Obr Způsoby rozpojování pevných částic. a drcení, b trhání, c smýkání, d lámání, e otírání, f rozbíjení, g - rozlupování

Transkript

1 ROZPOJOVÁNÍ Cílem rozpojování je zmenšení velikosti částic, které je potřebné pro jejich další zpracování. Zmenšení velikosti částic je doprovázeno zvětšením jejich specifického povrchu, což může být výhodné pro řadu následných procesů (přenos hmoty, chemickou reakci atd.). Obr... Způsoby rozpojování pevných částic. a drcení, b trhání, c smýkání, d lámání, e otírání, f rozbíjení, g - rozlupování Obecně rozpojování může probíhat namáháním mezi tvarově různě uspořádanými pracovními členy nebo dynamickým účinkem vyvolaným nárazem na pevnou plochu resp. nárazy mezi částicemi navzájem. Podle velikosti zpracovávaných částic dělíme rozpojování na hrubé a jemné. Hrubé rozpojování nazýváme drcení a příslušná zařízení drtiče, jemné rozpojování nazýváme mletí a zařízení pro jeho realizaci nazýváme mlýny.

2 Drtiče Existuje řada různých typů drtičů a můžeme je rozdělit podle různých hledisek. Pokud je velikost vstupujících částic větší než 0 mm jedná se o zařízení na hrubé drcení, pro částice v rozmezí velikosti 0 mm jsou to drtiče pro jemné drcení. Podle provedení pracovních elementů a principu využívaného k drcení částic je možno dále rozdělit drtiče do několika skupin a to na: Drtiče čelisťové jejich pracovní element tvoří dvě rovinné nebo mírně vyklenuté desky, z nichž jedna nebo obě konají kývavý pohyb, přičemž dochází k drcení materiálu. Drtiče kruhové pracují na podobném principu jako drtiče čelisťové, ale pracovní elementy netvoří čelisti, ale kuželovitý drtící element. Tento element rotuje a navíc koná vzhledem k vnějšímu pevně uloženému kuželu kyvný pohyb. Vstupní pracovní průřez je kruhový, výstupní průřez je asymetrický, mezikruhový. Válcové drtiče pracovní elementy tvoří dva rotující válce, jejichž povrch je různě tvarován (rýhy, hroty, zuby apod.). Válce rotují vzájemně opačným směrem, materiál je unášen do mezery mezi povrchem válců a dochází k jeho drcení. Nárazové drtiče k drcení využívají údery drtících elementů (kladiv), které jsou pevně nebo otočně uchyceny na rotoru a také nárazy částic materiálu na stěny zařízení nebo na nárazové desky nebo rošty. Čelisťové drtiče Konstrukční řešení pohonu čelisťových drtičů vychází z principů znázorněných na obr..2. U uspořádání označeném (a) je pohyblivá drtící čelist otočně uložena na pevném čepu a to umožňuje různé modifikace pohonů, jak je naznačeno na obr..3. Hydraulický pohon (obr..3b) umožňuje vhodnou regulací nastavit vyšší rychlost čelistí při vracení než při pracovním zdvihu. Tím lze zvýšit výkonnost drtiče až o 50 % oproti uspořádání s klikovým mechanismem (obr..3a). Současný nezávislý pohyb obou čelistí (obr..3c), kdy jedna z nich kmitá dvojnásobnou frekvencí také přináší zvýšení výkonnosti o 60 až 70 %. Čelisťové drtiče jsou vyráběny v různých velikostech, s obdélníkovým vstupním průřezem čelistí (šířka x vstupní vzdálenost čelistí) v rozsahu mm až mm s přestavitelností výstupní šířky v poměru :2 až :. Základní šířka výstupní spáry pro jemné drtiče je 0 30 mm a mm pro hrubé drtiče, zdvih 0 50 mm, frekvence pohybu čelistí 2,3 6,6 s, spotřeba práce na rozpojování v závislosti na vlastnostech rozpojovaného materiálu se pohybuje v rozsahu od 0,3 do D 20 kwh t. Stupeň rozpojení ϑ = bývá 3 7 a výkonnost V m 3 & = h. D 2 2

3 Obr..2. Kinematické schéma pohonu čelistí drtiče klikovým mechanismem. Obr..5. Čelisťový drtič s uspořádáním pohonu dle obr..2a. Obr..3. Alternativy pohonu čelistí drtiče. a klikovým mechanismem, b hydraulický, c pohon obou čelistí Obr..2. Kinematické schéma pohonu čelistí drtiče klikovým mechanismem. Obr..6. Čelisťový drtič s uspořádáním pohonu dle obr..2b. 3

4 Základní konstrukční parametry čelisťových drtičů vyplývají z následujících podmínek. Je třeba zajistit, aby částice při sevření čelistí nebyla vytlačována směrem vzhůru. To znamená, že svislá složka třecí síly musí být větší než svislá složka reakce viz obr..4. T cosα > F sinα (.2 ) F f cosα > F sinα (.2 2) D D2 f > tgα = (.2 3) 2L Z rov. (.2 3) vyplývá, že úhel α závisí na součiniteli tření f. Při dané hodnotě f a při příliš velkém úhlu α by docházelo k vytlačování částic směrem vzhůru, při malé hodnotě α by narůstala výška čelistí a tím i výška celého drtiče. Hodnoty součinitele tření f mezi ocelí a běžnými materiály se pohybují kolem hodnoty f = 0,3 ; z čehož plyne α = 6, 7, a celkový úhel mezi čelistmi 2α <33. V praxi ověřený a používaný rozsah je v rozmezí 2α = Obr..4. Síly působící na částici čelisti otevřeny. Kruhové (kuželové) drtiče Pracovní element má tvar komolého kužele, který rotuje a navíc koná vzhledem k vnějšímu pevnému kuželu kyvný pohyb. Tyto drtiče pracují na podobném principu jako čelisťové, ale oproti nim mají tu výhodu, že mají rovnoměrný chod a pro rozpojování využívají také smykové síly. a) b) Obr..7. Schéma konstrukce válcových drtičů. Požadované účinky se docilují také různým tvarováním kuželových ploch a nastavením mezery vertikálním pohybem vnitřního kužele. Provedení dle schéma na obr..7b má relativně plošší vnitřní kužel a vnější pevný kužel je uložen na pružinách, což umožňuje jeho 4

5 vychýlení při vniknutí cizího kovového tělesa. Výhodou tohoto provedení je, že umožňuje vyšší otáčky a poměrně vysoký zdvih. To má za následek, že materiál je namáhán také rázem, a to zvyšuje výkonnost zařízení. Konstrukční provedení tohoto typu drtiče je znázorněno na obr..8. Obr..8. Konstrukční provedení kruhového drtiče s pružným uložením vnějšího kužele. Hlavní parametry vyráběných kruhových drtičů se pohybují v širokém rozsahu: průměr vstupního průřezu v rozmezí mm, šířka excentrického mezikruhového vstupu mm a výstupu mm. Úhel výkyvu vnitřního kužele bývá 0,5 3. Měrná spotřeba rozpojovací práce je 0,2 3 kwh t, při stupni rozpojení ϑ = Výkonnost se pohybuje podle velikosti drtiče v rozsahu m h. 5

6 Válcové drtiče Válcové drtiče mohou být buď dvouválcové nebo jednoválcové. Jednoválcové drtiče mají pevnou protidesku, používají se pro drcení materiálů křehkých s malou pevností a materiálů vláknitých. Dvouválcové drtiče se používají hlavně pro jemné drcení křehkých materiálů. Povrch válců u obou typů drtičů může být hladký, rýhovaný, případně různě upravený. Dvouválcové drtiče tvoří dva proti sobě se otáčející válce se stejnou nebo rozdílnou úhlovou rychlostí. Do drtící zóny je materiál unášen vlivem třecích sil mezi materiálem a povrchem válců. Velikost částic produktu lze nastavit velikostí mezery mezi povrchem válců viz obr..9. Aby částice byla vtažena mezi válce je třeba, aby svislá složka třecí síly byla větší než svislá složka reakce, což vede opět na vztah f > tgα. (.2 4) Z obrázku.9 vyplývá, že Dv + D2 cosα = = > D D 2 v + + tg α (.2 5) Obr..9. Síly působící na částici ve válcovém drtiči.. Nevýhodou tohoto typu drtiče je, že stupeň rozpojování je závislý na průměru válců. Úderové drtiče Tento typ drtičů se převážně používá pro jemné drcení nepříliš tvrdých materiálů. Výsledný produkt obsahuje většinou větší množství jemných frakcí, i při velkých rozměrech částic vstupujícího materiálu. V praxi se vyskytuje řada různých provedení, jejich princip je znázorněn na obr..0. Na rotoru je několik pevně nebo otočně uchycených ramen (kladiv). Je umístěn v rozpojovací komoře, jejíž spodní část Obr..0. Schéma kladivového drtiče. tvoří síto. Maximální velikost zrn produktu lze pak do určité míry regulovat velikostí otvoru nebo štěrbiny roštu nebo síta. Stupeň rozpojení se pohybuje v rozsahu ϑ = podle typu drtiče. Novější provedení těchto typů drtičů zahrnuje regulovaný podavač. Jak je zřejmé z popisu funkce těchto zařízení a obr..0, pro rozpojování částic se především využívá rázové namáhání, které je vyvozováno nárazy mezi úderovými elementy a částicemi, nárazem částic do pláště drtiče a nárazy mezi částicemi navzájem. Dominantní jsou nárazy úderových elementů na částice a základní význam pro funkci zařízení má velikost obvodové rychlosti a pevnostní charakteristiky. 6

7 Mlýny Na rozdíl od drtičů jsou mlýny stroje a zařízení pro získání produktu o malé velikosti zrn, obvykle se volí hranice D 2 mm. Přesná hranice je pouze fiktivní, např. některé typy drtičů lze použít také k mletí. Mlecí zařízení: Mlýny s volně uloženými mlecími tělesy Mlýny kuličkové Mlýny kladkové Mlýny proudové Mlýny úderové pracují na stejném principu jako úderové drtiče Mlýny válcové princip a konstrukce je podobná jako u válcových drtičů, ale spára mezi válci je podstatně menší Mlýny proudové Kulové mlýny Mlýny kulové patří do skupiny mlýnů s volně uloženými mlecími tělesy. Ve válcové části drtiče, která je vyložena otěruvzdorným materiálem, se volně pohybují mlecí tělesa koule. Válec se pomalu otáčí a unáší mlecí tělesa, která při pádu drtí a rozpojují materiál. K rozpojování dochází také vzájemným třením koulí mezi sebou a mezi vyložením válce. Pro správnou funkci mlýnu a maximální využití energie je důležité stanovení otáček bubnu, při kterém by koule vlivem odstředivé síly setrvávaly na vnitřním povrchu bubnu. To lze stanovit z podmínek rovnosti odstředivého a gravitačního zrychlení působícího na kouli, viz obr... R D 2 π B Obr... Princip funkce kulového mlýnu B ω k = g 4π nk = g nk = = (.3 ) g 2 D 0,705 D B Provozní otáčky se pak volí v rozmezí ( 0,5 0,64) n p =. (.3 2) D B 7

8 Pro optimální pracovní podmínky kulového mlýna je důležitá i velikost koulí daná průměrem d k, která zaručuje určitou hodnotu pádové energie. Optimální využití energie se snaží dosáhnout konstrukce mlýna, kde na válcovou část navazuje kuželová část, ve které dochází ke shromažďování menších koulí a které pak působí na materiál, který již prošel hlavní pracovní zónou, tento typ mlýna bývá označován jako Hardingův, viz obr..2. Obr..2. Hardingův kulový mlýn. Obr..3. Komorový kulový mlýn. Na stejném principu pracují i mlýny komorové obr..3, jejichž vnitřní válcový prostor je rozdělen sítovými přepážkami do několika komor, každá z nich je pak naplněna koulemi jiného průměru. 8

9 Mlýny vibrační Patří do skupiny zařízení s volným uložením mlecích těles, jejichž pohyb není pouze závislý na gravitačních silách. Vibrační mlýn, schématicky znázorněný na obr..4, má tvar žlabu, který je zakryt víkem a obsahuje mlecí tělesa (koule) a rozpojovaný materiál. Těleso mlýna je uloženo na dvou soustavách pružin. Válcové pružiny (4) zachycují vertikální síly a plochý pružinový rám (5) zachycuje horizontální síly. Kmitavý pohyb je vyvozen excentricky uloženým závažím (3) na rotujícím hřídeli (2). Vibrace vyvolávají krouživý pohyb náplně Obr..4. Schéma vibračního mlýna. bubnu. Při pohybu náplně, jejíž tvar je na žlab, 2 hřídel, 3 excentrická závaží, 4 obr..4 znázorněn čerchovanou čarou, válcové pružiny, 5 plochý pružinový rám dochází k mletí částic rozbíjením mlecími tělesy a vlivem smykových sil a současně je intenzivně promícháván zpracovávaný materiál. Tento typ mlýnů se používá pro suché i mokré mletí a pro velmi jemné mletí na velikost částic až 0 µm. Do skupiny zařízení s volně loženými mlecími tělesy patří dále kuličkové (perličkové) mlýny. Používají se pro velmi jemné mletí, např. při výrobě nátěrových hmot obsahujících pigmenty, ale také v potravinářském průmyslu, např. při výrobě čokolády. Jejich princip je znázorněn na obr..5. Kuličkové mlýny mají tvar vertikální válcové nádoby, kterou prochází rotující hřídel, na kterém jsou upevněny vhodně tvarované elementy (disky, lopatky apod.), které udílejí mlecím tělískům kuličkám o průměru 0 mm potřebný pohyb, který je potřebný pro rozpojování. Zařízení se používá pro suché, ale nejčastěji pro mokré mletí, kdy částice jsou přiváděny do zařízení ve formě suspenze. pracují jako vsádkové i jako kontinuální s průtokem suspenze mlýnem. Mlýny pracující kontinuálně musí být opatřeny oddělovačem kuliček. Kuličkové mlýny Obr..5. Vertikální vícediskový perličkový mlýn. chladící plášť, 2 hřídel míchadla, 3 oddělovač kuliček, 4 vstup suspenze, 5 výstup produktu, 6 hrdla pro chlazení, 7 náplň 9

10 S ohledem na značnou disipaci energie bývají mokré perličkové mlýny opatřeny chladícím pláštěm, aby nedocházelo k ohřevu vsádky. Mohou pracovat buď jako uzavřené (obr..5) nebo otevřené (obr..6). Dosahovaná jemnost mletí je < 2 µm. Obr..6. Otevřený perličkový mlýn s vícediskovým míchadlem. Kladkové mlýny K rozpojování materiálu v kladkových mlýnech dochází převážně vlivem tlakového a smykového namáhání částice nacházející se mezi kladkou (kuličkou) a otáčejícím se talířem. Aby se částice dostala mezi kladku a talíř musí platit rovnováha sil ve vodorovném směru (viz obr..7): T K cosα + T > FK sinα (.3 3) a zároveň silová rovnováha ve svislém směru T sin α + F cosα F. (.3 4) K K = Obr..7. Síly působící na částici. Po vyjádření třecích sil T = f F, TK = f FK (.3 5a, b) 0

11 dostaneme společným řešením vztahů (.3 3, 4, 5) po úpravě 2 f tgα < 2. (.3 6) f Z obr..6 dále plyne, že DK D cosα =. (.3 7) DK + D z posledních dvou vztahů (.3 6) a (.3 7) po úpravě dostaneme D K > 2. (.3 8) D f DK D Odtud vyplývá, že průměr kladky k maximálnímu průměru zrna, které bude kladkou zachyceno, musí být větší než převrácená hodnota kvadrátu součinitele tření. V praxi existuje celá řada možných uspořádání mlecích elementů a otočných talířů. Materiál je obvykle přiváděn do středu talíře. Jeho otáčky jsou takové, aby byl materiál dopravován vlivem odstředivé síly k obvodu talíře, odkud je produkt dále pneumaticky dopravován např. do třídiče a k výstupu ze mlýna. Na obr..8 jsou schématicky naznačena různá uspořádání pracovních elementů těchto mlýnů. Obr..8. Schéma provedení kladkových mlýnů. Výkonnost je závislá na velikosti zařízení, tloušťce vrstvy materiálu a požadované kvalitě zrnění produktu. Použití je obvykle omezeno na mletí látek anorganického původu a některé křehké materiály. Pneumatická doprava produktu po výstupu ze zařízení může být využita k jeho sušení. Nevýhodou těchto zařízení je značné opotřebení pohyblivých dílů při práci v prašném prostředí. Nárazové a proudové mlýny Tento typ mlýnů nemá prakticky žádné pohyblivé části. Na obr..9 je znázorněn princip nárazového mlýnu. Materiál je do mlýnu dávkován podavačem a ve spodní části je nasáván ejektorem. Vystupuje z dýzy vysokou rychlostí, řádově 00 m s, a směřuje proti nárazové desce, kde se rozbíjí. Mlecímu účinku pomáhá i expanze vzduchu, resp. páry v pórech při průchodu oblastí sníženého tlaku. Potřebnou energii dodává tlakový vzduch o vstupním tlaku 0,3,5 MPa nebo pára přehřátá až na 350 C. Na obr..20 je znázorněn proudový mlýn, který využívá k mlecímu účinku výhradně tření. Mlecí prostor je kruhový a ústí do něj na obvodě několik expanzních trysek (A). Mírným odklonem horizontálních trysek od radiálního směru se vytvoří v mlecím prostoru rotující vzduchový proud, který postupuje spirálově ke střední odtokové rouře (B). Do

12 mlecího prostoru se přivádí zpracovávaný materiál tryskami (C). Velké částice se zpočátku zdržují u obvodu mlecího prostoru. S klesajícím rozměrem se přemisťují v rotujícím proudu ke středu a před výstupem z tohoto proudu jsou odloučeny v cyklónu (D). Hnacím mediem může být vzduch nebo pára. Nevýhodou je velká spotřeba hnacího media ( 2 8 kg na kg meliva), o tlaku 0,2 0,5 MPa. Dosahovaná jemnost mletí je 5 0 µm. Obr..9. Princip nárazového mlýna. Tyto mlýny pracují na stejném principu jako válcové drtiče s tím rozdílem, že mezera mezi válci je podstatně menší. Největší uplatnění mají při rozpojování obilovin výrobě mouky. Jejich výhodou je hlavně poměrně stejnoměrné frakční složení produktu a krátká doba zdržení v mlecím prostoru. Disipace energie tak nezpůsobí tepelné znehodnocení produktu. Dvojice válců se obvykle proti sobě otáčejí různou obvodovou rychlostí a jejich povrch je jemně rýhován. Vzhledem k relativně malému stupni rozpojení ϑ = 3 5 se v technologické lince řadí několik párů válců za sebou. Na obr..2 je příklad sériového řazení válců. Poslední válce jsou hladké a mají větší rozdíly rychlosti. Válce se vyrábějí v rozmezí průměrů D = mm. V Válcové mlýny Obr..20. Schéma proudového mlýna. Obr..2. Sériové řazení válců. 2

13 Princip rozpojování částic v koloidních mlýnech spočívá v účinku působení smykových sil v kapalině s vysokým rychlostním gradientem. Tento účinek může být kombinován s rázovým rozpojováním. Na obr..22 je znázorněn princip koloidního mlýnu, který využívá třecí účinek. Rotor ve tvaru komolého kužele rotuje s vysokou obvodovou rychlostí ( m s ) v kuželovitém statoru. Mezera X mezi rotorem a statorem je minimální ( 25 µm ) a je nastavitelná mikrometrickým šroubem. Materiál je přiváděn do aparátu ve formě suspenze a při průtoku tenkou mezerou je podroben Koloidní mlýny Obr..22. Princip koloidního mlýnu s kuželovým rotorem.. vysokým smykovým účinkům a dochází k jeho rozpojování. Suspenze je přiváděna čerpadlem a zařízení pracuje obvykle v uzavřeném okruhu bez třídiče. Další typy koloidních mlýnů využívají kombinované namáhání a jejich konstrukce je podobná úderovým drtičům. Hlavní částí je tlukadlový rotor, jehož otáčky se pohybují v rozmezí s. Tlukadla rotoru procházejí s minimální mezerou mezi hřebeny statoru. Při rotaci rotoru vznikají v protékající suspenzi rázy, kterými jsou částice rozpojovány. Jemnost mletí dosahovaná v koloidních mlýnech je do µm. 3