автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование массовыноса и создание устройств для эффективной очистки рабочих сред размерной электрохимической обработки изделий и их шламов

На правах рукописи

РГБ ОД

Величко Максим Юрьевич - ?

Исследование массовыноса и создание устройств для эффективной очистки рабочих сред размерной электрохимической обработки изделий и их шламов

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2000

Диссертация выполнена в Государственном унитарном предприятии "Производство печатных плат", г.Казань.

Научный руководитель - засл. работник Высшей школы РФ, засл. изобретатель РСФСР, доктор технических наук, профессор Смоленцев В.П..

Официальные оппоненты:

- засл. деятель науки РФ, доктор техн. наук, проф.

Петровский B.C.,

- канд. техн. наук, доцент Кузовкин A.B.

Ведущая организация:

Воронежский механический завод.

Защита состоится 23 февраля 2000 г. в 14.00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 063.81.06 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026 Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан 21 января 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В производствах, использующих размерную электрохимическую обработку (ЭХО) изделий, материал детали сначала переходит в электролит за счет анодного растворения, и в дальнейшем образует, в результате первичных и вторичных электрохимических реакций, нерастворимые осадки гидратов окислов обрабатываемого материала, так называемый шлам. Накопление большого количества шлама ухудшает течение процессов ЭХО, хотя его концентрация, в целом, редко превышает 34%. Организация непрерывного массовыноса частиц шлама из рабочей среды ЭХО при такой концентрации вызывает определенные трудности.

Получаемый шлам, особенно при ЭХО легированных сплавов, содержит значительные количества гидроокислов ценных металлов, которые являются одновременно полезным сырьем для вторичной переработки и экологически опасным отходом. Однако процесс дальнейшей утилизации шламов требует проведения дополнительных технологических операций с целью удаления из пор частиц шлама остатков рабочих сред - солей, мешающих дальнейшей переработке шлама.

Выщелачивание, например, ведет к удорожанию процессов утилизации, а имеющиеся технические средства для проведения этого процесса не всегда обеспечивают необходимый технологический эффект.

В большинстве случаев применяемая для выщелачивания аппаратура отличается громоздкостью, металлоемка, сложна в эксплуатации. Несмотря на широкую номенклатуру существующего оборудования, оно не всегда обеспечивает удовлетворительные условия массовыноса из дисперсной фазы - отмечается образование застойных зон, локальных уплотнений слоя твердой дисперсии, значительное обратное перемешивание, что в конечном итоге ведет к увеличению расходов применяемых реагентов. Большинство аппаратов приспособлено для работы в узком диапазоне свойств дисперсий, которые могут изменяться в процессе переработки в широких пределах, что влияет на устойчивость работы аппаратов. Наиболее эффективное противоточное взаимодействие фаз является самым сложным в плане конструктивных решений. Указанные проблемы актуальны во многих производствах, связанных с переработкой твердофазного сырья.

Перспективными устройствами, обеспечивающими

противоточное контактирование фаз, является техника, в которой

пульсация используется как для интенсификации процессов массообмена и массовыноса, так и для перемещения твердых дисперсий внутри аппарата. Аппараты этого класса отличаются простотой конструкции, особыми условиями массообмена и . гидродинамики фаз внутри аппарата.

Создание эффективных устройств массовыноса шлама из рабочих сред при ЭХО и для очистки полученного шлама от остатков солей с целью подготовки к дальнейшей переработке позволяет удешевить технологический процесс ЭХО и решить проблему утилизации образующихся шламов.

Проблема создания эффективной аппаратуры для массообмена и массовыноса актуальна и для других отраслей промышленности, работающих с твердофазным сырьем.

Цель работы. Целью работы является создание эффективных устройств, обеспечивающих массовынос шлама из рабочих сред, а также удаления из шлама остатков солей электролита.

Задачи исследования.

1. Разработка гидродинамической модели процесса пульсационного перемещения твердой дисперсной фазы (шлама) внутри аппарата.

2. Разработка физической модели процесса массовыноса в непрерывных противоточных аппаратах с пульсационным перемещением твердой дисперсной фазы.

3. Разработка математической модели процесса массовыноса в пульсационных установках, работающих с плотным слоем твердой дисперсии.

4. Численное моделирование процессов массовыноса в разрабатываемом пульсационном аппарате.

5. Экспериментальная проверка режимных параметров пульсации и основных узлов оборудования, обеспечивающих ее работоспособность.

6. Создание эффективных устройств для массовыноса шлама из рабочих сред ЭХО и разработка технологии для реализации процесса.

7. Создание эффективного противоточного непрерывно действующего оборудования, обеспечивающего удаление из пор шлама растворимых солевых веществ, и разработка технологии для реализации процесса.

8. Расширение результатов работы на продукцию конверсионных производств.

Методы исследования. Полученные в работе результаты основаны на использовании теории фильтрации, пульсационного течения, подобия, численных методов исследования, функциональном анализе.

Научная новизна.

1. На основании классических представлений разработана физическая и математическая модели процесса нестационарного массообмена в аппаратах с противоточным пульсационным транспортированием твердой дисперсии, что позволило создать численные методы расчета параметров массообменных аппаратов.

2. Изучены зависимости процесса массообмена в пульсационном аппарате от начальных условий и от параметров взаимодействующих фаз.

Практическая ценность.

1. Разработаны новые непрерывные устройства разделения сред с низкой концентрацией твердой дисперсной фазы с одновременным формированием слоя твердой дисперсии с предельной концентрацией, работающие в широком диапазоне свойств дисперсий.

2. Предложена методика расчета габаритных размеров и режимных параметров аппаратов с противоточным пульсационным транспортированием твердой дисперсии с предельной концентрацией.

3. Адекватность предложенных решений проверена на экспериментальных установках.

4. Результаты работы внедрены на заводах машиностроения с экономическим эффектом 53185 рублей в год.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях: "Химия 97" в г.Иваново в 1997 г., на I молодежной научной конференции в РХТУ (МХТИ) им.Менделеева в г.Москве 1997 г., на XI Российской конференции по экстракции в г.Клязьма в 1998 г., на \/-ой Международной конференции в г.Казани 1999 г., на годовых конференциях кафедры ТМ ВГТУ (1998-1999 г.г.).

Публикации. По материалам работы опубликовано 8 печатных работ в международной, центральной и местной печати, подана заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы, спсика условных обозначений, приложения. Объем работы составляет 167 стр., включает 29 рисунков и приложения на 4 страницах.

Работа выполнена в соответствии с программой "Черноземье" на 1995-2000 год, раздел "Машиностроение".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса массовыноса шламов, образующихся при размерной электрохимической обработке (ЭХО) и вопросов подготовки этих шламов к дальнейшей переработке.

Принимая шлам как двухфазную систему, состоящую из дисперсии пористых твердых частиц и сплошной жидкой фазы, выполнен анализ эффективности существующего оборудования и перспективности его дальнейшего развития для обработки твердо-жидкофазных систем, в частности шламов.

Показано, что имеющееся в промышленности оборудование недостаточно эффективно решает вопросы как отделения шламов от рабочих сред, так и удаления из этих шламов остатков солей, что препятствует дальнейшей переработке шламов.

В качестве перспективного направления развития устройств для обработки твердо-жидкофазных дисперсных систем выбрана пульсационная аппаратура, обладающая рядом положительных свойств, такими как простота изготовления, непрерывность работы, отсутствие движущихся частей, возможность автоматизации процессов.

Исходя из этого, проведен анализ особенностей работы и конструкций существующего пульсационного оборудования, используемого для обработки твердых дисперсных систем в различных отраслях промышленности.

В главе представлен анализ основных физических явлений, имеющих место при работе пульсационных аппаратов с твердо-жидкофазными системами, а также математическое описание явлений, происходящих в них. Отмечено, что повышение эффективности процессов основано на организации взаимодействия фаз, при котором нарушение структуры потоков будет минимальным. Создание условий для проведения массообменных процессов в

плотном слое с предельной концентрацией по твердой фазе и без нарушения его структуры при пульсационном перемещении позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели аппаратов.

Сделано заключение о возможности разработки

высокоэффективного противоточного пульсационного оборудования для работы с различными видами твердых дисперсий, в частности, шламов, образующихся при размерной ЭХО.

Исходя из изложенного материала, были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе изложены основные предпосылки и положения, необходимые для решения поставленных целей и задач.

Проведен анализ основных подсистем разрабатываемого оборудования, определен диапазон рабочих значений амплитудно-частотных характеристик пульсаций и значений рабочих давлений, проведено численное моделирование процессов массовыноса при непрерывном взаимодействии твердой дисперсии и жидкой фазы в условиях пульсационного транспортирования твердой дисперсии в виде сплошного слоя постоянной порозности.

В работе приняты следующие основные гипотезы, определяющие требования к конструктивным решениям и режимам работы разрабатываемого пульсационного оборудования:

- процесс транспортирования и фильтрации сквозь зернистый слой разнесены во времени и осуществляются в различные периоды пульсационного цикла;

- перемещение твердой фазы осуществляется импульсным воздействием на дисперсионную фазу;

- для достижения оптимальных параметров структуры потоков необходимо, чтобы изменение порозности зернистого слоя при его перемещении было минимальным.

В качестве основных подсистем аппарата выделены: технологическая, пульсационная, динамическая и подсистемы загрузки и выгрузки твердой дисперсии. Показано, что каждая из подсистем обладает собственным характером и масштабом входящих в нее явлений. Проведен анализ подсистем - явлений и условий их работы, что позволило определить как режимные, так и конструктивные решения, применимые для достижения поставленных целей.

Исходя из приведенных положений пульсационного транспортирования твердой дисперсии, была принята гидродинамическая модель процесса, и определен характер

изменения вектора скорости сплошной жидкой фазы во времени за один пульсационный цикл. Согласно принятой модели весь пульсационный цикл был разбит на два основных периода -транспортный и фильтрационный и два переходных периода. Определены наиболее важные требования к реализации указанных периодов и пути их достижения.

Сохранение сплошности структуры слоя является главным требованием транспортного периода и достигается путем малого времени его существования и наличием динамических сил, сжимающих слой. Тем самым в период транспортирования слой должен двигаться с некоторым ускорением.

Реализация этого режима достигается быстрым изменением направления вектора скорости сплошной жидкой фазы с изменением его значения от скорости фильтрации до значений, превышающих скорость ожижения слоя. Время разгона при переходе от фильтрационного к транспортному периоду, т.е. время перехода слоя из неподвижного состояния в поршневое движение, определяется известной формулой для импульсно псевдоожиженного слоя (ИПС), предложенной Ю.Х.Локшиным в своих работах.

= У^р/д,, где д, =д(1-рж / рТД)/

1 +

РжП-е) РтдЕ

где 1р - время разгона, \мкр - критическая скорость (псевдоожижения), Рж. Ртд - плотности жидкой и твердой фаз соответсвенно, е -порозность слоя, д - ускорение свободного падения.

В отличие от близкого по характеристикам ИПС давление необходимое для перемещения слоя имеет большее значение и определяется по зависимости:

АРапп=ДРУр+ДРТр+ДРии+АРгидр,

где ДРапп - перепад давления на концах слоя, ДРур - потери на изменение уровня сплошной среды в аппарате, ДРтр - потери на трение слоя о стенки аппарата, ДРИ„ - потери на преодоление инерции слоя, ДРГИДр - потери на гидравлическое сопротивление.

' Сравнительный анализ показывает, что значение ДНин в среднем на порядок превышает значения других членов уравнения, поэтому на практике значениями других членов можно пренебречь, введя соответствующий поправочный коэффициент.

Процесс движения жидкости в зернистом слое, происходящий в фильтрационный период, является самым продолжительным и подробно освещен в соответствующей литературе. В принятой гидродинамической модели для простоты полагалось, что скорость фильтрации в среднем за период неизменна и может быть ориентировочно определена по известному уравнению Эргана.

При использовании в аппаратах свободного слоя частиц скорость фильтрации не должна превышать величины скорости ожижения с целью сохранения структуры слоя и соответственно потоков фаз. С уменьшением размеров частиц и разности плотностей фаз это значение скоростей может принимать очень малые величины не приемлемые для технологического процесса в целом. Поэтому с целью обеспечения сплошности структуры слоя твердой дисперсии при любых скоростях фильтрации показана необходимость применения специальных устройств для запирания слоя. Применение подобных устройств необходимо в случае работы аппаратов с суспензиями, время стесненного осаждения которых имеет значения близкие или превышающие время основных периодов пульсационного цикла.

Для определения рабочего диапазона значений величин, входящих в амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) пульсации, автором проведен анализ ограничений, вносимых каждой из выделенных подсистем аппарата, а также взаимного влияния каждой из подсистем на характеристику АЧХ. В результате была сформулирована система неравенств и уравнений, позволяющих определить рабочий диапазон АЧХ и оценить приемлемые значения входящих в нее величин:

у=0,1+0,7 -диапазон скважности пульсации;

А^ кобр =уутд - определение значения АЧХ;

0,1 <<5 Гц - условие поршневого движения и сохранения

0<А< Ь,

и[(1-Ч;)\л/ф]

'выгр

сплошности слоя;

- влияние скважности на размер аппарата;

ограничения значений амплитуды пульсации от размеров зоны выгрузки;

Г<>1'[1/([!р+!.1аг|+1сед])] - учет длительности переходных периодов между основными периодами - фильтрацией и транспортом.

Здесь V)/ - скважность (под скважностью понимается отношение активного периода пульсации - транспортного периода, включая длительность переходного процесса, ко всей длительности пульсационного цикла), А - амплитуда пульсаций, ( - частота пульсаций, к0бр - коэффициент учитывающий обратное перемещение слоя, \1\гтд, \л/ф - средняя технологическая скорость твердой дисперсии и жидкой фазы в аппарате соответсвенно, Б - площадь сечения аппарата, 1зап - время запаздывания импульса, 1сед - время оседания слоя, I- - технологический расход жидкой фазы, Мвь,ф - высота зоны выгрузки.

Оценка требований, предъявляемых к пульсационной подсистеме, показала, что некоторые конструкции пульсаторов и пульсопроводов, применяемые в настоящее время в пульсационных аппаратах для работы с системами жидкость-жидкость, имеют характеристики, удовлетворяющие все предъявляемые к данной подсистеме условия: создаваемую амплитуду, частоту, форму импульса и прочее. Применение хорошо зарекомендовавших себя устройств и конструкций пульсаторов и пульсопроводов позволяет существенно упростить процесс конструирования нового оборудования. В качестве оптимального решения предложено использование пневмогидравлической системы подвода импульсов в аппарат.

В соответствии с принятым пульсационным способом проведения процесса массовыноса, с учетом физико-химических свойств перерабатываемых дисперсных систем - низкой концентрацией твердой дисперсии и пористой структурой основного количества частиц, определены конструктивные и режимные требования к загрузочной и выгружной подсистемам. С учетом этих требований, а также требований других подсистем автором было предложено оригинальное устройство, которое позволяет эффективно реализовать процесс массовыноса шлама из рабочих сред при ЭХО. На устройство подана заявка на изобретение. Суть решения в разделении среды, подводимой в аппарат твердо-жидкофазной системы, одновременно с запиранием слоя частиц в нижней его части. Применение устройства обеспечивает стабильность структуры слоя на протяжении всего пульсационного цикла.

Разделительный узел за счет специально организованного пульсационного воздействия позволяет накапливать дисперсную фазу и отводить ее в непрерывном режиме, обеспечивая устойчивость работы всей установки в целом. Получаемая на выходе из установки твердая фаза содержит только капиллярно удерживаемую влагу, хотя общая влажность может достигать 7590% и зависит от физико-химических свойств частиц.

Предложен алгоритм определения размеров рабочей зоны оборудования, в котором учитыватся скважность пульсационных периодов.

Рассмотрены ограничения на диапазон рабочих значений АЧХ, связанные с применением оригинального узла разделения.

Конструктивная схема аппарата для очистки шлама, принятая после проведенного выше анализа, позволила разработать физическую модель процесса массовыноса в аппарате. Для этого был принят ряд допущений. С их учетом была разработана математическая модель процесса массовыноса в периодически движущемся слое твердой дисперсии с подвижными границами (А и /2). Поскольку за полный пульсационный цикл происходит попеременно реализация двух различных процессов взаимодействия фаз, то расчет концентраций целевого компонента в фазах для каждого периода производится раздельно. Значения искомых функций в конце каждого из основных периодов являются начальными для следующего и так далее. Благодаря такому подходу удалось изложить всю схему расчета в виде единого алгоритма. Массовынос рассчитывался с применением модели послойного извлечения примесей из частиц по известной системе уравнений конвективного переноса, модифицированной применительно к поставленной задаче.

М,*М0(ф13)

С1(х,1)=Сж ; ф1(хД)=ф1Н при 0<х<Л и 0<1<оо ;

ЭС1 е ЭС< е Эф?.. дер?.. .

—1-+ и—1-+ —+ V—!-!-Мп = 0 ;

й (1-е) Эх (1-е) а 0 Эх 0

при /■, <х</2; 0<1<оо;

(тт +тр

при /1<х</2; 0<Коо.

Ф1 , 1-Ф В1 г)

дфт 1 Эф,

а эх

Здесь фн, (р, - начальный и текущий радиус фронта растворения, С1Н, Сн, - концентрация целевого компонента в сплошной фазе: в поступающей жидкости, насыщения, текущая соответсвенно, М0, М, - начальное и текущее массосодержание в частице, х -координата вдоль аппарата, I - время, И - текущий радиус фронта растворения, В1 - критерий Био, О - коэффициент молекулярной диффузии, (тт+т) - пористость частиц после растворения, и, V -скорости жидкой и твердой фаз в неподвижной системе координат, 11 - коэффициент равный 1, /) 2 - подвижная граница слоя.

и(0=\л/ср; у(0=\л/ср при (п-1 )Т < I < (п-1 )Т+ТТР ,

и(1)=иф; у(1)=0 пТ-ТФ<1<пТ, п=1,2,3,4.....(номер цикла),

где иф - скорость фильтрации жидкой фазы, Т - общая длительность пульсационного цикла, Тф, ТТР - длительность периода фильтрации и транспорта, \л/ср - средняя скорость твердой фазы.

Уравнения перемещения подвижных границ:

Г \л/ср(1-(п-1 )Т); (п-1 )Т < I < (п-1 )Т+ТТР;

/1 (1)= -! шсрТТр-иФ(ИТр-(п-1 )Т); (п-1 )Т+ТТР < I < I < (п-1 )Т+Ттр+ wCpTтp/Uф■, I 0 ; (п-1 )Т+Ттр+ wcpTTp/Uф < I < пТ; Г 1_+\л/ср(1-ТТр-(п-1)Т); (п-1)Т < I < I <(п-1)Т+ТТР;

12(1)= "! ИиФ-ТС/Тф£3)(1-ТТР-(п-1)Т); i (п-1)Т+Ттр<Л < пТ;

где С - расход твердой фазы.

Полученная система уравнений решается при граничных условиях:

С,(/2Д)=0; (п-1 )Т+ТТР < 1 < пТ; и при начальных условиях:

С1(х,0)=^(х); ф1(х,0)=д(х)

Решение системы численным методом при некоторых фиксированных значениях коэффициентов позволило получить распределение концентрации целевого компонента в фазах вдоль слоя. Оно оказалось близким к классическому распределению при противоточном взаимодействии потоков.

1

у и

ЖФ

ТФ

о

1

Распределение концентраций в фазах в зависимости от критерия В1: 1-В1=20, 2 - В1=50, 3 - В1=80. С/Со ' относительная концентрация. Ъ ■ относительная длина аппарата ТФ - твердая фаза, ЖФ - жидкая фаза

Результаты расчетов показали, что независимо от начальных условий, распределение концентраций в фазах через некоторое количество циклов характеризуется зависимостью, приведенной на рисунке. Степень извлечения (относительная концентрация) зависит только от времени контакта фаз с соответствующим падением производительности.

Поскольку непосредственное решение системы уравнений

возможно только численным методом и сопряжено с большими трудностями понадобилось создание приближенной аналитической зависимости. Для этого в исходных уравнениях изменяющуюся во времени скорость заменили ее средним значением за цикл, что позволило перейти к неподвижной системе координат.

Результаты, полученные аналитическим путем в широком диапазоне изменения параметров, имеют отклонения от результатов численного метода около 1%. Предложенная аналитическая зависимость применима для разработки инженерных методов расчета аппаратов с пульсационным транспортированием твердых дисперсий.

В третьей главе показаны результаты экспериментальных работ, предназначенных для проверки разработанной гидродинамической модели аппарата, а также по определению устойчивости работы оригинального узла разделения. Исследования проводились на двух экспериментальных установках, созданных автором.

Приводятся схемы установок и методика проведения экспериментальных работ.

С целью подтверждения разработанной гидродинамической модели исследовалось изменение порозности слоя твердой дисперсии (ТД) при воздействии на слой пульсационных импульсов. Значения давлений и АЧХ в опыте задавались около величин полученных по методике, предложенной в данной работе.

Оценка изменения порозности слоя проводилась путем измерения отклонения омического сопротивления слоя от своего максимального значения в неподвижном состоянии. С учетом применяемого метода измерения модельные системы ТД - жидкость были специально подготовлены для удаления компонентов, которые могут отрицательно влиять на достоверность опытных данных.

В настоящее время на конверсионных предприятиях существует проблема расширения области использования существующего оборудования для выпуска товаров народного потребления с использованием нетрадиционного для предприятий пищевого и технического сырья. Поэтому, кроме технических сред, в качестве объектов исследования были выбраны различные системы ТД -жидкость:

1. шлам - вода;

2.гранулы полистирола - вода;

3. растительное сырье - вода.

Размеры частиц в исследуемых системах изменялись в широком

диапазоне (от 0,02 мм для шлама и до 3 мм для гранул из полистирола).

Плотность частиц в модельных системах изменялась от 1,0 г/см3 для растительного сырья до 1,9 г/см3 для частиц шлама.

Результаты эксперимента показали соответствие опытных данных расчетным значениям с погрешностью 8-И 4%.

В опытах достигалось устойчивое перемещение дисперсии в поршневом режиме в области расчетных параметров пульсации с малым изменением порозности слоя.

Определение устойчивости работы узла разделения проводилось на другой установке.

Эксперименты проводились на двух модельных системах:

1. шлам - вода;

2. растительное сырье - вода.

Указанные системы являются наиболее сложными в технологическом отношении как для разделения, так и для пульсационного транспортирования. Сложность систем заключается в склонности к агрегатированию частиц и к налипанию на поверхности. Проведенные эксперименты показали достаточно устойчивую работу узла на модельных системах в непрерывном режиме.

Повышение устойчивости работы узла при работе со "сложными" суспензиями возможно при ее импульсной подаче, однако при этом требуется установка специального устройства согласующего импульсы подачи и продувки. В ходе экспериментальных работ по отработке узла выявлено наличие характерных зон течения дисперсий и определены размеры этих зон в зависимости от условий проведения процессов, что позволило разработать методику расчета размеров конструктивных элементов узла и установить влияние каждого из элементов на условия массовыноса и пульсационные параметры процесса. Границы зон находятся исходя из баланса расходов по жидкой фазе в узле разделения:

л\/Уф К2 + 2яРИ V/ - !_н =0 ,

где Н - текущий радиус вдоль фильтрующей поверхности, \л/ -скорость потока, - скорость фильтрации через решетку, И -расстояние между отбойником и фильтрующей поверхностью, 1_н -производительность насоса.

Распределение зон определяется из уравнения объемного расходов, после уравнивания значений скоростей:

1. V/ = \ыож (или \л/ф, если w0ж<wф).

2. \д/ = 0.

С учетом результатов экспериментальных работ предложена методика инженерного расчета пульсационной аппаратуры для массовыноса в системе твердое тело - жидкость с противоточным контактированием потоков фаз.

В четвертой главе приводятся результаты внедрения полученных разработок в производство.

Испытана в производстве установка непрерывного действия для массовыноса шламов из рабочих растворов ЭХО. Производительность оборудования составила 6-8 м3/час, влажность получаемого шлама около 90%, что удовлетворяет технологическим требованиям процесса ЭХО. При указанных технологических характеристиках установка более компактна, проще в изготовлении и обслуживании по сравнению со стандартным оборудованием с аналогичными параметрами.

Предложена конструкция аппарата и технологическая схема отмывки шламов от остатков солей с целью дальнейшей утилизации шлама. Отмывка производится водой с последующим направлением полученных растворов на приготовление рабочих растворов ЭХО. Расход воды в предлагаемом технологическом процессе может быть снижен на 15%, при этом стоимость оборудования примерно на 10% ниже по сравнению с ранее принятым процессом переработки шлама.

В рамках конверсионных программ предложены технологические схемы с использованием нового оборудования для других областей народного хозяйства, в частности в фармацевтической промышленности для извлечения целевых компонентов из растительного сырья, что позволит извлекать на 20^25% больше целевых веществ по сравнению с традиционным способом.

Предлагаемые в главе решения достаточно просто вписываются в имеющиеся производственные схемы. Новое оборудование обеспечивает изоляцию рабочей зоны от окружающей среды, что в дальнейшем позволит использовать в качестве рабочих сред токсичные или пожароопасные вещества. Это дает возможность дальнейшего расширения области использования результатов в других отраслях промышленности, в частности путем применения технологических схем, не получивших признания по причине опасности в пожарном или санитарном отношении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведен функциональный и структурный анализ подсистем массообменных пульсационных аппаратов с транспорованием твердой фазы в виде слоя с концентрацией близкой к насыпному. Анализ необходимых пульсационных параметров показал, что при уменьшении длительности пульсационного цикла возрастает влияние переходных процессов пульсационного цикла на устойчивость работы аппарата в целом. Показано, что для обеспечения устойчивости работы в широком диапазоне свойств твердо-жидкофазных систем необходимо запирать слой специальными устройствами.

2. Разработана гидродинамическая модель процесса пульсационного перемещения твердой дисперсной фазы (шлама) внутри аппарата с плотностью близкой к насыпной, что позволяет организовать взаимодействие фаз с высокой однородностью структуры потоков по сечению аппарата. Определены закономерности перемещения твердой фазы и рабочий диапазон режимных параметров пульсации, необходимых для проведения процесса (давления, частоты, амплитуды, скважности и проч.).

3. На основании классических представлений разработана физическая и математическая модели процесса нестационарного массообмена в аппаратах с противоточным пульсационным транспортированием твердой дисперсии. В моделях процесс представлен как последовательность циклически чередующихся элементарных явлений, которые увязаны между собой начальными и конечными условиями. На основании построенных моделей созданы численные методы расчета параметров массообменных аппаратов.

4. Проведено численное моделирование процесса массовыноса. Получен характер распределения концентрации целевого компонента в фазах вдоль аппарата. Показано, что распределение концентрации целевого компонента в фазах вдоль аппарата не зависит от начальных условий и близко к теоретическому распределению концентраций в фазах при противоточном взаимодействии потоков.

5. На основе результатов численного моделирования процесса массообмена в аппарате предложены аналитические зависимости. Расхождение методов составляет около 1 %.

6. На лабораторных установках проведена экспериментальная проверка расчетных режимных параметров пульсации и основных узлов оборудования, что подтвердило адекватность предложенных физических моделей. Полученные результаты удовлетворительно

согласовываются с расчетными характеристиками. Предложена методика определения габаритных размеров аппаратов с учетом режимных параметров. Определено влияние конструктивных элементов на характеристики пульсации. Установлено, что новое оборудование работоспособно в широком диапазоне пульсационных параметров и свойств твердо-жидкофазных систем.

7. Создана опытная установка для массовыноса твердой дисперсной фазы (шлама) из рабочих сред размерной ЭХО. Предложено эффективное противоточное непрерывно-действующее оборудование, обеспечивающее удаление из пор шлама остатков электролитов, разработана технологическая схема для реализации процесса.

8. Предложены технологические схемы с применением новых массообменных аппаратов в различных сферах промышленности.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Павлов A.A., Величко М.Ю., Гурьянов А.И. Численное моделирование массообмена в колонне с пульсационным транспортированием твердой фазы // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии.: Сб. науч. трудов Вестника КГТУ. -Казань, 1998, С.171.

2. Павлов A.A., Величко М.Ю. Моделирование процесса массообмена в экстракторе с пульсационным транспортированием твердой фазы. -М., 1999. -18 с. -Дел. ВИНИТИ №3266-В99.

3. Величко М.Ю., Синявин A.A., Гурьянов А.И. Приблизительный расчет габаритных размеров аппаратов с пульсационным технологическим транспортированием твердой дисперсии.//Методы кибернетики химико-технологических процессов.: Тез. докл. V-ой Междунар. науч. конф. -Казань, 1999. С.95.

4. Величко М.Ю., Гурьянов А.И. Массообменные аппараты для экстракции из растительного сырья// НИ РХТУ-97: Тез. докл.1 науч,-техн. конф. мол. ученых. -Новомосковск, 1997. С. 78.

5. А.И.Гурьянов, П.А.Сигал, В.Г.Петров, М.Ю.Величко. Экстрагирование растительного сырья в пульсационных противоточных аппаратах // Актуальные проблемы химии и хим. технологии.: Тез. докл. I Междунар. науч.-техн. конф. -Иваново, 1997. Т.6. С.138.

6. Величко М.Ю., Гурьянов А.И. Пульсационные противоточные аппараты с плотным слоем дисперсной фазы II XI Росс. конф. по экстракции: Тез. докл. -М., 1998. С.121.

7. Величко М.Ю., Смоленцев В.П. Движение плоского потока суспензии вдоль проницаемой поверхности // Нетрадиционные технологии в технике, экономике и социальной сфере.: Межвуз. Сб. науч. тр. - Воронеж, 1999. -Вып.2, С. 14-20.

8. Величко М.Ю., Смоленцев В.П. Переходные процессы при пульсационном транспортировании суспензий // Нетрадиционные технологии в технике, экономике и социальной сфере.: Межвуз. Сб. науч. тр. -Воронеж, 1999. -Вып.2, С.20-28.

ЛР №020419 от 12.02.92. Подписана в печать !19 01.2000. Формат 60 84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 75 экз. Зак. № /б Издательство

Воронежского государственного технического универститета 394026 Воронеж, Московский просп., 14.