автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетические закономерности сегрегации и управление сегрегированными потоками в технологических процессах переработки зернистых материалов

005044115

На правах рукописи

ИВАНОВ Олег Олегович

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СЕГРЕГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЕ СЕГРЕГИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 7 1ЛДГ1 Ш1

Тамбов 2012

005044115

Работа выполнена в лаборатории «Механика сдвиговых течений зернистых сред» кафедры «Технологии продовольственных продуктов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»),

Научный консультант

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Долгунин Виктор Николаевич

Гришаев Игорь Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам имени профессора Я.В. Самойлова», г. Москва, заведующий лабораторией

Мизонов Вадим Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», заведующий кафедрой прикладной математики

Першин Владимир Федорович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», заведующий кафедрой прикладной механики и сопротивления материалов

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ ВНИИТиН), г. Тамбов

Защита состоится «¿2» мая 2012 г. в часов на заседании диссертаци-

онного совета Д 212.260.02 в ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Электронная почта: kvidep@cen.tstu.ru; факс: 8(4752) 632024.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Автореферат разослан » апреля 2012 г.

Ведущая организация

Ученый секретарь диссертационного совета

Нечаев Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большинство зернистых материалов, производимых и перерабатываемых в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, являются существенно неоднородными. Технологические процессы, протекающие при взаимном перемещении частиц, неоднородностью которых пренебречь не представляется возможным, сопровождаются эффектами сегрегации, которые признаются наиболее общим и масштабным негативным фактором в технологии дисперсных материалов, приводящим к снижению качества продукции, нарушению норм технологического режима и снижению безопасности производства. Сегрегация наблюдается даже при относительно небольшом различии частиц по какому-либо признаку (размеру, плотности, шероховатости, упругости, форме и т.д.) и может оказывать существенное влияние как на кинетику природных явлений и технологических процессов, так и на динамику течения зернистых сред. Однако, несмотря на то, что некоторые эффекты сегрегации известны с давних времен и многие сотни лет используются в хозяйственной деятельности, например в горнообогатительной технологии и сельском хозяйстве, процесс их научного познания находится только в самой начальной стадии. Технологические проблемы сегрегации возникают, в основном, вследствие спонтанного образования в рабочих объемах аппаратов сегрегированных технологических потоков, локализованных в отдельных зонах рабочего объема и характеризующихся неоднородностью гидродинамических условий, режимных параметров и среднего времени пребывания частиц. Традиционным способом решения названных проблем является использование различных методов и технических средств, либо снижающих склонность материалов к сегрегации, либо непосредственно разрушающих сегрегированные потоки. Однако такой подход является затратным, приводит к неконтролируемому изменению структуры потока и часто не обеспечивает радикальное решение проблемы. На фоне глобального характера проявления сегрегации примеры ее технологического использования в процессах переработки зернистых материалов весьма малочисленны, что является следствием отсутствия необходимой теоретической базы и развитого банка соответствующих технических решений с достаточно глубокой опытно-конструкторской проработкой.

Настоящая работа направлена на изучение кинетических закономерностей сегрегации при быстром сдвиговом течении, развитие способа прогнозирования ее эффектов и разработку принципов управления сегрегированными потоками зернистых материалов при организации гидромеханических и тепломассообменных процессов (разделения, смешения, сушки, гранулирования, термовлажностной и термохимической обработки и других процессов).

Работа выполнена в соответствии с координационным планом Министерства образования РФ МНТП (шифр П.Т. 465, П.Т. 419) и включена в Государственную программу «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» по разделу «Высокие технологии межотраслевого применения» и поддержана грантом РФФИ № 09-08-97521.

Целью работы является развитие теоретической и экспериментальной базы, расширяющей возможности прогнозирования кинетики сегрегации в быстрых сдвиговых потоках зернистых материалов, и разработка принципов управления сегрегированными технологическими потоками для преодоления негативных последствий сегрегации, интенсификации процессов и совершенствования оборудования.

Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:

- разработка метода прямого определения коэффициента сегрегации при быстром сдвиговом течении зернистого материала, идентификация на его базе движущей силы процесса и уточнение уравнения кинетики сегрегации;

-разработка базовых принципов управления сегрегированными технологическими потоками зернистых материалов при комплексной их переработке;

- реализация базовых принципов управления сегрегированными технологическими потоками зернистых материалов на примере организации гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов в барабанном аппарате; Т.

-разработка технических решений, реализующих различные варианты управления структурой сегрегированных потоков в барабанном аппарате, и комплексное исследование их эффективности;

- разработка математической модели и соответствующего программного обеспечения для ЭВМ для прогнозирования динамики процессов переработки зернистых материалов в барабанном аппарате с управляемыми сегрегированными потоками методами разделения и соединения (смешения);

- разработка математической модели динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате;

-экспериментальное исследование и математическое моделирование динамики процессов разделения, смешения и формирования структуры сегрегированных технологических потоков зернистых материалов при различных вариантах управления сегрегированными потоками.

Научная новизна результатов работы. Предложен единый подход к управлению сегрегированными потоками зернистых материалов в рабочем объеме оборудования направленными импульсами, используя который, можно изменять характеристики структуры потоков отдельных компонентов и зернистой среды в целом.

Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка на базе барабанного аппарата с периферийной насадкой, позволяющая исследовать влияние параметров импульсного воздействия (величины и направления импульсов) на характеристики структуры сегрегированных потоков зернистых материалов при организации гидромеханических, тепломассообменньгх и совмещенных процессов.

Разработана теоретическая и экспериментальная база для определения кинетических характеристик сегрегации при формировании сегрегированных потоков зернистых материалов в режиме быстрого сдвига. На базе развитых экспериментальных и аналитических методов предложено определять коэффициент сегрегации для несвязных неэластичных сферических частиц, инвариантный к их размеру (в диапазоне соотношения диаметров 0,5...2,0), скорости сдвига и порозности зернистого материала и вычислять движущую силу процесса в зависимости от комплекса физико-механических свойств частиц, их концентрации и структурно-кинематических характеристик сдвигового потока. Сформулировано уравнение кинетики сдвиговой поточной сегрегации, позволяющее прогнозировать, с учетом изменяющихся свойств частиц и параметров потока, как процесс разделения смеси частиц, так и скорость перемещения одиночных мелких или крупных частиц в быстром сдвиговом потоке с использованием единого кинетического коэффициента относительной скорости сегрегации.

Разработаны математические модели процессов разделения, смешения и формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистых материалов в барабанном аппарате, позволяющие исследовать динамику полей концентрации компонентов в периодическом и непрерывном (переходном) процессах, а также характеристики структуры сегрегированных потоков, при различных вариантах воздействия на них управляющими импульсами. Методами экспериментального исследования и математического моделирования установлено наличие у подъемно-лопастной насадки барабанного аппарата различной задерживающей функции по отдельным компонентам материала, которая может быть причиной существенного (более чем на 20%) различия их среднего времени пребывания. Обнаружено, что воздействие обратными импульсами на сегрегированный технологический поток обеспечивает возможность более чем десятикратного избирательного увеличения дисперсии распределения по времени пребывания частиц, которыми обогащен сегрегированный поток.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Выявленные кинетические закономерности сегрегации и предложенные варианты управления сегрегированными технологическими потоками стали базой для разработки гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов для переработки сыпучих материалов, что позволило решить ряд практических задач.

Разработаны техника и методика прямого определения коэффициента сегрегации в гравитационном потоке зернистого материала, что позволило уточнить кинетическую зависимость сегрегации и обеспечить теоретическую базу для технологического расчета оборудования.

Предложены базовые принципы управления сегрегированными технологическими потоками зернистых материалов направленными импульсами, обеспечивающие достижение комплекса технологических целей: дифференциацию режима обработки неоднородных частиц; образование смесей трудносмешиваемых компонентов и обеспечение однородного их распределения в рабочем объеме; организацию процессов с разделением трудносепарируемых смесей сыпучих материалов по комплексу физико-механических свойств частиц. Названые принципы реализованы на примере организации процессов переработки зернистых материалов в барабанном аппарате в соответствии с разработанными техническими решениями, которые защищены патентами на изобретения (Патент РФ № 2410614 «Способы обработки зернистых материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2392042 «Способ смешения сыпучих материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2355467 «Насадка вращающегося барабана»).

Разработана экспериментальная установка, обеспечивающая возможность гибкого управления величиной и направлением сегрегированных потоков в барабанном тепломас-сообменном аппарате с целью решения комплекса технологических задач - сепарации трудноразделимых смесей по комплексу физико-механических свойств; смешения материалов с высокой склонностью к сегрегации; управления соотношением времени обработки неоднородных частиц (на порядок снижается время наступления стационарного состояния, в шесть раз уменьшается коэффициент вариации состава продукта и обеспечивается возможность более чем двукратного соотношения времени обработки неоднородных частиц).

Предложено комплексное использование продольных и поперечных импульсов, действующих на сегрегированные потоки материала в барабане, которое позволяет в два раза сократить время перемешивания и более чем на треть уменьшить коэффициент неоднородности объемного распределения компонентов по сравнению с вариантами ординарного использования соответственно поперечных и продольных импульсов.

Установлены технологические возможности управления характеристиками структуры сегрегированных потоков зернистых материалов, содержащих неоднородные по размеру и плотности частицы, в барабанном аппарате путем воздействия на частицы падающего слоя импульсами различной величины и направления. Разработано программное обеспечение для ЭВМ на базе математической модели динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате, которое позволяет прогнозировать функции распределения по времени пребывания (РВП) отдельных компонентов смеси и определять параметры импульсного воздействия, обеспечивающие как выравнивание характеристик структуры потоков отдельных компонентов (фракций) материала в аппарате, так и достижение заданного соотношения средних значений времени пребывания неоднородных компонентов материала в аппарате, что актуально при организации процессов сушки, гранулирования, опудривания, объемного перемешивания.

Предложено техническое решение по организации процесса непрерывного смешения при порционном микродозировании компонентов, на основе воздействия обратными импульсами на сегрегированный поток, обогащенный порционно дозируемым компонентом, и формировании его буферной массы в барабанном аппарате, которое позволяет более чем на порядок снизить коэффициент неоднородности по сравнению с традиционным способом. Установлена необходимая для технологического расчета взаимосвязь конструктивных, режимных параметров аппарата и динамических характеристик процесса.

Результаты исследований в виде промышленных образцов технологического оборудования для комплексной обработки зернистых материалов внедрены в четырех кре-стьянско-фермерских хозяйствах Тамбовской области с расчетным годовым экономи-

ческим эффектом 1148 тыс. р. Результаты исследования (лекционный курс и практикум по дисциплине «Механика сыпучих сред») внедрены в учебный процесс по специальности 26060165 «Машины и аппараты пищевых производств».

Автор защищает: базовые принципы управления сегрегированными потоками зернистых материалов и характеристиками их структуры в рабочем объеме технологического оборудования, при организации процессов переработки материалов методами разделения и смешения неоднородных частиц, а также технические решения их реализующие (Патент РФ № 2410614 «Способ обработки зернистых материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2392042 «Способ смешения сыпучих материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2355467 «Насадка вращающегося барабана») и результаты исследования их эффективности.

Метод определения кинетических характеристик сегрегации при быстром сдвиговом течении зернистых материалов на базе механизма сдвигового поточного разделения, а также технику и методику его реализации в условиях быстрого гравитационного течения зернистых материалов.

Единый подход к управлению характеристиками структуры сегрегированных технологических потоков зернистых материалов в барабанных тепломассообменных аппаратах, позволяющий целенаправленно изменять характеристики структуры потоков по отдельным компонентам материалов при организации гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов, а также математическую модель, обеспечивающую прогнозирование названных характеристик.

Математическую модель процессов разделения и смешения, базирующихся на принципе управления сегрегированными потоками зернистых материалов в барабанном аппарате, позволяющую прогнозировать динамику полей концентрации целевого компонента в периодическом и непрерывном (переходном) процессах при различных вариантах импульсного воздействия на сегрегированный поток.

Единый подход к разработке гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов с использованием эффектов сегрегации в быстром сдвиговом потоке, позволяющий учесть кинетические закономерности сегрегации, особенности структуры сегрегированных технологических потоков при различных вариантах управления названными потоками и результаты его реализации (на примере барабанного тепломасеообменного аппарата).

Техническое решение по организации процесса непрерывного смешения при порционном микродозировании компонентов путем воздействия обратными импульсами на сегрегированный поток, обогащенный порционно дозируемым компонентом в барабанном аппарате, методику технологического расчета смесителя и результаты исследования его эффективности.

Апробация работы. Результаты работы доложены на IV и V научных конференциях, проведенных в Тамбовском государственном техническом университете в 1998—99 гг., а также на международных форумах по химической инженерии (СШ8А-98, СНКА-2000, Прага, Чехия); по переработке зернистых материалов (Иерусалим, Израиль, 2000); XV Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002); IV Всемирном конгрессе по переработке зернистых материалов (Сидней, Австралия, 2002); 16 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (Санкт-Петербург, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (Уфа, 2003); Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново, 2004); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции» (Мичуринск-наукоград РФ, 2007); V юбилейной школе-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2007); VI Европейском Конгрессе по химической инженерии (Дания, Копенгаген, 2007);

XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (Тамбов, 2008); X Международной конференции по химической и биологической инженерии «CHEMPOR 2008» (Брага, Португалия, 2008); III Международной научно-технической конференции (Воронеж, 2009); на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологии» (Тула, 2010); Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2010); IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ-2011)» (Москва, 2011); а также на VIII Европейском Конгрессе по химической инженерии (Берлин, 2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 49 работ, из которых 13 в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 1 монография и 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов, списка используемых источников (184 работы отечественных и зарубежных авторов), приложения и документов, подтверждающих практическое использование результатов работы. Содержание диссертации изложено на 320 страницах текста и включает 42 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая значимость, обозначены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных и патентных источников, который позволил сделать вывод о том, что сегрегация признается одним из самых общих и негативных факторов, для компенсации которого используются способы и средства, являющиеся затратными и осложняющими технологические процессы. Вместе с тем установлено, что технологические аспекты сегрегации чрезвычайно многообразны и, в общем случае, не могут быть оценены однозначно, однако примеры технологического использования сегрегации весьма малочисленны. Многообразие технологических аспектов сегрегации приводит к идее гибкого технологического использования ее эффектов путем управления сегрегированными потоками неоднородных зернистых материалов. Для непрерывных технологий одной из основных задач является организация рациональной структуры потоков. Решение этой задачи предполагает развитие метода прогнозирования характеристик структуры управляемых сегрегированных потоков, как функций управляющих воздействий.

Эффективное управление сегрегированными технологическими потоками предполагает знание кинетических законов сегрегации, которая в большинстве случаев протекает в режиме быстрых сдвиговых течений сыпучих материалов.

Анализ физических механизмов и кинетических закономерностей сегрегации свидетельствует о чрезвычайном их многообразии. Однако подавляющее большинство исследований сегрегации базируется на анализе механизмов которые являются односторонним отражением более сложного явления и не могут даже прогнозировать направление процесса. Наиболее универсальными свойствами характеризуется модель механизма сдвигового поточного разделения, позволяющая прогнозировать направление и интенсивность сегрегации частиц, в зависимости от их физико-механических свойств (размера, плотности, шероховатости и упругости) и параметров сдвигового течения (скорости сдвига и порозности).

Согласно этой модели поток сегрегации пропорционален параметру неоднородности зернистой среды, который определяется как избыточный момент сил, действующих на контрольную частицу относительно «мгновенной» оси ее вращения:

АМ=М~М0, (1)

где М = м0 + Мр + Мс - сумма моментов сил тяжести, трения и ударных импульсов, действующих на контрольную частицу в реальном потоке; М0 - аналогичная сумма моментов, действующих на частицу в условно однородной среде.

Величина потока сегрегации постулируется как следующая функция концентрации частиц контрольного компонента

У,=К,Рь4-с)- (2)

Коэффициент сегрегации А', определяется путем решения обратной задачи с использованием существенно нелинейного уравнения динамики сегрегации

Э(Срь)_ д(Цсрь) ^ Э

РЙ

(,, Эс ^ Э1ш „ , ЧЛ ду ду

(3)

Э? Эх Эу

где Вщ и - коэффициенты квазидиффузионного перемешивания и миграции, вычисляемые аналитически.

С учетом существенной нелинейности уравнения (3) коэффициент А^ гипотетически определяется, как линейная функция параметра ДМ:

К,=кАМ. (4)

Реализация такого метода ограничивается необходимостью использования труднодоступных экспериментальных данных по динамике сегрегации и достаточно адекватного прогнозирования эффектов миграции и квазидиффузии частиц. Отсутствие метода прямого определения коэффициента сегрегации является серьезным препятствием на пути исследования и прогнозирования кинетики сегрегации в быстрых сдвиговых потоках зернистых сред. Первая глава завершается формулировкой задач исследования.

Вторая глава посвящена анализу гидродинамических условий, способствующих формированию сегрегированных технологических потоков зернистых материалов в рабочем объеме оборудования, обоснованию целесообразности управления названными потоками и разработке комплекса базовых принципов управления для достижения различных технологических целей. Сегрегированные потоки являются частями общего технологического потока перерабатываемого материала, которые образуются в результате либо спонтанного, либо искусственно инициированного проявления эффектов сегрегации, и характеризуются неоднозначным влиянием на кинетику процессов. Это указывает на целесообразность использования принципа управления сегрегированными потоками (их величиной и направлением) для решения различных технологических задач на базе существующего оборудования. Управление сегрегированными потоками обеспечивает достижение различных и в том числе противоположных технологических целей в одном технологическом потоке. В числе основных вариантов управления и соответствующих технологических целей названы:

- дифференциация режима обработки неоднородных частиц за счет управления их временем пребывания в рабочем объеме машин и аппаратов в результате изменения относительной продольной скорости сегрегированных потоков;

- обработка материалов методом соединения трудносмешиваемых компонентов и обеспечение однородности их распределения в рабочем объеме оборудования за счет организации встречных знакопеременных сегрегированных потоков, интенсифицирующих продольное и поперечное перемешивание компонентов;

-обработка материалов методом разделения трудносепарируемых смесей дисперсных материалов по комплексу физико-механических свойств частиц за счет организации многоступенчатого сегрегирования противоточно перемещаемых сегрегированных частей технологического потока.

Сделан вывод о том, что сегрегированные потоки особенно ярко проявляются в тех случаях, когда в рабочих объемах аппаратов имеют место упорядоченные постоянные или

циклически повторяющиеся сдвиговые потоки. Одним из наиболее ярких и промьшшенно значимых примеров таких условий является аппарат с вращающимся барабаном. Вне зависимости от того снабжен ли барабан насадочным устройством или нет, при движении материала в его поперечном сечении барабана циклически возникают быстрые сдвиговые гравитационные течения частиц, которые сопровождаются интенсивными эффектами сегрегации.

В связи с этим особое внимание уделено специфике образования сегрегированных потоков в барабанном аппарате с периферийной насадкой, который используется в дальнейшем в качестве основного примера, иллюстрирующего возможности базовых принципов управления названными потоками. В засыпке материала над лопастями в нижней части барабана такого аппарата образуется сегрегированный сдвиговый гравитационный поток. При этом вблизи открытой поверхности засыпки поток обогащен крупными и менее плотными, а в глубинных слоях - мелкими и более плотными частицами. Вследствие этого лопасть заполняется первоначально крупными и менее плотными частицами с поверхности потока и затем более мелкими и плотными частицами из глубинных его слоев. В результате с поднимающихся лопастей ссыпаются мелкие и более плотные, а с опускающихся - крупные и менее плотные частицы.

Таким образом, сегрегированный поток, зарождающийся на поверхности засыпки материала в барабане, становится причиной образования сегрегированного потока падающих частиц. Взаимосвязь названных потоков настолько тесная, что их совокупность следует рассматривать как единый сегрегированный поток, одна часть которого перемещается по внешнему (большому) контуру, пролегающему через падающий слой в опускной части барабана, а другая - по внутреннему (малому) контуру циркуляции, пролегающему через падающий слой в подъемной части барабана.

Отмечается, что в барабанных аппаратах, структура потока в которых близка к идеальному вытеснению, в зависимости от вида процесса, склонности перерабатываемого материала к сегрегации и технологических требований к целевому продукту могут возникать различные технологические задачи, основными из которых являются: интенсификация продольного перемешивания; выравнивание времени пребывания неоднородных частиц в рабочем; сепарация и дифференциация времени обработки неоднородных частиц; однородное распределение неоднородных частиц в рабочем объеме аппарата и, в первую очередь, в падающем слое частиц, имеющем наибольшую интенсивность межфазного взаимодействия; совмещение технологических процессов, интенсифицирующее переработку материалов.

Для решения комплекса перечисленных задач в барабанном аппарате использованы различные варианты управления сегрегированными штоками. Варианты реализуются путем сообщения сегрегированным потокам падающих частиц управляющих импульсов (радиальных и осевых) с использованием устройств управления. Устройства выполнены в виде системы управляемых отклоняющих элементов, установленных неподвижно в горизонтальной плоскости параллельными продольными рядами. На рисунке 1 представлены основные варианты (а, 6) реализации принципа управления сегрегированными потоками. В одном из вариантов (а) осуществляется управление спонтанно образующимися сегрегированными потоками, а в другом (б) - эти потоки специально организуются на шероховатом скате.

Рис. 1. Схема устройства для управления сегрегированными потоками в барабанном аппарате

сГ-образными (я) и радиальными (6) подъемными лопастями:

1 - барабан; 2 - насадка, управляющая сегрегированными потоками; 5 - отклоняющие элементы насадки;

4 - скат шероховатый

Отклоняющие элементы закреплены с возможностью изменения направления их наклона и действуют автономно на сегрегированные части технологического потока, сообщая им импульсы с необходимой ориентацией относительно продольной и поперечной осей барабана. Такое устройство отклоняющих элементов позволяет гибко изменять структуру потока твердой фазы и ее неоднородных частей в аппарате и в результате принципиально влиять на функциональные свойства аппарата, придавая ему функции сепаратора, смесителя и тепломассообменного устройства с регулируемым временем обработки неоднородных компонентов. На рисунке 2 приведены схемы различных вариантов ориентации отклоняющих элементов управляющей насадки, которые позволяют в совокупности реализовать предложенные ранее базовые принципы управления сегрегированными потоками.

В соответствии с вариантом «а», смежные отклоняющиеся элементы, расположенные как в одном из рядов, так и в параллельных рядах имеют противоположную продольную ориентацию, что позволяет воздействовать на технологический поток знакопеременными продольными импульсами с целью интенсивного продольного перемешивания. Согласно варианту «б», смежные отклоняющие элементы, расположенные в параллельных рядах, направлены навстречу друг другу и имеют поперечную ориентацию с целью интенсификации радиального перемешивания и повышения однородности состава падающего слоя.

В соответствии с вариантом «в» один из смежных элементов ряда и параллельных рядов имеет продольную, а другой - поперечную ориентацию. При этом каждые четыре элемента образуют циркуляционный контур, а в совокупности все элементы выстраиваются в последовательный ряд таких контуров, причем в соседних контурах имеет место обратное направление циркуляции. Такой вариант предназначен для достижения однородного объемного распределения частиц.

Согласно варианту «г» отклоняющие элементы имеют одинаковую продольную ориентацию в ряду и противоположную в смежных рядах. Вследствие такой ориентации элементов создаются встречные сегрегированные потоки, которые в результате многоступенчатого контакта друг с другом обогащаются однородными частицами. Такой вариант предназначен для организации процессов разделения (сепарации, классификации) по комплексу физико-механических свойств частиц.

В соответствии с вариантом «д» элементы одного из рядов имеют продольную ориентацию, совпадающую с направлением технологического потока. Такая ориентация позволяет сообщить дополнительный импульс сегрегированному потоку, обогащенному какими-либо частицами, в направлении выгрузки и тем самым изменить соотношение средних значений времени пребывания неоднородных частиц. Такой вариант управления целесообразно использовать для повышения однородности и интенсификации обработки материала при организации процессов сушки, термовлажностной обработки, гранулирования и др.

Анализ схем, приведенных на рис. 2, показывает, что в совокупности они обеспечивают обработку неоднородных зернистых материалов либо методом разделения (схемы «г» и «д»), либо методом соединения (смешения) (схемы «а», «б», «в»).

ч с продольно уравновешенным

у-*- ' знэкэпертетым жщныат

і і

і * \

Г * і

к

■4" ■4Ґ

г*- г*

г* г¥

5) с поперечно урзэнсеешенныш знакопеременным« ншульсаим

с соприменнычк продольными » В) псперечныш ашслереиеннкмк иипульсами (циркуляционные контурами)

г) с"р£

1 / кмпу

продольными лротавотсчкыми кмпульсаш

с предельными ПРЯМОТОЧНЫМИ

тЛ импульсаш б отдельном ' -сегрегированием потоке

Рис. 2. Схемы вариантов управления сегрегированными потоками

В третьей главе разрабатывается математическая модель процессов разделения и смешения сыпучих материалов в барабанном тепломассообменном аппарате с управляемыми сегрегированными потоками

Для пракпгческой реализации предложенных вариантов управления сегрегированными потоками (рис. 2) необходимо обеспечить возможность прогнозирования эффектов импульсного воздействия на сегрегированные технологические потоки в зависимости от свойств перерабатываемых материалов и комплекса конструктивных и эксплуатационных параметров (размеров барабана, элементов подъемной и управляющей насадок, их числа и размещения в рабочем объеме, скорости вращения и коэффициента заполнения барабана, угла естественного откоса, плотности и размера частиц) с учетом кинетических характеристик процесса формирования сегрегированных потоков.

В соответствии с поставленной задачей целесообразным является разработка математической модели динамики процессов разделения и смешения, которая позволит прогнозировать продолжительность нестационарной фазы периодического и непрерывного процессов, эффективность аппарата и проводить технологический расчет оптимальной его конструкции.

При разработке математической модели проанализированы схемы потоков при загрузке исходного материала либо с одного из его торцов (смешение), либо в центральную часть (разделение). Неподвижная насадка (рис. 1) организует и направляет внутренние потоки либо для реализации технологии многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц, либо для создания множества зон интенсивного перемешивания. При этом выделены следующие основные стадии движения частиц: 1) перемещение в скатывающемся слое засыпки; 2) заполнение лопастей барабана; 3) перемещение в неподвижном относительно барабана слое засыпки; 4) движение по насадке и одному из рядов отклоняющих элементов; 5) падение с отклоняющих элементов в засыпку.

Поток продольного перемешивания на стадиях 1 и 2 описан диффузионной моделью:

;д=5(7)р1,(2)А,рЭс/Э7. (5)

Продольный поток материала определяется как

2

0(2)= \ 1,(2^2, (6) -О

где г0 - координата нейтрального сечения загрузки, в которой осредненная скорость движения материала вдоль барабана равна нулю (при загрузке компонентов смеси через один из торцов С(г) = (7ВХ ).

При сепарации осредненная скорость движения частиц вдоль барабана будет иметь противоположное направление и в общем случае различную величину по разные стороны от 2д . Тогда 20 можно определить, исходя из заданного отношения Я производительно-стей аппарата по правому и левому торцам барабана, воспользовавшись уравнением

-о

((1 + Д)/Л)|/,(г)&-£?вх=0. (7)

о

Осредненную скорость продольного движения материала вычисляют как

М2) = С(2)/(ри(2)5(2)). (8)

Тогда величина продольного потока целевого компонента будет равна

Ус = Ф) С(2) = с(2) рн (*) 5(2) И<2). (9)

Если идентифицировать действие подъемно-лопастной насадки (стадия 3) отрицательным источником целевого компонента 1~, а действие насадки, управляющей сегрегированными потоками (стадии 4 и 5) - положительным источником I* , то после подстановки

их и выражений (8) и (5) в общее уравнение переноса субстанции, получим дифференциальное уравнение, описывающее динамику распределения частиц целевого компонента по длине барабана:

?Ып , Э(Ф,Т)С(2)) Э г Эф,!)4 ¿(г)РЛ2)——=--Г-+Аф— Рн(2)3(2)—г-

ох с)г сЕ V 02 ,

(10)

Источники 7~ и определены как функции конструктивных и режимных параметров аппарата, свойств материала и кинетических характеристик процесса сегрегации.

При этом мощность источника выражена в виде

=юл/-лф,2)Р1ф)/(271ад), (П)

а мощность источника I* в виде

/; ~у1 + с,2(т-тЦ/2, (12)

1 2

где Тг, Тг - время прохождения частицеи всех стадии движения в сегрегированных потоках 1-го и 2-го ряда насадки соответственно.

Функции gj(z) и gf(-) описывают продольное перемещение материала на стадии 5 с учетом варианта управления потоками, конструкции элементов и их размещения в аппарате.

При моделировании в качестве основной кинетической характеристики использован коэффициент разделения, который определяется как константа для данной смеси через отношение концентраций С\ и с2 целевого компонента в сегрегированных потоках в параллельных рядах насадки.

Коэффициент разделения определяется либо экспериментально, во всяком случае для варианта (а) на рис. 1, либо рассчитывается с использованием коэффициента сегрегации для конструктивного варианта (б).

Граничные условия у торцов барабана записаны в виде

дс/дг = 0, при г = 0 и г = Ь. (13)

При моделировании процессов практически наиболее значимыми будут следующие начальные условия:

- для сепарации

С (0, г) = Сд = СОПв^ (14)

- для смещения

с(0,г) = с!, г<Ь/2\с(0,г) = с2, г>Ь/2

Математическая модель реализована на ЭВМ при моделировании динамики процессов сепарации и смешения. С этой целью уравнение (10) с граничными условиями (13) приведены к алгебраическим уравнениям с использованием разностной схемы Кранк-Николсон. Шаг по переменной 2 выбран при этом кратным длине ячейки управляющей насадки и рабочей длине барабана.

Для определения названных концентраций, входящих в уравнение (12), необходимо располагать методом прогнозирования динамики сегрегации в быстром сдвиговом потоке с Т, х, у в зависимости от физико-механических свойств частиц и струкгурно-кине-матических характеристик потока (скорости сдвига и порозности). Решению проблемы прогнозирования динамики сегрегации посвящены следующие две главы диссертации.

Четвертая глава посвящена разработке метода прямого экспериментального определения коэффициента скорости сегрегации при быстром сдвиговом течении зернистого материала, а также технике и методике его реализации в условиях гравитационного потока несвязных неэластичных сферических частиц.

На основе анализа предельных случаев уравнения (2) с учетом (4) сделан вывод о том, что произведение коэффициента относительной скорости и параметра неоднородности кАМ = Ks, соответствующее по физическому смыслу средней скорости сегрегирования частицы контрольного компонента, должно приближаться к скорости сегрегирования одиночной частицы при с —» 0 и стремиться к нулю при с —> 1.

В работе реализована идея экспериментального определения коэффициента сегрегации на основе измерения скорости относительного перемещения одиночной контрольной частицы в быстром сдвиговом потоке зернистой среды. Дій обеспечения полной определенности такого измерения сдвиговый поток должен быть предельно однородным, т.е. состоять из одинаковых частиц и характеризоваться однородными значениями скорости сдвига и порозности. В этом случае обеспечивается стабильность величины параметра неоднородности ДМ, простота процедуры его вычисления и в соответствии с уравнением (3) представляется возможным пренебречь квазидиффузией и миграцией объекта и считать относительную скорость перемещения частицы постоянной, численно равной коэффициенту сегрегации Ks.

При внешней простоте метода его реализация наталкивается на серьезные трудности, которые связаны с необходимостью обеспечения структурно-кинематической однородности потока. В связи с этим в настоящем исследовании предложено определять коэффициент сегрегации путем измерения скорости поперечного перемещения контрольной частицы в быстром гравитационном потоке однородных частиц на шероховатом скате плоскости в пределах зоны, имеющей однородные условия взаимодействия контрольной частицы с частицами среды dU/dy = const, є=const.

Экспериментально установлено, что зона с такими условиями формируется в центральной области потока при достаточно большой толщине слоя в режиме установившегося развитого сдвигового течения.

Методика эксперимента заключается в следующем. На первом этапе с использованием известного экспериментально-аналитического метода на установке (рис. 3) определяют профили скорости и порозности в потоке на шероховатом скате. Для этого устанавливают требуемые величины угла наклона ската, высоты падения частиц, толщины и длины слоя. Первоначально скатывающийся материал принимают в буферную емкость и после наступления режима установившегося течения открывают ему доступ к ячейкам кюветы. После заполнения ячеек кюветы их содержимое взвешивают и определяют распределение массы материала по ячейкам кюветы (ось .г..). Затем, пользуясь известным методом, получают профили порозности и скорости.

На втором этапе с помощью полученных профилей (рис. 4) определяют координаты х1,у1 точки ввода контрольной частицы. Для этого сначала находят границы области потока, соответствующие условию постоянства скорости сдвига (dU/dy ~ const) и порозности (є = tons г). Координату х1 точки ввода контрольной частицы (рис. 3), находят путем установления момента наступления стационарного режима течения. Координату у\ назначают в пределах зоны потока (рис. 4) с однородными условиями сдвига {Уып<У\<УтЛ При выборе у, учитывают направление перемещения контрольной частицы и, если последнее неизвестно, то у1 располагают в центре зоны.

1 — поток материала; 2 - шероховатый наклонный скат, 3 — кювета с перегородками;

4 - бункер; 5 - планка-ограничитель; 6 — устройство ввода контрольной частицы

Длину ската х2 выбирают такой, чтобы обеспечить движение контрольной частицы в зоне потока с однородными условиями сдвига в течение необходимого времени. Затем определяют фактическую (уточненную) координату у, ввода частицы, учитывающую систематическую погрешность, вносимую устройством ввода, путем осреднения результатов многократного определения положения на пороге ссыпания меченой частицы потока (индикатора).

Для измерения скорости сегрегирования контрольной частицы ее закрепляют в канале в точке с координатами х1, у1 и дозируют зернистый материал. При достижении стационарного состояния в поток вводят контрольную частицу и открывают доступ ссыпающимся частицам к ячейкам приемной кюветы.

На основе профилей скорости и порозности и с учетом того, в какую ячейку кюветы попадает контрольная частица, определяют ее координату у2 на выходе из канала и вычисляют компоненту иу скорости ее движения, которая в таких условиях соответствует коэффициенту Кх

К, =иу={{Уг-уЛи*{ух)+их{у2))Шх2 -*,)). (15)

Однако определение некоторого конкретного значения не решает задачу прогнозирования кинетического коэффициента в целом. Это объясняется тем, что в соответствии с механизмом сдвигового поточного разделения параметр Кх является отражением степени влияния на интенсивность сегрегации неоднородности свойств частиц и условий их взаимодействия в потоке, прямая оценка которой является чрезвычайно сложной. Поскольку измерение К1 осуществляется в условиях пространственной однородности потока, то причиной сегрегации является исключительно локальная неоднородность среды. Показатель такой неоднородности выражается в виде избыточного суммарного момента сил тяжести, трения и ударных импульсов ДМ = М —М0, где момент Ма вычислен для частицы однородной среды, а момент М- для контрольной частицы. В разработанном методе реализуется идея использования показателя неоднородности ДМ для определения коэффициента относительной скорости сегрегации как

к = К3/АМ. (16)

Для разработки метода прогнозирования параметра Кг проведено его экспериментальное исследование в гравитационных потоках различных зернистых сред. В качестве модельных сред использованы три вида материалов: 1) керамические шары 6,6 мм; 2) бисер стеклянный +3,25 -3,5 мм; 3) аммофос гранулированный +3,0 -3,25 мм.

Эксперименты проведены с использованием контрольных частиц, размер которых с1, был либо меньше, либо больше среднего размера частиц зернистой среды ¿4. В итоге получен рад скоростей проницания (мелких) и всплытия (крупных) частиц, обнаруживающий существенную и явно нелинейную их зависимость от диаметра (кривая Кх на рис. 5).

Для каждой контрольной частицы всех видов зернистых сред были вычислены значения параметра неоднородности (кривая ДМ на рис. 5). Сравнение зависимостей ДМ

Рис. 4. Профили скорости (1) и порозности (2) и в гравитационном потоке аммофоса йь = (+3,0-3,25) • Ю-3 м

лг,-ю1,ме1,длло\Нм 2

/ 4 М

1,6

1Л

Л Л,10л< 0,8

6 0,4

0

(НО'3, (Не)"1

тго-

¿гИГ.М

Рис. 5. Относительная скорость А", и параметр неоднородности ДМ контрольных частиц в гравитационном потоке аммофоса

= (+3,0-3,25) - Ю-3 м)

0 2 4 6 8

Рис. 6. Коэффициент относительной скорости сегрегации в зависимости от диаметра контрольной частицы (I, для различных материалов:

1 - бисер; 2 - керамические шары; 3 - аммофос

и К5 от с/, для различных материалов свидетельствует о полном их подобии и наличии линейной взаимосвязи между ними. Для всех контрольных частиц каждого модельного материала в соответствии с зависимостью (16) вычислены значения коэффициента относительной скорости сегрегации к, которые представлены на рис. 6.

Полученные результаты показывают, что в исследованном диапазоне соотношения размеров частиц коэффициент относительной скорости сегрегации может быть принят за константу, отражающую линейную зависимость между скоростью сегрегирования отдельной частицы и параметром неоднородности. Обнаруженные свойства коэффициента к и параметра неоднородности ДМ позволяют гипотетически рассматривать их как коэффициент скорости и движущую силу процесса соответственно. Для проверки этой гипотезы было проведено исследование коэффициента относительной скорости сегрегации к в гравитационных потоках стеклянного бисера различной дисперсности. Эксперимент состоял из двух опытов и проводился путем измерения скорости всплытия одиночной крупной частицы в потоке однородных мелких частиц в первом опьгге и погружения мелкой частицы в потоке крупных- во втором. Полученные данные свидетельствуют, что при существенном различии дисперсного состава зернистых сред, характеристик их потоков и принципиальном различии наблюдаемых эффектов проницания и всплытия; последние характеризуются одинаковым значением коэффициента относительной скорости протекания процесса к . Это указывает на то, что механизм сдвиговой поточной сег регации универсальной теоретической базой для анализа кинетических закономерностей проницания и всплытия отдельных частиц и позволяет установить общую зависимость для вычисления скорости их сегрегирования Vу=к- ДМ.

В пятой главе проведен анализ кинетических закономерностей сегрегации в быстрых сдвиговых потоках зернистых сред с использованием разработанного метода прямого определения коэффициента сегрегации. Задачи кинетики сегрегации являются существенно нелинейными, в связи с чем обычно постулируют зависимость потока сегрегации компонента от его концентрации, полагая поток пропорциональным либо дисперсии, либо стандартному отклонению состава условно бинарной зернистой среды. Проведенный в работе сравнительный анализ вариантов постулирования свидетельствует о явной несостоятельности последнего из них в окрестностях предельных значений концентрации (с —» 0;1), поэтому этот вариант был исключен при дальнейшем анализе.

В соответствии с механизмом сдвигового поточного разделения скорость процесса предполагается пропорциональной параметру ДМ=М-М0 неоднородности зернистой

среды. Чрезвычайно принципиальным вопросом является способ определения характеристик условно однородной зернистой среды, которые используются для вычисления равновесного динамического параметра М0. В работе проанализированы две основные версии. Первая версия предполагает, что однородная среда состоит из частиц одной из фракций условно бинарной зернистой среды, например из частиц контркомпонента, концентрация которых в смеси равна (1 - с ). В этом случае величина параметра неоднородности АМ будет инвариантной по отношению к концентрации с частиц контрольного компонента и зависящей только от скорости сдвига и порозности среды.

Вторая версия предполагает, что условно однородная (равновесная) среда состоит из частиц, свойства которых определяются как характерные (средние) для зернистой среды в целом. В этом случае параметр неоднородности будет вычисляться как функция концентрации контрольных частиц, т.е. ДМ = ДМ (с) . Эта версия априори представляется более предпочтительной. Во-первых, параметры быстрого сдвигового потока (скорость сдвига, порозность, скорость флуктуаций) уже определяются, исходя из представления о зернистом материале как условно однородной зернистой среде, с учетом вероятности всех возможных взаимодействий неоднородных частиц. Во-вторых, сегрегация также представляет собой некоторый суммарный эффект, являющийся итогом взаимодействия всех частиц среды в различных их сочетаниях. Можно предположить, что частицы такой гипотетически однородной среды, будучи помещенными в реальный неоднородный поток, не будут проявлять склонность к сегрегации. Следовательно, параметры такой среды можно принять за равновесные и использовать их для выражения движущей силы сегрегации.

Названные версии проанализированы как с учетом постулата о том, что поток сегрегации пропорционален дисперсии неоднородности состава смеси с(1 — с), так и без учета постулата, когда поток пропорционален концентрации с. С учетом того, что параметр AM в первой версии его определения для бинарной смеси не зависит от концентрации, то первая версия проанализирована только с учетом множителя с(1 — с) .

Анализ проведен методом математического моделирования динамики сегрегации в гравитационных потоках бисера и керамических шаров на базе уравнения (3). При вычислении Ks использовались измеренные значения коэффициента относительной скорости сегрегации к = const (рис. 6). Решения (3) получены численным методом при использовании разностной схемы Кранк-Николсон при граничных условиях, устанавливающих отсутствие потоков через верхнюю и нижнюю границы слоя. Для каждой из модельных смесей выполнено по три численных эксперимента, которые отличались друг от друга вариантом определения характеристик условно однородной среды при вычислении параметра неоднородности ДА/, а также использованием одной из двух версий постулирования концентрационной зависимости потока. Адекватность эксперимента оценивалась путем определения дисперсии адекватности и сравнения ее с дисперсией воспроизводимости экспериментальных профилей пяти параллельных опытов. О значимости различия дисперсий адекватности и воспроизводимости судили по величине критерия Фишера при 5%-ном уровне значимости.

Анализ результатов, один из которых приведен на рис. 7, позволяет сделать вывод о том, что применение постулата о концентрационной зависимости потока сегрегации не позволяет получить адекватных результатов моделирования; адекватными являются только результаты, полученные на базе кинетического уравнения, в котором движущая сила выражается в виде зависящего от концентрации параметра неоднородности AM (с), т.е.

Л = кАМ(с) Pi с = к{М(с)-М(с)0)рА с. (17)

При таком способе выражения параметр AM {с) учитывает весь комплекс возможных взаимодействий частиц неоднородной зернистой среды и в связи с этим исключает

необходимость постулирования концентрационной зависимости потока. Такое свойство параметра неоднородности ДМ позволяет идентифицировать его как движущую силу процесса сегрегации.

Этот вывод дополнительно подтверждается в работе результатами исследования концентрационных зависимостей линейной скорости и величины потока сегрегирующих частиц при сдвиговом течении керамических шариков различного диаметра. Установлено, что названные расчетные зависимости находятся в полном соответствии с наблюдаемыми на практике во всем диапазоне изменения концентрации ( 0 < с < 1).

Таким образом, результаты исследований позволяют предложить новую, более корректную формулировку кинетического закона сегрегации в виде (17), с учетом которого уравнение динамики сегрегации в быстром сдвиговом потоке зернистого материала можно записать в следующем виде:

Г у 10-, м

9 2 1 3

э 4

!

j С, КГ-]

Рис. 7. Экспериментальный (7) и расчетные (2,3,4) профили концентрации в гравитационном потоке керамических шаров, состоящем из фракций 6,610"3 м - 70 %, 4,4-1 (Г3 м - 30 % при различных вариантах выражения движущей силы Д: 2— Д = ДМ (с) (параметры условно однородной зернистой среды вычислены как среднеобъемные для смеси частиц); 3 - Д = ДМ[с(1 - с)] (параметры условно однородной зернистой среды, приняты такими же, как у фракции с концентрацией ( 1 - с ) в смеси); 4 - Д = ДМ (с) [с(1 - с)] (параметры условно однородной зернистой среды вычислены как среднеобъемные для смеси частиц)

a(cpj= a(t/Cpj| э

dt дх ду

Р Ь

Эс

V

А/,/-—Д.

Э1ш

-c-kAAÎ с

(18)

В итоге становится возможным, используя только один экспериментальный кинетический коэффициент к, прогнозировать поведение отдельных несвязных неэластичных сферических частиц и их комплексов в смесях при гравитационном течении зернистых материалов в зависимости от размеров частиц и параметров потока (е, сШ¡с!у).

В дальнейшем полученные результаты будут использованы для расчета кинетических характеристик процессов переработки зернистых материалов методами разделения и смешения (соединения) в управляемых сегрегированных технологических потоках, во всяком случае при организации процессов на базе варианта б (рис. 1) конструктивного исполнения устройства.

В шестой главе методами экспериментального исследования и математического моделирования осуществляется оценка эффективности предложенных вариантов управления сегрегированными потоками (рис. 2) на примере их реализации в барабанном аппарате. Целью исследования было определение функциональных свойств аппарата использования его в качестве: 1) сепаратора трудноразделяемых смесей; 2) смесителя для трудносмешиваемых материалов; 3) тепломассообменного аппарата с управлением временем обработки неоднородных частиц.

В соответствии с задачами исследования разработана и изготовлена экспериментальная установка (рис. 8), состоящая из установленного на бандажах вращающегося барабана диаметром 0,3 м и длиной 1,2 м. Барабан снабжен приводом, обеспечивающим бесступенчатое регулирование скорости вращения.

Рис. 8. Схема экспериментальной установки для исследования эффектов управления сегрегированными потоками:

1 - барабан; 2 - насадка периферийная; 3 - насадка управляющая; 4 - пластина поворотная; 5 - привод; 6 - камеры загрузочно-разгрузочные; 7 - устройство для загрузки смеси; 8 - дозаторы

На внутренней поверхности барабана закреплены Г-образные лопасти. В центральной части барабана установлено 'загрузочное устройство для подачи смеси на разделение, которое выполнено в виде отрезка спиралеобразного полого шнека. По торцам барабана установлены камеры, имеющие необходимые загрузочно-разгрузочные штуцера. Для подачи материалов на смешение и сепарацию установка снабжена дозаторами.

В центральной части барабана установлена насадка, управляющая сегрегированными потоками в падающем слое завесы. Насадка состоит из 11 пар отклоняющих элементов, выполненных в виде воронок с наклонными течками. Один элемент пары расположен в опускной, а другой в подъемной части барабана. За счет изменения направления течек воронок при их повороте вокруг вертикальной оси и регулирования угла наклона поворотной пластины в аппарате обеспечивается управление направлением и интенсивностью сегрегированных потоков.

При исследовании использованы зернистые материалы, различающиеся по размеру и плотности частиц (гранулы полиэтилена и стекла, горох, ячмень и овес). Материалы в опытах подбирались таким образом, чтобы они в сочетании образовывали либо трудно приготавливаемую, либо трудно разделяемую бинарную смесь. Оценка степени однородности распределения компонентов в смеси осуществлялась с использованием коэффициента вариации. Концентрации компонента в пробах определялись весовым методом.

Отбор проб в непрерывном режиме организации процессов осуществлялся в течение фиксированных промежутков времени на выходе из аппарата, начиная с момента заполнения барабана. При организации процессов разделения и смешения в периодическом режиме оценка однородности смеси по длине аппарата осуществлялась с использованием специального устройства для отбора проб. Устройство представляло собой короб прямоугольного сечения, в котором размещалась одна из лопастей в момент ее выхода из засыпки. После поворота барабана вместе с коробом на некоторый угол (=90°) содержимое лопасти выгружалось в короб, разделялось поперечными перегородками на 11 секций, материал в которых анализировался на содержание целевого компонента и после анализа возвращался в аппарат. Исследование процесса смешения проведено при различных вариантах его организации в периодическом и непрерывном режимах.

На первом этапе исследования процесса смешения отклоняющие элементы насадки ориентировались таким образом, чтобы сообщать сегрегированным потокам продольные знакопеременные импульсы в соответствии со схемой «а» на рис. 2. Загрузочное устройство в центральной части барабана (рис. 8) изолировалось. Оценка эффективности

проводилась путем определения динамики процесса в аппарате при различных вариантах управления и без управления сегрегированными потоками при приготовлении смесей трудносмешиваемых компонентов (гранулы полиэтилена-бисер, горох-овес).

В качестве примера на рис. 9 приведены результаты исследования динамики процесса смешения гранул полиэтилена и стеклянного бисера при скорости вращения барабана 18 мин (Бг = 0,054). С целью оценки погрешности измерений, повышения их точности и проверки адекватности разработанного математического описания процесса проводились три параллельных опыта, результаты которых усреднялись после проверки на статистическую однородность.

1 - -

Рис. 9. Динамика распределения

концентрации целевого компонента (бисер +3,0 -3,5)

в смеси с полиэтиленом (+4,0 -5,0) по длине барабана для периодического режима

смешения: /-0с; 2,5-24с;3,6-12 с; 4, 7-360 с (/, 2,3,4 — экспериментальные,

1, 5, 6, 7-расчетные)

гЮ

При моделировании коэффициент разделения определялся как константа, инвариантная по отношению к концентрации смеси, с использованием плоской модели при полной физической аналогии последней с реальным аппаратом. Адекватность результатов моделирования и экспериментальных данных подтверждена путем сравнения дисперсий адекватности и воспроизводимости по критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости и среднем квадратичном отклонении 6,9%.

С целью осуществления сравнительной оценки эффективности устройств с управлением сегрегированными потоками приведены результаты исследования кинетики процесса в одном и том же аппарате при одинаковой скорости вращения барабана и различных вариантах организации процесса.

Результаты, представленные в виде зависимости коэффициента вариации от времени, свидетельствуют о том, что одни и те же значения эффективности достигаются в аппарате с управлением потоками в среднем в два раза быстрее, чем в аппарате с насадкой, вращающейся вместе с барабаном и состоящей из элементов с обоюдосторонней рабочей поверхностью. В отсутствие же насадки, управляющей сегрегированными потоками, процесс перемешивания протекает на порядок медленнее.

При исследовании процесса непрерывного смешения подача компонентов осуществлялась в торцевую часть барабана и после его заполнения на выходе полным потоком отбирались пробы в течение 5 с интервалом в 30 с с последующим их анализом. Результаты исследования в нестационарной фазе процессов с управлением и без управления сегрегированными потоками представлены на рис. 10. Коэффициент вариации в аппарате с управлением потоками составил 2,98%, а в аппарате без управления - 19,62%.

Таким образом, управление сегрегированными потоками по схеме «а» (рис. 2) позволяет не только существенно повысить качество смеси, но и значительно сократить период выхода аппарата на стационарный режим.

Вместе с тем в работе акцентируется внимание на том, что существует множество технологических задач, при выполнении которых важно контролировать структуру потоков в барабане не только в осевом, но и радиальном направлениях. Вследствие эффектов сегрегации даже при условии однородного продольного распределения

, кг-кг

0.6

0.4

0.2

0.0

\

300

.40

?80

420

460

560 Г, С

Рис. 10. Динамика изменения концентрации целевого компонента в смеси при непрерывном режиме смешения при различных вариантах организации процесса:

1-е управлением; 2 - без управления сегрегированными потоками

сегрегированные потоки в поперечном сечении барабана сохраняются. В связи с этим для повышения однородности объемного распределения компонентов возникает идея воздействовать на сегрегированные потоки падающего слоя не только продольными, но и поперечными знакопеременными импульсами.

С целью поиска рационального варианта сопряжения продольных и поперечных импульсов проведено исследование кинетики объемного смешения в барабанном аппарате с управлением сегрегированными потоками в соответствии с вариантами «а», «б» и «в» (рис. 2). Исследование проведено в периодическом режиме. Компоненты бинарной смеси загружают в барабан, размещая их последовательно вдоль его оси. Периодически процесс перемешивания прерывают для оценки коэффициента неоднородности (вариации) распределения компонентов. Для этого отбирают пробы материала с использованием трех пробоотборников, аналогичных по конструкции ранее использованным. Два про-боотборных короба используют для сбора частиц, падающих соответственно в подъемной и опускной частях барабана, и еще один короб применяют для исчерпывания частиц из засыпки материала. С целью снижения случайной погрешности и оценки ее значений каждый опыт повторялся трижды и его результаты после проверки их на статическую однородность усреднялись.

В качестве модельного материала использована смесь гранул полиэтилена (фракция +4,0 -5,0 мм) и стеклянного бисера (фракция +3,0 -3,5 мм) с концентрацией контрольного компонента (полиэтилена) в смеси 36% массовых. Такое сочетание размеров

и плотностей частиц чрезвычайно усиливает их склонность к сегрегации и осложняет процесс приготовления смеси.

Результаты исследования показали, что на всех стадиях процесса наименьшая интенсивность взаимного проникновения компонентов наблюдается при использовании варианта «в» (рис. 2), что объясняется доминированием эффекта сепарации частиц при относительно большом масштабе циркуляционных контуров.

Кроме того, установлено (рис. 11), что на начальном этапе процесса наиболее интенсивное смешение протекает при перемешивании продольными импульсами (кривая 2). Однако с течением времени при этом начинают доминировать эффекты сегрегации, приводящие к повышению неоднородности.

45 40

35 # 3°

20 15 10

0 ' 5 >" 15т, с-10 2 20

Рис. 11. Изменение коэффициента вариации при перемешивании:

1 - поперечными импульсами (рис. 7, а); 2 - продольными импульсами (рис. 7,6); 3 — при комплексном использовании продольных (т < тг) и поперечных (т > тг) импульсов

При перемешивании поперечными импульсами (кривая ]) смешение на начальном этапе протекает менее интенсивно. Однако на завершающем этапе процесса, вследствие подавления эффектов сегрегации в поперечном сечении барабана и сепарации - в продольном достигается более высокая однородность смеси с образованием плато.

Полученные результаты приводят к идее использования продольно ориентированных импульсов на первой и поперечно ориентированных импульсов — на завершающей его стадии. Результаты исследования (рис. 11) свидетельствуют, что при двухстадий-ной организации процесса (кривая 3) коэффициент вариации более чем на треть ниже, чем при использовании схемы смешения продольно ориентированными импульсами (кривая 2), а равновесная концентрация достигается в два раза быстрее по сравнению со схемой смешения поперечно ориентированными импульсами (кривая 1). Момент перехода с одной стадии на другую следует прогнозировать методом моделирования динамики сегрегации, пользуясь условием, что в этот момент скорость протекания процесса при последнем варианте его организации начинает превышать таковую в соответствии с первым вариантом.

Исследование эффективности управления сегрегированными потоками для обработки зернистых материалов методами разделения проведено в соответствии со схемами «г» и «д» на рис. 2. Эффективность процесса сепарации (схема на рис. 2 «г») исследована с использованием трудноразделяемых смесей (полиэтилен +2,5 -4,0 и бисер +3,0 -3,5; ячмень-овсгог), последняя из которых относится к традиционно труднораз-деляемым зерновым смесям.

Загрузка смеси осуществлялась через загрузочное устройство в центральной части барабана (рис. 8), а выгрузка компонентов смеси через торцевые камеры. Исследование проведено путем изучения динамики распределения целевого компонента в рабочем объеме барабана в процессе выхода аппарата на стационарный режим при начальном однородном.

В определенные моменты времени процесс прерывался и анализировалось распределение концентрации целевого компонента по длине барабана по методике, аналогичной использованной ранее при исследовании динамики процесса периодического смешения. С целью статистической оценки погрешностей результатов исследования и проверки адекватности предложенной в гл. 2 математической модели, выполнялись три параллельных опыта.

Адекватность установлена путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными с использованием критерия Фишера при моделировании динамики процесса сепарации смеси полиэтилен-бисер в переходном режиме при средней квадратичной погрешности 9,4% с доверительной вероятностью 95%.

С целью оценки эффективности аппарата при организации процессов разделения сыпучих материалов по комплексу физико-механических свойств частиц проведено экспериментальное исследование процесса сепарации традиционно трудноразделяемой зерновой смеси ячмень-овсюг. Исследование проведено при производительности 150 кг ч-1 по исходной смеси с концентрацией овсюга около 100 кг-1. Эксперимент проведен в соответствии с методикой, использованной при исследовании процесса сепарации предыдущей смеси с той лишь разницей, что динамические характеристики аппарата определялись путем измерения концентрации овсюга в продуктах разделения в процессе выхода аппарата на

т, с

Рис. 12. Динамика процесса разделения смеси ячмень-овсюг в барабанном сепараторе-сушилке:

концентрация овсюга: 1 - в целевом продукте; 2 - в загрязненной фракции

стационарный режим. Представленные на рис. 13 результаты показывают, что аппарат обеспечивает практически полное извлечение примеси с выходом целевой фракции около 80% при времени выхода на стационарный режим около 120 с. Кроме того, параллельно с процессом сепарации в аппарате осуществляется и калибровка зерна по массе. Измерения массы тысячи зерен показали, что величина последней в чистом продукте составляет 47 г, а в загрязненной фракции - 44 г.

В рамках главы продемонстрирована также принципиальная возможность управления временем обработки неоднородных частиц в соответствии со схемой «д» (рис. 2) в барабанном аппарате с использованием индикатора (неидеального трассера), который образовывал в сочетании с веществом технологического потока смесь с высокой склонностью к сегрегации.

Седьмая глава посвящена развитию метода прогнозирования характеристик структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате с целью их рационализации при организации гидромеханических, тепломас-сообменных и совмещенных процессов.

В связи с этим проведено экспериментальное исследование и математическое моделирование структуры управляемых сегрегированных потоков в барабанном аппарате. Исследование выполнено на экспериментальной установке (рис. 8) путем определения функций распределения времени пребывания (РВП) неоднородных частиц при управлении и без управления сегрегированными потоками.

Необходимые эффекты управления РВП неоднородных частиц достигались путем сообщения соответствующих продольных импульсов сегрегированным потокам частиц падающего слоя либо в подъемной, либо в опускной частях барабана в соответствии со схемой рис. 2 «д».

Для уменьшения времени пребывания частиц какого-либо компонента сегрегированному потоку с повышенным содержанием этого компонента сообщают необходимый избыточный импульс в направлении технологического потока, а для увеличения времени избыточный импульс в том же направлении сообщают потоку, обедненному этим компонентом.

В отличие от предыдущей главы, такой подход не позволяет проанализировать структуру потоков компонентов реальной смеси, в настоящем исследовании использован метод индикатора (идеального трассера) с импульсным вводом последнего по отдельным компонентам смеси.

В качестве модельных материалов использованы гранулированный аммофос фракции +1,2 —4,0 мм и зерновая смесь ячмень-овес, в первом из которых частицы различались преимущественно по размеру, а во втором - по плотности. Индикаторами служили окрашенные в разные цвета зерна ячменя и овса в количестве 1000 зерен на дозу каждого из контрольных компонентов (для зерновой смеси), а для аммофоса фракции +1,2 -2,0 и +3,0 -4,0 мм.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Отклоняющие элементы ориентировались таким образом, чтобы сообщить требуемый импульс в направлении выгрузки некоторой части сегрегированного потока. После выхода установки на стационарный режим осуществлялся одновременный ввод доз индикаторов и начинался непрерывный отбор проб на выходе из барабана, объем которых формировался полным потоком в течение каждых 15 с (для гранул аммофоса). Исследования проведены при производительности 0,18 м3 ч-1. Пробы анализировались на содержание в них частиц индикаторов после выделения последних визуальным методом, которое выражалось либо относительной долей в отношении к массе дозы (для аммофоса). Каждый опыт повторялся трижды и его результаты после проверки на статистическую однородность усреднялись. Для оценки погрешности использовалось среднее квадратичное отклонение, выраженное в процентах к средним измеренным значениям.

С целью оценки влияния эффектов сегрегации на структуру потоков неоднородных компонентов и сравнительного анализа различных вариантов управления

сегрегированными потоками проведено исследование РВП контрольных компонентов модельных материалов в аппарате без воздействия на них импульсами. Результаты исследования, представленные на рис. 13, свидетельствуют о том, что сегрегация может существенно влиять на характеристики РВП неоднородных частиц, поскольку для мелкой и крупной фракций аммофоса обнаруживается значительное (более чем на 20%) различие по среднему значению времени пребывания.

Особое внимание обращает на себя тот факт, что с большой задержкой и дисперсией РВП движется в аппарате крупная фракция, которая перемещаясь преимущественно в периферийных слоях засыпки материала в барабане имеет преимущество в скорости продольного перемещения.

Наблюдаемый эффект объяснен тем, что вследствие эффектов сегрегации крупная фракция, падая с лопастей преимущественно в опускной части барабана с наибольшей задержкой попадает в нижнюю часть скатывающегося слоя засыпки и подвергается меньшему продольному смещению, чем мелкая фракция. Эта гипотеза будет подтверждена при математическом моделировании процесса формирования структуры сегрегированных потоков.

Для уменьшения времени пребывания частиц, перемещающихся преимущественно в падающем слое в опускной части барабана, расположенные в этой части отклоняющие элементы ориентируются в направлении выгрузки, что актуально, например, при сушке и термовлажностной обработке смеси ячмень-овес. Экспериментально установлено, что такое воздействие приводит к почти двукратному уменьшению времени пребывания овса, который быстрее сушится и насыщается влагой по сравнению с ячменем.

Для эффективного управления характеристиками структуры сегрегированных потоков требуется разработка математической модели, которая позволила бы прогнозировать названные характеристики в зависимости от параметров импульсного воздействия, свойств материала, а также конструктивных и режимных параметров аппарата.

При разработке модели проанализирована задерживающая функция лопастей и приняты следующие допущения: влияние отклоняющих элементов на время частиц пренебрежимо мало; время задержки определяется как среднеинтегральная величина по всем фазам перемещения частиц вне засыпки; продольная транспортирующая способность лопастей пренебрежимо мала.

При анализе схемы движения материала в аппарате (рис. 8) выделены следующие основные стадии: 1) перемещение в скатывающемся слое засыпки; 2) заполнение лопастей; 3) перемещение в неподвижном относительно барабана слое засыпки; 4) перемещение лопастями над слоем засыпки; 5) движение по одному из рядов отклоняющих элементов; 6) продольное распределение при падении в засыпку.

Поток продольного перемешивания на стадиях 1 - 3 описан диффузионной моделью (5). Величина конвекционного продольного потока компонента в отсутствие управляемых потоков определяется в виде (9).

Интенсивность исчерпывания компонента лопастной насадкой из засыпки учитывается коэффициентом исчерпывания, значения которого определяются как отношение средних его концентраций на лопасти сл/ (г) и в засыпке с] (г)

U 200 400 <Ю0 800

Рис. 13. РВП частиц мелкой (7) и крупной (2)

фракций аммофоса в аппарате без управления сегрегированными потоками

Эффект задержки подъемно-лопастной насадкой идентифицирован совокупным действием отрицательного и положительного /л источников:

/; = -шпК р„(2)/(2- тгад); (20)

/л+ =ш< с^-х3,2)Ки] р„(2)/(2-п5(г)). (21)

В последнем выражении среднее время задержки определяется как

л /л

х1=1хЛс,7ЕтЛ. (22)

1 / 1

где Т3,, т,с, - среднее время задержки и масса контрольного компонента ссыпающегося в ¿-ом диапазоне угла поворота лопастей.

Подставляя выражения (5), (9), (20) и (21) в общее уравнение переноса субстанции, получим уравнение, описывающее динамику продольного распределения контрольного компонента при отсутствии управляющей насадки

5(г)р.(г) 7 =--!—-+ —

дг аг аг

дсЛг, т) «к

-ф)(/л++/„-). (23)

Граничные условия у торцов барабана записаны в виде

дсу/дг = 0, г = 0,£;с(0,т>0) = 0. (24)

Для задачи моделирования РВП действительно начальное условие

сД2,0) = сн,: < г,;су(;,0) = 0,2 > г,. (25)

При управлении сегрегированными потоками, источник I* трансформируется в источники, один из которых обусловлен действием отклоняющих элементов , а другой - исключительно действием подъемных лопастей . Удельная мощность источника выражена в виде

с =£0^л/рн(2)^§,-(2)Соу(т-т3,,2) ^(2тг5(2)). (26)

где gl{z) - аналитически определяемая функция продольного распределения материала, ссыпающегося с г'-го отклоняющего элемента.

Удельная мощность источника равна

С=<*п(К -Ра)ра{=)с^-х^=)/{2пЗ(=)), (27)

где Сл, - концентрация, вычисляемая как функция средней концентрации компонента на лопасти сл; и его концентрации в потоке на отклоняющих элементах %:

^ = кл' )/к -^л )• (28)

Поскольку действующий на частицы импульс компенсируется изменением угла наклона барабана, то возникает условный обратный поток, равный

О0(г) = мп^рн(г)й/2л, (29)

где Л — среднее значение величины продольного смещения материала отклоняющим элементом, определяемое в зависимости от его геометрии и ориентации.

Равенства (26), (27) и (29) при совместном рассмотрении с уравнением (23) позволяют получить уравнение динамики распределения контрольного компонента в аппарате с управляемыми сегрегированными потоками

эсДг,т) _ Э(с/г,т)(С(г)-Ов(2)))

+

Э/ Э2

Э Г Эс,(2,

Э2

(зо)

Уравнение (30) в совокупности с краевыми условиями (24) и (25) позволяет прогнозировать РВП частиц 7-го компонента в зависимости от их склонности к сегрегированию, характеристик импульсного воздействия, конструктивных и режимных параметров.

Склонность к сегрегированию оценивается коэффициентом исчерпывания (19), который либо вычисляется на основе результатов моделирования динамики сегрегации на базе уравнения (18) (при варианте 6 на рис. 1 конструктивного исполнения аппарата), либо определяется экспериментально при условии полного физического подобия на плоской модели барабана.

На базе разработанной математической модели проведено моделирование на ЭВМ РВП контрольных фракций гранул аммофоса в аппарате с управлением и без управления сегрегированными потоками. Решения уравнений динамики (23) и (30) получены численным методом с использованием разностной схемы Кранк-Николсон.

Моделирование проведено с учетом различных значений времени задержки и интенсивности исчерпывания для частиц крупной и мелкой фракций. Благодаря использованию кинетических характеристик в виде коэффициентов исчерпывания, отражающих склонность к сегрегированию сколь угодно большого числа контрольных компонентов, стало возможным моделирование их РВП в автономном режиме по каждому компоненту. Для частиц крупной и мелкой фракции величина коэффициента исчерпывания (19) определена экспериментально и составила соответственно 1,4 и 0,85. Время задержки частиц вычислялось как среднее (22).

Результаты моделирования, представленные на рис. 14, свидетельствуют об адекватности экспериментальных и расчетных распределений, которая установлена путем сравнения дисперсий воспроизводимости и адекватности по критерию Фишера.

Эффект задержки мелких частиц (рис. 14, б) актуальный, например, при гранулировании, достигнут при 100%-ной ориентации отклоняющих элементов, расположенных в опускной части барабана, в направлении к его разгрузочному торцу. Результаты исследования (рис. 14, а, б), позволяют предположить, что при некоторой, отличной от 100% величине импульса, возможно обеспечить тождественные характеристики структуры потока для крупной и мелкой фракций. Это подтверждается результатом моделирования такого варианта (рис. 15, а) при величине импульса, равной 4,5% от максимальной.

8

7

б

о

0

500

т,с 1000

О

500

Т, С юоо

Рис. 14. РВП мелкой (/) и крупной (2) фракций в аппарате без управления (а) и с управлением потоками (б)

(..... -эксперимент;--расчет)

а) 6)

Рис. 15. Результаты моделирования РВП частиц мелкой (1) и крупной (2) фракций в аппарате с управлением потоками для вариантов:

а — выравнивание РВП; 6-ускоренный вывод мелкой фракции

Эффект ускоренного вывода мелкой фракции (рис. 15, б) смоделирован при прямоточной продольной ориентации отклоняющих элементов в подъемной части барабана.

Анализируемые до сих пор эффекты получены путем реализации варианта управления потоками с использованием прямоточных импульсов (рис. 2 «д»). В рамках главы представлены также результаты экспериментального исследования и математического моделирования эффектов воздействия на сегрегированные потоки обратными противоточными импульсами.

Полученные результаты (рис. 16) показывают, что при таком варианте управления достигается более чем двукратное соотношение среднего времени пребывания компонентов, однако эффект сопровождается чрезвычайно большим увеличением дисперсии РВП частиц, которыми обогащен поток, находящийся под действием обратных импульсов, что актуально, например, при организации процессов опудривания, дражиро-вания и т.п. В настоящей работе этот эффект использован для организации процесса непрерывного смешения при порционном дозировании отдельных компонентов, что актуально, например, при необходимости использования высокоточного весового микродозирования компонентов.

Предлагаемый способ смешения заключается в воздействии обратными противоточными импульсами на сегрегированный поток, обогащенный компонентом, имеющим высокую неоднородность дозирования. Такое воздействие приводит к накоплению в головной (загрузочной) части рабочего объема буферной массы названного компонента, что обеспечивает избирательное повышение сглаживающей функции смесительного устройства и эффективности смешения в отношении указанного компонента.

1 1.5 2 2,5

Рис. 16. РВП частиц полипропилена (/) и керамзита (2) при противоточном импульсе, действующем на поток, обогащенный керамзитом з т10'.!с (.....-эксперимент;--расчет)

Комплексное исследование эффективности предложенного способа проведено с использованием экспериментальной установки на базе барабанного аппарата (рис. 8) и математической модели на базе уравнения (30) со следующими краевыми условиями:

дс]/дг = 0,г = 0,11;

■ сДО.т) = сп, при кТ<т<кТ + тдоз; (31)

су(0,т) = 0, при кТ + тдю <х<{к + 1)Г;

с;(г,0)=0, (32)

где к = 0, 1,2, З...Х.

В качестве модельного материала использованы гранулы полипропилена (фракция + 3,0 -4,0 мм) и керамзита (микрокомпоненг) (фракция + 4,0 -5,0 мм), сочетание свойств которых чрезвычайно осложняет процесс смешения.

Проверка адекватности математической модели при моделировании эффектов обратных импульсов проведена путем сравнения расчетных и экспериментальных функций РВП для обоих компонентов (рис. 16). Адекватность установлена по критерию Фишера с при 95%-ной доверительной вероятностью при среднеквадратичной погрешности 4,8%.

Результаты (рис. 17) свидетельствуют, что предложенный способ организации процесса смешивания позволяет повысить качество смеси с уменьшением коэффициента вариации более чем в 40 раз (кривая 3). Однако повышение качества смеси достигается при значительном увеличении времени выхода аппарата на стационарный режим по сравнению с традиционным способом (кривая I).

С целью улучшения динамических характеристик способа предлагается предварительное размещение в головной части барабана буферной массы порционно дозируемого компонента. Массу буфера определяют по результатам моделирования продольного распределения концентрации компонента в стационарных условиях и распределяют ее в головной части барабана. Один из практически наиболее значимых вариантов распределения заключается в равномерном распределении массы буфера на определенном участке головной части аппарата в соответствии с начальными условиями:

с ¿г, 0) = с,0; при 0<г< z^;Cj(zfi) = 0; при < г, (33)

где г1 - граница размещения буфера.

В результате моделирования динамики процесса смешения с различными вариантами распределения массы буфера установлено, что наиболее рациональным является его размещение на участке, длина которого составляет четверть длины барабана. Соответствующий результат моделирования приведен на рис. 17 (кривая 2).

Сравнение результатов, приведенных на рисунке 17 в виде кривых 1, 2, 3, свидетельствует, что предварительное размещение буфера позволяет уменьшить почти на порядок период выхода процесса на стационарный режим и вплотную приблизиться по этому показателю к варианту без управления потоками.

е-Ю'.кгкг1

Рис. 17. Моделирование процесса непрерывного смешения гранул полипропилена и керамзита прп иорциопиом микродозировании одного из компонентов без управления (1) и с управлением (2), (3) сегрегированными потоками: 2-е использованием буферной массы компонента; 3 - без использования буферной массы микрокомпонента

4 г 103,с

В восьмой главе изложены материалы практической реализации результатов исследования. Приведена методика расчета технологических параметров устройств для управления временем обработки неоднородных частиц сыпучих материалов, а также для проведения процессов сепарации и смешения в барабанном аппарате с управляемыми сегрегированными потоками на базе разработанных математических моделей и результатов моделирования (главы 3 и 7). Развитые в работе принципы управления сегрегированными потоками неоднородных зернистых материалов и разработанные на их базе технические решения по организации процессов в барабанном насадочном аппарате использованы при создании промышленных аппаратов для комплексной первичной переработки зернового сырья, которые внедрены в крестьянско-фермерских хозяйствах Тамбовской области (всего 4 внедрения) с общим экономическим эффектом 1148 тыс. р. в год. В рамках главы также обсуждается внедрение результатов исследования в учебный процесс по специальности 26060165 «Машины и аппараты пищевых производств».

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с - концентрация контрольного компонента, кг-кг"1; О — диаметр барабана, м; Д^с, Ал> Ац> - коэффициенты квазидиффузии, миграции и продольного перемешивания соответственно, м2-с-1; - площадь поперечного сечения засыпки материала на

лопасти барабана, при выходе из завала и падающего на отклоняющие элементы соответственно, м2; О - массовая скорость движения материала вдоль барабана кг-с-1; gl(z) -функция плотности распределения потока частиц вдоль барабана после г-й ячейки, м-1;

/д Г~ 1*0 - функции источников (стоков) целевого компонента, кг-м~3-с-1; К3 -

коэффициент сегрегации, мчГ1; к - коэффициент относительной скорости сегрегации, (Н е) , Ь - длина барабана, м; / - длина отклоняющей ячейки, м; и - количество подъемных лопастей в барабане; Б - площадь поперечного сечения засыпки материала в барабане, м2; 5 -среднее расстояние между частицами, м; М - момент силы, действующий на частицу относительно мгновенной оси ее вращения, Н-м; Ус - коэффициент вариации, %; ж - скорость продольного поступательного движения частицы, м с"1; г - Декартова координата, м; Оо - угол наклона отклоняющих элементов к горизонту; Р&р - коэффициент заполнения барабана, м3 м""3; р - плотность частиц, кг-м~3; т - время, с; (О - угловая скорость вращения барабана, с-1.

Индексы: Ь - относящийся к частицам компонента; у - относящийся к контрольному компоненту; о, л - характерный для отклоняющих элементов и лопастной насадки соответственно; / - относящийся к ¿-ой ячейке управляющей насадки или г'-му сектору утла поворота подъемной насадки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработаны теоретическая и экспериментальная база для прогнозирования кинетики сегрегации в быстрых сдвиговых потоках зернистых материалов, а также общие принципы управления сегрегированными потоками при организации гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов переработки зернистых материалов методами разделения и смешения.

1. Предложен единый подход к управлению сегрегированными потоками зернистых материалов при их переработке методами разделения и соединения, обеспечивающий достижение комплекса технологических целей: дифференциацию режима обработки неоднородных частиц за счет управления временем их пребывания; образование смесей трудносмешиваемых компонентов и обеспечение однородного их распределения в рабочем объеме; организацию процессов разделения трудносепарируемых смесей сыпучих материалов по комплексу физико-механических свойств частиц, путем воздействия на сегрегированные потоки управляющими импульсами.

2. Базовые варианты управления сегрегированными потоками реализованы на примере организации процессов переработки зернистых материалов в барабанном теп-ломассообменном аппарате. В результате реализации вариантов разработаны технические решения, которые защищены патентами на изобретения (Патент РФ № 2410614 «Способы обработки зернистых материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2392042 «Способ смешения сыпучих материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2355467 «Насадка вращающегося барабана»).

3. Разработана теоретическая и экспериментальная база для определения кинетических характеристик сегрегации при формировании сегрегированных потоков зернистых материалов в режиме быстрого сдвига. На базе развитых экспериментальных и аналитических методов предложено определять коэффициент сегрегации для несвязных неэластичных сферических частиц, инвариантный к их размеру (в диапазоне соотношения диаметров 0,5...2,0), скорости сдвига и порозности зернистого материала и вычислять движущую силу процесса в зависимости от комплекса физико-механических свойств частиц, их концентрации и структурно-кинематических характеристик сдвигового потока. Сформулировано уравнение кинетики сдвиговой поточной сегрегации, позволяющее прогнозировать, с учетом изменяющихся свойств частиц и параметров потока, как процесс разделения смеси частиц, так и скорость перемещения одиночных мелких или крупных частиц в быстром сдвиговом потоке с использованием единого кинетического коэффициента относительной скорости сегрегации.

4. Разработаны математическая модель процессов разделения и смешения в управляемых сегрегированных потоках зернистых материалов в барабанном аппарате, а также соответствующее программное обеспечение для ЭВМ, позволяющие прогнозировать динамику полей концентрации целевого компонента в периодическом и непрерывном (переходном) процессах с использованием единой экспериментально определяемой кинетической характеристики - коэффициента сегрегации или коэффициента разделения.

5. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка с управляемыми сегрегированными потоками на базе барабанного тепломассообменного аппарата с периферийной насадкой. Установка обеспечивает возможность гибкого управления величиной и направлением сегрегированных потоков в аппарате с целью достижения комплекса технологических целей (разделение и смешение неоднородных частиц, управление временем их пребывания в аппарате, организация совмещенных процессов). В результате экспериментального исследования и математического моделирования установлена эффективность организации процессов сепарации трудноразделимых смесей по комплексу физико-механических свойств, смешения материалов с высокой склонностью к сегрегации и управления временем пребывания неоднородных частиц (на порядок снижается время наступления стационарного состояния, в шесть раз уменьшается коэффициент вариации состава продукта и обеспечивается возможность более чем двукратного уменьшения или увеличения времени пребывания неоднородных частиц по сравнению с аппаратом традиционной конструкции).

6. Проведено математическое моделирование динамики полей концентрации целевого компонента в процессах образования смеси в периодическом режиме и сепарации в период выхода аппарата на стационарный режим эксплуатации. Статистическая оценка однородности результатов моделирования и экспериментальных данных свидетельствует об их адекватности.

7. Экспериментально установлено, что комплексное использование продольных и поперечных импульсов, действующих на сегрегированные потоки материала в подъемной и опускной частях барабана, позволяет в два раза сократить время перемешивания и более чем на треть уменьшить коэффициент неоднородности объемного распределе-

ния компонентов по сравнению с вариантами ординарного использования соответственно поперечно и продольно ориентированных импульсов.

8. Проведено исследование технологических возможностей управления структурой сегрегированных потоков зернистых материалов, содержащих неоднородные по размеру и плотности частицы, в барабанном аппарате с периферийной распределительной насадкой путем воздействия на частицы падающего слоя импульсами различной величины и направления и определены характеристики импульсного воздействия при организации процессов сушки, гранулирования, опудривания, объемного перемешивания.

9. В результате исследования установлено наличие у подъемно-лопастной насадки различной задерживающей функции по отдельным компонентам материала, которая может быть причиной существенного (более чем на 20%) различия их среднего времени пребывания в аппарате.

10. Разработаны математическая модель динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате и реализующее ее программное обеспечение для ЭВМ, позволяющие прогнозировать функции распределения по времени пребывания (РВП) отдельных компонентов смеси и определять параметры импульсного воздействия, обеспечивающие: а) подавление эффекта задержки материала подъемно-лопастной насадкой и выравнивание характеристик структуры потоков отдельных компонентов (фракций) материала в аппарате; б) достижение заданного соотношения средних значений времени пребывания неоднородных компонентов материала в аппарате. Установлена возможность варьирования соотношением среднего времени пребывания в диапазоне 0,5...2,0 для частиц, различающихся по размеру и плотности путем воздействия на сегрегированные потоки прямоточными импульсами.

11. Установлено, что управление временем пребывания неоднородных компонентов зернистого материала в аппарате путем использования противоточных импульсов сопровождается резким возрастанием дисперсии РВП частиц сегрегированного потока, на который направлено импульсное воздействие. На базе обнаруженного эффекта разработан способ непрерывного смешения при порционном микродозировании компонентов, который заключается в воздействии обратными импульсами на сегрегированные потоки, обогащенные порционно дозируемыми компонентами, и формировании их буферной массы в барабанном аппарате. Проведено экспериментальное исследование и математическое моделирование динамики процесса смешения в соответствии с предложенным техническим решением, которые позволили установить взаимосвязь конструктивных, режимных параметров аппарата и динамических характеристик процесса. Установлено, что предложенный способ организации процесса позволяет более чем на порядок снизить коэффициент неоднородности по сравнению с традиционным.

12. По результатам исследования разработана методика расчета технологических параметров устройств для управления временем обработки неоднородных частиц сыпучих материалов, а также для проведения процессов сепарации и смешения в барабанном аппарате с управляемыми сегрегированными потоками на базе разработанных математических моделей и результатов моделирования.

13. Развитые в работе принципы управления сегрегированными потоками неоднородных зернистых материалов и разработанные на их базе технические решения по организации процессов в барабанном насадочном аппарате использованы при создании промышленных аппаратов для комплексной первичной переработке зернового сырья, которые внедрены в крестьянско-фермерских хозяйствах Тамбовской области (всего 4 внедрения) с общим экономическим эффектом 1148 тыс. р. в год. Результаты исследования внедрены в учебный процесс (лекционный курс и практикум по дисциплине «Механика сыпучих сред») по специальности 26.06.01.65 «Машины и аппараты пищевых производств».

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

(в журналах по перечню ВАК и в других изданиях, учитываемых ВАК)

Монография

1.Долгунин, В.Н. Процессы и оборудование для переработки зернистых материалов в управляемых сегрегированных потоках : монография / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2011. - 120 с.

Публикации в журналах, трудах конференций и других изданиях:

2. Долгунин, В.Н. Кинетические закономерности сегрегации при быстром гравитационном течении зернистых материалов / В.Н. Долгунин, А.А. Уколов, О.О. Иванов // Теор. основы хим. технол. - 2006. - Т. 40, № 4. - С. 393 - 416.

3. Долгунин, В.Н. Кинетика сегрегации частиц различной шероховатости и упругости при быстром гравитационном течении зернистой среды / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, А.А. Уколов // Теор. основы хим. технол. - 2009. - Т. 43, № 2. - С. 199 - 207.

4. Долгунин, В.Н. Эффекты разделения и перемешивания неоднородных частиц в поперечно продуваемых гравитационных потоках зернистых материалов / В.Н. Долгунин, А.Н. Куда, О.О. Иванов // Известия вузов. Пищевая технология.-2010.-№ 5-6.-С. 62 — 66.

5. Повышение эффективности барабанного аппарата путем управления сегрегированными потоками / О.О. Иванов, А.Н. Куда, В.Н. Долгунин, Ю.В. Шарый // Известия вузов. Пищевая технология. - 2011. - № 2-3. - С. 89 - 92.

6. Иванов, О.О. Эффект разделения частиц в завесе барабанного насадочного аппарата / О.О. Иванов, В.Я. Борщев, В.Н. Долгунин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. - № 8. - С. 13-21.

7. Dolgunin, V.N. Segregation Kinetics of Particles with Different Rough-nesses and Elasticities under a Rapid Gravity Flow of a Granular Medium / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2009. - Vol. 43. - N. 2. - P. 187.

8. Dolgunin, V.N. Segregation Kinetics in the Rapid Gravity Flow of Granular Materials / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2006. - Vol. 40. -N. 4. - P. 393.

9. Dolgunin, V.N. Determination of segregation kinetic Characteristics in a flow of particulate solids / V.N. Dolgunin, AA Ukolov, O.O. Ivanov // Transactions of TSTU. -1997. - Vol. 3. - N. 4. - P. 416-423.

10. Ivanov, O.O. Effect of particle separation in the curtain of a packed drum vessel / O.O. Ivanov, V. Ya Borschov, V.N. Dolgunin // Chemical and Petroleum Engineering. - 2009. - 'Vol. 45. - N. 7-8. - P. 468 - 472.

11. Dolgunin, V.N. Processing of non uniform granular materials in operation segregated flows / V.N. Dolgunin, A. A Ukolov, O.O. Ivanov // Transactions of TSTU. - 2008. - Vol. 14. - N. 2. - P. 321 - 327.

12. Долгунин, В.Н. Исследование эффектов взаимодействия частиц при сдвиговых деформациях в зернистой среде / В.Н. Долгунин, В.Я. Борщев, О.О. Иванов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2003. - Т. 9. № 2. - С. 230 - 235.

13. Dolgunin, V.N. Development of segregation kinetics equation for rapid shear flows of particles / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov // Transactions of TSTU. - 2001. - Vol. 7. - N. 2. - P. 239 - 250.

14. Dolgunin, V.N. Segregation kinetics of particle rapid gravity flow / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov // Transactions of TSTU. - 2005. - Vol. 11. - N. 2a. - P. 404 - 422.

15. Процессы подработки зерна в управляемых сегрегированных потоках / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, АН. Куда, А.А. Уколов // Хранение и переработка зерна. - 2008. - № 6. - С. 38.

16. Dolgunin, V.N. The movement of single small and large particles in the rapid gravity flow of particulate solids / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov // Сб. тр. 13 Междунар. конгресса процессов химических технологий. Прага : (CHISA-98) на компакт-диске. - 1998.

17. Dolgunin, V.N. Research on particle segregation during rapid gravity flow / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov // Сб. тр. Международного форума по переработке сыпучих материалов. -Мертвое море, Израиль, 2000.-Т. 1.-С. 8.67-8.73.

18. Dolgunin, V.N. Surface effects of particles / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov H Сб. тр. 14 Междунар. конгресса процессов химических технологий. - Прага : (CHISA-2000) на компакт-диске. 2000.

19. Долгунин, В.Н. Компьютерная обработка рентгенограмм при исследовании динамики быстрых гравитационных течений зернистых сред / В.Н. Долгунин, В.Я. Борщев, О.О. Иванов Н Математические методы в технике и технологиях : сб. тр. 15 Междунар. конф. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. - Т. 7. - С. 34 - 37.

20. Моделирование динамики сегрегации в гравитационном потоке частиц различной шероховатости и упругости / В.Н. Долгунин, АА Уколов, О.О. Иванов, В.А. Пронин // Математические

методы в технике и технологиях : сб. тр. 16 Междунар. науч. конф. - СПб., 2003. - Т. 3. -С. 122 - 127.

21. Технология и оборудование для сепарации трудноразделяемых зерновых продуктов / О.О. Иванов, А.Н. Куди, В.А. Пронин, А.А. Романов // Сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. - Воронеж : Изд-во ВГТА, 2003.

22. Dolgunin, V.N. Gravity separation technology of grain materials differ in complex of physical and mechanical properties of particles / V.N. Dolgunin, A.A. Ukolov, O.O. Ivanov // Proc. of 6-th European Congress of chem. eng. (ECCE-6). - Copenhagen (Denmark), 2007 - P. 1-6.

23. Dolgunin, V.N. Operating the segregated flows of particulate materials as principle of technological process organization / V.N. Dolgunin, O.O. Ivanov, A.M. Klimov // 10-th int. chem. and biological eng. conference. - Braga. - Portugal, 2008, P. 1-6.

24. Dolgunin, V.N. Another basic segregation mechanism in aerated gravity flows of particulate solids / V.N. Dolgunin, O.O. Ivanov, A.N. Kudy // 10-th int. chem. and biological eng. conference. -Braga - Portugal, 2008. - P. 7 - 13.

25. Долгунин, B.H. Технология и оборудование для сепарации трудноразделяемых зерновых продуктов / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, В.А. Пронин // Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Мичуринск-наукоград, 2007. - Т. 2. - С. 261 - 266.

26. Многофункциональный технологический модуль с управляемыми сегрегированными потоками зернистых материалов / О.О. Иванов, В.Н. Долгунин, Е.В. Хабарова, В.И. Карев // Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития) : материалы Ш Междунар. науч.-техн. конф - Воронеж, 2009. - Т. 2. - С. 94 - 97.

27. Управление временем обработки неоднородных частиц сыпучего материала в барабанном тепломассообменном аппарате / О.О. Иванов, А.Н. Куди, В.И. Карев и др. // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов : тр. Междунар. науч.-техн. семинара. — Воронеж, 2010.-С. 539-545.

28. Управление сегрегированными потоками при переработке зернистых материалов / О.О. Иванов, В.Н. Долгунин, В.И. Карев и др. // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания : сб. материалов Ш Всерос. науч.-прак. конф. с междунар. участием. - Челябинск, 2010. - Т. I. - С. 57 - 60.

29. Технологические процессы переработки зернистых материалов в управляемых сегрегированных потоках / В.Н. Долгунин, А.А. Уколов, О.О. Иванов и др. // Приоритетные направления развития науки и технологии : докл. 8 Всерос. науч.-техн. конф. - Тула : Инновационные технологии. -

2010.-С. 174-179.

30. Новая технология и оборудование послеуборочной обработки / В.Н. Долгунин, В.А. Пронин, О.О. Иванов, М.Ю. Дронова // Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. — Мичуринск-наукоград, 2007. - Т. 2. - С. 261 - 266.

31. К обеспечению однородности обработки материала в барабанном тепломассообменном аппарате / В.Н. Долгунин, А.А. Уколов, О.О. Иванов, Ю.В. Шарый // Современные энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ-2011): сб. тр. четвертой Междунар. науч.-практ. конф. - М.,

2011.-С. 286 - 294.

32. Dolgunin, V.N. Operating the segregated flows of particulate solids to control the residence time distribution of nonuniform / V.N. Dolgunin, O.O. Ivanov, A.M. Klimov // 8th European Congress of Chemical Engineering. - Berlin, Germany, 2011, http://www.ecce2011.de/ECCE/Congress+Planner/Datei_ Handler-tagung-535 -file-2510-p-108 .html.

Патенты

33. Пат. РФ № 2355467. Насадка вращающегося барабана / В.Н. Долгунин; А.А. Уколов, О.О. Иванов ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т ; опубл. 20.05.09, Бюл. №14

34. Пат. РФ № 2392042, B01F9/06 Способ смешения сыпучих материалов и устройство для его осуществления / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, А.Н. Куди, В.А. Пронин, В.И. Карев ; № 2009109039/15 ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т ; заяв. 11.03.2009; опубл. 20.06.2010, Бюл. №17.

35. Пат. РФ № 2410614. F26B 3/06. Способ обработки зернистых материалов и устройство для его осуществления / В.Н. Долгунин, А.Н. Куди, О.О. Иванов, Ю.В. Шарый ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т ; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3.

Подписано в печать 25.04.2012 Формат 60x84/16. 1,86 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 210

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14