Разработка новых способов высокоизбирательного и энергосберегающего измельчения

01.11.2014

В основу разработки нового способа измельчения положены: современная дислокационная гипотеза Гриффитса-Орована-Ребиндера; теоретические основы инерционного метода селективной дезинтеграции твердых материалов академика В, И. Ревнивцева; особенности изменения структурно-механических свойств зерна и продуктов его измельчения с уменьшением крупности по этапам технологического процесса сортового помола; анализ механизма разрушения зерна и его продуктов на системах сортового помола; анализ известных способов разрушения твердых материалов и результаты собственных аналитических и экспериментальных исследований.
На основе дислокационной теории разрушения академик В. И. Ревнивцев и его ученики научно обосновали механизм многоэтапного разрушения твердых тел, включающий стадии: скопление дефектов с последующей концентрацией напряжений; образования зародышевых микротрещин; развитие их в макротрещины и последующее по ним разрушение. Причем несоблюдение последовательности выполнения этих стадий или оптимальных условий их протекания приводит к нерациональной организации процесса, инициирующей избыточное развитие разрушающих усилий, прессование продукта, повышенный расход энергии, снижение раскрытия фаз и избирательности измельчения, переизмельчение продукта и потерю им потребительских свойств.
В теории и практике измельчения материалов природного и искусственного происхождения известен факт повышения прочности частиц с уменьшением их крупности. Он объясняется снижением концентрации дислокаций генетического и искусственного происхождения. Тогда для сохранения динамики роста последних необходимо повышать разрушающие напряжения пропорционально уменьшению крупности частиц.
Развитие трещин наиболее интенсивно проявляется в процессе упругой и пластической деформации. Поэтому повышение их частоты вызывает бурный рост трещин. Для разрушения зерна пшеницы, прошедшей кондиционирование, это наиболее актуально, так как адсорбционная влага заполняет даже самые тонкие микротрещины и способствует их развитию. Академик И, А. Ребиндер этот эффект назвал адсорбционным понижением прочности. По заключению И. А. Наумова последнее наиболее ярко проявляется в пористых и коллоидно-капиллярных телах, к которым и относится зерно пшеницы. Повышение частоты или многократности приложения разрушающих усилий обоснована энергетическим анализом автора.
Синтез результатов экспериментально-аналитических исследований глав 2 и 3 в совокупности с рассмотренной дислокационной гипотезой позволяет достаточно обоснованно определить модель нового способа, которая функционально должна включать следующее:
— этапное измельчение продукта с повышением уровня прилагаемых усилий на последующем этапе пропорционально уменьшению крупности частиц;
— вывод мелких классов из зон измельчения; максимальная вероятность взаимодействия рабочих органов с измельчаемым продуктом;
— интенсивный рост дислокаций, микро- и макротрещин в измельчаемом продукте в процессе нагружения продукта и релаксации напряжений;
— высокоизбирательное разрушение гетерогенных продуктов;
— высокую вероятность разрушения продукта до необходимого размера при каждом акте приложения нагрузки;
— минимальное скольжение рабочих органов по измельчаемому продукту в процессе его нагружения;
— отсутствие циркуляции продукта вне рабочего объема измельчителя;
— создание изотермических условий измельчения;
— снижение энергоемкости процесса и др.
Рассмотрим комплекс технологических приемов и операций, которые обеспечат выполнение обозначенных функций нового способа.
Поэтапное измельчение зерна пшеницы характеризуется значительным изменением структурно-механических свойств зерна и продуктов его размола с уменьшением крупности. Поэтому каждый этап измельчения необходимо проводить в отдельных рабочих зонах или объемах. Отсутствие циркуляции продукта вне рабочего объема измельчителя накладывает определенные ограничения на расположение зон измельчения в пространстве. Совершенно очевидно, что расположение зон должно быть наиболее близким, а процесс разгрузки первичной зоны должен быть совмещен с процессом загрузки вторичной. Такое техническое решение известно в практике И применено на восьмивальцовых стайках MDDL фирмы «Бюлер». Однако оно повлекло за собой увеличение габаритов и металлоемкости станка, что свидетельствует о необходимости поиска более эффективного технического решения. Его поиск выполним в совокупности со способом генерирования разрушающих усилий. Как неоднократно указывалось в главах 1-3, наименее энергоемким способом является инерционный способ, где в качестве основной разрушающей используется центробежная сила. Ее генерирование предполагает вращение основного рабочего органа вокруг какой-то оси, а минимальное скольжение - в результате его качения по измельчаемому продукту. Такая организация процесса предполагает цилиндрическую форму двух рабочих объемов. Первый внутри основного рабочего органа в форме барабана и второй — внутри цилиндрического корпуса, который обкатывает барабан по образующей. Тогда разгрузку первого рабочего объема можно совместить с. загрузкой второго. При этом также обеспечивается повышение разрушающего усилия при вторичном измельчении за счет его суммирования с первичным, т. е. соблюдается аксиома измельчения — повышение уровня разрушающих усилий с уменьшением крупности.
Цилиндрическая форма рабочих объемов и вращающиеся в них рабочие органы создают предпосылки для генерирования вихрей со стоком в направлении движения измельчаемого продукта. В технике пневматической классификации дисперсных систем по крупности организации вихря со стоком жесткой вращающейся системой известна и широко применяется в высокоэффективных пневматических классификаторах с цилиндрическими корпусами. При этом высокая концентрация дисперсной фазы в вихре, как необходимое условие высокой производительности процесса, требует повышения несущей способности воздушного потока. Последняя, как известно, определяется его скоростью. Поэтому для создания скорости воздушного потока, близкой к скорости системы его генерирующей, необходимо чтоб ее радиальный размер был не менее половины радиуса корпуса. Выполнение последнего условия будет способствовать и минимальному скольжению рабочих органов по измельчаемому продукту.
Движение дисперсной фазы в вихре со стоком осуществляется по цилиндрическим или цилиндроконическим спиралям. Крупные частицы, подлежащие измельчению, будут двигаться по цилиндрическим поверхностям или барабанов, или корпуса. Скорость их кругового движения всегда будет ниже линейной скорости барабанов за счет сил трения. Такая организация движения твердой фазы обеспечит максимально возможную вероятность многократного взаимодействия измельчаемого продукта с рабочими органами. Высокая вероятность разрушения при этом, как и избирательность измельчения, обеспечиваются соответствующим уровнем разрушающих только эндосперм усилий. Последнее генерируется посредством изменения числа оборотов.
Интенсивный рост дислокаций в измельчаемых частицах обеспечивается многократным созданием напряжений в диапазоне пределов упругости и текучести с периодом меньшим периода релаксации, что соответствует классической модели высокоизбирательного и малоэнергоемкого разрушения твердых материалов академика В. И. Ревнивцева.
Циркуляция продукта вне рабочей зоны измельчения в технологии измельчения, как правило, осуществляется для вывода из него мелких частиц перед повторным этапом измельчения. В рассматриваемой модели первичный объем расположен во вторичном, а процесс разгрузки измельченного продукта после первого этапа совмещен с его загрузкой на второй этап измельчения. Кроме этого как в первичном, так и вторичном объеме организован вихрь сo стоком, выводящий мелкие частицы из зон измельчения.
Создание изотермического режима измельчения является необходимым условием процесса и в особенности зерна пшеницы. В модели его достижение предполагается естественным и принудительным путем соответственно посредством отвода тепла с измельчаемым продуктом, воздухом и охлаждением водой корпуса. Первому способствует многократный контакт рабочих органов с измельчаемым материалом. Второму простота установки водяной рубашки на внешней цилиндрической поверхности корпуса.
Снижение энергоемкости процесса предполагается достичь, кроме вышеизложенного, за счет своевременного отвода мелких частиц из зон измельчения, минимизации прессования и переизмельчения продукта, отсутствия жесткой кинематической связи между рабочими органами и соответственно фиксированного зазора измельчения, генерирования, разрушающего усилия посредством центробежной силы.
Таким образом, принятые технические решения обеспечивают функциональные возможности нового способа.
Патентные исследования за последние 50 лет по МКИ В02С позволили определить для принятой модели аналоги способов, прототип и сформулировать формулу изобретения.
Согласно разработанному способу измельчение продукта происходит в результате периодического нагружения, как в первой, так и во второй стадии с равным периодом. В прототипе измельчаемый продукт находится в постоянном контакте с рабочими органами измельчителя, а процесс измельчения непериодичен, т, е. акт нагружения продукта не имеет периода. Такая организация процесса не позволяет использовать особенности реологических свойств зерна пшеницы как упруго-вязко-пластичного тела при технологической влажности. Последняя приводит к избыточному расходу энергозатрат.
Анализ характера разрушения зерна пшеницы, механизма образования и динамики роста трещин в нем под действием усилий сжатия и сдвига по условной диаграмме и осциллограмме разрушения И. А. Наумова показывает, что развитие трещин в зерне наблюдается за его пределом упругости. Интенсивный рост трещин наблюдается по достижению напряжений, соответствующих пределу текучести, а лавинный, приводящий к разрушению, — в диапазоне пределов текучести и прочности. В объеме этих исследований были также получены и кривые деформаций зерна. Их дифференциация во времени указывает на наличие зон упругой, неустановившейся и пластической деформаций с прогрессирующей перед разрушением скоростью. При снятии нагрузки перед разрушением деформация протекает в обратном порядке, но всегда с меньшей величиной вследствие релаксационных особенностей зерна пшеницы.
Анализ релаксационных свойств зерна пшеницы выполним в соответствии с основными положениями релаксационной теории Л. Больцмана. Согласно последней, прежний уровень деформации тела достигается с меньшим напряжением при повторном нагружении. Следовательно, многократное нагружение зерна пшеницы позволит достигнуть больших деформаций при меньших напряжениях и, как следствие, меньших затрат энергии. Однако их необоснованная периодичность может вызвать обратный эффект. Достаточно обосновано ее можно получить из релаксационного закона И. А. Наумова, выражение (1.6). Согласно последнему, для разработанного способа измельчения периодичность нагружения может быть выражена зависимостью:

Разработка новых способов высокоизбирательного и энергосберегающего измельчения

где σу, σп — соответственно пределы упругости и прочности, Н/м2;
tn — время межу актами нагружения, с.
Приведенная зависимость является математической формулировкой нового энергосберегающего способа измельчения.
Патентные исследования в показали, что в современной технике измельчения отсутствует конструкция измельчителя, способного реализовать новые способы измельчения. Следовательно, для их реализации необходимо разрабатывать новую конструкцию измельчителя.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: