автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты

На правах рукописи

Баканов Максим Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ПОРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ПЕНОСТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 МАЙ 2014

005549366

Иваново 2014

005549366

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет» на кафедре «Строительное материаловедение, специальные технологии и технологические комплексы».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Павленко Александр Николаевич ■

доктор технических наук, академик РААСН, Федосов Сергей Викторович

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, ФГБУН «Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе» Сибирского отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией

низкотемпературной теплофизики

Христофорова Ирина Александровна -

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», профессор кафедры химических технологий

Ведущая организация:

Защита состоится «30» июня 2014 г. в

ФГБОУ ВПО «Ярославский

государственный технический университет», г. Ярославль

часов на заседании диссертационного

Д 212.063.05 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, Шереметевский пр., д.7.

С диссертацией можно ознакомиться в информационном центре Ивановского государственного химико-технологического университета и на сайте www.isuct.ru.

Автореферат разослан «¿/У » ¡А^ООиЛ^ 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.063.05

Зуева Галина Альбертовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство теплоизоляционных изделий из пеностекла - интенсивно развивающаяся отрасль химической технологии. Одним из перспективным способов получения теплоизоляционного пеностекла является порошковая технология. Рациональный режим термической обработки является одним из важнейших этапов в технологии производства пеностекла, т. к. в зависимости от выбранного режима можно получить пеностекло с широким диапазоном свойств. Довольно слабо исследованы вопросы формирования исходной системы, из которой в результате постепенного накопления газообразных продуктов при увеличении температуры формируется оптимальная пористая структура пеностекла. Не получил исчерпывающего качественного и количественного объяснения механизм порообразования при термической обработке пеностекольной шихты, характер влияния на данный процесс вязкости расплавленной шихты, поверхностного натяжения и парциального давления; развиваемого газообразователем. Отставание исследований в этой области привело к тому, что в настоящее время практически отсутствуют обоснованные модели, описывающие процессы, протекающие при формировании пор в расплаве пеностекольной шихты при постепенном увеличении температуры.

Указанные факторы не позволяют со всей полнотой использования преимуществ порошкового способа производства пеностекла, регулировать физические и теплофизические свойства пеностекла на стадии плавления пеностекольной шихты.

В связи с этим, теоретическое и экспериментальное исследование механизма формирования пористой структуры пеностекла на стадии плавления шихты, изучение влияния вязкости расплава стекла, поверхностного натяжения и парциального давления, развиваемого газообразователем, являются актуальными задачами.

Цели работы. Диссертация посвящена установлению закономерностей процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить процесс формирования пористой структуры в пеностекле;

разработать математическую модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты;

- изучить механизмы влияния поверхностного натяжения и вязкости расплава стекла на формирование теплофизических свойств пеностекла;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования по определению теплофизических характеристик пеностекла.

Методы исследования. Для определения теплофизических характеристик материала использовали метод нестационарного режима, при исследовании динамики процесса порообразования применяли математическое моделирование с использованием численных методов и их реализации в виде

программ на ЭВМ.

Достоверность результатов обусловлена:

- согласованностью результатов с известными теориями порообразования в расплаве пеностекольной шихты и экспериментальными данными, полученными непосредственно при изучении процесса производства пеностекла с использованием порошковой технологии;

- адекватностью модели порообразования в расплаве пеностекольной шихте.

Научная новизна работы.

• разработана математическая модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты, с учетом механизма возникновения пузырька пор при установленном режиме термической обработки пеностекольной шихты;

• установлены закономерности процесса порообразования, влияние на процесс основных факторов, обеспечивающих устойчивость пены до полного застывания пеностекла, таких как вязкость стекла, поверхностное натяжение расплавленной шихты и парциальное давление, создаваемое газообразователем;

• разработана методика для определения коэффициента температуропроводности на образцах, выполненных в виде цилиндра, на основе аналитических решений типовых линейных задач нестационарной диффузии.

Практическая значимость работы.

• Разработанная математическая модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты позволяет рассчитывать диаметр пор в зависимости от режима термообработки, источника газообразования и структурных параметров изделий, их теплофизических свойств и характера внешнего воздействия. Это дает возможность проводить проектирование режимов термообработки на различных этапах процесса производства, также позволяет повысить эффективность производства, снизить энергетические затраты и продолжительность процессов при термообработке пеностекла.

• Разработанная математическая модель реализована в виде прикладной программы и может быть использована как на предприятиях по производству пеностекла, так и в практике теплофизических измерений, в строительной и химической технологии.

• На основе модели процесса порообразования в расплаве пеностекольной шихты при термической обработке рассмотрены процессы, протекающие на стадии размягчения смеси стекла и газообразователя в печи вспенивания, разработана методика, позволяющая повысить эффективность производства, а также снизить энергетические затраты и продолжительность процессов при термообработке пеностекла в 1,5 раза. Ожидаемый экономический эффект от реализации разработанных методик для ОАО «Гомел6 стекло» (Республика Беларусь) составит более 283 тыс. руб.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Математическая модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты;

• Физическая и математическая модель механизма образования единичной поры в расплавленной пеностекольной шихте;

• Результаты экспериментальных исследований теплофизических характеристик пеностекла.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих внутривузовских, всероссийских, международных конференциях и семинарах: 68-я Всероссийская научно-технической конференция по итогам НИР 2010 г. (Самара, 2011), XVIII Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» (Иваново, 2011), Международная научно-техническая конференция молодых ученых (Могилев, 2011), XIX Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» (Иваново, 2012), Международная научно-практическая конференция «Актуальные научно-технические и экологические проблемы сохранения среды обитания» (Брест, 2013), VIII Международная конференция молодых ученых (Пенза, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 научных статьи в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы. Объем работы составляет 120 страниц, включая 12 таблиц, 20 рисунков и библиографический список из 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, определена научная новизна и практическая значимость, а также представлены основные вопросы, выносимые на защиту.

Обзор современного состояния производства пеностекла в России и за рубежом проведен в первой главе. При этом обозначены основные преимущества и недостатки пеностекла в сравнении с другими теплоизоляционными материалами, рассмотрены существующие способы производства, используемые сырьевые материалы и выделены основные факторы, сдерживающие развитие производства пеностекла в России.

Производство теплоизоляционного пеностекла в настоящее время бурно развивающаяся отрасль химической технологии. Получивший наибольшее распространение порошковый способ производства пеностекла является наиболее популярным. Данный способ не до конца изучен и основан на эмпирических подходах к определению рациональных режимов термической обработки пеностекла. Самой -энергоемкой стадией в порошковом способе производства является стадия вспенивания смеси

измельченного стекла и газообразователя. Отсутствие математических зависимостей и физически ясных представлений об этом процессе безусловно, сдерживает развитие отрасли в целом, а также влияет непосредственно на себестоимость материала.

В результате проведенного анализа сформулированы конкретные задачи диссертации.

Во второй главе описаны методы исследования и характеристики используемых материалов.

Для получения пеностекла использовали бой листового стекла. В качестве сырьевых материалов использовали бой листового стекла, который подвергали помолу до прохождения через сито 0,063;

Химический состав, мас.%: БЮг А120з Ре2Оз СаО Г^О Ыа20 К20 БОз

71,7-72,4 1,75-2,05 0,06-0,12 6,7-7,1 3,9-4,3 13,4-15 0,58-1,5 0,4-0,5

В качестве газообразователя использовали мел ММ-2 производства ОАО «МЕЛСТРОМ» (ТУ 5743-003-2956580-95) подвергали помолу, до прохождения через сито 0,063. Сода кальцинированная, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 2156-76.

При проведении исследований по разработке композиционного материала с покрытием руководствовались требованиями нормативных документов на строительные и теплоизоляционные материалы: СНиП 23-02— 2003, ГОСТ 17177-94, ГОСТ 7076-99, СНиП 21-01-97, СП 23-101-2004.

Третья глава посвящена разработке математической модели, описывающей динамику порообразования в структуре пеностекла при термической обработке пеностекольной шихты.

При моделировании процесса порообразования в структуре пеностекла приняли следующие допущения:

1. Пора находится в окружении неограниченной среды (расплав пеностекольной шихты), плотность которой равна плотности расплавленного стекла.

2. Источники газообразования распределены равномерно.

3. Взаимодействие между порами осуществляется благодаря обмену импульсами друг с другом через среду. Вследствие низких скоростей движения среды производная импульса так же невысока, следовательно, силы взаимодействия между порами незначительны, что дает основание ими пренебречь.

4. С точки зрения исследования теплофизических свойств пористых материалов необходимо учитывать две характеристики: пористость и плотность распределения пор на единицу объема. Сформулируем физическую модель процесса формирования пористой

структуры, разбив ее на стадии.

Предложенная модель, описывающая механизм формирования пор в расплаве пеностекольной шихты, состоит йз следующих положений:'

1. Смесь пеностекольной шихты с газообразователем до нагрева в печи представлена как пористая структура, в которой порами являются промежутки, незаполненные измельченным стеклом. Внутри каждой поры находятся частицы газообразователя (например, мела).

2. Находясь в печи, по мере разогрева и размягчения шихты эти промежутки формируются в сферические поры.

3. При повышении температуры газообразователь начинает разлагаться (выделять углекислый газ). Разложение начинается при температурах 795...900°С.

4. Под влиянием давления газа на стенки пор последние расширяются, создавая пористую структуру в материале.

5. Заканчивается этот процесс на том этапе (по времени), когда размеры пор создадут нужную по теплофизическим характеристикам структуру или когда произойдет полное разложение мела.

В основе модели лежат временные масштабы процессов при формировании необходимой структуры:

Т1 - время нагрева измельченного стекла до температур разложения

мела.

Это время можно оценить из соображений размерности:

г,* — > (1)

а

где а, м'/с - коэффициент температуропроводности смеси; И, м -характерный масштаб длины в объеме формы.

Расчетное время первого этапа процесса г, по формуле (1) составит 30 -40 мин. Этот параметр может варьироваться в зависимости от условий формирования шихты в форме.

На втором этапе процесса происходит формирование пор вследствие увеличения в них давления газа источниками газовыделения (в дальнейшем -просто источники).

Считаем, что смесь шихты с газообразователем однородна по составу, источники распределены равномерно по объему и имеют одинаковую и постоянную интенсивность, _/- скорость производства массы газа в единицу времени (г/с):

(1т

(2)

Время этого этапа т2 определяется временем формирования поры размера К.

Таким образом, суммарное время двух процессов имеет вид:

/ = т,+г2. (3)

Существуют различные модели, описывающие тепловые процессы, происходящие внутри шихты. Одной из таких является модель нагрева

шихты Китайгородского А. И., а также модернизированная модель Городова Р. В., учитывающая степень черноты нагревающейся пеностекольной шихты. Однако обе эти модели не учитывают такой параметр, как пористость конечного материала и зависимость размера образованных пор от продолжительности нагрева.

На рис. 1 изображена пора с источником углекислого газа на ее поверхности. Окружающее пространство - пеностекольная шихта.

Введем функцию роста радиуса поры со временем - R(t). Расплав пеностекольной шихты характеризуется плотностью р и коэффициентом динамической вязкости v.

Рисунок 1. Единичная пора с радиальным полем скоростей течения расплава вокруг него

Используя уравнения движения вязкой несжимаемой жидкости (Навье-Стокса) и уравнение неразрывности в сферических координатах, принимая во внимание, что скорость движения жидкости и вокруг пузырька имеет только радиальную составляющую и вследствие сферической симметрии зависит только от г — расстояния от центра поры н/ - времени процесса -и = и(г,/), получим:

(ди Эи4) др 1 д ( 2 до

15/ с Уравнение неразрывности

_1

г1 6г

¿(^н (5)

Граничные условия: на поверхности поры скорость движения его границы - У(К), давление на поверхности - Р(1), на бесконечности давление равно атмосферному - Р0, а скорость движения расплава шихты равна 0. Интегрируя уравнения (4), (5) по г отюдо Я(1), получим:

-Р-

3 (dR}1 D, л d2R

2Ы ^"SF

= P0-P(t) + v

dzR 1 _2_ dfi dt2 dR 3R dt dt

(6)

Уравнение (4) следует дополнить зависимостью Р(1):

P(t) = Pr(t)~

К

(?)

где Рг(0 - давление газовой фазы, а /R - Лапласово давление (а -коэффициент поверхностного натяжения расплава пеностекольной шихты).

Используя модель идеального газа в объеме поры, найдем зависимость давления газа в поре от времени:

^(0 =

-яЯ'М

RT +

т(1) - ккхМ-

RT ,

(8)

где4/3-я-Л' - объем поры, М] - молярная масса воздуха, М2 - молярная масса углекислоты, Л = 8,31 (Дж! моль-К) - газовая постоянная, Т -температура среды, т(1) - масса газа в поре вследствие работы источника (она является функцией времени), т0 - первоначальная масса газа (воздух, оставшийся в поре).

Предположим, что до окончания процесса работы источника его интенсивность/ постоянна. Тогда из формулы (1) получим, что т(\)=}-1. С учетом этого уравнение (8) примет вид:

РАО

P' + a't Л' '

(9)

где введены обозначения:а' =

4

-лМ,

m„RT

-л M,

3 2

Коэффициента', (Дж/с) назван активностью (мощностью) источника, коэффициентр', (Дж) можно назвать коэффициентом начальных условий. С учетом введенных выше обозначений уравнение (6) примет вид:

~Р

3 (dR}1 d2R

2Ы

„ сг B' + a't

= Р» +--^-;-+ V

R

/г'

d2R 1 _2_ dR dt2 dR 3R dt dt

(10)

Уравнение (10) - нелинейное уравнение второго порядка. Для его упрощения применим метод инспекционного анализа. Он устанавливает степень значимости каждого слагаемого. Слагаемое (/з'+а'О/Д' является в уравнении значимым (оно описывает работу источника). Сравнительная

оценка всей левой части уравнения в отношении к «вязкостному» слагаемому правой показывает ее малую значимость и составляет 10"'' -¡-Ю-11.

Сравнивая между собой Лапласово давление и атмосферное, приходим к выводу, чтосг/Я«РВ, т.к.Р„ = 105 (7/аА(т/Я«0,2/]0" = 2102 (Па). Таким образом, в уравнении (10) Лапласовым давлением можно пренебречь.

Соотношение слагаемых «давления» и «вязкостного» приводит к оценке:

р{■,/- = 5-11 = 1 ^Ю5 (11)

/г, V

Здесь учтено, что коэффициент динамической вязкости в процессе находится в довольно широком диапазоне изменения: 10' <ц <\0'{Па-с), т2 1000 (с/ С уменьшением вязкости на процесс роста поры существенное влияние оказывает внешнее давление.

С учетом вышесказанного уравнение (10) преобразуется к виду:

с „, ¿Я , В' а' , р„

где введены обозначения: К= —, Я = —, £ = —, с = —,

Ж Ж у V у

Исследуем уравнение (12) на этапе работы источника: Т >800°С. Будем считать, что активность источника высока и выполняется неравенство с ■( »к. Такое упрощение вполне оправдано, т.к. активный рост пор начинается именно благодаря включению источника. Тогда уравнение (12) примет вид:

с начальными условиями:

/ = 0: Л(0) = Л0 = КГ'лш, Д'(0) = 0 ^

Оценка активности источника показала, что его значение может находиться в пределах:

0<а'<10"6^. (15)

с

Если подставить в параметр с = а'/у величину вязкости, найдем, что возможные значения величины:0<с< 1, мм3/с2. Параметр Ь = р0/у также может меняться согласно неравенству: Ь >100 с"1 (при фиксированном внешнем давлении).

Исследование уравнения (13) численными методами помогает получить следующие графические зависимости для различных значений активности источника при Ь = 100 с"':

Как следует из графика, повышение активности источника снижает время процесса формирования поры. -

Представим результаты получения поры нужных размеров в виде табл. 1:

Таблица 1 — Показатели активности источника, время процесса и необходимый радиус поры

Активность, 3/ 2 мм /с Время образования поры, с

Я=1 мм Я=2 мм 11=3 мм

0,5 200 1600 5400

1 100 800 2700

2 50 400 1300

Как следует из табл. 1, увеличение радиуса поры до 2 мм занимает в 8 раз больше времени, чем для формирования поры в 1 мм, а для формирования поры 3 мм - в 27 раз.

Анализируя уравнение (13) по порядковым величинам, получим оценочную взаимосвязь времени второй стадии процесса:

(15)

а

Уравнение (15) показывает, что на рассматриваемой стадии процесса время определяется атмосферным давлением, интенсивностью источника и необходимым размером поры. Зависимость времени процесса от радиуса поры находится в кубической степени.

Сделаем оценку времени процесса для получения пор радиусом Я= 1мм, 2 мм, Змм. Введем значения параметров: Я0=Ю5(Яа),

а' = 10~6 (Дж/с) - максимальное значение коэффициента активности источника. Тогда (15) будет иметь вид:

г2»10-'-Л\ (16)

Из (16) следует соответствие оценочных результатов с представленным табличным решением задачи модели.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию теплофизических параметров пеностекла, также рассмотрены вопросы нестационарной теплопроводности.

Отмечается, что процессы теплопроводности и диффузии описываются формально сходными (аналогичными) уравнениями. Поэтому можно рассматривать и решать задачи теплопроводности, так как они несколько шире по формальным характеристикам. В частности, в задачи теплопроводности входят и коэффициент теплопроводности л, и коэффициент температуропроводности а = Х/ср, а в задачи диффузии -только коэффициент диффузии £>, являющийся формальным аналогом а.

Учитывая схожесть процессов диффузии и теплопроводности, для решения задачи нестационарной теплопроводности применялись математические методы, изложенные в трудах профессора Рудобашты С. П. и профессора Карташова Э. М. для решения краевых задач нестационарной диффузии. В работе отмечается принципиальное отличие с математической точки зрения краевых задач нестационарной диффузии от классических. В общем случае вследствие зависимости границ диффузионной области от времени к этому типу задач не применимы классические методы разделения переменных и интегральных преобразований Фурье, так как в рамках классических методов математической физики не удается согласовать решение уравнения диффузии с движением границы. В таких случаях используются модификации классических подходов применительно к областям с движущимися границами.

Для расчета теплофизических характеристик пеностекла использовали аналитические решения типовых линейных задач нестационарной диффузии для областей канонической формы из работы Рудобашта С. П.1 и Карташова Э. М.1 где температура на поверхности и в центре образца является функцией времени. Запишем решение задачи теплопроводности без источника:

5г(х,т) а2/(дг,г)

- = °-2-

дт дх

(17)

(18) (19)

_ (20)

1 Рудобашта, C.B. Диффузия в химико-технологических процессах/С.П. Рудобашта, Э.М. Карташов//М ■ Химия, 1993.-208 с.

При адаптации уравнения для нашей задачи получили:

/(*,г) = /(0,т)(1 -5с) + /(Л,т)х+ -У 5т(лпх)е-*'"''-' Г/„(х')ып(7ги-

п

Л

2 1 г | 9 86

—£-8И1(лтгГН/(0,г) г.0-(-1)"г(Л,т)|г=0 ехр(-л-УЛ?)--5>т(;г/«)- (21)

^ л=1 Я Я" *=1

г

•|ехр [-л-V - Л/ )] • [г' (0, г') - (-1)" • /' (Л,г')] йх'.

п

После решения данного уравнения получаем:

ах

После многочисленных итераций численные значения коэффициента температуропроводности при температуре до 40°С и пористости пеностекла 60%, составляют порядка а а 1,1 ч-2,2 ■ 10~7 м2/с. Полученные значения температуропроводности показывают, что испытуемый материал обладает хорошими теплоизоляционными свойствами при распространении температуры в нестационарных тепловых процессах. Это позволяет сделать вывод о том, что материал в полной мере может использоваться при теплоизоляции конструкций.

Далее рассчитывали удельную теплоемкость материала (845Дж/(кг-К)), плотность (р = 989кг/м3).

Для определения теплофизических характеристик использовали метод нестационарного режима, когда подводимая к нагретому телу теплота обеспечивает подъем температуры в теле в зависимости от времени его нагрева.

Схема измерительного прибора показана на рис. 2, где датчиками являются три термопары, одна из которых установлена на поверхности цилиндрической оболочки, другая — на поверхности исследуемого образца, а третья - в центре образца.

После измерения температур в трех точках образца (на поверхности цилиндрической оболочки, на поверхности исследуемого образца и в центре образца) получили следующие показатели, приведенные на рис. 3. Для этого исследуемый материал помещается в цилиндрическую капсулу с

4

Рисунок 2 - Схема измерительного устройства; 1 - исследуемый образец в форме цилиндра; 2 - цилиндрическая форма; 3 - корпус сушильного шкафа 2В-151; 4 - термопары; 5- потенциометр.

термопарами, из которых одна устанавливается в центре образца, а вторая -на его поверхности, измеряя температуру внутренней стенки капсулы. В процессе измерения образец нагревается от температуры до Ь за время т, при этом температура внутренней стенки капсулы (или наружной поверхности исследуемого материала) всегда будет выше, чем температура материала в центре образца. При этом делается допущение, что температура наружной поверхности капсулы равна температуре среды, т. е. время достижения выравнивания температур поверхности капсулы и среды пренебрежимо мало со временем прогрева всего образца.

Рисунок 3 - термограммы пеностекла: 1 - температура поверхности диатермической оболочки;

2 - температура поверхности образца;

3 - температура центра образца.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основными результатами диссертации являются теоретическая и экспериментальная разработка метода проектирования и планирования свойств и структуры пеностекла на предварительной стадии производств, а также определение теплофизических характеристик строительных материалов без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Реализация разработанных методов в программном комплексе «Моделирование и визуализация динамических процессов термического вспенивания стекольной шихты с целью управления пористостью декоративного пеностекла», может применяться как на предприятиях по производству пеностекла, так и в практике теплофизических измерений, в строительной и химической технологии.

На основе модели процесса порообразования в расплаве пеностекольной шихты при термической обработке рассмотрены физическо-химические явления, протекающие на этапе размягчения смеси стекла и газообразователя в печи вспенивания. Разработана методика, позволяющая повысить эффективность производства, а также снизить энергозатраты и продолжительность процессов при термообработке пеностекла в 1,5 раза. Ожидаемый экономический эффект от реализации разработанных методик для ОАО «Гомель стекло» (Республика Беларусь) составит более 283 тыс. руб.

Получены следующие результаты, определяющие научную новизну работы и ее практическую значимость.

1. На основе анализа существующих подходов к моделированию процессов, протекающих при термической обработке пеностекольной шихты, обосновано построение математической модели, учитывающей особенности формирования в расплаве пеностекольной шихты пор заданного размера, влияние на этот процесс вязкости, поверхностного напряжения и давления, развиваемого газообразователем.

2. Изучены физико-химические закономерности процесса вспенивания пеностекла. Показано, что процесс формирования и развития структуры пеностекла любого типа определяется закономерностями проявления реологических свойств спеков пенообразующей смеси в области температур от начала спекания стекла до максимума вспенивания.

3. Разработана математическая модель динамики порообразования при термической обработке пеностекольной шихты. Модель предполагает возможность расчета диаметра единичных пор пеностекла при заданном режиме термической обработки и времени вспенивания.

4. Показано, что время, необходимое для формирования нужной пористости в расплаве пеностекольной шихты, определяется суммарным временем процессов: временем доведения шихты до определенной температуры, которая запускает механизм газообразования в источниках и временем формирования пор необходимых размеров.

5. Проведенные экспериментальные исследования на лабораторной установке показывают адекватность предложенной математической модели при сравнении ее результатов с реальным процессом порообразования, при заданных условиях.

6. Разработана методика для определения коэффициента температуропроводности. Уравнение нестационарного теплового режима (22) возможно применять для экспериментального определения коэффициента температуропроводности строительных и теплоизоляционных материалов на образцах, выполненных в виде ■ цилиндра. Определены удельная теплоемкость материала (845 Дж/(кгК)), также коэффициент температуропроводности (1,1 + 2,2 • 10~7 м2/с).

7. Установлены основные закономерности физико-химических явлений процесса порообразования, степень влияния основных факторов, обеспечивающих устойчивость пены до полного застывания пеностекла, таких как вязкость стекла, поверхностное натяжение расплавленной шихты и парциальное давление, создаваемое газообраователем.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научно-технических журналах:

1. Федосов, С. В. Математическая модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты / С. В. Федосов, М. О. Баканов, А. В. Волков, А. И. Сокольский, Ю. А. Щепочкина // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология.-2014—Т.57.-вып.З.-С. 73-79.

2. Щепочкина, Ю. А. Технология получения композиционного теплоизоляционного материала с защитно-декоративным покрытием/ Ю. А. Щепочкина, М. О. Баканов// Строительство и реконструкция. - 2012. -№3 (41). С. 73-76.

3. Федосов, С. В. Особенности получения композиционного строительного материала на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием /С. В. Федосов, Ю. А. Щепочкина, М. О. Баканов//Строительство и реконструкция-2013 — №3 (47).- С. 77-80.

4. Федосов, С. В. Композиционный материал на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием/С. В. Федосов. Ю. А. Щепочкина, М. О. Баканов// Строительство и реконструкция.-2012.-№6 (44).- С. 109-114.

Свидетельства о регистрации программы для ЭВМ:

5. Федосов С. В., Баканов М. О. Моделирование и визуализация динамических процессов термического вспенивания стекольной шихты с целью управления пористостью декоративного пеностекла. РОСПАТЕНТ. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611857 от 12.02.2014 г.

Другие публикации:

6. Баканов, М. О. Отделка изделий из пеностекла с защитно-декоративными покрытиями. Состояние проблемы/М.О. Баканов, Ю.А. Щепочкина// Материалы 68-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2010 г. «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре».- Самара, 2011- С. 578580.

7. Щепочкина, Ю. А. Исследование поведения углеродистого пеностекла при воздействии открытого пламени/Ю. А. Щепочкина, М. О. Баканов // Материалы XVIII Международной научно-технической конференции «Информационная среда ВУЗа».- Иваново, 2011.- С. 485-487.

8. Баканов, М. О. Особенности нанесения стекловидных покрытий на пеностекло/М. О. Баканов// Материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности».- Могилев, 2011.- С. 164.

9. Щепочкина, Ю. А. Утилизация стеклобоя при получении нового композиционного материала на основе пеностекла/Ю. А. Щепочкина, М. О. Баканов// Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Актуальные научно-технические и экологические проблемы сохранения среды обитания».-Брест, 2013,- С. 260 - 262.

10. Баканов, М. О. К вопросу целесообразности введения в пеностекольную шихту плавня// Материалы VIII Международной конференции молодых учёных «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов»,- Пенза, 2013 - С. 12-14.

Благодарность.

Автор выражает глубокую благодарность за научное консультирование по вопросам порошковой технологии получения пеностекла д-ру техн. наук, профессору Ю. А. Щепочкиной, по вопросам массопереноса и химической кинетики, которые нашли отражение в главе 4 настоящей работы, д-ру техн. наук, профессору В. Е. Румянцевой, всем преподавателям и сотрудникам кафедры «Строительное материаловедение, специальные технологии и технологические комплексы» Ивановского государственного политехнического университета.

Подписано в печать 23.04.2014 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,00. Уч.-изд. л. 1,03. Тираж 100 экз. Заказ №11.

Отпечатано в отделении организации научных исследований экспертно-консалтингового отдела ФГБОУ ВПО «Ивановский институт ГПС МЧС России», Иваново, 153040, пр. Строителей, 33

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный политехнический университет»

На правах рукописи

042ö'i4567u5 БАКАНОВ МАКСИМ ОЛЕГОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ПОРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ПЕНОСТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ

Специальность: 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: академик PA ACH, доктор технических наук, профессор Федосов Сергей Викторович

Иваново-2014

»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................... 4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ........................ 9

1.1. Актуальность использования теплоизоляционных материалов в строительстве........................................................................... 9

1.2. Преимущества пеностекла в сравнении с другими теплоизоляционными материалами................................................ 10

1.3. Физико-химические основы порошкового способа производства пеностекла............................................................................... 20

1.4. Процессы, протекающие в пенообразующей смеси на стадии формирования пеностекла........................................................... 26

1.5. Особенности вспенивания стекла.................................................. 33

1.6. Подходы к моделированию процессов, протекающих на стадии формирования пеностекла........................................................... 38

1.7. Существующие методы определения теплофизических характеристик материалов.............................................................................. 44

1.8. Цель и задачи исследования........................................................ 57

1.9. Выводы.................................................................................. 58

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ............................................. 60

2.1. Характеристики сырьевых материалов............................................. 60

2.2. Методы исследования свойств и структуры пеностекла....................... 63

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРИСТОЙ

СТРУКТУРЫ В РАСПЛАВЕ ПЕНОСТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ.............67

3.1. Физическая модель формирования пористой структуры...................... 67

3.2 Основные допущения при моделировании процесса роста единичной

поры в расплаве пеностекольной шихты.......................................... 73

3.3. Математическая модель роста единичной поры в расплаве пеностекольной шихты............................................................... 74

3.4. Нахождение временной функции формирования пористой

структуры............................................................................... 84

3.5. Выводы.................................................................................... 89

Глава 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПЕНОСТЕКЛА..............................................................................................................................................91

4.1 Метод решения краевых задач нестационарной теплопроводности................92

4.2. Условия проведения исследования, описание экспериментальной установки............................................................................................................................................................101

4.3. Выводы................................................................................. 108

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.................................................. 109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................... 111

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности и строительстве все больший удельный вес приобретают синтезированные материалы, которые по своим технологическим и эксплуатационным параметрам имеют преимущества перед естественными материалами. Среди широкого аспекта строительных материалов немаловажное значение имеет изучение свойств пористых материалов, таких как пеностекло, а также технологии его получения.

На сегодняшний день производство пеностекла осуществляется преимущественно порошковым способом. Недостаточная изученность стадии порообразования при вспенивании пеностекла сдерживает темпы модернизации самой технологии. Кроме того, в настоящее время отсутствуют обоснованные математические и физические модели данного процесса, что, безусловно, влияет как на качество продукции, так и на процесс в целом.

Одним из основных направлений развития как химической промышленности, так и научной сферы является разработка энергосберегающих технологий. Основной путь снижения энергетических затрат на производство материалов лежит в изучении всех особенностей технологии их получения. При решении общей задачи экономии энергоресурсов необходимо учитывать затраты на производство самих материалов, составляющих большую часть их себестоимости. При отсутствии ясных представлений о динамике процесса порообразования, являющегося самым энергоемким при производства пеностекла, невозможно предлагать обоснованные меры, корректирующие как сам процесс вспенивания пеностекла, так и его производство в целом.

Актуальность работы. Производство теплоизоляционных изделий из пеностекла - интенсивно развивающаяся отрасль химической технологии. Одним из перспективным способов получения теплоизоляционного пеностекла является порошковая технология. Рациональный режим термической обработки является одним из важнейших этапов в технологии производства пеностекла, т. к. в

зависимости от выбранного режима можно получить пеностекло с широким диапазоном свойств. Довольно слабо исследованы вопросы формирования исходной системы, из которой в результате постепенного накопления газообразных продуктов при увеличении температуры формируется оптимальная пористая структура пеностекла. Не получил исчерпывающего качественного и количественного объяснения механизм порообразования при термической обработке пеностекольной шихты, характер влияние на данный процесс вязкости расплавленной шихты, поверхностного натяжения, а также парциального давления, развиваемого газообразователем. Отставание исследований в этой области привело к тому, что в настоящее время практически отсутствуют обоснованные модели, описывающие процессы, протекающие при формировании пор в расплаве пеностекольной шихты при постепенном увеличении температуры.

Указанные факторы не позволяют со всей полнотой использования преимуществ порошкового способа производства пеностекла, регулировать физические и теплофизические свойства пеностекла на стадии плавления пеностекольной шихты.

В связи с этим теоретическое и экспериментальное исследование механизма формирования пористой структуры пеностекла на стадии плавления шихты, изучение влияния вязкости расплава стекла, поверхностного натяжения и парциального давления, развиваемого газообразователем, являются актуальными задачами.

Цели работы. Научная работа посвящена установлению закономерностей процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучение процесса формирования пористой структуры в пеностекле;

- разработка математической модели динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты;

- изучение механизмов влияния поверхностного натяжения и вязкости расплава стекла на формирование теплофизических свойств пеностекла;

- разработка методики и проведение экспериментальных исследований по определению теплофизических характеристик пеностекла.

Методы исследования. Для определения теплофизических характеристик материала использовали метод нестационарного режима, при исследовании динамики процесса порообразования применяли математическое моделирование с использованием численных методов и их реализации в виде программ на ЭВМ. Достоверность результатов обусловлена:

- согласованностью результатов с известными теориями порообразования в расплаве пеностекольной шихты и экспериментальными данными, полученными непосредственно при изучении процесса производства пеностекла с использованием порошковой технологии;

- адекватностью модели порообразования в расплаве пеностекольной шихте.

Научная новизна работы.

• разработана математическая модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты, с учетом механизма возникновения пузырька пор при установленном режиме термической обработки пеностекольной шихты;

• установлены закономерности процесса порообразования, влияние на процесс основных факторов, обеспечивающих устойчивость пены до полного застывания пеностекла, таких как вязкость стела, поверхностное натяжение расплавленной шихты и парциальное давление, создаваемое газообразователем;

• разработана методика для определения коэффициента температуропроводности на образцах, выполненных в виде цилиндра, на основе аналитических решений типовых линейных задач нестационарной диффузии.

Практическая значимость работы.

• Разработанная математическая модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты позволяет рассчитывать диаметр пор в зависимости от режима термообработки, источника газообразования и структурных параметров изделий, их теплофизических свойств и характера внешнего воздействия. Это дает возможность проводить проектирование режимов термообработки на различных этапах процесса производства, также позволяет повысить эффективность производства, обеспечить снижение энергетических затрат и продолжительности процессов при термообработке пеностекла.

• Разработанная математическая модель реализована в виде прикладной программы и может быть использована как на предприятиях по производству пеностекла, так и в практике теплофизических измерений, в строительной и химической технологии.

• На основе модели процесса порообразования в расплаве пеностекольной шихты при термической обработке рассмотрены процессы, протекающие на стадии размягчения смеси стекла и газообразователя в печи вспенивания, разработана методика, позволяющая повысить эффективность производства, а также снизить энергетические затраты и продолжительность процессов при термообработке пеностекла в 1,5 раза. Ожидаемый экономический эффект от реализации разработанных методик для ОАО «Гомель стекло» (Республике Беларусь) составит более 283 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих внутривузовских, Всероссийских, Международных конференциях и семинарах: 68-я Всероссийская научно-техническая конференция по итогам НИР 2010 г. (Самара, 2011); XVIII Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» (Иваново, 2011); Международная научно-техническая конференция молодых ученых (Могилев, 2011); XIX Международная научно-техническая конференция «Информационная среда ВУЗа» (Иваново, 2012); Международная научно-практическая конференция «Актуальные научно-

технические и экологические проблемы сохранения среды обитания» (Брест, 2013); VIII Международная конференция молодых ученых (Пенза, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 научных статьи в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе. Объем работы составляет 120 страниц, включая 12 таблиц, 20 рисунков и библиографический список из 97 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность за научное консультирование по вопросам порошковой технологии получения пеностекла д-ру техн. наук, профессору Ю. А. Щепочкиной, по вопросам массопереноса и химической кинетики, которые нашли отражение в главе 4 настоящей работы, д-ру техн. наук, профессору В. Е. Румянцевой, всем преподавателям и сотрудникам кафедры «Строительное материаловедение, специальные технологии и технологические комплексы» Ивановского государственного политехнического университета.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

1.1 Актуальность использования теплоизоляционных материалов для технологического оборудования

Российская экономика в последнее время претерпевает существенные изменения. Сложившиеся рыночные отношения и форма устройства хозяйства требуют более осмысленного использования существующих ресурсов с максимальной эффективностью. В условиях конкуренции ведется непрерывная борьба за рынки сбыта, а, следовательно, производителю требуется постоянно искать новые пути улучшения качества и потребительских свойств продукции, снижения ее себестоимости и т. д.

Химическая промышленность занимает особое место в экономике. Данная отрасль потребляет большое количество различных материалов, человеческих и энергетических ресурсов, следовательно, для нее более актуально встает вопрос об их эффективном использовании.

В научной сфере, ориентированной на усовершенствование технологических процессов в химической отрасли, все большее место занимает разработка энергосберегающих технологий и применение новых теплоизоляционных материалов для оборудования, работающего при повышенных температурах.

Поэтому следует уделить особое внимание поиску технических и технологических решений эффективной теплозащиты различных узлов и механизмов, работающих при повышенных температурах, обеспечивающих новые нормативные показатели.

В энергетике объектами тепловой изоляции являются паровые котлы, паровые и газовые турбины, теплообменники, баки-аккумуляторы горячей воды, дымовые трубы.

В промышленности тепловой изоляции подлежат вертикальные и горизонтальные технологические аппараты, насосы, теплообменники, резервуары для хранения воды, нефти и нефтепродуктов. Особенно высокие требования предъявляются к эффективности тепловой изоляции низкотемпературного и криогенного оборудования.

Тепловая изоляция обеспечивает возможность проведения технологических процессов при заданных параметрах, позволяет создать безопасные условия труда на производстве, снижает потери легкоиспаряющихся нефтепродуктов в резервуарах, дает возможность хранить сжиженные и природные газы в изотермических хранилищах.

Проблемы изоляции технологического оборудования хорошо известны. Их решение в настоящее время осуществляется путем использования, как правило, минеральных ват. Однако из-за их недолговечности замена изоляции производится раз в три года. Учитывая свойства пеностекла, его использование в качестве изоляции позволяет ее снимать для производства ремонтных работ оборудования значительно реже и, более того, далее повторно использовать.

1.2 Преимущества пеностекла в сравнении с другими теплоизоляционными материалами

В настоящее время особенно актуален вопрос оценки качества и экономических показателей теплоизоляционных материалов как для ограждающих конструкций зданий и сооружений, так и теплоизоляции технологического оборудования. Обеспечение народного хозяйства эффективными теплоизоляционными материалами - одна из важных задач промышленности.

Современная промышленность производит достаточно большое количество различных теплоизоляционных материалов: пенопласты, пено-, газобетоны, минеральная вата и пеностекло. Первое место по объему выпуска занимает минеральная вата (75%); второе место - пенопласты (20%); далее - изделия из легких бетонов (3%). Все остальные виды теплоизоляционных материалов занимают 2% от общего объема [14].

Основные характеристики современных теплоизоляционных материалов представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Основные характеристики современных теплоизоляционных материалов

№ п/п Материал Теплопроводность, Вт/м-К Плотность, кг/м3 Пористость, % Предел прочности, МПа

Осж

1. Пенополиуретан 0,019-0,038 35-80 94-97 - 0,01...0,0 25

2. Пеноплекс 0,025-0,03 35-45 92-96 0,008-0,025 -

3. Стекловата 0,033-0,041 50-130 88-93 - -

4. Пеноизол 0,035-0,047 8-20 90-95 0,007-0,05 -

5. Пенополистирол 0,043-0,064 15-35 85-92 0,05-0,16 -

6. Минеральная вата 0,048-0,064 60-200 85-90 0,5-0,8 0,1...0,3

7. Пеностекло 0,055-0,3 105-400 85-95 0,8-1,0 0,3...0,4

8. Керамзит 0,12-0,18 250-800 40-60 0,5-0,8 0,18...0,5

9. Пенобетон 0,16-0,02 300-1200 50-90 - -

10. Кирпич 0,8 2200 24-33 - -

Из перечисленных выше материалов только ячеистые бетоны являются достаточно безопасными и долговечными. Этим обусловлено их широкое применение в строительстве. Несмотря на ряд преимуществ перед иными теплоизоляционными материалами, газобетонам и пенобетонам присущи существенные недостатки. Высокое водопоглощение приводит к низкой влаго- и морозостойкости. Высокая гидрофобность поверхности снижает адгезию к поверхности и затрудняет штукатурные работы. Например, прочность газобетона плотностью 300 кг/м3 составляет всего 0,8 МПа, плотностью 500 кг/м3 - 2,5-3 МПа и плотностью 600 кг/м3 - 305 МПа [64].

Использование пенопластов при теплоизоляции в строительстве и производстве вызывает не только проблемы, связанные с высокой пожарной и экологической опасностью, адгезионной несовместимостью с цементными и керамическими конструкциями. Пенопласты со временем подвергаются окислительной деструкции и разрушению [33].

Сравнительная характерист�