автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование процесса струйного смешивания сыпучих материалов в новых аппаратах центробежного типа

На правах рукописи

- /-Шеронина Ирина Станиславовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУЙНОГО СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В НОВЫХ АППАРАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0055^«- 1 г СЕН 2013

Ярославль — 2013

005533060

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» Федеральног государственного бюджетного образовательного учреждения высшег профессионального образования «Ярославский государственный технически" университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Зайцев Анатолий Иванович,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ефремов Герман Иванович, ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет»

кандидат технических наук, доцент Чагин Олег Вячеславович, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Ведущая организация

ОАО«ТИИР», г.Ярославль

Защита диссертации состоится «26» сентября 2013 г. В 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр. 88, ауд. Г-219

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет», по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88.

Автореферат разослан тСЗ августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук

Ильин А.А.

Актуальность проблемы

Процесс смешивания сыпучих материалов - наиболее распространенный метод переработки, используемый как в химической, так и во многих других отраслях промышленности. Однако, большинство применяемых смесительных устройств морально устарели, металло- и энергоемки, часто не способны обеспечить требуемое качество смеси. Среди известных типов смесительного оборудования широко используются центробежные аппараты, которые при высокой производительности и низком потреблении энергии позволяют получить смеси хорошего качества.

В тоже время при смешении материалов, частицы которых различаются по плотности, размерам или форме, получение однородных смесей затруднено даже в указанных типах аппаратов. Это объясняется, в первую очередь, процессами разделения компонентов под действием центробежных сил и сегрегацией - за счет различия в размерах частиц. Причинами процесса разделения могут служить также неупорядоченность, хаотичность движения частиц в аппарате, образование зон взаимодействия с различным отношением концентраций смешиваемых материалов. Оказывают влияние и многократные столкновения частиц, как взаимные, так и с рабочими органами.

Для решения указанных проблем необходимо таким образом сформировать дисперсные потоки, чтобы обеспечить упорядоченное движение и взаимодействие частиц в зоне смешения, снизив до минимума столкновение частиц. Снижение сегрегации можно достичь, исключив совместное движение компонентов по вращающимся органам, а также отбором смеси в определенных зонах, где разделение под действием центробежных сил и сил тяжести не происходит.

Получение смеси высокого качества возможно в центробежных смесителях с соосными канальными распылителями, в которых материалы в зону смешения подаются в виде сформированных с требуемыми параметрами расширяющихся потоков; перемешивание происходит при их наложении с отбором смеси в определенной зоне.

Представляет интерес также использование насадки с чередующимися в окружном направлении тсаналами, которая обеспечивает раздельное диспергирование смешиваемых материалов. Это позволяет упорядочить движение частиц, снизить количество столкновений и получить смесь с необходимыми значениями коэффициента неоднородности.

Благодаря тому, что взаимодействие потоков (наложение)происходит в данном случае за вращающейся распылительной насадкой, в зоне слабого влияния сил тяжести вследствие больших скоростей, сегрегация частиц смеси исключается.

В виду малой изученности процессов, происходящих в смесителях с пересекающимися струйными потоками, отсутствия универсальной физической модели взаимодействия частиц в рабочей зоне аппарата, необходимы теоретические и экспериментальные исследования процессов. Это позволит выдать рекомендации по конструированию аппаратов этого типа и созданию методов их расчета.

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

Цель работы — моделирование процесса смешивания сыпучих материалов в

пересекающихся разреженных потоках новых центробежных аппаратов, выявление характера взаимодействия дисперсных систем, создание метода расчета основных характеристик смесителей.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

- провести математическое описание струйного движения частиц за вращающимся распылителем и получить уравнения дифференциальной функции распределения их числа по угловой координате;

-теоретически обосновать и опытным путем подтвердить возможность получения в рабочем объеме аппарата смеси высокого качества за счет взаимодействия предварительно сформированных пересекающихся струйных потоков;

- для 2-х типов распыливающих устройств получить выражения для определения коэффициента неоднородности смеси в зависимости от режимных параметров и физико-механических характеристик частиц;

- для смешения отдельных видов сыпучих материалов даггь обоснование дополнительного использования отражательных поверхностей;

- с целью подтверждения основных положений математического описания процессов провести серию сравнительных теоретико-экспериментальных, лабораторных исследований на устройствах с распиливающими каналами соосного типа и чередующимися в окружном направлении вращающейся насадки;

- разработать методики инженерного расчета новых устройств для смешивания сыпучих материалов за счет взаимодействия струй в рабочем объеме аппаратов;

- обосновать полученные теоретические и экспериментальные результаты при работе аппарата в промышленных условиях.

Научная новизна работы:

- выполнено математическое описание движения струйных потоков сыпучих материалов за вращающимся распылителем и получены уравнения дифференциальных функций распределения частиц в потоках в зоне перекрытия;

- получены выражения для подсчета коэффициента неоднородности смеси, как основной характеристики, в зависимости от режимных параметров процесса и физико-механических свойств частиц взаимодействующих факелов распыла;

- впервые разработан, изучен и опытным путем подтвержден характер взаимодействия расширяющихся дисперсных потоков на макро- и микроуровнях в центробежных аппаратах с двумя типами распыливающих устройств;

- проведен цикл сравнительных лабораторных, теоретико-экспериментальных исследований, с помощью которых доказана, в том числе, возможность получения потоков с одинаковым распределением числа частиц по углам рассеивания; для некоторых видов смешиваемых материалов дано обоснование использования отражательных поверхностей;

-создан научно обоснованный и экспериментально проверенный метод инженерного расчета режимных и конструктивных параметров аппаратов, работающих на принципе смешивания сыпучих материалов во взаимодействующих струйных потоках.

На защиту выносятся следующие положения:

- моделирование процесса струйного движения потоков сыпучих материалов за вращающимся распылителем центробежного смесителя и уравнения

дифференциальных функций распределения числа частиц с учетом их столкновений в зоне перекрытия;

- зависимости для определения коэффициента неоднородности смеси как функции от режимных параметров процесса и физиио-механических свойств частиц взаимодействующих разреженных потоков;

- основные результаты теоретико-экспериментальных исследований на лабораторных установках с выявлением условий получения потоков с одинаковым распределением числа частиц по углам рассеивания;

- конструктивные схемы новых типов центробежно-струйных смесителей и научно обоснованный метод инженерного расчета основных параметров аппаратов.

Практическая ценность работы:

- использование на основе теоретико-экспериментальных исследований центробежных смесителей с новыми конструкциями распылительных насадок позволяет получить смеси высокого качества при переработке сыпучих материалов, отличающихся по физико-механическим характеристикам, с малыми затратами энергии;

- методика инженерного расчета режимных и конструктивных параметров аппаратов на принципе взаимодействия струйных потоков исходных фаз будет востребована при разработке смесителей сыпучих материалов, как в химической так и в других отраслях промышленности;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в производственных условиях — для получения формовочных смесей в литейном производстве ЗАО «ЯРПОЛИМЕРМАШ-ТАТНЕФТЬ» и Ярославском филиале ОАО «Желдорреммаш» ЯЭРЗ им. Б. П. Бещева, а также при смешении тонкодисперсных материалов на ОАО «Ярославский технический углерод»

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физиюэ-механических и математических методов анализа, результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний, удовлетворительном совпадении теоретических и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Дисперсные системы», г Одесса, и 65-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, г Ярославль.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы - 147 стр., в том числе 128 стр. основного текста, включая рисунки и таблицы, с приложениями и списком литературы из 120 наименований.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях. Математическое моделирование осуществлялось с помощью уравнений механики, гидромеханики, вероятностных и статистических методов. Расчеты, обработку результатов эксперимента, численное и аналитическое решение уравнений производили на ЭВМ.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 4 патента РФ, 2 тезиса докладов.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в определении

целей и задач работы, постановке и проведении теоретических и экспериментальных исследовании, анализе и обобщении результатов работы, разработке прикладной части и формулировании основных выводов.

Краткое содержание работы. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели и задачи исследования.

Первая глава состоит из двух разделов. В первом рассматриваются основные типы и конструкции существующих центробежных устройств для смешения сыпучих сред, анализируются их технические данные и делается вывод об актуальности создания новых аппаратов струйного типа для смешения сыпучих материалов, а также теоретически обоснованной и экспериментально проверенной методики инженерного расчета. Во втором разделе главы дан анализ современного состояния проблемы описания механики движения и взаимодействия дисперсных потоков, в том числе методов количественной оценки характеристик столкновений частиц, твердых и жидких. Приведен обзор и дан анализ известных математических моделей процессов смешения сыпучих сред. Делается вывод о необходимости и целесообразности изучения процессов движения разреженных потоков и смешения с учетом взаимодействия частиц.

Вторая глава посвящена математическому описанию процессов движения и струйного смешения сыпучих материалов в рабочих объемах смесителей. В начале павы приводится описание конструкций и принципа действия разработанных смесителей с распылителем сосного типа и с чередующимися в окружном направлении насадки каналами. Принцип действия новых смесителей основан на наложении и взаимодействии предварительно полученных разреженных потоков частиц смешиваемых компонентов с одинаковым или близким объемным соотношением в зонах смешения. Центробежный смеситель с соосно расположенными распыливающими патрубками (Рис.1) содержит неподвижный корпус 1, устройства загрузки 2 и выгрузки 8. Во внутреннем объеме корпуса размещена распылительная насадка 3, состоящая из 2-х камер, соединенных с соосными каналами 4 и 5 для раздельной подачи материалов и последующего формирования разреженных потоков.

каналами окружном направлении насадки каналами

Готовая смесь оседает в приемнике 7, выполненном в виде набора конических и кольцевых вставок. Привод распылительной насадки производится от электродвигателя 6. На рис.2 показана схема смесителя с чередующимися в окружном направлении насадки каналами. Принцип работы смесителя (Рис.2) основан на послойном наложении потоков смешиваемых компонентов с одинаковыми или близкими параметрами распределения числа частиц в плоскости приемника. Разработаны и исследованы две модификации — с отбойником' 7 (поверхностью отражения) и без него (с приемником). Смеситель имеет неподвижный корпус 1, дозаторы 2 для раздельной подачи материалов в приемные камеры распылительной насадки 3 с радиальными каналами 4 и 5.

Привод насадки - от электродвигателя 6. В нижней части неподвижного корпуса выполнено устройство выгрузки 8. В следующем разделе главы представлено математическое описание процесса формирования расширяющегося дисперсного потока частиц, создаваемого центробежной распылительной насадкой.

I Ввиду огромного числа случайных

факторов, влияющих на потоки, для описания движения использован вероятностный подход. Расчетная схема приведена на рис.3. Распределение числа частиц (Ш; образованного дисперсного потока в элементе фазового объема

экспоненциально убывает в зависимости от стохастической энергии частицы £/:

Рис. 3- Расчетная схема процесса формирования разреженного потока

с1Ы1=А1гх?{-Е11Е01)с1Г1

(1)

Стохастическая энергия представляет собой сумму кинетической и энергии, вызванной расширением потока за счет взаимодействия частиц с воздушной средой:

Е1=ту]х12+т^1х18ср1)212=тч]х{1+1г2{ср1))12 . (2>

Здесь ср, -угол рассеивания, т-масса, У1х -горизонтальная составляющая

скорости. Для перехода к безразмерным величинам введем обозначения:

¡¥]=у]М,д3=о3т30,

(3)

где

V,,, А,

✓о - постоянные величины. Тогда, с учетом (3), получим:

Е,=Рлдз12. (4)

Здесь р - плотность частицы. Для составления выражения дифференциальной функции распределения числа частиц по углам рассеивания необходимо найти неизвестные постоянные величины Ещ к А,, входящие в выражение (1). Запишем нормировочное соотношение для константы А\:

f,-. <p,~

N,=fdN,= $ J f v0D0AIexp{-ElfE0l)<md<pldWl

Г, ir,.,. Д...

Уравнение энергетического баланса для определения параметра Ещ, составленного для момента образования потока, имеет вид:

Е=Е

pi

(6)

В этом выражении Е, — энергия потока частиц, движущихся в патрубке-распылителе насадки до отрыва с него:

АИуУу

V=1

Eri- энергия образованного потока частиц :

Epl=[EtdN,

г,

(7)

(8)

Тогда дифференциальная функция распределения числа твердых частиц движущегося потока по углам рассеивания будет описываться выражением :

4Д dW,

(9)

П " I w,.„ дт„

После интегрирования получим:

ГШ---дг^-

(10)

(И)

кt=JpD0{l+tg2[<Р,))1Е0„ к2=^О0У0 к1=Дтах-Дт1п .

В этих выражениях erf - функция ошибок. На рис.4 приводится графическое представление дифференциальной функции распределения числа частиц по углам рассеивания. Полученное в данном разделе выражение дифференциальной функции распределения числа частиц по углам рассеивания позволяет описать -о. -о., л, « оо о! о.< он о.ф 1о структуру дисперсного потока твердых

частиц, создаваемого вращающимся канальным распылителем. В третьем Рис.4-Графтеское представление разделе второй главы приводятся дифферемршльной функции исследования по выявлению характера

распределения числа частиц по углам взаимодействия потоков на макро- и рассеивания Е0,=4,4 Дж, v,m<a=10 м/с, микроуровнях. К макроуровню в работе v,тт=8м/с, р=1800 кг/м' относим взаимодействие потоков в

целом, их полное или частичное наложение, а также изменение структуры, обусловленное этим взаимодействием.

Под взаимодействием на микроуровне понимается непосредственное межчастичное столкновение в пересекающихся струйных потоках. Столкновения частиц компонентов, конечно, могут приводить к изменению формы и структуры потоков. При этом следует иметь в виду, что соударения возможны как между частицами одного потока, так и между частицами' разных материалов. Взаимодействие частиц на микроуровне наиболее существенно происходит в зонах перекрытия потоков, где наиболее высокая концентрация частиц.

Рис. 5 — Схема для расчета коэффициента неоднородности смеси: I - распылитель, 2 - разреженные потоки, 3 и 4 - кривые распределения числа частиц смешиваемых материалов по углам рассеивания

Для расчета основного показателя качества смеси - коэффициента неоднородности - предлагается следующая формула в приближении совпадения интервалов углов рассеивания различных компонентов:

Ус=100У1<с2>/<С>2- 1 . (12>

Здесь <С > - средний квадрат концентрации ключевого компонента,

<С> - квадрат среднего концентрации ключевого компонента, которые определяются из выражений:

I ф.«

<с>=-

V 1тах V 1тш ?>,„

(13)

(14)

Зависимость массовой концентрации ключевого компонента от угловой характеристики задается выражением:

с[ср1)=ткГ1{ср1){тк/А<р{)+т1Г\{ср1)Г1) . (")

Здесь /'{{фх) " дифференциальная функция распределения числа частиц транспортирующего компонента по углу рассеивания. Выразим массы ключевого и транспортирующего компонентов смеси через число частиц, считая, что смешиваемые материалы состоят из ^-фракций с номером <5= 1,.. (К Тогда масса частиц ¿-й фракции равна:

ткь=Ыкйть , т'&=Ы'&1щ , (16)

к I

где N й и N& — число частиц <5-й фракции ключевого и транспортирующего

компонентов, соответственно; ТПЬ и т'ь - средняя масса частицы 3-й фракции ключевого и транспортирующего компонентов.

Массы гщ и т'1 связаны с соответствующими объемами Vb и

Tríf

у j соотношениями:

m&=Vs р =Jt{D&) р 16 . К >

Следовательно, для массы частиц <$-й фракции каждого компонента имеем:

ть=яN&(Dk&f рк 16, т'&=лN'^D^f р'16 . (")

С учетом (18) масса каждого материала смеси может быть вычислена по формуле:

w w

• (19)

8=1 " 6=1

Здесь Dkb и D'b - средние размеры частиц <5-й фракции ключевого и транспортирующего компонентов, соответственно.

Принимая во внимание формулы (16)-(19), выражение для концентрации в (15) принимает вид:

/,(*,)£ шяг Рк)

с—-

8 = 1

(20)

лые м^м*/^.)! мям

а=1 г=1

Таким образом, коэффициент неоднородности смеси К можно рассчитать с помощью выражения (12), с учетом уравнения для концентраций (20).

Предложенная методика позволяет провести оценку однородности смеси сыпучих материалов в смесителях, работающих на принципе взаимодействия разреженных потоков.

Следующим этапом исследований являлось выявление условий движения и взаимодействия потоков без

столкновений. Необходимость организации такого взаимодействия обусловлена тем, что межчастичные столкновения носят хаотичный характер. При их наличии трудно обеспечить наложение потоков смешиваемых компонентов с одинаковыми или близкими параметрами распределения числа частиц. Основным фактором, влияющим на наличие

Puc.6-Cxe.ua для определения соударений, является концетрация

„„ частиц в зоне взаимодеиствия. Расчетная

концентрации частиц в расширяющемся ________

Р дисперсном потоке схема для определения концентрации

частиц в струе показана на рис. 6. Выделим в потоке элемент, находящийся на расстоянии от вершины потока. Его площадь может быть определена выражением:

(21)

2 2 2

Тогда концентрация частиц в выделенной области потока вычисляется :

c^anAFJ-» . да)

Величина ANнаходится из уравнения:

AN^ASuAN^isJ-^ASuNJ^jAv^J^ , (23)

где ANT* - число частиц, находящихся в секторе шириной Лср,

Тогда выражение для концентрации примет вид:

c=2NlAsL1fl(q>1){Su(2sL1ASL-AS2u)){-1) . (24>

По формуле (24) можно определить концентрацию частиц в дисперсном расширяющемся потоке в зависимости от угла рассеивания и расстояния от места вылета частиц из распылителя. Определим суммарную концентрацию частиц смешиваемых веществ в зоне перекрытия:

с'=се+с:. (25>

В этом выражении концентрации частиц во взаимодействующих потоках зависят как от их взаимного расположения, так и от структуры каждого из них.

Расчет суммарной концентрации в зоне взаимодействия проводится следующем порядке:

- определение координат характерных точек (угловых) зоны взаимодействия потоков;

- разбиение зоны перекрытия на ячейки;

- вычисление суммарной концентрации частиц в каждой из ячеек;

- построение гистограммы распределения суммарной концентрации частиц по зоне взаимодействия.

Для выявления характера столкновений частиц во взаимодействующих потоках используем понятие длины свободного пробега (без столкновений) некоторого расстояния А частицей одного компонента в потоке другого. В зоне перекрытия дисперсных потоков минимальная длина свободного пробега частиц смешиваемых материалов может быть вычислена по формуле:

А-.=МА»)2сТ] ■ <26>

Здесь С1 - суммарная концентрация частиц, Dmax - максимальный размер частиц. Сравнивая длину свободного пробега Х„,„ с размерами зоны перекрытия s^ потока, можно оценить наличие столкновений частиц в зоне взаимодействия потоков.

Считается, что столкновения частиц не происходят в том случае, когда длина свободного пробега больше ширины зоны перекрытия.

Таким образом, можно подобрать такие значения параметров, влияющих на концентрацию - начальный угол раскрытия факела, смещение сопловых каналов, угол

наклона отбойника и др. - при которых Л„и>.Уь.

В третьей главе приводятся сравнительные опытно-теоретические исследования по движению и смешению сыпучих материалов за счет взаимодействия разреженных потоков полученных распиливающими устройствами двух типов.

Первая часть опытов посвящена исследованию распределения числа частиц по сечению потоков. На рис 9. и 10 показаны зависимости распределения массы песка по сечению струи. Следующим этапом опытных исследований являлось определение влияния столкновений частиц на структуру потоков.

Е-.........

Рис. 7-Фотография насадки с чередующимися по периметру каналами

Рис.8-Фотография насадки с соосными каналами

■ -............1...........-'1........

• ■ п»750 мин • п*1000 миг

—..........1 — *.......

*

-.........-..... Ж 1 1

0 I « в в 10

МячаАм

Рис.9-Сравнение опытных и расчетных данных по распределению массы частиц

в сечении потока. Точки -опытные данные, сплошные линии —расчетные кривые

Из сопоставления графиков рис. 9 и 10 следует, что при совместном движении потоков в смесителе с соосными каналами кривые распределения массы частиц в сечениях становятся более пологими, что вызвано межчастичными столкновениями. Наибольшее влияние соударений происходит в случае меньших значений угловых скоростей насадки. С повышением частоты вращения дисперсия возрастает, концентрация частиц снижается, что приводит к уменьшению числа столкновений. Об этом свидетельствует сходство кривых распределения числа частиц при л=1250 мин

Рис.Ю-Опытные данные по распределению массы частиц в сечении потока с учетом взаимодействия частиц

Следующая часть опытов посвящена исследованию процесса смешения сыпучих компонентов в смесителях с соосными и чередующимися в окружном направлении насадки каналами. Результаты опытов представлены на рис. 11 и 12. При использовании насадки с соосными каналами проводили смешение песка и манной крупы в массовом соотношении 1:1.

Рис. II- Зависимости коэффициента Рис.12- Зависимости коэффициента неоднородности от частоты вращения неоднородности от частоты вращения насадки (смеситель с соосными (смеситель с чередующимися по каналами) периметру насадки каналами) $¿=0.3 м.

Точки - опытные данные, сплошные линии - расчетные кривые, построенные с использованием выражений (12)-(20). Из данных графиков следует, что для случая применения насадки с соосными каналами минимальные значения коэффициента неоднородности достигаются при установке заборного устройства на расстоянии $¿=0.3 м от места присоединения канала к насадке и частоте вращения от 1200 до 1300 мин"1. При смешении в данном аппарате других сред (песок-пшено, манная крупа-пшено) значения коэффициента неоднородности были выше. Таким образом, в смесителе с соосно расположенными в насадке каналами целесообразно смешивать сыпучие среды, частицы которых близки по размерам и форме.

В случае смесителя с чередующимися в окружном направлении насадки каналами повышение угловой скорости приводит к уменьшению толщины накладываемых слоев смешиваемых компонентов и повышению качества смеси. Минимальные значения коэффициента неоднородности достигнуты для системы манная крупа-пшено. Применительно к другим материалам имеем худшее качество смеси. Использование такого типа насадок позволяет получать смеси хорошего качества компонентов, отличающихся по размерам в 2-5 раз, но близких по плотности.

В опытах по перемешиванию применяли также конструкцию смесителя с чередующимися по периметру насадки каналами с введением отбойного элемента. Размещение последнего позволяло в некоторых случаях повысить качество смеси за счет сближения параметров распределения числа частиц материалов в сечениях отраженных потоков. Минимальные значения величины ^=5.1% достигнуты при смешении песка и пшена, что не было получено как в смесителе без отбойного элемента, так и при использовании насадки с соосными каналами.

Установка отбойного элемента обеспечивает снижение значения коэффициента неоднородности смеси сыпучих сред, отличающихся коэффициентами восстановления в 1,3-3 раза.

В четвертой главе приводится инженерная методика расчета центробежных смесителей канального типа. В начале главы представлены рекомендации по выбору типа смесителя в зависимости от физико-механических характеристик частиц смешиваемых материалов. В следующей части изложена методика расчета

мало 1 канальных смесителей. Блок-

с

1.В1ОД Исходных данных

/

2.Определение Предало* изменения _параметров_

З.Ра счет максимальных углоа раскрытия потоков

Ч.вычисление параметров

5 .Расчет скоростей

7.вычисление

а.определение

схема расчета приведена на рис 13.

1.В начале расчета задаемся исходными

данными (блок 1), к которым относятся: физика-

механические характеристики перерабатываемых материалов (плотность р, фракционный состав,

наибольший и наименьший размеры частиц),- требуемая производительность ключевого и

транспортирующего компонентов Q, площадь поперечного сечения

меньшего канала

А

кап

К-кап ' расстояние от оси распылителя до начала канала; Г] -КПД привода.

Рис. 13- Блок-схема расчета канальных смесителей

2. В блоке 2 определяем пределы изменения варьируемых параметров- угловой скорости распылителя (О (Ок) с шагом - А (О и расстояния & ,

сшагом А$ь .

3. В блоке 3 по опытным зависимостям углов раскрытия факела формируем

1

массив значении угаов <Р1тах ■

4. Далее в блоке 4 производим расчет скоростей движения частиц.

5. Следующим этапом является определение значений параметров распределений исходных (набегающих) потоков смешиваемых материалов

А^ Е01,А\, Е'01 (блок5).

6. Далее находим необходимое значение А Ь (блок 6).

7. В блоке 7 производим расчет размеров зоны перекрытия потоков &,.

8. Затем определяем максимальное значение суммарной концентрации частиц в зоне перекрытия (блок 8).

9. Расчет минимального значения длины свободного пробега частиц в зоне перекрытия производится в блоке 9.

10. Далее, в блоке 10 сравниваем значение длины свободного пробега с размером зоны перекрытия. Для значений, удовлетворяющих условию, формируется массив значений коэффициента неоднородности смеси (блок 11). Выбирается минимальное значение величины Vс (блок 12).

11. Для минимального значения Ус определяются соответствующие ему величины ЛЬ, О) , (блок 13). При невыполнении условия происходит переход к блоку 16, в котором коэффициенту неоднородности смеси присваивается максимальное значение -100%.

12. Далее из выражения для производительности осуществляем расчет требуемого числа каналов (блок 14).

0.=*ГЬяА£а,11Ьш . (27)

Здесь N^ -число каналов, А^" - площадь поперечного сечения меньшего канала, СО - угловая скорость распылителя, [¿¡¡а,, - расстояние от оси распылителя до начала канала. 13. В блоке 15 производится расчет потребляемой мощности.

В конце главы приводятся описания конструкций смесителей, в разработке которых автор принимал участие.

Общие выводы и результаты работы

1. С использованием стохастического подхода выполнено математическое описание струйного движения частиц за вращающимся распылителем и получены уравнения дифференциальной функции их распределения по упговой координате, позволяющие описать структуру потока.

2. На основании результатов моделирования процесса взаимодействия струйных потоков сыпучих сред в рабочем объеме аппарата получены выражения, позволяющие оценить коэффициент неоднородности смеси как функцию от режимных параметров и физико-механических характеристик частиц для двух типов распиливающих устройств. Выявлено, что основное влияние на коэффициент неоднородности оказывает частота вращения распылительной насадки и расстояние от распылителя до приемного устройства.

3. Впервые теоретически обоснована и опытным путем подтверждена возможность получения в центробежном аппарате с новыми распыливающими устройствами смеси достаточно высокого качества за счет взаимодействия пересекающихся струйных потоков частиц.

4. Анализ серии сравнительных теоретико-экспериментальных исследований с распыливающими каналами 2-х типов — соосных и чередующихся в окружном направлении насадки - подтвердил основные положения математического описания. В частности, расхождения теоретических и опытных данных по значению коэффициент неоднородности не превышало 15%;

5. Для смешения сыпучих материалов, отличающихся по физико- механическим характеристикам частиц (плотность, размеры и форма) дано обоснование дополнительного использования отражательных поверхностей. Представлены рекомендации по их использованию и выбору угла наклона.

6. Применительно к инженерной методике расчета центробежного смесителя с взаимодействующими дисперсными потоками составлена блок-схема и приведены примеры расчета для случаев использования каналов соосного типа и чередующихся в окружном направлении насадки. Представлен расчет потребляемой мощности и производительности смесителя.

7. Предложен ряд новых центробежно-струйных аппаратов, защищенных патентами РФ, с различными видами распиливающих устройств, в которых реализован метод смешивания сыпучих материалов за счет организации и взаимодействия разреженных струйных потоков.

8. Разработанные конструкции смесителей канального типа находят использование для приготовления формовочных смесей в литейном производстве ЗАО «ЯРПОЛИМЕРМАШ-ТАТНЕФТЬ» и Ярославском филиале ОАО «Желдорреммаш» ЯЭРЗ им. Б. П. Бещева, а также при смешении тонкодисперсных материалов на ОАО «Ярославский технический углерод».

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Лебедев, А. Е. К расчету процесса ударного взаимодействия потока твердых частиц с преградой / А. Е. Лебедев, А. И. Зайцев, А. А. Петров, И. С. Шеронина, А. С. Суханов // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2011. - Т. 54, вып. 6. - С. 105-106.

2. Лебедев, А. Е. Математическое описание процесса диспергирования вязких жидкостей / А. Е. Лебедев, А. И. Зайцев, А. Б. Капранова, И. С. Шеронина // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. — Иваново, 2012. — Т. 55, вып. 8. — С. 93-94.

3. Пат. 2441694 Российская Федерация, МПК В65В1/24, В01РЗ/08 Агрегат для получения эмульсий / А. И. Зайцев, А. Е. Лебедев, А. Б. Капранова, И. С. Шеронина, Ю. В. Никитина - Опубл. 10.02.2012.

4. Пат. 2449829 Российская Федерация, МПК В01Р7/16 Агрегат для смешения сыпучих материалов / А. И. Зайцев, А. Е. Лебедев, Е, А. Виноградова, В. Н. Сидоров, Ю. В. Никитина, И. С. Шеронина, М. Ю. Таршис. - Опубл. 10.05.2012.

5. Пат. 2460577 Российская Федерация, МПК 01Р15/18 Агрегат для смешения сыпучих материалов / А. И. Зайцев, А. Е. Лебедев, А. Б. Капранова, А. А. Петров, И. С. Шеронина. - Опубл. 10.09.2012.

6. Пат. 2435118 Российская Федерация, МПК Р26ВЗ/12 Распылительная сушилка / А. И. Зайцев, А. Е. Лебедев, А. Б. Капранова, И. С. Шеронина, Ю. В. Никитина. - Опубл. 27.11.2011.

7. Лебедев, А. Е. К расчету образования разреженного потока твердых частиц в процессах смешения и измельчения / А. Е. Лебедев А. И. Зайцев, А. А. Петров, И. С. Шеронина // Дисперсные системы : сб. тр. 25-й науч. конф. - Одесса, Украина — 2012. - С. 161-162.

8. Шеронина, И. С. Исследование процессов смешения сыпучих материалов в в центробежном смесителе с соосными распиливающими каналами / И. С. Шеронина, А. Е. Лебедев А. И. Зайцев // 65-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием : тез. докл. - Ярославль. - 2012. - С. 259.

Автор выражает благодарность доценту Лебедеву А. Е. за ценные замечания при выполнении работы, консультации.

Подписано в печать 15.08. 2013. Заказ 940. Печ.л. 1. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета. Ярославль, ул. Советская, 14 а, т. (4852)30-56-63.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ярославский государственный технический университет

На правах рукописи

04201361715

Шеронина Ирина Станиславовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТРУЙНОГО СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В НОВЫХ АППАРАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

05.17.08 -«Процессы и аппараты химических технологий»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Зайцев Анатолий Иванович.

Ярославль 2013

Оглавление

Основные условные обозначения.......................................................................5

Введение................................................................................................................6

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ЦЕНТРОБЕЖНО-СТРУЙНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА СМШИВАНИЯ.........................................................12

1.1 Анализ оборудования центробежно-струйного типа для смешения сыпучих материалов.........................................................................................12

1.1.1 Общие сведения и классификация аппаратов с распыливанием сыпучих сред...................................................................................................12

1.1.2 Центробежные смесители с гладкими насадками..............................13

1.1.3 Лопастные центробежные смесители..................................................18

1.1.4 Центробежные смесители с распылителем канального типа............20

1.2 Анализ известных литературных источников по движению и смешению сыпучих материалов в разреженных потоках..................................................23

1.2.1 Математические модели движения твердых частиц..........................23

1.2.2 Взаимодействия частиц в разреженных системах.............................28

1.2.3 Математические описания процессов смешения сыпучих материалов в дисперсном состоянии............................................................33

Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования..................................37

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССА СТРУЙНОГО СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ........................39

2.1 Описание конструкций новых смесителей................................................39

2.2 Математическое описание движения твердых частиц в разреженном потоке за распылителем.....................................................................................45

2.3 Движение и взаимодействие пересекающихся разреженных потоков.. .49

2.3.1 О характере взаимодействия факелов распыленных частиц.............49

2.3.2 Взаимодействие потоков на макроуровне...........................................52

2.3.3 Взаимодействие дисперсных потоков на микроуровне.....................57

2.3.3.1 Вычисление объемной концентрации частиц в факеле распыла .....................................................................................................................57

2.3.3.2 Определение концентрации частиц смешиваемых материалов в зоне взаимодействия потоков...................................................................59

2.3.3.3 Определение параметров взаимодействия потоков, . обеспечивающих движение без столкновений.......................................63

Выводы по главе 2..............................................................................................66

ГЛАВА 3 СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ......................................................................................................67

3.1 Описание экспериментальных установок и методики эксперимента.....67

3.2 Изучение влияния столкновений частиц на параметры распределения потоков при их взаимодействии. Выявление условий движения без соударений..........................................................................................................74

3.2.1 Смесительный аппарат с соосными распыливающими каналами....74

3.2.2 Смеситель с каналами, чередующимися в окружном направлении вращающейся насадки....................................................................................77

3.3 Сравнительные исследования процессов смешивания сыпучих материалов в смесителях с распыливающими устройствами........................80

3.3.1 Смеситель с вращающейся насадкой, снабженной соосными каналами..........................................................................................................80

3.3.2.1 Смеситель без отбойного элемента.............................................95

3.3.2.2 Смеситель с отбойным элементом.............................................102

Выводы по главе 3............................................................................................105

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЦЕНТРОБЕЖНО-СТРУЙНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ..............................................106

4.1 Выбор типа смесителя...............................................................................106

4.2 Определение основных режимных и конструктивных параметров центробежно-струйных смесителей с соосными каналами.........................109

4.2.1 Расчет смесителей с насадками, имеющими соосные каналы........109

4.2.2 Расчет смесителя с каналами, чередующимися в окружном направлении насадки....................................................................................118

4.3 Конструктивные схемы новых центробежно-струйных смесителей.... 119

4.3.1 Центробежно-струйный смеситель с криволинейным отбойником ........................................................................................................................119

4.3.2 Смеситель центробежно-струйного типа с каналами, чередующимися в окружном направлении распылительной насадки.....121

4.3.3 Центробежно-струный смеситель с каналами соосного типа.........123

Выводы по главе 4:...........................................................................................125

Общие выводы и результаты работы..............................................................126

Список используемых источников.................................................................128

Основные условные обозначения

V м/с -скорость частицы

N - -число частиц

Е Дж -стохастическая энергия

т КГ -масса частицы

В м - диаметр частицы

Р кг/м3 -плотность материала

<Рх радиан - угол рассеивания

Р радиан -угол наклона отбойного элемента

<Рг радиан -угол отражения

К - -коэффициент отражения

шах радиан -максимальное значение угла рассеивания

К % -коэффициент неоднородности смеси

й кг/ч -массовый расход материала

п мин'1 -частота вращения распылителя

С м-2 - концентрация ключевого компонента

с' м-2 - концентрация транспортирующего компонента

ЛМ — -дифференциальная функция распределения числа частиц по углу рассеяния;

КФ -коэффициент формы

Л^кап -число каналов

-¿4 кап м2 - площадь сечения канала

м - расстояние от оси до приемника

Г] -кпд

О) с"1 - угловая скорость

АЬ м - удлинение канала

К кап м - расстояние от оси распылителя до начала канала.

Вт - потребляемая мощность

л м -длина свободного пробега частиц

зь м -ширина зоны перекрытия потоков

Введение

Процесс смешивания сыпучих материалов - наиболее распространенный метод переработки, используемый как в химической, так и во многих других отраслях промышленности [1-5]. Однако, большинство применяемых смесительных устройств морально устарели, металло- и энергоемки, часто не способны обеспечить требуемое качество смеси. Среди известных типов смесительного оборудования широко используются центробежные аппараты, которые при высокой производительности и низком потреблении энергии позволяют получить смеси хорошего качества.

В тоже время при смешении материалов, частицы которых различаются по плотности, размерам или форме, получение однородных смесей затруднено даже в указанных типах аппаратов. Это объясняется, в первую очередь, процессами разделения компонентов под действием центробежных сил и сегрегацией - за счет различия в размерах частиц. Причинами процесса разделения могут служить также неупорядоченность, хаотичность движения частиц в аппарате, образование зон взаимодействия с различным отношением концентраций смешиваемых материалов. Оказывают влияние и многократные столкновения частиц, как взаимные, так и с рабочими органами.

Для решения указанных проблем необходимо таким образом сформировать дисперсные потоки, чтобы обеспечить упорядоченное движение и взаимодействие частиц в зоне смешения, снизив до минимума столкновение частиц. Снижение сегрегации можно достичь, исключив совместное движение компонентов по вращающимся органам, а также отбором смеси в определенных зонах, где разделение под действием центробежных сил и сил тяжести не происходит.

Получение смеси высокого качества возможно в центробежных смесителях с соосными канальными распылителями, в которых материалы в

зону смешения подаются в виде сформированных с требуемыми параметрами расширяющихся потоков; перемешивание происходит при их наложении с отбором смеси в определенной зоне.

Представляет интерес также использование каналов, чередующихся в окружном направлении распылительной насадки и обеспечивающих раздельное диспергирование смешиваемых материалов. Это позволяет упорядочить движение частиц, снизить количество столкновений и получить смесь с необходимыми значениями коэффициента неоднородности.

Благодаря тому, что взаимодействие потоков (наложение)происходит в данном случае за вращающейся распылительной насадкой, в зоне слабого влияния сил тяжести вследствие больших скоростей, сегрегация частиц смеси исключается.

В виду малой изученности процессов, происходящих в смесителях с пересекающимися струйными потоками, отсутствия универсальной физической модели взаимодействия частиц в рабочей зоне аппарата, необходимы теоретические и экспериментальные исследования процессов. Это позволит выдать рекомендации по конструированию аппаратов этого типа и созданию методов их расчета.

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

Цель работы - моделирование процесса смешивания сыпучих материалов в пересекающихся разреженных потоках новых центробежных аппаратов, выявление характера взаимодействия дисперсных систем, создание метода расчета основных характеристик смесителей.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

- провести математическое описание струйного движения частиц за вращающимся распылителем и получить уравнения дифференциальной функции распределения их числа по угловой координате;

-теоретически обосновать и опытным путем подтвердить возможность получения в рабочем объеме аппарата смеси высокого качества за счет взаимодействия предварительно сформированных пересекающихся струйных потоков;

- для 2-х типов распыливающих устройств получить выражения для определения коэффициента неоднородности смеси в зависимости от режимных параметров и физико-механических характеристик частиц;

- для смешения отдельных видов сыпучих материалов дать обоснование дополнительного использования отражательных поверхностей;

- с целью подтверждения основных положений математического описания процессов провести серию сравнительных теоретико-экспериментальных, лабораторных исследований на устройствах с распыливающими каналами соосного типа и чередующимися в окружном направлении вращающейся насадки;

- разработать методики инженерного расчета новых устройств для смешивания сыпучих материалов за счет взаимодействия струй в рабочем объеме аппаратов;

- обосновать полученные теоретические и экспериментальные результаты при работе аппарата в промышленных условиях.

• Научная новизна работы:

- выполнено математическое описание движения струйных потоков сыпучих материалов за вращающимся распылителем и получены уравнения дифференциальных функций распределения частиц в потоках в зоне перекрытия;

- получены выражения для подсчета коэффициента неоднородности смеси, как основной характеристики, в зависимости от режимных параметров процесса и физико-механических свойств частиц взаимодействующих факелов распыла;

- впервые разработан, изучен и опытным путем подтвержден характер взаимодействия расширяющихся дисперсных потоков на макро- и микроуровнях в центробежных аппаратах с двумя типами распыливающих устройств;

проведен цикл сравнительных лабораторных теоретико-экспериментальных исследований, с помощью которых доказана, в том числе, возможность получения потоков с одинаковым распределением числа частиц по углам рассеивания; для некоторых видов смешиваемых материалов дано обоснование использования отражательных поверхностей;

-создан научно обоснованный и экспериментально проверенный метод инженерного расчета режимных и конструктивных параметров аппаратов, работающих на принципе смешивания сыпучих материалов во взаимодействующих струйных потоках.

На защиту выносятся следующие положения:

- моделирование процесса струйного движения потоков сыпучих материалов за вращающимся распылителем центробежного смесителя и уравнения дифференциальных функций распределения числа частиц с учетом их столкновений в зоне перекрытия;

- зависимости для определения коэффициента неоднородности смеси как функции от режимных параметров процесса и физико-механических свойств частиц взаимодействующих разреженных потоков;

• - основные результаты теоретико-экспериментальных исследований на лабораторных установках с выявлением условий получения потоков с одинаковым распределением числа частиц по углам рассеивания;

4Ч

- конструктивные схемы новых типов центробежно-струйных смесителей и научно обоснованный метод инженерного расчета основных параметров аппаратов.

Практическая ценность работы:

- использование на основе теоретико-экспериментальных исследований центробежных смесителей с новыми конструкциями распылительных насадок позволяет получить смеси высокого качества при переработке сыпучих материалов, отличающихся по физико-механическим характеристикам, с малыми затратами энергии;

- методика инженерного расчета режимных и конструктивных параметров аппаратов на принципе взаимодействия струйных потоков исходных фаз будет востребована при разработке смесителей сыпучих материалов, как в химической так и в других отраслях промышленности;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в производственных условиях — для получения формовочных смесей в литейном производстве ЗАО «ЯРПОЛИМЕРМАШ-ТАТНЕФТЬ» и Ярославском филиале ОАО «Желдорреммаш» ЯЭРЗ им. Б. П. Бещева, а также при . смешении тонкодисперсных материалов на ОАО «Ярославский технический углерод»

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний, удовлетворительном совпадении теоретических и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Дисперсные системы», г Одесса, и 65-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, г Ярославль.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы - 147 стр., в том числе 128 стр. основного текста, включая рисунки и таблицы, с приложениями и списком литературы из 120 наименований.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях. Математическое моделирование осуществлялось с помощью уравнений механики, гидромеханики, вероятностных и статистических методов. Расчеты, обработку результатов эксперимента, численное и аналитическое решение уравнений производили на ЭВМ.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 4 патента РФ, 2 тезиса докладов.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в определении целей и задач работы, постановке и проведении теоретических и экспериментальных исследовании, анализе и обобщении результатов работы, разработке прикладной части и формулировании основных выводов.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ЦЕНТРОБЕЖНО-СТРУЙНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ

СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

1.1 Анализ оборудования центробежно-струйного типа для

смешения сыпучих материалов

1.1.1 Общие сведения и классификация аппаратов с - распыливанием сыпучих сред

Центробежные смесители сыпучих материалов могут быть классифицированы по многих факторам, однако, наиболее полно, их можно подразделить по основному конструктивному отличию — типу распылительного органа.

Смесители со струйным перемешиванием можно представить также в виде трех больших групп: смесители с гладкими насадками [11-25] (дисковые, конические, комбинированные), аппараты лопастного типа [26-39] (с прямыми лопастями, криволинейными и др.) и канальные смесители [4047], которые по форме сечения каналов могут классифицироваться на устройства с круглыми каналами и пр.

На рисунке 1.1 приведена одна из возможных классификаций смесителей с центробежно-струйным перемешиванием сыпучих материалов.

Рисунок 1.1-Классификация центробежно-струйных смесителей сыпучих материалов по конструкции распылител