автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование сегрегации при гравитационном течении зернистых материалов и разработка способов интенсификации процесса

ТАУГСЗСЮЙ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО иАЕЯНОСТРСЗШЯ

Нл правах рукописи

Лли служебного лользоЕгнил " Экз. N V"

КУДй АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

}»ДВЛИРОВАИЗ СЗГРЕГАЦШ ЮТ ГРАВИТАЩГСНИСУ ТКЧКЙКЯ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛ® И РАЗРАБОПЕА СЛОСОБОЗ Ш1Т2"С^:<КА1!;!Л

ПРОЦЕССА

(05.17.08 - Процессы я аппараты химической технологии)

Автореферат "1ссерт2ц;с1 ка сс^сяаике ученой степям кащгидата технических наук

Тамбов 1993

Работа выполнена в Тамбовском .институте химического маши- ' ностроения.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент В.Н.Долгунин.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент А.М.Климов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А.В.Чузпило;

кандидат технических наук, доцент . В.Ф.Першин.

Ведущая организация: Уваровский химический завод.

т _ Зашита состоится "<¿7" 1993 г. в часов

^ минут на заседании Специализированного совета К 064.20.01 в Тамбовском институте химического машиностроения по адресу: 332620, Тамбов, ул.Ленинградская, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук, доцент В.Ы.Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сегрегация проявляет себя во многих природных явлениях и технологических процессахь протекающих с участием дисперсной твердой фазы. Это явление, возникающее при взаимном перемещении твердых частиц, приводит к повышению неоднородности смеси зернистых материалов. В связи с этим, сегрегация может оказывать существенное влияние на кинетику технологических процессов 'переработки зернистых материалов.

Сегрегацию можно использовать для организации процесса сепарации. Сепарация, основанная на сегрегации, позволяет разделять смеси частиц, различающиеся по комплексу физико-механических свойств, которые в некоторых случаях (при различии по форме, шероховатости) не поддаются традиционным методам разделения. Вс многих случаях такой процесс требует меньших затрат по сравнению с другими способами сепарации, например,, при разделении смесей разнородных частиц одинакового размера, особенно крупных фракций, в сравнении с пневмо- или гидроселарацией, обьчно применяемых в этом случае.

Тем не менее, широкое использование этого перспективного метода сепарации сдерживается вследствие недостаточной изученности явления сегрегации и путей управления им.

По этим я? причинам до сих пор без доллного внимания остаются вопросы учета и использования сегрегации при расчете и реализации технологических процессов. Наиболее часто сегрегация связана с гравитационным течением зернистых материалов, имеющим место на наклонней плоскости. "

В связи с этим моделирование сегрегации при гравитационном течении материала и разработка способов управления этим процессом, проведенное в данной работе, имеют актуальное научное к на-родохозяйственное значение.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР АН Российской Федерации по направлению "Теоретические основы химической технологии" на 1991-1995 г.г., (код 2.27.1.4/.

Цель работы. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию сегрегации при гравитационном течении зернистых материалов. В соответствии с этим, в задачу данной работы входило:

- проведение комплексного.исследования сегрегации при гравитационном течении частиц, различающихся по размеру и плотности;

- моделирование динамики сегрегации при гравитационном тече-

- г -

юш зернистых материалов по шероховатой наклонной плоскости;

- разработка способов интенсификации (торможения) сегрегации в сдвиговом потоке неоднородных частиц.

Научная новизна. Установлено наличие встречного потока частиц различной массы, обусловленного градиентом концентрации твердой фазы при гравитационном течении зернистого материала. Разработана модель, определявшая величину названного потока при установившемся гравитационном течении сферических частиц. Предложена модель динамики сегрегации при сдвиговом течении сыпучего материала, отличающаяся от известной наличием в общем уравнении компоненты квазидиффузионного потока, вследствие градиента концентрации твердых частиц.

Исследованы закономерности влияния технологических параметров течения и поперечного потока воздуха на эффективность сегрегации в гравитационном потоке материала.

Проведена адаптация известных моделей формирования структуры потока и динамики сегрегации в гравитационном потоке к условиям поперечно продуваемого слоя частиц.

Практическая ценность. Предложенная модель динамики сегрегации позволяет осуществить оценку однородности смесей в инженерных расчетах процессов переработки сыпучих материалов в режше гравитационного течения.

Установлены относительные значения угла наклона и удельной величины потока материала на шероховатой плоскости, при которых достигается максимальная ¿эффективность сегрегации и перемешивания. Предложен экспериментально-аналитический метод определения параметров продуваемого сдоя, обеспечивающих благоприятные условия для сегрегации.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований сегрегации разработаны способ выделения металлокон-центрата из шлаков металлургического производства и способ сепарации зернистых материалов, позволяющие повысить эффективность сегрегации. Первый способ внедрен на Никопольском заводе ферросплавов с экономическим эффектом 2 111 S57 руб. в расчете на 6. лет эффективного функционирования (цены 1991 г.).

Апробация работы. Результаты работы доложены на XVII-XXIX научно-технических конференциях ТИХМа в 1990-1992 г?., Всесоюзной конференции "Механика сыпучих материалов" (Одесса, 1991), Всероссийской конференции "Математические методы в химии" (Тула, 1993), международном конгрессе "CHISA-93" (Прага, 1993).

Публикации. По материалам диссертации имеется 7 публикации, в т.ч. два положительных решения по заявкам на патент.

Объем работы. Диссертация состоят из введения, четырех глав,

• выводов, списка литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено краткое содержание работы и показана актуальность решаемых в ней задач.

В первой главе анализируются работы, посвященные моделирование сегрегации в зернистых средах. Анализ позволил установить, что в настоящее время нет общей модели сегрегации, достаточно

• полно и адекватно объясняющей эффекты разделения частиц. Существующие подходы к описанию явления, имс-ют ограниченную область применения, свои достоинства и недостатки.

Для описания механизма сегрегации частиц в движущихся слоях, которые характеризуются еысокими значениями скорости сдвига и по-рознэсти (е>0.5) успешно используется микроетруктурнъзд подход. Прежде всего это относится к слоям небольшой глубины (Ь<10с1 частиц), скатывающихся по наклонной плоскости.'

Перспективным направлением при разработке модели сегрегации при гравитационном течении материала является развитие соотношений, учитывающих взаимодействие частиц, гсак фактора определяющего их поведение и поведение слоя в целом в зависимости от комплекса основных физико-механических характеристик. При решении данной задачи наиболее актуальными вопросами являются моделирование сегрегации частиц, различающихся по комплексу фирико-механичсских свойств и исследование прогностических свойств модели.

Вторая глава посвящена комплексному исследованию сегрегации при гравитационном течении материалов, как наиболее распространенной форме движения дисперсных сред, сопровождающейся интенсивным разделением неоднородных частиц.

Исследования проведены с использованием известного экспериментально-аналитического метода, базирующегося на анализе фазы свободного падения частиц. Данный метод позволяет получить комплексную информацию о динамике течения (профили скорости и пороз-кости) и распределения неоднородных частиц по высоте слоя на пороге ссыпания.

В соответствии с выбранным методом исследования экспериментальные результаты получены на установке, представляющей собой установленный под углем а к горизонту канал прямоугольного сече-

кия, дне которого имеет шероховатость, равную половине диаметра наиболее крупных частиц смеси. На установке обеспечена возможность регулирования толщины к длины слоя скатывающихся частиц. Под нижним концом канала на расстоянии Н по отвесу от порога ссы-пания размещена кювета для приема падающих частиц, разделенная поперечными перегородками на ячейки. Исследования проведены в режимах, близких установившемуся гравитационному»течению. Содержимое ячеек после их заполнения в стационарном режиме взвешивалось и анализировалось на содержание целевого компонента, после чего определялась функция плотности распределения G(xi) материала по горизонтальной координате xi.

Аналитическая часть метода заключается в определении профилей скорости и(у), порозности е(у) и координаты y(xi) по толщине слоя. Указанные параметры находятся путем решения системы уравнений, заимствованной в виде

xi -у-siria

и--' (1)

cos«- •cosa-(xi-y-slna)tgtí)2/g u-p(l-e(y))-S(xi) (2)

s-F-^U (3)

Решения системы уравнений получают при граничном условии u(x,0)-0, соответствующем условию прилипания, методом последовательных приближений.

На рис.1 приведены результаты экспериментально-аналитического исследования гравитационного потока в виде профилей скорости, порозности и функции распределения целевого компонента по высоте слоя для двух смесей, с различием частиц по размеру Са) и по плотности (б).

В результате совместного анализа функций распределения целевых компонентов (кривые 3) и соответствующих профилей порозности (кривые 2) обнаружена миграция тяжелых (крупных, плотных) частиц е направлении градиента концентрации твердой фазы. Максимальное содержание тяжелых частиц приходится на центральную область слоя, характеризующуюся наибольшей концентрацией твердой фазы. Такая же закономерность наблюдается при аналогичном исследовании сегрегации смеси двух силикагелей КСК (р-785 кг/м3) и КОМ (р-1015 кг/м3) одинакового размера (+4.0-4.25 мм).

Полученным распределениям частиц, различающихся по плотности, (рис.16) характерна особенность, которая заключается в том, что концентрация менее. плотного компонента возрастает к основанию слоя и достигает величины превосходящей ее среднее значение в ус-тановивземся потоке.

Рис.1. Профили скорости (1), порозностя (2) к распределения целевого компонента (3) з гравитационном потоке: а) стальних шароз диаметром б.О и 7.2 мм; б) гранул силикагеля КСК (р-785 кг/м-3) и суперфосфата (р-1800 кг/иг) одинакового размера (+3.75-4.0 мм;

Известные модели сегрегации при сдвиговом течении материала не способны спрогнозировать отмеченкье эффекта разделения. Это обстоятельство косвенно свидетельствует о наличии неучтенного в них механизма миграции частиц.

Анализ экспериментальных данных (рис.1) позволяет предположить, что-миграция частиц различной массы в скатывающемся слое происходит под действием потенциала переноса, являющегося некоторым физическим параметром, связанным с функцией свободного объема слоя.

При разработке модели миграции частиц, вследствие переменной концентрации твердой фазы в гравитационном потоке, сделаны следу-кжие допущения:

1) ферма частиц сферическая;

2) режим движения стационарный, вследствие чего и (у) ,г(7)-ссг;БГ,.

Модель полу-гена на основе постулата о различных квазидиффу-зиенных скоростях компонентов зернистой смеси, имекщих различную массу, вследствие того, что частота соударений частиц является Функцией скорости их флуктуации. Такой подход является дальнейшим развитием гипотезы о квагидиффузионном механизме перемешивания частиц и устанавливает формальную аналоги» с процессом термо- или бародиффусии молекул газоЕой смеси.

Ноток миграции частиц, вследствие градиента концентрации твердой фазы, определен на основе следующего анализа.

Пусть в направлении х имеет место установившееся гравитационное течение сыпучего материала, состоящего из частиц массой mi и та, имеющих соответственно плотность pi, рг и диаметры dt, dz (рис.2). Примем, что вследствие изменявшихся значений скорости

сдвига и нормального давления по ________

высоте слоя поток характеризуется изменением концентрации твердой фазы по координате у (рис.2).

Рассмотрим протекание кьази-диффузионного процесса в элементарном слое толщиной Лу, ограниченном плоскостями у' и у", перпендикулярными оси у. Причем в элементарном слое с(у)-const, а Лу-у"-у'<25, где S-(b/bo-i)d -среднее расстояние между частицами.

Тогда относительную диффузионную скорость частиц "первого" и "второго" сорта при градиенте потенциала, равным 1, можно определить в виде следующего выражения •

D(S)-0.5(Y'ISI-V'2S2), (4)

где V и S - соответственно скорости и амплитуды флуктуации частиц. Амплитуду флуктуации частиц 1-го сорта определим в виде Si-V'i/F., (5)

где Fi - частота соударений частицы.

Рис.2. К опоеделению механизма миграции частиц, различной массы в сдвиговом потоке

Тогда выражение (4) с учетом (5) примет вид

1 f (Vi)2 (Vk)2 х

D(S)—----.

p V f, fo J

(6)

2 * Рг ?2 Скорость флуктуации V1 вычислена в соответствии с законом сохранения импульса в стесненных условиях, исходя из средних значений параметров потока смеси. Частоты столкновений частиц приняты пропорциональными скорости их флуктуаций с учетом площади поверхности частиц.

В итоге относительная диффузионная скорость частиц "первого" и "второго" сорта, вследствие переменкой концентрации твердой фазы при величине градиента потенциала, равном 1, получена в Биде

m(c)(Y')2 ( dj d2

D(S)-

2 F Hid2 n2dZ

Ka основе феноменологического анализа в качестве градиента потенциала переноса использозан те.от изменения среднего расстояния между частицами. При записи потенциала в безразмерной форме получено следующее выражение для его градиента

¿S 1 оВ dinS

Siy S Эу Sy '

Поток миграции частиц сорта 1 через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению потока, вследствие градиента концентрации твердой фазы, будет равен BlnS

q(S)-D(S)-— . (9)

Эу

В третьей главе предложена модель динамики сегрегации сферических частиц при сдвиговом течении и проведено исследование ее прогностических свойств.

Модель получена на основе модели динамики сегрегации, разработанной на базе общего уравнения переноса субстанции. Известная модель дополнена квазидиффузионной составляющей, которая определяет величину потока миграции частиц. В результате общее уравнение динамики сегрегации для установившегося течения записано в виде

Ъс д(ис) Э ; 'Эс 3irS', д / ч

• £ ■ • + э^ - Dls)irJ - S • (10) •

Уравнение (10) для общего случал гравитационного течения оказывается существенно нелинейным, что, очевидно, связано с высокой неоднородностью потока и чрезвычайно большим влиянием параметров последнего на кинетические коэффициенты квазидкффузисякых процессов перемешивания ПДКг> и миграции D(S) и коэффициент сегрегации Кс, определяющий интенсивность процесса гидромеханического разделения.

В общем случае определить зависимость кинетических коэффициентов уравнения (10) от важнейшие характеристик неоднородности компонентов среды и условий их взаимодействия в потоке но представляется возможным.

Для частного случая, который удовлетворяет допущения^ сделанным в главе 2 при разработке модели миграции, коэффициент D(S)

можно определить в соответствии с (7), а коэффициенты ЦдИФ и Кс можно вычислить по известным соотношениям, полученным путем анализа динамики столкновения частиц в виде

Одиф-О.бГБ, (11)

Кс-К-ЛМ. (12)

где К - коэффициент скорости, йМ - параметр неоднородности свойств частиц (размера, плотности, шероховатости, упругости), учитывающий условие их взаимодействия.

Параметр Ш определяется в виде разности между суммарными моментами сил тяжести Мс. ударных импульсов М* и трения Мт, действующих на частицу при переходе из одного сдоя в другой, один из которых М вычислен для случая разнородных частиц, а другой Мо -для случая однородных частиц в адекватных условиях, т.е.

ДМ-М-Мо! (13)

п .

где М-Ма + Е (М^МО.

1-1

Граничные условия для уравнения (10) сформулированы из условия отсутствия материальных потоков на верхней и нижней границах течения. Начальное условие задано как с(0,х,у)-Г(у).

Проверка адекватности общей модели динамики сегрегации (10) осуществлена на смесях, ранее использованных при экспериментально- аналитическом исследовании гранул силикагеля КСК фракции (+4.25-4.5 мм) (р-785 кг/мэ) и суперфосфата фракции (+ 3.75 -4.0мм) (р-1800 кг/м3).

Для примера на рис.3 представлены результаты экспериментального исследования динамики распределения целевого компонента для последней смеси, частицы которой различаются одновременно и по размеру и по плотности, а также соответствующие результаты моделирования по уравнению (10) с учетом потока миграции и без него (Б(З)-О). Функции смоделированы с использованием коэффициента скорости К-3.5-103Н~1с"'1, определенного методом последовательных приближений при решении обратной задачи динамики сегрегации для смеси этих же материалов с одинаковым размером частиц (+ 3.75 -

Рис.3. Распределение целевого компонента в смеси гранул силикателя КСК фракции (+4.25-4.5мм) и суперфосфата фракции (+3.75-4.Омм) в гравитационном потоке: 1-эксперимент; 2-расчет 0(5)^0; 3-расчет 0(3)-О

4.Омм)- Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными свидетельствует об удовлетворительной адекватности модели динамики сегрегации (10) и о существенном вкладе миграции в процесс распределения неоднородных частиц в гравитационном потоке.

С использованием предложенной модели исследовано влияние шероховатости частиц на динамику сегрегации в.гравитационном потоке. Исследование проведено путем сравнительного анализа профилей скорости, лорозности и функций распределения частиц, полученных экспериментально-аналитическим методом для смеси гладких стальных шаров (рис.1а) с соответствующими параметрами потока смеси аналогичных ржавых шаров. В результате установлено, что с увеличением шероховатости частиц происходит увеличение скорости сдвига и по-розности в скатывающемся слое.

Анализ указанной информации с учетом модельных представлений о динамике сегрегации показал, что с увеличением шероховатости частиц при установившемся течении усиливаются потоки квазидиффузионного перемешивания и гидромеханического разделения и снижается удельный вес потока миграции частиц.

Прогностические свойства предложенной модели исследованы на смесях частиц суперфосфата различного гранулометрического состава. При моделировании динамики сегрегации в гравитационном потоке установлено, что коэффициент скорости К можно считать для данного материала величиной постоянной, практически не зависящей от фракционного его состава и параметров течения.

На рис.4 приведены результаты исследования сегрегации в смеси гранул суперфосфата фракций (3.0-3.25)-10~3 и (3.5-3.75)-10"Зм при длине скатывания 0.15м в виде экспериментального (кривая 1) и расчетного (кривая 2) распределений ¡делового компонента. Здесь же представлены результаты аналогичного исследования (кривые 3,4) смеси гранул суперфосфата (3.0-3.25)-Ю'"3 и (4,0-4.25)-10_3м при длине скатывания 0.3м. Расчетные кривые 3 и 4 получены с использованием коэффициента К-1.1•104Н_1с"1, полученного в ре-

Рис. 4. Распределение целевой фракции гранул суперфосфата в гравитационном потоке:

1.2-смесь (+3.0-3.25; +3.5 -3.75мм), длина ската 0.15м: 3,4-смесь (+3.0-3.25; +4.0 : 4.25мм), длина ската 0.3м.

1.3-эксперимент; 2,4-расчет

1/1 С, кг/кг

Рис.5. Распределение целевой фракции (-2.5-4)-10 гранул суперфосфата ь гравитационном _ потоке смеси (+1-4)-Ю'-^м. 1-зкспеси-мент,2-расчет

зультате моделирования динамики распределения целевого компонента на смеси гранул суперфосфата (+3.0-3.25)'Ю-3 и (+3.5-3.75)-Ю-3« при длине скатывания О.Зи.

Этот же коэффициент

■К"1.1-104Н_1с'1 использован при моделировании динамики сегрегации полидисперсной смеси суперфосфату (+1-4)-10"Зы. Результата этого расчета в сравнении с экспериментальными данными приведены на рис. 5.

Сравнение экспериментальных и расчетных распределений, полученных при одном коэффициенте скорости на рис.4 и 5,свидетельствуют об удовлетворительной адекватности общей модели динамики сегрегации к больсой ее яраотичеекой значимости при прогнозировании динамита сегрегации различных смесей по известному для данного материала коэффициенту скорости К. Последний может Сыть определен путем решения обратной задачи сегрегации методом последовательных приближений.

Четвертая глава посвящена разработке способов интенсификации сегрегации и перемешивания частиц при сдвиговом течении сыпучего материала.

Проанализировано влияние сегрегации на кинетику технологических процессов. Отмечены как положительные, так и отрицательные аспекты сегрегации, в связи с чем указано на необходимость разработки способов ее интенсификации и торможения.

На основе анализа предложенной модели динамики сегрегации и выражений, определявших кинетические коэффициенты указанной модели установлено, что необходимое воздействие на динамику сегрегации целесообразно осуществить посредством соответствующего изменения скорости сдвига и порозностк слоя. Исходя из этого определены пути управления процессом спонтанного разделения частиц при сдвиговом течении материала и проведено их исследование с целью разработки способов интенсификации (торможения) сегрегации.

Проведено экспериментальное исследование эффективности сегрегации Э0 в гравитационном потоке в зависимости от угла наклона

поверхности ската к горизонту (рис.ба) и удельной величины потока частиц на единицу длины ссыпного порога Срис.бб). Эффективность сегрегации оценивали по разности концентраций целевого компонента с в верхней к нижней равных по величине частях потока, т.е.

Эс-|Дс| -.14)

Рис.6. Эффективность сегрегации Эс в зависимости от угла наклона ската (а) и удельного расхода материала в на единицу длины ссыпного порога (б) в гравитационных потоках: 1 - двойной суперфосфат (3.5-3.75-50* и 4.0-4.25-50%)-10 М; 2,3 - силикагеля КОМ (3.5-3.75-50% и 4.0-4.25-50%!-10 м; 4 - шлака силикамарганца и металлоконцентрата (5-10)

Приведенные результаты свидетельствуют о существенном влиянии на интенсивность сегрегации и перемешивания исследуемых характеристик гравитационного потока. Определены относительные значения угла наклона поверхности ската соответствующие режиму "расплескивающегося" течения, при которых с увеличением угла интенсифицируется ' перемешивание , а при уменьшении - сегрегация. Установлены интервалы изменения высоты слоя частиц, которые характеризуются относительным преобладанием либо сегрегации, либо перемешивания. В тонких слоях (Ь<3<1) интенсифицируется перемешивание, при Ь-(4+5)сЗ активизируется сегрегация, а при больших значениях высоты слоя характер влияния последней на сегрегацию и перемешивание неодназначен и зависит от физико-механических свойств частиц. Анализ сопровождается исследованием динамики гравитационного течения и объяснением причин наблюдаемых зависимостей.

Проведено исследование влияния "прыжка" гранул на их сегрегацию в граЕитациснном потоке. Установлено, что указанный эффект существенно интенсифицирует перемешивание частиц.

Исследовано влияние поперечного потока воздуха на эффективность сегрегации при гравитационном течении сыпучего материала. Исследование проведено в режиме установившегося полностью раззи-

того течения, при котором наблюдается максимальная эффективность сегрегации. При продувке указанный режим течения поддерживался за счет изменения угла наклона ската. На.рис.7а представлены результаты исследования эффективности сегрегации в поперечно продуваемом гравитационном потоке частиц в зависимости от направления и интенсивности продувки. Приведенные результаты свидетельствуют о существенном влиянии продувки на интенсивность сегрегации и перемешивания. При этом эффективность сегрегации частиц по крупности снижается с увеличением скорости воздуха при продувке в .направлении от основания слоя к его поверхности. При продувке б обратном направлении полученная зависимость характеризуется явно выраженным максимумом эффективности сегрегации, который достигается при

Рис.7. Эффективность сегрегации (а) и угол наклона ската (б) в зависимости от скорости воздуха при продувке от поверхности слоя к его основанию (в, & ,в) и в обратном направлении !о,о,«0 Е установившемся режиме течения материала: в - суперфосфат (+3.5-3.75; +4.0-4.25); А - суперфосфат (+2.0-2.2; +2.6-2.3); о - силикагель КОМ (+3.5-3.75; +4.0-4.25);О - стеклянные шарики (+0.25-0.60) (данные ¡э'п^а и 2ЫгаП; о - суперфосфат; л - силикагель (+3.5-3.75; +4.25-4.5)

В результате обработки экспериментальных данных установлено, что зависимость между симплексами з1по£/51п«о и к/у.'к? для установившегося полностью развитого режима течения в тонких слоях (Ь<10с!) линейная (рис.76). Полученная зависимость позволяет прогнозировать величину наклона ската в условиях благоприятных для сегрегации в поперечно продуваемом гравитационном потоке сыпучих материалов.

Для оценки гидравлических потерь в -поперечно продуваемом слое для исследуемого диапазона скоростей воздуха (*к 1.5м/с) лрислссоблено уравнение- Козэнк-Кармана, которое при записи ь ни-

тегральной форме имеет следующий вид:

Ь о

Л Л рг* 1 ~ £ Су) -V

------з7"Т~ (15)

ь.у ^к(У) 2 £ (у) '

где Рл(у) - гидродинамическая составляющая давления, возникающая вследствие фильтрации газа; сЗк - диаметр каналов; X - коэффициент гидравлического сопротивления, <? - фактор формы. Диаметр каналог определен в виде

, 1-ео - -

с!«---- х <1 - <1 . (16)

к 1-е (у) >

Для расчета коэффициента гидравлического сопротивления получена зависимость

\-(5+9)1?е~0-46 при Ке-20+150, . (IV)

где Не-*йкрг/^г-

Для определения параметров поперечно продуваемого гравитационного потока частиц проведена адаптация к условиям продувки известной модели формирования структуры потока (3). Для этого давление дисперсной .среды представлено в виде

Р(У)-Рст(У)*Рд(У>, (18)

где Рот(у)"]*Ч_ е(у)ЗрЕсо^у - аналог гидростатического давления, ь-у

В результате решения системы уравнений (1>(3) с учетом (1ЕН18) получаем профили и(у), £(у) и Рд(у).

Полненная информация о профилях скорости и порозности при различных скоростях воздуха использована для объяснения наблюдаемых эффектов сегрегации и моделирования динамики распределения неоднородных частиц.

При определении коэффициента сегрегации Кс в условиях продувки суммарный момент сил, действующих на контрольную частицу относительно мгновенной оси вращения записан в следующем виде:

М-Мс+Мр+Е ОМ) • (13)

Момент от силы гидродинамического давления выражен в следующем виде:

о

- 14 -

mp------:--cos

dy 8(d+D)

. Результаты моделирования сегрегации в гравитационной потоке частиц с продувкой и без лее, представленные в качестве примера» на рис.8, свидетельствуют об удовлетворительной адекватности модели. Моделирование проведено при одном и том же значении коэффициента скорости К-1.2•104Н-1с~1.

а.* & с.*?-**"

Рис.8. Распределение целевых частиц в гравитационном потоке гранул силикагеля е условиях без продувки (1,2) и с продувкой (3,4) при и-С.43м/с 1,3-эксперимент; 2,4-расчет

На базе проведенных исследований разработан способ сепарации зернистых материалов, позволяющий интенсифицировать сегрегацию и совместить технологические процессы переработки сыпучих материалов и способ выделения метаялоконцентрата из шлаков металлургического производства, последний из которых внедрен на Никопольском заводе ферросплавов с экономическим эффектом 2 111 85? руб.(цены 1991г.) в расчете на 6 лет эффективного функционирования.

ОСНОВНЫЕ ШВОДЪ' И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обнаружен эффект миграции частиц различной массы, обусловленный градиентом концентрации твердой фазы при гравитационном течении. Разработана модель, определяющая величину потока миграции сферических частиц при установившемся гравитационном течении материала.

2. Предложена модель динамики сегрегации при сдвиговом течении сыпучего материала, отличающаяся от известной наличием в общем уравнении компоненты квазидиффузионного потока миграции частиц. Установлены возможности применения предложенной модели для прогнозирования динамики сегрегации частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, при произвольных параметрах потока. Установлено удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных функций распределения целевого компонента, позволяющее рекомендовать предложенную модель для качественной оценки однородности смесей в инженерных расчетах процессов переработки сылу-

чих материалов в режиме сдвигового течения.

3. Проведено комплексное исследование влияния технологических параметров гравитационного течения частиц на интенсивность сегрегации к перемешивания. Установлены относительные значения угла наклона и удельной величины потока материала на шероховатой плоскости, при которых достигается максимальная эффективность сегрегации и перемешивания.

4. Исследовано влияние поперечного потока газа на эффективность сегрегации частиц при гравитационном их течении по наклонной плоскости. Предложен экспериментально-аналитический метод определения параметров продуваемого слоя.' обеспечивающих благоприятные условия для сегрегации. На основе обнаруженных закономерностей разработан способ сепарации зернистых материалов, позволяющий повысить эффективность сегрегации в гравитационном потоке материала и совместить технологические процессы переработки сыпучих материалов. Проведена адаптация известных моделей формирования структуры потока и динамики сегрегации е гравитационном потоке к условиям поперечно продуваемого слоя частиц.

5. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований сегрегации разработан способ выделения металлоконцентратэ из шлаков металлургического производства, который внедрен на Никопольском заводе ферросплавов. Экономический эффект от внедрения составляет 2 111 857 руб. (цены 1991 г.) в расчете на 6 лет эффективного функционирования.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

х,у - координаты Декартовой системы; <х,ао - угол наклона ската и естественного относа материала, град.; и - скорость поступательного движения частицы, м/с; z,zQ -. порозность слоя и порозность при плотной укладке соответственно; е-(г-е0)/(1-е) - дилатансия зернистой среды; Р(у) - давление дисперсной среды, Н/м2; Ф - коэффициент, зависящий от физико-механичеисих свойств среды; U -энергия хаотических колебаний частиц, кг-м2/с2; и - масса частицы, кг; р - истинная плотность частицы, кг/мэ; d,D - диаметры мелкой и крупной частицы соответственно, м; с - концентрация целевого компонента, м3/м3тв.фазы; S - среднее расстояние между частицами, м; Ь-(я/[6(1-е)])с-33 - геометрический параметр слоя частиц регулярной укладки; V' - скорость флуктуации частицы, м/с; F - частота столкновений в расчете на одну частицу, 1/с; х - время, с; Один - коэффициент квазидиффузионного перемешивания частиц

сдоя, lA'c; Кс - коэффициент сегрегации, м/с; К - коэффициент скорости F"1c~1; Ы - момент вращения, Н-м; h - толщина слоя, м; w,wKp - скорость продувки и качала псевдоожижения слоя, м/с; РСт. Рд - статическая и гидродинамическая составляющие давления соответственно, Н/м2; \ - коэффициент гидравлического сопротивления слоя.

ИНДЕКСЫ

d.D.r - относящийся к малой и крупной частицам, газу, используемого при продувке слоя, соответственно; х,у - х и у компоненты соответственно; Y.T - эффекты, возникающие вследствие действия ударного импульса и сил трения соответственно.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛ0ЕЕН0 В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Долгую® В.Н.. Куди А.Н., Уколов A.A. Моделирование сегрегационных процессов при быстром гравитационном течении дисперсных сред.- Тамбов, 1992.- 12 с. Деп. з ОНИИТЭХИЫ г. Черкассы, N 34 хп-Д 93.

2. Куди А.Н., Долгуиин В.Н., Борщев В.Я. Моделирование кинетики сегрегации зернистых материалов при быстром гравитационном течении с поперечной продувкой.- Тамбов, 1992.- 17 с. Деп. в ОШИТЗХШ г. Черкассы, N 33 хп Д. 93.

3. Далгункн В.Н., Куди А.Н., Климов A.M. Об эффективности сегрегации и перемешивания в гравитационном потоке сыпучего материала // Механика сыпучих материалов: Тез. докл. Всесоюзн. конф.- Одесса, 1S91.- С. 252.

4. Dolgunin V.U., Kudi А.Н., Ukolcv A.A. Segregation dyna-nics of solid particles In a rapid gravity flow // Int. Congress of chemical Engeneering, chemical Equipment Design and

- Automation. CHISA-93, Praha, 1993.- P. 113.

5. Додгунин В.Н., Куди А.Н., Уколов A.A. Математическое моделирование сегрегации при быстром сдвиге зернистых сред // Математические методы в химии: Тез. докл. Всерос. конф.- Тула, 1993.- С. 151. "

6. Патент ... (положительное решение по заявке N 5033798/03, СССР, МКИ ВС7 В 13/00. Способ сепарации зернистых материа-

1 лов / В.Н.Долгунин, А.Н.Куди, Е.Я.Борщев и др.).

7. Патент ... (положительное решение по заявке N 4677668/03 СССР, МКИ В07 В 13/00. Способ выделения металлоконцентрата из шлаков / В.Н.Долгунин, В.Я.Ворщев, А.А.Уколов, A.M.Климов, А.Н.Куди и ДР.) •