Процессы в производстве строительных материалов
реклама
Институт технологического оборудования и комплексов Заместитель директора ИТОК по учебной работе К.т.н., доцент. Семикопенко Игорь Александрович ППСМ 1 Процессы в производстве строительных материалов Цель дисциплины. Цель настоящей дисциплины изучение процессов, происходящих при переработке и изготовлении различных строительных материалов и изделий в машинах, работающих при соответствующих режимах. ППСМ 3 Основные разделы курса Введение 1. Общие сведения о процессах в производстве строительных материалов. 2. Характеристика исходного сырья 3. Подобие и моделирование систем и процессов 4. Теоретические основы механических процессов 5. Процессы при измельчении строительных материалов 6. Классификация материалов 7. Процессы формования 8. Процессы очистки промышленных выбросов и сепарация (разделение) двухфазных сред 9. Смешивание материалов ППСМ 4 ВВЕДЕНИЕ • Промышленность строительных материалов (ПСМ) - одна из важнейших отраслей нашей экономики. Она играет огромную роль в решении задач социальноэкономического развития страны. ППСМ 5 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 1.1. Структура технологического процесса, понятие о технологии, вспомогательные и основные технологические процессы • Отрасль промышленности • Технология • общие технологические процессы: • Основные технологические процессы • Структура технологического процесса ППСМ 7 1.1. Структура технологического процесса, понятие о технологии, вспомогательные и основные технологические процессы Проектирование и технологического процесса несколько основных этапов. • Технологическая операция • Ручные операции • Машинные операции • Автоматические операции • Аппаратурные операции • Вспомогательные процессы • Обслуживающие процессы ППСМ разработка проходят 8 1.2. Классификация процессов 1. Механические процессы. 2. Гидромеханические процессы. 3. Тепловые процессы. 4. Массообменные процессы 5. Химические процессы. • Подготовительные процессы • Периодические процессы • Непрерывные процессы • Комбинированные процессы ППСМ 9 1.2. Классификация процессов Все процессы характеризуются продолжительностью и периодом Т. Продолжительность Период процесса Частное от деления продолжительности процесса на период процесса τ/T носит название степени непрерывности процесса: • для периодического - Т > 0, τ/T≤1 ; • для непрерывного - Т→0 и τ/T → ∞ . ППСМ 10 1.3. Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов Материальный баланс Gз Gk Gп Энергетический баланс ∑Q= Q1+ Q2+ Q3= Qк+ Qп ППСМ 11 1.3. Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов Условия Скорость процесса Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. ППСМ 12 1.3. Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов уравнение процесса M k В преобразованном виде M k k можно рассматривать как коэффициент, характеризующий интенсивность процесса. ППСМ 13 1.3. Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов Интенсивность протекания любого процесса всегда пропорциональна его движущей силе Δ и обратно 1 пропорциональна сопротивлению R k и может быть выражена M R ППСМ 14 1.3. Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов • передачу тепла (уравнение Ньютона) dQ dt T km T m Rm • диффузионные процессы (уравнение Фика) dm dt G kд G д Rд • гидродинамические процессы (уравнение Бернулли) dV dt р kг р г Rг ППСМ 15 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ 2.1. Классификация исходного сырья по составу и структуре Дисперсионные структуры: а - коагуляционная; б - кристаллизационная; в - конденсационная ППСМ 17 2.1. Классификация исходного сырья по составу и структуре Виды строения композиционных материалов: а - с зернистым наполнителем ; б- с волокнистым наполнителем; в- с газонаполненными ячейками ППСМ 18 2.2.Физические свойства материалов, влияющие на параметры процессов их переработки Плотность Насыпная плотность Угол откоса Прочность Твердость Хрупкость ППСМ 19 3. ПОДОБИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ 3.1. Основы системного анализа и понятие модели Структура математической модели ППСМ 21 3.1. Основы системного анализа и понятие модели Схема управляющей системы ППСМ 22 3.2. Классификация моделей 1. По неопределенности состояния объекта 2. По содержательным характеристикам подобия объекта и модели 3. По принципу отображения объекта ППСМ 23 3.3. Структура процесса моделирования • • • • • • • • • • • Этап 1 Этап 2 Этап 3 Этап 4 Этап 5 Этап 6 Этап 7 Этап 8 Этап 9 Этап 10 Этап 11 ППСМ 24 3.4.Теоремы подобия Первая теорема подобия (по Ньютону): подобные между собой явления имеют численно одинаковые критерии подобия. Второй закон Ньютона d F m d , cF c / cm cv индикатор подобия F mv критерий подобия ППСМ 25 3.4.Теоремы подобия Вторая теорема подобия (ФедерманаБэкингема): количественные результаты опытов надо представлять в виде уравнений, выражающих зависимость между критериями подобия изучаемого процесса. K1 f ( K 2 , K 3 , K 4 ...K n ). ППСМ 26 3.4.Теоремы подобия Третья теорема подобия (КирпичеваТухмана) подобны те явления или системы, которые описываются одинаковыми уравнениями связи и условия однозначности которых подобны. N n два безразмерных комплексах К1 и К2: f1 ( K1; K 2 ) 0 или K1 ( K 2 ) Этот метод, введенный в инженерную практику Бриджменом, базируется на так называемой - теореме Бэкингема, являющейся частным случаем второй теоремы подобия. ППСМ 27 3.5. Критерии механического подобия Критерий гомохронности Ho l Для вращательного движения Ho . Критерий Ньютона d F F m( ) Ne d m ППСМ 28 3.5. Критерии механического подобия Критерий Фруда d2 F mg Из уравнения F m 2 или d получают комплекс Fr l g 2 после умножения которого на квадрат 2 гомохронности получают Fr ППСМ gl 29 3.5. Критерии механического подобия Критерий Коши F El l 3 l F m 2 l 2 l 2 2 2 Из этих соотношений получаем комплекс 2 2 . E El После извлечения корня квадратного из полученного комплекса находят ППСМ Ca E 30 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 4.1. Теоретическая и истинная прочность материала Теоретическая прочность ' '' c c U n1 n2 , r r где c' n1 r c '' r n2 Сила взаимодействия заряженных частиц ППСМ соответствует силам притяжения; соответствует силам отталкивания ; 0 0,1E 32 4.2. Дефекты структуры и их влияние на прочность и твердость материалов Поверхностные Гриффитс определил критическое напряжение кр Образец трещины ППСМ 2 E , l0 Твердость 33 4.3. Влияние физико-химической активации на прочность твердого тела Поверхностно-активными называются вещества, молекулы которых адсорбируются поверхностью данного твердого тела и снижают его поверхностную энергию. ППСМ 34 5. ПРОЦЕССЫ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 5.1. Назначение и методы измельчения Виды нагрузок, используемые при измельчении . а) раздавливание б) удар в) раскалывание г) излом д) истирание ППСМ 36 5.2. Исходное сырье и его основные свойства Прочность Твердость Хрупкость Разрыхляемость грунтов Абразивность ППСМ Vп.т kp , Vp 37 5.3. Характеристики качества измельчения Степень измельчения i D ср .в d ср .в , В каждой из фракций определяется средний размер куска как полусумма размеров максимального и минимального кусков: d max d min d ср 2 ППСМ 38 5.3. Характеристики качества измельчения Средний размер отдельного куска определяется по одной из формул: al h или d ср 3 d ср a l h 3 Затем определяется средневзвешенный размер куска в конечном или исходном продукте: d ср с1d cр1 с2 d cр 2 с3 d cр 3 ... сn d cр.п с1 с2 с3 ... сп ППСМ 39 5.4. Основные законы измельчения проф. П. Риттингер A k F Ф. Кик и проф. В. П. Кирпичев A kV (закон Гука) A V 2 2E акад. П. А. Ребиндер A k1V k 2 F Ф. Бонд A Aд Ап kб D 2 D 3 kб D 2,5 i n 1 А.К. Рундквист A k p n 1 G Dcp ППСМ 40 5.5. Виды измельчения. Классификация измельчителей Виды измельчения Вид измельчения Размер кусков, мм до измельчения после измельчения Степень измельчения Дробление Крупное 1500…300 300...1000 2…6 Среднее 300…100 50…10 5…10 Мелкое 50…10 10…3 10…50 Помол Грубый 10…3 3…0,1 5…100 Тонкий 3…0,1 0,1…0,05 ≈100 Сверхтонкий - 0,05…0,001 >100 ППСМ 41 5.5. Виды измельчения. Классификация измельчителей Циклы измельчения: а - открытый; б – замкнутый ППСМ 42 5.5. Виды измельчения. Классификация измельчителей Классификация дробильно-помольного оборудования ППСМ 43 5.5. Виды измельчения. Классификация измельчителей Классификация дробильно-помольного оборудования ППСМ 44 5.6. Особенности порошков тонкого помола G Число кусков в массе G материала n 3 d cp Поверхность одного куска f 6d 2 cp Поверхность массы G рыхлого материала G 6G S f n 6d 3 d cp d cp 2 cp Удельная поверхность рыхлого материала S óä S 6 G d cp ППСМ 45 5.7. Кинетика измельчения при помоле материалов С.Е. Андреев и В.В. Товаров R Ro e k R0 или после его логарифмирования k ln R эмпирическим соотношением Чарльза: dS уд dx d c c 2 m S x Интегрируя уравнение при m= 1, получают выражение - закон Кирпичева-Кика S уд с 'ln So Удельную производительность мельницы G рассчитывают по формуле q ППСМ 46 5.7. Кинетика измельчения при помоле материалов Коэффициент размолоспособности некоторых материалов Материал Коэффициент Клинкер средней размолоспособности 1 Песок кварцевый 0,6-0,7 Известняк 1 Глина сухая 1,5-2,0 Тальк 1,04-2,02 Уголь каменный 0,7-1,34 Известь 1,64 ППСМ 47 5.8. Влияние среды на процессы измельчения • Исследованиями акад. Ребиндера и его последователей установлено, что прочность твердого тела может меняться в результате физикохимического воздействия внешней среды ППСМ 48 6. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ 6. Классификация материалов Механическая сортировка (грохочение) три основные схемы грохочения: 1) от мелкого к крупному; 2) от крупного к мелкому; 3) комбинированная схема грохочения. ППСМ 50 6.1. Схема от мелкого к крупному ППСМ 51 6.2. Схема от крупного к мелкому ППСМ 52 6.3. Схема комбинированного грохочения Предварительное грохочение Промежуточное грохочение Товарное грохочение. ППСМ 53 6.4. Просеивающие поверхности Основной частью грохота является его рабочая поверхность, выполняемая в виде проволочных сит или решет из стальных листов с штампованными отверстиями, или же решеток из параллельных стержней колосников. ППСМ 54 6.5. Грохоты Классификация грохотов следующая: а) плоские неподвижные; б) плоские подвижные: - качающиеся; - вибрационные; в) вращающиеся: - барабанные; - призматические. ППСМ 55 6.5. Грохоты Схема движения частиц материала по ситу формула скорости движения частицы материала по ситу: X d g V ;V D t 2 d ППСМ 56 6.5.1. Колосниковые грохоты Возмущающая сила P, H, создаваемая дебалансами, равна 2 P m R , Кинетический момент дебалансов H м, M кин Gвм e , ППСМ 57 6.5.2. Плоские качающиеся грохоты Условие подвижности частицы на поверхности сита: Pu Fmp Инерционное усилие Pи будет равно: Pu ma где т - масса куска, кг; а - ускорение сита, м/с.2 Сила трения между куском материала и решетом Fmp Gf mgf Приравняем силы, действующие в горизонтальной плоскости: Pu Fтр следовательно, ma mgf a gf Схема к определению Если грохот наклонный, то ускорение а < φ, где φ - угол трения. ускорения частицы ППСМ 58 6.5.3. Вибрационные грохоты Вибрационные грохоты разделяются на гирационные, инерционные и электромагнитные. Производительность виброгрохотов Q mgFk1k 2 k3 ППСМ 59 6.5.4. Барабанные грохоты Сила трения F fN ; F fG cos 2 Центробежная сила Pu m R Сила трения, вызываемая центробежной силой инерции куска, 2 будет равна Fu Pu f m Rf Положение куска весом m определится из условия: Схема барабанного грохота (векторы сил в поперечном сечении) G sin F Fu fG cos m 2 Rf подставляя G mg ; 2n; 45; 35 получим число оборотов барабанного грохота, об/с ППСМ 0,2 n R 60 6.6. Характеристика крупности материалов Введены следующие понятия: частный остаток mi qi 100% m и полный остаток q n i n q i 1 i Таким образом, на первом сите n на втором сите q2 q1 q2; n q на n -м сите n q1 q2 ... qn . ППСМ q q1 ; n 1 61 6.6. Характеристика крупности материалов Диаметр отвер стия сита D, мм Характеристика крупности материала: 1- гистограмма; 2- кривая распределения; 3- кумулятивная кривая Годаном-Андреевым предложена аппроксимация кумулятивной кривой: d n qi 1 i d max k 100% ППСМ 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Остаток на сите Частный Полный qi,% qi,% 8 15 45 20 12 8 23 68 88 100 62 6.7. Способы определения гранулометрического состава 1. Ситовой анализ применяется для материалов с минимальным размером частиц 0,04 мм. 2. Седиментационный анализ, т.е. разделение материала на фракции по скорости осаждения частиц в жидкой среде, применяется для материалов крупностью 5-50 мкм. 3. Микроскопический анализ (измерение размеров частиц под специальным микроскопом, позволяющим провести классификацию частиц размером в десятые доли микрометра). ППСМ 63 6.8. Гидравлическая классификация и воздушная сепарация Гидравлическая классификация производится под действием сил тяжести либо в поле центробежных сил. При воздушной сепарации сопротивление воздуха движению частиц значительно меньше сопротивления воды, так как по сравнению с ней воздух обладает очень низкой вязкостью и малой плотностью. ППСМ 64 7. ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ 7. ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ Формование Для большинства строительных материалов прослеживается зависимость: сж сж 3 f ( ) , в частности, о k пл , ; причем kпл o ППСМ 66 7. ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ Основными способами формования являются: - вибрирование; - центрифугирование; - прессование; - пластическое формование; - вытягивание; - прокат; - литье. ППСМ 67 7.1. Виброформование Основные схемы виброплощадок: а - с круговыми гармоническими колебаниями; б - с продольными линейными колебаниями; в - с поперечными колебаниями; г - с ударно-вибрационными колебаниями ППСМ 68 Элементы расчета виброплошадок В основу конструкции виброплощадки заложен дебалансный вал, создающий при вращении центробежную силу 2 ц .б . д F m R Для вибрирующих частей массой mд сила инерции по горизонтальной оси 2 d x Fx mв.ч.ax mв.ч. 2 dt соответственно d2y Fy mв.ч. 2 dt ППСМ 69 Элементы расчета виброплошадок Уравнение движения при гармонических колебаниях: x A sin( t ); d 2x a x 2 A 2 sin( t ) dt a y A 2 cos(t ) где - δ начальная фаза колебаний При этом результирующее ускорение a a a A 2 x ППСМ 2 y 2 70 Элементы расчета виброплошадок Сила, действующая на вибрируемую массу Fвибр mв.ч a mв.ч А 2 Возбуждающая центробежная сила Fцб Fвибр Fпр , где Fпр- сила сжатия пружин, причем Fпр=с·A (с- жесткость пружин). Ввиду малости параметра A величина Fпр невелика, следовательно Fцб≈Fвибр, или mд 2 R mв.ч R , откуда расчетное значение амплитуды колебаний mд виброплощадки A mвч ППСМ R. 71 Элементы расчета виброплошадок Круговая частота собственных колебаний системы c c mв.ч. При этом A Fц.б mв.ч. ( ) 2 с 2 при ω= ωс;А→∞, наступает резонанс. ППСМ 72 7.2. Процесс центробежного формования Схема к расчету частоты вращения центрифуги Схемы центрифуг: а - роликовая; б - ременная; в – осевая ППСМ 73 7.3. Процесс прессования Схема прессования Изменение геометрии массы в процессе прессования ППСМ 74 7.3. Процесс прессования Изменение осадки Кривая осадки сырца ППСМ 75 7.3. Процесс прессования Кривая изменения высоты сырца ППСМ 76 7.3. Процесс прессования Расчетная схема процесса прессования ППСМ 77 7.3. Процесс прессования Кривая изменения давления по высоте сырца ППСМ 78 7.4. Экструзия (пластическое формование) Схема шнекового пресса В зоне шнека осевая скорость частицы равна Voкр tn , где t - шаг лопастей шнека. Окружная скорость 60 nr , следовательно, суммарная скорость Vокр r движения частицы будет 30 V V V 2 oc 2 окр t 2n2 2n2r 2 n t2 2r 2 3600 900 30 4 ППСМ 79 7.5. Шликерное литье Схема набора черепка Схема наливного способа Шликер Схема сливного способа ППСМ 80 7.6. Формование листового стекла Широкому применению стекла в строительстве способствуют такие его свойства, как прозрачность, гигиеничность, коррозионная стойкость. К особым свойствам стекла, используемого в последнее время, относится возможность обеспечения заданных спектральных характеристик и широкой гаммы прочности. ППСМ 81 7.6.1. Вертикальное вытягивание стекла (ВВС) Схема формирования листового листа. ППСМ Принципиальная схема машины ВВС. 82 7.6.2. Формование стекла прокатыванием Схема проката стекла: 1 - приемный лоток; 2 - прокатные валы; 3 - приемная плита; 4 - рольный стол ППСМ 83 7.6.3. Формование полированного стекла (флоат-процесс). Способ обеспечивает высокое качество продукции при наивысшей производительности Q = 200...300 м/ч (толщина 6 мм); Q = до 900 м/ч (толщина 2..3 мм). Ширина ленты - до 3,6 м. Схема формования флоат-стекла: 1- стекломасса; 2 - лужа стекломассы; 3 - ролики; 4 - лента стекла; 5 - тянущее устройство ППСМ 84 8. ПРОЦЕССЫ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ И СЕПАРАЦИЯ (РАЗДЕЛЕНИЕ) ДВУХФАЗНЫХ СРЕД Классификация пылеуловителей Осаждение под действием сил тяжести Пылеосадительные камеры Инерционные пылеуловители Осаждение под действием инерционных сил Циклоны Механические вращающиеся сухие пылеуловители ППСМ 86 Классификация пылеуловителей Рукавные фильтры Керамические фильтры Фильтрование Зернистые фильтры Масляные фильтры Скрубберы Механические вращающиеся мокрые пылеуловители Мокрая очистка путём промывки Струйные скрубберы Вентури Пенные пылеуловители Осаждение под действием Электрофильтры электростатических сил ППСМ 87 8.1. Пылеосадительные камеры .Схема пылеосадительной камеры1входной канал;2- выходной канал;3- полки; 4- отражательная стенка ППСМ 88 8.2. Фильтрование газовых систем Схема рукавного фильтра Достоинства Недостатки ППСМ 89 8.3. Зернистые фильтры Преимущества зернистых фильтров: 1) высокая (близкая к 100%) степень осаждения тонкодисперсной пыли; 2) простота конструкции и обслуживания. ППСМ 90 8.4. Электрофильтры Схема электрофильтра 1- проволока ;2- осадительный электрод (стержень) ;3- проходной электрод;4- заземление ППСМ 91 8.5. Мокрая очистка газов Струйный скруббер Вентури. ППСМ 92 8.5. Мокрая очистка газов Схема скруббера ППСМ 93 8.5. Мокрая очистка газов Пенный пылеуловитель. ППСМ 94 8.6. Гравитационная сепарация Схема отстойника непрерывного действия Схема осаждения в жидкости ППСМ 95 8.7. Сепарация под действием инерционных и центробежных сил Схема жалюзийного осадителя. ППСМ 96 8.7. Сепарация под действием инерционных и центробежных сил Циклон: 1- корпус; 2- днище коническое; 3- выхлопная труба; 4- патрубок выходной; 5- затвор шлюзовой ППСМ 97 8.7. Сепарация под действием инерционных и центробежных сил Схема разделения под действием инерционных сил ППСМ 98 9. СМЕШИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ 9.1. Процесс и кинетика смешивания материалов Процесс смешивания материалов это процесс перераспределения их частиц в ограниченном объеме, процесс образования однородных систем путем приведения в тесное соприкосновение сыпучих тел, жидкостей или газов. ППСМ 100 9.2. Критерии оценки качества смешивания Наибольшее распространение для оценки качества смешивания получил коэффициент неоднородности n (вариации), %: 100 Vc 100 C C 2 ( C C ) i i 1 n 1 Закономерности качественного изменения смесеобразования во времени можно определять также по степени сепарации (степени неоднородности) - критерия, представляющего собой удельное среднее отклонение объемной плотности компонентов смеси от средней их плотности во всем объеме смеси: S m i n i n см ППСМ 100% 101 9.2. Критерии оценки качества смешивания Зависимость критериев качества от времени смешения Изменение степени сепарации при наличии динамической составляющей Действием по Гамильтону называется величина t2 ППСМ A (Т П )dt t1 102 9.3. Свойства материалов, влияющие на процесс смешивания 1. Гранулометрический состав 2. Насыпная масса 3. Угол естественного Угол естественного откоса откоса 1 sin 4. Сыпучесть K сып 1 sin 5. Угол внутреннего трения 1 1 arctg ; tg1 f1 ППСМ Установка для определения угла внутреннего трения 103 9.4. Способы смешивания и классификация оборудования • • • • • по технологическому назначению по характеру работы по способу смешения по конструкции рабочих органов по способу перебазирования ППСМ 104 9.4. Способы смешивания и классификация оборудования Схемы смесителей ППСМ 105
