автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование процессов смешения и уплотнения тонкодисперсных материалов в новом аппарате центробежного действия

На правах рукописи

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ И УПЛОТНЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В НОВОМ АППАРАТЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ДЕЙСТВИЯ

05 17 08 -«Процессы и аппараты химических технологий»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ 17-4848

Ярославль 2007

003174848

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет»

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «ЯГТУ» Зайцев Анатолий Иванович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «ЯГТУ» Гончаров Григорий Михайлович,

кандидат технических наук, директор

ООО «ЭЛКОНТ»

Анисимов Павел Вячеславович

Ведущая организация

ОАО «ТИИР», г. Ярославль

Защита диссертации состоится 15 ноября 2007г в 10 00 на заседании диссертационного совета Д 212 308 01 при Ярославском государственном техническом университете по адресу 150053, г. Ярославль, Московский пр 88, ауд Г-219

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ярославского государственного технического университета, а с авторефератом - дополнительно на официальном сайге университета http //www.ystu ru

Автореферат разослан 15 октября 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук I й. . А А Ильин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследования. Смешение сыпучих материалов с давних пор широко применяется во многих отраслях промышленности и является одним из самых распространенных процессов в химической, металлургической и других отраслях промышленности. Однако большинство смесительных аппаратов, морально и физически устарели, и во многих случаях не способны обеспечить надлежащее качество смеси Поэтому, для интенсификации процесса смешения необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволили бы увеличить производительность смесительных аппаратов и качество приготовливаемых смесей, при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости Среди смесительного оборудования наиболее эффективно проявили себя смесители центробежного типа Ввиду малой изученности процессов, происходящих в центробежных аппаратах необходимы экспериментальные и теоретические исследования механизма смешения с целью совершенствования методов расчета и конструкций этого типа смесителей Однако многие из перерабатываемых сыпучих материалов являются тонкодисперсными, имеют малый насыпной вес и высокую пористость, что приводит к увеличению затрат при их транспортировке, затаривании и хранении Возникает необходимость после операции смешивания проводить принудительное уплотнение полученных смесей, применяя при этом дополнительное оборудование Для уплотнения порошков наиболее широко используются механические деаэраторы В связи с этим возникает необходимость теоретических и экспериментальных исследований процесса дегазации порошкообразных смесей в центробежных уплотнителях Одним из путей повышения эффективности получения качественных деаэрированных смесей является создание оборудования, позволяющего совмещать процессы смешения и уплотнения тонкодисперсных материалов в одном агрегате

Цели работы Целями настоящей работы являются моделирование процессов смешения сыпучих материалов и уплотнения порошковых сред, разработка на их основе методики инженерного расчета устройства, способного работать в режиме смесителя сыпучих ингредиентов, уплотнителя порошков или аппарата для последовательного осуществления операций смешивания тонкодисперсных компонентов и деаэрирования получаемой смеси

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие научные задачи

1 создание компьютерной модели процесса смешения сыпучих материалов;

2 экспериментальное выявление возможности уплотнения сыпучих материалов в поле центробежных сил и разработка математической модели этого процесса,

3 проверка адекватности разработанных моделей опытным данным, полученным на лабораторных установках,

4 разработка конструкции центробежного устройства для смешения сыпучих сред и уплотнения тонкодисперсных материалов, позволяющего получить достаточно однородную смесь порошков и обладающего высокой производительностью,

5 создание на основе теоретических и экспериментальных исследований методики инженерного расчета, а также получения оптимальных значений режимных и конструктивных параметров устройства

Научная новизна работы.

1 впервые изучен процесс деаэрации сыпучих материалов в центробежном аппарате и предложено его соответствующее математическое описание,

2 созданы компьютерные модели процесса смешения в центробежном аппарате,

3 разработана методика определения коэффициента неоднородности для трудноразделимых, отличающихся по цвету компонентов,

4 разработана конструкция устройства для смешения и уплотнения сыпучих материалов,

5 создана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета оптимальных значений режимных и конструктивных параметров устройства

На защиту выносятся следующие положения.

1 плоскодеформационная модель процесса уплотнения тонкодисперсного .материала в рабочей ячейке центробежного деаэратора с криволинейными лопатками,

2. компьютерная модель процесса смешения сыпучих материалов в

центробежном аппарате, 3 конструкция и метод расчета устройства для смещения и уплотнения

сыпучих материалов, Практическая ценность работы.

1 использование разработанного устройства позволяет получать однородные смеси сыпучих материалов, дегазированные порошковые продукты, а также высококачественные уплотненные смеси тонкодисперсных сред при высокой производительности и низких энергозатратах, 2. создана методика инженерного расчета, которая находит использование при разработке оборудования для смешения и уплотнения сыпучих материалов в задачах химической и других отраслей промышленности, Достоверность полученных результатов.

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, а также удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на Международном конгрессе по химии и процессам химической технологии «СН18А 2006» в Чехии (г Прага), Международном конгрессе по порошковым технологиям «РАКТЕС 2007» в Германии (г Нюрберг), XXII научной конференции стран СНГ <<Дисперсные системы» в 2006 г в Украине (г. Одесса), XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ — 20)» в России (г Ярославль) Публикации.

По материалам выполненных исследований опубликовано 9 научных работ Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы - 148 стр,

в том числе 145 стр. основного текста, включая рисунки и таблицы, с приложениями и списком литературы из 141 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, приведены данные о структуре работы, сформулированы основные цели и задачи исследования.

Первая глава состоит из двух разделов. В первом рассматриваются типы и конструкции устройств для смешения порошковых сред сыпучих материалов, анализируются их технические данные и делается вывод об актуальности создания нового аппарата центробежного действия для смешения и уплотнения сыпучих материалов, а также теоретически обоснованной и экспериментально проверенной методики инженерного расчета. Во втором разделе дан анализ современного состояния проблемы описания процессов смешения зернистых компонентов и уплотнения порошков в поле центробежных сил, который позволил сформулировать требования к разработке соответствующих математических моделей.

Вторая глава посвящена исследованию процессов смешения сыпучих материалов в предлагаемых аппаратах и содержит две части. В первой приводятся экспериментальные данные по смешению тонкодисперсных материалов в центробежных аппаратах с горизонтальным лопастным валом, соответственно с жесткими и эластичными лопатками. Кроме того, предложен новый метод определения коэффициента неоднородности трудноразделимых, отличающихся по цвету компонентов, основанный на цифровой обработке изображения опытных проб смеси. При проведении экспериментов в качестве компонентов смеси были выбраны такие трудноразделимые материалы, как каолин ГОСТ 21235 - 75 и технический углерод П803 ГОСТ 7885 - 86. Согласно широко известным методикам, описанным Ю.И. Макаровым, определялся вес проб и их число в зависимости от выбранного критерия оценки качества смеси. Проба равномерным слоем помещалась на плоскую поверхность специального устройства и закрывалась прозрачной крышкой. После сканирования и сохранения в монохромном виде содержимого проб в описанном устройстве проводилась цифровая обработка их созданных изображений. Каждый элемент полученного таким образом массива данных соответствовал пикселу исходного изображения и имел значение от 0 до 255. Считалось, что к частицам материала одного цвета относились пикселы от 0 до 127, а другого - от 128 до 255. Примеры монохромного изображения содержимого проб и их численное представление в виде массива данных приведены на рис. 1, 2.

'143 52 230 27

146 15 167 240

154 64 157 254

120 75 145 41

130 50 211 54

175 65 214 32

200 32 71 45

214 45 57 140

Рис.1 Монохромное изображение содержимого пробы

Рис. 2.Фрагмент массива данных

Анализ полученных массивов данных позволяет определять концентрации обоих компонентов в пробе смеси, а, следовательно, и коэффициент неоднородности Ус. К достоинствам предложенного метода оценки Ус можно отнести достаточно высокую точность и наглядность анализа опытных данных.

Для исследования процесса смешения была разработана компьютерная модель с жесткими и эластичными лопатками, основанная на уравнениях движения и законах сохранения из механики сплошных сред. Рис. 3 и 4 иллюстрируют работу модельных установок при частоте вращения п = 200 мин"1 и производительности 2 = 800 кг/ч для смесителей с жесткими и эластичными элементами соответственно. Особо следует отметить технологию моделирования эластичной лопатки (рис. 5), которая включает задание параметров гибкости (с помощью разбиения лопасти на фигуры прямоугольной формы, соединенные шарнирами 1 при изменении количества участков и их длин), а так же прикладываемых к шарнирам моментов сопротивления повороту 2 и демпферов 3.

Рис. 3. Модель смесителя с жесткими Рис. 4.Модель смесителя с эластичными лопатками

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по определению коэффициента неоднородности с помощью предложенного компьютерного моделирования содержится на рис. 6 и 7 и показывает их удовлетворительное согласие. При этом наблюдается первоначальное падение значений Ус с ростом частоты вращения вала до отметки п = 440 мин"' (рис. 6) или производительности порядка 800 кг/ч (рис. 7), а затем плавное его увеличение при дальнейшем возрастании значений п и резкий скачок вверх при достижении О = 1000 кг/ч. Анализ данных зависимостей позволяет выбрать оптимальный режим работы центробежного смесителя.

лопатками

Рис. 5. Схема эластичной лопатки

Мс % 22

21

20

\ < \

\

• Эксперимент Расчет

\

\

ч

\

200 250 300 350 4 00 450 500 П, Мин"'

Рис. б.Зависимость коэффициента неоднородности от угловой скорости

ус %

\

Экс пер — Расчет имент

1000 о

кг/ч

Рис. 7.Зависимость коэффициента неоднородности от производительности

Вторая часть главы посвящена вопросам исследования процесса смешения сыпучих материалов в аппарате с криволинейными лопатками, при этом дано описание разработанной трехмерной компьютерной модели (ЗО) в отсутствии и при наличии выреза в лопасти. Причем также как и при натурном эксперименте были смоделированы лопатки с вырезом и без него. На рис. В и 9 представлены соответственно ЗЭ модель экспериментальной установки, созданная в среде программного продукта - «БоНс^огкв», и сопоставление расчетных и экспериментальных данных, позволяющее сделать вывод ох достаточном соответствии.

Рис. 8 Твердотельная модель смесителя

ВО 100

а)И

Ус % 16

50 100 150 300 250 300 350

б)Ц

Рис. 9. Сравнение экспериментальных данных и расчетных для ЗО модели: а) зависимость Ус= Ус(п),б) зависимость Ус= УсЮ),

На основании приведенных компьютерных моделей произведен расчет их совместной работы, причем исходными данными для нижней ступени являются выходные характеристики верхней. Совместная работа моделей приводит к повышению качества смеси при достижении Vc=7%, что подтверждается результатами проведенных опытов. Таким образом, предложенные компьютерные модели позволяют описать процессы смешения сыпучих материалов в аппаратах центробежного действия с жесткими и эластичными рабочими органами. Проведенные расчеты проиллюстрировали адекватность предложенного метода описания смешения тонкодисперсных сред экспериментальным данным.

В третьей главе представлена плоскодеформационная модель процесса уплотнения тонкодисперсного материала в аппарате с криволинейными лопатками, форма которых определяется дугой окружности радиуса р с центром в точке 0¡, причем 00, = го,, / = 1,...,Л\ где N - число лопаток. При математическом моделировании процесса механического уплотнителя порошкообразных материалов используется подход, основанный на методах механики гетерогенных сред. Для описания плоскодеформационного движения порошка в ячейке между криволинейными лопатками применяется полярная система координат (рис. 10).

Ячейка уплотнителя ограничена окружностями с радиусом г0 и Rt¡. Другие две границы рабочей зоны уплотнителя определяются поверхностями двух криволинейных лопаток МХМ2 и М3М4, для которых справедливы следующие выражения

re=r0¡ cos(0. - 0O1) + Jp2 - r02, sin1 (в, - em), (1)

rK = rm eosвк + ■]p1-r^sin19K . (2)

Пренебрегая действием сил тяжести для твердого скелета, считаем, что соответствующие напряжения, вызванные данными массовыми силами незначительны по сравнению с напряжениями, обусловленными упругими

свойствами сыпучего материала, а число Фруда Fr — (ú)2r¡ /(2g)) 1 для рассматриваемого предела изменения угловой скорости вращения диска.

В данном случае, не учитывается давление газа в порах. Принимая во внимание экспериментальные данные о линейной зависимости пористости порошка от напряжений, при одноосном сжатии в небольших интервалах изменения давления

(1 - 3)-10s Па, используется допущение о линейной связи между напряжением и относительной деформацией твердой фазы в процессе механического уплотнения дисперсной смеси. Система, описывающая уплотнение в рабочем

объёме деаэратора включает следующие уравнения: движения порошкообразного материала с учетом переносного, кориолисова ускорений и внешнего трения о поверхность диска

Рис. 10. Расчетная схема процесса уплотнения

даг <7r —— +— = а2рг дг г

dvr Vff2 i vr—----(со r + 2wvg-kcvr)

дг

0 = а2р7

dVg VrVg +--

or r

■(kcvg-2mvr)

уравнение изменения порозноети материала с учетом закона сохранения масс в объёме рабочей зоны

сс2=а20/( \-е0-ег),

уравнение непрерывности твердой фазы

(4)

(5)

(6)

где а2а - начальное значение порозноети порошка, vr0 - начальная радиальная скорость твердой фазы на границе М2М% (схема на рис 10), соответствующей поверхности внутреннего цилиндра; стг - радиальная компонента тензора напряжений, рт - чистая плотность твердой фазы, vr, v$ -радиальная и окружная скорости, соответствующие движению твердого скелета

Рассмотренная система дополняется зависимостью между радиальной и окружной компонентами тензора деформаций, в частности для радиальных напряжений аг справедливо

(Jr=a\X(£e+sJ + 2iU£\ (7)

где А и ¡и - коэффициенты Ламэ, а также следующими приближенными выражениями для компонент скорости твердого скелета, которые записаны с учетом связей между компонентами тензора деформаций и смещениями в пренебрежении частной производной от окружного смещения по угловой координате

dvr/dr = -vr/r,dve/dr = ve/r (8)

Система уравнений (3 - 8) позволяет определить начальное приближение решения следующей двухточечной краевой задачи, вводя следующие обозначения для безразмерных величин в виде

% = r/Rо, % = а2/а20, х(0) /а20, (9)

которое задается дифференциальным уравнением первого порядка при Гь Г3, 7'5 -const

dt

w

Я,

1

+ -

(Г>Г (Та^-У

т

с граничными условиями

J°>

. v(0) Л 2 >

(10)

(11)

X1 'X

соответствующим значениям для порозноети порошка на участках М}М3 и М2М3 ячейки уплотнителя сс2(ЯХ)) = <Х22\а2(г0) =

Решение х"" Для данной двухточечной краевой задачи моделируется в виде линейной комбинации решений двух задач Коши

когда неизвестные коэффициенты аь а2 вычисляются из системы двух алгебраических уравнений с помощью последовательных подстановок в (12) краевых условий (11) при ^ = I и с, = ^о соответственно

„го; _ - ¿а),

ХГ = ахХ<">(Ь) + агх<Ь>(Ы, (1). (13)

Явный вид функций Х1а>(%) и Х{>'1 (£) > а также коэффициенты я, и аг не приводятся в силу громоздкости соответствующих выражений. Граничное условие на кривой Г, = Л/[ М3 записывается в пренебрежении трением порошка о поверхность внутреннего цилиндра в случае предельного равновесия для компонентов тензора напряжений на данной границе. На участке Г2 = А/2М4 считается, что порозность материала определяется предельным значением доя твердой фазы дисперсной смеси при заданной угловой скорости вращения диска аппарата О)

Используя данные о физико-механических характеристиках для каолина ГОСТ 21235 - 75 (рг = 2600 кг/м3, Л=5,МО5 Па, р=3,1105Па, р,=27°) и значения конструктивных параметров деаэратора (N = 6; ЛЬ = 0,27 м, г0= 0,07 и р = 0,15 м /о, = 0,13 м) с пределами изменения угловой скорости (50-300) рад/с, получены одномерные зависимости для порозности, радиальной компоненты тензора напряжений, радиальной скорости твёрдой фазы и т.п. На рис. 11, а изображена зависимость а/0' = сц'"'(г) при уплотнении порошкообразных материалов в центробежном аппарате с криволинейными лопатками при различных

Л.Ю ПЛЗ 014 016 од?; 1)20 033 ОМ 0.2«;

Л

/

\\ I

// / А

с

а)

ей ам олл> ьхч од ся ей озг

б)

Рис. 11. Данные математической модели уплотнения порошкообразных материалов в центробежном аппарате с криволинейными лопатками: а) зависимость = ССг0) (г), б) зависимость при «20 =2,7М0"г, ш = 20,9 рад/с (сплошная линия); © = 26,2 рад/с

(пунктирная линия); © = 31,4 рад/с (точечная линия) Описанная модель позволяет получить уравнение предельной свободной границы Р, Р2 (рис. 10) дисперсной смеси при ее максимальной степени уплотнения

(О-вп).'(вп-вп)

( Л»

/> = Го —

V >ъ

где угловые кординаты точек Р1 и Р2 задаются выражениями

вр\ = вмг + вм\1п

Уго

в 1-7 = Ом

1 + 2,

а2\

а 22

(15)

причем порозность в точкеР2 предельной свободной границы может быть получена из приближения для производной да2/ дг

(о)

«22 ' -аг\

а21

а2\ =а22

(0)

Го + Яо

(16)

Ло-Я' СС2Р ' ~ V 2иЛ„

С помощью уравнения (14) можно рассчитать толщину слоя порошка 11 = ¿Р при его максимальной степени уплотнения практически для любой заданной радикальной координаты в пределах г„ <, г < (рис. 10).

1,=2Г1*т[(еи-вп)/2], (17)

где величины вц и определяются формулами для кривых М\М2, Р\Р2, в частности согласно (10)

ви =9т + агссоя

2 2 2 г, +гт2 + р2

2г,,г01

(18)

Зависимость искомой толщины слоя от радиальной координаты отражена в виде графиков на рис. 11, б, когда I, при максимальной степени уплотнения значительно падает с увеличением радиальной координаты, что свидетельствует о наличии процесса уплотнения дисперсной среды в рабочем объёме центробежного уплотнителя. В дальнейшем выражения (12), (16), (19) могут быть использованы в инженерной методике расчета центробежных деаэраторов.

В четвертой главе приведена конструкция нового центробежного аппарата для смешения и уплотнения сыпучих материалов (рис. 12) и инженерная методика расчета центробежного уплотнителя с криволинейными лопастями в форме дуги окружности, позволяющая рассчитать производительности для его верхней (рис. 13) и нижней ступеней (рис.14); определить значения оптимальных конструктивных параметров лопасти.

Л

п 1 ^

■ " и №

1/ 41

Рис.12. Схема установки для смешения и уплотнения сыпучих материалов 1-вал, 2 лопасти,3-прнвод, 4-питатели, 5-направляющая, 6- коническая насадка, 7-корпус, 8-диск, 9-вал, 10-криволинейная лопатка, 11-окно

Производительность верхней ступени определяется согласно расчетной схеме (рис по формуле

д = 30т'а/я, (19)

когда одновременно для всех ячеек выполняется условие т' = л/а т при массе

материала, находящегося в ячейке /и = ^Г тя,; где индекс суммирования

1

соответствует номеру компонента смеси

-са В1

А 7 / ■

/ 1 ___L^'S, 5С. .____О]

В11 ,

Рис 13 Расчетная схема дам определения производительности верхней ступени

(Ko + g)J2g

h-AiPM

arceos

n+f

/g+g|_|/2

(20)

Производительность нижней ступени согласно предложенной модели движения и уплотнения тонкодисперсной среды можно вычислить по формуле

е = \ (21)

171 & Ш

где вид уравнений криволинейных лопастей

ве (г) = в,п + arceos -

г2-'01

' 2 2 2

в, (г) = arceos1" +г°'~р , (22) 2гтг

записываются с учетом (9) Сравнение опытных и расчетных данных отражено на рис 14 Расхождение полученных результатов с экспериментальными можно объяснить одномерностью предложенной модели расчета порозности порошкового продукта и отсутствием учета эффекта пристенного скольжения материала

{2, кг/ч

.';>, рад/с

Рис 14 Зависимость 0,-0, (&>) при уплотнении порошкообразных материалов в центробежном

аппарате с криволинейными лопатками в форме дуги окружности (_) - расчетная кривая, (о) -

экспериментальные данные

Основой для реализации оптимизационной задачи поиска параметров центробежного деаэратора является условие достижения максимальной порозности тонкодисперсных материалов, определяемой из математической модели движения порошка в процессе его уплотнения При этом одними из основных геометрических параметров центробежного уплотнителя являются величины, характеризующие криволинейную лопатку, в частности - радиус р для дуги окружности с центром в

точке 0\, задающей изгиб лопасти; расстояние г(п между центрами диска аппарата О и описанной окружности 0\ (рис 10), а также число лопаток N. Блок-схема оптимизации конструктивных и режимных параметров лопатки уплотнителя в форме дуги окружности содержится на рис 15 Исходными данными (блок 1) являются физико-механические характеристики порошка и динамические коэффициенты, которые заложены в соответствующей математической модели уплотнения порошков С помощью блоков 2-4 решается задача оптимизации искомых параметров Критерий оптимальности этой проблемы формулируется согласно требованиям минимальности площади 8г=Б1{хпу^, занимаемой

тонкодисперсным материалом, а также толщины 1с=1с{х1,у^ для его слоя между

стенкой лопасти и свободной границей, и задается выражением

\

(23)

где И/=1¥(х1 ) - целевая функция в зависимости от множества конструктивных

х, =1^0 ,Го , Го, ,р | и режимных характеристик у, ={<у} центробежного

уплотнителя Заметим, что автономные ограничения (блок 2) на режимный параметр - угловую скорость вращения диска уплотнителя СО, может быть задано согласно экспериментально полученным пределам изменения числа Фруда 21<^< 45, где

Fr = a)2n/{2g), а на конструктивные - сформулированы из условий

экстремальности функций = 52(х1 и 1с =1с(х1 по соответствующим

переменным Оптимальные значения параметров

/&г,/Л лг}

представляют собой искомые величины (блок 5) С помощью рассмотренного метода выполнены примеры расчета центробежного аппарата с криволинейными лопастями, в частности для одного из них графическая интерпретация целевой

функции при оптимальных параметрах 1¥~]¥(х* с ее экстремальным

значением 2,4097 1(Г14 представлена на рис 16

/1. Ввод входных данных:а) физико-механических параметров порошка X, /7 , р,, , /Г, Рг ,С%20 ',6) динамических характеристик Уго

Рис. 15. Блок-схема оптимизации конструктивных параметров лопатки

уплотнителя в форме дуги окружности:

ЦЛУ - центробежный лопастной уплотнитель

Рис.16. Зависимость

\¥2=\¥:{г; л; ,м\соп)

при решении оптимизационной задачи поиска параметров лопатки деаэратора

Основные выводы и результаты работы

1 Используя современные программные продукты, разработаны модели, смешения сыпучих материалов в центробежных аппаратах, позволяющие определять коэффициенты неоднородности смеси на выходе из аппарата

2 Показан и обоснован метод определения качества смеси трудноразделимых, отличающихся по цвету компонентов

3 На основе общего математического подхода к описанию тонкодисперсных материалов с упругими свойствами среды, базирующегося на механике многофазных систем, предложена плоскодеформационная модель движения и уплотнения порошков в центробежном аппарате с криволинейными лопатками Получены приближенные аналитические решения двухточечной краевой задачи для криволинейных лопастей в форме дуги окружности без учета эффекта проскальзывания порошкообразного материала у стенки лопасти Выявлена целесообразность применения центробежных уплотнителей тонкодисперсных сред (порозность порошковой среды увеличивается примерно в полтора раза) и обоснована правомерность использования предлагаемого математического описания процесса деаэрации.

4 С помощью плоскодеформационной модели движения и уплотнения тонкодисперсных материалов в центробежном аппарате записаны уравнения предельной свободной границы дисперсной смеси в условиях ее максимальной степени уплотнения и предложен метод расчета толщины слоя уплотняемого продукта при его максимальной порозности

5 Создана инженерная методика расчета нового центробежного уплотнителя с криволинейными лопастями в форме дуги окружности, включающая определение производительности, поиск огггимальных конструктивных параметров рабочего органа аппарата

6 На основе инженерного метода расчета определены оптимальные конструктивные и режимные параметры лопасти в виде дуги окружности для центробежного уплотнителя тонкодисперсных сред, который прошел успешные опытно-промышленные испытания на ЗАО «ЖЕЛЕЗОБЕТОН» г Ярославль (коэффициент уплотняемости технического углерода П803 ГОСТ 7885-86 составил (28-31)%)

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Капранова, А Б Модель движения свободной границы дисперсной смеси в рабочем объеме уплотнителя с криволинейными лопастями / А Б Капранова, А И Зайцев, А В Бушмелев // Изв вузов Сер Химия и хим. технология. - Иваново, 2006 -Т 49, вып №3 -С 78-81

2 The optimization problem of the curvilinear blades from in the powder densification setup / А В Kapranova, A I Zaitzev, A V Bushmelev, A. E Lebedev // CHISA 2006 the 17-th int Congr OfChem Eng - Praha, Czech Republic, 2006 P 878

3 Компьютерное моделирование проникновения твердых частиц в слой сыпучего материала / А В Бушмелев, А Б Капранова, А. Е Лебедев, А И Зайцев, А. В Дубровин , Яросл гос тех ун-т. - Ярославль, 2006 - 8 с - Деп ВИНИТИ 18 07 2006, № 965-В2006

4 Особенности современного оборудования центробежного действия для непрерывного смешивания сыпучих материалов / Бушмелев А В , Капранова А. Б, Лебедев А. Е, Зайцев А И., Яросл гос тех. ун-т - Ярославль, 2006.- 23с. .- Деп ВИНИТИ 18 07 2006 № 964-В2006.

5 Капранова, А Б Компьютерное моделирование движения дисперсной смеси в уплотнителе с криволинейными лопатками / А Б. Капранова А Е Лебедев, А И, Зайцев, А В Бушмелев // Известия вузов. Химия и химическая технология Иваново 2006, -T 49, вып 3 - С 82-84.

6 Капранова, А Б Моделирование поверхности смешения сыпучих материалов для центробежного лопастного смесителя / А Б Капранова, А В Бушмелев, А И Зайцев // Математ методы в технике и технологиях сб тр XX Междунар. науч конф — T 3 - Ярославль: Изд Яросл гос тех ун-та, 2007. - С 233-235

7 The investigation of the densification powder sliding effect in the cell of the set-up with the curvilinear blades / Kapranova А В, Bushmelev A V ,Kuzmin I О, Zaytcev A I // CHISA 2006 : the 17- th Int Congr Of Chem Eng - Praha, Czech Republic, 2006 P. 875

8 Капранова, А Б К вопросу о граничной задаче при уплотнении порошков в лопастном центробежном уплотнителе / А Б. Капранова А Е Лебедев, А И Зайцев // Дисперсные системы сб. тр. XXII науч конф стран СНГ - Одесса, Украина. — 2006 -С 172.

9 On the investigation of the powder densification degree in the blade set-up / А В Kapranova, A I. Zaitsev, A V Bushmelev, A E Lebedev // PARTEC 2007 Int Congr on Part Technol -Nuremberg, Germany, 2007 P 1314

Автор выражает благодарность к.тл., доценту Капрановой А.Б. за ценные консультации и внимание к работе

Лицензия ПД 00661 от 30 06 2002 г Печ л 1 Подписано в печать 15 10 2007 Заказ 1339 Тираж 100 Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г Ярославль, ул Советская, 14 а, тел 30-56-63

Введение.

Глава 1. Анализ современного оборудования центробежного действия для смешения и уплотнения сыпучих материалов. Конструкции аппаратов и математическое моделирование.

1.1. Оборудования центробежного действия для смешения и уплотнения сыпучих материалов.

1.1.1. Центробежные смесители сыпучих материалов.

1.1.2. Уплотнители сыпучих материалов с вращающимся рабочим органом.

1.1.3. Устройства для смешения и уплотнения сыпучих материалов.

1.2 Анализ математических моделей процессов смешения и уплотнения сыпучих материалов в аппаратах центробежного действия.

1.2.1. Математические модели процессов смешения сыпучих сред.

1.2.2. Математические модели процессов уплотнения сыпучих материалов

Глава 2. Исследование процессов смешения сыпучих материалов в новых аппаратах центробежного действия.

2.1 Экспериментальное исследование процессов смешения сыпучих материалов в устройстве с горизонтальным валом.

2.1.1 Смеситель с жесткими лопатками.*.

2.1.2 Смеситель с эластичными лопатками.

2.2 Компьютерное моделирование процессов смешения сыпучих материалов в аппарате с горизонтальным валом.

2.2.1. Моделирование процесса смешения в аппарате с жесткими лопатками

2.2.2. Моделирование процесса смешения в аппарате с эластичными лопастями.

2.3 Экспериментальные исследования процессов смешения сыпучих материалов в аппарате с криволинейными лопатками.

2.3.1 Исследование движения твердых частиц в агрегате.

2.3.2. Исследование процесса смешения сыпучих материалов.

2.4 Компьютерное моделирование процессов смешения сыпучих материалов в аппарате с криволинейными лопатками.

2.5. Совместная работа аппаратов с горизонтальным валом и с криволинейными лопатками.

2.6. Выводы по главе.

Глава. 3. Исследование процесса уплотнения сыпучих материалов в новом аппарате с криволинейными лопатками.

3.1 Экспериментальное исследование процесса уплотнения сыпучих материалов в аппарате с криволинейными лопатками.

3.2 Математическая модель уплотнения порошка в центробежном аппарате с криволинейными лопатками.

3.2.1. Описание движения и уплотнения твердых частиц тонко дисперсной среды.

3.2.2. Поиск приближенного решения в условиях двухточечной краевой задачи.

3.2.3. Постановка условий двухточечной краевой задачи.

3.2.4. Анализ приближенного решения двухточечной краевой задачи.

3.2.5 Поиск приближенного решения в условиях двумерной краевой задачи. 96 3.2.6. Описание движения дисперсной смеси в случае максимальной степени уплотнения без учета скольжения.

Определение уравнения предельной свободной границы дисперсной смеси

Выводы по главе.

Глава 4. Разработка и расчет агрегата для смешения и уплотнения сыпучих материалов.

4.1 Расчет ступени предварительного смешения.

4.1.1 Определение производительности ступени.

4.1.3.0пределение максимальной угловой скорости.

4.1.4.0пределение минимальной угловой скорости.

4.1.5. Расчет мощности привода.

4.2. Определение оптимальных параметров криволинейной лопатки в центробежном уплотнителе.

4.2.1. Метод расчета конструктивных параметров лопатки.

4.3. Выводы по главе.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q Производительность, кг/ч

Vc Коэффициент неоднородности смеси,% с Концентрация компонента смеси со Угловая скорость, рад/с п Частота вращения, об/мин

N Число лопаток т Масса, кг

Смещение дозаторов, м р Плотность частиц материала, кг/м

А Расстояние между дозаторами,м

Я Глубина проникновения материала в смеситель, м а порозность

I Индекс трения, % сrf1 осредненный тензор эффективных напряжений твердой фазы, Па о> тго, <7гв компоненты осредненного тензора эффективных напряжений, Па

Fr число Фруда ж число Пи г радиальная координата, м t время, с v скорость, м/с

8е1 символ Кронекера в угловая координата, рад

Смешение сыпучих материалов с давних пор широко применяется во многих отраслях промышленности и в настоящее время является одним из самых распространенных процессов в химической, металлургической и других отраслях промышленности. При этом требования современных технологий обуславливает необходимость постоянного расширения типов смесительного оборудования [1.12]. Однако большинство смесительных аппаратов, используемых на предприятиях промышленности морально и физически устарели, металло- и энергоемки и во многих случаях не способны обеспечить надлежащее качество смеси [2]. Поэтому для интенсификации процесса смешения необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволили бы увеличить производительность аппаратов и качество приготовляемых смесей, при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости, для чего целесообразно применять непрерывно действующее оборудование. Среди данного типа оборудования наиболее эффективно проявили себя смесители центробежного типа [13. 16]. Конструктивное исполнение таких аппаратов обеспечивает смешение в тонких, разреженных, пересекающихся и перекрещивающихся слоях и позволяет получать высококачественные смеси при высокой производительности. Центробежные смесители непрерывного действия обладают возможностью управления процессом смешения, универсальностью, быстрой и несложной переналадкой для работы с различными сыпучими материалами. Ввиду малой изученности процессов, происходящих в центробежных аппаратах, отсутствия универсальной физической модели перераспределения частиц материала внутри смесителя, необходимы экспериментальные и теоретические исследования механизма смешения с целью совершенствования методов расчета и конструкций этого типа смесителей.

Однако, многие из перерабатываемых сыпучих материалов имеют малый насыпной вес и высокую пористость, что приводит к увеличению затрат при их транспортировке, затаривании и хранении [17.20]. При этом, после процесса смешения возникает необходимость проводить принудительное уплотнение полученных смесей, с использованием дополнительного оборудования.

Под уплотнением понимают процесс уменьшения объемной доли газа в порошке, представляющем собой двухфазную смесь твердые частицы-газ [17]. В литературе часто уплотнением называют два отличающихся друг от друга процесса: прессование и деаэрация порошков [21]. При прессовании происходит в основном деформация и разрушение твердых частиц, и образование связей между ними за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Поэтому вопрос удаления лишнего газа при прессовании рассматривается лишь во взаимосвязи с качеством готового продукта. При деаэрации происходит только переупаковка твердых частиц и удаление излишнего газа. Деаэрация порошков в отличие от прессования является малоизученным процессом [6].

Механические устройства наиболее широко используются для уплотнения сыпучих материалов. Однако процесс уплотнения порошков в таких устройствах недостаточно исследован и отсутствуют инженерные методы расчета режимных и геометрических параметров применительно к деаэрации порошков. Большое влияние на процесс уплотнения оказывает также удаление излишнего газа при осуществлении процесса деаэрации. Этот процесс и его физико-механические характеристики в настоящее время мало изучены. В связи с этим возникает необходимость теоретических и экспериментальных исследований процессов уплотнения порошков в этих устройствах и удаления воздуха в процессе уплотнения.

В то же время, большинство современных уплотнителей непрерывного действия обладают низкой производительностью и высоким потреблением энергии [20].

Одним из путей повышения эффективности получения качественных уплотненных смесей является создание оборудования, позволяющего совмещать процессы смешения и уплотнения сыпучих материалов в одном агрегате, или производить эти процессы последовательно.

Цели работы

Целями настоящей работы являются:

- Моделирование процессов смешения сыпучих материалов и уплотнения порошковых сред в новом аппарате центробежного действия;

- Разработка на их основе методики инженерного расчета устройства, обеспечивающего работу в режиме смесителя сыпучих ингредиентов и уплотнителя порошков, а также последовательное осуществление операций смешивания тонкодисперсных компонентов и деаэрирования получаемой смеси;

Научная новизна

1. Впервые изучен процесс деаэрации сыпучих материалов в центробежном аппарате и предложено его соответствующее математическое описание;

2. Созданы компьютерные модели процесса смешения в центробежном аппарате;

3. Разработана методика определения коэффициента неоднородности для трудноразделимых, отличающихся по цвету компонентов;

4. Предложена конструкция устройства для смешения и уплотнения сыпучих материалов;

5. Создана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета оптимальных значений режимных и конструктивных параметров устройства

На защиту выносятся следующие положения

1. Плоскодеформационная модель процесса уплотнения тонкодисперсного материала в рабочей ячейке центробежного деаэратора с криволинейными лопатками;

2. Компьютерная модель процесса смешения сыпучих материалов в центробежном аппарате;

3. Конструкция и метод расчета устройства для смешения сыпучих материалов, уплотнения и деаэрации тонкодисперсных сред;

Практическую ценность представляют:

1. использование разработанного устройства позволяет получать однородные смеси сыпучих материалов, дегазированные порошковые продукты, а также высококачественные уплотненные смеси тонкодисперсных сред при высокой производительности и низких энергозатратах;

2. создана методика инженерного расчета, которая находит использование при разработке оборудования для смешения и уплотнения сыпучих материалов в задачах химической и других отраслей промышленности;

Достоверность полученных результатов

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, а также удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Методы исследования

Экспериментальные исследования производились в лабораторных условиях. Математическое моделирование осуществлялось с помощью уравнений механики, гидромеханики, вероятностных и статистических методов. Проведение расчетов, обработка результатов эксперимента и численное и аналитическое решение уравнений производили на ЭВМ. Настоящая диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Основные выводы и результаты работы

1. Используя современные программные продукты, разработаны модели, смешения сыпучих материалов в центробежных аппаратах, позволяющие определять коэффициенты неоднородности смеси на выходе из аппарата.

2. Показан и обоснован метод определения качества смеси трудноразделимых, отличающихся по цвету компонентов

3. На основе общего математического подхода к описанию тонкодисперсных материалов с упругими свойствами среды, базирующегося на механике многофазных систем, предложена плоскодеформационная модель движения и уплотнения порошков в центробежном аппарате с криволинейными лопатками. Получены приближенные аналитические решения двухточечной краевой задачи для криволинейных лопастей в форме дуги окружности без учета эффекта проскальзывания порошкообразного материала у стенки лопасти. Выявлена целесообразность применения центробежных уплотнителей тонкодисперсных сред (порозность порошковой среды увеличивается примерно в полтора раза) и обоснована правомерность использования предлагаемого математического описания процесса деаэрации.

4. С помощью плоскодеформационной модели движения и уплотнения тонкодисперсных материалов в центробежном аппарате записаны уравнения предельной свободной границы дисперсной смеси в условиях ее максимальной степени уплотнения и предложен метод расчета толщины слоя уплотняемого продукта при его максимальной порозности.

5. Создана инженерная методика расчета нового центробежного уплотнителя с криволинейными лопастями в форме дуги окружности, включающая определение производительности; поиск оптимальных конструктивных параметров рабочего органа аппарата.

6. На основе инженерного метода расчета определены оптимальные конструктивные и режимные параметры лопасти в виде дуги окружности для центробежного уплотнителя тонкодисперсных сред, который прошел успешные опытно-промышленные испытания на ЗАО «ЖЕЛЕЗОБЕТОН» г. Ярославль. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 И

12

13

14

15

16

1. Таршис М. 10. Метод расчета смесителя сыпучих материалов с волнообразным движением рабочего органа: Дис. канд. техн. наук / М. Ю. Таршис. Ярославль, 1985. 153 с.

2. Кафаров В. В. Системный анализ процессов химической технологии / В.В Кафаров, И. Н. Дорохов, С. Ю. Артюнов // Процессы измельчения и смешивания сыпучих материалов. М., 1985. 440 с.

3. Мудров А. Г. Разработка пространственных перемешивающих устройств нового поколения, применяемых в сельском хозяйстве и промышленности: Дис. . д-ра техн. наук / А. Г. Мудров. Казань, 1999. 493 с.

4. Бытев Д. О. Основы теории и методы расчета оборудования для переработки гетерогенных систем в дисперсно-пленочном состоянии: Дис. .д-ра техн. наук / Д. О. Бытев. Ярославль, 1995. 544 с.

5. Зайцев И. А. Моделирование процесса смешения сыпучих материалов в роторно-струйных устройствах с гибкими рабочими органами / И. А. Зайцев, М. Ю. Таршис, JI. В. Королев, Д. О. Бытев // Изв. вузов. Сер. Химия и хим. технология. 2000. Вып. 6. С. 97- 100.

6. Зайцев И. А. К расчету некоторых режимных и конструктивных параметров нового роторного смесителя сыпучих сред / И. А. Зайцев, М. Ю. Таршис, Д. О. Бытев // Тез. докл. регион, науч.-техн. конф., посвящ. 55- летию ЯГТУ. Ярославль, 1999. С. 65.

7. Зверев В. П. Разработка циркуляционных смесителей центробежного типа дляполучения комбинированных продуктов: Автореферат диссертации на соисканиеученой степени кандидата технических наук.- Кемерово 2003. -16с.

8. Бородулин Д. М. Разработка и исследование непрерывнодействующегосмесительного агрегата центробежного типа для получения сухихкомбинированных продуктов: Автореферат диссертации на соискание ученойстепени кандидата технических наук .-Кемерово: 2003.- 16с.

9. Ратников С.А. Разработка и исследование непрерывнодействующего17