Введение

Во многих отраслях химической и нефтехимической промышленности широко применяются механические процессы, такие как измельчение, классификация, смешение порошков, гранулирование и др.

Механические процессы используются в тех производствах, где химической переработке подвергается твердое минеральное сырье, когда процессы осуществляются в гетерогенной среде, или когда готовый продукт выпускается в порошкообразной либо гранулированной формах.

В результате измельчения значительно увеличивается удельная поверхность обрабатываемого материала, что позволяет значительно ускорить такие процессы, как растворение, сушку, выщелачивание, обжиг, химическое взаимодействие и др.

Процесс измельчения осуществляется чаще всего в замкнутом цикле с классификацией, когда крупные частицы, не удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к размеру конечного продукта, вновь возвращаются в измельчитель для дальнейшей обработки.

Измельчение в комплексе с классификацией повышает производительность оборудования, снижает расход энергии на единицу готового продукта.

Необходимость гранулирования порошковых материалов обусловлена преимуществами гранул по сравнению с порошкообразной формой веществ. Гранулы обладают хорошей сыпучестью, не налипают на поверхность бункера, не слеживаются при хранении, не пылят при транспортировании и расфасовке.

Для получения многокомпонентных порошкообразных или пастообразных смесей используются разнообразные смесители, конструкции которых в основном зависят от свойств отдельных компонентов, а также от качества и интенсивности смешения.

В настоящем пособии кратко рассмотрена конструкция и принцип действия основного оборудования для осуществления перечисленных механических процессов.

1. Измельчение твердых материалов

1.1. Физические основы измельчения

Во многих случаях возникает необходимость измельчения частиц твердого материала с целью увеличения поверхности контакта при обжиге, растворении, химических реакциях, флотации и других процессах.

Измельчение – это процесс уменьшения размеров частиц, как правило, до 2 мм.

Дробление – это предварительное грубое измельчение до размеров частиц не более 2…5 мм. Цель дробления – получение кускового продукта необходимой крупности, а также подготовка к измельчению и размолу.

Размол – это тонкое измельчение частиц до порошкообразного состояния размером менее 0,1 мм.

Для измельчения используется различное разрушающее воздействие (рис. 1.1)

а	б	в
г	д	е
Рис. 1.1. Методы измельчения
а – раздавливание; б – раскалывание; в – истирание; г – удар; д – резание; е – излом.

В большинстве случаев в машинах реализуются одновременно все эти способы, но главную роль играет один из них (тот, для которого сконструирована данная машина).

Метод измельчения выбирают исходя из физико-механических свойств материала (табл. 1.1) и требуемой степени измельчения i (табл. 1.2).

Таблица 1.1

Выбор метода измельчения в зависимости от свойств материала

№	Материал	Метод измельчения	Пример
1.	Твердый и хрупкий	Раздавливание и удар
2.	Твердый и вязкий	Раздавливание
3.	Хрупкий, средней твердости	Удар, раскалывание, истирание
4.	Вязкий, средней твердости	Истирание, и удар

Степень измельчения (i) – это отношение средневзвешенного размера частиц материала до и после измельчения.

, (1.1)

где – средневзвешенный размер частиц до измельчения, мм;

– средневзвешенный размер частиц после измельчения, мм.

,

где – средний размер частиц n-ой фракции в исходном материале, мм;

– массовый процентное содержания частиц n-ой фракции в исходном материале.

Куски, получаемые в результате измельчения, не имеют правильной формы. Размеры частиц (D и d) определяют размером отверстий сит, через которые просеивают материал до и после измельчения (ситовой анализ).

Каждая машина может обеспечить только ограниченную степень измельчения. Например, для щековых дробилок i = 3…6; для валковых дробилок i = 5…15. Поэтому на практике измельчение проводят в несколько стадий.

Таблица 1.2

Зависимость степени измельчения от метода измельчения

Вид измельчения	Рекомендуемый метод измельчения	Размер исходных частиц D, мм	Размер частиц после измельчения d, мм	Степень измельчения i
Крупное дробление	Раздавливание, раскалывание	1500…300	300…100	2…6
Среднее дробление	Раздавливание, раскалывание, удар	300…100	50…10	5…10
Мелкое дробление	Раздавливание, удар	50…10	10…2	10…50
Тонкий размол	Раздавливание, удар	10…2	2…0,075	50 и более
Сверхтонкий размол	Истирание, гидравлический удар, вибрация высокой частоты	10…0,075	0,075…0,0001	–

Крупное и среднее дробление, как правило, производится сухим способом, а мелкое дробление и размол – сухим или мокрым способами.

Мокрое измельчение имеет ряд преимуществ:

• уменьшается пылеобразование;

• улучшаются условия выгрузки материала (так как образуется подвижная суспензия);

• повышается равномерность помола;

• существенно сокращаются энергозатраты за счет эффекта Ребиндера

(жидкость, проникая в микротрещины материала, оказывает расклинивающее действие; жидкость как бы «распирает» материал).

При измельчении совершается работа внешних сил, преодолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. Механизм этого процесса чрезвычайно сложен. Поэтому в настоящее время существует около 100 гипотез, объясняющих в той или иной степени механизм измельчения, но наибольшее распространение получили только некоторые из них.

При измельчении куски реального твердого материала подвергаются сначала объем­ной деформации, а затем разрушаются по сечениям, ослабленным различными дефектами (микро- и макротрещинами), с образованием новых поверхностей.

Работа, полезно затраченная на измельчение, расходуется на объемную де­формацию разрушаемых кусков и на образование новых поверхностей.

, (1.2)

где К – работа упругого деформирования единицы объема тела;

V – изменение объема тела.

, (1.3)

где  – поверхностное натяжение тела (работа, затраченная на образование единицы новой поверхности);

F – величина вновь образованной поверхности.

Полная работа внешних сил при дроблении выражается уравнением Ребиндера

, (1.4)

При крупном дроблении величина вновь образующейся поверхности сравнительно невелика, а объемные деформации значительны. В этом случае объемная работа намного больше, чем поверхностная (A_V  A_F).

Тогда расход энергии на дробление будет пропорционален изменению объема тела ( первоначальному объему, т.е.  D³, где D характеризует размер)

, (1.5)

где К’ – объемный коэффициент формы частиц.

Работа при крупном дроблении пропорциональна объему (массе) дробимого куска. Это объемная гипотеза (теорема) Кика-Кирпичева.

При мелком дроблении и тонком размоле изменение объема частиц при упругих деформациях незначительно, а вновь образующая поверхность велика. В этом случае поверхностная работа намного больше, чем объемная (A_F  A_V).

Тогда расход энергии при мелком дроблении и тонком размоле пропорционален изменению поверхности тела ( первоначальной поверхности, т.е.  D², где D характеризует размер)

, (1.6)

где К – коэффициент формы частиц, К  1.

Работа при мелком дроблении и тонком размоле пропорциональна величине вновь образующейся поверхности. Это поверхностная гипотеза (теорема) Риттингера.

Для среднего дробления (промежуточный случай):

, (1.7)

где К₂ – опытная величина для каждого дробимого тела.

Это гипотеза среднего дробления Бонда.