КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СЕПАРИРОВАНИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

В различных отраслях промышленного производства при разделении многокомпонентного материала на составляющие фракции или отдельные компоненты возникает  проблема объективной оценки эффективности процесса сепарации. Такая оценка требуется при подготовке бурового раствора  при повторном закачивании в скважину, разделении газожидкостной смеси скважинной продукции [1], обогащении полезных ископаемых в горнорудной промышленности [2], сепарировании порошков в фармацевтической промышленности и порошковой металлургии, сепарировании зерна и продуктов его переработки [3, 4]. Чаще всего исходный материал, подлежащий сепарации, имеет в своем составе несколько компонентов, которые в процессе сепарации очень трудно получить в чистом виде.

С технологической точки зрения выгодно разделить исходный продукт на несколько фракций с максимальным количеством готового продукта [5, 6]. Это позволяет вывести часть потока из технологического процесса [7] и осуществлять процесс сепарации оставшихся сложных фракции с меньшей производительностью и на  рабочих органах, реализующих другие признаки сепарации [8]. Такой технологический прием называется фракционированием,  а технологии, реализующие его,  фракционными технологиями [9]. Оценить комплексную эффективность  всех взаимосвязанных этапов при реализации фракционной технологии еще сложнее,  чем отдельную технологическую операцию.

Рассмотрим возможную теоретическую делимость двухкомпонентной смеси на основе графического распределения одного из признаков разделения (длина, ширина, толщина, скорость витания и т. д.). Кривая 1 (рис.)  описывает плотность вероятности распределения примеси, кривая 2 – компонентов основного продукта.

Рисунок. Исходная схема для определения критерия теоретической делимости двухкомпонентной смеси по признаку сепарации х (1 – вариационная кривая распределения примеси; 2 – вариационная кривая распределения компонентов основного продукта); Р – плотность вероятности распределения

Диапазон признака разделения х, ограниченный прямыми  а-а и в-в, с протяженностью Δ^′ характеризуется тем, что в этой зоне находятся компоненты основного продукта и компоненты примеси.  Весь объем полноценного продукта в чистом виде по данному признаку разделения получить невозможно. Полноценный продукт в чистом виде можно получить только справа от прямой в-в. Слева от прямой а-а можно получить примеси без содержания в них полноценного  продукта. При перекрытии вариационных кривых разделения в диапазоне Δ^′ будет получена смесь полноценного продукта и примеси, которую в дальнейшем следует подвергнуть сепарации по другим признакам разделения.

Теоретическая эффективность (критерий делимости) для двухкомпонентной смеси определяется по формуле [10]:

                                                (1)

где S – суммарный выход обоих компонентов в промежуточную фракцию, соответствующую  перекрестно заштрихованной зоне на   графике (рис.), %.

При перекрытии вариационных кривых признаков разделения полного разделения достичь невозможно. В этом случае для сепарации дополнительно используют другие признаки разделения (ширину, толщину, длину, аэродинамические свойства, флотационные свойства, форму компонентов, их шероховатость и др.). При экспериментальной оценке качества сепарации следует учитывать жесткость несущей конструкции [11], упругие свойства основания [12, 13, 14], вибрацию сепарирующей поверхности [15]. При конструировании необходимо расчетным путем оптимизировать несущую конструкцию сепараторов [16, 17, 18, 19, 20, 21] для снижения вредной вибрации машины. Вариационные кривые разделения для двух признаков позволят сформировать вариационные таблицы. Для трех компонентов – пространственные  вариационные решетки. В каждом случае можно графически определить теоретическую делимость смеси, которая будет являться предельной при практической реализации процесса сепарирования.

При разделении исходного материала на разнокачественные фракции (фракционировании) и последующей обработки полученных фракций на отдельных технологических линиях также возникает необходимость оценки технологической эффективности процесса сепарирования на этапе фракционирования [22]. Наиболее объективную оценку технологической эффективности сепарации при фракционировании n- компонентной смеси  на n  фракции можно получить по формуле [23]:

                                                    (2)

где W_i - выход i – фракции в долях единицы;

φ_ii – содержание i – го компонента в  i – той фракции (фактическая чистота фракции в долях от единицы);

a_i– содержание i – го компонента в  исходном материале в долях единицы;

a_ii– содержание i – го компонента в  i – той фракции при предельном разделении (предельная чистота фракции в долях от единицы).

Приведенные зависимости (1) – (2) позволяют определить теоретическую (предельную) эффективность сепарации. В реальном производственном процессе эффективность сепарации может только стремиться к данным показателям. В связи с этим при разработке стандартов, нормативных документов, методик оценки сепарации требования к качеству выполнения технологического процесса сепарирующими машинами должны  учитывать максимально возможную (теоретическую) эффективность  сепарации.

Методики проведения заводских, сравнительных испытаний при разработке и постановке сепарирующих машин на производство целесообразнее всего разрабатывать, сравнивая  эффективность работы сепараторов с предельной (теоретической) эффективностью и с эффективностью работы на  характерном для условий эксплуатации исходном материале. Для этого необходимо иметь объективные статистические характеристики исходного сепарируемого материала.

1. Пивень В.В., Щелконогов В.С. Анализ конструкций и тенденции развития газовых сепараторов. В сборнике: Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири Материалы международной академической конференции. Отв. ред. С.И. Грачёв. Тюмень, 2018. С. 132-135.
2. Пивень В.В., Уманская О.Л. Определение граничных условий работы вибрационных грохотов. Вестник машиностроения. 2017. № 9. С. 25-27.
3. Пивень В.В., Уманская О.Л. Основные направления совершенствования технологии и техники для послеуборочной обработки зерна. Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. № 8. С. 205.
4. Косилов Н.И., Пивень В.В. Технологические возможности модернизации и создания перспективных поточных линий для послеуборочной обработки зерна. Вестник Челябинского агроинженерного университета. 2000. Т. 31. С. 28.
5. Piven V.V. Determination of the extent of fraction in air separation of grain material. В сборнике: Journal of Physics: Conference Series 9. Сер. “IX International Scientific Practical Conference “Innovative Technologies in Engineering”" 2018. С. 012001.
6. Piven V. The theoretical justification for the fractionation of bulk materials during separation. В сборнике: MATEC Web of Conferences Сер. “International Science Conference SPbWOSCE-2016 “SMART City”" 2017. С. 03005.
7. Пивень В.В. Совершенствование технологического процесса очистки зерна фракционированием зернового вороха по аэродинамическим свойствам. Автореферат дис. … доктора технических наук / Челяб. гос. агроинж. ун-т. Челябинск, 1995.
8. Пивень В.В., Уманская О.Л. Классификация вибрационных сепарирующих машин. Современные научные исследования и инновации. 2013. № 3 (23). С. 4.
9. Пивень В.В., Уманская О.Л. Основные тенденции совершенствования фракционных технологий очистки зерна. Проблемы современной науки и образования. 2013. № 1 (15). С. 39-42.
10. Ульрих Н.Н. Задачи и механические свойства очистки и сортирования зерна. М. – Л.: Сельхозгиз, 1931. 17 с.
11. Пивень В.В., Битюков Г.Е. Обоснование математической модели напряженно-деформированного состояния стержневой конструкции. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2015. № 3. С. 107-111.
12. Пивень В.В., Уманская О.Л. Определение динамических параметров несущих конструкций вибрационных машин, установленных на упругом основании.
13. Вестник машиностроения. 2007. № 5. С. 14.
14. Пивень В.В., Уманская О.Л., Голосеев Б.А. Уравнения движения несущих элементов вибрационных машин с учетом упругих свойств основания.
15. Вестник Курганского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2005. № 4. С. 91-92.
16. Пивень В.В., Уманская О.Л. Определение упругих характеристик несущих конструкций вибрационных машин и их оснований. Омский научный вестник. 2006. № 8-1. С. 80.
17. Пивень В.В., Уманская О.Л. Влияние вибрации сепарирующей поверхности на эффективность ситового сепарирования. Вестник Оренбургского государственного университета. 2006. № 12. С. 495.
18. Пивень В.В., Уманская О.Л. Оптимизация несущих конструкции вибрационных сепараторов. Тюмень, 2017.
19. Piven V.V., Umanskaya O.L. Determination of dynamic characteristics of the frame bearing structures of the vibrating separating machines. В сборнике: Innovative Technologies in Engineering VII International Scientific Practical Conference. Conference Proceedings. National Research Tomsk Polytechnic University. 2016. С. 12125.
20. Piven V., Umanskaya O. The methodology of the vibrational separating machines bearing structure rigidity optimization and the actuating mechanism parts dynamic forces determination. В сборнике: MATEC Web of Conferences 5. Сер. “5th International Scientific Conference “Integration, Partnership and Innovation in Construction Science and Education”, IPICSE 2016″ 2016. С. 04051.
21. Пивень В.В., Уманская О.Л. Оптимизация несущей конструкции вибрационной машины. Современные наукоемкие технологии. 2016. № 3-1. С. 70-73.
22. Пивень В.В., Уманская О.Л. Проблемы снижения вредной вибрации в вибрационных сепарирующих машинах. Современные научные исследования и инновации. 2014. № 3 (35). С. 13.
23. Пивень В.В., Уманская О.Л. Определение целевой функции при математическом моделировании жесткости рамных конструкций вибрационных сепарирующих машин. Современные проблемы науки и образования. 2013. № 1. С. 191.
24. Пивень В.В., Уманская О.Л. Анализ методов оценки эффективности сепарирования. Современные научные исследования и инновации. 2013. № 2 (22). С. 6.
25. Машины для послеуборочной поточной обработки семян. Теория и расчет машин, технология и автоматизация процессов / Под. ред. З.Л. Тица. М.: Машиностроение, 1967. 447 с.

Все статьи автора «Щелконогов Вячеслав Сергеевич»