автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Дезинтеграция пылепорошковых агломератов и отложений ударной волной с электромагнитным возбуждением

АНГАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

г

КУЗЬМЕНКО НАТАЛЬЯ ВИКТОРОВНА

ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ ПЫЛЕПОРОШКОВЫХ АГЛОМЕРАТОВ И ОТЛОЖЕНИЙ УДАРНОЙ ВОЛНОЙ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

05.17 08 - Процессы и аппараты химических технологий 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической

обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ангарск - 2007

003160264

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация технологических процессов» Ангарской государственной технической академии

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Асламов Александр Анатольевич

Официальные оппоненты _

доктор химических наук, профессор Корчевин Николай Алексеевич

доктор технических наук, профессор Димов Юрий Владимирович

Ведущее предприятие:

ОАО «Ангарская нефтехимическая компания»

Защита диссертации состоится 26 октября 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета К 212.007 01 при Ангарской государственной технической академии по адресу 665835, г Ангарск, ул. Чайковского, 60, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ангарской государственной технической академии

Автореферат разослан 26 сентября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

А.А. Асламов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Особенностью любого химико-технологического процесса является наличие значительного количества аппаратов, емкостей, бункеров, трубопроводов и другого оборудования, работоспособность которого определяется состоянием внутренних поверхностей. Отложения и загрязнения на внутренних поверхностях нарушают чистоту стенок, сужают проходные сечения, изменяют гидродинамическую обстановку, эффективность теплопередачи, массообменные характеристики технологических процессов Налипание и сводообразование неметаллических отложений и загрязнений на стенках технологического оборудования, нарушая технологический режим, снижают производительность процесса, вплоть до полной остановки производства К производствам, требующим решения этих проблем, относятся нефтепереработка, химические производства, строительная индустрия, производство строительных материалов, пищевая промышленность, горно-обогатительное производство и т д Таким образом, дезинтеграция налипших материалов является одной из важных нерешенных проблем современного промышленного производства, ограничивающих эффективность технологических процессов

Адгезия частиц пыли и порошков обусловлена силами, которые зависят как от свойств контактирующих тел, так и от свойств окружающей среды Силы адгезии - молекулярные, электрические кулоновские, капиллярные - определяются различными физическими механизмами взаимодействия частицы и стенки, зависящими от свойств и состояния поверхности, внешних факторов, формы и размеров частиц, времени взаимодействия

Существующие методы дезинтеграции неметаллических материалов на внутренних поверхностях технологического оборудования механический, физический, химический, физико-химический, химико-термический имеют ограниченные технологические возможности, незначительную эффективность, высокую трудо- и энергоемкость, необходимость остановки всего технологического процесса Из существующих наиболее перспективным методом очистки является механический, при котором очищаемую поверхность подвергают упругой деформации Этот метод позволяет производить дезинтеграцию отложений на внутренних поверхностях технологических аппаратов без остановки процесса Упругую деформацию можно осуществлять путем возбуждения колебаний одиночными механическими импульсами при помощи электромагни-

тов или электромагнитных полей, при этом амплитуда колебаний, не должна приводить к остаточным деформациям стенки и деструкционным изменениям в конструкционном материале

Недостатками магнитно-импульсных устройств, создающих упругую деформацию, являются невысокая эффективность очистки, тк не всегда есть возможность установить нужное количество исполнительных органов (индукторов) по технологическим условиям проведения процесса, а также из-за необходимости дополнительных крепежных конструкций Стационарное размещение индукторов ограничивает возможность обрабатывать большие технологические площади

Таким образом, исследование и разработка переносных устройств для дезинтеграции поверхностных отложений на стенках технологического оборудования является актуальной задачей

Цель работы: стабилизировать эффективность гетерогенных процессов с дисперсной твердой фазой путем дезинтеграции поверхностных агломератов и отложений локальными упругими колебаниями, возбуждаемыми мобильным магнитно-импульсным индуктором

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- исследовать механизм процесса адгезии пыли и порошков на внутренних поверхностях технологического оборудования;

- разработать критерии дезинтеграции пылепорошкового слоя на поверхностях,

- теоретически и экспериментально исследовать влияние ударной волны на металлическую поверхность в условиях упругого деформирования,

- разработать методику расчета и конструкцию переносного индуктора для получения ударной волны необходимой силы,

- изготовить экспериментальную установку для исследования процессов дезинтеграции неметаллических отложений и загрязнений внутренних поверхностей аппаратов при помощи переносного индуктора,

- экспериментально изучить процессы дезинтеграции материалов на моделях аппаратов ударными волнами с электромагнитным возбуждением

Научная новизна

»

1 Получен критерий отрыва от стенки адгезированных частиц пылепорошко-

вого монослоя при ударном воздействии на стенку.

2 Получен критерий разрушения слоя налипших загрязнений при упругом деформировании стенки

3 Получена необходимая для очистки энергия ударной волны, не вызывающей остаточной деформации стенки

4 Получены формулы для оценки средней интенсивности деформации обрабатываемой поверхности при точечном ударном воздействии

5 Разработана методика расчета электромагнитного индуктора для импульсного возбуждения упругих колебаний стенки

6 Из условия равномерной обработки поверхности определены точки нанесения ударов и промежутки времени между ними

7 Экспериментально установлены закономерности дезинтеграции налипших пылепорошковых материалов ударными волнами, возбуждаемыми переносным электромагнитным индуктором

Практическая значимость Предложенная методика расчета дает возможность определять оптимальные конструкционные соотношения для изготовления различных по назначению переносных электромагнитных индукторов

Установка с переносным индуктором принята к внедрению на ОАО «Ангарский азотно-туковый завод» ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» (ОАО «АНХК») Ожидаемый экономический эффект составляет 5540 тысяч рублей в год

Создана экспериментальная установка с переносным электромагнитным индуктором для обработки внутренних поверхностей производственного оборудования без остановки технологического процесса

Разработана и создана экспериментальная установка для исследования ударных волн на металлической поверхности

Экспериментальная установка по применению импульсных электромагнитных полей в различных технологических целях используется в учебном процессе Ангарской государственной технической академии

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них одна в издательстве, рекомендованном ВАК РФ

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из'

введения, 6 глав, заключения. В диссертации содержится 149 страниц машинописного текста, список литературы из 121 наименования, 22 таблицы, 39 иллюстраций и 3 приложения

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы

Первая глава посвящена обзору и анализу существующих методов очистки поверхностей и патентному обзору по проблеме дезинтеграции материалов ударными волнами, созданными при помощи импульсных электромагнитных устройств При сравнении способов обработки конструкций и аппаратов выделено применение импульсных электромагнитных полей и индукторов, как наиболее эффективного способа для создания ударных волн

К недостаткам рассмотренных устройств следует отнести сложность, ограниченные технологические возможности, незначительную эффективность при очистке поверхностей с большой площадью

Проведенный анализ позволяет сделать вывод стабилизация гетерогенных процессов с дисперсной твердой фазой является современной научной и практической проблемой, ударное магнитно-импульсное воздействие при дезинтеграции различных отложений, является одним из самых эффективных средств, а разработка мобильных устройств для очистки поверхностей является актуальной задачей

Во второй главе приведена классификация (рис 1) адгезии пыли и порошков, рассмотрены силы адгезии и оценка величины адгезии, проанализирована зависимость сил адгезии от различных факторов, приведены методы расчета сил адгезии пыли и порошков Процессы адгезии пыли и порошков на внутренние поверхности технологических аппаратов определяют величины силы и энергии, необходимых для разрушения налипшего слоя

Для управления процессами адгезии в конкретном аппарате необходимо детально изучить каждую из составляющих сил адгезии с учетом всех условий процесса, особенностей проявления, а также установить факторы, вызывающие изменение адгезионной силы. Для расчета силы адгезии частиц необходимо решить следующие задачи

Рис 1 Характеристики адгезии пыли и порошков

1 Согласно классификации определить условия протекания конкретного процесса и факторы, влияющие на адгезию

2 Изучить каждую составляющую сил адгезии с учетом всех условий процесса, особенностей проявления, а также установить параметры, определяющие значение каждой составляющей силы адгезии

3 Определить

исходные данные для расчета силы адгезии

4 Рассчитать силу адгезии ^ = Ц(РЭ > Р кап > мол» <ул) Электрические силы, зависят от электрических свойств контактирующих

тел

/г =4^/5

(1)

где о$ - плотность заряда двойного электрического слоя, величина заряда зависит от электропроводности контактирующих тел, Б - площадь контакта частицы с поверхностью

Капиллярные силы обусловлены поверхностным натяжением влажной прослойки между поверхностью и частицей.

^ кап ^ кап 1 ~

кап, 2,

Ртп,1 ~ 2л:а1<ув,

(2)

Ркап2 - $Рк, (3)

где сгв - поверхностное натяжение, - радиус кривизны водной прослойки, 8 -

площадь контакта (5 = т12),рк- недостаток давления

В зазоре между контактирующими телами происходит конденсация паров воды Образовавшийся мениск силами поверхностного натяжения с одной стороны стягивает частицу, а с другой стороны, благодаря своей вогнутости, уменьшает давление жидкости

Кулоновские силы возможны, когда заряженные частицы пыли индуцируют на поверхности заряд, равный по величине, но противоположный по знаку

где <2 - заряд частиц, г - радиус частицы

Молекулярная составляющая силы адгезии обусловлена межмолекулярным взаимодействием

где А - константа молекулярного взаимодействия - константа Ван-дер-Ваальса, г - радиус частицы, Н - расстояние между частицей и поверхностью

По теории адгезии, разработанной Б В Дерягиным, адгезия происходит под действием поверхностных сил и может рассматриваться как термодинамический и обратимый процесс при условии значительного превышения радиуса кривизны обеих поверхностей над радиусом действия поверхностных сил, и молекулярная составляющая сил адгезии для шарообразной частицы и плоской поверхности равна

^лгал = 4Я'(7г Г , (6)

где сгт- поверхностное натяжения твердых тел, г - радиус частицы

5 Определить необходимую силу отрыва Ротр для слоя частиц, которая должна быть больше суммы сил адгезии Ротр > Рид

В третьей главе произведен анализ некоторых производств ОАО «АНХК» с целью оценки адгезионных эффектов Рассмотрены процессы адгезии при производстве аммиачной селитры Ангарского азотно-тукового завода Процесс производства аммиачной селитры состоит из следующих основных стадий

- получение раствора аммиачной селитры нейтрализацией азотной кислоты газообразным аммиаком,

- упаривание раствора аммиачной селитры до состояния плава,

(4)

^ = Лг /(бН1),

(5)

- кристаллизация из плава соли в виде частиц округлой формы (гранул) и мелких кристаллов;

- охлаждение или сушка соли;

- упаковка в тару готового продукта.

В результате анализа были выделены и обследованы объекты наиболее подверженные процессам адгезии: реакторы разложения мрамора, конусы грануляционных башен (рис. 2). Составлены зависимости толщины налипающего слоя от вр.емени (рис. 3). В процессе обследования выяснилось, что в местах, наиболее подверженных адгезии, причины и условия возникновения адгезионных сил различны.

Гракулятор

Рис. 2. Грануляционная башня

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Т.оут.

Рис. 3. Зависимость толщины налипающей селитры от времени: I - для верхнего конуса башни, 2 - для среднего конуса башни, 3 - для нижнего конуса башни

Произведена теоретическая оценка силы адгезии частиц аммиачной селитры к внутренней поверхности конуса грануляционной башни, получены следующие значения:

- сила адгезии молекулярная для частицы размером 100 мкм, Н:

Рмол — 5,03-Ю"4; (7)

- сила адгезии слоя частиц, расположенных на 1 см2, Н/см2:

Радело» ~ 5,03. (8)

На машине марки ИП-6011-5001 для испытаний на сжатие экспериментально определена аутогезионная прочность слоя аммиачной селитры, налипших на конусы грануляционных башен.

Статические испытания стандартных образцов на сжатие осуществлялось путем нагружения образцов размером 50 X 50 х 50 мм до разрушения при контролируемой скорости нагружения 4 кН/сек и измерении нагрузки на образец

В результате проведенных испытаний и обработки результатов измерений получена сила аутогезионного разрушения отложения аммиачной селитры, образующегося на внутренних поверхностях, кН

F— 3,298571 ±0,0604 (9)

Аутогезионная прочность агломерата аммиачной селитры при сжатии, кН/м2.

ег =1319,2±24,16. (10)

Четвертая глава посвящена исследованию деформации металлической поверхности Приведен вывод дифференциального уравнения колебаний мембраны, получено двухмерное волновое уравнение свободных колебаний однородной мембраны*

дги= J дги д2и dt2 ~а {дх2+ду2

Приведено решение задачи о поперечных колебаниях прямоугольной мембраны 0<x<l¡, 0<у<12 с закрепленным краем, вызванных поперечным сред-неточечным импульсом К, сообщенным мембране в точке (х0, у0), 0<xo<l¡, 0<уо<12, считая что реакция среды мала

тта тж пт>„ пяу sin--sin-sin——sin—

,)=_«!_ у—*-Ф -i-xJ^h-f^ (11)

w>hh ¿i gw 1 к l\ J

U+n

где a - упругая характеристика мембраны, р - поверхностная плотность мембраны

На основании физического анализа и математического моделирования предложены критерии отрыва одиночной частицы и разрушения налипшего слоя

Условие

F ОПрЫв = та 3: Fad (12)

является критерием отрыва частицы от стенки При этом частица массой т подвергается ускорению а, получаемому двойным дифференцированием (11) по времени

Критерий разрушения налипшего слоя определяется его прочностью:

где [о-] - предельная прочность материала налипшего слоя; аэк„ - эквивалентное напряжение в слое, определяемое изгибающими деформациями стенки.

В пятой главе рассмотрено электродинамическое и индукционное магнитно-импульсное возбуждение ударной волны. Разработана установка для создания ударных волн на поверхностях технологического оборудования для

очистки от загрязнений и налипаний, состоящая из генератора импульсов тока (ГИТ) и рабочего органа - переносного индуктора. ГИТ (рис. 4) имеет следующие технические характеристики: максимальное напряжение заряда конденсаторов -

Рис. 4. Генератор импульсов тока

1,0 кВ; электрическая

емкость батареи конденсаторов - 600-10"6 Ф; энергия, запасенная в батарее конденсаторов - 300 Дж; индуктивность батареи конденсаторов - 0,1-10 6 Гн. Для определения требуемой энергии накопителя ГИТ выполнен расчет средней интенсивности деформации, исключающей пластическую деформацию обрабатываемой стенки.

Для определения средней интенсивности деформации рассмотрена задача о деформации круглой пластины, расположенной на кольцевой опоре и нагруженной равномерной нагрузкой q, распределенной по внутриопорной поверхности (рис. 5). Радиус пластины в, радиус опорного кольца с. В центре пластины прогиб составляет:

где р = Ыс коэффициент Пуассона, д - нагрузка, Н/м2.

а

Рис 5 Расчетная схема нагруженной ппааШты По энергетической теории прочности эквивалентное напряжение в центре пластины (15)

Согласно теории затухающих колебаний пластин при точечном ударе прогиб (11) синусоидален во всех направлениях. Опорная окружность ограничивает часть деформируемой поверхности в пределах одной полуволны Средняя деформация на этой части пластины

иср = | |«05ш;с 8т у сЬсс1у

тогда средняя интенсивность деформации на этой части пластины

31-А2

£'р О лгО 8 /)*

дЪ* 1

(16)

_2 {\ + и)Рг\.

Для нахождения неизвестной нагрузки q составлено условие упругого состояния пластины на основании эквивалентного напряжения (15).

^Н- (17)

где [<?}„„ - допускаемое напряжение в пластине в пределах упругости Из (17) находим

4/Г

1-М

3( г 2рг } Ь

При подстановке нагрузки (18) в решение (16) получаем-

И 1-

(18)

(19)

Еп\м 4/5

Расчеты по полученным формулам для экспериментальной модели, пред-

ставленной в 6-й главе, дали следующие характеристики ударного воздействия. Нагрузка в пределах упругого состояния пластины должна составить 21,8 т. Напряжение в налипшем слое при этом равно 25,1 МПа, что соответствует условию разрушения слоя аммиачной селитры. Средняя интенсивность деформации еср= 0,0028.

Разработана конструкция (рис. 6) и методика расчета (табл. 1) переносного магнитно-импульсного индуктора (подробная расшифровка переменных приведена в диссертации).

Рис. 6. Переносной индуктор:

1 — корпус,

2 — основание,

3 - кольцо,

4 - спутник,

5 - спираль,

6 -рукоятка,

7 - цапфа,

8 - винт,

9 ~ сердечник,

10 — скоба,

11 - клеммник,

12 — тумблер,

13 - светодиод,

14 - катушка

Таблица 1

Методика расчета переносного индуктора

Наименование и единицы измерения Расчетная формула

1 2

1. Средняя интенсивность деформации (19)

2. Удельная работа сил деформации, Дж/м3 а,

3. Объем деформируемой поверхности, м3 V = яг02Ит

4. Работа сил деформации, Дж А = агУ

5. Энергия накопителя, для создания упругой деформации, Дж К = А!г1уг1т

6. Собственная частота колебаний контура ГИТ, 1/с се = 1/Т^С

Продолжение таблицы 1

1 2

7. Рабочая частота импульса тока, 1/с

8. Относительный коэффициент затухания т _

11. Количество витков индуктора = П-<1/2кп

12. Энергия в индукторе и стенке при одном импульсе, Дж Ш ис~

13. Коэффициент, учитывающий ответвление энергии на нерабочую торцевую зону 1 77'~, И-с1(, .Л 1 +- 1п4--0,5 4л-АД В + с1 )

14. Энергия накопителя, Дж ГН=ЖНС/77/1-77,)

15. Разрядный ток, А / = ^/(4 + 4)

16. Разрядное напряжение, В и = /с

17. Магнитная индукция, Гс В = ИмН0

18. Давление магнитного поля, Н/м2 Р = В210^/(8^)

19. Площадь воздействия, м2 5 = 0,25 Ю2

20. Сила давления магнитного поля, Н

На основании методики разработан, рассчитан и изготовлен лабораторный переносной индуктор (рис. 7). Основные характеристики индуктора: Шн = 288,32 Дж; 7=31969 А; £/= 980,5 В; В = 1,81-Ю7 Тл; Р = 2,09-Ю7 Н/м2; 5= 0,02 м2; /<" = 420098 Н.

В шестой главе произведены экспериментальные исследования:

- деформации металлической поверхности во времени и пространстве в окрестности точки удара для выработки рекомендаций по оптимальному использованию разработанной ударной установки;

- по разрушению налипшего песчанно-цементного слоя на лабораторном стенде магнитно-импульсными ударными воздействиями для проверки расчетных данных.

Построен график зависимости степени колебательности и степени затухания (рис. 8):

У = С'~сСм -1-е-1-, (21)

где 1/7 - степень затухания; т - степень колебательности.

Определив из экспериментальных данных амплитуды С!...С) ; С,+/, рассчитываем степень затухания у/, затем из графика определяем степень колебательности т, логарифмический декремент затухания = 2лт и зависимость амплитуды колебаний от времени и расстояния до точки удара:

и = ивехр^-|^, (22)

и = и0ех (23)

Для получения осциллограммы колебаний металлической поверхности после импульсного ударного воздействия разработан и изготовлен лабораторный стенд (рис. 9) в состав которого входят:

- установка для создания ударных волн: переносной индуктор, установленный на металлической поверхности и генератор импульсов тока;

- пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи, установленные на металлической поверхности (рис. 10);

Рис. 8. Зависимость между степенью затихания и степенью колебательности.

Генератор импульсов тока

Переносной индуктор

Обрабат повер; ываемая <ность

Пьезоэлектрические датчики

Преобразователь

виброизмерительный

Предусилитель

Осциллограф

Блок питания

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Рис. 9. Функциональная схема испытательного стенда

Рис. 10. Испытательная поверхность с установленными индуктором и датчиками

Рис. 11. Осциллограмма колебаний металлической поверхности после ударного воздействия

- предусилитель;

- осциллограф двухлучевой;

- блок питания.

Эксперименты производились с регистрацией амплитуд и времени распространения волн деформации на различных расстояниях от точки удара.

В результате экспериментов получены осциллограммы затухающих колебательного процесса (рис. 11). Период колебаний составляет 0,6 мкс. По осциллограмме амплитуда первого и третьего отклонений Су = 25 мм; С3= 7 мм. Степень затухания: у/ = 0,72. Из графика (рис. 8) степень колебательности т = 0,2, логарифмический декремент затухания £ = 1,25. Результаты расчетов по (22) отражены на (рис. 12). При этом принято у0- 1.

Аналогично производится расчет и построение зависимости изменения амплитуды колебаний в пространстве по (23) (рис. 13).

Для пространственных колебаний плоской поверхности координата расстояния составила Ь = 300 мм, максимальные отклонения на разных расстояниях составили 25 и 17 мм, соответственно: у/' = 0,32; №'= 0,07; £ = 0,44 .

0.5 Т Т 1.5 Г 2Г Рис. 12. Изменение амплитуды колебаний во времени

Зависимости (рис. 12, 13) позволяют оценить, как быстро во времени и в пространстве убывает амплитуда колебаний, что необходимо для определения промежутка времени между ударами и точек нанесения ударов для эффективной очистки поверхности. Рекомендации по оптимальному расположению исполнительных органов - индукторов выработаны в результате анализа результатов исследований деформации металлической поверхности при воздействии на нее рабочим органом устройства. Амплитуда колебаний уменьшается в два раза через 0,33 мкс. Следовательно, для обеспечения непрерывной вибрации поверхности периоды ударов должны быть: ¡уд< 0,33 мкс.

Из анализа графика изменения амплитуды колебаний в пространстве следует, что для распределения обеспечения равномерности колебаний по поверхности индукторы должны быть расположены на расстоянии: Ьин < 1300 мм.

Для подтверждения расчетных данных по дезинтеграции материалов на лабораторном стенде произведены экспериментальные исследования разрушения налипшего слоя. Для этого на металлическую поверхность (лист размером 1,5 х 1,5 м; материал - сталь СтЗ, толщиной 3 мм) наносились слои строительного раствора различной прочности, компонентами которого являются вода, цемент и песок. Эксперименты производились со слоями различной толщины и прочности. Для разрушения налипшего слоя поверхность обрабатывалась им-

0.5£

1.5£

2.5£ И

Рис. 13. Изменение амплитуды колебаний в пространстве

пульсными ударными волнами, создаваемыми установкой: генератором импульсов тока и переносным индуктором. В результате экспериментов получены зависимости, характеризующее разрушение налипшего слоя от различных величин: толщины обрабатываемого слоя (5 = 5^20 мм), прочности материала обрабатываемого слоя (а = 50-Н50 кгс/см2), п - количества подаваемых импульсов («=1-И0).

Произведена статистическая обработка результатов измерений. Получена регрессионная зависимость числа адгезии у от толщины слоя 3, марки раствора сг и количества импульсов п:

у = 100% = ехр(5,13 -0,042 п- 0,009 «2)<5°-387о-о г45 (24)

со следующими статистическими показателями значимости регрессии: коэффициент детерминации - 90,1; стандартная ошибка - 8,56; средняя абсолютная ошибка - 7,45; статистика Дарбина-Ватсона - 1,23. В (24) Я1шр - площадь оставшихся загрязнений, 50 - начальная площадь загрязнения.

На рис. 14 показан трехмерный график зависимости числа адгезии от количества импульсов и прочности слоя при толщине 10 мм.

На рис. 15 - корреляция расчетного числа адгезии относительно экспериментального.

Рис. 14. Зависимость числа адгезии от количества Рис. 15. Корреляция числа адгезии импульсов и прочности разрушаемого слоя

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета сил адгезии пыли и порошков на внутренних поверхностях технологического оборудования. Оценена адгезионная и аутоге-зионная прочность аммиачной селитры.

2. На основе математического моделирования выведены критерии дезинтеграции адгезированных материалов и агломератов

3. Выведена формула расчета средней интенсивности упругой деформации металлических поверхностей

4 Получены соотношения, позволяющие определить необходимую для дезинтеграции силу ударной волны без остаточной деформации стенок технологических аппаратов.

5 Разработана методика расчета переносных электромагнитных излучателей для создания различных по силе ударных волн

6 Создана экспериментальная передвижная установка с переносным электромагнитным индуктором для обработки внутренних поверхностей технологического оборудования, позволяющая эффективно производить дезинтеграцию различных налипших материалов без остановки технологического процесса.

7 Экспериментально установлены закономерности дезинтеграции налипшего на стенки слоя различной толщины и прочности в аппаратах при воздействиях на него ударными волнами, созданными при помощи переносного электромагнитного излучателя - индуктора

8. Выработаны рекомендации для определения оптимальной расстановки индукторов на основании расчетных и экспериментальных данных для эффективной очистки поверхности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Кузьменко Н В. Дезинтеграция материалов на внутренних поверхностях технологического оборудования // Вестник ИрГТУ - Иркутск. ИрГТУ, 2007 - № 1 (29) - с.21 - 23

2 Кузьменко Н В , Маловичко М М Применение эффекта электромагнитного удара для стабилизации работы электролизера // Технические средства и системы управления производственными процессами1 Межвузовский сборник, -Братск БрИИ, 1991 -с 15-18

3 Кузьменко Н В, Маловичко М.М, Мангушев Д X Переносное электромагнитное устройство для очистки внутренних поверхностей технологического оборудования от загрязнений // Современные технологии и научно технических прогресс Тезисы докладов научно-технической конференции - Ангарск-АГТА, 1996 -с 86-87

4. Кузьменко Н.В., Маловичко М.М. Применение импульсных электромагнит-

ных полей для интенсификации химико-технологических процессов // Гидродинамика и явления переноса в двухфазных дисперсных системах: сборник научных трудов -Иркутск' ИрГТУ, 1996 -с 40.

5 Кузьменко Н В Проблемы адгезии в непрерывных технологических процессах // Современные технологии и научно технических прогресс. Тезисы докладов научно-технической конференции - Ангарск АГТИ, 1997 - с 113-115 6. Кузьменко Н.В. Адгезия в производстве аммиачной селитры // Тезисы докладов научно-технической конференции. Современные технологии и научно технических прогресс - Ангарск АГТИ, 1999 - с. 42.

7 Кузьменко Н В Индуктор для обработки криволинейных поверхностей // Тезисы докладов научно-технической конференции. Современные технологии и научно технический прогресс В 3 ч - Ангарск АГТА, 2004 - с. 82 - 83

8 Кузьменко Н В Расчет переносного индуктора // Сборник научных трудов В 2-х томах - Том Г Химическая технология Техническая кибернетика Транспорт и строительство - Ангарск АГТА, 2005 -с 271-276

9 Кузьменко Н В Асламов А А , Механические критерии дезинтеграции материалов на поверхностях технологического оборудования. // Сборник научных трудов В 2 томах Том Г Химия и химическая технология Техническая кибернетика Прочие науки - Ангарск АГТА, 2007 - с 263-267

Соискатель

Кузьменко Н.В.

Подписано в печать 24 09 07 Формат 60x84/16 Печать офсетная Уел печ л 1,25 Уч печ л 1,25 Тираж 100 экз Заказ 1010

Ангарская государственная техническая академия 665835, Ангарск , ул Чайковского, 60

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДЕЗИНТЕГРАЦИИ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ.

1.1. Классификация методов очистки.

1.2. Анализ способов и устройств дезинтеграции материалов при помощи импульсных электромагнитных полей.

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ АДГЕЗИИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ

К ПОВЕРХНОСТЯМ.

2.1. Классификация адгезии пыли и порошков.

2.2. Силы адгезии.

2.3. Зависимость сил адгезии от различных факторов.

2.4. Оценка величины адгезии.

2.5. Методика расчета сил адгезии пыли и порошков в технологическом аппарате.

2.6. Постановка цели и задач исследования.

3. АДГЕЗИЯ В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.

3.1. Анализ процессов адгезии ОАО АНХК.

3.2. Процессы адгезии при производстве аммиачной селитры.

3.3. Расчет силы адгезии частиц аммиачной селитры в конусе грану- 61 ляционной башни.

3.4. Экспериментальное определение аутогезионных сил слоя амми- 63 ачной селитры.

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ.

4.1. Вывод уравнения колебаний мембраны.

4.2. Решение уравнения колебаний прямоугольной мембраны.

4.3. Решение задачи колебаний экспериментальной поверхности.

4.4. Критерии дезинтеграции материалов на колеблющейся поверхности

4.4.1. Критерий отрыва монослоя.

4.4.2. Критерий разрушения налипшего слоя на изогнутой поверхности

5. РАЗРАБОТКА НЕСТАЦИОНАРНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УДАРНЫХ ВОЛН.

5.1. Электромагнитное возбуждение ударной волны и применение в технологических целях.

5.2. Установка для создания ударных волн.

5.3. Методика расчета нестационарного излучателя ударной волны -индуктора.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

6.1. Исследование деформации металлической поверхности во време- 115 ни и пространстве от точки удара.

6.1.1. Постановка задачи.

6.1.2. Проведение экспериментов.

6.1.3. Обработка результатов экспериментов.

6.2. Исследование дезинтеграции материалов при обработке переносным индуктором металлической поверхности.

Особенностью любого химико-технологического процесса является наличие значительного количества аппаратов, емкостей, бункеров, трубопроводов -всего оборудования, состояние внутренних поверхностей которого определяет сохранение работоспособности всего производства.

Отсутствие на внутренних поверхностях отложений и загрязнений является одним из факторов определяющих эффективность работы технологических аппаратов. Во время эксплуатации локальные участки внутренних поверхностей подвергаются адгезионным процессам - налипанием пыли и порошков. Вследствие этого нарушается чистота стенок, сужаются проходные сечения, изменяется гидродинамическая обстановка. Следствием налипания и сводообразова-ния неметаллических отложений и загрязнений на стенки технологического оборудования является нарушение технологического режима, снижение производительности процесса, или полная его остановка.

К производствам, требующим решения этих проблем, относятся нефтеперерабатывающие комплексы, имеющие непрерывный технологический процесс, все сопутствующие нефтепереработке химические производства; строительная индустрия (различные ДСК, заводы ЖБИ, БСУ, БРУ, цементно-горные комбинаты и пр.); пищевая промышленность (циклоны с мукой на элеваторах, хлебозаводы, молокозаводы и т.д.).

Адгезия частиц пыли и порошков обусловлена силами, которые зависят как от свойств контактирующих тел, так и от свойств окружающей среды. Силы адгезии - молекулярные, электрические кулоновские, капиллярные определяются различными физическими механизмами взаимодействия частицы и стенки, зависящими от свойств и состояния поверхности, внешних факторов, формы и размеров частиц, времени взаимодействия.

Дезинтеграция налипших материалов является одной из важных нерешенных проблем промышленного производства.

Существуют следующие методы дезинтеграции неметаллических материалов на внутренних поверхностях технологического оборудования: механический, физический, химический, физико-химический, химико-термический. Большинство перечисленных методов имеет ряд недостатков - сложность, ограниченные технологические возможности, незначительную эффективность, энергоемкость, необходимость остановки всего технологического процесса.

Наиболее эффективный метод очистки от различного рода отложений -механический, основанный на том, что очищаемую поверхность подвергают упругой деформации. Этот метод позволяет производить дезинтеграцию материалов на внутренних поверхностях технологических аппаратов без остановки процесса. Упругую деформацию осуществляют путем возбуждения в очищаемой поверхности одиночных механических импульсов при помощи электромагнитов или электромагнитных полей, с амплитудой колебаний, не превышающей значения, при котором механические напряжения в очищаемой поверхности достигают предела текучести или предела циклической прочности.

Недостатками магнитно-импульсных устройств, создающих деформацию, являются невысокая эффективность очистки т.к. не всегда есть возможность установить нужное количество исполнительных органов (индукторов), создающих ударную волну по технологическим условиям проведения процесса и из-за необходимости создания дополнительных конструкций. Стационарное размещение установки ограничивает возможность обрабатывать большое количество аппаратов и трубопроводов.

Таким образом, разработка и исследование устройств для дезинтеграции неметаллических материалов, образующих слой на внутренних поверхностях технологического оборудования является актуальной задачей.

Цель работы: стабилизировать эффективность гетерогенных процессов с дисперсной твердой фазой путем дезинтеграции поверхностных агломератов и отложений локальными упругими колебаниями, возбуждаемыми мобильным магнитно-импульсным индуктором.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- исследовать механизм процесса адгезии пыли и порошков на поверхностях технологического оборудования; разработать критерии дезинтеграции пылепорошкового слоя на поверхностях; теоретически и экспериментально исследовать влияние ударной волны на металлическую поверхность в условиях упругого деформирования; разработать методику расчета и конструкцию переносного индуктора для получения ударной волны необходимой силы;

- изготовить экспериментальную установку для исследования процессов дезинтеграции неметаллических отложений и загрязнений внутренних поверхностей аппаратов при помощи переносного индуктора;

- экспериментально изучить процессы дезинтеграции материалов на моделях аппаратов ударными волнами с электромагнитным возбуждением.

Научная новизна

1. Получен критерий отрыва от стенки адгезированных частиц пылепорошкового монослоя при ударном воздействии на стенку.

2. Получен критерий разрушения слоя налипших загрязнений при упругом деформировании стенки.

3. Получена необходимая для очистки энергия ударной волны, не вызывающей остаточной деформации стенки.

4. Получены формулы для оценки средней интенсивности деформации обрабатываемой поверхности при точечном ударном воздействии.

5. Разработана методика расчета электромагнитного индуктора для импульсного возбуждения упругих колебаний стенки.

6. Из условия равномерной обработки поверхности определены точки нанесения ударов и промежутки времени между ними.

7. Экспериментально установлены закономерности дезинтеграции налипших пылепорошковых материалов ударными волнами, возбуждаемыми переносным электромагнитным индуктором.

Практическая значимость. Предложенная методика расчета дает возможность определять оптимальные конструкционные соотношения для изготовления различных по назначению переносных электромагнитных индукторов.

Установка с переносным индуктором принята к внедрению на ОАО «Ангарский азотно-туковый завод» ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» (ОАО «АНХК»), Ожидаемый экономический эффект составляет 5540 тысяч рублей в год.

Создана экспериментальная установка с переносным электромагнитным индуктором для обработки внутренних поверхностей производственного оборудования без остановки технологического процесса.

Разработана и создана экспериментальная установка для исследования ударных волн на металлической поверхности.

Экспериментальная установка по применению импульсных электромагнитных полей в различных технологических целях используется в учебном процессе Ангарской государственной технической академии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них одна в издательстве, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения. В диссертации содержится 149 страниц машинописного текста, список литературы из 121 наименования, 22 таблицы, 39 иллюстраций и 3 приложения.