Особенности псевдоожижения цемента в зоне действия мультисоплового аэрационного устройства

Псевдоожижение наступает в определенном диапазоне скоростей протекания воздуха через слой, а именно, от некоторой минимальной скорости до скорости витания наиболее крупных частиц материала, при которой возникает их унос.

В неподвижном слое цемента свободный объем и свободное сечение (просвет) между частицами достаточно малы, ε =0,4. Поэтому и скорость течения воздуха в поровых каналах, т.е. между частицами значительно больше скорости фильтрации, т.е. средней скорости, отнесенной ко всему сечению слоя. Если средняя скорость повышается, то скорость течения воздуха между частицами возрастает настолько, что под действием потока воздуха (и прежде всего сил трения, вызываемых вязкостью воздуха) частицы срываются и всплывают в потоке воздуха. Частицы стремятся покинуть слой, однако при их движении увеличивается свободный объем в слое и свободное сечение для прохождения воздуха [57, 77, 107]. Это приводит к снижению скорости восходящего потока и стабилизации толщины слоя псевдоожиженного материала.

Считается, что слои мелкозернистого (сыпучего) материала являются псевдоожиженными лишь постольку, поскольку имеется четко определенная верхняя граница или поверхность слоя. Однако, когда при достаточно высокой скорости потока воздуха повышается скорость движения частиц, верхняя граница слоя исчезает, унос становится заметным и частицы выносятся из слоя с потоком сжатого воздуха. В этом случае мы имеем

псевдоожиженный слой в разбавленной фазе с пневмотранспортом частиц [19, 21-24, 42, 67, 119].

Рассмотрим нижнюю часть камеры пневмокамерного насоса, где находится основной элемент псевдоожижения - мультисопловое аэрационное устройство (рисунок 2.4). Под действием воздуха, выходящего из сопел аэрационного устройства, создается псевдоожиженный слой. Псевдоожиженный слой цемента отличается от насыпного слоя тем, что в результате увеличения его объема частицы отделяются друг от друга под действием протекающего газа (сжатого воздуха), вследствие чего внутреннее трение в слое снижается настолько, что цемент приобретает свойства текучести.

Рассмотрим слой цемента, который находится в пневмокамерном насосе выше псевдоожиженного слоя в конце разгрузки камеры насоса. Этот слой подвержен действию сил тяжести, напорных сил, вызванных фильтрацией воздуха.

Рисунок 2.4. Силы, действующие на неподвижный слой цемента: р_М - вес слоя, р_Н - напорная сила, l- толщина слоя цемента, D- диаметр камеры насоса

На слой цемента действует сила тяжести р_М, а также напорная сила р_Н

54

где F_κ- площадь сечения камеры,перепад

давления, Па.

Вес слоя складывается из веса частиц цемента и веса воздуха, содержащегося между частицами. В единице объема слоя свободный объем, занимаемый газом, равен пористости ε. Тогда объем, занимаемый частицами, равен 1 -ε [106, 107].

Вес частиц цемента равен

а вес газа (сжатого воздуха) в слое

где р_М,р- плотность цемента и воздуха соответственно, кг/м³; g- ускорение свободного падения,- толщина слоя цемента, м.

Общий вес слоя определяется по формуле [107]

Перепад давлений, вызванный трением газа при прохождении его через слой цемента, определяется выражением

где С - коэффициент сопротивления, зависящий от режима течения воздуха в поровых каналах, то есть от числа Рейнольдса Re; U_φ- скорость фильтрации воздуха, т.е.

Число Рейнольдса определяется по формуле [58]

где η- динамическая вязкость воздуха, Па-с.

При ламинарном режиме течения воздуха через слой цемента коэффициент сопротивления равен

Тогда для перепада давления получим выражение

При расчете перепада давления исходили из того, что частицы материала имеют одинаковый размер и сферическую форму. Для реального материала- цемента, состоящего из частиц различных размеров и форм, в формуле (2.53) вместо dследует подставить d_Э. В этом случае ^dЭ рассчитывается по формуле [82]

Для поддержания цемента в псевдоожиженном состоянии вес находящегося сверху слоя материала должен уравновешиваться напорной силой

Подставив выражения (2.49) и (2.53) в формулу (2.55), получим выражение скорости, необходимой для поддержания цемента в псевдоожиженном состоянии

Приведенный выше расчет соответствует традиционной схеме псевдоожижения слоя сыпучего материала восходящим потоком воздуха.

И хотя условия псевдоожижения в камере насоса иные, формула (2.56) позволяет приближенно оценить расход сжатого воздуха, необходимого для работы аэрационного устройства.

Для пневмотранспортирования цемента необходимо его предварительное псевдоожижение. Только в псевдоожиженном состоянии цемент может нагнетаться сжатым воздухом в разгрузочную трубу насоса и примыкающий к нему цементопровод.

При разработке конструкции этого устройства должны учитываться закономерности процесса псевдоожижения сыпучих материалов, а также специфические свойства цемента.

В отличие от обычной схемы псевдоожижения, когда слой сыпучего материала, находящийся на перфорированной или пористой перегородке, продувается восходящим потоком воздуха, аэрирование цемента в камере насоса имеет локальный характер, так как происходит лишь вблизи входа в разгрузочную трубу. Такое внутреннее псевдоожижение в массиве сыпучего материала наступает, если скорость движения воздуха в поровых каналах U_πстановится больше скорости истечения U_wчастиц материала в естественных условиях [15, 44, 94]

Скорость витания частиц в стесненных условиях пористой среды определяется через число Рейнольдса

которое может быть найдено с помощью зависимости [13]

где Аг - число Архимеда

Скорость течения воздуха в поровых каналах слоя цемента, находящегося в камере насоса определяется соотношениями (2.22) и (2.23). Из формулы (2.22) следует также соотношение для толщины слоя цемента l , в котором при заданном перепаде давления ΔPчастицы со скоростью витания U_wбудут находиться в состоянии псевдоожижения

где

Из соотношений (2.61) и (2.62) следует, что мельчайшие частицы цементав результате предварительного нагнетания воздуха в

верхнюю свободную зону камерыпереводятся в

псевдоожиженное состояние во внутрипоровом пространстве всей загрузки .

фильтрационного и аэрационного псевдоожижения смыкаются, вся находящаяся в нижней части камеры цементно-воздушная смесь выдавливается через разгрузочную трубу в цементопровод, и разгрузка камеры насоса заканчивается.

Фильтрационный способ ожижения сыпучего материала в камерах насосов реализуется при подаче сжатого воздуха через пористое днище камеры. Такой способ аэрирования оказывается вполне эффективным для сравнительно небольших камер и зернистых материалов с невысокой плотностью [73].

Однако, опыт эксплуатации и специальные исследования показывают, что фильтрационный способ ожижения для цемента малопригоден в силу его

специфических особенностей: высокой дисперсности, слипаемости, склонности к агломерации. Под воздействием сжатого воздуха цемент уплотняется, в результате чего при разгрузке в его толще возникают трещины, сквозные каналы, полости. Эти явления нарушают процесс псевдоожижения и приводят к непроизводительным затратам сжатого воздуха.

Конструкция аэрационного устройства, его расположение в камере насоса и способ распределения сжатого воздуха должны обеспечивать:

- максимальную толщину псевдоожиженного слоя материала;

- предотвращение сводо - и каналообразования;

- равномерное поступление материала в зону разжижения;

- плавное подтекание цементно-воздушной смеси ко входу в разгрузочную трубу;

- минимальное гидравлическое сопротивление аэрационного устройства;

- минимальный остаток цемента в камере насоса после ее разгрузки.

Всем этим требованиям удовлетворяет разработанный пневмокамерный насос [91], оснащенный оригинальным мультисопловым аэрационным устройством, состоящим из четырех концентрических кольцевых труб с аэроэлементами в виде специальным образом пространственно­ориентированных сопел (рисунок 1.11, 1.12).

Сжатый воздух подается в камеру насоса через аэрационное устройство, центральное сопло и патрубок для предварительного набора давления в верхней свободной от цемента части камеры. В ходе разгрузки

59 весь поступающий в камеру воздух в виде составляющей цементно­воздушной смеси, уходит через разгрузочную трубу в цементопровод. Пренебрегая различием плотности воздуха в различных частях камеры, уравнение сохранения массы воздуха можно представить в виде

где n- число сопел в аэрационном устройстве; D₀- диаметр сопел аэрационного устройства, м; DC- диаметр центрального сопла, м; U₀- скорость истечения воздуха из сопел аэрационного устройства и центрального сопла, м/с; ^d_π- диаметр патрубка подвода сжатого воздуха в верхнюю часть камеры, м; ^u_π- скорость истечения сжатого воздуха патрубка подвода воздуха, м/с; D- диаметр разгрузочной трубы, м; U_АС - скорость аэросмеси на входе в разгрузочную трубу, м/с.

Будем считать, что

где коэффициент к равен отношению D_c/ D₀. Тогда из соотношения (2.63) получим

Применительно к условиям насоса ТА-29 D = 0,18 м; U₀ = 80 м/с; U_ВХ=

4,5 м/с - рекомендуемые значения скорости аэросмеси на входе в разгрузочную трубу [1]. В начале разгрузки поступление воздуха в верхнюю часть камеры мало из-за большого гидравлического сопротивления загрузки цемента, поэтомПренебрегая фильтрацией воздуха через слой

загрузки, получим

В предлагаемой конструкции экспериментального аэрационного устройства n = 44. Полагая, что к= 3, найдем диаметр его сопел: D₀ = 7-8 мм. Соответственно диаметры центрального сопла и приточного патрубка равны 20-24 мм.

В конце разгрузки, когда весь цемент (кроме незначительного остатка на днище насоса) переходит в псевдоожиженное состояние, скорость истечения воздуха из приточного патрубка сравнивается с U₀

В этом случае скорость входа аэросмеси в разгрузочную трубу возрастает и достигает значения, определяемого соотношением

Для приведенных выше данных

D = 0,18 м) получим ^u_вх= 6 м/с, что укладывается в рекомендуемый для пневмокамерных насосов интервал 4-8 м/с [94]. При этом расход сжатого воздуха в зависимости от его давления в камере насоса (3-6 атм.) изменяется от 0,56 до 1,12 нм³/с.