Гидромеханические процессы

4.8.4 Пневмотранспорт  порошковых и зернистых материалов

Пневмотранспортом называют процесс течения по трубам двухфазных потоков, в которых несущей фазой является любой газ, чаще всего – воздух, а переносимой фазой – порошкообразные крупностью до 1 мм или зернистые крупностью более 1 мм частицы твердого материала. В строительных технологиях это могут быть все виды вяжущих материалов, другие порошкообразные материалы (например, молотый песок), зернистые частицы относительно легких материалов (перлитовый песок, опилки и т.п.). С технической точки зрения система пневмотранспорта включает расходную емкость для транспортируемого материала с устройствами для выгрузки материала и его смешения с потоком газа, трубы, по которым собственно происходит пневмотранспорт, и сепарационные устройства (циклоны, фильтры), отделяющие твердые частицы от газовой фазы и очищающие ее. В качестве примера на рисунке 21 приведена схема системы пневмотранспорта, реализуемой на складах цемента заводов железобетонных изделий.

Доставка цемента осуществляется или в крытых вагонах 1 или в  специальных цементовозах 3. Разгрузка из цементовоза осуществляется самотеком, а из крытого вагона происходит с помощью самоходного пневморазгружателя 2, всасывающего цемент через заборный патрубок и подающего его затем в накопительный бункер 4. Из накопительного бункера цемент винтовым шнеком 5 отбирается и подается в камеру смешения 6, в которую снизу поступает сжатый воздух; образовавшаяся цементно-воздушная смесь начинает течь по трубопроводу 7 и попадает в циклон 9, в котором происходит отделение основной массы цемента от воздушного потока; оставшаяся масса цемента оседает в фильтре 10, в результате просасывания цементновоздушного потока через матерчатые рукава; очищенный воздух с помощью тягового вентилятора 11 выбрасывается в атмосферу. Выделенный в аппаратах 9 и 10 цемент с помощью распределительного шнека 12 загружается в один из силосов 8 – цилиндрические емкости, в которых и хранится цемент. Дальность подачи материалов с помощью систем пневмотранспорта достигает 1000 м, высота подъема – до нескольких десятков метров.

_{Различают три степени концентрации твердых частиц в  газовом потоке:} низкую – до 0,03 0,04 м³/м³; среднюю – от 0,04 до 0,12 м³/м³; высокую – более 0,12 м³/м³. Чем выше концентрация твердых частиц в газовом потоке, тем большей должна быть скорость газового потока, тем большим напором он должен обладать. Расчет скорости газового потока при пневмотранспорте, особенно для полидисперсных частиц, представляет весьма сложную задачу. Поэтому на практике пользуются, как правило, эмпирическими формулами. Теоретические положения гидродинамики двухфазных потоков в наибольшей степени применимы для потоков с низкой концентрацией твердых частиц. При расчетах скоростей пневмотранспорта необходимо, прежде всего, иметь в виду, что скорости газового потока и твердых частиц не совпадают за исключением случая движения «сверху вниз»; скорость газового потока превышает скорость движения частиц. При этом для обеспечения состояния пневмотранспорта в направлении «снизу вверх» достаточно, чтобы скорость газового потока хотя бы незначительно превысила скорость свободного витания частиц или вторую критическую скорость, то есть скорость, при которой гидродинамический напор на частицу уравновешивал бы ее собственный вес.

 

 

Рисунок 21 – Система пневмотранспорта на складе

цемента:

1 – крытый вагон с  цементом; 2 – пневморазгружатель всасывающее-нагнетательного действия;

3 – вагон-цементовоз с  гравитационной разгрузкой; 4 – бункер-накопитель; 5 – шнековый разгрузчик;

6 – камера смешения; 7 – цементопровод; 8 – емкости склада силосного типа; 9 – цементоосадительный циклон;

10 – фильтр; 1 – вентилятор; 12 – распределительный шнек

 

Для горизонтальных участков пневмопровода скорость газового потока должна быть выше, течение должно проходить в турбулентном режиме. Только при таком режиме поперечные пульсационные составляющие скорости потока способны обеспечить состояние свободного витания частиц и предотвратить их оседание на стенку трубы. Действие поперечных пульсационных составляющих скорости потока создают волнообразную траекторию их движения (рисунок 22).

Рисунок 22 – Траектории частицы

в ламинарном (1) и турбулентном (2) потоках жидкости

в горизонтальной трубе

В целом турбулентные пульсации  значительно удлиняют путь частицы в горизонтальном направлении до ее осаждения на трубу. В зависимости от скорости потока в горизонтальном участке трубы можно выделить два предельных варианта структуры двухфазного потока (рисунок 23) При достаточно высокой скорости турбулентного потока частицы материала движутся, практически не оседая на трубу (рисунок 23, вариант а). Они относительно равномерно распределены по сечению потока, хотя по вертикали, безусловно, имеет место неравномерность, как по концентрации, так и по крупности частиц.

При предельно низкой скорости, еще обеспечивающей пневмотранспорт (рисунок 23, вариант б), длина пробега частиц невелика и они оседают на стенку трубы, образуя волну, наподобие дюны. В соответствии с законом постоянства расхода это приводит к местному повышению скорости потока, что вызывает новый пробег частиц и т.д. Является очевидным, что с увеличением скорости потока частота появления дюн уменьшается вплоть до их полного исчезновения. Для устойчивого пневмотранспорта необходимо, чтобы скорость газа в 1,5 2,0 раза превышала расчетную скорость витания самых крупных частиц.

Для средней и высокой  концентраций твердых частиц рабочая  скорость газа может превышать скорость витания частиц в 3-8 раз. Такое повышение скорости обусловлено высокой степенью стесненности частиц и высокой вероятностью их столкновений в полете.

В реальных пневмотранспортных системах рабочая скорость газового потока может находиться в пределах от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Рисунок 23 – Предельные варианты структуры двухфазных потоков при пневмотранспорте: а – поток умеренной концентрации;

б – транспорт «дюнами»

Потерянное давление Δр в сети пневмотранспорта (это давление создается компрессорными машинами) кроме общеизвестных составляющих гидростатики и гидродинамики, включает еще и специфические составляющие в виде потерь давления на трение между твердыми частицами и транспортирующим агентом и на процесс ускорения частиц в начале их движения (на так называемом разгонном участке трубы). Исходя из этого, для вертикального участка пневмопровода

^{Δр = Δр}_ст ^{+ Δр}_Т ^{+ Δр}_ч ^{+ Δр}_р^,   (28)

где Δр_ст потери давления на преодоление статического давления столба смеси газа и твердых частиц;

Δр_Т  потеря давления на преодоление сил трения потока о стенки трубы;

^Δр_ч ^{потеря давления на преодоление трения между твердыми частица}ми и газовым потоком;

Δр_р, дополнительная потеря давления на разгонном участке трубы. Наиболее весомой составляющей в уравнении (28) является Δр_ст.

В реальных системах пневмотранспорта, например для транспортирования цемента, необходимое давление находится в пределах от 0,12 до 0,6 МПа (от 1,2 до 6,0 атм).

В заключение отметим, что  пневмотранспорт является наиболее эффективным современным видом  транспорта сыпучих материалов. Он универсален, мобилен, практически  не требует для своего устройства специальных зон в промышленных цехах, прокладывается с любыми уклонами, перегиба-ми и т.п.; бесшумен в работе, экологически чист. Единственным его недостатком является повышенный расход электроэнергии по сравнению с механическими средствами транспорта. Но этот недостаток вполне перекрывается отмеченными достоинствами.

4.8.5 Гидротранспорт  зернистых материалов

Гидротранспортом называют процесс течения по трубам двухфазных потоков, в которых несущей фазой  является жидкость, чаще всего –  вода, а переносимой фазой –  различной крупности зерна транспортируемого  материала.

Транспортируемый материал по крупности подразделяют на: тонкодисперсный – крупностью менее 0,15 мм; грубодисперсный – от 0,15 до 3,0 мм; кусковый – более 3,0 мм.

В строительных технологиях  по трубам транспортируют пульпы и  шламы (в производстве керамики, вяжущих  веществ), золы ТЭС и другие тонкодисперсные  добавки, пески, растворные и бетонные смеси.

Вот как, например, выглядит один из вариантов системы гидротранспорта по добыче речного песка (рисунок 24).

Рисунок 24 – Схема гидродобычи речного песка:

1 – плавучее средство (драга); 2 – гидронасос;

3 – заборная (всасывающая) труба; 4 транспортирующая труба;

5 – плавучая опора; _{6 – береговая опора; 7 – намываемый конус песка}

Принципы движения двухфазных гидропотоков, расчетные зависимости полностью совпадают с уже рассмотренными для пневмотранспорта.

Отличительной особенностью гидротранспорта является значительно  меньшее отношение плотностей транспортируемых твердых материалов и транспортирующей среды (примерно около 2 вместо 2000). Вследствие этого гидротранспорт требует значительно  меньших скоростей потока (до 10 м/с), допускает значительно большее  значение объемной концентрации твердыхчастиц и используется для перемещения материалов на расстояния, измеряемые километрами и даже десятками километров. Заметим также, что в случае гидротранспорта жидкость и твердые частицы перемещаются практически с одинаковой скоростью, близкой к скорости витания твердых частиц. удельные затраты энергии на гидротранспорт значительно ниже, чем на пневмотранспорт в связи с более низкими скоростями потоков и меньшими потерями энергии на взаимные трения твердых частиц.

4.8.5 Разделение двухфазных  систем

Пневмои гидротранспорт твердых частиц, а равно и работа обжиговых печей, сушильных агрегатов, измельчительных устройств требуют на заключительном этапе технологического процесса отделения твердых частиц от газового или жидкостного потоков и полной очистки газов или жидкостей перед возвращением в природную среду. В строительных технологиях для этих целей применяют пылеосадительные камеры и гидроотстойники, пневмои гидроциклоны.

4.8.5.1 Разделение  двухфазных систем под действием

центробежных сил. Пневмоциклоны и гидроциклоны

Использование центробежной силы позволяет существенно увеличить пределы разделения неоднородных систем и в сотни раз ускорить этот процесс.

Пневмоциклоны применяются для разделения пылегазовых смесей. При этом твердая фаза осаждается под действием центробежной силы в результате спиралевидного движения двухфазного потока.

Существует множество  конструктивных разновидностей циклонов, применяемых для очистки газов от пыли. Из них наибольшее распространение получили циклоны типа НИИОГАЗ (разработки Научноисследовательского института очистки газов). На рисунке 25 приведена схема наиболее широко применяемого циклона типа ЦН 15.

Рисунок 25 – Схема циклона

для выделения твердых частиц из пылегазовых смесей

Циклон состоит из цилиндра – конического корпуса диаметром до 1 м, снабженного сверху тангенциально расположенным относительно корпуса штуцером для закручивания входящего потока пылевзвеси, нижним штуцером для выхода осевшей пыли в сборный бункер и газоотводящей трубы, соосной с корпусом. Последняя на выходе заканчивается улиткой. Сущность процесса пылеосаждения состоит в следующем. Входящая через штуцер газовзвесь приобретает вращательное движение и, огибая газоотводящую трубу, перемещается вниз сначала в кольцевом пространстве между корпусом и газоотводящей трубой, а затем в конической части корпуса. Содержащиеся в газовзвеси твердые частицы отбрасываются центробежной силой к стенке корпуса и по ней стекают в бункер, а очищенный газ, начиная с выхода из кольцевого пространства, восходящим потоком удаляется из циклона по газоотводящей трубе, улитка служит для преобразования вращательного движения уходящего газа в прямолинейное.

В циклонах НИИРГАЗ с диаметром корпуса от 100 до 1000 мм степень очистки газов от пыли составляет 30 85% для частиц диаметром 5 мкм. С увеличением диаметра частиц до 20 мкм степень очистки может достигать 95-_99%.

_{Содержание пыли в очищаемом газе не должно превышать 0,4 кг/м}³_{. И} лишь для циклонов диаметром 2000–3000 мм допускается увеличение начальной концентрации пыли до 3-6 кг/м³. Если же циклоны предназначены для технологического осаждения твердых частиц, например, на складе цемента (рисунок 21), то концентрации твердых частиц могут быть значительно большими.

Для тонкой же очистки газов от пыли, например, дымовых газов, отходящих от сушильных и обжиговых аппаратов, применяют батарейные циклоны, представляющие собой группу параллельно включенных циклонов малого диаметра (около 250 мм), расположенных в общем корпусе.