Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Procesy mechaniczne i hydromechaniczne
Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Rozdrabnianie jest procesem zmniejszania wymiarów cząstek
materiałów. Proces rozdrabniania, mający na celu zmniejszenie
wymiarów, ale także często zwiększenie sumarycznej powierzchni
produktu w stosunku do surowca.
Proces zachodzi pod wpływem sił zewnętrznych, przy czym materiał
najpierw ulega deformacji, a następnie rozpadowi w trakcie którego
powstają cząstki o wymiarach mniejszych od wyjściowego  stan ten
nazywa się stopniem rozdrobnienia:
d0
n =�
d
gdzie: do, d - wymiary charakterystyczne przed i po procesie
rozdrabniania, m.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Sposoby działania sił przy poszczególnych metodach rozdrabniania:
Zgniatanie polegające na stopniowym wzroście siły ściskającej na ziarno
umieszczone między dwiema płaszczyznami, z których jedna ma
możliwość ruchu w kierunku działania siły,
Rozłupywanie, gdzie mechanizm działania siły jest podobny jak przy
zgniataniu, z tym że płyty dociskowe zaopatrzone są w specjalne
występy inicjujące pęknięcia w bryle materiału,
Rozrywanie, zachodzące pod wpływem sił działających na ziarno,
mających przeciwne zwroty
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Uderzanie, polegające na wykorzystaniu efektu dynamicznego
ruchomego, sztywnego elementu,
Zginanie, gdzie wykorzystuje się momenty gnące sił działających na
bryłę,
Ścieranie, polegające na działaniu sił trących sąsiedniego ziarna lub
przesuwających się płytek na powierzchnię ziarna
Ścinanie, zachodzące pod wpływem sił o przeciwnych zwrotach
powodujących przesunięcie względem siebie sąsiednich przekrojów
rozdrabnianego ziarna.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Przedstawione sposoby rozdrabniania materiałów rzadko występują
odrębnie, zazwyczaj stosowane sposoby rozdrabniania są kombinacją
dwóch lub więcej procesów składowych.
Przy rozdrabnianiu wielostopniowym zachodzi zależność:
gdzie: n1, n2, n3...- stopnie rozdrobnienia poszczególnych procesów rozdrabniania.
W zależności od stopnia rozdrobnienia w procesie rozdrabniania
wyróżnia się: n d[mm]
rozdrabnianie wstępne n = 2�6 >50
rozdrabnianie
rozdrabnianie średnie n = 5 �10 5��50
rozdrabnianie drobne n = 8 �25 1 ��5
śrutowanie
n = 5 �10 0,5 �5
rozdrabnianie bardzo drobne n = 10�50 0,05 ��0,5
rozdrabnianie ultradrobne n = 50 �100 0,05 ��0,005
mielenie
rozdrabnianie koloidalne n >100 <0,005
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
W procesie rozdrabniania praca rozdrabniania zostaje zużyta na
wywołanie deformacji materiału, czyli zmniejszenie objętości oraz na
utworzenie nowej powierzchni, to można zapisać:
Lt = Lv + LA
gdzie: Lv - praca związana ze zmniejszeniem objętości, J; LA - praca związana z
utworzeniem nowej powierzchni, J; Lt - całkowita praca techniczna, J.
Praca deformacji, czyli praca związana ze zmniejszeniem objętości
materiału, wynosi:
Lv = k1 � D�V
gdzie: k1  współczynnik proporcjonalności, J/m3; D�V- zmiana objętości statystycznej
cząstki materiału, m3.
Praca na utworzenie nowej powierzchni wynosi:
Lv = k2 � D�A
gdzie: k2 - współczynnik proporcjonalności, J/m2; D�A - przyrost powierzchni, m2.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
LA =� k2 �� D�A
LA =� k2 �� D�A
LA =� k2 �� D�A
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Przy małym stopniu rozdrobnienia praca związana z tworzeniem nowej
powierzchni może być pominięta jako mała w porównaniu z pracą
związaną z tworzeniem nowej objętości. Wtedy przyjmując, że objętość
jest proporcjonalna do trzeciej potęgi charakterystycznego wymiaru,
można zapisać (równanie Kicka):
Praca rozdrabniania jest proporcjonalna do zmiany objętości
statystycznego ziarna materiału - jest podstawą teorii Kicka.
d0
n =�
Jeśli do równania Kicka podstawić stopień rozdrobnienia d
to otrzymuje się:
Procesy rozdrabniania prowadzone przy wysokich stopniach rozdrobnienia
(mielenie, rozdrabnianie ultradrobne) powodują znaczny przyrost powierzchni. Na
ten przyrost powierzchni zostaje zużyta praktycznie cała włożona praca i wobec
tego praca na zmianę objętości może być w rozważaniach pominięta.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Przyjmując, że powierzchnia jest proporcjonalna do charakterystycznego
wymiaru w drugiej potędze, zapisać można:
0
n =�
Jeśli do równania podstawić stopień rozdrobnienia d to otrzymuje się
d
(równanie Rittingera):
ć� ��
n2 -�1��
��
Lt =� k2do2��
n2 ��
Ł� ł�
Teoria oparta na założeniu, że praca rozdrabniania jest proporcjonalna
do przyrostu powierzchni materiału nosi nazwę teorii Rittingera.
W procesach rozdrabniania średniego nie można pominąć jednak żadnej
z części składowych rozdrabniania. Teoria Bonda zakładając, że pracę
rozdrabniania należy obliczać jako średnią geometryczną z pracy
deformacji i pracy na wytwarzanie nowej powierzchni, uwzględnia
wpływ obu składowych pracy rozdrabniania. Wobec tego można zapisać:
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
ć� ��
n2 -�1��
��
Lt =� k2do2��
Po podstawieniu równań i
n2 ��
Ł� ł�
otrzymuje się :
K3 ��do5/ 2 (�n +�1)�(�n2 +� n +�1)�
Lt =�
n -�1 n5
Uogólnione równanie wyrażające każdą z trzech teorii rozdrabniania ma
postać:
d(�Lt )� d(�d)�
=� -�c��
m dn
gdzie: m - masa rozdrabnianego materiału, kg; n - wykładnik potęgi przy
d (dla teorii Kicka n = 1, Rittingera n = 2 i Bonda n = 1,5); c - stała.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Całkując w granicach: do - wielkość ziarna przed rozdrobnieniem i d -
wielkość ziarna po rozdrobnieniu, przy założeniu wartości n = 1, n = 1,5 i
n = 2 otrzymuje się zależności:
Lt
=� c(�ln do -� ln d)�
wyraża pracę rozdrabniania wg teorii Kicka
m
ć� ��
Lt 1 1
��
=� 2c�� -�
wyraża pracę rozdrabniania wg teorii Bonda
��
m d0,5
do0,5 ��
Ł� ł�
ć� ��
Lt �� 1 1
��
=� c�� -�
wyraża pracę rozdrabniania wg teorii Rittingera
m d d0 ��
Ł� ł�
Wartości stałych C określa się eksperymentalnie.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Maszyny rozdrabniające
Kruszarka szczękowa zgniata bryły materiału między dwoma
szczękami, przy czym jedna szczęka jest ruchoma i wykonuje
ruch wahadłowy na osi. Rozdrabniacz tego typu jest używany
do rozdrabniania wstępnego i średniego;
Kruszarka stożkowe pracują na zasadzie zgniatania materiału
między dwoma stożkami, stożkiem nieruchomym i stożkiem
ruchomym na osi;
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Kruszarki walcowe, zwane też młynami walcowymi, pracują w
sposób ciągły na zasadzie zgniatania oraz rozcierania materiału
między dwoma ruchomymi walcami. Walce bywają niekiedy
uzębione. Młyny i rozdrabniarki walcowe stosuje się do
rozdrabniania średniego, drobnego i bardzo drobnego;
Młyny udarowe pracują na zasadzie uderzania ruchomych
elementów w rozdrabniany materiał podawany do młyna
zasypem
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Młyny kulowe rozdrabniają materiał przez uderzanie i
ścieranie między opadającymi kulami w obracającym się
korpusie. Stosuje się je do drobnego i bardzo drobnego
mielenia materiałów;
Młyny kulowe wibracyjne działają także na zasadzie
rozdrabniania materiału przez ruchome kule, przy czym
następuje uderzanie, zgniatanie i ścieranie. Korpus aparatu
wibruje w płaszczyz
nie pionowej. Te urządzenia są
stosowane do mielenia bardzo drobnego i ultra drobnego;
Młyny tarczowe działają na podobnej zasadzie jak żarna,
ścierając głównie materiał między dwoma obracającymi się
w przeciwnych kierunkach tarczami, pracującymi w
płaszczyz
nie pionowej;
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Krajalnice stanowią osobną grupę urządzeń rozdrabniających, które
rozdrabniając materiał poprzez cięcie, nadają mu dodatkowo
określony kształt. Materiał przesuwa się między nieruchomą
płaszczyzną a elementem roboczym ruchomym zaopatrzonym w
najrozmaitszego kształtu, różnie ułożone systemy noży.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
PRZESIEWANIE, ANALIZA SITOWA
Przesiewanie materiałów sypkich (ze względu na wielkość):
- segregacja,
sortowanie
- kalibrowanie,
- przesiewanie (przy pomocy sit),
- dodatkowo klasyfikacja hydrauliczna i pneumatyczna.
Przesiewanie polega na wprowadzeniu materiału sypkiego na sito,
będące podstawowym elementem roboczym maszyn przesiewających.
Część materiału sypkiego przesypuje się przez otwory sita, natomiast
pozostała część materiału pozostaje na sicie. Warunkiem koniecznym
procesu przesiewania jest ruch cząstek materiału względem sita.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Rodzaje sit:
- z blachy,
- z jedwabiu,
- z drutu,
- tworzyw sztucznych.
Sita blaszane są wykonane z cienkiej blachy stalowej. Otwory w sicie są
wytłaczane, rzadziej wiercone. Sita blaszane znormalizowane wykonywane
są wg polskiej normy PN-67/M-02053. Sita takie oznaczone są numerami
od 80 do 2, przy czym numer sita odpowiada prześwitowi otworu w
milimetrach.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Sita z drutu stanowią przeważnie splot o konfiguracji tkaniny. Jako materiał
stosuje się drut stalowy, miedziany oraz mosiężny. Otwory w sitach tego
rodzaju są kwadratowe, dużo rzadziej okrągłe.
Sita znormalizowane z drutu o prześwitach kwadratowych wykonuje się wg
jednej z dwóch norm:
Normy niemieckiej DIN-1171 i Normy angielskiej wg Tylera
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Sita tkane wykonane są, z jedwabiu i z tworzyw sztucznych. Zasadniczym
problemem w eksploatacji sit wykonanych z jedwabiu bądz
tworzyw
sztucznych jest ścieranie i rozrywanie sit.
Sita charakteryzują się tzw. współczynnikiem powierzchni czynnej. Jest to
stosunek powierzchni czynnej sita do powierzchni całkowitej, czyli
powierzchni przesiewania do powierzchni odsiewania i wynosi do 50 % dla
sit wykonanych z blachy, do 70 % dla sit tkanych z drutu bądz
z tkaniny i
jest stały dla sit znormalizowanych, wynosi dla przykładu 36 % dla sit wg
normy DIN-1171.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Analiza sitowa
Polega na ocenie materiału sypkiego poprzez przesianie przez komplet sit i
zważenie poszczególnych frakcji.
Parametry: ilość każdej frakcji, wielkość ziaren, rozkład wielkości,
równomierność procesu przesiewania, powierzchnia rozwijana przez zbiór
sypkiego materiału.
-�
Rys. 1. Graficzna interpretacja wyników analizy
sitowej
X
R
gdzie: - udział masowy ziaren w przesiewanym
zbiorze większych od danego rozmiaru d (średnicy
-�
ziarna), %; X - udział masowy w zbiorze mniejszych
P
od danego d, %.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Krzywa pozostałości, krzywa , może być określona przy pomocy
równania Rosina, Rammlera i Sperlinga zwane równaniem RRS:
n
X =� e-�b��d
R
gdzie: d - średnica ziaren, m; b, n - stałe charakteryzujące dany zbiór
materiału sypkiego pod względem rozdziału; e - podstawa
logarytmów naturalnych.
Podwójne logarytmowanie równania daje w wyniku równanie linii
prostej:
�� ł�
1
log log ś� =� n ��log d +� log b +� log(�log e)�
ę�
-�
ę� ś�
X
�� R ��
Rys. 2. Wykres analizy sitowej: 1 - procent
masowy frakcji w zależności od numeru sita wg
DIN, 2 - suma materiału zatrzymanego na danym
sicie i wszystkich frakcji zatrzymanych na sitach o
większych otworach
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Prosta RRS przesunięta równolegle do początku
układu współrzędnego dla wartości = 36,8%
masowych, wyznacza na osi rozmiarów ziaren średni
rozmiar ziarna w zbiorze (wartość uśredniona
statystycznie). Skala górna n, stanowi skalę
równomierności (n - liczba równomierności). Im
większa jest liczba równomierności n, tym bardziej
równomierny pod względem rozmiaru jest zbiór
materiału poddanego analizie sitowej.
Zazwyczaj sprawność sita zawarta jest w granicach
0,8 � 0,9.
Właściwa wydajność sita - charakteryzują się ilością
produktu przechodzącego przez jednostkę
powierzchni sita w jednostce czasu.
Rys. 3. Siatka RRS do przedstawiania wyników
analizy sitowej, 1- prosta RRS.
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Rys. 4. Schematy działania niektórych przesiewaczy: a - o ruchu postępowo-zwrotnym sit, b - o ruchu kołowo-
postępowym (mimośród), c - cylindryczne obrotowe, S - surowiec, P - przesyp, R- pozostałość
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie
Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami
Dziękuję za uwagę
Wykład: Procesy mechaniczne i hydromechaniczne. Rozdrabnianie