Химическая технология неметаллических и силикатных метериалов
Министерство образования и
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет»
Факультет «Химический»
Кафедра «Химическая технология»
Поток мелкого дробления
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
по дисциплине «Химическая технология неметаллических и силикатных метериалов»
ЮУрГУ–Хим–402.10.10.00 ПЗ КП
Нормоконтролер, к.х.н., доц. кафедры Руководитель, к.х.н., доц. кафедры
________________ А.М.Чуклай _________________А.М.Чуклай
________________ 2011 г. _________________ 2011 г.
Автор проекта
студент группы Х-302
_______________О.С. Младенцева
_________________ 2011 г.
Проект защищен
с оценкой
______________________________
__________________2011 г.
Челябинск 2011
АННОТАЦИЯ
Младенцева О.С. Поток мелкого дробления. – Челябинск: ЮУрГУ, Х-402, 30 с., 19 илл., 1 лист чертежа ф. А3; библиогр. список – 5 наим.
В данной работе рассмотрен процесс мелкого дробления, основные механизмы, составляющие технологический процесс. Произведен подбор основного аппарата в соответствии с заданной производительностью. Также представлен литературный обзор, затрагивающий измельчение в целом и аппараты для различных этапов дробления и помола.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................... |
4 |
1 ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ................... |
5 |
1.1 Классификация процессов
измельчения................... |
5 |
1.2 Основные типы машин
для измельчения............... |
7 |
2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ........ |
17 |
2.1 Общие сведения...................... |
17 |
2.2 Безопасность жизнедеятельности
на производствах с технологией измельчения................... |
18 |
2.3 Технология измельчения
на примере на примере |
19 |
3 МЕЛКОЕ ДРОБЛЕНИЕ.............. |
20 |
3.1 Технологическая схема......... |
20 |
3.2 Подбор оборудования........... |
21 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................... |
28 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................ |
29 |
ВВЕДЕНИЕ
На многих заводах, выпускающих изделия из тонкой керамики, производственный цикл охватывает все операции от обработки сырья до получения готовых изделий. На одном предприятии измельчается и обогащается минеральное сырье, приготовляется литейный шликер, пластичная масса или пресс-порошок, отливаются, формуются или прессуются изделия, обрабатывается и глазуруется их поверхность. Некоторые заводы, изготовляющие техническую тонкую керамику в небольшом количестве, исходное сырье не обрабатывают, а используют продукцию химической промышленности.
Одной из основных задач, стоящих перед промышленностью тонкой керамики, является механизация и автоматизация производства. На крупных заводах силами проектных организаций, исследовательских институтов и заводских конструкторов организованы технологически эффективные механизированные и частично автоматизированные линии.
В данной работе будет рассмотрен лишь небольшой участок производства тонкой керамики – измельчение, а именно, мелкое дробление.
1 ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ
- Классификация процессов измельчения
Измельчение - разрушение твердых тел до требуемых размеров.
По размеру (крупности) измельченного продукта различают:
1) дробление:
а) грубое (300-100 мм);
б) среднее (100-25 мм);
в) мелкое (25-1 мм);
2) помол:
а) грубый (1000-500 мкм);
б) средний (500-100 мкм);
в) тонкий (100-40 мкм);
г) сверхтонкий ( < 40 мкм).
Цель дробления - получение кускового продукта необходимой крупности и гранулометрического или фракционного состава, подготовка к помолу.
Цель помола - увеличение дисперсности твердого материала, придание ему определенного гранулометрического состава и формы частиц (остроугольные, скатанные, чешуйчатые и т. п.), дезагрегирование.
Измельчение способствует: улучшению однородности смесей, ускорению и повышению глубины протекания гетерогенных химических реакций, повышению интенсивности сочетаемых с ним других технологических процессов, снижению применяемых температур и давлений, улучшению физико-механических свойств и структуры материалов и изделий (твердые сплавы, бетон, керамика, огнеупоры и т. п.), повышению красящей способности пигментов и красителей, активности адсорбентов и катализаторов, переработке полимерных композиций, включающих высокодисперсные наполнители, отходов производства, бракованных и изношенных изделий.
Основные характеристики процесса:
- изменение дисперсности;
- степень измельчения - отношение среднего размера кусков (зерен) исходного материала к среднему размеру кусков (зерен, частиц) измельченного продукта;
- удельные энергетические затраты (кВт×ч на 1 т продукта).
Главные характеристики продукта измельчения - гранулометрический состав и удельная поверхность.
Измельчение может быть сухим (как правило, при грубом и среднем дроблении) и мокрым (часто при мелком дроблении и помоле). Сухое измельчение проводят в воздушной среде или в инертных газах (при переработке окисляющихся, пожароопасных и взрывоопасных, а также токсичных материалов). Мокрое измельчение (исходный материал смешивают с жидкостью) применяют при обогащении руд методом флотации, при последующей обработке измельченного материала в виде суспензии (например, в производстве ТiO2), при повышенной влажности материала и наличии в нем комкующих примесей, при необходимости исключить пылеобразование.
Измельчение может осуществляться периодически либо непрерывно. Периодический процесс применяют при небольших масштабах производства, так как он сравнительно малоэкономичен, сопровождается сильными нагреванием (измельчение происходит в замкнутом объеме) и агрегированием обрабатываемого материала и дает возможность получать продукт только широкого гранулометрического состава, содержащий значительные количества мелких и крупных фракций. Непрерывный процесс осуществляют по двум основным схемам. При работе в открытом цикле, используемом чаще всего для грубого и среднего измельчения, материал проходит через измельчитель только один раз, не возвращаясь в него, и также характеризуется широким гранулометрическим составом. Наилучшие показатели по качеству продукта, производительности измельчителя и энергетическим затратам достигаются в случае измельчения в замкнутом цикле с непрерывным отбором тонкой фракции. Тонкое дробление (или помол) производят, как правило, в замкнутом цикле. В нем материал с размерами кусков больше допустимого предела многократно возвращается в машину на доизмельчение, а целевая фракция отбирается в результате последующей классификации с помощью: 1) грохотов при дроблении, 2) гидравлических либо воздушных сепараторов соответственно при сухом и мокром помоле. При содержании в исходном материале не менее 30-40% требуемого тонкого продукта измельчение в открытом или замкнутом цикле проводят с предварительной классификацией сырья. При высокой степени измельчения резко возрастает расход энергии. С целью его снижения процесс осуществляют в несколько стадий (обычно в две, реже в три), направляя материал в установленные последовательно дробилки или мельницы для грубого, среднего и тонкого измельчения.
- Основные типы машин для измельчения
В промышленных измельчителях чаще всего применяют следующие виды механических воздействий: свободный удар, раздавливание, истирание, а также их комбинации. Выбор усилия зависит от крупности и прочности материала. Машины для измельчения подразделяют на дробилки и мельницы. Рассмотрим измельчители, наиболее распространенные в химических и смежных отраслях промышленности, а также в химических лабораториях.
Машины для дробления. Дробление производят в основном с помощью дробилок четырех типов: щековых, конусных, валковых, роторных.
Щековые дробилки служат для грубого и среднего дробления, например серного колчедана в производстве H2SO4 (Рисунок 1). В них материал раздавливается между неподвижной и подвижной плитами - щеками, рабочие поверхности которых имеют зубчатую форму. Расстояние между щеками уменьшается в направлении движения материала. Основные достоинства: высокая производительность, простота конструкции, широкая область применения (в том числе для дробления крупнокусковых материалов большой твердости), компактность, легкость обслуживания. К недостаткам щелковых дробилок относятся: периодичность воздействия на материал (только при сближении щек), неполная уравновешенность движущихся масс, что является причиной шума и сотрясений зданий, где работают дробилки, интенсивный износ рабочих органов. Степень измельчения 3-6.
Рисунок 1 – Щелковая дробилка:
1 - неподвижная щека; 2 – подвижная щека
В конусных, или гирационных, дробилках, предназначенных для среднего и мелкого дробления, материал подвергается раздавливанию (и частично излому) между неподвижным наружным конусом и внутренним, вращающимся в нем эксцентрично (Рисунок 2). Зазор между конусами уменьшается книзу (по ходу материала). Основные достоинства: надежность работы, высокая степень измельчения. Недостатки: сложность конструкции и обслуживания. Эти дробилки применяют, например, в производстве фосфоритов. Степень измельчения 3-6.
Рисунок 2 – Конусная дробилка:
1 – неподвижный конус; 2 – качающийся конус; 3 – вал
Валковые дробилки, используемые для мелкого дробления, например, в производстве каменноугольного пека (Рисунок 3). Состоят валковые дробилки из одной или двух пар горизонтальных зубчатых валков, которые, вращаясь навстречу друг другу, захватывают и раздавливают куски материала, при разной частоте вращения валков происходит также истирание материала. Основные достоинства: простота конструкции, равномерность измельчения материала. Недостатки: малая производительность и непригодность для дробления высокотвердых материалов, неравномерный износ валков. Степень измельчения 2-4.
Для дробления всех видов служат роторные, или молотковые, дробилки, где материал измельчается ударами вращающихся шарнирно подвешенных молотков либо жестко закрепленных на роторе бил, а также при ударах кусков материала друг о друга и о поверхность статора или отбойных плит (Рисунок 4). Основные достоинства: компактность конструкции, высокие производительность и степень измельчения (10-120), низкие энергозатраты. Недостаток - повышенный абразивный износ. Эти машины используют, например, для дробления доломитов и известняков.
Рисунок 3 – Валковая дробилка
Рисунок 4 – Роторная дробилка:
1 - ротор с молотками либо билами; 2 – статор; 3 – колосники
Машины для помола. Помол осуществляют с помощью мельниц со свободными и закрепленными мелющими телами и без них. К машинам со свободными мелющими телами относятся:
1) тихоходные вращающиеся барабанные мельницы - шаровые, стержневые, галечные (для грубого, среднего и тонкого помола);
2) быстроходные мельницы - центробежно-шаровые, вибрационные, планетарные, магнитные, бисерные и др. (для тонкого и сверхтонкого помола).
Барабанные шаровые мельницы загружены мелющими телами обычно на 35-40% объема, в межшаровом пространстве находится материал, который измельчается в результате совместного действия шаров и крупных кусков, а также взаимного истирания частиц.
Основные достоинства: возможность применения в многотоннажных производствах, простота конструкции. Недостатки: большая металлоемкость, значительный износ мелющих тел, сильный шум, производимый при работе. Эти измельчители используют для помола различных материалов, например, в производствах барита и фосфоритной муки. Степень измельчения 20-100.
Рисунок 5 – Барабанная шаровая мельница:
1 – корпус; 2 – мелющие тела; 3 – футеровочные питы; 4 – привод
Барабанные бесшаровые мельницы, или машины самоизмельчения, применяемые, например, в производстве асбеста, при переработке горнохимического сырья, по принципу действия аналогичны шаровым измельчителям, мелющие тела - крупные куски материала (Рисунок 6). Основное достоинство - возможность получения высокочистых измельченных продуктов. Недостатки: большие габариты, возможность накапливания фракций средних размеров, которые приходится возвращать на доизмельчение. Степень измельчения 180-300.
Рисунок 6 – Барабанная бесшаровая мельница:
1 – корпус; 2 – привод; 3 – диафрагма
В центробежно-шаровых мельницах, используемых для помола талька, мела, шары из вращающейся чаши отбрасываются центробежными силами к отбойной поверхности статора, измельчая материал действием стесненного удара, а затем снова падают в чашу (Рисунок 7). Материал увлекается воздушным потоком, создаваемым вентилятором, при этом в чашу на доизмельчение падают наиболее крупные куски и зерна, отраженные соответственно решеткой и сепаратором. Основное достоинство - высокая удельная производительность. Недостатки: сильный износ рабочих органов, высокий уровень шума. Степень измельчения 5-100.
Рисунок 7 – Центробежно-шаровая мельница:
1 – привод; 2 – корпус; 3 – чаша; 4 – отбойная поверхность статора; 5 – отражательная решетка; 6 – воздушный сепаратор; 7 – воздухопровод; 8 – вентилятор; 9 – шары; 10, 11 - штуцеры для подачи соответственно исходного материала и воздуха; 12 – привод
Вибрационные мельницы заполнены шарами на 80-90% объема, под действием вращающихся дебалансов корпус, опирающийся на пружины, совершает частые круговые колебания, и шарам сообщаются импульсы, в результате они движутся по сложным траекториям, интенсивно измельчая и перемешивая материал, находящийся в межшаровом пространстве (Рисунок 8). Основные достоинства: возможность получения высокодисперсных продуктов (степень измельчения 20-200), малая продолжительность помола, компактность. Недостатки: ограниченная производительность, высокий уровень шума. В этих машинах измельчают, например, гидрокарбонат натрия, сурик, охру, пигменты, кварц, графит.
Рисунок 8 – Вибрационная мельница:
1 – корпус; 2 – дебалансы; 3 - электродвигатель
В планетарных мельницах несколько барабанов смонтировано на общем водиле (Рисунок 9). На оси каждого барабана насажена малая шестерня, которая находится в зацеплении с неподвижным центральным зубчатым колесом. При вращении водила малые шестерни обкатываются вокруг колеса, и барабаны одновременно вращаются вокруг своих осей и центрального вала, в результате мелющие тела приобретают сложное движение при больших ускорениях, что обусловливает весьма интенсивное измельчение материала. Основное достоинство - высокая эффективность измельчения. Недостатки: малая производительность, периодичность процесса, возможность использования, как правило, в малотоннажных производствах, сильный разогрев продуктов вследствие значительного выделения теплоты. Эти мельницы применяют, например, в горнохимической промышленности, а также в качестве быстродействующих лабораторных устройств (подготовка проб для экспресс-анализов). Степень измельчения 20-300.
Рисунок 9 – Планетарная мельница:
1 – привод; 2 – зубчатое колесо; 3 – малая шестерня; 4 – барабан; 5 - водило
К машинам с закрепленными мелющими телами (ролики, катки, вальцы) относятся:
1) среднеходовые мельницы - бегуны (для грубого и среднего помола), кольцевые, жернова, краскотерки и другие (для среднего и тонкого помола);
2) быстроходные центробежные мельницы - ножевые, штифтовые, дисмембраторы, дезинтеграторы и другие (для грубого, среднего и тонкого помола).
В бегунах, служащих в основном для измельчения вязких материалов (часто в сочетании с перемешиванием), например, в горнохимимичесой и коксохимической отраслях промышленности, при вращении вала катки, которые свободно сидят на полуосях, катятся по дну чаши, раздавливая и истирая находящийся в ней материал (Рисунок 10). Под действием центробежных сил его куски перемещаются к наружному борту чаши, откуда возвращаются на катки с помощью специальных скребков. Основное достоинство - простота конструкции. Недостатки: низкая производительность, ограниченная степень измельчения (10-40).
Краскотерки позволяют диспергировать или перетирать материал (в производствах красок, полимерных паст и других) в регулируемом узком зазоре между параллельно установленными валками, вращающимися навстречу друг другу с разной скоростью (Рисунок 11). Готовый продукт удаляется через лоток, снабженный скребковым устройством. Основное достоинство – удобство регулирования степени измельчени (20-300). Недостатки: ограниченная производительность, неравномерный износ валков.
Рисунок 10 – Бегуны:
1 – каток; 2 – полуось катка; 3 – водило; 4 – центральный вал; 5 – чаша; 6 - привод
Рисунок 11 – Краскотерка:
1 – корпус; 2 – валок; 3 – загрузочная воронка; 4 – разгрузочный лоток
Дезинтеграторы (Рисунок 12) служат преимущественно для сухого помола хрупких, мягких материалов с малой абразивной способностью (например, каолин, мел, литопон). Исходный материал через загрузочную воронку поступает в центральную часть одного из роторов, вращающихся в противоположных направлениях, и попадает между их пальцами. Под действием центробежных сил куски материала продвигаются от центра к периферии роторов, многократно ускоряются, ударяясь о пальцы и сталкиваясь. Измельченный продукт отбрасывается из роторов в кожух и ссыпается через специальный патрубок. Основные достоинства: простота устройства, высокий смешивающий эффект. Недостатки: интенсивный износ пальцев, большое пылеобразование, значительный расход энергии. Степень измельчения 5-10.
Рисунок 12 – Дезинтегратор:
1, 2 – роторы с рабочими пальцами; 3 – станина с подшипниками; 4 - привод
К машинам без мелющих тел относятся:
1) барабанные мельницы самоизмельчения (для грубого, среднего и тонкого помола);
2) воздухо-, паро- и газоструйные мельницы (для тонкого и сверхтонкого помола);
3) пневматические мельницы (для среднего и тонкого помола);
4) кавитационные мельницы (для переработки суспензий);
5) коллоидные, ультразвуковые, электрогидравлические мельницы (преимущественно для тонкого и сверхтонкого помола).
В струйных противоточных мельницах измельчение происходит за счет энергии потока компримированного газа, например, воздуха, или перегретого пара (Рисунок 13). Два встречных потока, несущих с большой скоростью исходный материал в виде мелких кусков, пройдя сопла, которые установлены в разгонных трубах, соударяются, и частицы измельчаются. Восходящие потоки увлекают материал в зону предварительной сепарации грубых фракций и далее в сепаратор, где отделяется тонкая готовая фракция, улавливаемая сначала в циклоне и окончательно в фильтре. Грубые фракции непрерывно возвращаются из сепаратора в размольную камеру. Основное достоинство - возможность диспергирования термолабильных материалов. Недостаток - необходимость установки дополнительного оборудования (компрессора, газогенератора, мощной пылеулавливающей системы). Такие машины предназначены для измельчения кокса, слюды, известняка, пластмасс, инсектицидов. Степень измельчения 20-120.
Рисунок 13 – Струйная противоточная мельница:
1 – сопло; 2 – разгонная труба; 3 – размольная камера; 4 – воздушный сепаратор
Кавитационные мельницы (Рисунок 14) работают в системе с напорными баками, что обеспечивает многократную циркуляцию и высокую степень диспергирования материала. Действуя как насос, мельница прокачивает диспергируемую суспензию через кольцевой зазор между ротором и статором, причем благодаря наличию на их поверхностях продольных канавок сечение прохода то возрастает, то уменьшается, что вызывает значительные колебания давления и, как следствие, кавитационный эффект. В результате суспензия интенсивно измельчается и по окончании цикла переработки отводится через специальный кран в нижние части машины. Основное достоинство - высокая гомогенность получаемых суспензий. Недостатки: интенсивный износ рабочих органов, малая производительность. Эти измельчители применяют для приготовления резиновых смесей в лакокрасочных и других производствах. Степень измельчения 5-40.
Рисунок 14 – Кавитационная мельница:
1 – ротор; 2 – статор
2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
2.1 Общие сведения
Выбор способа и технологической схемы измельчения, типоразмеров, материалов рабочих органов и режима работы измельчителей зависит от прочности, твердости, упругости, липкости, термостойкости, химической активности, токсичности, склонности к загоранию и взрыву измельчаемых материалов, а также от гранулометрического состава, необходимой формы частиц, чистоты, белизны, насыпной массы, текучести продукта измельчения.
Процессы измельчения связаны со значительным расходом энергии. Для выражения зависимости между затратами энергии и результатами измельчения, то есть размерами кусков продукта, предложен ряд теорий, гипотез и эмпирических соотношений, которые могут быть использованы, однако, лишь с целью качественного сопоставления измельчающих машин. Практически для выбора типов и размеров машин, а также расчета их производительности, продолжительности процесса и дисперсности продуктов экспериментально изучают в равных условиях кинетику измельчения исследуемого и эталонного материалов и определяют так называемый коэффициент измельчаемости, который характеризует сопротивляемость материала измельчению в конкретной машине. Далее выбирают тип измельчителя и с использованием соответствующих таблиц параметры и режим его работы. Повышению эффективности измельчения, наряду с совмещением его с классификацией и проведением процесса в несколько стадий, способствует рациональный выбор удельных энергетических затрат, механических усилий и частот их воздействия на материал, соотношений твердое - жидкое при мокром помоле и другие факторы. Для получения высокодисперсных продуктов из материалов, склонных к агрегированию, их подвергают сначала сухому, а затем мокрому помолу с добавками ПАВ. Последние препятствуют агрегированию мелких частиц и позволяют получать тонкие порошки с модифицированной (гидрофобизированной или гидрофилизированной) поверхностью. Одновременно ПАВ облегчают возникновение и развитие в измельчаемом материале пластических сдвигов и трещин, что снижает его сопротивляемость измельчению. Перспективен также метод так называемого упругодеформационного измельчения, заключающийся в совместном воздействии на материал температуры, давления и деформации сдвига. С помощью этого метода на модифицированных экструзионных и вальцевальных машинах получают сверхтонкие порошки из вторичных полимерных материалов, например, изношенных резин или полиэтиленовой пленки. Для поддержания заданных характеристик продуктов измельчения необходимо контролировать и корректировать параметры процесса (влажность, крупность, измельчаемость, другие свойства исходных материалов, производительность машин). Для этого мощные дробильные и помольные установки оснащают системами автоматического регулирования. С целью уменьшения износа оборудования при измельчении абразивных материалов ограничивают скорость движения рабочих органов, применяют быстросъемные узлы и детали, подвергаемые легкому изнашиванию, футеруют рабочие поверхности. В ряде случаев осуществляют совместную обработку абразивного и мягкого компонентов композиции, при которой первый способствует измельчению второго, а мягкий полирует твердый, снижая его абразивность. Для уменьшения износа машин при мокром измельчении в жидкость вводят ингибиторы коррозии. При измельчении пожаро- и взрывоопасных материалов необходимо соблюдать правила техники безопасности.
2.2 Безопасность
Установки и помещения для измельчения необходимо проектировать и эксплуатировать с учетом нижних концентрационных пределов и температур воспламенения, а также способности исходных материалов к электризации. Должны быть обеспечены прочность и герметичность корпусов измельчителей и коммуникаций, установлены разрывные предохранительные мембраны. Для изготовления мелющих тел и корпусов измельчителей необходимо использовать материалы, исключающие возможность искрообразования при соударениях. Установки для измельчения следует заземлять и оснащать защитой от статического электричества, вместо пневматического транспорта применять механический с изготовлением его деталей (например, ковшей элеватора) из цветных металлов. Электрооборудование должно быть во взрывобезопасном исполнении, а категория помещений выбрана в соответствии с санитарными нормами и правилами. Пылеулавливающие устройства (циклоны, фильтры) следует монтировать в отдельном помещении, анализ пылесодержания воздушной среды и мокрую очистку трактов, оборудования и помещений от осевшей пыли необходимо проводить строго по графику. Эффективны также замена сухого измельчения на мокрое, измельчение в среде азота, оснащение установок системами автоматического дистанционного контроля, управления и сигнализации.
2.3 Технология измельчения на примере автоматической линии для измельчения отощающих материалов при производстве плиток
Отощающие материалы - кусковой кварц пли кварцевый песок, полевой шпат или пегматит поступают на заводы тонкой керамики без предварительного обогащения и помола, поэтому в массозаготовительных цехах используют разнообразное, небольшой мощности дробильно-помольное оборудование для обработки отощающих материалов.
На реконструируемых заводах
измельчение отощающих
Отощающие и пластичные материалы по эстакаде подаются в вагонах на склад сырья, где разгружаются из открытых вагонов грейферным краном, а из закрытых - машиной МВС-3 по отдельным отсекам, при этом исключается возможность загрязнения сырья при разгрузке и хранении. Отощающие материалы (пегматит, полевой шпат) другим грейферным краном подаются через бункер, лотковый питатель в щековую дробилку. Дробленый пегматит при помощи ленточного транспортера через ковшовый элеватор поступает в бункер, а затем через дисковый питатель в бегуны крупного помола. Отощающие материалы из бегунов подаются ковшовым элеватором, ленточными транспортерами в бункер 8. Кварцевый песок проходит через трубную сушилку, молотковую дробилку (для разбивания плотных комков) и подается ковшовым элеватором и ленточным транспортером в бункер.