автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Обезвоживание полимерных материалов в ударно-отражательных мельницах

РГб од

ивановский ордена трудового красного знамени

_ ^ дцр ^^МИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЛАДАЕВ Николай Михайлович

ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УДАРНО-ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ МЕЛЬНИЦАХ

(05.17,08—Процессы и аппараты химической технологии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1992

Работа выполнена на кафедре «Промышленная Теплотехника» Ивановского государственного энергетического университета и кафедре «Машины н аппараты химических производств» Ивановского ордена Трудового Красного Знамена химико-технологического института.

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор Блиничев В. Н. Кандидат технических наук, доцент Захаров В. М. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Рудобашра С. П. Доктор технических наук, профессор Федосов С. В. Ведущее предприятие НИИХиммаш г. Москва.

Защита состоится «12.. » 1993 г. в ча-

сов на заседании специализированного совета К 063.11.02 Ивановского ордена Трудового Красного Знамени химико-технологического института по адресу: 153460, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХТИ.

Автореферат разослан «Ц. » ААА^ГО^. . 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета К 063.11.02

кандидат технических наук, доцент

И. Б. БЛИНИЧЕВА

ОБЯ(М ХАРАКГЕРМСШСА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С ростом производства полимерных материалов возникает необходимость разработки нових типов машин, позволяющих совмещать стадии сушки и измельчения в одном аппарате. Благодаря этому, создается возможность для разработки высокоинтенсивных и экономичных машин, обеспечивающих высокое качество готового продукта.

Установлено, что в ударно-отражательных мельницах, которые могут работать при нормальном и пониженном давлении, процесс обез-. Боживания влажного материала происходит за счет подвода механической и тепловой энергии.

В то не время трудности математического описания процессов, протекающих в аппаратах интенсивного нагружения, а также отсутствие инженерных методов расчета сдергивает их дальнейшее внедрение в производство.

- Для создания аппаратов интенсивного нагружения необходимо более детально изучить процесс механического обезвоживания за счет возникновения инерционных сил и влияния давления среды на процесс термического обезвоживания. Решению этих задач и посвящена данная работа. '

Работа выполнена в соответствии с постановлением ГКНТ от{ 11.03.87 г. 68 "Создание и освоение в отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для механической активации и измельчения минерального сырья и материалов".

Цель работы. Основной целью данной работы являлось: теоретически обосновать возможность механического обезвоживания дисперсного материала при различных ударит нагружениях; экспериментально исследовать процесс обезвоживания при ударном иагружении; экспериментально исследовать процесс влияния разряжения на процессы тепло-и массообменя; разработать инженерную методику расчета процесса

обезвоживания влажных материалов с учетом механического и термического обезвоживания; разработать рекомендации по проектированию-машины ударно-отражательного действия.

Научная новизна:

т теоретически и экспериментально обоснована возможность механического обезвоживания влажных полимерных материалов за счет ударных нагружений;

- получены уравнения для расчета процесса механического обезвоживания;

- получены зависимости, позволяющие рассчитать коэффициенты тепло- и массообмена при.различных давлениях окружающей среды,как на прямолинейной, так и.на криволинейной поверхностях;

- установлено, что при изменении давления от 98 кПа до 9,8 кПа при расчете интенсивности испарения необходимо ввести комплекс Р/(Р - Ру^ ), значение которого изменяется в интервале от I до 1,5.

Практическая ценность. Разработана методика расчета обезвожи-

I

вания влажных полимерных материалов за счет ударных нагружений и . процессов тепло- и массообмена, позволяющая рассчитывать промышленные мельницы-сушилки. Разработана и рассчитана установка для измельчения и сушки влажных материалов на производственном объединении "Азот" г. Новомосковск. Результаты работы внедрены в промышленность с экономическим эффектом 73,7' тыс.рублей.

Автор защищает

- математическую модель механического обезвоживания полимерных материалов при ударном Нагружении;

- результаты экспериментальных исследований по механическому обезвоживанию полимерного материала при.одиночном и многократном прямом ударе;

-результаты экспериментальных исследований в ударно-отражательной мельнице;

• результаты исследований по влиянию изменения давления среды на процессы тепло- и массообмена;

- инженерный метод расчета обезвоживания полимерных материалов в удврио-отражательных мельницах с учетом механического и термического удаления влаги.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на итоговой научно-технической конференции в Ивановском энергети- ' ческом институте в I974-1976 годах, на Всесоюзной научно-технической конференции в г.Чернигове в 1981 г., нз итоговой научно-технической конференции в Ивановском химико-технологическом институте 1986-1987 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложения.Объем работы составляет 150 стр., в том числе 122 страницы основного текста, 36 рисунков на 35 страницах и приложение на 28 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и изложены основные положения, которые выносятся, на защиту.

В первой главе приводится обзор литературы, который показывает, что расчеты процессов удаления влаги в сушильных аппаратах интенсивного ударного НЕгружения основаны в настоящее время на термическом обезвоживании и базируются на кинетических уравнениях сушки или уравнениях массопрогодности с соответствующими начальными и граничными условиями. Показано, что понижение давления способствует интенсификации процесса сушки, хотя нет однозначного ответа на. вопрос о вйиянии изменения давления на коэффициенты тепло- и массообмена, Во всех случаях термического обезвоживания влажного материала необходимо знание значений коэффициентов тепло- и мае со-

обмена. Анализ теоретических и экспериментальных работ показал, что в установках интенсивного нагружения безразмерный коэффициент тепло- и массообмена равен двум. Такое значение•коэффициентов тепло- и массообмена не может обеспечить большое изменение влажности материала в процессе термического обезвоживания за короткий промежуток времени. ■ .

Практические исследования показали, что в аппаратах высокоскоростного ударного нагружения происходит интенсивное удаление влаги из влажного материале за короткий промежуток времени (время пребывания частиц 3-5 секунды). Мы считаем, что обезвоживание в таких аппаратах происходит в основном за счет механического удаления влаги в. процессе ударных нагружений. Обезвоживание за счет ударных нагружений в настоящее время еще не изучено.

Исходя из вышеизложенного, были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются процессы обезвоживания материала1 за счет механического удаления влаги из него в момент удара. Составлено математическое описание удаления влаги из влажных частиц при условии, что при ударе частица не разрушается и часть ее кинетической энергии превращается в работу по удалению влаги из капилляр, которые имеют правильную цилиндрическую форму, а жидкость в них удерживается за счет поверхностного напряжения. В момент удара частицы происходит деформация и изменение ее скорости по закону 2§ес5 = ЧГ-Со^кЧ " за счет сил инерции жидкость начинает двигаться. В момент окончания движения частицы возникают максимальные значения сил, которые действуют на жидкость

иреня начала движения жидкости из капилляров частицы определится выражением

вснА?, = (2)

где Jy/Го » б" - поверхностное натяжение жидкости; S - се-

чение капилляр; 2клп - радиус капилляров; т^ - массе жидкости; 2Г - скорость удара; £ - доля энергии, идущей на удаление влаги.

Анализ выражения (2) показывает, что если ¿$$/?кап >, m^Vkt^ < то движение жидкости из капилляров не происходит, если jZmn < tn^lfk в момент Ti начинает происхо-

дить удаление жидкости.

Зная скорость деформации частицы и скорость движения жидкости, можно определить объем удаляемой жидкости из выоажения

V .

V=j' Kix-S'dZ (3)

■zi

где 7/om = i Tf- время начала движения жидкости;

2г - время окончания движения жидкости.

Время окончания движения жидкости определяется выражением (2). Если Scnkh< 0,725, то движение жидкости прекратится до окончания удара и объем вытесненнной жидкости определится выражением

I/ = 1,077FSКTi'Tij-Coshт, -qskfe-TifSuikh -

~(Wf,07 ~&Lnkh)/k * £¿/<,071 ■ (4)

Если S^cnkZf > 0,725, то движение жидкости происходит и после окончания движения частицы, тогда объем вытесненной жидкости 'определится следующим выражением

V ~i,07VS[Ciz-b)-Cbsk?i -qskfa-zfotnkzi * Шик -Sink

Анализ выражений (4) и (5) показывает, что объемы удаляемой жидкости при ударе зависят от скорости удара, начальной влажности, физических свойств материала и доли энергии, идущей на обеэвожпва-

ние, величины которых присутствуют в значениях ; 1*2 (см. выра-' жение (2)).

Анализ теоретических'и экспериментальных исследований показывает, что обезвоживание влажного материала за чет ударных нагру-жений - это сложный процесс. В момент удара удаление влаги происходит под действием инерционных сил, под действием упругих волн, распространяющихся в материале под действием сжимающих усилий,возникающих при контакте со стенкой.

Адекватность полученной модели была проверена на экспериментальных стендах по изучении обезвоживания влажного полимерного материала при прямом ударе и обезвоживании влажного материала в ударно-отражательных мельницах.

Исследования по обезвоживанию материала при прямом ударе проводились по следующей методике. Влажный материал помещался в кап- • сулу, которая с помощью пружины разгонялась и ударялась в плиту. Замерялось время полета капсулы, расстояние, влажность.материала до и'после удара, количество ударов. Капсула была сконструирована таким образом, что влага, выделившаяся из внутренних пор материала на стенку, поглощалась абсорбентом. В качестве испытуемых материалов брались фторопласт (5-4) и' поливинилхлорид (ПВХ) размером —ч

(0,7 * 0,04)10 м. Результаты исследований показали, что интенсивность обезвоживания зависит от скорости, количества ударов и материала .

Обрабатывая результаты исследований в зависимости от единичного импульса Э/т -Пт2Г^т =п~гг было получено следующее вы-

где В = 0,01 для фторопласта; В = 0,0061 для поливинилхлоридЕ.

ражение:

(6)

Полученные результаты по зависимости (6) хорошо согласуются

с экспериментальными данными и представлены на рис.2 и рис.3 (сплошной линией проведень! расчетные данные по зависимости (6), точками приведены экспериментальные значения).

ТГщс

Рис.1. Изменение влажности 5-4 от скорости и количества ударов 1-/7=1; 2-Л7 = 3;3-П = 5; 4 - л = 10; 5-/1-15.

80 160 2М№М/С 1,0 80 1В0 1Ь0200П7Гмк

Рис.2. Изменение глажности фторопласта в -зависимости от единичного импульса I,- =18,4%;2- =9,55?; 0 -2Г=3 м/с; д -2Г= 8,1 м/с 18 м/с. .

Рис.3. Изменение влажности ПВХ в зависимости от единичного импульса.

1-1*6-31,2- К «17,45?; 3 -IV* = 6,2$; 0- гг= 3 м/с; д -2Г» 8,1 м/с; о -?/"» 18 м/с.

Используя экспериментальные данные и математические выражения (I) - {5) по удалению влаги за счет сил инерции, возникающих, при ударе, были получены зависимости для определения доли механической энергии, идущей на обезвоживание материала:

для ПВХ

а

(7)

для Ф-4

2 =(/№ +5,7М»)/У~

/Л

Доля энергии, идущей на удаление влаги, зависит от скорости удара, от вида материала и его начальной влажности.

Результаты расчетов по зависимостям Ш-(5) и .(7) представлены на рис. 4 (сплошной линией проведены расчетные данные по зависимостям (1)~(5) и (7), точками - экспериментальные данные).

27/] сое Щ 40 ь

М 32

3 ■ гн ■чь

2 /6 он

1 8 02

¿0 ¿,0 ¿0 80 ЮО ЧкО ПУМК

Рис.4. Изменение влажности, времени, доли энергии, идущей на обезвоживание материала в зависимости от единичного импульса

I - IV-Я^ ; 2 3 -Ъ'Дтг) ;

4 - Гг^пчГ) ; о - экспериментальные данные.

Третья глава. На экспериментальной одноступенчатой ударно-отражательной мельнице исследуется закономерность движения дисперс-

ного потока. Установлено, что измельчение материала происходит при ударном разрушении частиц о била, отбойники и стенки мельницы. Замеры скорости в мельнице показали: скорость потока в зазоре между отбойниками и билами равна скорости вращения колесо; скорость потока в секторе (расстояние по длине от одного отбойника до другого) неравномерна и изменяется от минимального значения после отбойника до максимального. Максимальное значение скорости вдоль стеш.л наблюдается в месте пересечения дуги стенки и касательной, проведенной к окружности бил от точки против установки отбойника. Затем скорость потока уменьшается.

Так как поток воздуха с материалом удаляется в определенном месте, то движение двухфазной среды происходит вдоль стенки выгрузочного отверстия. Наличие отбойников вдоль стенки создает струйное течение после себя и поворачивает поток по направлению к ротору перед собой. Количество ударов в установке будет определяться вероятностью попадания в определенный сектор. Зная давление в каждом секторе, расчетным путем можно определить вероятность попадания в них, которая представлена на рис. 5. Из рисунка видно, что вероятность попадания не зависит от скорости вращения ротора.

Р 426 0,22 0,18 0,1Н

1 2 3 Ч сааора.

си ^ »» ои по-ь^д^

Рис.б. Изменение единичного импульса в роторной установке в зависимости от влажности

20 40 60 80 п^^Ы ■

Рис.5.Изменения вероятности попадания в сектора установки

Исследуя обезвоживание влажного материала в ударно-отражательной мельнице, было установлено, что ударные нагружения происходят на стенке аппарата с ударной скоростью 2Га Ик-Зсп (А. ив местах установки отбойников с ударной скоростью . Исходя

из геометрии установки, вероятности попадания и скорости вращения ротора, определялся единичный импульс в установке. С другой стороны, зная начальную и конечную влажности материала, полученные при пропускании через ударно-отражательную мельницу, определялся единичный импульс по выражению (6). Результаты расчетов представлены на рис.б. Полученные результаты показывают, что для ударно-отражательных мельниц конечную влажность материала можно определить из выражения

№ = е*-/ е ь6//е &пъ' (8)

где ¡У« - начальная влажность материала; ПУ - единичный импульс в аппарате; В - коэффициент, характеризующий физико химические свойства материала.

Четвертая глава. Обезвоживание влажного материала в аппаратах интенсивного нагружения происходит за счет механического удаления влаги в момент удара и процесса сушки в момент движения частицы. Такие аппараты могут работать при нормальном и пониженном давлениях. Для расчета процесса сушки необходима »формация о коэффициентах тепло- и массообмена и двизущей сила переноса. Изучение процессов тепло- я массообмена проводилось в стационарных условиях на основе физического моделирования в вакуумной камере, в которой раз -мещался замкнутый аэродинамический контур. Поддержание стационарных параметров потока воздуха (тешературы, влагосодертания и скорости) осуществлялось с помощью электронагревателя, конденсатора и вентилятора.

Для того, чтобы разобраться в совместно протекающих процессах тепло- и массообмена при различных давлениях, нами был сначала изучен теплообмен на медной пластине. Результаты исследований при скорости обдува I 1,5 м/с и давлениях 98 * 9,8 кПа показали, что безразмерный коэффициент теплоотдачи имеет общий вид

' Следовательно, в данных диапазонах изменения давлений теплообмен может описываться теш же зависимостями, что и при нормальных давлениях. Затем проводились исследования совместно протекающих процессов тепло- и массообмена при испареш-1 жидкости из шамотной пористой пластины, помещенной в термостатирующую форму.

С помощью сообщающихся сосудов под пластину подавалась деаэрированная вода, уровень которой с помощью сливных отверстий устанавливался заподлицо с поверхностью испарения на пластине. Расход испарившейся жидкости замерялся мерными бюретками. Обрабатывая полученные данные по теплообмену при испарении жидкости с поверхности капиллярнопористого тела в интервале изменения давлений 98 9,8 кПа, температур 293 4- 353 К и скорости потока 2 } 7 м/с, н?ми была получена зависимость, аналогичная формуле (9). Полученная зависимость показывает, что влияние поперечного потока массы на коэффициент теплообмена при данных давлениях не сказывается. Обработка экспериментальных данных по массообмену при общепринятой методике показала расслоение опытных данных по давлению. Введя коэффициент вида Р/(Р - Р*/ ), значение которого составляет 1,05 1,6 для данного диапазона давлений и температур, была получена зависимость- вида

08 0,5Ъ

(9)

Р • 08 '

Уи рТр^ = 0,056 Ае ' Рг

Й'8п 0,35

(Ю)

Исходя из огого выражения, можно записать

Ау-Ясо 0,-Рс*

¿-уГР-Р» /? Тоо -РРТ* р-р„ • (И)

Выражение (Ри/- Роо )/(Р - Руу) в уравнении (II) можно рассматривать как движущую силу переноса. Следовательно, с учетом вышеизложенной поправки, значение коэффициента массообмена при данном изменении давления среды можно определить по зависимостям, полученным при нормальных условиях.

Поскольку в процессах массообмена и теплообмена наблюдается аналогия, то из соотношения Льюиса, зная коэффициент теплообмена, можно определить коэффициент массообмена.

Исследования обезвоживания влажного материала в ударно-отражательных мзльницах показали, что при ударе частиц жидкость из них выделяется на цилиндрическую стенку. Однако теплообмен на криволинейной поверхности отличается от теплообмена с плоскостью.Поэ-- тому нами были проведены исследования по изучению теплообмена на стенках роторной установки с помощью пяти тепломеров, установленных в одном из ее секторов.

Результаты этих исследований приведены на рис.7.

Характер изменений коэффициентов теплообгэна на рис.8 еще раз подтверждает, что в зазоре между стенкой и билами ротора при наличии отбойников создается струйное течение. Поверхность с максимальным значением коэффициента теплообмена составляет 50% по сравнению с поверхностью всего сектора. Поскольку наибольшая концентрация частиц будет на Оси струи, то и соударение основной массы материала будет происходить в этой области. Поэтому обработку результатов эксперимента будем проводить для этой области.

Для средних значений коэффициентов теплообмена зависимость имеет вид '

л/и -0,0^2 /?е |/5"/2> (12)

где 5"- величина зазора; Л - диаметр цилиндрического корпуса, в качестве определяющего размера для и/?<2 берется величина зазора

<1

йгМ: 600

500

т

300 300

л/ч 100 80 ¿0 МО

20

1 г з

номер ч гелломгрх

ш 860 12оо то Яе \1ш

Рис.В. Изменение средних

значений коэффициента теплообмена на цилиндрической поверхности

Рис.7. Изменение коэффициентов теплообмена на цилиндрической поверхности аппарата

I - 1Г= 1В м/с; 2 ~1Г =

24.4 м/с; 3 - V=30 м/с; 4 -1г= 34,4 м/с; 5 -2Г=

38.5 м/с; б -V =42,3 м/с.

Корреляция расчетных и опытных данных по (12) представлена на рис.8.

Пятая глава. Приводится методика расчета обезвоживанил влажных материалов в ударно-отражательных мельницах с учетом механи чоского обезвоживания в момент ударньк нагружешй и тепло-массооб-'менных процессов в момент двтаения ча^типы.

Методика расчета содержит следующие основное отапы: ■ определение количества ударов и ударных скоростей в аппарате; --.определение размеров и поверхностей материалов; - определение времени пребывания материала в ступенях и аппэра ■ те;

- определение текущих параметров воздуха;

- определение испаренной влаги и нагрева материала за счет процессов тепло- и массообмена с окружающим воздухом;

- определение продолжительности удара;

- определение обезвоживания и нагревания материала за счет удара.

Описанный метод расчета был использован при проектировании установки для измельчения и сушки влажных материалов в ПО "Азот" г.Новомосковск.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что в аппаратах интенсивного нагружения влажный материал обезвоживается как механически, за счет ударных нагружений, так и вследствие тепло- и массообмена с окружающей средой.

2. Получены зависимости, позволяющие рассчитать процесс механического удаления влаги в момент ударных нагружений при прямом ударе и в ударно-отражательных аппаратах.

3. Установлено, что коэффициенты тепло- и массообмена в интервале давлений 9В { 9,8 кПа не зависят от давления и могут быть определены по уравнениям, полученным для нормальных условий. Интенсивность испарения в интервале давлений от 9,8 до 98 кПа определяется введением комплекса Р/(Р - Рц/ ) в уравнения потока массн.

4. Разработана методика расчета процесса обезвоживания влажных полимерных материалов с учетом как механического удаления влаги в момент удара, ток и процессов тепло- и массообмена в момент их дгижени;;.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 1Г- скорость;' п7- масса частицы; П - количество ударов; р - гэроятность попадания частиц в сектор установки; V/- влпж-

ность материала; _2) - диаметр цилиндрической стенки; 5" - зазор между стенкой и билами; Р - давление.

ИНДЕКСЫ

*

оо- в потоке, iv - на поверхности, ж - жидкость, деф - деформация, и - начальная, к - конечная.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. В.М.Захаров, Н.М.Ладаев. Тепло- и массообмен при испарении капиллярнопористых тел в условиях низкого давления. Энергетика, сб.тезисов докладов, Иваново, 1974.

2. В.М.Захаров, Н.М.Ладаев. Сравнительный анализ тзпло- и мас-сообмена при нормальном и пониженном давлении. Энергетика, сб. тезисов докладов, Иваново, 1975.

3. Н.М.Ладаев, В.М.Захаров, E.H. Чапарин. Исследование теплообмена с потоком разреженного газа. Тепло- и массообмен в промышленных установках, сб.трудов i 3, Иваново, 1975.

4. Н.М.Ладаев, В.М.Захаров. Тепло- и массообмен при испарении воды с поверхности капиллярнопористого тела в среду пониженного давления. Энергетика, сб.тезисов докладов, Иваново, 1976.

5. В.М.Захаров, Н.^.Ладвев. Сушка капроновых нитей в условиях вакуума. Математическое и физическое моделирование-и оптимизация тепломассообмена в установках промышленной теплоэнергетики. Межвузовский сб. Ивановский государственный университет, Иваново, 1981. ' .

. 6. В.М.Захаров, Н.Ы.Ладаев. Исследования периода постоянной скорости сушки тканей в условиях пониженного давления. Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 1982, " 2.

7. -Н.М.Ладаев, В.М.Захаров, "В.Н.Блиничев, Н.В.Клочков, Обезвоживание с помощьэ удара. Известия вузов. Химия и химическая технология, 1987, том 30, " 9.

6. Н.М.Лвдаев, В.М.Захаров, В.Н.Блиничев, Н.В.Клочков. Иссле- ' дованкя обезвоживания с помощью удара. Известия вузов. Химия и химическая технология, 1988, том 33, I.

9. Н.М.Ладаев, В.М.Захаров, В.Н.Блиничев. Исследования теплообмена в роторной мельнице. Известия вузов. Химия и химическая технология, 1990, том 33, |Г- I.

10.Н.М.Ладаев, В.М.Захаров. Обезвоживание влажного материала за счет ударных нагружений, сб.трудов. Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве, Санкт-Петербург, 1992.

11.Н.М.Ладаев, В.М.Захаров. Движение воздуха и материала в измельчителе, сб.трудов. Совершенствование средств механизации и технологических процессов в сельском хозяйстве. Санкт-Петербург, 1992.

Подписано к печати 24.02.93 г. Формат бумаги 60x84 1/Т6. По».л. Т,0. Усл.п.л. 0,93. Тираж 70 экз. Заказ 689/р.

Типография ГУК ПК Минтопэнерго РФ, г. Иваново, ул. Ермака, 4Т