37/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopó, nr 38, 1998 PAN Katoice PL ISSN 0208-9386 KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW SYPKICH W ZŁOŻU FLUIDALNYM SZLUMCZYK Henryk, JURA Stanisła, PIĄTKIEWICZ Zbignie, JANERKA Krzysztof Katedra Odlenicta, Politechnika Śląska 44-100 Gliice, ul. Toaroa 7, POLAND STRESZCZENIE Przedmiotem publikacji jest określenie dośiadczalnych parametró przebiegu procesu rozdziału (klasyfikacji) składnikó mieszaniny złożu fluidalnym. Mieszaninę sporządzono z materiałó sypkich o zbliżonej ziarnistości lecz różnej gęstości łaściej. Wynikiem przeproadzonych prób jest analiza parametró charakteryzujących proces fluidyzacji aspekcie możliości ykorzystania tego zjaiska dla potrzeb rozdziału poszczególnych składnikó złożu monodyspersyjnym. 1. WPROWADZENIE Wykorzystanie zjaiska fluidyzacji umożliia realizację ielu procesó technologicznych ziązanych z łączeniem lub rozdzielaniem składnikó poszczególnych faz. Posiada to istotne znaczenie podczas klasyfikacji materiałó sypkich złożu fluidalnym zaróno mieszaninie polidyspersyjnej o jednakoej gęstości składnikó jak i monodyspersyjnej o różnej gęstości łaściej. Dostosoanie parametró do założonych arunkó klasyfikacji umożliia rozdzielenie (segregację) frakcji o różnej ielkości np. odpylanie. Monodyspersyjna mieszanina materiałó sypkich (o zbliżonej ziarnistości) przy znacznej różnicy gęstości łaściej składnikó może być rozsegregoana na poszczególne składniki złożu fluidalnym przy dostosoanych arunkach prędkości przepłyu strumienia gazu przez złoże. Istotne znaczenie procesie klasyfikacji materiałó sypkich złożu fluidalnym posiada kształt cząstek (poza ich ielkością i gęstością). Parametry charakteryzujące złoże i stanoiące o jego strukturze to stężenia objętościoe α, masoe c m, oraz poroatość ε.
230 2. CHARAKTERYSTYKA PRZEPŁYWU GAZU PRZEZ ZŁOŻE MATERIAŁU SYPKIEGO Gaz może przepłyać przez nieruchome złoże materiału ziarnistego, poruszając się olnej przestrzeni kanałami istniejącymi między cząsteczkami stałymi. Ruch gazu arstie charakteryzuje się okresoymi zężeniami i rozszerzeniami poszczególnych strug, na które rozdziela się strumień gazu przy ejściu do żłoża, jak rónież charakterem drogi tych strug kanałach złoża. Parametry charakteryzujące przepły gazu przez złoże uarunkoane są : ielkością cząstek stałych, składem ziarnoym złoża, kształtem cząstek i ich usytuoaniem, poroatością złoża, fizycznymi charakterystykami złoża i strumienia. W oparciu o teoretyczną znajomość rónań przepłyu gazó przez kapilary oraz uarunkoania ynikające z danych eksperymentalnych opracoano rónania umożliiające yznaczenie spadku ciśnienia funkcji prędkości przepłyu płynu. Ogólne rónanie dla określenia spadku ciśnienia p dla doolnej ysokości złoża można przedstaić postaci: ( ρ ρ) ( 1 ε) dp = g dx h 0 W rónaniu tym ε określa poroatość złoża, które oznacza stosunek objętości poró, tj. objętość fazy ciągłej (gazu) do objętości V f, przy objętości łaściej cząstek V n ynosi: ε f Vn hn ρ n = 1 ( 1 ε n ) = 1 (2) V h ρ f Bardziej ogólną, dośiadczalnie opracoaną postacią rónania umożliiającą yznaczenie spadku ciśnienia na złożu jest zależność Ernunga Ornninga. Dla szerokiego zakresu liczby Reynoldsa Re < 1000 zależność tę określa yrażenie: ( 1 ε) 2 2 h h ρ 1 ε p = 150η + 35, (3) 2 3 3 d ε d 2 ε gdzie : h - ysokość żłoża, η - lepkość dynamiczna, d - średnica cząstek (średnia ielkość ziarna), - prędkość średnia strumienia, ε - poroatość złoża Fluidyzacja rozpoczyna się przy określonej prędkości zanej prędkością początkoą fluidyzacji lub prędkością krytyczną k. Odpoiada ona stanoi, podczas którego opór przepłyu gazu przez rozluźniony stos ziarn jest róny ciśnieniu statycznemu złoża: p = h g( ρ ρ)( 1 ε) (4) f (1) Z poyższego rónania yznaczono prędkość krytyczną dla trzech stanó przepłyu: dla przepłyu laminarnego Re < 10 2 3 d g( ρ ρ) ε k = 150 η 1 ε (5)
231 dla przepłyu przejścioego 10 < Re < 100 k 2 ( 1 ) d 2g( ) 150 ν( 1 ε) 150 ν ε ρ ρ 3 = + ε 35, d 35, ρ 35, d (6) dla przepłyu burzliego Re > 100 k = d 150 ( ρ ρ) 2g 3 ε (7) ρ Jak ynika z poyższych zoró prędkość krytyczna fluidyzacji zależy od ielkości cząstek d oraz gęstości łaściej cząstek i płynu, natomiast nie ma na nią płyu ysokość arsty. Fluidyzacja złoża monodyspersyjnego charakteryzuje się określoną artością prędkości krytycznej odróżnieniu od złoża polidyspersyjnego, dla którego przejście stan upłynnienia ma miejsce dla przedziału artości prędkości. Parametrem charakteryzującym ruch cząstki złożu fluidalnym jest ponadto prędkość unoszenia. Jest to prędkość graniczna, po przekroczeniu której cząstki o danej średnicy są yieane ze złoża. Prędkość unoszenia jest róna prędkości sobodnego opadania ziarn danym płynie. Wartość predkości unoszenia ustala się dośiadczalnie bądź oblicza (znając parametry fizyczne cząstki i płynu) korzystając z ogólnego praa oporu: gdzie: λ - spółczynnik oporu. k = ( ρ ρ) 4 g d 3 λ ρ (8) Dośiadczalnie stierdzono, iż spółczynnik oporu λ jest iększy dla cząstek o kształcie odbiegającym od kulistego. Wnioskoać stąd można, że predkość unoszenia cząstki o nieregularnym kształcie jest mniejsza niż dla cząstki kulistej. Obszar fluidalny teoretycznie zaarty jest pomiędzy predkością krytyczną k, yznaczającą dolną granicę i predkością unoszenia u pojedyńczej cząstki yieanej ze złoża. 3. BADANIA PROCESU KLASYFIKACJI MONODYSPERSYJNEJ MIESZANINY SKŁADNIKÓW O RÓŻNEJ GĘSTOŚCI. Badania procesu klasyfikacji (segregacji) składnikó mieszaniny proadzono z ykorzystaniem układu pomiaroo - badaczego, którego schemat przedstaiono na rys. 1. Układ ten yposażono niezbędną aparaturę pomiaroą, umożliiającą określenie parametró charakteryzujących przebieg procesu fluidyzacji (prędkość strumienia poietrza, spadek ciśnienia na złożu).
232 Rys. 1. Schemat układu badaczo - pomiaroego procesu fluidyzacji. Fig. 1. Scheme of the fluidization process research and measurement system. Materiałem do prób były składniki mieszaniny: piasek karcoy o ziarnistości 0,80 1,60 mm śrut żeliny okrągły o ziarnistości 0,80 1,60 mm śrut staloy cięty o ziarnistości 0,80 1,60 mm Z tych składnikó sporządzono mieszaninę stosunku 1 : 1 postaci: piasek karcoy + śrut żeliny okrągły piasek karcoy + śrut staloy cięty Parametry jakościoe poszczególnych składnikó zestaiono tab. 1. Tab. 1. Lp Materiał badany ρ k ρ ε n u λ ε f - - kg/m 3 kg/m 3 m 3 / m 3 m/s - m 3 / m 3 1 Piasek karcoy 1648 2694 0,388 2,77-6,42 3,05-1,14 0,673 2 Śrut żeliny 4666 7388 0,368 11,29-25,60 0,50-0,20 0,513 okrągły 3 Śrut staloy cięty 4226 6702 0,369 7,44-18,24 1,05-0,35 0,482 Cykl badaczy obejmoał określenie charakterystyki fluidyzacji poszczególnych składnikó (piasek karcoy, śrut żeliny kulisty oraz śrut staloy cięty), których graficzny obraz przedstaiono na rys. 2. Kolejno przeproadzono próby mieszania a następnie klasyfikacji (segregacji) składnikó zgodnie z zależnościami, gdzie do kolumny fluidyzatora układzie ejścioym zasypyano te składniki kolejności: piasek karcoy (h o =60 mm) i śrut żeliny okrągły (h o =60 mm) oraz piasek karcoy (h o =60 mm) i śrut staloy cięty (h o =60 mm). Poszczególne fazy procesu intensynego mieszania, a następnie segregacji składnikó zostały zarejestroane postaci zdjęć. Proces fluidyzacji przebiegał zgodnie z charakterystyką fluidyzacji mieszanin przedstaioną na rys. 3.
233 Rys. 2. Charakterystyki fluidyzacji poszczególnych składnikó mieszaniny. 1 - piasek karcoy, 2 - śrut żeliny kulisty, 3 - śrut staloy cięty. Fig. 2. Characteristics of the fluidization of particular components of the mixture. 1 - silica sand, 2 - spherical cast iron shot, 3 - cut steel shot.
234 Rys. 3. Charakterystyki fluidyzacji mieszanin. 1 - piasek karcoy + śrut żeliny kulisty, 2 - piasek karcoy + śrut staloy cięty. Fig. 3. Characteristics of the fluidization of mixtures. 1 - silica sand + spherical cast iron shot, 2 - silica sand + cut steel shot.
235 4. ANALIZA PRZEBIEGU PROCESU I PODSUMOWANIE. W początkoym etapie przepłyu poietrza przez złoże ( f = 0,2-0,5 m/s) układ duskładnikoy zasypyany arstoo do aparatu pozostaał spoczynku, co ynika z gestości łaściej składnikó i poroatości złoża. W miarę zrostu predkości strumienia fluidyzującego ładunek pozostaał nieruchomy do czasu rozpoczecia fazy tłokoania. Ekspansja ładunku nastąpiła momencie zrónania się ciśnienia gazu z ciśnieniem statycznym słupa materiału ziarnistego. Obseroano óczas zmożony proces przemieszczania się cząstek obu składnikó obrebie złoża. Zjaisko to zaistniało przy predkości przepłyu strumienia fluidyzującego f ~ 0,5 m/s. Po przekroczeniu artości predkości f > 1,4 m/s proces fluidyzacji przebiegał burzlie poodując intensyne mieszanie składnikó złoża. Wysokość arsty złoża zrosła do h f ~ 300 mm, przy ysokości spoczynkoej h o = 120 mm. Stopnioe zmniejszanie natężenia przepłyu poietrza fluidyzującego przez złoże ( f < 0,8 m/s) spoodoało zanik procesu burzliej fluidyzacji i rozpoczął się rozdział składnikó mieszaniny. Śrut żeliny lub staloy z uagi na iększą gęstość łaścią przemieszczał się kierunku dolnych arst złoża. Przy artości prędkości f ~ 0,5 m/s ysokość złoża ynosiła h f ~ 140 mm i zaznaczyła się yraźna granica rozdziału poszczególnych składnikó. Całkoity zanik przepłyu poietrza przez złoże spoodoał ustabilizoanie się słupa materiału, którym śrut zalegał na dnie poroatym aparatu natomiast piasek ypełniał przestrzeń ponad śrutem z bardzo yraźną granicą rozdziału. Strefa przenikających się składnikó mieszaniny na granicy rozdziału nie przekraczała 2 mm. Oceny jednorodności składnikó na poszczególnych arstach złoża dokonyano na podstaie pomiaru gęstości łaściej badanej części złoża. Proces fluidyzacji oraz segregacji składnikó mieszaniny realizoany dla obydu materiałó (śrut żeliny i staloy) nie ykazyał istotnych różnic efektyności segregacji (klasyfikacji). Podobne badania przeproadzono rónież dla mieszaniny piasku karcoego i chromitoego o ziarnistości zakresie ielkości cząstek d = 0,16-0,40 mm. Strefa przejścioa rozgraniczająca poszczególne składniki po segregacji fluidalnej była iększa i ynosiła ok. 40 mm. Czas niezbedny do uzyskania zamierzonego stopnia rozdziału uzależniony jest od natężenia przepłyu poietrza (prędkości przepłyu przez złoże) oraz od ielkości różnicy gęstości składnikó mieszaniny. LITERATURA [1] Szlumczyk H, Piątkieicz Z, Janerka K, Energetyczne aspekty procesu regeneracji osnoy mas formierskich układzie urządzeń regeneratora linioego, ZN Pol. Śl. Mechanika, z. 128, Gliice, 1997. [2] Szlumczyk H, Jura S, Piątkieicz Z, Janerka K, Układ pneumatyczny regeneracji osnoy mas formierskich z zastosoaniem regeneratora linioego, Mat. Konf. Nooczesne technologie odlenicze - ochrona środoiska, AGH Krakó, 1995 [3] Orzechoski Z. Przepłyy dufazoe, PWN Warszaa 1990. [4] Koch R, Nooryta A. Procesy mechaniczne inżynierii chemicznej. Inżynieria chemiczna, WNT Warszaa,1992 [5] Poradnik Inżyniera - Odlenicto. T II, WNT Warszaa, 1986. [6] Razumo I.M, Fluidyzacjia i transport pneumatyczny materiałó sypkich, WNT Warszaa, 1975.
236 THE CLASSIFICATION OF LOOSE MATERIALS IN A FLUIDIZED BED. ABSTRACT 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.