автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Метод расчета процесса смешивания сыпучих материалов в новом аппарате с открытой рабочей камерой

На правах рукописи

Волков Максим Витальевич

МЕТОД РАСЧЕТА ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В НОВОМ АППАРАТЕ С ОТКРЫТОЙ РАБОЧЕЙ

КАМЕРОЙ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О ™Т 2014

Ярославль 2014

005553963

005553963

Работа выполнена на кафедре "Теоретическая механика" Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Таршис Михаил Юльевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Жуков Владимир Павлович, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет», г. Иваново, кафедра «Прикладная математика», профессор

- доктор технических наук, профессор Ефремов Герман Иванович ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный институт», г. Москва, кафедра «Проектирование технологических машин и комплексов в химической промышленности», профессор

Ведущая организация ООО «ЭЛКОНТ», г. Ярославль

Защита состоится 18 декабря 2014 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при Федеральном Государственном Бюджетном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88, аудитория Г-219

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке при Федеральном Государственном Бюджетном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования "Ярославский государственный технический университет" по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88, а также на сайте http://www.ystu.ru

Автореферат разослан « » октября 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета 1>р>Г

доктор химических наук д.д. Ильин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ: Смешивание сыпучих материалов -наиболее распространенный гидромеханический процесс, применяемый не только в химической, но и в других отраслях промышленности. Тем не менее, решение задачи приготовления однородных смесей связано с целым рядом трудностей. Эти трудности связаны с широким спектром изменения физико-механических свойств перерабатываемых материалов, с требованиями, предъявляемыми к качеству и составу продукта, производительности, энерго-и металлоемкости оборудования.

Одним из важных факторов, сдерживающих решение задач повышения эффективности смесителей, является сегрегация компонентов сыпучих смесей по их физико-механическим свойствам. Это явление приводит к ухудшению качества конечного продукта в силу колебаний его свойств по объему состава, что может проявиться снижением эффективности химических реакций, качества получаемых материалов в металлургии, в химической промышленности, строительстве и других отраслях.

Судя по литературным данным, в последнее время наблюдается рост предлагаемых новых конструкций смесителей разных типов, в том числе устройств гравитационно-пересыпного действия. Наиболее

распространенными из них являются барабанные аппараты, обладающие простой конструкцией, низкой энергоемкостью. Основная задача - повышение качества получаемого продукта. Как отмечено выше, в большинстве случаев решение этой задачи осложняется склонностью перерабатываемой смеси к сегрегации её компонентов по физико-механическим свойствам. Поэтому создание смесительных устройств, обеспечивающих подавление сегрегации, остается основной и, безусловно, актуальной.

Настоящая работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований по тематическому плану "Исследование механики поведения тонкодисперсных порошкообразных материалов в процессах их производства и переработки" № гос. per. 0120.1275358, 2012-2014.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих материалов в аппарате гравитационно-пересыпного действия разработать инженерные методы расчета смесителя нового типа, обеспечивающего получение качественных смесей, склонных к сегрегации.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение цикла экспериментальных исследований с целью выявления влияния на качество смеси конструктивных, режимных параметров, свойств компонентов смеси в аппарате гравитационно-пересыпного действия с дополнительными рабочими.

2. Проведение теоретических и экспериментальных исследований механики движения сыпучего материала, разработка математической модели процесса движения сыпучего материала по цилиндрической рабочей

поверхности смесителя, позволяющей описать поле скоростей частиц, параметры областей их характерного поведения и уравнение свободной поверхности.

3. Разработать математическое описание процесса смешивания сыпучих материалов с учетом их сегрегации в смесителе с дополнительными рабочими элементами и получить зависимости для коэффициента неоднородности смеси.

4. Разработать метод инженерного расчета нового смесителя открытого типа с дополнительными рабочими элементами для переработки сыпучих материалов, в том числе склонных к сегрегации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Разработана математическая модель движения частиц сыпучего материала в поперечном сечении корпуса смесителя гравитационно-пересыпного действия и определены форма свободной поверхности смешиваемого материала, параметры областей характерного поведения и поле скоростей частиц сыпучего материала.

2. По результатам экспериментальных исследований получено уравнение регрессии, связывающее коэффициент неоднородности смеси в аппарате нового типа с её параметрами (концентрацией ключевого компонента, средними диаметрами частиц и плотностями смешиваемых фракций) и коэффициентом загрузки. Выявлено влияние на однородность смеси расстояния от оси вращения рабочей камеры до места установки лопаток.

3. Предложена ячеечная модель процесса смешивания сыпучих материалов в устройстве гравитационно-пересыпного действия, позволяющая описать реальный механизм процесса.

4. Разработана математическая модель процесса смешивания в аппарате с дополнительными рабочими элементами, учитывающая форму области обрушения и сегрегацию сыпучих компонентов, позволяющая анализировать как интегральные характеристики смеси (коэффициент неоднородности), так и локальные концентрации ключевого компонента в каждой точке рабочего объема.

5. Создана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета конструктивных и режимных параметров нового смесителя, обеспечивающего необходимое качество смеси.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

1. Использование разработанного смесительного устройства, на конструкцию которого получен патент РФ, позволяет получать однородные смеси сыпучих материалов, склонных к сегрегации.

2. Метод инженерного расчета смесителя гравитационно-пересыпного действия с дополнительными рабочими элементами, который может быть востребован проектными организациями при разработке оборудования для смешивания сыпучих материалов в различных отраслях промышленности.

3. Новая конструкция смесителя и программное обеспечение контроля качества смеси предполагается использовать в линиях подготовки сырья для производства в пищевой промышленности.

ЛИЧНЫИ ВКЛАД АВТОРА: Диссертантом выполнен весь, объем экспериментальной работы, проведены расчеты и обработка результатов, их анализ. Автор принимал участие в написании публикаций, вынесении предложений по созданию новых смесителей, написании компьютерных программ для реализации математических моделей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях»: ММТТ-25 (Волгоград, 2012), ММТТ-26 (Саратов, 2013), ММТТ-27 (Тамбов, 2014); на 3-й Международной научно-технической конференции «Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано-и биотехнологии (НЭРПО-2013)», на 64-й Региональной научно-технической конференции ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль 2011); на 65-й Региональной научно-технической конференции ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль 2012); на 66-й Региональной научно-технической конференции ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль 2013); 67-й Региональной научно-технической конференции ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль 2014).

ПУБЛИКАЦИИ: Основное содержание работы изложено в 15 научных работах, в том числе в 4 статьях в журналах из перечня ВАК РФ и в 8 тезисах докладов на научных конференциях, четыре из которых международные, 3 патента на изобретение РФ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемой литературы, приложений. Работа изложена на 138 страницах, содержит 43 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ конструкций современных смесителей сыпучих материалов гравитационно-пересыпного действия, а также математических моделей процесса смешивания.

Во второй главе описаны результаты экспериментальных исследований процесса смешивания в смесителе гравитационно-пересыпного действия открытого типа, разработанного в ходе выполнения работы, на конструкцию которого получен патент на изобретение. Он содержит (рис. 1) рабочую емкость, которая образована укрепленными на горизонтальном валу дисками 1 и огибающей их, а также натяжные 2 и приводной 3 ролики бесконечной лентой 4. Основная роль в подавлении сегрегации в данном аппарате принадлежит лопастям 5, установленным на спиральной ленте 6, связанной с

дисками. При работе смесителя лопасти проходят через застойную область, локализующуюся вокруг центра циркуляции, разрушают её и перемещают материал в область активного смешивания. При этом интенсифицируется процесс, повышается однородность получаемой смеси.

А i

—iА-А

Рис. 1 Схема смесителя со вспомогательными лопастями

Исследования проводились на лабораторной установке, содержащей приводной цилиндрический барабан с прозрачной стенкой и лопастями, установленными внутри него. На стенке барабана на заданном расстоянии г от оси его вращения устанавливались лопасти. Частоту вращения изменяли частотным преобразователем. Компоненты дозировались в барабан через люк послойно. Включался привод и через установленное количество оборотов N осуществлялась фотосъемка поперечного сечения смеси через прозрачную стенку. Затем проводилась компьютерная обработка фотографического изображения поперечного сечения смеси, которое «разбивалось» на одинаковые по размеру пробные зоны. В каждой зоне вычислялись концентрации ключевого компонента, по которым определялся коэффициент неоднородности Vc по методике, реализованной в программе Mathematica 8.0.

Экспериментальные исследования проводились при следующих параметрах смесителя: ширина рабочей зоны камеры В = 0,05м, радиус рабочей поверхности R = 0,117м, число вспомогательных лопастей z = 4,8, частота вращения дисков 30 об/мин, радиус установки лопастей г=[0,06; 0,07; 0,08; 0,1]м, высота лопасти /¡ = [0,02; 0,03]м. Параметры компонентов: отношение максимальных размеров частиц d™x /d™*" = [0,51-,\], отношение насыпных плотностей р,/р2=[0,35;1], коэффициенты загрузки к =[0,1; 0,3; 0,4], концентрация смеси с = [0,125; 0,15; 0,2; 0,25; 0,33; 0,5], число оборотов дисков Ne[l,2,3,4,5,10,15,25,40], об.

Результаты исследований кинетики процесса смешивания при различных параметрах смесителя и процесса представлены на рис.2 (djd2 =0,57, pjрг =1, 1 - с = 0.35; 2 -с = 0.5 (без лопастей); 3 - г = 0.1м; 4 - г = 0.07м; 5 -г = 0.06м (h = 0.03м, с = 0.5))

Кривые смешивания 1-5 отражают связь коэффициента неоднородности с числом оборотов барабана (дисков) при различных параметрах смесителя и смеси.

Время смешивания, при конкретном значении угловой скорости, связано с числом оборотов барабана: í = 27iN/co. Поведение кривых

смешивания качественно сходно. Сначала коэффициент неоднородности падает до некоторого локального минимума. После 3-5 оборотов Рис. 2 - Зависимость коэффициента начинается его некоторый рост,

Неоднородности от числа оборотов дисков соответствующий сегрегации смеси.

При увеличении времени смешивания величина коэффициента неоднородности, попеременно убывая и возрастая, стремится к некоторому предельному значению. Такое поведение смеси связано, по-видимому, с наличием конвективных механизмов, в силу которых происходят колебания площади поверхности контакта смешиваемых фаз от максимального - к минимальному.

В целях установления доминирующих механизмов процесса смешивания полученные экспериментальные кривые аппроксимировались экспонентами

40 N-Iá

K=V0 + Ae

■N/S

где

Рис.3 - Зависимость коэффициента неоднородности смеси от радиуса установки лопаток различной высоты

постоянные параметры. При этом минимизировалась сумма квадратов отклонений экспериментальных значений критериев однородности (К?) от соответствующих им значений (V*), взятых с аппроксимирующей экспоненты. На основании расчета величины достоверности аппроксимации Я2 можно судить о силе корреляционной связи между исследуемыми переменными. Сделан вывод о высокой степени соответствия изучаемых механизмов процесса диффузионному Я2 =0.7-0.99.

Кривые смешивания аппроксимировались также тригонометрической зависимостью вида Ус = У0 +(Аса$(СЩ+В$т(С^)е, которая позволила получить более высокую сходимость по критерию К2. Результаты исследований влияния параметров смесителя и получаемой смеси на её качество отражены на рис. 3—5.

График, представленный на рис. 3 =0,51,р1/р2 =1), отражает

экстремальную зависимость коэффициента неоднородности смеси от радиуса установки лопасти. Наилучшее качество смеси достигается при установке лопасти, проходящей через центр циркуляции. Влияние режимных параметров, концентрации ключевого компонента и коэффициента загрузки смеси на коэффициент неоднородности показано на рис 4; физико-

Рис. 4 - Зависимость коэффициента неоднородности смеси от режимных параметров (смесь: пшено, чечевица, И — 20 мм, п^ =40 об/мин.): (а ) - концентрации ключевого компонента (К1 = 0,4);

(б) - коэффициента загрузки смеси (с = 0,33)

(а) (б)

Рис. 5 - Зависимость коэффициента неоднородности от физико-механических свойств компонентов (Н = 20 мм, л, = 40 об/мин, С = 0,5 ):

(а ) - отношения диаметров частиц смешиваемых компонентов (К3 = 0,4) (б) - от разности плотностей частиц смешиваемых компонентов (К3 = 0,2).

По результатам исследований параметры смеси, влияющие на её однородность, были сведены в одно уравнение регрессии, описывающее предел коэффициента неоднородности, к которому стремится кривая смешивания при бесконечно большом количестве оборотов:

У.=К,

49 - 5,65е

-49862е

(1)

Данное уравнение может быть использовано при инженерных расчетах. Отмечено, что для построения надежного метода расчета исследуемого смесительного устройства необходимы дополнительные теоретические исследования механики движения частиц в рабочем объеме смесителя и построение математической модели изучаемого процесса с учетом сегрегации и влияния всех параметров с точки зрения его природы.

В третьей главе дано описание проведенных в работе теоретических исследований процесса смешивания в новом устройстве с дополнительными рабочими элементами.

В основе моделирования лежит следующее представление о механизме процесса смешивания. При вращении цилиндрической рабочей поверхности сыпучие компоненты перемещаются вверх, в направлении вращения. При превышении углом наклона свободной поверхности смеси угла естественного откоса начинается её обрушение. Смешивание сыпучих компонентов происходит в верхней области - 1, расположенной над линией обрушения. В нижней - транспортирующей области - 2 смешивание отсутствует. На первом этапе исследований рассматривалась следующая модель процесса

смешивания сыпучего

К материала. Сечение

материала «разбивается» радиальными линиями, проходящими через центр О барабана с шагом Лр, и дугами концентричных

окружностей с центром О на ячейки равной площади Рис. 6 Расчетная схема процесса смешивания (рис.6).

В цилиндрической системе координат (О г <р) координата ¿-ой ячейки:

г^Я^п, (2)

где К - радиус цилиндра (барабана), г - номер ячейки по координате г, и - количество ячеек на радиусе Я.

Вероятность нахождения ключевого компонента в той или иной ячейке смесителя, для цилиндрической системы координат, определяет угловая скорость барабана т:

р = со{м1А(р), (3)

где м - шаг по времени.

Г

к?;

у г

Р»перед Рипёр«

Пусть 4 - концентрация ключевого компонента в ячейке г (по радиусу и угловому шагу соответственно) транспортирующей области, в момент времени г.

Концентрация ключевого компонента через интервал времени м:

4Ш(4)

Условие выполнения материального баланса в верхней части области обрушения запишется в виде

си^ = с; -1 у ' Ртеред + Р 'с/ /-1 + с/у '0 ~ Р'вперед ) > (5)

а в нижней части области обрушения

°Ч = с/-1у ' Рвперед + сО' "О ~ Рвперед ~ Рвниз), (6)

где вероятность движения частиц вдоль линии обрушения определяется рекуррентно

Рвперед ~ Рвперед ± 'Р • (7)

Знак «+» берется в левой (верхней) части области, в которую материал попадает из транспортирующей области. Знак «-» - в правой (нижней) области, из которой материал уходит в транспортирующую область.

Вероятность перехода материала в нижний слой

Р\

(8)

где Р1 - вероятность перехода ключевого компонента; р2 - вероятность

перехода несущего компонента; с/у+1 - концентрация ключевого компонента в

ячейках транспортирующей области, непосредственно прилегающей к области обрушения.

Величина потока /¿„/з определяется отношением /р2, причем

Р\1 Рг ~ ехр (~ка (й?1 /<1 + ¿2 М) - кр (р/р1 - р/р2)),

(9)где а*,, р, и с/2, р-, - соответственно диаметры и плотности частиц

Облапь аииввого ключевого и несущего компонентов;

Р = • Р| + О - </+1) ■ Р: средние

диаметр и плотность компонентов в приповерхностных ячейках

транспортирующей зоны, и кр числовые коэффициенты. Расчеты процесса смешивания по данной модели показали скорость смешивания, превышающую

экспериментальную. Поэтому на втором этапе исследований рассмотрена математическая модель

Область транспортирования

Рис. 7 - Схема к расчету процесса смешивания с учетом формы области обрушения

и

движения частиц, учитывающая толщину и форму слоя обрушения сыпучей смеси. Расчетная схема процесса смешивания приведена на рис. 7.

Слой активного смешивания (обрушения) расположен над линией обрушения -а..а, расстояние до которой от центра окружности равно И(х) - функция, определяющая форму области обрушения, а -угол обрушения, у^6' ,у°6р- проекции скоростей частиц в области обрушения на оси ли у.

Учитывая законы сохранения сыпучего материала, считая, что в тонком слое обрушения движение смеси аналогично движению вязкой жидкости в

можно получить:

пограничном слое у твердой поверхности, для V"/''

V?" (*, у) = ^т(а)(х + а) \у + й0 )/й(;с).

у7(х,у) = — (у + ИЛ - сох.

' 2 И2(х) 0

При этом форма свободной поверхности определяется формулой

И(х) =

уР^Ыо)

(а + ху'\а- х).

(10) (П)

(12)

Зависимость формы свободной поверхности (12) от угловой скорости а в безразмерных координатах показана на рис. 8. При зависимость к(х) имеет

параболический вид. Как видно из (12), И(х) ~ (^)0-5, где Гг = (ф21{/ё)-

число Фруда для данной задачи. В транспортирующей области материал движется как твердое тело, и проекции скоростей частиц на оси координат имеют вид: у1 = шу, V* = —<ох. (13), (14)

Рис. 8 - Зависимость формы зоны смешивания от угловой скорости.

Для расчета поля скоростей в области обрушения по формулам (10 - 12) полудлина линии обрушения а определялась из условия сохранения объема смеси, приходящегося на единицу длины барабана:

Здесь объемы областей транспортирования Vх(а) и обрушения

У\а) = Я2Ага>т (а/Я) - а^Я2-а2 ,

Г6"(а)= °\Кх)с1х= . 01 —

(15)

Г6'(«):

(16)

(17)

При коэффициенте загрузки К, объем смеси Vcma¡ = kR2K!. Тогда уравнение (15) с учетом (16) и (17) принимает вид:

ЛЕГК, = R2 ■ arcsin (a/R) - a^R2-a2 + . W, — -Ла5'2. (18)

J2gsin(a) 15

Параметр а определялся стандартными численными методами из уравнения (18).

При движении частиц компонентов, различающихся по физико-механическим свойствам, вдоль линий тока в поле скоростей v(10, 11, 13, 14), наряду со смешиванием, возникает переход частиц из одной линии в другую со скоростью vs, приводящий к сегрегации. Изменение концентрации в рабочем объеме смеси при отсутствии входящих и исходящих внешних потоков материала в процессе смешивания и сегрегации описывается уравнением непрерывности

dc/dt = —div(cv + с vs), (19)

которое при заданных полях скоростей v и vs и начальном распределении ключевого компонента с0(х, у) = с(х, у, t = 0) определяет с(х, у, t) в любой момент времени.

Скорость потока сегрегации vs отлична от нуля только в области обрушения и может быть определена исходя из следующих рассуждений. Будем считать, что направленный переход частицы ключевого компонента из одной линии тока в другую возникает из-за того, что сила тяжести Fg, действующая на частицу, и архимедова сила FA, то есть сила давления на частицу со стороны примыкающих к ней частиц, перестают компенсировать друг друга. В направлении возникающей равнодействующей силы и происходит смещение частицы. Поскольку движение частицы происходит в стесненных условиях, будем полагать, что скорость смещения пропорциональна возникающей силе

vs=ks^-e$(Fe-FJ), (20)

Pk'k

где e,=(sin(a), -cos(a)) - единичный вектор направления силы тяжести, pt и Vt - плотность и объем частицы ключевого компонента, -¡К/g - характерный масштаб времени для рассматриваемой системы, ks - безразмерный модельный коэффициент сегрегации. Выражения для сил Fg и FA можно записать в виде:

Ft=gPiVt, Fa = gpV] (di/d)2, (21)

где p и d - плотность и диаметр частиц материала, окружающих частицу ключевого компонента, d, - диаметр частиц ключевого компонента. В формуле для Fa учтено, что давление на частицу в сыпучей среде определяется не только плотностью окружающих частиц р, но и числом её контактов с частицами окружения, через которые передается давление. Число контактов пропорционально отношению площади поверхности частицы к

поперечному сечению частицы окружения, что и приводит в предлагаемой модели к появлению множителя (</,/с?)2. Отношение рЫ1, входящее в (21), определяется локальной концентрацией ключевого компонента с:

р/с!2 = саМ2 + (1 -с)аМ! , (22)

где р2 и (12 - плотность и диаметр частиц несущего компонента.

С учетом (21),(22) выражение (20) для скорости сегрегации v.s записано:

vS = ¿sV^(l-c)(H4M)Wp.)(sin(a), -cos(a)). (23)

Воздействие лопаток учитывается коэффициентом ks:

' ' ^ 4

-cos(cotn )

'tí

l-exp

\

v

*х

- (е^х2 + у2-rp+h/ 2) - + / - - А / 2))

/

(24)

где л

р >

И - количество, установочный радиус и длина лопаток

соответственно, кр - модельный коэффициент эффективности воздействия

при отсутствии лопаток, 6>(х) -

лопатки, к\ - значение коэффициента к„

Vc.%

функция Хэвисайда, равная 0 при х< 0 и 1 при х>0. Согласно выражению (24), при прохождении лопатки через область активного смешивания величина коэффициента сегрегации к5 и, следовательно, скорость сегрегационного потока у,? существенно снижается.

Уравнение непрерывности (19) с заданными скоростями переноса (23), с учетом (24) решалось численно. Результаты расчета коэффициента неоднородности для средней объемной концентрации ключевого компонента с0 = О,3 при коэффициенте загрузки К,= 0,4 приведены на рис 9. Модельные коэффициенты приняты: =0,006, к = 2, плотности частиц полагались равными.

Качество смеси характеризуется коэффициентом неоднородности Ус:

Кс(0 =—Лу-(х,у,0сшу-с!, (25) с0 V о

где интегрирование ведется по сечению, занятому смесью: 5 = я-Л2А",. На рис. 9 представлены зависимости коэффициента неоднородности от времени, когда частицы ключевого и несущего компонентов одинаковы (кривая 1), когда диаметры частиц несущего компонента составляют 1,75 диаметра частиц ключевого компонента; без лопаток Рис.9 -(кривая 2) и при наличии восьми лопаток размера и = о,5Л, установленных на расстоянии г = о,5/г от центра вращения (кривая 3).

2 "3

8 10 12 14 16 п

Изменение коэффициента неоднородности смеси. 1-без сегрегации

2-е сегрегацией, 3-сегрегация с лопатками

Свойства смешиваемых фраюшй: диаметры и плотности частиц, концентрация ключевого компонента. Производительности смесителя

Генпе рабочего объем» смесителя ВСХОД! нз производительности п произвольно

выбранною уровня загрузки

Определение радиусов натяжных н рнводиого роликов. Выбор толщины леши I

Расчет центра сегрегации и выбор величины" радиуса шнека, на котором будут расношпаться

I Расчет нроиесса смешнвания по математическое] модели

Расчет на I тксния иенгы в ннбешюшей и сбегающей ветвях приводного барабана, исходя из произвольно выбранной ТОЛЩИНЫ

Увеличить количество прокладок

Расчет требуемой трузоиодьемности подшипников и их опор

Расчет мощности привода и подбор мотор-редуктора

Вывод результатов

Рис. 10 - Блок-схема расчета смесителя

В четвертой главе приведена инженерная методика расчета нового смесителя с дополнительными рабочими элементами. В её основу положены теоретико-

экспериментальные исследования процесса смешивания,

проведенные в работе, и рекомендации к расчету машин с бесконечной лентой. Исходными данными для расчета являются: объемная производительность смесителя П, м3/час (кг/час), объемная концентрация

ключевого компонента в смеси с0, средние диаметры частиц смешиваемых компонентов о,

, насыпные компонентов р,, р,, углы обрушения а, 2 сыпучих фракций

смеси, коэффициент загрузки барабана К3, коэффициент неоднородности Ус,

соответствующий качеству смеси. Приводится пример расчета смесителя производительностью 0,25 м3/мин. Блок - схема расчета представлена на рис. 10

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе цикла экспериментальных исследований смесителя с дополнительными рабочими элементами получено уравнение регрессии, связывающее коэффициент неоднородности смеси с конструктивными, режимными параметрами, физико-механическими характеристиками частиц смешиваемых фракций. Выявлено экстремальное влияние на качество сегрегирующей смеси расстояния от места установки лопастей до оси вращения рабочей камеры.

2. Разработана ячеечная модель смешивания сыпучих материалов в исследуемом смесителе, в которой при описании процесса учитываются вероятности конвективного переноса материала.

3. На основе выполненного математического описания движения частиц сыпучего материала в поперечном сечении корпуса смесителя определены форма свободной поверхности, параметры областей характерного поведения и поле скоростей частиц.

4. Выполнено математическое описание процесса смешивания сыпучих материалов с учетом их сегрегации в смесителе с дополнительными рабочими элементами, в котором учтена форма области обрушения, основанное на законе сохранения массы ключевого компонента в микрообъеме сыпучей среды.

5. Разработано и реализовано программное обеспечение контроля качества смеси в смесителе в режиме реального времени.

6. С учетом исследований механики движения частиц перерабатываемого материала предложен уточненный расчет мощности смесителя, затрачиваемой на циркуляцию материала.

7. На основе теоретико-экспериментальных исследований предложена методика и составлена блок - схема инженерного расчета конструктивных и режимных параметров смесителя. Приведен пример расчета.

8. Новую конструкцию смесителя и программное обеспечение контроля качества смеси предполагается использовать в пищевой промышленности в линии подготовки сырья для производства мясных полуфабрикатов (ЗАО «Единство», г. Тутаев Ярославской области).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Волков М.В. К расчету барабанных смесителей сыпучих материалов с дополнительными рабочими элементами [Текст]/ М.В. Волков, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Изв. ВУЗов, «Химия и хим. технология», 2012, Т.55, №12, С. 108-110.

2. Волков М.В. Исследование смесителя сыпучих материалов открытого типа с лопастями/ М.В. Волков, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Изв. ВУЗов, «Химия и химическая технология».- 2013, Т.56, Вып. 11, С. 117-119.

3. Волков, М.В. Исследование механики движения сыпучего материала в поперечном сечении смесителя гравитационно-пересыпного действия/ / М.В. Волков, Л.В. Королев, М.Ю. Таршис // Фундаментальные исследования" № 5 (часть 4) 2014, стр. 692 - 696.

4. Волков, М.В. Математическая модель процесса смешивания сыпучих материалов в новом устройстве гравитационно-пересыпного действия/ М.В. Волков, Л.В. Королев, М.Ю. Таршис// Фундаментальные исследования" № 9 (часть 5) 2014, стр. 960-964.

5. Пат. 2466778 Российская Федерация, МПК В01Е9/06. Смеситель/ М. Ю. Таршис, А. И. Зайцев, Л. В. Королев, М. В. Волков; заявитель и патентообладатель Ярославский государственный технический университет 0Ш).- №2011128178/05, заявл. 07.07.2011; опубл. 20.11.12, бюл. №32. - 4 е.: ил.

6. Пат. 2471540 Российская Федерация. Смеситель сыпучих материалов/ М. Ю. Таршис, А. И. Зайцев, Л. В. Королев, М. В. Волков; заявитель и

патентообладатель Ярославский государственный технический университет (RU).- №2011128176/05, заявл. 07.07.2011; опубл. 10.01.13, бюл. №1. - 4 е.: ил.

7. Пат. 2503489 Российская Федерация. Способ смешения сыпучих материалов/ М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев, М.В. Волков; заявитель и патентообладатель Ярославский государственный технический университет (RU).- №2012126908/05, заявл. 27.06.2012; опубл. 10.01.14, бюл. №1. - 4 е.: ил.

8. ММТТ-25 : сб. трудов 25-й Междунар. науч. конф.; под общ. ред. A.A. Большакова: в 10 т. - Т. 8.-Секция 12. —Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012,- С. 27-28 (216 е.).

9. Волков М.В. Изучение механизмов процесса в устройстве для смешивания компонентов, склонных к сегрегации/ М.В. Волков, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-26 [текст]: сб. трудов XXVI Междунар. науч. конф., 2013, т.7, С. 46-47.

10. Волков М.В. Исследование процесса смешивания сегрегирующих сыпучих смесей в новом лопастном устройстве/ М.В. Волков, М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев// 3 Междунар. науч.- техн. конф. "Нестационарные энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химии, нано- и биотехнологиях". - М. 2013. С. 322-324.

11. Волков М.В. Моделирование смешивания сыпучего материала в устройстве гравитационно-пересыпного действия/ М.В. Волков, JI.B. Королев, М.Ю. Таршис// Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-27 [текст]: сб. трудов XXVH Междунар. науч. конф., 2014, т. 1 , С. 127-129 .

12. Волков, М. В. Разработка нового аппарата открытого типа для приготовления сегрегирующих сыпучих смесей/ М. В. Волков, М. Ю. Таршис / 64 Научно-техн. конф. студ., магистрантов и аспирантов ЯГТУ, 2011.- С.150.

13. Волков, М. В. Моделирование процесса смешивания в лопастном смесителе пересыпного действия/ М. В. Волков, М. Ю. Таршис// 65-я регион, науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов : тез. докл. -Ярославль, 2012. - С. 253.

14. Волков М.В. Исследование механизмов процесса смешивания в новом смесителе открытого типа/М.В. Волков, М.Ю. Таршис// 66-я Всерос. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов с межд. участием : тез. докл. -Ярославль, 2013. - С.226.

15. Волков М.В. Модель смешивания сыпучего материала в устройстве гравитационно-пересыпного действия/М.В. Волков, М.Ю. Таршис// 67-я Всерос. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов с межд. участием : тез. докл. - Ярославль, 2014. - С. 240.

Подписано в печать 09.10.2014 г. Печ. л. 1. Заказ 954. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.