Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Основы инженерной защиты окружающей среды

Механические процессы в технике защиты литосферы

Механические процессы нашли широкое применение при переработке твердых отходов, использующихся в качестве вторичного сырья. Такой комплексный подход использования минерального сырья при одновременном решении задач защиты биосферы способствует сокращению его первичного потребления.

Утилизация твердых отходов приводит к необходимости либо их разделения на компоненты с последующей переработкой сепарированных материалов различными методами, либо придания им определенного вида.

Измельчение твердых отходов

Скорость химических и диффузионных процессов, протекающих с участием твердой фазы, повышается при увеличении ее поверхности. Увеличить поверхность обрабатываемого твердого материала можно, уменьшая размеры его кусков, т. е. путем измельчения.

Для промышленных отходов как органического, так и неорганического происхождения, утилизация которых не связана с необходимостью проведения фазовых превращений или воздействия химических реагентов, но которые не могут быть использованы непосредственно, применяются два вида механической обработки: измельчение или компактирование (прессование).

Измельчение - процесс многократного разрушения твердого тела на части под действием внешних сил, превышающих силы молекулярного притяжения в измельчаемом теле.

Процессы измельчения условно подразделяют на дробление (крупное, среднее и мелкое) и размол (тонкое и сверхтонкое).

Дробление используется для получения из крупных кусков перерабатываемых материалов продуктов крупностью до 5 мм. Размол используют для получения из кусковых отходов зерновых и мелкодисперсных фракций крупностью менее 5 мм.

По размеру кусков исходцого сырья и конечного проекта измельчение условно делят на несколько классов, исходя из которых выбирают измельчающее оборудование. Приблизительная характеристика принятой классификации измельчения приведена в табл. 9.1

Таблица 9.1

Классификация методов измельчения

Класс измельчения

Размер кусков до измельчения, мм

Размер кусков после измельчения, мм

Дробление

крупное

1000

250

среднее

250

20

мелкое

20

1...5

Размол

грубый

1...5

0,1...0,04

средний

0,1...0,04

0,005...0,015

тонкий

0,1...0,02

0,001...0,005

коллоидный

<0,1

<0,001

В зависимости от назначения измельчения меняется и степень измельчения, которая для крупного измельчения составляет i- 3...8, для мелкого и тонкого измельчения - до / = 100.

Твердый материал можно разрушить и измельчить до частиц желаемого размера раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, резанием, распиливанием, истиранием и различными комбинациями этих способов (рис. 9.1).

Способы измельчения твердых тел

Рис. 9.1. Способы измельчения твердых тел:

а — стесненный удар; 6 — свободный удар; в — раздавливание; г — истирание; д — раскалывание; е — резание; Р — нагрузка; и — скорость

При ударе под действием динамических нагрузок в материале возникают динамические напряжения, приводящие к его разрушению.

При раздавливании под действием статической нагрузки определяющими являются напряжения сжатия.

При истирании разрушение происходит от напряжений сдвига.

При раскалывании в материале возникают изгибающие напряжения.

Резание сопровождается появлением в материале напряжений сдвига.

При способах измельчения, основанных на раздавливании, применяются такие прочностные характеристики материалов, как предел прочности при сжатии стсж и модуль упругости Е. По величине асж измельчаемые материалы разделяются на мягкие (<тсж -<:80 МПа), средней прочности (стсж = 80...150 МПа), прочные (ссж = 150...250 МПа) и очень прочные (<тсж >- 250 МПа).

В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков (крупности) измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких - раздавливанием и истиранием.

Дробление материалов обычно осуществляют сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды).

Один из недостатков, возникающих при измельчении вязких, упругих и вязкоупругих материалов (резина, некоторые виды термопластов и др.), заключается в том, что при комнатной температуре энергозатраты на их переработку очень велики, хотя непосредственно на измельчение расходуется не более 1 % энергии, основная же ее часть преобразуется в теплоту. Поэтому в последние 15...20 лет все большее применение находит техника криогенного измельчения, которая позволяет охлаждать материал ниже температуры хрупкости. Как правило, в качестве охлаждающего агента используют жидкий азот, имеющий температуру - 196 °С, что ниже температуры хрупкости большинства полимерных материалов. При таком способе дробления резко возрастает степень измельчения, повышается производительность процесса, снижаются удельные энергозатраты, предотвращается окисление продукта.

В качестве основных технологических показателей измельчения рассматривают степень и энергоемкость измельчения. Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения - отношением среднего размера твердого тела до измельчения dH к среднему размеру материала после измельчения dK:

Отношение называется линейной степенью измельчения, а отношение

- объемной степенью измельчения.

Более полной характеристикой материала является его удельная поверхность, т. е. поверхность кусков или частиц, приходящаяся на единицу их массы или объема. Часто характеризуют материал по его фракционному составу, выраженному в долях или процентах частиц близких размеров (узких фракций). На практике пользуются также характеристикой материала по нижнему {+d{) и верхнему (-d2) пределам крупности, что означает не мельче dx и не крупнее d2.

При измельчении крупных и средних кусков обычно i = 3...8 , а для мелких i = 10...30 и более. При этом, чем прочнее измельчаемый материал, тем меньше должна быть величина i. Если же требуемое отношение размеров куска до и после измельчения превышает указанные значения i, то процесс измельчения осуществляют в несколько последовательных стадий.

На рис. 9.2 показана принципиальная схема трехстадийного измельчения материала: крупного (/), среднего {II) и тонкого (III) измельчения.

Схема трехстадийного измельчения твердых материалов

Рис. 9.2. Схема трехстадийного измельчения твердых материалов:

1,2, 3,4- просеивающие устройства; , I, II - измельчающие машины

Измельчение проводят в открытом и замкнутом циклах. При измельчении в открытом цикле (рис. 9.3, а) материал проходит через измельчающую машину один раз.

Схемы циклов измельчения

Рис. 9.3. Схемы циклов измельчения:

а - открытый цикл; б - открытый цикл с предварительной классификацией; в - замкнутый цикл; г - замкнутый цикл с совмещенными предварительной и поверочной классификацией; 1 - измельчитель; 2 - классификатор

В открытом цикле проводят крупное и среднее дробление. При наличии в исходном материале мелких кусков его предварительно классифицируют и присоединяют к конечному продукту (рис. 9.3, б). При измельчении в замкнутом цикле (рис. 9.3, в) материал неоднократно проходит через измельчитель. Измельченный продукт поступает на поверочную классификацию, где из продукта выделяются куски (зерна) размерами больше допустимого предела, которые возвращаются в тот же измельчитель. Такую поверочную классификацию совмещают с предварительной классификацией исходного материала (рис. 9.3, г). Работа по замкнутому циклу применяют при тонком измельчении.

Физико-механические основы измельчения. Измельчение осуществляется под действием внешних сил, преодолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. При дроблении куски твердого материала сначала подвергаются объемной деформации, а затем разрушаются по ослабленным дефектами (макро- и микротрещинами) сечениям с образованием новых поверхностей. Куски продукта дробления ослаблены трещинами значительно меньше исходных. Поэтому с увеличением степени измельчения прочность частиц растет и возрастает расход энергии на дальнейшее измельчение.

Чтобы разрушить твердое тело и получить новую поверхность, необходимо преодолеть силы, обуславливающие целостность объема твердого тела (когезионные силы). При диспергировании под действием внешних сил вещество сначала претерпевает объемное деформирование (упругое и пластическое), затем после этого при определенном усилии оно разрушается.

Таким образом, работа, полезно затрачиваемая на измельчение, расходуется на объемную деформацию разрушаемых кусков и на образование новых поверхностей.

Работа упругого и пластического деформирования пропорциональна объему тела:

где к - коэффициент пропорциональности, равный работе объемного деформирования единицы объема V конденсированного тела.

Работа образования новой поверхности при диспергировании пропорциональна ее приращению AS:

где сттг - поверхностное натяжение на границе твердого тела с газовой средой.

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, выражается уравнением Ребиндера:

Так как (d - линейный размер тела), а , то

где и к2 - коэффициенты пропорциональности.

При больших размерах тела можно пренебречь работой образования новой поверхности, тогда

т. е. полная работа диспергирования определяется работой упругого и пластического деформирования.

При малых значениях линейного размера d можно пренебречь работой объемного деформирования, т. е.

Уравнение (9.2) применяют для вычисления работы дробления как первого этапа разрушения для сравнительно крупных кусков материала, а (9.3) - для второго этапа - определения работы измельчения.

Для случая, когда следует принимать во внимание оба слагаемых уравнения (9.1) при средних степенях измельчения, Бонд предложил уравнение

согласно которому работа дробления одного куска пропорциональна среднегеометрическому из его объема и поверхности 3 - коэффициент пропорциональности).

По уравнению (9.4) можно приближенно найти работу, затраченную на измельчение со средними степенями измельчения.

По основному способу механического воздействия на материал измельчающие машины разделяют на следующие группы: раскалывающего и разламывающего действия;

раздавливающего действия; истирающе-раздавливающего действия; ударного действия; ударно-истирающего действия; коллоидные измельчители.

По своему назначению измельчающие машины условно делят на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления и мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения.

Измельчающие машины раскалывающего и разламывающего действия. Отличительным признаком рассматриваемого класса машин является действие на измельчаемое тело сосредоточенных нагрузок, вызывающих местные разрушающие напряжения и деление тела на части. В данном случае измельченный материал является более однородным по гранулометрическому составу. К машинам этого класса, применяемых для крупного и среднего дробления, относятся щековые, конусные и зубовалковые дробилки, в которых материал с размером кусков не более 1500 мм измельчается до кусков размером -100...300 мм.

В щековой дробилке (рис. 9.4) материал измельчается путем раздавливания в сочетании с раскалыванием и изгибом между неподвижной 1 и подвижной 2 щеками.

Схема щековой дробилки с верхним подвесом щеки

Рис. 9.4. Схема щековой дробилки с верхним подвесом щеки:

  • 1 - неподвижная щека; 2 - подвижная щека; 3 - эксцентриковый вал; 4 - шатун;
  • 5 - передняя распорная плита; 6 - задняя распорная плита; 7 - тяга; 8 - пружина;
  • 9 - регулировочный клин

В конусной дробилке (рис. 9.5) дробление происходит путем непрерывного раздавливания и изгиба (излома) кусков материала дробящей головкой 1 в виде усеченного конуса при эксцентричном вращении ее в корпусе. Корпус дробилки 2 также имеет форму усеченного обратного конуса.

Схемы конусных дробилок

Рис. 9.5. Схемы конусных дробилок:

а, б- для крупного дробления; в - для среднего дробления; г - для мелкого дробления;

1 - неподвижный конус; 2 - подвижный конус; 3 - ось подвижного конуса; 4 - вращающийся стакан

Измельчающие машины раздавливающего действия. Общим признаком машин этого класса является раздавливание материала при сближении двух поверхностей, из которых одна или обе подвижны. Основными представителями таких машин являются гладковалковые, ролико-кольцевые вертикальные и горизонтальные дробилки. Машины этого класса применяются для среднего и мелкого дробления.

Гладковалковые дробилки (рис. 9.6) осуществляют измельчение кусков материала от 100 мм до 10... 12 мм.

Схема гладковалковой дробилки

Рис. 9.6. Схема гладковалковой дробилки:

1 - неподвижный валок; 2 - подвижный валок; 3 - корпус дробилки; 4 - пружина

Измельчающие машины истирающе-раздавливающего действия. Отличительной особенностью машин данного класса является измельчение материалов в результате одновременного действия прямого раздавливания и истирания. Первое достигается сближением рабочих поверхностей, а второе - разностью линейных скоростей этих поверхностей. Наибольшее распространение среди таких машин, применяемых для тонкого измельчения материалов получили бегуны (рис. 9.7), катково-тарельчатые, шаро-кольцевые и бисерные мельницы.

Бегуны

Рис. 9.7. Бегуны:

1 - каток; 2 - полуось катков; 3 - водило; 4 - центральный вал; 5 - чаша; 6 - шестерня; 7 - подпятник; 8 - скребки

Измельчающие машины ударного действия. В машинах данного класса измельчение материала происходит по действием стесненного или свободного удара. В первом случае материал измельчается между двумя соударяющимися поверхностями, во втором - в результате столкновения частиц материала с ударяющими телами или друг с другом в полете.

К числу простейших измельчающих машин ударного действия относятся молотковые машины (рис. 9.8).

Схема молотковой дробилки

Рис. 9.8. Схема молотковой дробилки:

  • 1 - корпус; 2 - зубчатые плиты; 3 - вал; 4 - диск; 5 - молоток; 6 - колосниковая решетка;
  • 7 - загрузочное отверстие

Измельчающие машины ударно-истирающего действия. В этих машинах, которые используются для тонкого помола, материал измельчается при сочетании ударного действия дробящих тел и одновременного истирания материала путем скольжения дробящих тел по материалу.

Для тонкого измельчения материалов применяются барабанные мельницы (рис. 9.9), состоящие из футерованного броневыми плитами барабана, частично заполненного дробящими телами (шары, стержни и т. п.).

Барабанные мельницы

Рис. 9.9. Барабанные мельницы:

а - однокамерная машина периодического действия; 1 - опоры; 2 - барабан; 3 - зубчатый привод; 4 - люк; 5 - дробящие тела; б - однокамерная машина непрерывного действия;

  • 1 - выгрузочная полая цапфа; 2 - подшипник; 3 - барабан; 4 - зубчатый привод; 5 - люк;
  • 6 - загрузочная цапфа; 7 - дробящие тела; в - многокамерная машина непрерывного действия;
  • 1 - стойка; 2 - загрузочная цапфа; 3 - барабан; 4 - люк; 5,6 - диафрагмы;
  • 7 - выгрузочная цапфа; 8 - дробящие тела; 9 - зубчатый привод

Этот принцип действия реализуется также в вибрационных (рис. 9.10), планетарных и гироскопических мельницах.

Вибрационная мельница

Рис. 9.10. Вибрационная мельница:

  • 1 - корпус; 2 - вибратор; 3 - опоры; 4 - рама;
  • 5 - электродвигатель; 6 - муфта; 7 - дробящие шары; 8 - люк

Коллоидные мельницы - это мельницы, обеспечивающие измельчение материала до частиц размером от долей микрометра до нескольких микрометров. Поскольку такие частицы склонны к слипанию, то измельчаемый материал поступает в мельницу в виде суспензии с соотношением твердой и жидкой фаз в пределах от 1:2 до 1:6.

После измельчения твердых отходов, за которым может следовать фракционирование, отходы превращаются в продукты, готовые для дальнейшего использования.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы