ППСМ1 Институт технологического оборудования и комплексов Заместитель директора ИТОК по учебной работе К.т.н., доцент. Семикопенко Игорь Александрович
Процессы в производстве строительных материалов
ППСМ3 Цель дисциплины. Цель настоящей дисциплины - изучение процессов, происходящих при переработке и изготовлении различных строительных материалов и изделий в машинах, работающих при соответствующих режимах.
ППСМ4 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
ППСМ5 ВВЕДЕНИЕ Промышленность строительных материалов (ПСМ) - одна из важнейших отраслей нашей экономики. Она играет огромную роль в решении задач социально- экономического развития страны.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ППСМ Структура технологического процесса, понятие о технологии, вспомогательные и основные технологические процессы Отрасль промышленности Технология общие технологические процессы: Основные технологические процессы Структура технологического процесса
ППСМ Структура технологического процесса, понятие о технологии, вспомогательные и основные технологические процессы Проектирование и разработка технологического процесса проходят несколько основных этапов. Технологическая операция Ручные операции Машинные операции Автоматические операции Аппаратурные операции Вспомогательные процессы Обслуживающие процессы
ППСМ 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 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/T1 ; для непрерывного - Т0 и τ/T.
ППСМ Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов Материальный баланс Энергетический баланс Q= Q1+ Q2+ Q3= Q к + Q п
ППСМ Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов Условия Скорость процесса Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.
ППСМ Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов уравнение процесса В преобразованном виде k можно рассматривать как коэффициент, характеризующий интенсивность процесса.
ППСМ Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов Интенсивность протекания любого процесса всегда пропорциональна его движущей силе Δ и обратно пропорциональна сопротивлению и может быть выражена
ППСМ Общие принципы анализа и расчета элементарных процессов передачу тепла (уравнение Ньютона) диффузионные процессы (уравнение Фика) гидродинамические процессы (уравнение Бернулли)
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ
ППСМ Классификация исходного сырья по составу и структуре Дисперсионные структуры: а - коагуляционная; б - кристаллизационная; в - конденсационная
ППСМ Классификация исходного сырья по составу и структуре Виды строения композиционных материалов: а - с зернистым наполнителем ; б- с волокнистым наполнителем; в- с газонаполненными ячейками
ППСМ Физические свойства материалов, влияющие на параметры процессов их переработки Плотность Насыпная плотность Угол откоса Прочность Твердость Хрупкость
3. ПОДОБИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ
ППСМ Основы системного анализа и понятие модели Структура математической модели
ППСМ Основы системного анализа и понятие модели Схема управляющей системы
ППСМ Классификация моделей 1. По неопределенности состояния объекта 2. По содержательным характеристикам подобия объекта и модели 3. По принципу отображения объекта
ППСМ 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 Теоремы подобия Первая теорема подобия (по Ньютону): подобные между собой явления имеют численно одинаковые критерии подобия. Второй закон Ньютона индикатор подобия критерий подобия
ППСМ Теоремы подобия Вторая теорема подобия (Федермана- Бэкингема): количественные результаты опытов надо представлять в виде уравнений, выражающих зависимость между критериями подобия изучаемого процесса.
ППСМ Теоремы подобия Третья теорема подобия (Кирпичева- Тухмана) подобны те явления или системы, которые описываются одинаковыми уравнениями связи и условия однозначности которых подобны. два безразмерных комплексах К 1 и К 2 : или Этот метод, введенный в инженерную практику Бриджменом, базируется на так называемой - теореме Бэкингема, являющейся частным случаем второй теоремы подобия.
ППСМ Критерии механического подобия Критерий гомохронности Для вращательного движения Критерий Ньютона
ППСМ Критерии механического подобия Критерий Фруда Из уравнения или получают комплекс после умножения которого на квадрат гомохронности получают
ППСМ Критерии механического подобия Критерий Коши Из этих соотношений получаем комплекс После извлечения корня квадратного из полученного комплекса находят
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ППСМ Теоретическая и истинная прочность материала Теоретическая прочность где соответствует силам притяжения; соответствует силам отталкивания ; Сила взаимодействия заряженных частиц
ППСМ Дефекты структуры и их влияние на прочность и твердость материалов Поверхностные Гриффитс определил критическое напряжение Твердость Образец трещины
ППСМ Влияние физико-химической активации на прочность твердого тела Поверхностно-активными называются вещества, молекулы которых адсорбируются поверхностью данного твердого тела и снижают его поверхностную энергию.
5. ПРОЦЕССЫ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ППСМ Назначение и методы измельчения Виды нагрузок, используемые при измельчении. а) раздавливание б) удар в) раскалывание г) излом д) истирание
ППСМ Исходное сырье и его основные свойства Прочность Твердость Хрупкость Разрыхляемость грунтов Абразивность
ППСМ Характеристики качества измельчения Степень измельчения В каждой из фракций определяется средний размер куска как полусумма размеров максимального и минимального кусков:
ППСМ Характеристики качества измельчения Средний размер отдельного куска определяется по одной из формул: или Затем определяется средневзвешенный размер куска в конечном или исходном продукте:
ППСМ Основные законы измельчения проф. П. Риттингер Ф. Кик и проф. В. П. Кирпичев (закон Гука) акад. П. А. Ребиндер Ф. Бонд А.К. Рундквист
ППСМ Виды измельчения. Классификация измельчителей Вид измельчения Размер кусков, мм Степень измельчения до измельченияпосле измельчения Дробление Крупное1500… …6 Среднее300…10050…105…10 Мелкое50…1010…310…50 Помол Грубый10…33…0,15…100 Тонкий3…0,10,1…0,05100 Сверхтонкий - 0,05…0,001>100 Виды измельчения
ППСМ Виды измельчения. Классификация измельчителей Циклы измельчения: а - открытый; б – замкнутый
ППСМ Виды измельчения. Классификация измельчителей Классификация дробильно-помольного оборудования
ППСМ Виды измельчения. Классификация измельчителей Классификация дробильно-помольного оборудования
ППСМ Особенности порошков тонкого помола Число кусков в массе G материала Поверхность одного куска Поверхность массы G рыхлого материала Удельная поверхность рыхлого материала
ППСМ Кинетика измельчения при помоле материалов С.Е. Андреев и В.В. Товаров или после его логарифмирования эмпирическим соотношением Чарльза: Интегрируя уравнение при m= 1, получают выражение - закон Кирпичева-Кика Удельную производительность мельницы рассчитывают по формуле
ППСМ Кинетика измельчения при помоле материалов МатериалКоэффициент Клинкер средней размолоспособности 1 Песок кварцевый0,6-0,7 Известняк1 Глина сухая1,5-2,0 Тальк1,04-2,02 Уголь каменный0,7-1,34 Известь1,64 Коэффициент размолоспособности некоторых материалов
ППСМ Влияние среды на процессы измельчения Исследованиями акад. Ребиндера и его последователей установлено, что прочность твердого тела может меняться в результате физико- химического воздействия внешней среды
6. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ
ППСМ50 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 Схема от мелкого к крупному
ППСМ Схема от крупного к мелкому
ППСМ Схема комбинированного грохочения Предварительное грохочение Промежуточное грохочение Товарное грохочение.
ППСМ 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 Грохоты Классификация грохотов следующая: а) плоские неподвижные; б) плоские подвижные: - качающиеся; - вибрационные; в) вращающиеся: - барабанные; - призматические.
ППСМ Грохоты формула скорости движения частицы материала по ситу: Схема движения частиц материала по ситу
ППСМ Колосниковые грохоты Возмущающая сила P, H, создаваемая дебалансами, равна, Кинетический момент дебалансов,
ППСМ Плоские качающиеся грохоты Приравняем силы, действующие в горизонтальной плоскости: следовательно, Если грохот наклонный, то ускорение а < φ, где φ - угол трения. Схема к определению ускорения частицы Условие подвижности частицы на поверхности сита: Инерционное усилие P и будет равно: где т - масса куска, кг; а - ускорение сита, м/с.2 Сила трения между куском материала и решетом
ППСМ Вибрационные грохоты Вибрационные грохоты разделяются на гирационные, инерционные и электромагнитные. Производительность виброгрохотов
ППСМ Барабанные грохоты Сила трения Центробежная сила Сила трения, вызываемая центробежной силой инерции куска, будет равна Положение куска весом m определится из условия: подставляя получим число оборотов барабанного грохота, об/с Схема барабанного грохота (векторы сил в поперечном сечении)
ППСМ Характеристика крупности материалов Введены следующие понятия: частный остаток и полный остаток Таким образом, на первом сите ; на втором сите ; на n -м сите.
ППСМ Характеристика крупности материалов Диа- метр отвер стия сита D, мм Остаток на сите Част- ный Пол- ный q i,% 2,5 1,25 0,63 0,315 0, Характеристика крупности материала: 1- гистограмма; 2- кривая распределения; 3- кумулятивная кривая Годаном-Андреевым предложена аппроксимация кумулятивной кривой:
ППСМ 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 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.
7. ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ
ППСМ66 7. ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ Формование Для большинства строительных материалов прослеживается зависимость:, в частности,, причем
ППСМ67 7. ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ Основными способами формования являются: - вибрирование; - центрифугирование; - прессование; - пластическое формование; - вытягивание; - прокат; - литье.
ППСМ Виброформование Основные схемы виброплощадок: а - с круговыми гармоническими колебаниями; б - с продольными линейными колебаниями; в - с поперечными колебаниями; г - с ударно-вибрационными колебаниями
ППСМ69 Элементы расчета виброплошадок В основу конструкции виброплощадки заложен дебалансный вал, создающий при вращении центробежную силу Для вибрирующих частей массой m д сила инерции по горизонтальной оси соответственно
ППСМ70 Элементы расчета виброплошадок Уравнение движения при гармонических колебаниях : где - δ начальная фаза колебаний При этом результирующее ускорение
ППСМ71 Элементы расчета виброплошадок Сила, действующая на вибрируемую массу Возбуждающая центробежная сила где F пр - сила сжатия пружин, причем Fпр=с·A (с- жесткость пружин). Ввиду малости параметра A величина F пр невелика, следовательно F цбF вибр, или, откуда расчетное значение амплитуды колебаний виброплощадки
ППСМ72 Элементы расчета виброплошадок Круговая частота собственных колебаний системы При этом при ω= ω с ;А, наступает резонанс.
ППСМ Процесс центробежного формования Схема к расчету частоты вращения центрифуги Схемы центрифуг: а - роликовая; б - ременная; в – осевая
ППСМ Процесс прессования Изменение геометрии массы в процессе прессования Схема прессования
ППСМ Процесс прессования Изменение осадки Кривая осадки сырца
ППСМ Процесс прессования Кривая изменения высоты сырца
ППСМ Процесс прессования Расчетная схема процесса прессования
ППСМ Процесс прессования Кривая изменения давления по высоте сырца
ППСМ Экструзия (пластическое формование) В зоне шнека осевая скорость частицы равна, где t - шаг лопастей шнека. Окружная скорость, следовательно, суммарная скорость движения частицы будет Схема шнекового пресса
ППСМ Шликерное литье Шликер Схема наливного способа Схема сливного способа Схема набора черепка
ППСМ 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 Вертикальное вытягивание стекла (ВВС) Схема формирования листового листа. Принципиальная схема машины ВВС.
ППСМ Формование стекла прокатыванием Схема проката стекла: 1 - приемный лоток; 2 - прокатные валы; 3 - приемная плита; 4 - рольный стол
ППСМ Формование полированного стекла (флоат-процесс). Способ обеспечивает высокое качество продукции при наивысшей производительности Q = 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
8. ПРОЦЕССЫ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ И СЕПАРАЦИЯ (РАЗДЕЛЕНИЕ) ДВУХФАЗНЫХ СРЕД
ППСМ86 Классификация пылеуловителей Осаждение под действием сил тяжести Пылеосадительные камеры Осаждение под действием инерционных сил Инерционные пылеуловители Циклоны Механические вращающиеся сухие пылеуловители
ППСМ87 Классификация пылеуловителей Рукавные фильтры Керамические фильтры Зернистые фильтры Масляные фильтры Фильтрование Мокрая очистка путём промывки Скрубберы Механические вращающиеся мокрые пылеуловители Струйные скрубберы Вентури Пенные пылеуловители Осаждение под действием электростатических сил Электрофильтры
ППСМ Пылеосадительные камеры.Схема пылеосадительной камеры1- входной канал;2- выходной канал;3- полки; 4- отражательная стенка
ППСМ Фильтрование газовых систем Схема рукавного фильтра Достоинства Недостатки
ППСМ Зернистые фильтры Преимущества зернистых фильтров: 1) высокая (близкая к 100%) степень осаждения тонкодисперсной пыли; 2) простота конструкции и обслуживания.
ППСМ Электрофильтры Схема электрофильтра 1- проволока ;2- осадительный электрод (стержень) ;3- проходной электрод;4- заземление
ППСМ Мокрая очистка газов Струйный скруббер Вентури.
ППСМ Мокрая очистка газов Схема скруббера
ППСМ Мокрая очистка газов Пенный пылеуловитель.
ППСМ Гравитационная сепарация Схема отстойника непрерывного действия Схема осаждения в жидкости
ППСМ Сепарация под действием инерционных и центробежных сил Схема жалюзийного осадителя.
ППСМ Сепарация под действием инерционных и центробежных сил Циклон: 1- корпус; 2- днище коническое; 3- выхлопная труба; 4- патрубок выходной; 5- затвор шлюзовой
ППСМ Сепарация под действием инерционных и центробежных сил Схема разделения под действием инерционных сил
9. СМЕШИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
ППСМ 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 Критерии оценки качества смешивания Наибольшее распространение для оценки качества смешивания получил коэффициент неоднородности (вариации), %: 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:
ППСМ Критерии оценки качества смешивания Действием по Гамильтону называется величина Зависимость критериев качества от времени смешения Изменение степени сепарации при наличии динамической составляющей
ППСМ Свойства материалов, влияющие на процесс смешивания 1. Гранулометрический состав 2. Насыпная масса 3. Угол естественного откоса 4. Сыпучесть 5. Угол внутреннего трения Угол естественного откоса Установка для определения угла внутреннего трения
ППСМ Способы смешивания и классификация оборудования по технологическому назначению по характеру работы по способу смешения по конструкции рабочих органов по способу перебазирования
ППСМ Способы смешивания и классификация оборудования Схемы смесителей