автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация механо-химических процессов в гетерогенных средах на основе дезинтеграторов с плоскими рабочими элементами

На правах рукописи

Лапшин Владимир Борисович

Интенсификация механо - химических процессов в гетерогенных средах на основе дезинтеграторов с плоскими рабочими элементами

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иваново 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО Ивановском государственном химико-технологическом университете, ФГ'ОУ ВПО Ивановской государственной сельскохозяйственной академии

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бобков С.П. доктор технических наук, профессор Зайцев А.И. доктор технических наук, профессор Колобердин В.И.

Ведущая организация:

Ивановский научно-исследовательский институт искусственных пленок и кож технического назначения.

диссертационного совета по защите докторских диссертаций при ГОУ ВПО Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, Иваново, пр. Энгельса, 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ИГХТУ

Защита состоится

2005 г. в «

» часов на заседании

Автореферат разослан "____„2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физико - математических наук

профессор Зуева Г.А.

1/7 М(Г

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Повышение эффективности производства является важнейшей составной частью экономической стратегии страны и, в конечном счете, выражается в увеличении выпуска продукции высшего качества с наименьшими затратами. Это достигается путем технического перевооружения, широкого внедрения прогрессивных технологий и оборудования.

Для повышения интенсивности гетерогенных процессов с участием твердых фаз необходимо стремиться к увеличению их поверхности. Поэтому в настоящее время для химической промышленности многие продукты получают в тонкодисперсном состоянии, причем требования к дисперсности порошков непрерывно возрастают.

Увеличение объемов и дисперсности измельчаемых материалов приводит к резкому повышению энергозатрат. Поэтому использование более экономичных и эффективных способов измельчения, а также конструкций измельчающих машин, является чрезвычайно актуальной задачей.

Особенностью процесса тонкого измельчения абразивных материалов является интенсивный износ рабочих органов мельниц, что естественно снижает надежность работы машин и приводит к дополнительным затратам на изготовление и замену рабочих органов. Поэтому повышение надежности оборудования при измельчении абразивов также является одной из актуальных задач.

Важной задачей является получение порошков заданного узкого гранулометрического состава, потребность в которых возрастает во многих отраслях промышленности. Экономически наиболее целесообразно создание измельчителей с эффективной классификацией материалов непосредственно в процессе их измельчения.

Современной тенденцией при разработке аппаратуры химических производств является совмещение технологических процессов при получении различных дисперсных материалов. Объединение процессов измельчения, активации, классификации и смешения в аппарате-измельчителе интенсифицирует технологию обработки дисперсных композиций.

Несмотря на большое количество исследований проведенных в области механической активации, в настоящее время теория, позволяющая с достаточно хорошей точностью прогнозировать ход процесса активирования дисперсных материалов, развита недостаточно.

Диссертационная работа выполнялась в рамках постановления ГКНТ СССР от 13.12.82 г. № 539 „Создание и освоение в отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для механической активации и измельчения минерального сырья и материалов", а так же в рамках постановления ГКНТ СССР от 11.03.87 г. № 68 "Создание и освоение в отраслях народного хозяйства технологий и п^ппиииа ппа "р-^чнической активации и измельчения минерального сы 80 года и

по настоящее время тематика, связанная с разработкой техники и технологий переработки материалов в измельчителях ударного действия является составной частью комплексного плана научно - исследовательской работы Ивановской сельскохозяйственной академии, проводимой по планам Главного управления высших учебных заведений МСХ РФ.

Цель работы:

Совершенствование процессов химических технологий с использованием дезинтеграторов с плоскими ударными элементами.

Научная новизна:

1. С использованием трех различных подходов разработана полуэмпиричсская математическая модель процесса механической активации дисперсных материалов при многократном ударном нагружении, описывающая изменение их свойств, как в процессе ударного нагружения, так и с учетом релаксационных явлений, которая позволяет оптимизировать режимы активирования при получении материалов с заданными свойствами,

2. Разработана математическая модель движения пленки жидкости под действием импульса сжатого воздуха, позволяющая оценит толщину пленки жидкости в момент перехода ее из турбулентного режима течения в ламинарный.

3. Разработана полуэмпирическая математическая модель процесса улавливания вредных газов из воздушных потоков, при их хемосорбции в объеме дезинтегратора.

4. Предложен метод расчета оптимального количества плоских ударных элементов в каждом ряду дезинтегратора в зависимости от режимов работы дезинтегратора физико - механических свойств измельчаемого материала и воздушной среды, рассчитанных скоростей и углов встречи частиц с рабочими элементами, а также геометрических параметров измельчителя.

5. Предложены зависимости для определения максимальной производительности традиционных мельниц дезинтеграторного типа и сепарационных мельниц дезинтеграторного типа.

6. Получена зависимость для определения граничного размера часгиц готового продукта сепарационной мельницы дезинтеграторного типа.

7. Обнаружено явление интенсивного процесса сорбции паров влаги из воздушной среды материалами, измельчаемыми в дезинтеграторе и влияние их на свойства конечного продукта.

Практическая ценность:

1. Разработан ряд мельниц дезинтеграторного типа, предназначенных для обработки дисперсных материалов. 13 конструкций защищены авторскими свидетельствами СССР;

2. Разработан инженерный метод расчета дезинтеграторов с плоскими ударными элементами и метод расчета дезинтегратора с внутренней сепарацией.

3. Показана целесообразность и эффективность использования мельниц дезинтеграторного типа для целого ряда различных производств: активации полимерных материалов и композиций на основе полимеров, для проведения

химических реакций, в технике получения высокодисперсных порошков, для обработки наполнителей в технологии получения переплетных материалов и искусственных кож, а так же в качестве абсорбера и мокрого пылеуловителя.

Автор защищает:

1. Математическую модель процесса активации дисперсных материалов в результате механической обработки.

2. Математическую модель конструктивного расчета дезинтеграторов с плоскими ударными элементами;

3. Математическую модель определения граничного размера частиц продукта сепарационной мельницы;

4. Математическую модель движения пленки жидкости под действием импульса сжатого воздуха.

5. Математическую модель абсорбции оксидов азота из воздушного потока.

6. Результаты экспериментальных и опытно-промышленных исследований процесса измельчения, смешения, активации, химического синтеза и абсорбции газов в мельницах дезинтеграторного типа.

7. Конструкции мельниц и активаторов дезинтеграторного типа.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты

диссертационной работы доложены и обсуждены на пяти Международных конференциях, на девяти Всесоюзных конференциях, на конгрессе химиков-тексгильщиков России, на четырех Всесоюзных совещаниях, на шести Всесоюзных и республиканских семинарах и на одиннадцати региональных и областных конференциях и совещаниях.

Публикации. По теме работы опубликовано 119 печатных работ, из них 13 авторских свидетельств на изобретения и патент РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованных источников (наименование работ отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Работа изложена на 387 стр., содержит 139 рисунков и 26 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, указана научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены вопросы активации материалов в процессе измельчения и методы ее оценки. Дан анализ конструкций ударно-центробежных мельниц. Рассмотрена теория работы ударно-центробежных мельниц. Основное внимание уделено таким вопросам, как движение материальных потоков и расчет траекторий движения частиц материала в ударно - центробежных измельчителях, расчет оптимального количества рабочих элементов и производительности ударно-центробежных измельчителей. Рассмотрены вопросы, связанные с теоретическими и экспериментальными исследованиями процесса износа рабочих органов измельчителей.

Во второй главе представлены расчеты конструктивных и режимных параметров мельниц дезинтеграторного типа.

Определены скорости и уравнения движения материалов по плоской лопатке, закрепленной на плоском или конусном диске и установленной радиально или повернутой на некоторый угол без учета и с учетом сил трения отдельно для каждого ряда пластин.

Проведен расчет необходимого количества плоских ударных элементов в каждом ряду, установленных радиально и повернутых на некоторый угол относительно радиуса диска в сторону вращения, исходя из условия отсутствия проскока частиц измельчаемого материала через каждый последующий ряд ударных элементов.

В случае наклонных пластин на угол у относительно радиуса диска в сторону вращения расстояние между ударными элементами (рис.1), определяется путем суммирования двух отрезков.

Í". Ь

L, = 2R, sin-2

arcsin

+ - eos y v 2

, jcosa

R, ^cosv,

2 2

ÍR,+b

+ arcsin-

eos y, cosa

, sinY3

n b

R, + 2Cosy3

+ arcsin

D b R, - cosy3

- + y, - ф

L,=

r.2 Ь 2

r, + —COSV, jcosa

arcsin-------arcsin

b

R2--cosy2

[Ri+|cosy,|

cosa

R2+-cosy2

о b

R,+-cosyi

V,

cosa

(2)

Одной из основных характеристик мельницы является ее производительность. Производительность мельницы за счет действия центробежных сил при непрерывном поступлении материала может быть определена по следующей формуле:

<Зц=ес!ср С2,Уотнр, (3)

где е - коэффициент, учитывающий разбег частиц в центробежном поле, с1ф- средний размер частиц материала в м, с - расстояние между роторами в м, Ъ\ - число ударных элементов в первом ряду, У0,„ - скорость движения материала по ударному элементу, р - насыпная плотность материала в кг/м3.

С целью интенсификации процессов измельчения и классификации материалов, а также совмещения их в одной машине, были разработаны дезинтеграторы с нетрадиционной механикой движения измельчаемого материала от периферии мельницы к ее центру.

На рис.2 показаны три схемы ударных элементов, используемых в дезинтеграторах с классификацией. Анализ дифференциальных уравнений движения частиц материала по стенкам сепарационных каналов показал, что частица измельчаемого материала "остановится" и не будет перемещаться по стенке сепарационного канала при относительной скорости Уот„ - 0. Определен граничный диаметр частиц, классифицируемый в сепарационном канале мельницы для всех трех схем (рис.2).

Под граничным диаметром будем понимать максимальный размер частиц готового продукта.

Для ударного элемента, у которого классификационный канал расположен внутри его, необходимо учитывать, что нормальному режиму классификации материала в сепарационном канале (отсутствует забивание каналов) должно соответствовать следующее условие:

2r2 COSa2+r? sinazf>2r, cosa, -r, sina.f (7)

Показано, что при разделении зон ударного нагружения и сепарации (схемы б,в) качество сепарации выше по сравнению со схемой (а)

а) плоский ударный элемент, б,в) ударные элементы с внутренними каналами Рис.2. Схема для определения граничного диаметра частиц продукта

При условии, что в зазор между соседними ударными элементами частицы измельчаемого материала с максимальным размером с1тах могут проникать лишь в один ряд, и что частицы материала успевают проникнуть в зазор на всю высоту ударных элементов Ь, максимальная производительность сепарационной мельницы, определяется из выражения:

О = ЧсиЬ2 = , (8)

2кгсо

где У3 - скорость загрузки в м/с; <1ММ - максимальный диаметр загружаемых частиц; Ь, к, длина и толщина ударного элемента в м; 7. - число ударных элементов; Н - высота падения частиц загружаемого материала до встречи с ударными элементами в м; Я - радиус установки ударных элементов; со -угловая скорость вращения ротора в с"1.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований мельниц дезинтеграторного типа.

Проверка предложенной методики определения необходимого числа плоских ударных элементов проводилась экспериментально путем

исследования влияния количества пластин на процесс измельчения и их удельный износ.

Затем исследовано влияния угловой скорости роторов мельницы на степень измельчения кварцевого песка и удельный износ ударных элементов в зависимости от производительности. Установлено наличие практически линенйной зависимости между степенью измельчения, удельным износом и квадратом числа оборотов.

■| = 4,7 10^п'%<Эч>ь ; W = 9,61(r8n,toQч>", (9,10)

Уравнения (9,10) справедливы в пределах: п = 63+113 об/с, <3 = 0,01 + 0,2 кг/с. Отношение удельного износа к степени измельчения в соответствии с уравнениями дает зависимость вида:

- =2Ю^П-00,<Э ою (11)

1

Из полученного выражения видно, что влияние скорости движения рабочих органов и производительности мельницы незначительно сказывается на соотношение между удельным износом и степенью измельчения

Для оценки экономичности измельчения использован параметр, определяемый как удельный расход энергии на размол, приходящийся на единицу степени измельчения N/01 Чем меньше этот показатель, тем экономичнее процесс измельчения. Так, например, этот показатель для речного песка имеет практически постоянное значение 4,7±0,5 кДж/кг, для поваренной соли 2, корунда 23, фосфористой бронзы 128.

В рассматриваемых мельницах использованы в основном плоские ударные элементы, причем, число их в каждом ряду выбрано таким образом, чтобы на ударном элементе можно выделить два участка: ударный и разгонный. С целью сравнительной оценки изностойкости, рабочие органы мельницы были изготовлены из широко распространенных сталей различных марок и разной твердости. Результаты испытаний показали, что порядок удельного износа ударных элементов для широкого диапазона измельчаемых материалов одинаков, что согласуется с данными других авторов, а значит, с экономической точки зрения нужно ориентироваться на не дорогие и доступные стали.

Аппроксимация экспериментальных данных степенным рядом дает уравнение следующего вида:

=2,3410-4уМ2д-°-28н^9Он»,79Р0'71 , (12)

где - удельный износ ударного элемента в мг/т, V - скорость ударных элементов в м/с, О - производительность мельницы в кг/с, На - твердость абразивных частиц измельчаемого материала по шкале Мооса, Нм - твердость материала ударных элементов по Роквеллу, р - угол атаки ударного элемента частицами измельчаемого материала в град. Средняя относительная погрешность составляет 1,4%. Это уравнение справедливо в следующих пределах: V = 20 + 70 м/с, О = 0,01 + 0,2 кг/с, На= 4 + 9, Н„- 47+ 84 НЯА, р = 50 + 95 град.

Полученный экспериментальный материал позволил связать между собой степенной зависимостью частоту вращения роторов, степень измельчения, производительность и прочность измельчаемого материала:

{ = 4,1105п1,75рЧ)'2|ав~2'14 , (13)

где - предел прочности измельчаемого материала на сжатие в кг/см2.

Средняя относительная погрешность составляет 5,9%. Это уравнение справедливо в пределах: \ = 2-г20, О = 0,02 0,2 кг/с, ст, = 103 -ь 2,5 103 кг/см2.

В таблице 1 в качестве примера приведены результаты сравнительных испытаний мельниц при измельчении кварцевого песка. Лучшие показатели имеет разработанная нами центробежная мельница дезинтеграторного типа.

Таблица 1. Сравнительные характеристики ряда измельчителей при _ измельчении речного песка__

Типы мельницы Приведенный удельный расход энергии N/(31 Приведенный к степени измельчения удельный износ

кДж/кг % (кг/кг) 10"4 %

Разработанная центробежная мельница дезинтеграторгного типа 4,2 100 2,7 100

Дисмемебратор с плоскими ударными элементами 4,3 114 2,8 104

Дезинтегратор с плоскими ударными элементами 5,8 138 3,0 111

Трехступенчатая мельница ударно-отражательного действия 6,0 143 2,1 78

Дезинтегратор с круглыми пальцами 6,4 152 3,3 121

Необходимо отметить, что для трехступенчатой мельницы ударно-отражательного действия удельный износ минимален. Это объясняется методикой эксперимента. Определялся износ только ударных элементов. В дезинтеграторах в износе участвуют преимущественно пальцы и износом корпуса можно пренебречь. В мельнице ударно-о гражательного действия, наряду с износом ударных элементов изнашивается и корпус.

Одним из основных путей повышения конструктивной изностойкости и увеличения параметра работоспособности является оптимизация формы ударных элементов. Исследованы при равных условиях ударные элементы различной геометрической формы (рис. 3). Круглые пальцы имели такую же свободную рабочую поверхность, что и плоские. Измельчаемый материал -речной песок со средним диаметром исходных частиц 500 мкм.

Результаты экспериментальных исследований показали, что поворот плоских ударных элементов в сторону направления вращения роторов на углы, рекомендованные в данной работе, позволяет улучшить все удельные характеристики по сравнению с дезинтеграторами с круглыми или радиальными плоскими ударными элементами.

Направление движения ударных элементов. Рис. 3. Форма ударных элементов.

Использование ударного элемента изогнутой формы, способствующей созданию на элементе подложки из измельчаемого материала не выявило преимуществ его по сравнению с плоским ударным элементом. Поворот ударных элементов на 180° также ничего не дал.

Увеличение межремонтного цикла, а значит, и срока службы мельниц дезинтеграторного типа достигается увеличением ресурса работоспособности плоского ударного элемента. Устанавливая плоские ударные элементы на разных рядах под различными углами к радиусу диска, можно получить практически равный износ всех элементов, что увеличивает межремонтный период мельницы в 1,5+2 раза при одинаковой тонине продукта помола по сравнению с дезинтегратором с радиально расположенными пластинами. Реализация равного износа всей поверхности плоских элементов путем применения материалов с изменяющейся изностойкостью по длине ударного элемента также приводит к увеличению ресурса его работы в 1,5+2 раза.

В работе приведены результаты исследований дезинтегратора, изготовленного с учетом разработанных методик по его расчету.

С ростом производительности наблюдается снижение темпа роста потребляемой мощности. Это связано с различным временем пребывания измельчаемого материала в объеме дезинтегратора. Время пребывания оценивали по величине постоянной времени Т, определяемой по кривой изменения тока в цепи электродвигателей при ступенчатом изменении подачи материала. Время пребывания измельчаемого материала в дезинтеграторе уменьшается с ростом производительности и уменьшением частоты вращения роторов. Полные энергозатраты, отнесенные к единице степени измельчения, резко уменьшаются с ростом производительности. Они уменьшаются и при увеличении скорости вращения роторов при постоянной производительности. Это объясняется тем, что темп роста степени измельчения при увеличении скорости вращения роторов выше темпа роста полных удельных энергозатрат. Следовательно, для эффективного проведения процесса измельчения в дезинтеграторе необходимо эксплуатировать его при производительности, близкой к максимальной, которую можно вычислить по уравнению (3).

Исследовано влияния крупности исходного материала на характеристики процесса измельчения в дезинтеграторе. С ростом размера исходных частиц при постоянном числе оборотов роторов дезинтегратора степень измельчения возрастает, удельный износ ударных элементов до определенного значения крупности растет, а затем практически не зависит от размера исходных частиц измельчаемого материала. В то же время удельный износ ударных элементов, отнесенный к единице степени измельчения, с ростом размера частиц снижается. Поэтому с точки зрения износа рабочих органов дезинтегратора необходимо стремиться к тому, чтобы на измельчения поступал материал с максимально низким содержанием тонких фракций.

При постоянной производительности и тонине готового продукта увеличение крупности исходного материала требует прямо пропорционального увеличения энергии, затрачиваемой на измельчение.

Для оценки диапазона размеров исходных частиц, в котором дезинтегратор будет работать наиболее эффективно, введен показатель степени измельчаемости материала, который представляет собой отношение изменения среднею диаметра в процессе измельчения к среднему диаметру исходных частиц:

а«* 1

Чем выше степень измельчаемости, тем лучше размолоспособность измельчителя. Степень измельчаемости может принимать значения от 0 до 1.

Сравнивая грансостав материала, покидающего какой-либо ряд, с грансоставом поступающего на этот ряд материала убеждаемся, что относительная степень измельчения на каждом отдельном ряду будет уменьшаться. Это вызвано тем, что при движении к периферии мельницы материал измельчается все хуже вследствие уменьшения размеров частиц. Темп измельчения при переходе с ряда на ряд снижается, несмотря на то, что скорость нагружения от ряда к ряду возрастает.

При переходе с одного ряда ударных элементов на другой для сохранения значения кинетической энергии необходимо увеличить скорость движения в Л = 1,41 раза. Предложено длину ударных элементов определять из выражения:

Ьк =1,4Г"|Ь1 , (15)

где Ь„ - длина ударного элемента на к - м ряду, к - порядковый номер ряда от центра дезинтегратора, Ь,- длина ударного элемента в первом ряду.

На основании выше изложенного нами разработан дезинтегратор с плоскими ударными элементами переменной длины, которая возрастает от центра дезинтегратора к периферии, при этом удельные энергозатраты, при измельчении снизились на 11% по сравнению с дезинтегратором с плоскими ударными элементами одинаковой длины.

Новые технологические решения связаны, в том числе, с переходом на принцип совмещения нескольких стадий получения продукта в рабочем

объеме одного аппарата. Разработан дезинтегратор - смеситель. Приведены результаты исследований по измельчению материалов различной прочности и их смешению в таком дезинтеграторе. Коэффициент неоднородности для пробы весом в один грамм не превышает 1,2%.

Нами с целью интенсификации процессов измельчения и классификации материалов, а также совмещения их в одной машине, был разработан ряд мельниц дезинтеграторного типа. В опытах исследовалось влияние частоты вращения роторов (16,5 -г- 83,5 об/с) и расхода воздуха (скорости воздуха в сепарационных каналах 0 + 20 м/с) на максимальный размер частиц готового продукта Анализ экспериментальных данных показал, что полученный из опытов граничный диаметр частиц продукта помола согласуется с расчетными данными по уравнениям (4 -5- 6). Среднее отклонение расчетных значений от опытных не превышало 10%. Максимальный размер частиц продукта, практически не зависит от гранулометрического состава исходного материала, а зависит лишь от расхода воздуха и скорости нагружения материала. С ростом скорости нагружения материала, удельные энергозатраты на размол снижаются, поэтому мельница эффективнее работает при более высоких скоростях вращения роторов.

В четвертой главе представлено математическое моделирование процесса активации материалов при обработке их в дезинтеграторе. Накопление энергии в процессе обработки материала проявляется в изменении ряда его физико-химических характеристик. К таким характеристикам можно отнести молекулярную массу, коэффициенты диффузии, скорость протекания реакций, концентрация отдельных веществ и т.д. Для описания процесса механической активации приняли гипотезу утверждающую, что скорость изменения какой-либо физической величины, характеризующей свойство обрабатываемого материала, прямо пропорциональна его движущей силе. Представили наиболее характерные изменения произвольного свойства вещества в процессе его механической обработки по аналогии с изменением скоростей химических реакций. В результате получили ряд математических моделей описывающих процесс активации. Остановимся на наиболее сложном варианте, в котором изменение свойств материала в процессе его активации проходит через максимум или минимум. Это указывает, что на изменение свойства материала оказывают влияние, по крайней мере, два явления. Одно из этих явлений приводит к увеличению рассматриваемой величины, другое - к ее уменьшению. Зачастую как рост, так и уменьшение изучаемой величины подчиняются экспоненциальному закону. В этом случае уравнение изменения исследуемой величины удобно представить в виде:

А = А0е-к'№+Ак(1-е-м*), (16)

где: Ак - максимально возможное значение приращения исследуемой величины за счет активации. Использование уравнения (16) требует информации о значении величины А^

Рассмотрим вопрос о движущей силе процесса активации. Ее значение определяется скоростью нагружения обрабатываемого материала. Однако, как показали эксперименты, существует некоторая "пороговая" скорость, до значения которой эффект механической активации практически не проявляется. Выразим движущую силу процесса в следующем виде:

\Л/ = (V - У0)Г , (17)

где: V - скорость встречи частицы материала с ударным элементом; У0 - некоторая пороговая скорость, определяемая экспериментально (У>У0); ш - эмпирический коэффициент.

В уравнение (16) входит величина времени активации. В общем случае процесс активации в измельчителях ударного действия является дискретным, поэтому время активации удобно оценивать числом нагружений или числом операций. Тогда уравнение (16) можно представить в виде:

А = А0е

-к.Е^-У«, Г

+ А.

1-е

(18)

Предложенный подход применим и для других случаев, в которых накопление необратимой доли энергии подчиняется другим законам.

Известно, что энергия механической активации не остается постоянной после прекращения механической обработки, а убывает по экспоненциальному закону. В связи с этим зависимость исследуемого свойства активированного материала от времени представим в виде:

V Т "V

Ар — А — Ак

где: т - текущее время,

1-е

-кда-ч, Г

1-е

Тр - постоянная времени

(19)

процесса релаксации.

Величина Тр - определяется графической обработкой опытных данных.

Таким образом, используя предложенную математическую модель процесса активации материалов в мельницах ударного действия, можно рассчитать значения исследуемых свойств активированного материала в любой момент времени после окончания обработки.

В главе 5 приведены результаты исследований процесса механо -химической активации поливинилхлорида - эмульсионного (ПВХ-Е).

В опытах измерялись или рассчитывались аналитически следующие характеристики: энергия активации дегидрохлорирования (дериватограф (}-150(Ш), ИК - спектры получены на спектрометре ЯРЕСОЯП 75-111, спектры ЯМР'Н получали на спектрометре ТЕБЬА В8 567 (100 МГц), тангенс угла диэлектрических потерь определяли при помощи измерителя добротности Е9-4, динамическая вязкость 0,5% раствора ПВХ-Е в циклогексаноне определялась при помощи капиллярного вискозиметра типа ВПЖ-2, РН водных вытяжек системы ПВХ-Е - Н20 измеряли с помощью иономера ЭВ-74, среднюю молекулярную массу полимера определяли с помощью метода фракционирования дробным осаждением.

Изменение рН водных вытяжек системы ПВХ-Е - Н20 в зависимости от кратности обработки ПВХ-Е в дезинтеграторе носит экстремальный характер. Аналогичные зависимости получены по целому ряду показателей (средняя молекулярная масса, тангенс диэлектрических потерь, приращение оптической плотности по ИК-спектрам, энергия элиминирования НС1). Наличие экстремального значения рН после однократной обработки указывает на максимальный выход из ПВХ-Е в водную среду ПАВ, которые в результате гидролиза и увеличивают щелочность среды. Снижение рН среды при увеличении кратности обработки вызывается нейтрализацией щелочи хлористым водородом, который выделяется при деструкции ПВХ.

Влияние кратности обработки ПВХ-Е в дезинтеграторе на содержание НС1 в поливинилхлориде выявлено по результатам термогравиметрических исследований. С увеличением кратности обработки снижается содержание хлористого водорода в полимере, что подтверждается также уменьшением отношения интегральных интенсивностей резонансных линий (площадей, ограниченных их контурами), соответствующих группам СНС1 и СН2 полученных методом ЯМР'Н.

Проведены спектрофотометрические исследования эмульсионного ПВХ на спектрометре БРЕССИШ 75-1 Я. Максимум приращения оптической плотности соответствует однократному пропусканию в дезинтеграторе, что находится в согласии с наличием экстремальных значений вязкости растворов ПВХ-Е в циклогексаноне.

Наблюдаемое на опыте приращение оптической плотности образцов ПВХ после нагружения эквивалентно увеличению концентрации молекул (связей). В реальном образце молекулы вещества находятся в окружении других молекул и взаимодействуют с ними. Для полимеров ПВХ-Е характерно образование глобул, мицелл и т.д. Наличие взаимодействия в таких образованиях между различными специфическими группами молекул на ИК-спектре проявляется в уширении полос поглощения. Интенсивная механическая обработка должна сопровождаться ростом энергетического уровня фрагментов молекулярных образований с изменением их укладки. Просходят конформационные превращения. Можно утверждать, что при этом образуются более открытые структуры с большим запасом свободной энергии и с меньшим межмолекулярным взаимодействием. Соответственно в ИК-спектре можно ожидать после нагружения сужение полос поглощения и соответствующее увеличение оптической плотности образцов. Развитые представления находят подтверждение в ИК-спектрах.

В работе методом фракционирования дробным осаждением найдено молекулярно-массовое распределение эмульсионного поливинилхлорида при его обработке в дезинтсчраторе. При механическом нагружении средняя молекулярная масса снижается. Однако при однократной обработке средняя молекулярная масса возрастает. Имеет место аномалия. Увеличение структурной вязкости в этом случае может указывать на увеличение взаимодействия ПВХ-Е с циклогексаноном. Энергия механического

нагружения, связанная с процессом измельчения, расходуется на разрушение агрегатов и конформационные превращения макромолекул.

Определенным свидетельством такого представления служит и возрастание пикнометрической плотности после однократной обработки. Нельзя исключить и возможность протекания процессов сополимеризации в процессе измельчения ПВХ-Е с присутствующим в нем ПАВ.

Об увеличении подвижности молекул ПВХ-Е свидетельствует и наличие экстремального значения тангенса угла диэлектрических потерь после однократного нагружения. С увеличением числа циклов обработки ПВХ-Е в дезинтеграторе tgЬ снижается вследствие деструктивных процессов, протекающих в полимере.

Поскольку молекулярная масса ПВХ-Е определяется по вязкости раствора полимера в циклогексаноне, то в дальнейшем мы будем оперировать непосредственно с данными, полученными при измерении вязкости. Полученные нами зависимости вязкости растворов ПВХ-Е в циклогексаноне от кратности обработки в дезинтеграторе и скорости нагружения носят экстремальный характер (рис.5, кривая 1; рис.6., кривая 1). Из рис. 6 устанавливаем, что изменение вязкости растворов ПВХ-Е начинается с некоторой скорости нагружения У0 Экспериментально установлено, что эта скорость равна 55 м/с. Изменение вязкости от времени хранения ПВХ-Е представлено на рис.7.

Чело циклов обработки ГВХ-Е

1 -по уравнению (24), 2 -по уравнению (21), 3 -из опыта, 4 -сумма (21 и 25) Рис.5. Зависимость вязкости растворов ПВХ-Е в циклогексаноне от числа циклов обработки полимера в дезинтеграторе

Растворы высокомолекулярных соединений не подчиняются законам Ньютона. Отклонение вязкости растворов высокомолекулярных соединений от законов течения, которым подчиняются низкомолекулярные вещества, объясняется особенностями гидродинамики систем, содержащих вытянутые и гибкие макромолекулы, и наличием в них ассоциатов и легкоразрушаемых структур.

О

х. 1,5 -

I 0,5 ос

00 0 -О

50 100 150 200 250

Скорость нафужения, м/с

1 -по уравнению (25), 2 -по уравнению (23), 3 -из опыта, 4 -сумма (23 и 25) Рис.6. Зависимость вязкости растворов ПВХ-Е в циклогексаноне от скорости нагружения полимера в дезинтеграторе

1,3 накопленная энергия по уравнению(34).

2 - один цикл обработки, 4 - восемь циклов обработки.

Рис.7. Зависимость вязкости растворов ПВХ-Е в циклогексаноне от времени хранения обработанного полимера

На конформацию макромолекул в растворе большое влияние оказывает природа растворителя. Однако ассоциация поливинилхлорида в циклогексаноне практически отсутствует. На вязкость растворов полимеров оказывает влияние, как молекулярная масса, так и строение полимера. Таким образом, при обработке ПВХ-Е в дезинтеграторе имеют место физико-химические процессы, ведущие как к повышению, так и к снижению вязкости растворов ПВХ-Е. Процессы дегидрохлорирования, разрыва молекул, приводят к снижению вязкости, а образование органических кислот и сополимеров - к повышению. Причем эти процессы необратимы. Конформационные превращения макромолекул способствуют росту вязкости

о

12 3 4

Время, с10^

растворов ПВХ-Е и носят обратимый характер. Экспериментальные данные (рис.5-7) позволили определить неизвестные коэффициенты уравнений (1920). Кривые, полученные путем аналитического решения уравнений, показали, что погрешность между экспериментальными данными и расчетными не превышает 10%. Модель не учитывает влияние температуры на ход процесса активации полимера. При этом большая погрешность свыше 10% появляется при скоростях нагружения превышающих 150м/с. Фактическое снижение вязкости больше расчетного может быть объяснено следующим образом. Известно, что для разрыва С-Н связи требуется энергия около 419 кДж/моль, а в присутствии молекулярного кислорода - 126-И 89 кДж/моль. Кислород мало влияет на направление реакции разложения ПВХ и их скорость, если механическое поле воздействует на полимер при низких (80 - 100°С) температурах. В дезинтеграторе в процессе обработки ПВХ-Е при скоростях нагружения 170 м/с и выше развиваются температуры свыше 100 С и кислород ускоряет деструкцию полимера. Одновременно развиваются процессы окисления. Снижение расхода перманганата калия на титрование с ростом скорости нагружения подтверждает наличие процессов окисления.

Нами проведены термогравиметрические исследования эмульсионного ПВХ. Энергия активации термического разложения ПВХ-Е, которая практически не отличается от энергии активации процесса разрушения ПВХ-Е, определена применительно к реакции дегидрохлорирования. Зависимость изменения энергии активации элиминирования НС1 от кратности обработки представлена на рис.8.

1 - обратимая часть, 2 - необратимая часть, 3 - изменение энергии активации элиминирования НС1 из опыта, 4 - изменения энергии активации элиминирования НС1 по уравнению (33). Рис.8. Зависимость изменения энергии активации элиминирования НС1 в ПВХ-Е от кратности обработки

Из рисунка устанавливаем, что при каждом последующем цикле нагружения ПВХ-Е в дезинтеграторе изменение энергии активации элиминирования НС1 снижается. Проявляются емкостные свойства объекта.

Более сложный характер носит зависимость изменения энергии активации элиминирования НС1 как функции скорости ПВХ-Е (рис.9). Имеется пороговая скорость нагружения (55 м/с), ниже которой изменение энергии активации элиминирования НС1 практически не происходит.

s л

s | о 50 100 150 200 250 Скорость нагружения, м/с

1 - изменение энергии активации элиминирования HCl из опыта, 2 - изменение энергии активации элиминирования HCl по уравнению (33) Рис.9. Зависимость изменения энергии активации элиминирования HCl от скорости нагружения

На рис.10, показана кинетика релаксации показателя изменения энергии активации элиминирования HCl в ПВХ-Е.

§ 40 2

I 30

I 20

I 10

№ w . .4

К з vL ш

Время, с 106

1,2 - два цикла обработки. 3,4 - шесть циклов обработки, 1,3- изменение энергии активации элиминирования HCl из опыта, 2,4- изменени энергии активации элиминирования НС! по уравнению(34) Рис.10. Кинетика релаксации показателя изменения энергии активации элиминирования HCl в ПВХ-Е

Необходимо выделить обратимую и необратимую доли изменения энергии активации элиминирования HCl. Первая обусловлена конформационными изменениями, вторая - химическими превращениями в активированном полимере.

Таким образом, на примере изменения вязкости растворов ПВХ-Е и энергии активации дегидрохлорирования адекватность предложенной математической модели процесса механической активации дисперсных материалов. Расчеты по уравнению показывают, что, увеличивая скорость нагружения, можно за минимальное количество циклов обработки максимально увеличить значение вязкости растворов ПВХ-Е. Если число циклов обработки более одного, то скорость каждого последующего нагружения должна возрастать. При этом надо иметь в виду, что температура в дезинтеграторе не должна превышать 80-И00°С во избежание термической деструкции поливинилхлорида.

Использование однократно обработанного в дезинтеграторе ПВХ-Е при скорости 140 м/с, когда накопление энергии связано, в основном, с конформационными изменениями (около 90%), позволяет повысить физико-механические показатели искусственных пленок. Дальнейшая обработка ПВХ-Е снижает характеристики готовых изделий, так как развиваются процессы деструкции. Обратимая доля накопленной в полимере энергии должна быть использована в технологии получения искусственных пленок и кож. Вывод: использование ПВХ-Е, обработанного в дезинтеграторе и имеющего наибольшее значение вязкости растворов в циклогексаноне, а значит и максимальное взаимодействие с пластификаторами, позволяет повысить качество готовых изделий (табл.2).

Таблица 2. Физико - механические показатели пленок

Наименование показателей Вязкость растворов ПВХ-Е, Н с/м

исходный обработанный

2,10 2,42 2,38 2,32

1. Прочность при разрыве, МПа 9,9 11,5 10,2 9,0

2. Удлинение при разрыве, % 210 250 220 195

3. Сопротивление раздиранию, кН/м 8,5 13,0 11,2 6,6

4. Усадка, % 1,5 1,0 1,0 1,0

Большое влияние на процесс активации оказывают поверхностно-активные вещества. Проведены исследования ПВХ-Е с различным содержанием ПАВ. Эксперименты показали, что с ростом количества ПАВ в ПВХ-Е достигаются большие значения вязкости. При этом максимум на кривой зависимости вязкости раствора обедненного ПАВ ПВХ-Е в циклогексаноне от кратности обработки его в дезинтеграторе смещается к четырем циклам. Энергия активации дегидрохлорирования возрастает с увеличением содержания поверхностно-активных веществ. После обработки в

дезинтеграторе энергия активации снижается, тем меньше, чем больше ПАВ. Необходимо отметить, что для обедненного ПАВ ПВХ-Е рост удельной поверхности измельченного материала составляет 5-10%, а для обогащенного 25-30%. С повышением содержания ПАВ больше энергии идет на изменение размеров обрабатываемого материала и меньше - на снижение энергии активации дегидрохлороирования.

Из выше изложенного можно предложить два механизма увеличения вязкости (за счет ПАВ): первый - кислотный остаток ПАВ замещает хлор в ПВХ-Е и образуется сополимер; второй - образующаяся кислота в результате гидролиза ПАВ парами воды, содержащимися в воздухе, увеличивает вязкость системы поливинилхлорид - растворитель за счет образования межмолекулярных водородных связей.

Действительно установлено, что на процессы, происходящие при измельчении полимеров, может оказывать влияние среда и, в частности, пары воды. При исследованиях процессов активации в дезинтеграторе при производительности по материалу 100-300 кг/ч расход воздуха достигает 40 м3/ч, который при средней влажности 70-80% несет с собой 0,5-0,6 кг/ч воды.

Одним из важных компонентов искусственных пленок является стеарат кальция или стеарат кадмия. Использование стеаратов, предварительно обработанных в дезинтеграторе позволяет улучшить физико-механические показатели пленок. В процессе помола стеараты гидролизуются следами влаги воздуха, образуя свободную стеариновую кислоту, а в случае стеарата кадмия образуют еще и гидроокись кадмия. Сс1(ОН)2, которая подвергаясь дегидратации превращается частично в окись СсЮ темного цвета. По этой причине физико-механические показатели пленок при использовании стеарата кадмия оказались несколько ниже по сравнению с пленками, содержащими стеарат кальция.

Накопленный теоретический и экспериментальный материал позволил рассмотреть процесс активации с позиций кинетической теории разрушения полимеров. В соответствии с этой теорией механическое разрушение, как термическая деструкция, активированная механическим напряжением, описывается уравнением вида:

Е(|-гд

х = х0е кт , (20)

где т - долговечность; т0 - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации процесса разрушения; у - структурно-чувствительный коэффициент; ст - разрушающее напряжение; Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

Нагружение ПВХ-Е в дезинтеграторе эквивалентно приложению внешнего напряжения. Величина этого кратковременно приложенного напряжения есть функция числа и интенсивности (скорости) нагружений. Процессы, происходящие при измельчении, связаны с преобразованием кинетической энергии измельчаемых частиц, поэтому в первом приближении

можно считать, что произведение уст прямопропорционально квадрату скорости (V) и количеству нагружений (Ы) при постоянной скорости. Поскольку вязкость растворов полимера и прочность полимера носят термофлуктуационный характер, распространим уравнение (20) на случай измерения вязкости. Запишем два уравнения:

Ец-к|Ы Ер-к2У2

Ц, = Цое кт ; ц2 = Цое кт (21,22)

Уравнение (21) описывает снижение вязкости с ростом числа циклов нагружения, а уравнение (22) - с повышением скорости нагружения. Коэффициенты пропорциональности к) и к2 принимаем постоянными. Предэкпоненциальный множитель находим из опыта при N=0 и У=0. Уменьшение вязкости растворов ПВХ-Е связано с изменениями, происходящими при дегидрохлорировании, поэтому энергию активации принимаем равной 147 кДж/моль.

Процессы деструкции начинаются при некоторой скорости нагружения Уо, тогда уравнение (22) представим в виде:

Е..-МУ-Ч))2

У-2 = Цое КТ (23)

Увеличение вязкости, вызванное химическими реакциями и изменением конформаций поливинилхлорида, опишем уравнениями следующего вида:

Из =Ик

1

ИТ

к^У-Уо)2

1-е

йт

(24,25)

где цК - максимальное приращение вязкости за счет активации обрабатываемого материала; к3 и к4 - коэффициенты пропорциональности.

Вязкость растворов поливинилхлорида в циклогексаноне определяется суммой уравнений (21), (24) и (22), (25). При постоянном значении абсолютной температуры полученные выражения становятся полностью идентичными уравнениям приведенным выше. Однако зависимость вязкости ПВХ- в циклогексаноне от скорости нагружения более точно описывается при помощи уравнений (22) и (25), так как с ростом скорости нагружения растет и температура среды в дезинтеграторе.

Одним из методов описания свойств объектов регулирования является метод математического моделирования. Объект рассматривается как преобразователь поступающих на его вход сигналов в выходной сигнал. Зависимость, связывающую выходной сигнал объекта с входным, называют математической моделью или характеристикой объекта. Рассмотрим в качестве объекта поливинилхлорид, входных сигналов - интенсивность и количество циклов нагружения, выходного сигнала - энергию элиминирования хлористого водорода. Функцию возмущающего воздействия можно считать импульсной, так как материал в дезинтеграторе подвергается, в основном, ударной нагрузке:

X«.(t)=X„el(t). (26)

где xB!CO - амплитуда скачкообразного воздействия.

На рис.10 показано изменение во времени изменение энергии активации элиминирования HCl в ПВХ-Е при импульсном нагружении. Вид переходной характеристики соответствует реальному дифференциальному звену:

+ =кТоб^, (27)

где Тоб - постоянная времени звена; к - коэффициент усиления звена. Решение уравнения (27) имеет вид:

кх —

Хвых =—^-е и (28)

'об.

Кривые 1, 3 (рис.10) представляют собой кривые разгона при двух и шести циклах нагружения ПВХ-Е в дезинтеграторе. Долю изменения энергии активации элиминирования HCl необратимой и обратимой ее части можно представить в виде разницы между количеством изменения энергии активации элиминирования HCl в материале в момент его нагружения в дезинтеграторе и количеством изменения энергии активации элиминирования HCl, теряемым материалом с течением времени:

ЕН=Е„-Е0 (29)

Изменение энергии активации элиминирования HCl как функцию числа циклов нагружения (кривая 3, рис.8) можно представить в виде уравнения:

E(N) = En(l-ea'N) (30)

Изменение энергии активации элиминирования HCl как функция скорости нагружения материала имеет более сложный характер. Полезную энергию, расходуемую непосредственно на накопление, можно выразить, как долю кинетической энергии обрабатываемого материала. При этом надо иметь в виду, что при различных скоростях нагружения в объеме материала достигается разная температура. Константа скорости реакции зависит от температуры:

k = к0е КГ (31)

Учитывая выше изложенное, изменение энергии активации элиминирования HCl как функцию скорости нагружения и температуры среды представим в виде:

/

E(V,T) = En

1 т

где V > V0

Объединяя выражения (32) и (33) получаем уравнение:

E(N,V,T) = En

1-е

¿(M-Vje * i-I

(33)

где n - число нагружений; V, , T, - скорость нагружения и температура материала соответствующая i - тому нагружению; а, у - коэффициенты, отражающие физические свойства обрабатываемого материала и определяемые опытным путем. Кривые, полученные путем аналитического решения уравнения (33) показаны пунктирными линиями (рис.8, и рис.9).

Процесс релаксации (частичное восстановление энергии активации элиминирования HCl) по окончании нагружения, запишем в виде:

t

Е = Ег

Л

1-е

(34)

Анализ полученных выражений показывает, что мы вновь приходим к модели рассмотренной в главе 4 при условии постоянства температуры в объеме дезинтегратора. Учет температуры позволят с более высокой точность аппроксимировать экспериментальные данные, что в свою очередь указывает на большую достоверность, того, что предлагаемая модель активации отвечает описанию протекания реальных процессов при обработке ряда материалов в дезинтеграторе.

В шестой главе рассмотрены основные типы аппаратов (принципиальные схемы новых конструкций мельниц цен гробежно - ударного действия), которые были разработаны, на которые получены авторские свидетельства и патенты и которые в основном и были задействованы в экспериментах.

Двухступенчатая мельница ударно-отражательного действия, особенностью которой является наличие на входе в нее дополнительных ударных элементов, служащих для предварительного измельчения крупных кусков материала, а на выходе диафрагмы, позволяющей за счет изменения диаметра выходного отверстия регулировать тонину помола, а также разгрузочного конуса (фактически циклона) с воздушным патрубком и с установленной в верхней его части крыльчаткой, отражающей в разгрузочный конус тонкие фракции материала.

Для тонкого измельчения и достижения высокой степени активности обработанных материалов разработан целый ряд дезинтеграторов с плоскими ударными элементами.

Особенностью дезинтегратора, описанного в шестой главе, является увеличение длины лопаток в каждом последующем ряду ударных элементов, а также увеличение числа лопаток в каждом последующем ряду ударных элементов. Первое сделано с целью увеличения скорости нагружения материала по мере уменьшения размера частиц в процессе их измельчения до скоростей, достаточных для их дальнейшего эффективного измельчения, а

второе для устранения проскока частиц измельчаемого материала и уменьшения длины их свободного пробега.

Особенностью приведенной в качестве примера мельницы с сепарирующим эффектом является то, что загрузка материала производится по внешнему диаметру корпуса мельницы и продвижение измельчаемого материала определенной тонины происходит по направлению к оси вращения роторов дезинтегратора и разгрузка мельницы происходит через трубчатый вал за счет потока воздуха поступающего через штуцера в корпусе мельницы, создаваемого вентилятором или компрессором.

Объединение процессов измельчения и смешения в аппарате -измельчителе интенсифицирует технологию обработки дисперсных композиций. Разработана мельница для селективного измельчения материалов различной прочности и их смешения. Особенностью мельницы является то, что центральная ее часть представляет собой дезинтегратор, а обратные стороны роторов два дисмембратора. В трех зонах измельчения можно создавать разные скорости нагружения и, следовательно, измельчать одновременно материалы различной прочности до необходимого размера. За счет цилиндрической обечайки с отверстиями в виде усеченной пирамиды и кольцевого канала измельченные материалы смешиваются при выходе из мельницы.

В шестой главе приведены инженерные методы расчета разработанных мельниц с центральной и переферийной загрузкой.

В седьмой главе рассмотрено использование мельниц дезинтеграторгного типа в различных технологиях.

Представлены результаты исследований процесса тонкого измельчения висмута, кокса, спеков порошковой металлургии, брака ферро - бариевых изделий Кинешемского завода "Электроконтакт" в трехступенчатой ударно-отражательной мельнице и дезинтшраторе.

Результаты испытаний показали высокую эффективность разработанных нами мельниц при получении продукта дисперсностью менее 160 мкм, при этом такие важные характеристики, как текучесть и влажность улучшаются. Предложено для получения конечного продукта более высокой степени чистоты использовать ударные элементы, изготовленные, например, из меди и ее сплавов. Несмотря на возрастание износа ударных элементов, это оправдано при измельчении материалов электротехнического назначения, так как продукт износа это один из компонентов будущего изделия. Немаловажное значение имеет то, что при ударном измельчении продукт износа, например, медь, механически наносится на частицы материала. Это препятствует расслаиванию многокомпонентной смеси при ее формовании и способствует эффективному протеканию процесса спекания.

На основании проведенных исследований на базе авторских свидетельств изготовлена и внедрена в производство латунных металлокерамических деталей электротехнического назначения ударно-центробежная мельница с фактическим экономическим эффектом 23,5 тыс. руб/год в ценах 1991 года (ожидаемый 200 тыс.руб/год).

В производстве керамических изделий из высокочистого глинозема (а -А12Оэ 70-90 % в зависимости от марки) одна из основных технологических операций измельчение, проводится в шаровых мельницах периодического действия мокрым способом. В качестве мелющих тел используют корундовую керамику.

Из порошков глинозема, измельченных в шаровой мельнице мокрого помола и в мельницах дезинтеграторного тина с классификацией были изготовлены керамические пластины. Электронно - микроскопические снимки керамических пластин свидетельствуют о лучшем качестве изделий, приготовленных при использовании мельниц дезинтеграторного типа, за счет более узкого спектра частиц.

К чистоте измельченного глинозема предъявляются высокие требования. Поэтому в промышленном варианте мельницы ударные элементы и футеровка внутренней поверхности корпуса были изготовлены из алюминия. Продукты износа алюминия придают хорошую пластичность порошкам и в дальнейшем при обжиге алюминия переходят в А1205. С другой стороны, применение некоторых сплавов алюминия позволяет вводить в изделия необходимые микродобавки в процессе измельчения.

Использование керамических ударных элементов взамен алюминиевых позволило обеспечить непрерывный помол 50 - 60 т глинозема.

Проведенные исследования позволили применить разработанную мельницу для измельчения глинозема на п/я А 7062. Себестоимость помола одной тонны глинозема снизилась в 2,5 раза по сравнению с шаровой мельницей. Внедрение только одной мельницы в производство позволило получить реальный экономический эффект 26,5 тысяч рублей в год в ценах 1991 года.

Проведены результаты исследований по измельчению фосфоритов Каратау, активации цементно - зольных смесей с целью снижения расхода цемента, дезинтеграторной обработки известкового наполнителя и золошлаков и использования их взамен мела и асбеста в технологии получения переплетных материалов и искусственных с целью снижения себестоимости изделий и решения проблемы утилизации ряда отходов, по измельчению таких наполнителей как мел, каолин, трехокись сурьмы, применяющихся при изготовлении искусственных пленок на основе ПВХ, по совместной обработке полимерных материалов с металлическими наполнителями, что позволило получить изделия с повышенной рассеивающей способностью рентгеновских лучей, уменьшить количество вводимой рентгенозащитной добавки, улучшить качество распределения компонентов, снизить стоимость конечных изделий за счет устранения промежуточной стадии грануляции.

Известно, что в процессе обработки широкого круга материалов в мельницах центробежно-ударного действия происходит интенсивное удаление из них влаги. При этом необходимо учитывать, что процесс удаления влаги из измельченного материала и процесс поглощения материалом влаги могут носить обратимый характер.

Исследовано влияние атмосферной влаги в процессе обработки цемента в мельницах дезинтеграторного типа на прочность бетона. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при расчете и моделировании процессов обработки вяжущих материалов в мельницах дезинтеграторного типа необходимо учитывать взаимодействие этих материалов с влагой воздуха в процессе измельчения. В противном случае положительный эффект от активации материала может быть не получен.

Так, например, измельчение в дезинтеграторе такого материала как бура, используемого в качестве наполнителя при изготовлении пленок из поливинилхлорида, невозможно, так как она интенсивно поглощает влагу из воздуха, а по технологии содержание влаги в ней не должно превышать 20%.

Опыты по измельчение буры в среде диоктилфталата показали, что в этом случае не происходит адсорбции влаги из воздуха, а влажность буры за счет значительных тепловыделений в объеме мельницы понижалась с 42% до 28%. Получена хорошо текучая суспензия, удобная для транспортировки и дальнейшего использования в процессе изготовления искусственных пленок.

Результаты исследований позволили внедрить в производство искусственных пленок и кож разработанный дезинтегратор с экономическим эффектом 190,1 тыс. руб. в год в ценах 1991 года.

Гальванические цеха и участки предприятий различных отраслей промышленности являются источником экологически вредных отходов -солей тяжелых металлов. Разработана технологическая схема комплексной переработки отходов гальванического производства на пигменты, которая предусматривает использование разработанного нами дезинтегратора на заключительной стадии получения пигмента, на стадии тонкого измельчения. Дезинтегратор позволяет получить сухие минеральные пигменты, обладающие хорошими техническими характеристиками, соответствующими ГОСТам на их промышленное получение.

Приведены данные по синтезу ряда жидких кристаллов с использованием дезинтеграторов в качестве химического реактора.

Разработана конструкция дезинтегратора, позволяющая эффективно проводить мокрым способом очистку воздуха от вредных газов и пыли одновременно на установках плазменной резки металлов.

Получено следующее выражение для расчетов остаточной концентрации оксидов азота.

С = — 3800_

"llRe?'55Q°<9 ' (35)

¡=1

где: С - остаточная концентрация оксидов азота мг/м3, Re - критерий Рейнольдса на i-ом ряду дезинтегратора, Q расход абсорбента, л/ч, к- число рядов дезинтегратора.

Относительная ошибка между данными экспериментов и результатами, рассчитанными по апроксимирующей зависимости достигает 15%.

При расчете дезинтегратора в качестве абсорбера и пылеуловителя в варианте, когда скорое гь потока воздуха через дезинтегратор за счет вентилятора превышает скорость потока воздуха, создаваемого самим дезинтегратором и, следовательно, скорость воздуха вдоль лопаток превышает скорость движущейся по лопатке жидкости, полезными оказались представления развитые автором ранее.

Рассматривая механизм взаимодействия на молекулярном уровне двух параллельно движущихся потоков жидкости и воздуха можно утверждать, что между потоками имеет место обмен молекулами воды. Водяной пар, конденсируясь из потока воздуха в пленку жидкости, сообщает ей в направлении потока количество движения пропорциональное массе сконденсировавшегося водяного пара. Вода, испаряясь с поверхности пленки, поступает в объем воздушного потока и приобретает скорость потока воздуха. Рост влагосодержания воздуха по длине пути увеличивает количество конденсирующегося пара в единицу времени. Введение в воду различных веществ, понижающих упругость паров над ней должно относительно увеличить количество конденсирующегося водяного пара в единицу времени в отношении, обратном изменению упругости паров.

На основании вышеизложенною выведено уравнение для скорости движения пленки жидкости на границе изменения режима движения.

= ехр -- \А/В X , (36)

N

где \Л/В,\Л/Н- соответственно скорости воздуха и движения пленки жидкости в начальный момент в м/с, х - влагосодержание воздуха, кг/кг. К - коэффициент пропорциональности, К, - отношение упругости водяных паров над раствором и водой.

Коэффициент К определен из опытов по опоржнению стеклянного капилляра импульсом сжатого воздуха. Значение Рейнольдса критического получено в виде:

091

Яекр =--^-Ир . (37)

И

где р-плотность в кг/м3, р.-вязкость жидкости в нс/м2, И - толщина пленки в м.

Уравнение позволяет оценить толщину пленки жидкости в момент перехода турбулентного режима сдувания пленки в ламинарный.

На основании этих исследований также разработан ротационный капиллярный дозатор жидкостей малой производительности.

В настоящее время ведутся работы по созданию компактных и надежных мельниц, которые могут быть использованы в небольших, в том числе и в фермерских хозяйсч вах. Результаты исследований показали на возможность эффективного использования разработанных мельниц. Исследования по измельчению различных материалов в дезинтеграторе с

учетом влаги позволяют рекомендовать разработанные дезинтеграторы для измельчения влажных зерновых. При измельчении зерновых одновременно идет процесс сушки. В дезинтеграторе можно приготовить твердые и жидкие кормосмеси, непосредственно перед их употреблением, так как одновременно с их гомогенизацией идет тепловая обработка.

В целях иммобилизации естественных ферментов было изучено влияние кварца и фосфорита, предварительно обработанных (активированных) в дезинтеграторе, и скармливаемых вместо песчано-гравийной смеси, на весовой, линейный рост и мясные качества цыплят бройлеров.

Замена песчано-гравийной смеси позволила получить дополнительно во второй опытной группе (кварц) 0-51 руб. в расчете на одного цыпленка, а в третьей (фосфориты) 0-40 руб. в ценах 1991 года.

Основные выводы.

1. Разработана полуэмпирическая математическая модель процесса активации дисперсных материалов, описывающая изменение их свойств, как в процессе обработки, так и дальнейшем хранении, которая позволяет оптимизировать режимы активации при получении материалов с заданными свойствами. Математическая модель использована при изучении активации поливинилхлорида эмульсионного (ПВХ - Е), при этом предложены еще две модели, полученные на основании метода «черного ящика» и на базе кинетической теории прочности. Последняя модель наиболее точно описывает активацию ПВХ-Е при много цикловом нагружении до скоростей нагружения равным 150 * 160 м/с.

2. Показана высокая эффективность использования дезинтегратора в качестве реактора для гетерогенных реакций. Обнаружена высокая скорость сорбции влаги воздуха при измельчении некоторых материалов в дезинтеграторе. Использование одного из разработанного дезинтегратора в качестве абсорбера и мокрого пылеуловителя позволяет эффективно улавливать пыль и снижать концентрацию вредных газов ниже ПДК. Предложено уравнение для определения остаточной концентрации оксидов азота при использовании дезинтегратора абсорбера.

3. Изучено с использованием весового метода контроля и скоростной

киносъемки влияние на опорожнение от жидкости одиночного капилляра сжатым воздухом скорости воздуха, его влагосодержания, вязкости и поверхностного натяжения. Получена общая математическая зависимость, описывающая движение пленки жидкости и получено уравнение, позволяющее определять режим течения пленки из различных жидкостей. На основании полученных данных предложена принципиально новая конструкция ротационного капиллярного дозатора жидкостей. Полученные результаты позволяют оценить режим течения жидкой фазы по ударному элементу, например при использовании дезинтегратора в качестве абсорбера.

4. Разработаны инженерный метод расчета таких мельниц и феноменологическая модель работы дезинтегратора при использовании плоских рабочих элементов.

5. Предложены уравнения для определения максимальной производительности мельниц дезинтеграторного с плоскими рабочими органами при распределении материала в монослой, как с периферийной, так и с центральной загрузкой материалов.

6. Предложены зависимости для определения граничного размера готового продукта сепарационных мельниц для различных видов ударных элементов для тех случаев, когда необходимо иметь строго заданную верхнюю границу крупности конечного продукта измельчения.

7. Показано, что эффективность мельниц при измельчении абразивных материалов может быть повышена за счет увеличения межремонтного цикла. Межремонтный цикл увеличивается в 1,5-2 раза при обеспечении равномерного износа ударных элементов, что достигается оптимальными углами расположения их на каждом ряду и за счет установки ударных элементов изготовленных из материалов, износ которых не только не загрязняет готового продукта, но и является добавкой положительно влияющей на дальнейшую переработку продукта измельчения.

8. Установлено, что при измельчении высокоабразивных материалов с использованием плоских ударных элементов соотношение между степенью измельчения абразивных материалов и удельным износом ударных элементов практически не зависит от производительности мельницы и г скорости нагружения материала.

9. На основании теоретических предпосылок и экспериментальных исследований разработан ряд мельниц дезинтеграторного типа, ч защищенных авторскими свидетельствами и патентом.

10. Результаты работы позволили внедрить и рекомендовать к внедрению в промышленность и сельское хозяйство, разработанные мельницы дезинтеграторного типа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Лапшин В.Б., Конышев И.И., Боброва Н.В., Колобов М.Ю. Феноменологическая модель процесса измельчения в дезинтеграторе. //Ж. Изв. ВУЗ Химия и химическая (ехнология. Т 47, вып. 10, 2004, с 79-82.

2. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Колобова В.В., Рязанцева А.В Применение дезинтегратора в различных технологиях. //Ж. Изв. ВУЗ Химия и химическая технология. Т. 47, вып. 8, 2004, с 71-75.

3. Лапшин В.Б., Рязанцева A.B., Акопова О.Б., Гуюмджян П.П. Механохимический синтез смазочных композиций жидкокристаллической природы. //Международный научно - технический журнал. Эффект безызносности и основы триботехнологии. № 1. 2004, с 29-33.

4. Акопова О.Б., Лапшин В.Б., Котович Л. Н. Синтез и исследование трибологических характеристик некоторых полиядерных дискотических мезогенов. //Международный научно - технический журнал. Эффект безызносности и основы триботехнологии. № 1. 2004, с 21 -26.

5. Невский A.B., Пылаева Г.А., Караваев A.B., Лапшин В.Б. Комплексное решение экологических проблем красильно - отделочного производства. //Ж. "Текстильная химия", т. 10, №1, 1997. С. 53-55

6. Невский A.B., Пылаева Г.А., Караваев A.B., Лапшин В.Б. Экологизация процессов гальванического производства. /ПК. "Гальванотехника и обработка поверхности", 1993, т.2. № 3. С. 73-76

7. Богородский A.B., Лапшин В.Б., Блиничев В.Н. Исследование износостойкости плоских ударных элементов дезинтегратора. //Ж. Хим. и нефт. Машиностроение. 1986, №5, С. 31-32.

8. Лапшин В.Б., Богородский A.B., Козловский А.Э., Манерцев В.А. Измельчение металлических спеков в мельницах центробежно-ударного действия. //Журнал "Порошковая металлургия" №2,1985. С. 7-10.

9. Лапшин В.Б., Богородский A.B., Блиничев В.Н., Шигина Г.Г. О некоторых особенностях расчета дезинтегратора с плоскими ударными элементами. //Ж. Хим. и нефт. Машиностроение. 1981, №9, С. 33-34.

10. Лапшин В.Б., Стрельцов В.В., Лапшин Б.М. Опорожнение горизонтальной капиллярной трубки под действием импульса сжатого воздуха. /ПК. Изв. ВУЗ Химия и хим. технология. Т. ХУП № 8. 1974. С. 1246-1248.

11. Лапшин В.Б., Стрельцов В.В., Лапшин Б.М. Опорожнение горизонтальной капиллярной трубки под действием импульса сжатого воздуха. //Ж. Изв. ВУЗ Химия и хим. технология. Т. ХУП № 6. 1974. С. 928931.

* 12. Лапшин В.Б., Лапшин Б.М. Ротационный капиллярный дозатор

жидкостей. /ПК. Изв. ВУЗ Химия и хим. технология. Т. ХУ № 10. 1972. С. 1586-1590.

v 13. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Механическая активация поливинилхлорида.

//Депонирована ОНИИТЭХИМ. № 705-ХП-90. г. Черкассы. 16 с.

14. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Механическая активация поливинилхлорида. //Депонирована ОНИИТЭХИМ. № 291-ХП-90. г. Черкассы. 18 с.

15. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б. Разработка нового оборудования для измельчения. //Депонирована ОНИИТЭХИМ. № 627-ХП-90. г. Черкассы. 12с.

16. Козловский А.Э., Лапшин В.Б. Расчет и исследование сепарационной мельницы дезинтеграторного типа. //Депонирована ОНИИТЭХИМ. № 1140-ХП-86. г. Черкассы. 11с.

17. Лапшин В.Б., Козловский А.Э., Блиничев В.Н. Расчет и исследование дезинтегратора с плоскими ударными элементами. //Депонирована ОНИИТЭХИМ. № 175-ХГ1-86 г. Черкассы. 13 с.

18. Лапшин В.Б., Козловский А.Э. Исследование дезинтегратора с плоскими ударными элементами. //Депонирована ОНИИТЭХИМ 25.04.86. № 620-ХП-86 г. Черкассы. 21с.

19. Потопаев Г.Н., Гуюмджян П.П., Лапшин В.Б. Влияние способов механического нагружения на процессы измельчения и активации хрупких материалов. //Депонирована ОНИИТЭХИМ 15.02.86. № 357-ХП-86 г. Черкассы. 15с.

20. Богородский A.B., Лапшин В.Б. Сравнительные характеристики ряда ударно - центробежных мельниц. //Депонирована ОНИИТЭХИМ 26.02.82. К® 252 хп г. Черкассы. 6 с.

21. Богородский A.B., Лапшин В.Б., Блиничев В.Н. К расчету производительности дезинтегратора с плоскими ударными элементами. //Депонирована ОНИИТЭХИМ 26.02.82. № 251 хп г. Черкассы. 7 с.

22. Колобов М.Ю., Круглое В.Я., Лапшин В.Б., Блиничев В.Н. Математическое моделирование процесса механической активации дисперсных материалов. //Межвуз. сб. науч. тр. "Техника и технология сыпучих материалов". Минвуз. - Иваново, 1991. С. 11-17.

23. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Акопова О.Б. ИК - спектры поливинилхлорида, обработанного в дезинтеграторе. //Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы в зернистых средах". Минвуз. Иваново, ИХТИ 1989. С. 16-20.

24. Лапшин В.Б., Воронкова О.В., Колобов М.Ю. Обработка ПВХ в дезинтеграторе. //Мевуз. сб. науч. тр. "Разработка теории и конструктивного оформления процессов тонкого измельчения, классификации, сушки и смешения материалов". Минвуз, г. Иваново. ИХТИ 1988. С. 30-33.

25. Лапшин В.Б., Воронкова О.В., Шарова З.А., Штейнберг Я.А., Цветкова Л.В. Высокоскоростная обработка поливинилхлорида при изготовлении искусственных пленок. //Межвуз. сб. науч. тр. "Интенсификация прорцессов механической переработки сыпучих материалов". Минвуз, г. , Иваново. ИХТИ 1987. С. 63-65.

26. Лапшин В.Б., Потопаев Г.Н. Исследование процесса разрушения глинозема при механическом нагружении. //Межвуз. сб. науч. тр. "Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов". Минвуз, г. Иваново. ИХТИ 1987. С. 43-47.

27. Колобова В.В., Лапшин В.Б., Гуюмджян П.П., Козловский А.Э. Измельчение фосфоритов в дезинтеграторе. //Межвуз. сб. науч. тр. "Гидродинамика, тепло- и массообмен в зернистых средах". Минвуз, г. Иваново, ИХТИ, 1985. С. 24-27.

28. Лапшин В.Б., Земцов В.Я., Благова С.Н., Шарова З.А. Высокоскоростная обработка наполнителей. //Межвуз. сб. науч. тр. "Гидродинамика, тепло- и массообмен в зернистых средах". Минвуз, г. Иваново, ИХТИ, 1985. С. 18-21.

29. Афанасьева Н.И., Комлев В.Г., Лапшин В.Б. Об активации цементно -зольных смесей в дезинтеграторе. //Межвуз. сб. науч. тр. "Разработка теории и конструктивного оформления аппаратов интенсивного действия с участием зернистых материалов". Минвуз г. Иваново. ИХТИ, 1984.

30. Лапшин В.Б., Козловский А.Э. Расчет производительности дезинтегратора с плоскими ударными элементами. //Межвуз. сб. науч. тр. "Разработка теории и конструктивного оформления аппаратов интенсивного действия с участием зернистых материалов". Минвуз г. Иваново. ИХТИ, 1984. С. 32-34.

31. Лапшин В.Б., Рязанцева A.B., Невский A.B. Решение задач водоресурсосбережения на машиностроительных предприятиях. Вестник научно - промышленного общества, выпуск 7. М:, АЛЕВ -В, 2004, с 32-36.

32. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Колобова В.В., Сахаров С.Е., Сизов А.П. Ударные мельницы для переработки зерна. Вестник научно -промышленного общества, выпуск 7. М:, АЛЕВ -В, 2004, с 24-27.

33. Лапшин В.Б., Конышев И.И., Боброва Н.В., Колобов М.Ю. Феноменологическая модель процесса износа ударных элементов в дезинтеграторе. Вестник научно - промышленного общества, выпуск 7. М:, АЛЕВ -В, 2004, с 37-40.

34. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Колобова В.В., Лапшина A.B. Применение дезинтегратора в различных технологиях. //Сб. науч. тр. С.-ПГАУ-ИГСХА. Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве. C.-1I.: 2001.-С.41-46.

35. Лапшин В.Б., Лапшина A.B., Колобова В.В. Использование дезинтегратора в качестве мокрого пылеуловителя. //Сб. науч. тр. С.-ПГАУ-ИГСХА. Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве. С.-П.: 2001.-С.53-62.

36. Лапшин В.Б., Колобова В.В. Особенности измельчения материалов в мельницах ударного действия в присутствии влаги. //Сб. "Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве". - Санкт-Петербург, 1996. С. 43-48.

37. Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Колобова В.В., Земцов В.Я. Мельница для измельчения сыпучих материалов. //Сб. "Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве". - Санкт-Петербург, 1994. С. 19-24.

38. Колобова В.В., Лапшин В.Б., Колобов М.Ю. Применение ударных мельниц при обработке зерна. //Сб. "Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве". Санкт-Петербург, 1994. С. 9-11.

39. Лапшин В.Б., Гвоздев В.Ф., Лапшин Б.М., Стрельцов В.В. Объемный дозатор. // Авт. св. СССР № 314076. Бюл. изобр. № 27.1971.

40. Гуюмджян П.П., Богородский A.B., Лапшин В.Б., Кононенко Б.К. Центробежная мельница. //Авт. св. СССР № 854433. . Бюл. изобр. № 30.1981.

41. Лапшин В.Б., Богородский A.B., Блиничев В.Н., Шигина Г.Г. Мельница для измельчения сыпучих материалов. //Авт. св. СССР № 874171. Бюл. изобр. №39.1981.

42. Лапшин В.Б., Богородский A.B., Гуюмджян П.П. Центробежная мельница. //Авт. св. СССР № 1072891. Бюл. изобр. № 6.1984.

43. Гуюмджян П.П., Куликова Т.А., Дрязгова C.B., Лапшин В.Б. Дезинтегратор. //Авт. св. СССР№ 1123722. Бюл. изобр. №42.1984.

44. Богородский A.B., Безлепкин В.А., Лапшин В.Б., Гуюмджян П.П.

Мельница сухого помола. //Авт. св. 39.1985.

СССР М> 1186245—Бюл. изобр. №

РОС. НАЦИОНАЛА.(А* БИБЛИОТЕК* 1 СПетсрбдо

09 100 шж*

.. ......../» J

45. Лапшин В.Б., Козловский А.Э., Гуюмджян ГШ., Блиничев В.Н. Мельница. И Авт. св. СССР № 1217466. Бюл. изобр. № 10, 1986.

46. Земцов В.Я., Гуюмджян П.П., Лапшин В.Б., Богатырев А.Е., Пайкачев Ю.С., Благова C.Ii., Шарова З.А. Дезинтегратор. //Авт. св. СССР № 1238788. Бюл. изобр. №23.1986.

47. Лапшин В.Б., Земцов В.Я., Гуюмджян П.П., Пайкачев Ю.С., Благова С.Н., Шарова З.А. Центробежная мельница. //Авт. св. СССР № 1304870. Бюл. изобр. № 15.1987.

48. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Блиничев В.Н., Штейнберг Я.А., Козловский А.Э., Шарова З.А. Дезинтегратор. //Авт. св. СССР № 1572694. Бюл. изобр. №23, 1990.

49. Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Богородский A.B., Блиничев В.Н. Мельница для измельчения сыпучих материалов. //Авт. св. СССР № 1595562. Бюл. изобр. № 36,1990.

50. Лапшин В.Б., Трахтенберг В.Д., Колобов М.Ю., Блиничев В.Н., Макаров Ю.И. Мельница. //Авт. св. СССР № 1645000. Бюл. изобр. № 16, 1991.

51. Гуюмджян П.П., Симкин Ю.М., Ротнер Ю.М., Опурин С.А.,Цыиин Н.В., Лапшин В.Б. Диспергатор. //Авт. св. СССР № 1782652. Бюл. изобр. № 47, 1992.

52. Лапшина A.B., Гуюмджян П.П., Лапшин В.Б. Устройство для улавливания пыли и вредных газов. //Патент РФ № 2201279. заявлено 08. 06. 2000. №2000114626; опубл. в Б.И. 2003, №9, М.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность д.т.н., профессору Блиничеву В.Н. и д.т.н., профессору Гуюмджян П.П. за неоценимую помощь при выполнении и подготовке диссертационной работы, а также выражает глубокую признательность всем соавторам своих работ и организациям, оказавшим помощь при выполнении исследований.

Подписано в печать 20.08.2005 Формат бумаги 60x84 1/16.

Печ.л. 2,19 Усл. печ.л. 2,03 Тираж 75 экз. Заказ №293 Отпечатано на ризографе

Полиграфический отдел ФГОУ ВПО Ивановской ГСХА 153012 г. Иваново, ул. Советская,45

I» 1522«

РНБ Русский фонд

2006-4 12496