Тонкий помол является неотъемлемой частью различных технологических процессов в широком диапазоне промышленных производств. Использование тонкого и сверхтонкого помола позволяет в значительной степени изменить и повысить качество различных добавок, присадок, красящих пигментов, огнеупоров, строительных и абразивных материалов, покрытий, лекарств, топлива, продуктов шоколадного и хлебопекарного производства, детского питания и др. [1, 2, 3]. Между тем, тонкий и сверхтонкий помол является наиболее энергоемким процессом промышленного производства. В большинстве случаев высокие энергозатраты на тонкое и сверхтонкое измельчение продуктов вызваны тем, что выбор мельниц и оптимальных режимов их работы до сих пор производится эмпирически и теория носит качественный характер. Сложность при подборе помольных агрегатов объясняется отсутствием общепринятой классификации, определяющей место измельчителей в различных областях диспергирования с учетом физико-механических свойств обрабатываемого продукта и комплекса технико-экономических показателей. Несмотря на значительные расхождения существующих классификаций, можно наметить общие принципы систематизации и выявить несколько вполне определенных классов мельниц и направлений их развития.
Целью исследования является анализ принципа систематизации мельниц для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов различного целевого назначения и обоснование наиболее объективного признака для формирования классификации, позволяющей установить с ее использованием виды и интенсивность воздействий, а также области применения мельниц и тип обрабатываемого в них продукта.
Материалы и методы исследования
Исследованы классификации мельниц и обоснован наиболее объективный признак ее формирования – способ создания измельчающего усилия.
Результаты исследования и их обсуждение
К самому распространенному классу измельчителей относятся мельницы, в которых материал разрушается воздействием на него мелющих тел или кусков того же материала. К таким устройствам относятся: вращающиеся, вибрационные, молотковые, струйные, шаровые, электромагнитные и другие мельницы. В этих мельницах разрушение осуществляется созданием в частицах предельных напряжений путем сдавливания, удара, истирания и раскола, причем главному способу измельчения всегда сопутствуют другие, второстепенные. Измельчители отличаются друг от друга скоростями нарастания напряжений, обусловленными соответствующими скоростями приложения нагрузок. Различия в процессах разрушения следует искать прежде всего в способе передачи энергии или в механизме воздействия рабочего органа на диспергируемый материал. В зависимости от способа измельчения к рабочим телам могут относиться мелющие тела (шары, цилиндры) различных размеров или измельчающие элементы (валки, лопасти, вращающиеся била, роторы, дезинтеграторные элементы). Способ создания диспергирующего усилия определяет механизм, стадии и степень преобразования подводимой к измельчителю-механоактиватору внешней энергии в энергию разрушения материалов, позволяет установить виды и интенсивность механических воздействий, а также области применения мельниц и тип обрабатываемого в них продукта. Этот признак использован при создании классификации механоактиваторов для тонкого диспергирования, оценке технико-экономических показателей, выявлении тенденций развития и направлений интенсификации. От этого признака зависит механизм воздействия рабочих органов на обрабатываемый продукт, что в свою очередь определяет принцип действия мельниц, их конструкцию и способ измельчения материалов [4].
По способу создания измельчающего усилия мельницы подразделены на три группы: с механическим, струйным и электромагнитным подводом энергии. Схема классификации представлена на рис. 1 [5].
В первом случае энергия двигателя подводится или непосредственно к рабочим органам (молотковые, валковые, ударно-центробежные, дезинтеграторы) или к корпусу мельницы, от которого она передается свободным мелющим телам или кускам материала посредством трения, центробежного эффекта и с использованием сил тяжести (вращающиеся шаровые, стержневые, мельницы самоизмельчения, отражательные), инерционных сил (вибрационные и планетарные). Мельницы этой группы нашли широкое применение практически во всех отраслях народного хозяйства и являются классическим вислом измельчающего оборудования в пищевой промышленности. Отличительной их особенностью является высокая энерго- и металлоемкость, небольшая производительность, сложность конструкции.
Традиционные механические способы организации измельчающего усилия практически исключают возможность тонкого управления силовыми нагрузками по частицам обрабатываемого материала и затрудняют создание автоматической системы управления селективностью измельченных материалов. Переработанный продукт обладает широким диапазоном дисперсностей, что в некоторых случаях ухудшает его качественные и экономические показатели.
В струйных мельницах процессы разрушения осуществляются при ударе и истирании частиц, разогнанных струей газа, друг о друга либо об отбойную плиту из твердого материала (отражательные). Достоинства струйных мельниц – высокая эффективность измельчения, отсутствие вращающихся деталей, возможность сочетания процесса измельчения с другими одновременно протекающими процессами: сушкой, экстракцией и др. Однако струйное измельчение требует значительных затрат энергии и создания устойчивого аэродинамического режима работы. В пищевой промышленности предложено использовать их при обработке эфиромасличного сырья с одновременным извлечением из него летучих компонентов.
В электромагнитных аппаратах (мельницах) электрическая энергия непосредственно превращается в энергию движения размольных ферромагнитных элементов без передаточного устройства и специального рабочего механизма [6]. Размольные элементы в силу своей магнитотактивности, преобразуют энергию магнитного поля в кинетическую энергию своего движения и в столкновении с частицами обратываемого материала обмениваются с ними энергией, производя и этом механическую работу и измельчая продукт. Электромагнитные мельницы представляют собой новый перспективный тип оборудования, выгодно отличающийся меньшим количеством ступеней преобразования энергии, высокой энергонапряженностью и частотой силовых воздействий по частицам обрабатываемого продукта, что значительно интенсифицирует процесс измельчения и сокращает время обработки [7, 8, 9, 10]. Технологическое назначение электромагнитных механоактиваторов (ЭММА) представлено в табл. 2.
Таблица 1
Классификация мельниц
|
Показатели |
1 группа |
|||
|
Способ формирования диспергирующего усилия |
Механический |
|||
|
Тип мельниц |
С закрепленными рабочими органами |
Со свободными мелющими телами |
||
|
Валковые |
Дисковые, бегуны, катково-тарельчатые, шаро-кольцевые, ролико-кольцевые |
Молотковые дезинтеграторы, дисмембраторы, бильные |
Шаровые, стержневые, вибрационные, планетарные, самоизмельчения, (центробежные |
|
|
Способы измельчения материалов: основной вспомогательный |
Раздавливание Истирание |
Раздавливание, истирание Размалывание |
Прямой удар Скалывание |
Прямой и отраженный удары, истирание Разламывание, скалывание |
|
Стадия диспергирования |
Тонкая |
Тонкая, сверхтонкая |
||
|
Тип материала |
Выбирается по способу измельчения |
|||
|
Сопутствующие процессы |
Пластификация |
__ |
Перемешивание |
|
|
Показатели |
2 группа |
3 группа |
||
|
Способ формирования дисперги-рующего усилия |
Аэродинамический |
Электромагнитный |
||
|
Тип мельниц |
Струйные |
С переменным электромагнитным полем |
||
|
Прямоточные |
Противоточные |
Отражательные |
Вихревые аппараты (ВЭА), электромагнитные мельницы (ЭМИ) |
|
|
Способы измельчения материалов: основной вспомогательный |
Прямой удар Скалывание, истирание |
Отраженный удар Истирание |
Прямой и отраженный удар Истирание, скалывание |
|
|
Стадия диспергирования |
Тонкая, сверхтонкая |
Тонкая и сверхтонкая (совмещенные) |
||
|
Тип материала |
Выбирается по способу измельчения |
|||
|
Сопутствующие процессы |
Сушка, аэрация, перемешивание, экстракция |
Акустическая и электромагнитная обработка, электродиализ, перемешивание |
||
Таблица 2
Технологическое назначение ЭММА
|
Показатели |
Группа 1 (цилиндрические) |
Группа 2 (дисковые) |
Группа 3 (унифицированные) |
|
Стадии диспергирования |
Средняя, тонкая, среднетонкая |
Тонкая, коллоидная, тонкая, сверхтонкая |
Средняя, тонкая, сверхтонкая, средне-тонкая, тонкая-коллоидная |
|
Тип материала |
Средней твердости, мягкие, вязкие, жидкие, сухие порошкообразные |
Высокопрочные, твердые скалывающиеся, твердые хрупкие, сухие порошкообразные |
Частицы дисперсной фазы в дисперсионной среде: твердые скалывающиеся, хрупкие, средней твердости, упругие мягкие |
|
Тип материала |
Средней твердости, мягкие, вязкие, жидкие, сухие порошкообразные |
Высокопрочные, твердые скалывающиеся, твердые хрупкие, сухие порошкообразные |
Частицы дисперсной фазы в дисперсионной среде: твердые скалывающиеся, хрупкие, средней твердости, упругие мягкие |
|
Сопутствующие процессы |
Перемешивание, пластификация, тепловая обработка, возможна аэрация |
Перемешивание |
Обработка продукта в тонком слое, перемешивание, гомогенизация |
|
Области применения |
поточно-механизированные линии на предприятиях перерабатывающей промышленности. Малые предприятия (микропекарни, аптеки и т.д.), специализирующиеся на выпуске небольших партий изделий широкого ассортимента |
Линии производства средней и малой производительности. В сельском хозяйстве рекомендуются для измельчения костей, виноградных косточек, специй и т.д. Перспективны для порошковой металлургии |
Переработка сельскохозяйственного сырья на предприятиях,специализирующихся на выпуске продуктов детского и диетического питания, лекарственных препаратов и косметических средств |
|
Технологические особенности |
Обеспечивают научно-обоснованную технологию указанных типов продуктов |
Обеспечивают научно-обоснованную технологию указанныхтипов продуктов |
Обеспечивают научно-обоснованную технологию указанныхтипов продуктов |
|
Обработка многокомпонентных смесей. Получение продукта со стандартизованным фракционным составом |
Обработка высокопрочных материалов без процесса намола. Получение продукта в оптимальном диапазоне дисперсности |
Разрушение микробных и растительных клеток с извлечением ферментов, белков и т.д.Улучшение сенсорных показателей пищевых продуктов и увеличение стойкости масел |
Заключение
В статье проанализированы принципы систематизации мельниц для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов различного целевого назначения. Обоснован признак, положенный в основу создания классификации – это способ создания измельчающего усилия. Этот признак определяет механизм воздействия рабочих органов на обрабатываемый продукт, принцип действия мельниц, способ измельчения материалов и позволяет установить виды и интенсивность воздействий, а также области применения мельниц и тип обрабатываемого в них продукта.
Получение механоактивированных тонких и сверхтонких порошков с минимальной энергоемкостью открывают новые возможности в области создания новых материалов и технологий, принципиально новых приборов и устройств в различных отраслях промышленности.