Просеивание

Просеивание — это механический или физический процесс разделения сыпучих материалов по крупности частиц (гранулометрическому составу) путём пропускания их через сито, решето или сетку с отверстиями определённого размера и формы. Просеивание является одним из основных методов классификации твёрдых частиц, широко применяемым в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, пищевой и химической отраслях, а также в лабораторных исследованиях для анализа дисперсности материалов.

История

Просеивание как способ очистки зерна и муки известно с древнейших времён. Археологические находки свидетельствуют, что уже в эпоху неолита (около 10 000 лет до н. э.) люди использовали плетёные корзины и сита из растительных волокон для отделения крупных примесей от измельчённого зерна. В Древнем Египте и Месопотамии применяли сита из тростника и пальмовых листьев для просеивания муки. В античном мире и средневековой Европе решёта изготавливали из кожи с пробитыми отверстиями или из металлической проволоки.

С развитием горного дела и металлургии в XVI–XVII веках просеивание стало использоваться для обогащения руд и сортировки угля. В 1830-х годах в Великобритании были запатентованы первые механические сита с возвратно-поступательным движением. В XIX веке с появлением стандартизированных металлических сеток (например, сита с квадратными ячейками) просеивание приобрело метрологическое значение: были разработаны шкалы сит (например, шкала Тайлера в США, шкала DIN в Германии), позволившие унифицировать анализ гранулометрического состава.

В XX веке, с развитием химической технологии и фармацевтики, возникли методы тонкого и сверхтонкого просеивания (до нескольких микрометров), а также вибрационные, ультразвуковые и пневматические сита. В современной России просеивание регламентируется государственными стандартами (ГОСТ 3306, ГОСТ 6613, ГОСТ 21472 и др.).

Классификация видов просеивания

Просеивание классифицируют по нескольким признакам: цели, способу движения сита, влажности материала, крупности частиц.

По цели

• Разделительное (классифицирующее) — разделение смеси на фракции по размеру частиц. Например, получение песка определённой зернистости.
• Очистительное (обесшламливающее) — удаление мелких примесей (пыли, грязи) из крупного продукта. Например, очистка зерна от сора.
• Контрольное — проверка готового продукта на наличие частиц недопустимого размера (например, удаление комков из сахарного песка).

По способу движения сита

• Неподвижное (гравитационное) — материал движется под действием силы тяжести по наклонному ситу. Используется для грубого разделения (например, грохочение на колосниковых решётках).
• Качающееся (возвратно-поступательное) — сито совершает горизонтальные или наклонные колебания. Применяется для среднего и тонкого просеивания (например, вибрационные грохоты).
• Вращающееся — сито имеет форму барабана или цилиндра, вращающегося вокруг оси. Используется для просеивания влажных или склонных к слипанию материалов (например, в сахарной промышленности).
• Вибрационное — сито колеблется с высокой частотой (от 50 до 3000 Гц) и малой амплитудой. Обеспечивает высокую производительность и точность разделения. Наиболее распространённый тип в промышленности.
• Ультразвуковое — на сито накладываются ультразвуковые колебания (20–40 кГц), предотвращающие забивание ячеек мелкими частицами. Применяется для тонкого просеивания (менее 100 мкм) порошков и абразивов.

По влажности материала

• Сухое — просеивание сухих сыпучих материалов. Основной вид.
• Мокрое — просеивание с добавлением воды или другой жидкости для уменьшения слипания частиц и удаления глинистых примесей. Применяется при обогащении руд и в химической технологии.

По крупности разделения

• Грубое — разделение частиц крупнее 10 мм (например, грохочение щебня).
• Среднее — от 1 до 10 мм (например, просеивание песка).
• Тонкое — от 0,1 до 1 мм (например, мука, цемент).
• Сверхтонкое — менее 0,1 мм (например, тонкодисперсные порошки, краски).

Устройство и принцип работы

Основным рабочим органом просеивающего оборудования является сито — полотно с отверстиями определённой формы и размера. Сита изготавливают из металлической проволоки (тканые сетки), перфорированного листа (решёта), резины, полиуретана или синтетических нитей. Отверстия могут быть квадратными, круглыми, прямоугольными или щелевыми.

Принцип действия основан на том, что частицы, размер которых меньше отверстия, проходят сквозь сито (проход), а более крупные остаются на нём (сход). Для интенсификации процесса ситу сообщают колебательное или вращательное движение, что способствует перемещению материала и предотвращает забивание ячеек.

Типичное вибрационное сито состоит из следующих элементов:

• Рама — несущая конструкция.
• Сита (одно или несколько) — устанавливаются с определённым наклоном.
• Вибропривод — электродвигатель с дебалансами, создающий колебания.
• Питатель — устройство для равномерной подачи материала.
• Разгрузочные патрубки — для отвода прохода и схода.

Применение

Просеивание используется в десятках отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Горнодобывающая промышленность

Грохочение — основная операция при обогащении руд чёрных и цветных металлов, угля, нерудных материалов (щебень, гравий, песок). На обогатительных фабриках применяют многоярусные вибрационные грохоты для разделения руды на фракции перед дроблением или флотацией.

Строительство

Производство строительных смесей (цемент, гипс, сухие смеси) требует точного контроля гранулометрического состава. Песок и щебень просеивают для получения товарных фракций (например, песок для бетона — модуль крупности 1,5–2,5 мм).

Пищевая промышленность

Просеивание муки — обязательная операция на хлебозаводах и кондитерских фабриках для удаления комков, посторонних примесей и аэрации. В крупяном производстве зерно просеивают для отделения лузги и дроблёных частиц. В сахарной промышленности сахарный песок просеивают для удаления комков и пыли.

Химическая и фармацевтическая промышленность

Тонкое просеивание (до 10–50 мкм) применяется для классификации порошков (например, пигментов, катализаторов, лекарственных субстанций). Ультразвуковые сита используются для просеивания абразивных материалов (карбид кремния, корунд).

Сельское хозяйство

Послеуборочная обработка зерна включает просеивание на зерноочистительных машинах для отделения сора, щуплых зёрен и семян сорняков. В комбикормовой промышленности просеивают комбикорма для удаления крупных частиц.

Лабораторный анализ

Сита с калиброванными отверстиями (набор сит) используются для определения гранулометрического состава сыпучих материалов — ситового анализа. Результаты представляют в виде кривой распределения частиц по размерам.

Характеристики и параметры

Эффективность просеивания оценивается двумя основными показателями:

• Производительность — количество материала, проходящего через сито в единицу времени (кг/ч, т/ч).
• Точность (эффективность) разделения — доля частиц заданного размера, попавших в соответствующий продукт (обычно выражается в процентах).

Ключевые параметры, влияющие на процесс:

• Размер отверстий сита — определяет границу разделения.
• Форма отверстий — квадратные отверстия обеспечивают более равномерное разделение, круглые — менее склонны к забиванию.
• Наклон сита — угол наклона влияет на скорость движения материала и время контакта с ситом.
• Амплитуда и частота колебаний — для вибрационных сит.
• Влажность материала — влажные материалы склонны к слипанию и забиванию сит (требуется мокрое просеивание или подогрев).

Интересные факты

• Самые мелкие сита, используемые в лабораторной практике, имеют размер отверстий до 5 мкм (0,005 мм). Для их изготовления применяют лазерную перфорацию или электрохимическое травление.
• В России стандартный ряд сит для ситового анализа регламентируется ГОСТ 3306-88 «Сетки проволочные тканые для сит». Размеры ячеек варьируются от 0,04 до 100 мм.
• В пищевой промышленности для просеивания муки часто используют магнитные уловители, которые удаляют металлические примеси, попадающие в муку при помоле.
• В XIX веке в России просеивание муки было ручным трудом, выполняемым на «решетах» — деревянных обручах с натянутой сеткой. Механизация этого процесса началась только в конце XIX века с внедрением «буратов» — вращающихся цилиндрических сит.

Источники

1. ГОСТ 3306-88 «Сетки проволочные тканые для сит. Технические условия».
2. ГОСТ 6613-86 «Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками. Технические условия».
3. ГОСТ 21472-81 «Материалы сыпучие. Метод ситового анализа».
4. Андреев С. Е., Зверевич В. В., Перов В. А. «Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых». — М.: Недра, 1980.
5. Классен П. В. «Основы обогащения полезных ископаемых». — М.: Недра, 1981.
6. «Процессы и аппараты пищевых производств» / Под ред. А. Н. Острикова. — М.: Колос, 2009.
7. Справочник по обогащению руд / Под ред. О. С. Богданова. — М.: Недра, 1982.