Segregacja monodyspersyjnej mieszaniny składników ziarnistych w złou fluidalnym

Transkrypt

1 AMME 003 1th Segregacja monodyspersyjnej mieszaniny składnikó ziarnistych złou fluidalnym H. Szlumczyk Zakład Odlenicta, Instytut Materiałó Inynierskich i Biomedycznych Politechnika lska, Gliice, ul. Toaroa 7, Przedmiotem publikacji jest okrelenie doiadczalnych parametró przebiegu procesu rozdziału (klasyfikacji) składnikó mieszaniny złou fluidalnym. Mieszanin sporzdzono z materiałó sypkich o zblionej ziarnistoci lecz rónej gstoci łaciej. Wynikiem przeproadzonych prób jest analiza parametró charakteryzujcych proces fluidyzacji aspekcie molioci ykorzystania tego zjaiska dla potrzeb rozdziału poszczególnych składnikó złou monodyspersyjnym. 1. WPROWADZENIE Wykorzystanie zjaiska fluidyzacji umoliia realizacj ielu procesó technologicznych zizanych z łczeniem lub rozdzielaniem składnikó poszczególnych faz. Posiada to istotne znaczenie podczas klasyfikacji materiałó sypkich złou fluidalnym zaróno mieszaninie polidyspersyjnej o jednakoej gstoci składnikó jak i monodyspersyjnej o rónej gstoci łaciej. Dostosoanie parametró do załoonych arunkó klasyfikacji umoliia rozdzielenie (segregacj) frakcji o rónej ielkoci np. odpylanie. Monodyspersyjna mieszanina materiałó sypkich (o zblionej ziarnistoci) przy znacznej rónicy gstoci łaciej składnikó moe by rozsegregoana na poszczególne składniki złou fluidalnym przy dostosoanych arunkach prdkoci przepłyu strumienia gazu przez złoe. Istotne znaczenie procesie klasyfikacji materiałó sypkich złou fluidalnym posiada kształt czstek (poza ich ielkoci i gstoci). Parametry charakteryzujce złoe i stanoice o jego strukturze to stenia objtocioe α, masoe c m, oraz poroato.. CHARAKTERYSTYKA PRZEPŁYWU GAZU PRZEZ ZŁOE MATERIAŁU SYPKIEGO Gaz moe przepłya przez nieruchome złoe materiału ziarnistego, poruszajc si olnej przestrzeni kanałami istniejcymi midzy czsteczkami stałymi. Ruch gazu arstie charakteryzuje si okresoymi zeniami i rozszerzeniami poszczególnych strug, na które rozdziela si strumie gazu przy ejciu do łoa, jak rónie charakterem drogi tych strug kanałach złoa.

2 98 H. Szlumczyk Parametry charakteryzujce przepły gazu przez złoe uarunkoane s : ielkoci czstek stałych, składem ziarnoym złoa, kształtem czstek i ich usytuoaniem, poroatoci złoa, fizycznymi charakterystykami złoa i strumienia. W oparciu o teoretyczn znajomo róna przepłyu gazó przez kapilary oraz uarunkoania ynikajce z danych eksperymentalnych opracoano rónania umoliiajce yznaczenie spadku cinienia funkcji prdkoci przepłyu płynu. Ogólne rónanie dla okrelenia spadku cinienia p dla doolnej ysokoci złoa mona przedstai postaci: ( ρ ρ) ( 1 ) dp = g dx W rónaniu tym okrela poroato złoa, które oznacza stosunek objtoci poró, tj. objto fazy cigłej (gazu) do objtoci V f, przy objtoci łaciej czstek V n ynosi: Vn hn ρ n f = 1 ( 1 n ) = 1 () V h ρ f Bardziej ogóln, doiadczalnie opracoan postaci rónania umoliiajc yznaczenie spadku cinienia na złou jest zaleno Ernunga Ornninga. Dla szerokiego zakresu liczby Reynoldsa Re < 1000 zaleno t okrela yraenie: ( 1 ) h h ρ 1 p = 150η + 3, 5 (3) 3 3 d d gdzie : h - ysoko złoa, η - lepko dynamiczna, d - rednica czstek (rednia ielko ziarna), - prdko rednia strumienia, - poroato złoa Fluidyzacja rozpoczyna si przy okrelonej prdkoci zanej prdkoci pocztko fluidyzacji lub prdkoci krytyczn k. Odpoiada ona stanoi, podczas którego opór przepłyu gazu przez rozluniony stos ziaren jest róny cinieniu statycznemu złoa: p = h g( ρ ρ)( 1 ) (4) h 0 f (1) Z poyszego rónania yznaczono prdko krytyczn dla trzech stanó przepłyu: dla przepłyu laminarnego Re < 10 3 d g( ρ ρ) k = 150 η 1 dla przepłyu przejcioego 10 < Re < 100 (5) k ( 1 ) d g( ) 150 ν( 1 ) 150 ν ρ ρ 3 = + 3, 5 d 3, 5 ρ 3, 5 d (6) dla przepłyu burzliego Re > 100

3 Segregacja monodyspersyjnej mieszaniny 99 k = d 150 ( ρ ρ) g 3 (7) ρ Jak ynika z poyszych zoró prdko krytyczna fluidyzacji zaley od ielkoci czstek d oraz gstoci łaciej czstek i płynu, natomiast nie ma na ni płyu ysoko arsty. Fluidyzacja złoa monodyspersyjnego charakteryzuje si okrelon artoci prdkoci krytycznej odrónieniu od złoa polidyspersyjnego, dla którego przejcie stan upłynnienia ma miejsce dla przedziału artoci prdkoci. Parametrem charakteryzujcym ruch czstki złou fluidalnym jest ponadto prdko unoszenia. Jest to prdko graniczna, po przekroczeniu której czstki o danej rednicy s yieane ze złoa. Prdko unoszenia jest róna prdkoci sobodnego opadania ziarn danym płynie. Warto prdkoci unoszenia ustala si doiadczalnie bd oblicza (znajc parametry fizyczne czstki i płynu) korzystajc z ogólnego praa oporu: gdzie: λ - spółczynnik oporu. k = ( ρ ρ) 4 g d 3 λ ρ (8) Doiadczalnie stierdzono, i spółczynnik oporu λ jest ikszy dla czstek o kształcie odbiegajcym od kulistego. Wnioskoa std mona, e prdko unoszenia czstki o nieregularnym kształcie jest mniejsza ni dla czstki kulistej. Obszar fluidalny teoretycznie zaarty jest pomidzy prdkoci krytyczn k, yznaczajc doln granic i prdkoci unoszenia u pojedynczej czstki yieanej ze złoa. 3. BADANIA PROCESU KLASYFIKACJI MONODYSPERSYJNEJ MIESZANINY SKŁADNIKÓW O RÓNEJ GSTOCI Badania procesu klasyfikacji (segregacji) składnikó mieszaniny proadzono z ykorzystaniem układu pomiaroo - badaczego, którego schemat przedstaiono na rys. 1. Układ ten yposaono niezbdn aparatur pomiaro, umoliiajc okrelenie parametró charakteryzujcych przebieg procesu fluidyzacji (prdko strumienia poietrza, spadek cinienia na złou). Rys. 1. Schemat układu badaczo - pomiaroego procesu fluidyzacji. Fig. 1. Scheme of the fluidization process research and measurement system.

4 930 H. Szlumczyk Materiałem do prób były składniki mieszaniny: piasek karcoy o ziarnistoci 0,80 1,60 mm rut eliny okrgły o ziarnistoci 0,80 1,60 mm rut staloy city o ziarnistoci 0,80 1,60 mm Z tych składnikó sporzdzono mieszanin stosunku 1 : 1 postaci: piasek karcoy + rut eliny okrgły piasek karcoy + rut staloy city Parametry jakocioe poszczególnych składnikó zestaiono tab. 1. Tab. 1. Lp Materiał badany ρ k ρ n u λ f - - kg/m 3 kg/m 3 m 3 / m 3 m/s - m 3 / m 3 1 Piasek karcoy ,388,77-6,4 3,05-1,14 0,673 rut eliny ,368 11,9-5,60 0,50-0,0 0,513 okrgły 3 rut staloy city ,369 7,44-18,4 1,05-0,35 0,48 Cykl badaczy obejmoał okrelenie charakterystyki fluidyzacji poszczególnych składnikó (piasek karcoy, rut eliny kulisty oraz rut staloy city), których graficzny obraz przedstaiono na rys.. Kolejno przeproadzono próby mieszania a nastpnie klasyfikacji (segregacji) składnikó zgodnie z zalenociami, gdzie do kolumny fluidyzatora układzie ejcioym zasypyano te składniki kolejnoci: piasek karcoy (h o =60 mm) i rut eliny okrgły (h o =60 mm) oraz piasek karcoy (h o =60 mm) i rut staloy city (h o =60 mm). Poszczególne fazy procesu intensynego mieszania, a nastpnie segregacji składnikó zostały zarejestroane postaci zdj. Proces fluidyzacji przebiegał zgodnie z charakterystyk fluidyzacji mieszanin przedstaion na rys. 3. Rys.. Charakterystyki fluidyzacji poszczególnych składnikó mieszaniny. 1 - piasek karcoy, - rut eliny kulisty, 3 - rut staloy city. Fig.. Charakterystics of the fluidization of particular components of the mixture. 1 - silica sand, - spherical cast iron shot, 3 - cut steel shot.

5 Segregacja monodyspersyjnej mieszaniny 931 Rys. 3. Charakterystyki fluidyzacji mieszanin. 1 - piasek karcoy + rut eliny kulisty, - piasek karcoy + rut staloy city. Fig. 3. Charakteristics of the fluidization of mixtures. 1 - silica sand+ spherical cast iron shot, - silica sand+ cut steel shot. 4. ANALIZA PRZEBIEGU PROCESU I PODSUMOWANIE W pocztkoym etapie przepłyu poietrza przez złoe ( f = 0, - 0,5 m/s) układ duskładnikoy zasypyany arstoo do aparatu pozostaał spoczynku, co ynika z gstoci łaciej składnikó i poroatoci złoa. W miar zrostu prdkoci strumienia fluidyzujcego ładunek pozostaał nieruchomy do czasu rozpoczcia fazy tłokoania. Ekspansja ładunku nastpiła momencie zrónania si cinienia gazu z cinieniem statycznym słupa materiału ziarnistego. Obseroano óczas zmoony proces przemieszczania si czstek obu składnikó obrbie złoa. Zjaisko to zaistniało przy prdkoci przepłyu strumienia fluidyzujcego f ~ 0,5 m/s. Po przekroczeniu artoci prdkoci f > 1,4 m/s proces fluidyzacji przebiegał burzlie poodujc intensyne mieszanie składnikó złoa. Wysoko arsty złoa zrosła do h f ~ 300 mm, przy ysokoci spoczynkoej h o = 10 mm. Stopnioe zmniejszanie natenia przepłyu poietrza fluidyzujcego przez złoe ( f < 0,8 m/s) spoodoało zanik procesu burzliej fluidyzacji i rozpoczł si rozdział składnikó mieszaniny. rut eliny lub staloy z uagi na iksz gsto łaci przemieszczał si kierunku dolnych arst złoa. Przy artoci prdkoci f ~ 0,5 m/s ysoko złoa ynosiła h f ~ 140 mm i zaznaczyła si yrana granica rozdziału poszczególnych składnikó. Całkoity zanik przepłyu poietrza przez złoe spoodoał ustabilizoanie si słupa materiału, którym rut zalegał na dnie poroatym aparatu natomiast piasek ypełniał przestrze ponad rutem z bardzo yran granic rozdziału. Strefa przenikajcych si składnikó mieszaniny na granicy rozdziału nie przekraczała mm. Oceny jednorodnoci składnikó na poszczególnych arstach złoa dokonyano na podstaie pomiaru gstoci łaciej badanej czci złoa. Proces fluidyzacji oraz segregacji składnikó mieszaniny realizoany dla obydu materiałó (rut eliny i staloy) nie ykazyał istotnych rónic efektynoci segregacji

6 93 H. Szlumczyk (klasyfikacji). Podobne badania przeproadzono rónie dla mieszaniny piasku karcoego i chromitoego o ziarnistoci zakresie ielkoci czstek d = 0,16-0,40 mm. Strefa przejcioa rozgraniczajca poszczególne składniki po segregacji fluidalnej była iksza i ynosiła ok. 40 mm. Czas niezbdny do uzyskania zamierzonego stopnia rozdziału uzaleniony jest od natenia przepłyu poietrza (prdkoci przepłyu przez złoe) oraz od ielkoci rónicy gstoci składnikó mieszaniny. Uzyskane efekty rozdziału materiałó ziarnistych o porónyalnych ielkociach ziaren, lecz o znaczcej rónicy gstoci potierdzaj molioci technologicznego ykorzystania procesu fluidyzacji dla tych celó. Stopie rozdziału poszczególnych składnikó mieszaniny stosoanych badaniach jest zadoalajcy i ynosi 9 do 95 %, co naley rozumie, e materiale o ikszej gstoci ( tym przypadku rut staloy) zalegajcym dolnej czci złoa zaarto składnika o gstoci mniejszej (piasek karcoy gruboziarnisty) nie przekracza 5 do 7 %. Wyniki pracy mog znale zastosoanie procesach oczyszczania poierzchni odleó przy ykorzystaniu rutonic, gdzie istnieje problem rozdziału składnikó mieszaniny po procesie (masa formierska i rut staloy). LITERATURA 1. Szlumczyk H., Pitkieicz Z., Janerka K. Klasyfikacja polidyspersyjnych materiałó ziarnistych złou fluidalnym, Mat. konf. III Konf. Materiały pomocnicze odlenictie i metalurgii, Pol. l. Katoice 1997,. Szlumczyk H., Pitkieicz Z., Janerka K. Proces klasyfikacji materiałó sypkich przepłyoym urzdzeniu fluidyzacyjnym, Krzepnicie Metali i Stopó, ZN PAN, z..31 Katoice 1997, 3. Pitkieicz Z. Transport pneumatyczny. Monografia 13, Wyd. Pol. l., Gliice 1999, 4. Szlumczyk H., Homa D. Zastosoanie transportu pneumatycznego procesach technologicznych, Pneumatyka 6 (19), Wyd. Lektorium, Wrocła 1999, 5. Szlumczyk H., Homa D. Transport fluidalny i jego aplikacje technologiczne dozoanie i mieszanie materiałó sypkich, Transport Przemysłoy 1 (3)/001, Wyd. Lektorium, Wrocła 001, 6. Orzechoski Z. Przepłyy dufazoe, PWN Warszaa 1990, 7. Koch R., Nooryta A. Procesy mechaniczne inynierii chemicznej. Inynieria chemiczna, WNT Warszaa 199, THE CLASSIFICATION OF LOOSE MATERIALS IN A FLUIDIZED BED The subject of the publication as to determine parameters of the process proceeding of the mixture components separation (classification) in the fluidized bed under experimental conditions. The mixture as prepared from loose materials similar granularity but of different specific densities. The result of carried out tests is the analysis of parameters that characterize a fluidization process in the aspect of the phenomena usability to separation of particular components in monodisperse bed.