
процессов измельчения и классификации слюдяная пульпа подлежит
центрифугированию - разделению в поле центробежных сил. Слюда имеет слишком
высокую влажность, поэтому перед подачей в сушилку необходимо произвести отжим
и снизить влажность процентов до 30. Процесс центрифугирования проводится в аппаратах,
называемых центрифугами. По принципу разделения различают осадительные О,
фильтрующие Ф, комбинированные К центрифуги и разделяющие сепараторы Р; по
конструктивному признаку - горизонтальные Г, вертикальные В, подвесные с
верхним приводом П, маятниковые М; по способу выгрузки осадка - ручная через
борт Б, ручная через днище Д, саморазгружающаяся-гравитационная С, ножевая Н,
шнековая Ш, вибрационная В. Выбор типа промышленной центрифуги, если неизвестен
ее аналог, работающий в промышленности на том же продукте, производится на
основе анализа технологических требований, предъявляемых к процессу разделения,
свойств суспензии и осадка, мощности производства. В основу такого анализа
положен опыт промышленной эксплуатации центрифуг.
Влияние
свойств суспензии на выбор типа центрифуги показано в таблице 2.6.1.
Таблица
2.6.1 Влияние свойств суспензии и осадка на выбор типа центрифуги
| Тип центрифуги |
Концентрация суспензии х, % |
Минимальный размер частиц σ, мкм |
Скорость осаждения, ω0∙103,
мм/с
|
∆ρ, кг/м3
|
Осадок зернистый, рыхлый |
Осадок уплотняющийся мажущий |
Осадок тексотропный |
Хорошая растворимость твердой фазы |
Плохая растворимость твердой фазы |
Нерастворимая твердая фаза |
|
ОМД
ОГШ
ОГН
|
5-30
1-50
5-30
|
1
5
1
|
2-50
>10
2-50
|
>50
>200
>50
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
| ФМД |
>5
|
10
|
Не регламентируется |
+ |
+ |
+ |
|
|
|
ФМД
ФПД
|
|
|
|
ФМН
ФГН
|
10-40
|
30
|
|
спец. |
спец. |
|
|
ФГШ
ФВШ
ФГП
|
15-50
15-50
20-50
|
150
|
+ |
|
Как
видно из таблицы 2.6.1, пульпу с концентрацией 50% способны разделять следующие
центрифуги: ОГШ, ФГШ, ФВШ, ФГП. Но последние три модели центрифуг не подходят
для данного технологического процесса. Минимальный размер частиц, которые
способны отделить эти центрифуги, равен 150 мкм, что недопустимо, так как
большая часть измельченной слюды имеет еще меньший размер и прямиком отправится
в слив. ОГШ напротив способна разделять частицы до 5 мкм. И по всем остальным
критериям, приведенным в таблице 2.6.1, центрифуга ОГШ подходит, поэтому
выбираем ее для процесса отжима слюдяной пульпы.
В
таблице 2.6.2 приведены основные факторы, влияющие на выбор размера центрифуги.
[13]
Таблица
2.6.2 Влияние заданной производительности на выбор типоразмера центрифуги
| Производительность |
Индекс центрифуги |
| по суспензии, м3/ч |
по осадку, т/ч |
| 1-5 |
0,15-0,5 |
ОМД-80; ОГШ-35; ФГН-63; ФГН-90; ФМД-80;
ФМБ-80; ФМБ-120;
ФМД-120; ФПН-100; ФПД-120
|
| 5-15 |
0,5-3,0 |
ОГШ-35; ОГШ-50; ОГН-180;
ФГН-90; ОГН-90; ФГН-125;
ФВШ-35; ½ ФГП-40; ½ ФГП-63
|
| 15-25 |
3-6 |
ОГШ-5; 20ГН-220; ФГШ-35;
ФГШ-40; ФГН-180;
½ ФГП-80
|
| >25 |
>6 |
ОГШ-63; ОГШ-80; ФГН-200;
½ ФГП-120
|
Как уже говорилось выше, при производстве слюдопластовой
бумаги образуется 2 тонны слюдяной пульпы в сутки, с учетом того, что ее
влажность составляет 50%, а центрифугирование проводится до влажности 30%,
производительность по осадку будет равна 1,43 т/сут. В сутки установка по
переработке отходов работает 7 часов, поэтому часовая производительность равна
0,2. Слюда флогопит является среднеабразивным материалом - это также следует
учитывать, центрифуга ОГШ допускает абразивные свойства твердой фазы. Таким
образом, предварительно выбираем одну из центрифуг ОГШ с небольшой
производительностью - ОГШ-35.
На рисунке 2.6.1 приведена конструктивная схема осадительной
горизонтальной шнековой центрифуги непрерывного действия.
Рисунок 2.6.1. Осадительная горизонтальная шнековая
центрифуга непрерывного действия: 1 - защитное устройство редуктора; 2 - окна
выгрузки осадка; 3 - кожух; 4 - питающая труба; 5 - сливные окна; 6, 11 - опоры
центрифуги; 7 - штуцер отвода фугата; 8 - шнек; 9 - ротор; 10 - штуцер выгрузки
осадка; 12 - планетарный редуктор
Общим
конструктивным признаком центрифуг типа ОГШ (НОГШ) является горизонтальное
расположение оси неперфорированного конического или цилиндроконического ротора
с соосно-расположенным внутри пего шнеком. Ротор и шнек вращаются в одном
направлении, но с различными скоростями, так что образующийся осадок
перемещается шнеком вдоль ротора. Ротор расположен на двух опорах и приводится
во вращение от электродвигателя через клиноременную передачу. Шнек приводится
во вращение от ротора центрифуги через планетарный редуктор. Ротор закрыт
кожухом, имеющим внизу штуцер для отвода осадка и фугата.
Суспензия
подается по питающей трубе во внутреннюю полость шнека, откуда через окна
обечайки шнека поступает в ротор. Под действием центробежной силы происходит ее
разделение, и на стенках ротора осаждаются частицы твердой фазы. Осадок
транспортируется шнеком к выгрузочным окнам, расположенным в узкой части
ротора. Осветленная жидкость течет в противоположную сторону к сливным окнам,
переливается через сливной порог и выбрасывается из ротора в кожух. Диаметр
сливного порога можно регулировать с помощью сменных заслонок или поворотных
шайб. Скорость вращения изменяется путем смены приводных шкивов.
Центрифуга
обычно снабжена защитным устройством, которое отключает ее при перегрузке,
одновременно включая световой или звуковой сигнал. В некоторых случаях центрифуги
комплектуют трубой для подачи промывных жидкостей, однако поскольку промывка
осадка в центрифугах рассматриваемого типа малоэффективна, ее заменяют обычно
репульпацией выгружаемого осадка.
Технологический
режим в центрифугах ОГШ регулируют, изменяя скорость подачи суспензии, скорость
вращения ротора, диаметр сливного порога. Степень осветления фугата можно
повысить, уменьшив диаметр сливного порога (увеличив длину зоны осаждения) и
увеличив скорость вращения ротора; степень просушки (степень влажности) осадка -
увеличив диаметр сливного порога (увеличив длину зоны сушки) и скорость вращения
ротора. [10]
2.7 Сушка
Одной
из основных стадий технологического процесса по переработке отходов слюды
является сушка. Процесс осуществляется в сушилке с кипящим слоем. Эти аппараты широко
распространены в химической и смежных отраслях промышленности, поскольку в
аппаратах такого типа можно высушивать зернистые, пастообразные и жидкие
материалы. В сушилках с кипящим слоем обычно сушат продукты с размерами зерен
от 0,1 до 5,0 мм. Процесс протекает с большой скоростью, съем влаги с 1 м2
газораспределительной решетки в зависимости от размера частиц материала и
температурного режима сушки составляет 500-3000 кг/(м2∙ч). В
установках со взвешенным слоем можно одновременно проводить несколько
процессов, например сушку и обжиг, сушку и гранулирование, сушку и измельчение.
Эти аппараты отличаются высокой надежностью, сокращением времени сушки за счет
усиленного перемешивания материала в сушильной камере. Сушилки кипящего слоя
просты как в конструктивном исполнении, так и в эксплуатации, обладают высокими
эксплуатационными показателями, легко поддаются автоматизации. Корпус сушилок
кипящего слоя неподвижен, что значительно упрощает требования к монтажу и
эксплуатации. Эффективность сушки в кипящем слое, в значительной мере, зависит
от правильного определения конструктивных и технологических параметров сушилки,
правильного выбора аппаратурного оформления. Как правило, параметры сушилок
кипящего слоя определяются для сушки конкретного материала и учитывают
начальную и конечную влажность материала, его физико-механические свойства,
требования к температурному режиму, минимизации или максимизации уноса мелких
фракций и другие требования, предъявляемые к материалу и процессу сушки. [6]
Кипящим
слой (КС) является, в принципе, одним из видов взвешенного слоя. Взвешенный
слой образуется в бинарных гетерогенных системах газ -твердое, газ - жидкость,
жидкость - твердое и жидкость - жидкость (несмешивающиеся жидкости) при
пропускании с определенными скоростями потока менее плотной фазы (газа или
жидкости) снизу вверх через слой более плотной фазы (дернистого материала или
жидкости). Взвешенный слой получают и в трехфазных системах, например, при
пропускании газа через суспензию мелких зерен в жидкости.
Во
всех системах взвешенный слой характеризуется тем, что вес тяжелой фазы (сила
тяжести) уравновешивается трением газа о зерна или пленку жидкости (в сочетании
с архимедовой силой). Тяжелая фаза не лежит на опоре, а подвешена в потоке
легкой. Зерна твердого материала или пленки и капли жидкости плавают в потоке
легкой фазы, пульсируют, совершают вихревые движения, но не покидают пределов
слоя при значительном увеличении линейной скорости легкой фазы вследствие
одновременного увеличения порозности, т. е. доли легкой фазы в слое. Взвешенный
слой неоднороден, он пронизан пузырями или струями легкой фазы.
Взвешенный
слой в системе газ - твердое в зависимости от характера взвешивания (псевдоожижения)
зерен и соответствующих конструкций аппаратов подразделяют на ряд видов,
имеющих соответственные наименования, в том числе: кипящий (КС), фонтанирующий
и т. д.
КС
образуется в аппаратах, представляющих собой камеру или колонну круглого либо
прямоугольного сечения, разделенную одной или несколькими ситчатыми либо
колпачковыми решетками и снабженную приспособлениями (например, штуцерами) для
ввода и вывода реагирующих фаз. При очень малых линейных скоростях непрерывного
потока газа зернистый слой лежит на решетке. По мере возрастания скорости
увеличивается сила трения газа о зерна и давление зерен на решетку уменьшается.
При первой критической скорости (называемой скоростью взвешивания или скоростью
псевдоожижения) вес слоя зерен уравновешивается силой трения газа в
совокупности с архимедовой подъемной силой, зерна взвешиваются в потоке газа и
не оказывают давления на решетку. Ввиду незначительности архимедовой силы можно
приближенно считать, что сила тяжести равна силе трения газа о зерна.
Следовательно, и перепад давления в слое равен его весу, отнесенному к единице
поперечного сечения решетки. Решетка служит в основном для распределения потока
газа по сечению аппарата и в слое зерен. Решетка также ограничивает пульсации
зерен.
В
дальнейшем при увеличении скорости газа количество газовых пузырей в слое и их
размеры увеличиваются настолько, что суммарная порозность КС возрастает
пропорционально скорости газа. При этом высота слоя увеличивается, а
гидравлическое сопротивление остается неизменным во всем диапазоне скоростей
газа, соответствующих существованию КС. По виду слой сходен с кипящей
жидкостью; в нем возникают пузыри газа, которые увеличиваются при подъеме и
выталкивают фонтанчики зерен при выходе из слоя. При значительных скоростях
газа пузырьковый режим кипения переходит в агрегатный (пакетный). Газовые
пустоты в виде крупных пузырей и струй уже составляют большую часть объема
слоя, становятся непрерывной фазой, в которой плавают, совершают вихревые
движения агрегаты зерен с порозностью, близкой к порозности неподвижного слоя.
В слое большого сечения отмечается наличие зон с преимущественно восходящим и
нисходящим потоком частиц.
При
значительном увеличении фиктивной скорости газа, рассчитанной на полное сечение
аппарата, КС разрушается и зерна уносятся из аппарата. Отношение скорости уноса
твердых частиц к скорости взвешивания их может составлять для мелких зерен до
50, а для крупных (2 - 4 мм) - около 15.
Важным
свойством взвешенного слоя является его текучесть, подобная текучести жидкости.
Так, применение КС катализатора при крекинге обеспечивает циркуляцию
катализатора между контактным аппаратом и регенератором. Вследствие текучести
КС его называют также ожиженным или псевдоожиженным. Циркуляционное движение
зерен и газа внутри слоя дало ему еще одно название - вихревой слой.
Значительное
перемешивание зернистого материала наряду с положительным эффектом выравнивания
температуры одновременно приводит к неодинаковому времени пребывания частиц в
объеме КС при непрерывной их подаче и выгрузке из аппарата, следствием чего
является различная степень обработки отдельных порций выгружаемого из аппарата
материала. Это существенно для процессов, в которых желательна равномерная
степень обработки дисперсного материала, или в тех случаях, когда излишнее
время экспозиции частиц приводит к нежелательным эффектам, например к
термическому разложению пересушенного и перегретого материала, переукрупнению
кристаллов и т. п.
Истирание
части твердого материала вызывает унос его в виде пыли, обусловливает
необходимость очистной аппаратуры, габариты которой обычно превышают размеры
собственно КС, приводит к потерям ценных веществ и загрязнению ими продукции,
получаемой из газовой фазы. В КС истираются также конструктивные элементы
аппаратов.
Для
равномерного распределения газа по сечению слоя необходимы решетки с малым
свободным сечением (1,5 - 2,0 %), что вызывает рост гидравлического
сопротивления в многополочных аппаратах и увеличивает вероятность забивания
отверстий решетки.
Отдельные
недостатки аппаратов КС уменьшаются или снимаются путем применения других видов
взвешенного слоя, прежде всего фонтанирующего. Аппарат фонтанирующего слоя
представляет собой усеченный конус. Газ проходит в основном в центральной зоне,
составляющей лишь около 10% объема всего слоя. Зерна увлекаются струей газа и
выбрасываются фонтаном, а расширенную часть аппарата, где теряют скорость, а
затем сравнительно медленно опускаются вниз в периферийной зоне. Пройдя до
нижней узкой части аппарата зерна вновь подхватываются струей газа и
поднимаются вверх. В аппаратах фонтанирующего слоя можно не устанавливать
распределительную решетку, так как скорость газа в нижней узкой части конуса
выше скорости начала взвешивания. Это дает возможность использовать аппараты
фонтанирующего слоя для особо высокотемпературных процессов и при переработке
агрессивных сред, т. е. в тех случаях, когда неприменимы металлические решетки.
Фонтанирующий слой позволяет обрабатывать полидисперсные материалы с меньшим
уносом, чем в аппаратах КС, однако он имеет и специфические недостатки, прежде
всего малую долю активной зоны. Конусные аппараты имеют малую мощность, и
поэтому аппарат большой производительности конструируют из длинных коробов с
днищем треугольного сечения, в нижней части которого расположены щелевые
отверстия для входа газа.
Имеются
и другие виды фонтанирующего слоя, в том числе с тангенциальным вводом газа в аппарат
с днищем корытообразного типа. Газ полается в днище снизу тангенциально с таким
расчетом, чтобы движение зернистого материала происходило вращательно; по одной
стороне аппарата - восходящим потоком, а по другой - нисходящим.
Виброкипящий
слой получают в аппаратах КС с вибрирующими поверхностями в слое. Благодаря
вибрации усиливается перемешивание материала и уменьшаются размеры пузырей.
Применяются
также аппараты с закрученными потоками различного типа, в том числе вихревые. [8]
Наиболее
простыми по конструкции являются аппараты кипящего слоя постоянного или
несколько расширяющегося по высоте сечения. Они нашли широкое применение в
промышленности. Недостатки кипящего слоя в таких аппаратах:
·
невозможность повышения скорости сверх значения, соответствующего
верхней границе существования кипящего слоя;
·
трудность обработки полидисперсных систем;
·
недостаточно интенсивный гидродинамический режим вблизи
решетки, что приводит к ее заплавлению в высокотемпературных процессах при
обработке полидисперсных и термолабильных материалов и в процессах с вводом в
слой жидкой фазы.
Указанные
недостатки ограничивают возможности повышении производительности этих
аппаратов, и в ряде отраслей в упомянутых выше случаях применяют аппараты
расширяющегося по высоте сечения (коническо-цилиндрические), работающие в
режиме фонтанирования.
Преимущества
таких аппаратов следующие:
·
закономерное изменение скорости снизу вверх позволяет
одновременно обрабатывать твердые частицы различных размеров и в режимах
различной интенсивности;
·
достаточно высокие скорости в нижней части аппарата
позволяют, особенно при значительных углах раствора конуса, обрабатывать
вещества, длительный контакт которых с решеткой недопустим, комкающиеся и
слипающиеся вещества, а также вводить в слой жидкости и пасты.
Так
как в данном технологическом процессе по переработке слюдопластовых отходов производится
сушка молотой слюды, которая характеризуется полидисперсностью, то применение
цилиндрического аппарата неуместно ввиду большого уноса частиц. Поэтому аппарат
над решеткой выполняем коническим с углом при вершине 20°. Таким образом,
кипящий слой будет слегка фонтанировать, тем самым снижая скорость витания
частиц и их унос.
На
рисунке 2.7.1 приведена типовая конструкция сушильной установки кипящего слоя с
цилиндрической сушилкой.
Рисунок 2.7.1. Схема сушильной установки с цилиндрической
сушилкой: 1 - бункер; 2 - питатель; 3 - сушильная камера; 4 - топка; 5 -
патрубок для выгрузки продукта; 6 - циклон; 7 - бункер циклона; 8 – фильтр
Влажный материал из бункера 1 шнековым (или
другой конструкции) питателем 2 непрерывно
подается в сушильную камеру 3 в слой
«кипящего» материала. Топочные газы из топки 4 смешиваются с
воздухом в смесительной камере и затем подаются с помощью турбогазодувки или
вентилятора под опорную решетку. Разгрузка высушенного продукта производится
через патрубок 5, расположенный непосредственно над решеткой, со стороны,
противоположной загрузке. Отработанные запыленные газы направляются и циклон 6 с бункером 7, где
выделяется основная часть унесенного газами сухого материала; окончательная
очистка газов происходит в рукавном фильтре 8. [6]
Топочные
газы в смеси с атмосферным воздухом широко используют при сушке различных
материалов, в том числе и органических продуктов. Многие материалы, например
песок, глину, топливо, неорганические соли и т. д., высушивают при довольно
высоких температурах - от 300 до 800 СС и выше. Для этой цели можно
использовать топочные газы, разбавляя их до нужной температуры атмосферным
воздухом. Преимущества сушки топочными газами: возможность получения высоких
температур; простота топочных устройств; возможность непосредственного
применения отработанных газов котельных установок, печей и других агрегатов.
Топочные газы получают при сжигании газообразного, жидкого (мазут, нефть) или
твердого (уголь, торф) топлива в топках и смешивают их в специальных камерах
(камерах смешения) с атмосферным воздухом для получения смеси определенной
температуры.
Топочные
(дымовые) газы состоят из кислорода, азота, окиси и двуокиси углерода,
сернистого газа и водяных паров. Состав топочных газов зависит от количества
воздуха, подводимого в топку для сжигания топлива (первичный воздух) и
подмешиваемого к продуктам сгорания для понижения их температуры до заданной
(вторичный воздух). Природный газ производит меньше СО2
на единицу энергии, чем другие виды ископаемых топлив. Поэтому подогрев
сушильного агента производится за счет сгорания именно газа, а не, к примеру,
мазута. Выбросы в атмосферу при сжигании ископаемого топлива зависят не только
от вида топлива, но от того, насколько эффективно оно используется.
Газообразное топливо обычно сжигается легче и эффективнее, чем уголь или нефть.
Утилизация сбросной теплоты от отходящих газов в случае природного газа
осуществляется также проще, так как топочный газ не загрязнен твердыми
частицами или агрессивными соединениями серы. Благодаря химическому составу,
простоте и эффективности использования природный газ может внести существенный
вклад в снижение выбросов диоксида углерода путем замены им ископаемых видов
топлив.
Во
избежание пережога слюды для каждого вида отходов устанавливается определенная
температура отжига; для слюды мусковит 400 - 500° С, для флогопита 400 - 600°
С. Поэтому сушку лучше производить при температуре 300 - 400° С.
На рисунке 2.7.2 показана топка для сжигания газа с
использованием эжекционной горелки внутреннего смешения. Отличительной
особенностью такой топки является зазор между камерой горения и кожухом, куда
тангенциально подается вторичный воздух. Воздух охлаждает наружную стенку
камеры горения и затем смешивается с продуктами сгорания. При воздушном
охлаждении камера может быть футерована в один кирпич, сжигание топлива можно
вести при высоких температурах. Так как температура теплоносителя,
используемого для сушки, обычно не превышает 700 - 800 °С, в топочных
устройствах имеется специальная камера, топочные газы разбавляются воздухом до
нужной температуры. Топка может работать как под давлением, так и при
разрежении. Тепловое напряжение достигает 1,75∙106 Вт/м3,
т. е. 1,5∙106 ккал/(м3∙ч), и зависит от
температуры в камере горения и давления.
Основное требование, предъявляемое к топочным устройствам, -
обеспечение полного сгорания топлива. Особенно это относится к устройствам,
работающим на жидком топливе (об использовании твердого топлива здесь не
говорится, поскольку в последнее время его редко применяют в сушильных
установках на химических производствах). Таким образом, топливные форсунки
должны обеспечивать тонкое диспергирование мазута, чтобы не происходило
проскока крупных капель в сушилку и порчи продукта. В сушилке со взвешенным
слоем это может привести к сгоранию капель мазута на газораспределительной
решетке и забиванию отверстий. Несгоревшее топливо, осевшее на стенках
газоходов и в циклонах, может стать причиной пожаров.
Если топка еще горячая, при пуске установки нужно следить за
тем, чтобы мазут был подогрет, а конденсат (когда распыление топлива
производится паром) спущен из линии подогрева мазута, так как холодный мазут и
конденсат, попав на свод топки, вызовут его растрескивание. Смешение продуктов
сгорания с воздухом должно быть полным. Для этого в камере смешения необходимо
устанавливать пороги или завихрители.
Рисунок
2.7.2. Топка с охлаждением наружной стенки камеры горения: 1 - окно для ввода вторичного воздуха; 2 - гнездо
для установки горелки: 3 - смотровое отверстие; 4 - камера горения; 5 - камера смешения: 6 -
футеровки; 7 - взрывной клапан; 8 - опора.
Пылеотделители используют для отделения
пыли от потока уходящего теплоносителя с целью более полного выделения
продукта, а так же для предотвращения загрязнения окружающей среды. Методы выделения
твердых частиц из газового потока разделяют на сухие и мокрые. При сухой
очистке используют пылеосадительные камеры, циклоны и рукавные фильтры. Для
мокрой очистки применяют мокрые скрубберы и пенные газопромыватели.
Пылеосадительные
камеры в химической промышленности используют редко ввиду их низкой
эффективности. Интенсивное и эффективное выделение твердых частиц из
запыленного газа достигается под действием центробежной силы в циклонах, конструкция которых
представлена на рисунке 2.7.3. Запыленный газ поступает в верхнюю
цилиндрическую часть 1 циклона по газоходу прямоугольного сечения 2. Сверху циклон закрыт крышкой 3, на которой помещен
цилиндрический патрубок 4.
Нижняя
коническая часть циклона заканчивается выгрузочным отверстием. Попадающий в
циклон запыленный газ приобретает вращательное движение, частицы пыли под
действием центробежной силы отбрасываются к периферии и сползают по стенкам
вниз, а обеспыленный газ выводится сверху. На практике все циклоны снабжаются
бункером (на схеме не показан), и разгрузка пыли производится из бункера, что
уменьшает вторичный унос, т. е. вынос пыли потоком уходящего из циклона
воздуха.
Рисунок
2.7.3. Схема действия циклона: 1 - цилиндрическая
часть; 2 - патрубок для входа газа; 3 - крышка; 4 - патрубок для
выхода газа; 5 - коническая часть.
Степень
очистки газов в циклонах составляет 70 - 95% и зависит от свойств пыли. Чем
крупнее и тяжелее частицы, тем лучше они улавливаются. Концентрация пыли в газе
влияет на степень очистки не очень существенно. Следует иметь в виду, что с
увеличением скорости газа в циклоне величина центробежной силы растет, но
одновременно увеличивается гидравлическое сопротивление аппарата.
При
необходимости обеспечения высокой производительности иногда устанавливают
групповые или батарейные циклоны, так как делать один циклон большого диаметра
нецелесообразно: с увеличением радиуса циклона будет уменьшаться величина
центробежной силы и ухудшаться очистка (поэтому не рекомендуется ставить
циклоны диаметром более 800 мм). Можно использовать батареи по два, четыре,
шесть, восемь циклонов, работающих параллельно. При очистке газов от очень
тонких пылей, имеющих низкую плотность (т. е. когда масса частицы очень мала),
для увеличения центробежной силы необходимо уменьшить радиус циклона (скорость
газа увеличивать не следует). В этом случае устанавливают батареи, состоящие из
нескольких десятков, а иногда и сотен циклонов диаметром 150 - 200 мм.
Запыленный газ вводится в кольцевой зазор, образуемый корпусом каждого циклона
и выходным патрубком, а для закручивания потока внутренняя труба снабжается
винтовой вставкой. Степень очистки в батарейных циклонах ниже, а гидравлическое
сопротивление выше, чем в одиночных циклонах.
Для
нормальной работы циклона необходимо своевременно удалять пыль из буккера, так
как при большом уровне пыли она будет частично захватываться потоком газа и
степень очистки снизится. Степень очистки резко уменьшается при наличии
неплотностей в циклоне, поскольку засасываемый снаружи воздух движется
навстречу ссыпающейся пыли и часть ее выбрасывается в выхлопную трубу.
Вследствие этого обязательна проверка герметичности циклонов, как при приемке
смонтированной установки, так и периодически при ее эксплуатации. Газоходы от
сушилок до циклонов могут забиваться пылью (особенно колена и горизонтальные
участки), поэтому их необходимо монтировать с наименьшим количеством поворотов
и без горизонтальных участков, снабжать специальными люками для чистки. В
некоторых случаях для предотвращения быстрого зарастания стенок циклона
улавливаемым материалом аппарат снабжают водяной рубашкой, причем температура
воды должна быть на несколько градусов выше точки росы.
В
данном технологическом процессе достаточно установить для очистки газа два
циклона или один циклон и рукавный фильтр. Второй вариант более предпочтителен,
так как позволяет практически полностью очистить газ от частиц слюды.
Рукавные
фильтры, предназначенные для отделения пыли от
уходящих из сушилки газов, обычно ставят после циклонов, однако при
сравнительно небольшой запыленности (если основное количество сухого материала
выгружается из сушилки) они могут быть единственными пылеочистными устройствами
в установке, так как при правильном выборе ткани степень очистки превышает 99 %.
Внутри кожуха 3
фильтра (рисунок
2.7.4) вертикально расположены сшитые из ткани рукава (мешки) 4 длиной до 3,6 м и диаметром около 200 мм. Снизу рукава
открыты и закреплены на трубной доске, замыкающей нижнюю камеру 2. Сверху
рукава закрыты и подвешены на крючках к раме 6 со штангой, выходящей из кожуха. Запыленный газ поступает в
аппарат по газоходу 7 в нижнюю камеру, движется вверх по рукавам и через поры
ткани выходит в пространство между рукавами и кожухом, а затем удаляется по
верхнему газоходу 5. Осевшая внутри рукавов пыль периодически удаляется из них
при встряхивании с помощью кулачкового механизма, соединенного с верхней
штангой. Одновременно со встряхиванием рукава продуваются воздухом, который
специальным небольшим вентилятором подается в направлении, противоположном
направлению движения обеспыленного газа. Во время продувки кожух фильтра
автоматически отключается от газохода 5. Ссыпавшаяся в коническую часть кожуха
пыль удаляется через выгрузочное отверстие 8 шнеком. Обычно фильтр состоит из нескольких камер, одна из
которых отключена на очистку, тогда как в остальных идет фильтрование.
Переключение происходит автоматически.
Рисунок 2.7.4. Рукавный фильтр: 1 - днище; 2 - нижняя камера;
3 - кожух; 4 - рукав: 5, 7 - газоходы; 6 - рама; 8 - выгрузочное отверстие
При сушке необходимо дозировать, а часто и диспергировать
материал, подаваемый в сушилку. В некоторых случаях питатель должен служить
одновременно затвором между сушильной камерой и окружающим пространством.
На рисунке 2.7.5 показан лопастной питатель-затвор,
применяемый для загрузки и выгрузки материала из сушилок, выгрузки пыли из
циклона и т. д.
Рис
2.7.5. Лопастный затвор: 1 - сальник; 2 - ротор; 3 - корпус: 4 - вал
Газораспределительные
решетки являются одним из основных элементов сушилок, работающих с кипящим
(псевдоожиженным) слоем материала. Они выполняют функцию поддерживающей
конструкции для кипящего слоя и способствуют равномерному распределению
теплоносителя по сечению сушилки. Решетка должна удовлетворять следующим
требованиям: I) обеспечивать равномерное газораспределение; 2) провал материала
в подрешеточное пространство должен быть минимальным; 3) быть простой в
изготовлении и надежной в работе (легкая очистка, ремонт); 4) гидравлическое
сопротивление не должно превышать 1,5 - 2,0 кПа. Решетки распределительного
типа, изображенные на рисунке 2.7.6, могут быть плоскими, вогнутыми, выпуклыми;
направление струй из колпачков и барботеров - различными.
Рисунок 2.7.6. Газораспределительные решетки:
а - перфорированная; б - колпачковая; в - барботажная подача газа
В
сушильных установках используют обычно вентиляторы типа ВВД. Центробежные
вентиляторы высокого давления серии ВВД (номера 8; 9 и 11) предназначены для
перемещения воздуха и газов (при температуре до 100 °С), не содержащих липких и
длинноволокнистых веществ. Содержание пыли в среде не должно превышать 150 мг/м3.
Вал вентилятора ВВД-11 приводится во вращение от электродвигателя при помощи
эластичной муфты, а вал вентиляторов ВВД-8 и ВВД-9 - при помощи ременной
передачи и эластичной муфты. Эти вентиляторы создают давление до 10 кПа (1000
мм вод. ст.) и имеют производительность до 20000 м3/ч (в зависимости
от номера).
В
сушильной установке надо следить за тем, чтобы заданное количество газов (по
регламенту) проходило через сушилку, поэтому не должно быть неплотностей в
системе и гидравлическое сопротивление всех аппаратов не должно превышать
норму.
Сушилки
кипящего слоя принадлежат к наименее металлоемким, наиболее простым, а,
следовательно, дешевым аппаратам и отличаются от остальных сушилок высокой
эффективностью процесса. Несомненно, на рентабельности сушилок кипящего слои
сказывается значительная стоимость изготовления решетки, а также необходимость
периодической ее чистки. Поскольку расход тепла в газовых сушилках колеблется в
небольших пределах и тем меньше, чем меньше удельный расход газов (так как при
этом уменьшаются потери тепла с отработанными газами), то в однокамерных
сушилках кипящего слон при удельном расходе сушильного агента 5 - 20 кг/кг влаги расход тепла
меньше, чем в барабанных сушилках. Только расход энергии на дутье иногда
превышает эту же статью расхода в сушилках других типов.
Как
уже было отмечено, экономичность сушилки тем выше, чем меньше удельный расход
газов. Поэтому особенно выгодны однокамерные сушилки, и, по возможности, именно
эти аппараты и следует применять. Более сложные и дорогие многокамерные
аппараты возможно рекомендовать лишь в тех случаях, когда это оправдано, т. е.
при необходимости снижения температуры теплоносителя по зонам, для получения
равномерно высушенного продукта и т. д.
Поскольку
во всех газовых сушилках применяются более или менее однотипные
пылеулавливающие аппараты и установки для получения теплоносителя, то
увеличение расхода энергии в сушилках кипящего слоя происходит только из-за
гидравлического сопротивления слоя. [7]
2.8
Транспортирование материала
При
выборе типа, конструкции и исполнения транспортирующих аппаратов необходимо
учитывать следующие факторы:
1)
состояние транспортируемого материала, его физические и химические
свойства
(крупность кусков, хрупкость, коррозионные свойства, возможное измельчение при
перемещении, склонность материала к слипанию и слеживанию, плотность, угол
естественного откоса, размеры);
2)
производительность машины;
3)
длину и траекторию перемещения, размеры и форму помещений;
4)
технологический прогресс, перспективы развития предприятия;
5)
технику безопасности;
6)
хранение материалов и способы загрузки и разгрузки транспортных устройств;
7)
климатические условия (для установок, работающих на открытых площадках);
8)
экономические показатели.
Из
отстойника отходы слюдопластового производства перемещаются в приемный короб барабанной
мельницы при помощи винтового конвейера.
К
преимуществам винтовых конвейеров относятся компактность, герметичность,
простота конструкции и эксплуатации, удобство промежуточной разгрузки, а также
возможность транспортирования мокрых и тестообразных материалов (при
специальной форме винта). Конструкция винтового конвейера позволяет совмещать
операцию транспортирования материалов с некоторыми технологическими процессами
(охлаждение, увлажнение, сушка, смешивание). Эти достоинства определяют
применение данного аппарата в установке по переработке отходов слюдопластового
производства. Конвейер находится в наклонном положении, поэтому слюда будет
частично не только измельчаться при перемещении, но и обезвоживаться.
Конструкция винтового транспортера представлена на рисунке 2.8.1.
Винтовой
конвейер состоит из неподвижного желоба 4 полукруглой формы, внутри которого
расположен рабочий орган - винт 5, вращающийся в подшипниках 3. Винт вращается
при помощи привода 8, состоящего из электродвигателя и редуктора.
Транспортируемый материал загружается через загрузочное отверстие 2. Материал
под действием винта поступательно движется по желобу. При этом вращение
материала вместе с винтом исключено, так как этому препятствует сила тяжести
частиц материала. Разгрузка винтового конвейера может производиться в любом
месте по его длине через патрубок 6 с задвижкой 7. Желоб сверху обычно
закрывается крышкой 1. Винтовые конвейеры хорошо зарекомендовали себя при
транспортировании пылящих (кальцинированная порошкообразная сода, апатитовый концентрат,
фосфоритная мука, колчеданный огарок), остро пахнущих и горячих выделяющих газы
и пары материалов. Их используют также для транспортирования вязких и
тестообразных (мокрая глина и т.д.) материалов.
Рисунок
2.8.1. Горизонтальный винтовой конвейер: 1 - крышка; 2 - загрузочное отверстие;
3 - подшипник; 4 - неподвижный желоб; 5 - винт; 6 - патрубок; 7 - задвижка; 8 –
привод
Винтовые
конвейеры незаменимы в небольших помещениях, когда необходимо транспортировать
малое количество материала на короткие расстояния. Поэтому винтовой транспортер
также используется и для перемещения отжатой в центрифуге слюды в бункер
сушилки кипящего слоя.
Применяются
винтовые конвейеры с винтом следующих размеров: диаметр 100
600 мм, длина до 30
40 м, а в отдельных случаях до 50
60 м. Производительность винтовых
конвейеров составляет в среднем 20
40 м3/ч, но при больших
размерах винта может доходить до 100 м3/ч и более. Винтовые
конвейеры выполняют горизонтальными или пологонаклонными (устанавливают под
углом до 20° к горизонту) и вертикальными (для перемещения порошкообразных
удобрений, поташа, крахмала, соли и др.). В конструкции вертикального конвейера
предусматривается подача материала от горизонтальных винтовых конвейеров,
которые создают подпор материала.
Для транспортирования высушенного порошка слюды из сушилки
кипящего слоя в фасовочно-упаковочный аппарат лучше использовать ленточный
транспортер, чем винтовой. Порошок будет быстрее остывать на открытой ленте,
чем в закрытом желобе. Лента должна быть в таком случае жаропрочной.
Ленточный конвейер является широко распространенным типом транспортирующих
устройств непрерывного действия с тяговым органом. Основной рабочий орган
ленточного конвейера - гибкая замкнутая лента, на которой транспортируется
груз. В ленточных конвейерах в качестве тягового элемента применяются
резинотканевые (ГОСТ 20-85, ГОСТ 23831-79), резинотросовые (ТУ 38-105841-75) и
стальные (ТУ-14-1-525-73) ленты. Область применения ленточных конвейеров
достаточно широка: механизация, загрузка и разгрузка
складов сырья, подача сырья из склада в цех, перемещение грузов от одного
аппарата к другому, транспортирование готового продукта из цеха в склад и т.д.
К достоинствам ленточных конвейеров следует отнести высокую
производительность (до 1000 м3/ч и более), широкий диапазон
скоростей и
размеров (ширины ленты), непрерывность и равномерность
перемещения грузов, пригодность для транспортирования на большие расстояния,
простоту устройства и эксплуатации, небольшие энергозатраты и пригодность для
перемещения как мелкозернистого сыпучего материала, так и крупнокускового, а
также штучных и тарных грузов. В качестве недостатков ленточных конвейеров
можно отметить непригодность обычной текстильной ленты для транспортирования
горячих спекающихся материалов, возможность химического и механического
разрушения, пыление при перемещении порошкообразных материалов и сравнительно
малые допускаемые углы наклона конвейера к горизонту. [4]
2.9 Технические решения
При производстве слюдопласта, в частности слюдопластовой
бумаги, на Слюдяной фабрике в г. Колпино образуется более 500 м3 отходов
в год. Они представляют собой нерасщепленные пластинки и чешуйки слюды со
средним размером 20 мм. Отходы находятся в отстойнике в водной среде и имеют
3-4 класс опасности. Складирование, вывоз и утилизация отходов не только наносят
вред окружающей среде, но и являются экономически нецелесообразными. В
настоящей работе принято решение о переработке этих отходов. Получаемый порошок
слюды флогопит ГОСТ
19571-74, 19572-74, 19573-74 имеет влажность не более 3 % и размер частиц до 315 мкм. Данные
качественные показатели вырабатываемой продукции определяют технологию
производства, а с учетом заданной производительности, равной 1 тонне порошка в
сутки, и основные конструктивные параметры оборудования. Таким образом, отходы
подлежат помолу до необходимой тонины и сушке с предварительным
центрифугированием. Итак, в данном дипломном проекте на тему «Установка для
переработки отходов слюдопластового производства» приняты следующие технические
решения:
·
Отходы
транспортируются из отстойника в мельницу при помощи наклонного шнекового
транспортера, частично измельчаясь и обезвоживаясь;
·
В качестве
измельчителя используется шаровая барабанная мельница мокрого помола с
волнистой футеровкой и улитковым питателем, периодически захватывающим слюду из
приемного короба и направляющим материал в барабан;
·
Мельница работает
в замкнутом цикле с гидравлическим классификатором. Гидроциклон отправляет
деловую фракцию на дальнейшую переработку, а недомол - обратно в барабанную
мельницу;
·
Для перекачки
пульпы используются песковые или дисковые насосы, позволяющие перемещать
материал с относительно высокой плотностью и содержанием твердого;
·
Слюдяная пульпа
подлежит отжиму в осадительной горизонтальной шнековой центрифуге до влажности
30%;
·
Осадок шнековым
транспортером направляется в сушилку кипящего слоя, которая может работать в
непрерывном, периодическом и полунепрерывном режиме, сушка производится
топочными газами с температурой 330 °С до влажности 1 %;
·
Для снижения
уноса частиц слюды корпус сушилки выполняется расширяющимся;
·
Уносимые из
сушильной камеры частицы улавливаются газоочистной системой, состоящей из
циклона и рукавного фильтра;
·
Высушенная слюда
транспортируется ленточным конвейером к фасовочно-упаковочному аппарату, где
порошок фасуют в полипропиленовые мешки массой по 30 кг и запаивают;
Установка разработана для переработки отходов слюдопластовой
бумаги, но может быть также использована для переработки и других отходов
слюдяного производства. Наиболее крупные отходы могут поступать в барабанную
мельницу через барабанный питатель, конструкция которого скомбинирована с
улитковым питателем. Также возможно проведение измельчения в две стадии с
использованием, например, роторной дробилки;
При переработке слюдопластовых отходов, содержащих в себе
примеси, в сушилке кипящего слоя возможно проведение обжига. Наличие в этих
отходах лака, смолы, бумаги и других примесей не дает возможности вторичного
использования такой слюды без предварительной очистки. Одним из наиболее
рациональных способов извлечения слюды из отходов является способ выжигания.
Под воздействием высокой температуры сгорают органические примеси и
образующиеся при этом углеродистые соединения уносятся потоком воздуха. Регенерированная
слюда после обжига подвергается очистке на сортировочных машинах и может найти
применение в производстве коллекторного миканита.
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
3.1 Расчет барабанной мельницы
Технологический расчет шаровой мельницы для мокрого помола
слюды заключается в определении диаметра и длины барабана и параметров его
загрузки. Для определения диаметра барабана воспользуемся формулой расчета
производительности мельницы. Производительность шаровых мельниц зависит от
многих факторов, учесть которые теоретически обоснованной формулой сложно,
поэтому практически ее рассчитывают по эмпирическим приближенным формулам,
учитывающим лишь некоторые основные факторы.
В химической и горно-металлургической промышленностях принята
эмпирическая формула
Q = k∙V∙D0,6,(3.1.1)
где k - опытный коэффициент,
учитывающий влияние размеров шаров, шаровую загрузку, плотность пульпы при
мокром помоле, природу измельчаемого материала, крупность питания и готового
продукта, циркуляционную нагрузку, схему измельчения и др.;
V - объем барабана, м3;
D - внутренний диаметр барабана, м.
Коэффициент k
определяем по формуле:
k = (2,3∙10-3
8∙10-3)∙(dн/dк), (3.1.2)
где dн - средний диаметр частиц материала
до измельчения, равный 20 мм;
dк - средний диаметр частиц материала после измельчения, равный
0,3 мм.
k = 5∙10-3∙(20/0,3) = 0,33.(3.1.3)
Тогда, принимая отношение диаметра барабана к его длине,
равным 1/1 (т.е. L = D), получим:
Q = k∙V∙D0,6
= 0,33∙0,785∙D3∙D0,6 =(3.1.4)
= 0,33∙0,785∙D3,6 = 0,26∙D3,6,
где V = π∙R2∙L = π∙(D/2)2∙D = π∙(D2/4)∙D = (3.1.5)
= 0,785∙D2∙D = 0,785∙D3.
Откуда
D = (Q/0,26)1/3,6
,(3.1.6)
где Q -
производительность, равная 0,286 т/ч.
D = (0,286/0,26)1/3,6 = 1,02 м.(3.1.7)
Тогда длина барабана равна L = D = 1,02 м.(3.1.8)
В результате выполненных расчетов принимаем к установке
однокамерную барабанную мельницу для мокрого измельчения типа 4-ШМ-2. Ее
технические характеристики приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 Технические характеристики барабанной мельницы
мокрого помола 4-ШМ-2
| Диаметр барабана, мм |
1200 |
| Длина барабана, мм |
1200 |
| Частота вращения барабана, об/мин |
35 |
| Мощность двигателя, кВт |
26 |
Определим параметры шаровой загрузки мельницы.
Размер шаров, загружаемых в барабан, зависит от размеров
частиц измельчаемого материала и готового продукта, и может быть определен по
следующему эмпирическому соотношению (формула В.А. Олевского):
dш = 4,8(lgdк)dн0,5,(3.1.9)
где dн - размер частиц материала до измельчения,
равный 20 мм;
dк - размер частиц материала после измельчения,
315 мкм.
dш = 4,8(lg315)∙200,5
= 53,6 мм.(3.1.10)
Шаровая загрузка барабанных мельниц составляет приблизительно
30 % от объема барабана, т.е. коэффициент заполнения барабана мелющими телами
равен φ = 0,3. Коэффициент заполнения рассчитываем по формуле:
φ = Mш /(ρн∙V),(3.1.11)
где Mш - масса шаров;
ρн - насыпная плотность шаров, равная 3800 кг/м3;
V - объем барабана мельницы.
По этой формуле определим массу шаровой загрузки:
Mш = φ∙ ρн∙V,(3.1.12)
Mш = 0,3∙3800∙0,785∙1,22 = 1546
кг.(3.1.13)
Масса одного стального шара диаметром dш = 53,6
мм:
mш =
∙π∙rш3∙ρ,(3.1.14)
где rш - радиус шара;
ρ = 7800 кг/м3 – плотность стали.
mш =
∙3,14∙(26,8∙10-3)3∙7800
= 0,63 кг.(3.1.15)
Число шаров в загрузке:
z = Mш/mш, (3.1.16)
z = 1546/0,63 = 2454.(3.1.17)
Определим массу загрузки, состоящую из массы Mш
мелющих тел и массы измельчаемого материала, которую принимаем равной 14 %
массы мелющих тел. Следовательно,
mз = 1,14∙Mш,(3.1.18)
mз = 1,14⋅1546 = 1,762 т. (3.1.19)
Масса измельчаемого материала, находящегося в мельнице:
mи = 0,14∙Mш,(3.1.20)
mи = 0,14∙1546 = 216 кг.(3.1.21)
В результате выполненных расчетов барабанная мельница мокрого
измельчения 4-ШМ-2 имеет следующие параметры загрузки:
диаметр шаров dш = 53,6 мм;
масса шаровой загрузки Mш = 1546 кг;
число шаров в загрузке z = 2454;
масса влажной слюды, находящейся в мельнице mн = 216
кг. [3]
3.2 Расчет классификатора
Необходимо подобрать гидроциклон для поверочной классификации
измельченной слюды. В начале технологического расчета точно устанавливаем
требования, которые предъявляются к гидроциклону в данной операции и исходные
условия их работы. В гидроциклон поступает на классификацию пульпа, состоящая
из измельченной слюды и воды. Влажность слюды равна 50%, производительность
установки - 2 тонны пульпы в сутки. С учетом того, что установка работает 7
часов в сутки питание гидроциклона:
твердого - 0,143 т/ч;
жидкого - 0,143 т/ч;
добавляемая вода - 0 т/ч;
номинальная крупность слива - 315 мкм.
Объем пульпы для классификации в гидроциклоне составляет:
Vп = Vж + Vтв = W2
+ (Q2/δт),(3.2.1)
где δТ - плотность твердого в пульпе,
плотность флогопита, равная 2,7 т/м3.
Vп = 0,143 + (0,143/2,7) = 0,196 м3/ч. (3.2.2)
На одну секцию измельчения в шаровой барабанной мельнице
объем пульпы в питании составит:
Vсекц = Vп/N,
(3.2.3)
где N - количество секций
измельчения, равное 1 (так как измельчение проводится в один этап).
Vсекц = 0,196/1
= 0,196 м3/ч. (3.2.4)
Гидроциклон подбираем по граничной крупности слива, которая
составляет:
dг = dн/1,75,(3.2.5)
где dн - номинальная крупность слива, равная 315
мкм.
dг = 315/1,75 = 180 мкм.(3.2.6)
По таблице 3.2.1 такая граничная крупность обеспечивается
гидроциклоном с D = 500 мм, технические характеристики которого приведены в
таблице 3.2.2.
Таблица 3.2.1 Данные для выбора гидроциклонов
| D, мм |
150 |
250 |
360 |
500 |
710 |
1000 |
1400 |
|
dг, мкм
|
20–50 |
30–100 |
40–150 |
50–200 |
60–250 |
70–280 |
80–300 |
Таблица 3.2.2 Технические характеристики ГЦ 500К
| Диаметр цилиндрической части, мм |
500 |
| Угол конуса, град |
20 |
| Диаметр сливного отверстия, мм |
150 |
| Диаметр пескового отверстия, мм |
48, 75, 96, 150 |
| Производительность по питанию при давлении 0,1 МПа,
м³/час |
180 |
| Длина, мм |
825 |
| Ширина, мм |
875 |
| Высота, мм |
2210 |
Давление P0 пульпы на входе в гидроциклон при
работе в замкнутом цикле должно быть не менее 0,08 МПа.
Объемная производительность гидроциклона для P0 =
0,1 МПа составит:
V = 3∙Kα∙KD∙dп∙dс∙P00,5,(3.2.7)
где KD - поправка на диаметр гидроциклона, равная
1,1;
dп -
эквивалентный диаметр питающего отверстия, равный 130 мм;
dс - диаметр
сливного отверстия, 150 мм;
P0 - рабочее
давление пульпы на входе в гидроциклон, равное 0,1 МПа;
Kα -
поправка на угол конусности для α = 20°, равная 1.
V = 3∙1∙1∙13∙15∙0,10,5
= 185 м3/ч.(3.2.8)
Необходимое количество
гидроциклонов на одну секцию составит:
N = Vсекц/V =
0,17/185
1.(3.2.9)
Следовательно, принимаем
к установке 1 гидроциклон, обеспечивающий граничную крупность слива, равную 180
мкм.
Принимаем предварительно
к установке песковую насадку с диаметром отверстия, равным 48 мм. Граничная
крупность слива для песковой насадки Δ = 48 мм составляет:
dг = 1,5∙((D∙dC∙TП)/(Δ∙KD∙P00.5∙(δТ
- 1)))0,5,(3.2.10)
где δт - плотность
твердого в пульпе, плотность слюды флогопит, равная 2,7 т/м3;
Tп -
содержание твердого в питании гидроциклона, равное 50 %.
dг = 1,5 ((50∙15∙50)/(4,8∙1,1∙0,10.5∙(2,7
- 1)))0,5 = 172,4 мкм, (3.2.11)
что меньше 180 мкм.
Нагрузка по пескам Qп
выбранного гидроциклона составляет 208,7 т/ч. Удельная нагрузка тогда составит:
q = (Qп∙4)
/ (N∙π∙Δ2),(3.2.12)
q = (208,7∙4) / (1∙3,14∙4,82)
= 0,00115 т/(м2∙ч).(3.2.13)
Удельная песковая
нагрузка по твердому должна находиться в пределах 0.5
2.5 т/ч на 0,0001 м2 площади песковой
насадки.
Площадь насадки:
Sп = π∙R2 = 3,14∙2,4∙2,4 = 0,001808 м2.(3.2.14)
Тогда допустимая песковая
нагрузка:
qд = (0,5
2,2) Sп,(3.2.15)
qд = 0,000904
0,00398 т/(м2∙ч).(3.2.16)
Так как qд min < q < qд mах, окончательно принимаем песковую
насадку с Δ = 48 мм. [14]
3.3 Подбор насосов
Подача пульпы в
гидроциклон осуществляется песковым насосами. Выбор насоса производится по
заданной объемной производительности (м3/ч), содержанию твердого в
пульпе и необходимому манометрическому напору.
Производительность насоса
по воде определяется по формуле:
Vн2о = Vп∙(1
+ Тп),(3.3.1)
где Vн2о -
объемная производительность насоса по воде, м3/ч;
Vп - объемная
производительность насоса по пульпе, равная 0,196 м3/ч (3.2.2);
ТП -
содержание твердого в пульпе, равное 50%.
Vн2о = 0,196∙(1
+ 0,5) = 0,3 м3/ч.(3.3.2)
К установке принимаем
песковой насос с наименьшей возможной производительность, но обеспечивающий
достаточный напор для гидроциклона ГЦ 500К. В таблице 3.3.1 приведены
технические характеристики насоса П-12.5/12.5. Такой же насос установлен для
перекачки пульпы в центрифугу. [14]
Таблица 3.3.1 Технические
характеристики П-12.5/12.5
|
Подача по воде, м3/ч
|
Напор, МПа |
Мощность двигателя, кВт |
Масса, т |
Длина, м |
Ширина, м |
Высота, м |
| 12,5 |
0,125 |
2,2 |
0,05 |
0,840 |
0,360 |
0,365 |
3.4 Расчет центрифуги
Исходя из заданной
производительности по твердому осадку Dт = 143
кг/ч, предварительно принимаем к установке универсальная центрифуга ОГШ-35.
Ее технические
характеристики приведены в таблице 3.4.1.
Таблица 3.4.1 Технические
характеристики ОГШ-35
| Диаметр барабана, мм |
350 |
| Отношение длины барабана к диаметру |
1,8 |
| Максимальная частота вращения ротора, 1/с |
67 |
| Фактор разделения |
3140 |
| Расчетная производительность по твердой фазе, кг/ч |
500 |
Необходимая крупность
разделения δк = 0,005 мм.
Для нахождения скорости
осаждения частицы размером δк = 0,005 мм рассчитываем критерий
Архимеда:
Ar = [δк3(ρт - ρж) ρжg]/μ2,(3.4.1)
где ρт - плотность слюды, равная 2700 кг/м3;
ρж -
плотность воды, равная 1000 кг/м3;
μ - вязкость воды,
равная 0,9∙10-3 Па∙с.
Ar = [0,0053∙10-9∙(2700
- 1000)∙1000∙9,81]/(0,9∙10-3) = 2,32∙10-6.(3.4.2)
Режим осаждения
ламинарный Ar < 3,6, поэтому скорость осаждения
рассчитана по формуле Стокса:
ω0 =
δк 2 (ρт - ρж)∙g/(18∙μ),(3.4.3)
ω0 =
0,005 2 ∙10-6∙(2700 - 1000)∙9,81/(18∙0,9∙10-3)
= 0,257∙10-4 м/с. (3.4.4)
Средний диаметр потока
жидкости в барабане:
Dср = (Dв + Dб)/2,(3.4.5)
где Dв - внутренний диаметр барабана центрифуги, равный 350
мм;
Dб - диаметр слива жидкости, равный 260 мм.
Dср = (350 + 260)/2 = 305 мм = 0,305 м.(3.4.6)
Фактор разделения,
соответствующий среднему диаметру, определяется по зависимости:
Frср = (ω2∙ Dср)/(2g) = (2π2n2 Dср)/g, (3.4.7)
где n - частота вращения ротора центрифуги, равная 66 1/с.
Frср = (2∙3,142∙662∙0,305)/9,81
= 2710.(3.4.8)
Производительность
центрифуги по подаваемой суспензии рассчитываем по уравнению:
Vc = π∙Dср∙ℓ∙ω0∙Frср∙ɳэ,(3.4.9)
где ℓ - длина пути
осаждения, равная 0,375 м; ɳэ - коэффициент эффективности
разделения, равный 0,2 для центрифуг непрерывного действия.
Vc = 3,14∙0,305∙0,375∙0,257∙10-4∙2710∙0,2
=(3.4.10)
= 0,005 м3/с =
18 м3/ч.
Плотность суспензии была
определена по формуле:
ρс = (ρт∙ρж)/(ρт - (ρт - ρж)∙xm),(3.4.11)
где xm - массовая концентрация твердой фазы,
равная 50%.
ρс = (2700∙1000)/(2700 - (2700 - 1000)∙0,5)
= 1495 кг/м3. (3.4.12)
Производительность
центрифуги по твердому осадку при Vc = 18 м3/ч была определена по формуле:
Gт = Vc∙ρс∙xm,(3.4.13)
Gт = 18∙1495∙0,5 = 13131 кг/ч.(3.4.14)
Полученное значение
производительности по осадку
Gт = 13131 кг/ч > Gтmax = 500 кг/ч.(3.4.15)
В этом случае рабочую
производительность по осадку принимаем:
Gтр = 0,5∙Gтmax = 0,5∙500 = 250 кг/ч. (3.4.16)
Тогда максимальная
производительность по суспензии:
Vc = Gтр/(ρс∙xm),(3.4.17)
Vc = 250/(1495∙0,5) = 0,343 м3/ч.(3.4.18)
Требуемое количество
центрифуг:
z = Vтр/Vc, (3.4.19)
где Vтр - требуемая производительность по
суспензии, равная 0,196 м3/ч (3.2.2).
z = 0,196/0,343 = 0,6. (3.4.20)
Таким образом, для
установки принимаем одну центрифугу ОГШ-35. [13]
3.5 Расчет сушилки с кипящим слоем
3.5.1 Материальный и тепловой баланс
процесса горения
В сушильной установке с кипящим слоем подогрев сушильного
агента осуществляется за счет сжигания газообразного топлива с высоким избытком
воздуха в топке. При этом требуемая температура сушильного агента
обеспечивается за счет дополнительного смешения продуктов сгорания и воздуха
перед сушильной камерой.
Целью расчета является определение состава сушильного агента
(смеси продуктов сгорания и воздуха), влагосодержания и энтальпии. Исходными
данными являются элементарный состав топлива и температура газов перед
сушилкой. Основой для расчета являются уравнения материального и теплового
баланса процесса горения, учитывающие изменения теплоемкости газов в
зависимости от температуры.
Требуемые для расчета параметры воздуха - энтальпия h0 и влагосодержание x0 определяем по h-x диаграмме влажного воздуха: h0 = 38 кДж/кг; x0 = 9∙10-3кг/кг.
Сжигание газообразного топлива
В качестве теплоносителя используем топочный газ,
образующийся при горении газообразного топлива. В таблице 3.5.1.1.1 представлен
состав используемого природного газа.
Таблица 3.5.1.1.1 Состав
топлива
| Компонент газа |
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
C4H10
|
CO2
|
N2
|
|
Объемное содержание данного компонента yi,
%
|
98,7 |
0,35 |
0,12 |
0,06 |
0,1 |
0,67 |
Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3
газа:
V0 = 0,0476 [yH2/2
+ yCO/2 + yH2S + (3.5.1.1.1)
+ ∑(m+n/4)yCmHn
- yO2],
где yi - объемное содержание данного компонента, %.
Так как используемый газ не содержит в себе H2, O2 и H2S, то
в соответствии с уравнением (1) имеем:
V0 = 0,0476 [(1+4/4)98,7 + (2+6/4)0,35 + (3.5.1.1.2)
+ (3+8/4)0,12 + (4+10/4)0,06] = 9,5 м3/м3.
Находим объем дымовых газов. Теоретический объем азота:
V0N2
= 0,79V0 + 0,01yN2,(3.5.1.1.3)
V0N2
= 0,79∙9,5 +
0,01∙0,67 = 7,5 м3/м3. (3.5.1.1.4)
Объем трехатомных газов:
VRO2 = 0,01∙(yCO2
+ yCO + yH2S +∑myCmHn), (3.5.1.1.5)
VRO2 = 0,01[(1∙98,7 + 2∙0,35 +
3∙0,12 +(3.5.1.1.6)
+ 4∙0,06 + 0,1)] = 1,0 м3/м3.
Теоретический объем водяных паров:
V0H2O = 0,01(yH2S+∑(n/2)yCmHn)
+ 1,61V0∙x0, (3.5.1.1.7)
где V0
- теоретически
необходимое количество воздуха для сжигания 1 м3 газа, равное 9,5 м3/м3,
x0 - влагосодержание воздуха, равное 9∙10-3 кг/кг.
V0H2O = 0,01(2∙98,7 + 3∙0,35 + 4∙0,12 + 5∙0,06)
+(3.5.1.1.8)
+ 1,61∙9,5∙9∙10-3 = 2,13 м3/м3.
Низшая теплота сгорания газового топлива определяется на 1м3
газа при нормальных условиях через теплоты сгорания составляющих его компонентов:
Qcн = 358,2∙yCH4 + 637,5∙yC2H5 + 912,5∙yC3H8 + (3.5.1.1.9)
+ 711,7∙yC4H10 + 126,4∙yCO,
Qcн = 358,2∙98,7 + 637,5∙0,35 + 912,5 ∙0,12
+(3.5.1.1.10)
+ 711,7∙0,06 + 126,4∙0,1 = 35742,31 кДж/м3.
Определение избытка воздуха и параметров смеси
Коэффициент избытка воздуха α определяется из уравнения
теплового баланса, записанного для условий адиабатного сжигания:
Qφв + Qcн
= hг,(3.5.1.2.1)
Qcн + α∙ V0∙cв∙t0 = hг0 + (α-1)∙h0в,(3.5.1.2.2)
где cв
- теплоемкость
воздуха, кДж/м3К,
h0в
- энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре t = t1, °С.
Здесь энтальпия газов hг0
при α = 1 и температуре газов t = t1 определяется выражением:
hг0 = VRO2∙ сRO2∙ t1 + V0H2O∙ cH2O ∙ t1 +(3.5.1.2.3)
+ V0N2∙ cN2∙
t1, кДж/м3.
При расчете необходимо учитывать зависимость теплоемкости от
температуры для газовых компонентов в следующем виде:
Теплоемкость сухих трехатомных газов
сRO2 = 1,6 +
0,00088∙ t1,(3.5.1.2.4)
где t1- температура теплоносителя на входе
в сушилку, равная 330°С,
сRO2 = 1,6 + 0,
00088∙330 = 1,89 кДж/м3К.(3.5.1.2.5)
Теплоемкость азота
cN2 = 1,29 + 0,000202∙ t1,(3.5.1.2.6)
cN2 = 1,29 + 0,000202∙ 330 = 1,36 кДж/м3К.
(3.5.1.2.7)
Теплоемкость водяных паров
cH2O = 1,49+0,00016∙ t1,(3.5.1.2.8)
cH2O = 1,49+0,00016∙ 330 = 1,54 кДж/м3К.(3.5.1.2.9)
Теплоемкость воздуха
cв = 1, 319 + 0, 000078∙ t1,(3.5.1.2.10)
cв = 1, 319 + 0, 000078∙ 330 = 1, 34 кДж/м3К.(3.5.1.2.11)
Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при
температуре t = t1, °С:
h0в
= V0∙ cв ∙ t1,(3.5.1.2.12)
h0в
= 9,5∙1,34∙330 = 4200 кДж/м3.(3.5.1.2.13)
Таким образом, уравнение (3.5.1.2.3) принимает вид:
hг0 = 1,0∙1,89∙330 + 2, 13∙1,54∙330 + (3.5.1.2.14)
+ 7,5∙1,36∙330 = 5072 кДж/м3.
Физическая теплота воздуха:
Qφв = α∙V0∙ cв∙t0,(3.5.1.2.15)
где V0 - теоретически необходимое
количество воздуха для сжигания 1 м3 газа, равное 9,5 м3/м3
(3.5.1.1.2).
Qφв = α∙9,5∙1,34∙20 = 255∙α кДж/м3.(3.5.1.2.16)