4.8. Аэросепарация

Аэросепарация - процесс обогащения в движущейся газовой (воздушной) среде, основанный на использовании различий в плотности компонентов и их скорости витания.

Аэросепарацию (пневмосепарацию) применяют при обогащении полезных ископаемых (угля, асбеста) и техногенного сырья (ТБО, дробленого электрокабельного лома - удаление неметаллических компонентов, дробленого демеркуризованного стеклобоя отработанных ртутных ламп, других отходов). Аэросепарация эффективна для обеспыливания материалов, а также для выделения тонких классов крупности при сухом измельчении строительных материалов (воздушный сепаратор работает в замкнутом цикле с аппаратом измельчения).

Аэросепарацию при обогащении ТБО применяют для разделения потока отходов на легкую и тяжелую фракции (это необходимо, прежде всего, по условиям технологии извлечения металлов), а также для выделения горючих компонентов для последующей термической переработки, хотя в принципе возможна не только энергетическая утилизация легких компонентов. Кроме того, аэросепарацию применяют для очистки от примесей компоста, полученного из ТБО.

При аэросепарации ТБО в легкую фракцию переходят макулатура, полимерная пленка, некоторые текстильные компоненты (в основном синтетические), уличный смет и т.п. Рекомендуемая крупность аэросепарации ТБО - 250 мм.

На поведение легких компонентов ТБО в процессе аэросепарации решающее влияние оказывает подъемная аэродинамическая сила - равнодействующая всех сил (нормальных и тангенциальных), распределенных по поверхности частицы, находящейся в воздушном потоке. Аэродинамическая сила зависит как от параметров частиц (форма, размеры, состояние поверхности, положение в потоке), так и от параметров воздушного потока и пневмосепарирующей системы в целом (скорость воздуха и ее направление, степень турбулентности, равномерность скоростного потока, ширина струи).

Расчет необходимой скорости воздуха, обеспечивающей разделение ТБО на две фракции - легкую и тяжелую, можно производить приближенно по скорости витания компонентов легкой фракции, вычисляемой с применением графоаналитического метода.

На одиночную частицу, падающую в воздушной среде, действуют сила тяжести, направленная вниз и определяемая объемом V и плотностью твердой частицы:

,

и вторая сила (на падающую в воздушной среде частицу действует также архимедова сила, направленная вверх и равная , ввиду малого значения этой силы ею можно пренебречь (она имеет значение при сепарации в жидкой среде)), направленная вверх - сила аэродинамического сопротивления среды, которая выражается квадратичным законом сопротивления Ньютона:

,

где - объем частицы (компонента), м³; и- плотности соответственно компонента и воздуха, кг/м³; - коэффициент лобового сопротивления (аэродинамический коэффициент сопротивления воздуха движению частицы);- скорость витания компонента, м/с;- характерный линейный размер компонента, м.

Под скоростью витания понимают конечную скорость, которую приобретает частица (компонент) при свободном падении, когда силы тяжести и сопротивления среды уравновешиваются.

При условии равновесия сил и

,

,

,

где - толщина пленочного материала (например макулатуры, полимерной пленки), м.

Для определения скорости витания необходимо вычислить коэффициент лобового сопротивления , характеризующий способность частицы сопротивляться воздушному потоку. В общем случае он зависит от критерия режима движения Re, от фактораК, учитывающего влияние формы частицы (и), концентрации частици геометрических характеристик аппаратаи частици.

.

Коэффициент сопротивления зависит также от положения компонента в потоке воздуха (от его ориентации по отношению к направлению движения). Однако значениеопределяется в основном критерием режима движения и является функцией безразмерного числа Рейнольдса Re.

Число Рейнольдса характеризует режим движения тел в жидкой среде (турбулентный или ламинарный) и, соответственно, преобладание того или иного вида сопротивления (динамического сопротивления среды или сопротивления вязкости среды). Число Рейнольдса - безразмерная величина, равная отношению сил инерции к силам вязкости:

,

где - плотность жидкости;v - скорость потока; l - характерный линейный размер (например, диаметр); - коэффициент вязкости жидкости.

Исходя из подобия физических явлений в движущейся жидкости и газе и их воздействия на обтекаемые ими тела, коэффициент сопротивления можно выразить в виде критериальной зависимости от числа Рейнольдса.

, ,

где - число Рейнольдса;- коэффициент вязкости воздуха.

Рис.4.38. Диаграмма Лященко

Для определения скорости витания с использованием числа Рейнольдсаможно применить графический метод П.В. Лященко, который для практических расчетов ввел параметри построил диаграмму зависимостиотRe (рис.4.38).

Пользуясь графиком , по найденному значениюопределяютRe и по нему вычисляют скорость .

Значение можно найти путем математического преобразования, исключивииз уравнения числа Рейнольдса и коэффициента сопротивления:

,

, ;

,

.

Заменяя наF_т (=), получаем

.

Пользуясь установленными зависимостями, определяем параметр и по диаграмме П.В. Лященко находим число Рейнольдса Re, с помощью которого вычисляем скорость витания:

.

При аэросепарации используются два основных способа разделения компонентов: в горизонтальном потоке воздуха (направление воздуха перпендикулярно действующей на компоненты силе тяжести) и в вертикальном потоке воздуха (направление воздуха противоположно направлению действующей на компоненты силе тяжести). Соответственно в аэросепараторе компоненты легкой фракции транспортируются воздухом в горизонтальном или вертикальном направлении.

Расчеты позволяют получить выражение для определения теоретической рабочей скорости воздуха в процессе аэросепарации:

• в вертикальном потоке воздуха

,

• в горизонтальном потоке воздуха

,

где - смещение частиц в горизонтальном потоке воздуха, равное примерно 20, м (- линейные размеры частицы);h - высота рабочей зоны сепарации, м.