Зарегистрированных посетителей: 10368

"Комбинированная мельница-нагреватель для комплексной переработки растительного сырья"

С полными текстами всех статей вы можете ознакомиться на страницах журнала
А. Б. Липилин, генеральный директор,
М. В. Векслер, ведущий специалист,
Н. В. Коренюгина, главный технолог завод "Техприбор"
А. М. Морозов, к. т. н., научный консультант

Одним из перспективных направлений совершенствования технологии переработки растительного сырья является комбинирование физических эффектов с использованием как внутренних, так и внешних источников энергии. Новая мельница-нагреватель, работа которой основана на совмещении в одном процессе сразу нескольких механизмов сушки и измельчения, отличается малой энерго- и металлоемкостью, повышенным КПД и в целом более высокой экономичностью и качеством помола.

Введение

Древесная мука – продукт сухого механического измельчения древесины и ее отходов (стружки, опилков, щепы и прочей «неделовой» древесины), используемая в качестве наполнителя полимерных композиционных материалов, не только снижает их стоимость, но и придает им новые функциональные свойства. Так, для изделий из полипропилена или поливинилхлорида – это повышенные износостойкость и жесткость, устойчивость к воздействию УФ-излучения, более высокая скорость формования и меньшее абразивное воздействие на экструзионное и литьевое оборудование по сравнению с минеральными наполнителями. Современные пластиковые оконные профили и подоконники содержат в своем составе до 50 % древесного наполнителя.

Принцип действия новой комбинированной мельницы-нагревателя основан на том, что для повышения эффективности процесса получения древесной муки тонкого помола в аппарате одновременно используются дискретное многофакторное энергетическое воздействие на обрабатываемое сырье, пульсации давления в локальных объемах камеры помола и высокие скорости сдвига в перерабатываемом материале. От аналогов новый аппарат выгодно отличается меньшей энерго -и металлоемкостью, высокой размольной мощностью, компактными размерами и отсутствием отдельного сушильного агрегата. Комплексное воздействие, оказываемое комбинированной мельницей-нагревателем на перерабатываемые материалы, не может быть приписано отдельным физическим эффектам без учета их взаимодополняющего, а иногда и кумулятивного действия; однако для лучшего понимания данных процессов целесообразен их раздельный анализ на основе известного принципа «элементарных стадий».

К  указанным физическим эффектам относятся вихревой нагрев воздуха, «кинетическое» осушение и дискретно-непрерывное измельчение частиц исходного растительного сырья в результате энергетического разделения и «парового взрыва».

В статье обсуждаются результаты научно-экспериментальных работ по созданию высокоэффективной комбинированной мельницы нагревателя, предназначенной для переработки растительного сырья естественной влажности в сухие порошки с преобладающим размером частиц до десятков микрометров.

Принцип «кинетического» осушения

Несмотря на относительно невысокую электрическую мощность и отсутствие внешних источников тепла, комбинированная мельница-нагреватель способна удалить из влажного материала больше воды, чем можно было ожидать, рассматривая процесс сушки исключительно с позиций нагрева и испарения жидкости. На первый взгляд такое утверждение не соответствует закону сохранения энергии, однако никакого противоречия в данном случае нет: основная часть свободной влаги удаляется за счет ее центробежного отжима и «кинетического» съема с поверхности частиц измельчаемого материала, что исключает затраты энергии на испарение влаги.

Более экономичный по сравнению с нагревом и последующим испарением жидкости ее механический отжим широко используется в различных областях техники: достаточно вспомнить отжимные шнековые прессы [1] или обычную стиральную машину с центрифугой. Нечто подобное происходит и в быстроходных измельчителях ударного действия, например в молотковых дробилках.


Однако в отличие от шнеков-прессов или центрифуг, где отделение жидкости от твердой фазы происходит на перфорированной поверхности корпуса, в быстроходных мельницах нет подобного механизма сепарации, из-за чего не выведенная из процесса влага повторно оседает на поверхности частиц, что не позволяет добиться заметного проявления эффекта «кинетического» осушения.

Для экономичной и одновременно высокопроизводительной сушки растительного сырья одновременно с  его тонким помолом было необходимо интенсифицировать процесс образования новых поверхностей, чтобы связанная влага из внутренних слоев частиц материала оказывалась на вновь образованных поверхностях доступной для «кинетического» съема, а также обеспечить эффективное отделение воздушно-капельной дисперсии от твердой фазы без ее повторного увлажнения. И если первое требование связано с решением задачи о том, сколько энергии подведено к объекту и насколько полно она использована для его разрушения, то второе относится к созданию максимальной разности температур и давлений в разных областях камеры помола.

Очевидно, что для получения таких впечатляющих результатов модель разрушения частиц растительного сырья в комбинированной мельнице-нагревателе должна серьезно отличаться от моделей, реализуемых в измельчителях других типов (молотковых дробилках, ножевых размалывающих машинах, вибрационных, воздухоструйных мельницах и т. д.). Следует заметить, что на сегодняшний день ни одна из классических теорий измельчения не позволяет установить четкую количественную взаимосвязь между затратами энергии и размерами начальных и конечных частиц измельчаемого материала, особенно если размеры последних не превышают десятки микрон. Известные теории измельчения Реттингера, Кирпичева – Кикка, Стендлера подходят для расчета грубого помола хрупких материалов, однако они в недостаточной степени учитывают потери энергии на трение частиц о рабочие поверхности мельниц и  упругую деформацию исходного материала, не приводящие к  его разрушению.

При этом разница между расчетным и фактическим энергорасходом мельниц тонкого помола может превышать 500 % [5, с. 26–40]!

Необычно высокая степень помола (>200) растительного сырья в комбинированной мельнице-нагревателе тем более труднообъяснима с позиций механического измельчения, если учесть, что конструктивно аппарат не имеет рабочих органов, предназначенных непосредственно для прямого воздействия на частицы измельчаемого материала.

Объяснение полученному эффекту удалось найти с позиций механохимии – науки, изучающей изменение свойств материалов при их деформировании в результате интенсивного механического воздействия.

По мнению ряда исследователей [6, 7], существуют два основных физических процесса, которые возбуждают механохимические реакции в  твердых телах: деформация кристаллов (в случае растительного сырья, очевидно, волокон) и их излом. В ходе этих процессов выделяется тепло, возникают сдвиговые напряжения и деформации, обычно сопровождающиеся локальным подъемом температуры и давления, разрывом химических связей на вновь образованных поверхностях и формированием вследствие этого центров с повышенной активностью.

Аналогичные выводы были сделаны Е. Г. Аввакумовым и для высокомолекулярных органических соединений на основе данных о механодеструкции целлюлозы при ее измельчении [7]. Результаты исследований по механохимии полимеров и высокомолекулярных соединений обобщены в обзорных работах А. А. Берлина [8] и Н. К. Барамбойма [9]. Большинство исследователей механохимии твердых тел первоочередными задачами считают определение запаса избыточной энергии и установление вида, концентрации и характера распределения дефектов. При этом наибольшее количество дефектов структуры материала может быть получено в измельчительных аппаратах, обеспечивающих импульсное воздействие на частицы, что является в ряде случаев объяснением кинетического характера протекания механохимических реакций [10].

На основании изложенного, а также обширного экспериментального материала, полученного в ходе разработки и отладки нового аппарата, можно сделать предположение о физике процесса измельчения растительного сырья в комбинированной мельниценагревателе. Большая часть введенной в объем камеры помола энергии, вероятно, не расходуется на немедленное образование новых поверхностей, а накапливается в частицах при образовании структурных дефектов. Таким образом, характер измельчения имеет ярко выраженную цикличность – сначала происходит накопление дефектов «отложенного измельчения», а по достижении критических значений - взрывное разрушение частиц.

Подобное предположение не противоречит существующей теории измельчения. Л. Б. Левенсон, основываясь на теории Кирпичева – Кикка, предложил следующее упрощенное выражение для определения энергии, затрачиваемой на измельчение материала с исходным объемом  v (массой G) до продукта с частицами минимальных размеров:

где σр  – разрушающее напряжение (предел прочности материала);
E – модуль Юнга;
ρ – плотность материала.

При этом степень измельчения теоретически достигает бесконечности.

Обоснованная Л. Б. Левенсоном возможность «взрывного» разрушения всего объема измельчаемого материала подтверждается результатами экспериментов по тонкому помолу опилок хвойных пород древесины в комбинированной мельнице-нагревателе.

При исследовании микрофотографий, сделанных на сканирующем электронном микроскопе Phenom G2, образцов древесной муки, полученной при разных режимах работы экспериментального аппарата, конструкция которого предусматривала возможность установки статоров с разным количеством пульсационных камер, были отмечены существенные отличия формы и структуры поверхности частиц (данная работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного контракта № 16.522.12.2010, заключенного между указанным министерством и ООО «БИОВЕТ-ФЕРМЕНТ» по мероприятию 2.2 федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2013 годы»). Древесная мука, полученная на средних режимах работы аппарата с 20 пульсационными камерами статора, имеет достаточно равномерный гранулометрический состав и представлена частицами чешуйчатой формы без явных следов отделения волокон (фото 1, а).

Частицы древесной муки, полученной в аппарате с 50 пульсационными камерами статора, выглядят совершенно иначе. Помимо большого количества мелких фрагментов наблюдается отделение волокон, а сами частицы выглядят более «рыхлыми» (см. фото 1, б).

Полученные порошки существенно отличались и по внешнему виду. В первом случае продукт помола представлял собой хорошо сыпучую массу цвета исходной древесины (фото 2, а), во втором это была рыхлая, «ватная» масса серобурого цвета (см. фото 2, б).

Наиболее вероятной причиной изменения цвета, формы и структуры поверхности частиц древесины является локальное повышение давления, вызванное быстрым вскипанием внутренней влаги материала или «парового взрыва». Спусковым механизмом данного процесса могут являться скачки давления, которые приводят к срыву пленки пара, что резко интенсифицирует теплообмен, вызывая «микровзрывы» частиц органики. В ходе последующих экспериментов было установлено критическое число оборотов ротора-импеллера, количество и объем пульсационных камер статора, при которых достигался устойчивый эффект, по своему действию напоминающий «паровой взрыв».

В целом гипотеза об изменении цвета образцов вследствие локального «парового взрыва» дополняет высказанные ранее предположения о причинах аномально высокой размольной мощности комбинированной мельницы-нагревателя. Частичный разрыв (на критических режимах) или существенное ослабление (на рабочих режимах) связей между основными элементами растительного сырья – целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином – значительно облегчает их дальнейшее измельчение, что и объясняет необычно высокую энергоэффективность комбинированной мельницы-нагревателя в получении сухих тонкодисперсных порошков органики.

Заключение

Представленный материал является результатом работы специалистов завода «ТЕХПРИБОР» (г. Щекино, Тульская обл.), которые на протяжении последних 5 лет занимались созданием и отладкой принципиально нового аппарата комплексной переработки растительного сырья. За это время было изготовлено большое количество единиц экспериментального оборудования, позволяющего моделировать процессы и эффекты «кинетического» осушения, вихревого нагрева воздуха, энергетического разделения частиц сырья, их дискретно-непрерывного измельчения, «парового взрыва», а также их взаимодополняющего и кумулятивного действия. На конструкцию аппарата и его основные элементы получены патенты РФ на изобретение и полезные модели. Практическим результатом опытно-конструкторских работ ста- ло создание промышленного аппарата и автоматизированного перерабатывающего комплекса на его основе, получившие названия «комбинированная мельница-нагреватель «С.А.М.П.О. 2012» и «компакт-линия сушки-измельчения растительного сырья «МИКРОКСИЛЕМА-ДМ» [11].

В итоге комбинированная мельница-нагреватель «С.А.М.П.О. 2012» представляет собой своего рода симбиоз роторной мельницы-дезинтегратора и механической сирены, для изготовления которой в  условиях современного механосборочного производства не требуется сложных технологий и  специализированного оборудования, и имеет относительно простую механическую конструкцию. При этом аппарат надежен в эксплуатации и прост в обслуживании, а ресурс его основных изнашивающихся часлужбы сменных пластин роторов молотковых мельниц, традиционно используемых для тонкого помола растительного сырья.

Литература
1. Геррман Х. Шнековые машины в  технологии. / Пер. с  нем. Под ред.Л. М. Фридмана. – Л.: Химия, 1975. – 232 с.
2. Гольдштик М. А., Штерн В. Н., Явор- ский Н. И. Вязкие течения с парадок- сальными свойствами. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. – 336 с.
3. Вихревые аппараты  / А. Д. Сус- лов, С. В. Иванов, А. В. Мурашкин, Ю. В. Чижиков. – М.: Машинострое- ние, 1985. – 256 с.
4. Ходаков Г. С. Тонкое измельчение строи- тельных материалов. – М.: Стройиздат, 1972. – 240 с.
5. Сиденко П. М. Измельчение в химиче- ской промышленности. – М.: Химия, 1977. – 368 с.
6. Болдырев В. В. О некоторых пробле- мах механохимии неорганических веществ // Изв. СО АН СССР. Серия хим. наук. Вып. 3. 1982. № 7. – С. 3–8.
7. Аввакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов. 2-е изд., перераб. и доп. – Новосибирск: Наука, 1986. – 306 с.
8. Берлин А. А. Механохимические превра- щения и синтез полимеров // Успехи химии. 1958. Т. 27. № 1. – С. 94–112. 9. Барамбойм Н. К. Механохимия вы- сокомолекулярных соединений. – М.: Химия, 1978. – 384 с.
10. Поглощение энергии твердыми тела- ми при измельчении в калориметри- ческой мельнице  / З. Ильген и др.  // Тез. докл. VIII Всесоюзного симпози- ума, Таллин, 1981. – С. 155–156.
11. Новая технология сушки и измельчения древесных отходов  // Полимерные материалы.  2010. № 12. – С. 18–19.

The Combined Mill-heater for Complex
Processing of Vegetative Raw Materials A. B. Lipilin, M. V. Vexler,
N. V. Korenjugina, A. M. Morozov One of perspective directions of perfection of
vegetative raw materials processing is the combination of physical effects with use internal
and external energy sources. The new mill-heater, which work is based on combination in one process
at once several mechanisms of drying and crushing, differs small power- and the metal consumption
raised by productivity and, as a whole, by higher profitability and quality of a grinding.

Источник: журнал "Полимерные материалы" 2012/9




Журнал

В следующем номере

    Тема номера: ДОБАВКИ
  • Инновационные добавки Dow Corning для повышения характеристик полимеров и оптимизации процессов их переработки
  • Возможности химической и физической модификации полимерных материалов
  • Исследование влияния насыщенных пластификаторов на свойства вулканизованных смесей EPDM/PVC
  • Читать полностью

Популярные запросы

Экструдер пластмасс
Армированный полипропилен
Переработка бутылок пэт
Нетканые материалы
Производители стрейч пленки
Производство полиуретановых изделий
Восстановление тефлонового покрытия
Плотность полиэтилена низкого давления
Антистатики
Изготовители пресс-форм

Контакты

Адрес редакции:
105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
Главный редактор:
Гончаренко Виктор Алексеевич, д.т.н.
E-mail: victor-gonchar@mail.ru
Редактор:
Сергеенков Алексей Петрович, к.т.н.
E-mail: alexeyserg@mail.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@polymerbranch.com

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100
Логин или E-mail
Пароль (Забыли пароль?)
Запомнить
Если Вы ещё не зарегистрированы в системе, Вам необходимо зарегистрироваться
Введите E-mail:
Sun, 25 Jun 2017 17:03:54