Анализ влияния физико-механических свойств цемента на процесс псевдоожижения

Для успешной организации разгрузки камеры пневмокамерного насоса и дальнейшего транспортирования в силоса цемент должен находиться в виде газодисперсной смеси частиц и воздуха, то есть псевдоожиженном состоянии.

Свойства таких смесей определяются не только свойствами самих частиц и находящегося между ними воздуха, но и соотношением их содержания. Соотношение обеих составляющих частей цементной аэросмеси характеризуется несколькими количественными показателями, важнейшим из которых является пористость или газосодержание ε. Пористость - это относительная доля объема смеси, заполняемого воздухом [85, 94].

Ри

где V_b , V₄, V_cm- объемы, занимаемые воздухом, частицами и смесью

3

соответственно, м ; m - масса частиц, кг; р_М - плотность материала (р= 3000 - 3200кг / м') ; р_Н - насыпная плотность (объемная масса) цемента. Для цемента, выходящего из мельницы и загружаемого в камеру пневмокамерного насоса, насыпная плотность составляет р_Н=1200-1300 кг/м³.

Под действием сжатого воздуха цемент уплотняется и его насыпная плотность может повышаться до 1800 кг/м³. Таким образом, пористость (газосодержание) цемента в насыпном неподвижном состоянии ε₀находится

в пределах от 0,4 до 0,66. Во взвешенном аэрозольном состоянии пористость цементной аэросмеси возрастает до 0,99.

С пористостью цемента в насыпном или псевдоожиженном состояниях связана объемная концентрация его частиц β, она определяется выражением

В промежуточном псевдоожиженном состоянии содержание твердой фазы характеризуется также истиной концентрацией частиц

Цемент состоит из частиц различных размеров (от десятых долей до сотен мкм) и самой разнообразной формы (рисунок 2.1) [106].

Рисунок 2.1. Микрофотография частиц цемента. Увеличение в 300 раз

Размеры цементных частиц определяются их эквивалентными диаметрами по объему

или по поверхности

где V₄, S₄- объем и площадь поверхности частицы соответственно.

В настоящее время для исследования дисперсных свойств цемента широко используются лазерные гранулометры, которые определяют эквивалентные по объему размеры частиц.

Степень отличия формы реальной частицы от сферической характеризуется коэффициентом формы

где S - площадь поверхности сферической частицы с объемом, равным объему реальной частицы.

Из формул (2.4-2.6) следует, что

Для определения коэффициентов формы реальные частицы аппроксимируют геометрическими телами - эллипсоидами, многогранниками и их комбинациями. Так были найдены коэффициенты формы округлых частиц f = 1,16 и остроконечных f = 1,5.

Микроскопический анализ цемента показывает примерно одинаковое относительное содержание округлых и остроконечных частиц, поэтому дальше для коэффициента формы цементных частиц примем его среднее значение

При использовании для моделирования свойств цемента формул, полученных для сферических частиц размером d, в этих формулах вместо d следует подставить

Распределение частиц цемента по размерам описывается законом Розина-Раммлера [78]

42

где f (d) - дифференциальная функция распределения, R(d) - интегральная функция распределения по остатку, d' - характеристический размер, равный размеру ячеек сита с остатком 36,8%, n - коэффициент равномерности.

Дисперсные характеристики различных марок портландцемента приведены в таблицу 2.1 [78].

Таблица 2.1.

Дисперсные характеристики портландцемента

С помощью дифференциальной функции распределения (2.9) можно найти средние размеры частиц по объему

и по поверхности

учитывающие влияние коэффициента равномерности на величину среднего размера частиц. Они определяются из выражений

2.2.

Из рисунка 2.2 следует, что среднеобъемный размер частиц приближенно равен d', а среднеповерхностный - 0,6d'. Отличие формы реальных цементных частиц от сферических учитывается путем замены dна

Важной дисперсной и технологической характеристикой цемента является его удельная поверхность, т.е. суммарная площадь поверхностей всех частиц, находящихся в единице массы цемента (в 1 г. или 1 кг.) или в

44 единице его объема. Удельная поверхность, отнесенная к единице массы, вычисляется по формуле

Удельная поверхность цемента, отнесенная к единице объема, называется поверхностью слоя (насыпи) цемента и вычисляется по формуле

Дальше в качестве примера будем рассматривать цемент со

При разгрузке камеры пневмокамерного насоса одновременно с аэрацией (псевдоожижением) цемента в нижней ее части происходит направленная вниз фильтрация сжатого воздуха, находящегося в верхней свободной части камеры через толщу загрузки ко входу в разгрузочную трубу.

где l - толщина слоя материала, м; λ- коэффициент сопротивления слоя материала; U_П - скорость течения воздуха в поровых каналах, м/с.

Коэффициент сопротивления слоя материала определяется по формуле

где Re - число Рейнольдса для частиц цемента

где• диаметр частиц материала,• коэффициент

кинематической вязкости воздуха (для рабочих условий камеры насоса Р,

Входящий в формулу (2.18) коэффициент извилистости поровых каналов определяется соотношением [82]

Подставив эти данные в формулу (2.17), получим уравнение, связывающее перепад давления ΔPи толщину слоя цемента lсо скоростью движения воздуха в поровых каналах слоя

Уравнение (2.22) может быть решено численными методами. Приближенно значение U∏можно оценить с помощью формулы (рисунок 2.3)

При разгрузке камеры насоса давление воздуха в нижней ее части определяется сопротивлением цементопровода и для типичных условий составляет примерно 3 атм.

Рисунок 2.3. Зависимость скорости течения воздуха в поровых каналах слоя цемента

от его толщины и перепада давления

Анализ графика (рисунок 2.3.) показал, что при снижении толщины загрузки lс 0,5м до 0м (для лабораторной установки) и с 2м до 0м (для промышленного образца) скорость в поровых каналах U_П увеличивается при давлении АР= 0,8 атм. с 0,002 м/с до 0,02 м/с (в 10 раз), при давлении АР= 1,5 атм. с 0,01 м/с до 0,04 м/с (в 4 раза) и при АР= 3 атм. с 0,01 м/с до 0,1 м/с и при АР= 6 атм. с 0,02 м/с до 0,23 м/с (в 10 раз). При увеличении давления в 2 раза скорость в поровых каналах для всех диапазонов толщины слоя загрузки в среднем увеличивается в 2 раза, что не противоречит общей теории пневмотранспортирования сыпучего материала.

Объемный расход воздуха, проходящего через слой цемента, определяется соотношением [94]

где F_κ- площадь поперечного сечения камеры насоса, м²; U_φ- скорость фильтрации воздуха через слой цемента, U_φ= ε₀U_П, м/с.

При аэрации цемента вблизи стенок камеры нередко образуются застойные зоны, в которых сыпучесть цемента определяется соотношением гравитационных и адгезионных сил. В застойных зонах форма камеры насоса должна соответствовать динамическому углу естественного откоса:

а =0,7 ∙a₀, (2.25)

где α₀= 42 - 47° - угол естественного откоса цемента в состоянии покоя.

2.2