автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Получение тонкодисперсных материалов десублимацией в аппарате объемного типа

На правах рукописи

Донченко Александр Юрьевич

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЕСУБЛИМАЦИЕЙ В АППАРАТЕ ОБЪЕМНОГО ТИПА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Иваново — 2013

005541692

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре машин и аппаратов химических производств.

Научный консультант: - кандидат технических наук, доцент

Гоголев Юрий Гордеевич

Официальные оппоненты: - Баранов Дмитрий Анатольевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения), заведующий кафедрой процессов и аппаратов химических технологий

- Исаев Вадим Николаевич

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», доцент кафедры процессов и аппаратов химических технологий

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный

технический университет», г. Тамбов

Защита состоится декабря 2013 г. в 1 ()"- часов на заседании

диссертационного совета Д 212.063.05 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса,7, ауд. Г-205.Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «/3 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного .

совета Д 212.063.05, д.ф.-м.н., профессор /у ) " Галина Альбертовна Зуева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Порошковые материалы занимают определенные сегменты мирового производства и рынка, а в отдельных случаях они формируют целые отрасли. Успехи химического и фармацевтического производства в последние годы часто связывают с уменьшением дисперсности используемых веществ. Перспективы улучшения свойств материалов ожидают при их дальнейшем уменьшении до наноразмерных порошков, что объясняется значительным изменением физических и химических свойств наноразмерного вещества по сравнению с его макросостоянием.

В России разработан инновационный метод получения наночастиц в атмосфере различных газов. Для реализации этой технологии ученые используют процесс испарения твердого материала с последующим интенсивным охлаждением паров получаемого вещества. В результате воздействия низкой температуры наблюдается процесс десублимации желаемых частиц, п можно получить ультрадисперсный материал, размеры частиц которого составляют от 10 до 500 им.

Одними из самых эффективныхпри получении порошковых материалов являются объемные десублиматоры, разработанные кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Ивановского государственного химико-технологического университета, в которых кристаллизация вещества происходит в потоке холодного инертного газа-носителя. Преимущество данного метода проявляется в том, что возможно получение тонкодисперсных частиц без чрезмерного расхода энергии. Появилась возможность получать смеси сверхтонких продуктов с большой эффективностью смешения, что является немало важным в фармацевтическом и химическом производстве. Однако десублиматоры данного типа до сих пор не получили широкого распространения в промышленности, что обусловлено отсутствием методов расчета, хороших конструктивных разработок и недостаточной изученностью процессов в подобном оборудовании. Поэтому актуальной задачей является управление процессом получения порошковых материалов и их смесей с заданной дисперсностью и разработка методов расчета аппаратов данного типа.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологии получения тонкодисперсных порошков (на уровне наноразмеров) и их смесей заданной дисперсности, а также разработка методики расчета гранулометрического состава продукта, получаемо™ десублимацией вещества из парогазовой смеси в потоке холодного инертного газа-носителя в аппарате объемного типа. Для достижения заданной цели решались следующие задачи:

• разработка методик экспериментального исследования объемной десублимации и экспериментальное исследование процессов зародышеобразования и роста частиц в условиях гетерогенной десублимации пара для получения как наноразмерных продуктов, так и их смесей в лабораторных условиях.

• разработка адекватной математической модели процесса получения тонкодисперсных продуктов и их смесей десублимацией и выполнение численного эксперимента;

• разработка алгоритмов и программ для решения уравнений математической модели;

• разработка методики расчета гранулометрического состава продукта, получаемого объемной десублимацией.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: экспериментальные исследования в лабораторных условиях; математическое моделирование с использованием численных методов и их реализации в виде программ на ЭВМ.

Достоверность результатов обусловлена:

- согласованностью результатов с известными теориями образования и роста кристаллов, материалами из области получения порошковых продуктов объемной десублимацией, и экспериментальными данными, полученными, непосредственно, при изучении процесса зародышеобразования в условиях гетерогенной десублимации пара;

- адекватностью модели получения тонкодисперсных продуктов десублимацией в потоке холодного газа-носителя;

Научная новизна работы:

• Предложена математическая модель процесса получения тонкодисперсных монопродуктов десублимацией в потоке холодного газа носителя и их смесей при параллельной десублимации веществ.

• Экспериментально определены константы изменения свободной энергии зародышеобразования при переходе от гомогенной к гетерогенной кристаллизации пара фталевого ангидрида, бензойной кислоты и нафталина.

Практическая значимость работы:

• Предложены конструктивные решения по совершенствованию оборудования для получения смесей тонкодисперсных материалов методом десублимации, защищенные Патентом РФ на изобретение.

• Разработала методика расчета гранулометрического состава продукта, получаемого объемной десублимацией в потоке холодного газа-носителя.

• Разработанные расчетно-теоретические методы и численные алгоритмы реализованы в виде прикладной программы и могут быть использованы при исследовании процесса десублимации твердых веществ в потоке холодного газа-носителя, конструировании и оптимизации десублимационных устройств широкого класса и назначения.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Закономерности массо- и теплопереноса при десублимации веществ из парогазовой смеси в зависимости от гидродинамических и температурных условий проведения процесса.

• Методы расчетно-теоретического исследования процесса получения тонкодисперсных материалов и их смесей десублимацией, моделирующие конвективный и диффузионный тепло- массоперенос, а также кинетику гетерогенного зародышеобразования и роста частиц.

• Результаты экспериментального исследования кинетики гетерогенного зародышеобразования при десублимации паров бензойной кислоты, фталевого ангидрида и нафталина.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на кафедральных научных семинарах Ивановского государственного химико-технологического университета; на Студенческих научных конференциях «Дни науки» (г. Иваново, 2009, 2011 г.); на Региональных студенческих научных конференциях с международным участием «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (г. Иваново, 2010, 2012 г.); на VI Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании» (г. Иваново, 2010 г.); на Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах - 2011» (г. Воронеж, 2011 г.); на Шестьдесят пятой всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов высших учебных заведений с международным участием (г. Ярославль, 2012 г.); на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 25» (г. Волгоград, 2012 г.); на VII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Материалы нового поколения» (г. Иваново, 2012 г.); на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2012 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 научная статья в рецензируемом издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК РФ, 1 монография и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 175 страниц,

включая 46 рисунков, 27 таблиц, условные обозначения, 4 приложения и библиографический список из 127 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе настоящей работы рассматриваются вопросы механизма процессов десублимации. Проведен краткий анализ существующих теорий образования и роста кристаллов, влияния различных факторов на кинетику процесса и гранулометрический состав конечного продукта. Представлена характеристика областей применения процесса десублимации в промышленности. Проведен анализ основных способов выделения продукта из газовой фазы, а также типовых конструкций существующих десублиматоров. Дана классификация процессов десублимации и десублимационного оборудования.

В результате проведенного анализа сформулированы конкретные задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлено математическое описание процесса десублимации парогазовой смеси в потоке холодного газа-носителя в аппарате объемного типа при получении тонкодисперсных материалов и их смесей. Предложена методика решения уравнений приведенной модели процесса. Представлен алгоритм программирования решения уравнений математической модели.

Математическая модель основана на системе уравнений второго порядка, учитывающих стадию зародыщеобразования, укрупнения зародышей за счет роста в парогазовом потоке и движения этих частиц в аппарате. При разработке математической модели были сделаны следующие допущения: эффективные коэффициенты осевой и радиальной диффузии постоянны в расчетном объеме аппарата, а перемещение зародышей и растущих частиц происходит только за счет конвективного переноса с газовым потоком. Скоростью относительного перемещения частиц в газовом потоке, вследствие малого размера образующихся частиц, пренебрегли. В этом случае математическая модель записывается в виде системы уравнений (1-3):

П' дС О. д2С Я Г1 дС д2С\ Н0 дх Н0 дх Я/ Iкг дг дг )

IV дТ Лх с1гТ Лг (\дТ д2Т) - СРР„ — — + ф—т + - V + ТТ + б-ь = 0;0 < х < 1;0 < г < 1; (2)

Н0 ох Н0 дх Ял \гдг дг )

+ (3)

Н,. дх

С граничными условиями:

Не дх СрРпН 0 &

(6)

= 0; (7)

(8) (9)

8рч 1 П-

дх .«=0 = и,

дС | дТ 1 -г=1 = дрч |

дх л~' дх дх

ас. дТ, дрч ,

дг ' г=0 = дг

ас. дрч ■ 1 — О

8г = дг | г-1 _ и'

лг д(,

= (10)

КткА дг

Кинетика десублимационного процесса, представленная в общем виде в уравнении (1) величиной Мйся = ДС), определяется двумя процессами: скоростью образования зародышей твердой фазы и ростом образовавшихся частиц:

4 к

М^=ШТ=30ЕТ — К>кррг+Зеитрт. (11)

Где первый член уравнения характеризует процесс зарождения частиц, а второй член характеризует процесс роста частиц по мере их пребывания в аппарате.

0*=«*,-^=-. (12) рР п

Скорость гетерогенного зародышеобразования определяется по уравнению (13), аналогу уравнения Френкеля:

*'сЕт = Ке~А> (13)

где К - кинетический множитель, рассчитывающийся по формуле (14):

Предполагается также, что все молекулы пара, ударившись о поверхность кристалла, остаются на ней (коэффициент конденсации а = 1); т - масса молекулы пара, кг.

Значение постоянной А в уравнении (13) можно определить по уравнению (15):

Ъкр*ЯггТг 1п2 5

Скорость образования поверхности твердой фазы за счет зародышеобразования рассчитывается по формуле (16):

Пересыщение пара определяется по выражению (17):

* = (17)

Критический размер зародыша определяется из уравнения Гиббса-Томсона:

2 аМ

К*р= „ т I о- (18)

КгТртш Л

Переход от гомогенного зародышеобразования к гетерогенному осуществляется с помощью экспериментально найденной константы Ьсет-

Линейная скорость роста образовавшихся зародышей определяется из эмпирического соотношения (19), обеспечивающего совпадение экспериментальных и расчетных данных.

и = (19)

Здесь а и А - константы, зависящие от свойств вещества.

Массовая скорость образования твердой фазы за счет зародышеобразования рассчитывается по уравнению (20) с учетом (13), (18):

1 4/7" Шт = СЕТ Я^рРт-

3 (20)

Полная скорость роста массы зародышей определяется после подсчета суммарной поверхности твердой фазы в расчетной точке реакционного пространства по уравнению (21):

МТ=М\+\МТ. (21)

Мт' - количество переносимого вещества из соседней ячейки, кг/(м с).

і

!

i 4 я* з

MT (i,j) = Joet(ij-\jm) ~r rz(ij-u-i)Pt ■ (22)

Численная оценка эффективных коэффициентов теплопроводности в осевом и радиальном направлении производится на основании аналогии между процессами тепло- и массообмена по выражению (23):

ЛХГ=Л—. (23)

D

Здесь 1 и D - коэффициенты теплопроводности воздуха и диффузии азота в воздухе соответственно (для рассматриваемого случая). Значения эффективных коэффициентов диффузии в осевом и радиальном направлениях определены экспериментально.

Средние размеры частиц моноггродуктов и смеси определяются как средневзвешенные по числу частиц для рассматриваемой точки пространства:

Л ^NATH (U) ' ^Z (I.J)

RSR1 = ——--. (24)

^ na7h (/..')

Расчет концентрации вновь образовавшихся зародышей в каждой ячейке проводится по выражению:

$ыатн [и) = jс,ет(и) ' тцикш ■ (25)

Тщшпа - время образования зародышей, равное времени цикла, с; Rz - расчетный средний размер частиц в ячейке, м.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процесса десублимации в вертикальном аппарате объемного типа с осевым вводом десублимируемого вещества и холодного газа-носителя. Данные исследования позволили выявить влияние основных факторов на интенсивность протекания процесса и гранулометрический состав конечного продукта. Цель исследования заключалась в реализации возможности получения тонкодисперсных материалов десублимацией и их смесей, а также сборе экспериментального материала, необходимого для интенсификации данного процесса. В этой главе дано описание лабораторной установит, методика проведения эксперимента и его результаты. Объектами исследования были выбраны бензойная кислота и фгалевый ангидрид.

Эксперимент показал, что частицы фталевого ангидрида приобретают в результате десублимации игольчатую форму, а частицы бензойной кислоты имеют более сложную сингонию и представляют собой кристаллиты с разнонаправленным ростом из одного центра.

Рис. 1 Фотография частиц фталевого ангидрида. Рис. 2. Фотография частиц бензойной кислоты.

Принципиальная технологическая схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3.

теплообменник; 4 — газодувка; 5 - первая камера смешения; 6 - рукавный фильтр; 7 -

жидкостная ловушка; 8 - ротаметры сублиматоров; 9 - реометры; 10 - дифмонометр; 11 -распределительные камеры, 12 - ротаметры смесителя, 13 - вторая камера смешения.

Отбор проб мелкодисперсных десублимированных частиц осуществлялся с помощью наэлектризованных стеклянных пластинок. Положение пластинок в десублиматоре во время отбора проб строго контролировалось и позволяло оценить высоту и диаметральное расположение точки отбора пробы. Время отбора проб на пластинки отгределялось опытным путем и составляло в зависимости от интенсивности процесса десублимации от 30 секунд до 1 минуты.

Рис. 4. Распределение частиц бензойной кислоты по диаметру аппарата: I - высота 650 мм;

2— высота 200 мм.

1

\ 50-■о 80-^ 706050403020-

Ш-1-■-!---1-.-1-.-1->

О 40 20 30 40

ММ

Рис. 5. Изменение размеров частиц фталевого ангидрида по диаметру аппарата на высоте 500 мм: I — значения ширины частиц Ь; 2 — значения эквивалентного диаметра частиц с1экв; 3 —

значения длины частиц 1ч-Далее производилось фотографирование стеклянных пластинок на оптическом микроскопе, и замер отдельных представителей продукционных частиц на фотографии с последующим усреднением. При объемной десублимации гранулометрический состав получаемых частиц в существенной мере зависел от температурных условий в десублиматоре.

Для определения интенсивности осаждения веществ на стенках аппарата, использовались пробоотборники, из органического стекла диаметром 15 мм, располагающиеся на разных высотах по уровню стенки. Пробоотборники взвешивались до ввода в аппарат и по окончании опыта.

100 200 300 400 500 800

Н„, мм

Рис. 6. Изменение интенсивности осаждения бензойной кислоты и фталевого ангидрида на стенке по высоте аппарата: 1 - бензойная кислота; 2 - фталевый ангидрид.

Для определения температурных полей применялась точно откалиброванная термопара и мультиметр ОММ 645. На термопаре через каждые 10 мм от спая ставилась риска. В штуцер пробоотбора вставлялась резиновая пробка с отверстием под термопару. Термопара вставлялась в пробку так, чтобы спай находился на уровне стенки десублиматора (нулевой отметке). Каждый раз после трехминутной выдержки термопара продвигалась внутрь аппарата до следующей риски.

Таким образом, по диаметру до противоположной стенки производилась фиксация температурных значений. Снятие температурных полей производилось на пяти отметках по высоте аппарата. Десублиматор во время эксперимента находился в рабочем режиме.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Рис. 7. Температурное поле газового потока в десублиматоре: 1 - на входе в аппарат; 2 - на высоте 100 мм; 3 - на высоте 200 мм; 4 - на высоте 400 мм; 5 - на высоте 600 мм от

распределительной решетки. Установлено, что при проведении сублимации с температурой ниже температуры разложения исходного продукта и устойчивом нагреве паропроводов, исходный продукт не претерпевает существенных изменений.

При изучении процесса получения смесей тонкодисперсных продуктов, проводилась десублимацля каждого из веществ в отдельных десублиматорах с дальнейшим смешением аэрозольных потоков в смесителе. Отбор проб производился на стеклянные пластинки расположенные в камере смешения. Далее с использованием оптического микроскопа производилось фотографирование частиц смеси, определялись размеры и число частиц на единице площади поверхности для каждого из веществ. Размер частиц фталевого ангидрида и бензойной кислоты на выходе из соответствующих десублиматоров составил (5-12) мкм п (1027) мкм соответственно.

1 " І111ІІ 4 1 !'»

Фталевый ангидрид, % 52,7 54,7 54,5 55,1 53,1 54,02

Отклонение содержания в пробе от среднего значения, % -1,32 0,68 0,48 1,08 -0,92

Бензойная кислота, % 47,3 45,3 45,5 44,9 46,9 45,98

Отклонение содержания в пробе от среднего значения, % 1,32 -0,68 -0,48 -1.08 0,92

Для определения состава в полученной порошкообразной смеси брались пробы с различных участков поверхности фильтра. Проводился спектральный анализ на спектрофотометре ЗРЕКСЖЛ - М 40.

В таблице 1 приведены результаты анализа отдельных проб, взятых из различных участков поверхности фильтра.

Предложенный способ и устройство для его реализации позволяют получить мелко и ультрадисперсные смеси высокого качества, т.к. эффект высококачественного смешения достигается при уровне проб 5 мг.

В четвертой главе рассматриваются вопросы изучения скорости зародышеобразования на примере десублимации парообразного вещества на плоской поверхности с использованием величины индукционного периода кристаллизации. Дано описание лабораторной установки, и

порядок проведения эксперимента. Приведена методика определения коэффициента, характеризующего изменение свободной энергии зародышеобразования при переходе от гомогенной десублимации к гетерогенной, с помощью полученных в ходе эксперимента результатов. Представлена методика расчета поверхностного натяжения кристалла для модельных веществ. Произведен анализ экспериментальных данных, с учетом известных литературных, на примере нафталина.

В общем случае процесс зародышеобразования из паровой фазы в условиях гетерогенной десублимации, связанный с уменьшением значения свободной энергии образования твердой фазы, может быть охарактеризован следующим уравнением:

Лжг = КСЕТ ■ (26)

где = ЬОЁТ■ Л?сом- -1 - скорость образования зародышей, (си3 сек) '; к - постоянная

Больцмана; Т - температура, К; у-{2-сг),п (х ■ тУ"2кинетический

множитель; V - объем молекулы вещества, см1; т - масса молекулы, г; Р - давление пара, MiM.pT.CT.; а - поверхностное натяжение, эрг/см2; Agooм- энергия зародышеобразования, эрг.

Коэффициент ЬоЕТ в общем виде определяет изменение свободной энергии зародышеобразования при переходе от гомогенной десублимации к гетерогенной, учитывая особенности взаимодействия конденсирующегося вещества с поверхностью конденсации. Индивидуальные характеристики вещества позволяют произвести оценку величины ДgGoм, выяснение же специфики взаимодействия вещество-поверхность связано с определением величины Ьоет- Метод экспериментальной оценки величины Ьоет и соответственно Д§оет> представленный в диссертации, рассмотрен на примере десублимации парообразного вещества на плоской поверхности с использованием величины индукционного периода кристаллизации.

В таблице 2 приведены найденные значения ЬОЕт, сг3Ьоет, ° для исследованных соединений.

Таблица 2.

С "С . ».ti.ni. ...... М Ьг, о , Ю'Кг

С6Н5СООН 2 121 1,13

СйНдОз 21,3 160 5,2

СюН? 15,2 148 4,7

Эксперимент проводился при атмосферном давлении в неосушенном воздухе. В результате сопоставления опытных результатов по нафталину с известными литературными данными, полученными в сухих условиях, выявили значительное влияние на скорость гетерогенного зародышеобразования присутствия в системе паров воды, выступающих, по-видимому, в роли центров кристаллообразования. Приведенные в таблице 2 данные являются удовлетворяющими условиям проведения процесса десублимации при получении тонкодисперсных продуктов.

В пятой главе проведена проверка адекватности математической модели с учетом полученных экспериментальных зависимостей. Приведены результаты моделирования, которые можно использовать для выбора оптимального аппарата при конкретном режиме его работы для достижения заданного гранулометрического состава конечного продукта.

Проверка математической модели процесса получения тонкодисперсных материалов и их смесей в аппаратах, в которых десублимация веществ происходит в потоке холодного газа-носителя, осуществлялась с применением экспериментальных данных ряда исследований. Сопоставление модельных прогнозов с опытными данными для различных режимов работы аппарата показало их хорошее соответствие, что позволяет рекомендовать предложенную математическую модель для расчета основных показателей, характеризующих процесс десублимации для промышленных установок.

Кд^! ЛЛЛ

Рис. 8. Средний размер частиц по радиусу аппарата: 1 - экспериментальные данные; 2 -расчетные данные; Н = 0.68 м; Яе = 290; Кт = 0,73 Вт/(м2-К); Эх = 0,6-10'3 м2/с; = 0,28-10^ м2/с; X, = 1,27 Вт/(м-К); \ = 0,055 Вт/(м К); ЪСЕт = 1,1210"3; а = 108 м/с; А = 0.

При сравнении графиков распределения десублимированных частиц по радиусу аппарата, полученных экспериментальным и расчетным путем (рисунок 8), средняя относительная погрешность составила 14,5 %. Средний размер частиц определялся как средневзвешенный по числу частиц для рассматриваемой точки пространства.

Моделирование десублимационного процесса на ЭВМ продемонстрировало значительное влияние на размер получаемых частиц тепловых полей, формируемых как потоком газа-носителя, конструкцией, так и условиями теплообмена в десублиматоре. Получены результаты моделирования, которые могут быть полезны при оптимизации основных технологических параметров для достижения заданного гранулометрического состава конечного продукта. На основе предложенной модели и опытных данных была разработана методика расчета гранулометрического состава продукта, получаемого объемной десублимацией в потоке холодного газа-носителя.

Для достижения заданного гранулометрического состава и содержания десублимируемых веществ в смеси варьировали расходами веществ, скоростями парогазовых потоков, температурой охлаждающего газа.

В таблице 3 представлены зависимости параметров смеси от гидродинамической обстановки в десублиматоре бензойной кислоты. При этом десублимация фталевого ангидрида проводится при следующих условиях: Яе = 290; Тхв = 20 °С; во = 0,023 кг/час.

Таблица 3.

4 ' Кс -"З м'.-м. ц Ш ... ІІІ1І1І .

250 0,0583 0,0135 71,8 28,2 47,6

290 0,067 0,0148 74,2 25,8 31,6

350 0,0826 0,0202 78,4 21,6 34,5

400 0,0936 0,0271 80,5 19,5 29,1

В таблице 4 приведена зависимость параметров смеси от температуры холодного газа носителя. Все характеристики процесса получения смеси тонкодисперсных веществ изменяются по аналогии с процессами раздельной десублимации рассматриваемых веществ.

, и» *с > ■1|||1111|Й1- дам

10 0,0154 73 27 54,6

20 0,0148 72 28 31,6

30 0,0145 71,5 28,5 23,3

При анализе данных, полученных при моделировании, сформулированы технологические условия, необходимые для получения продукта высокой степени дисперсности. Возможности продуцирования наноразмерных частиц способствует повышение степени гетерогенности системы, снижение рабочей температуры процесса и уменьшение начальной концентрации вводимого вещества.

Экспериментально доказано, что присутствие частиц влаги в парогазовой смеси, выступающих в роли дополнительных центров кристаллизации приводит к увеличению скорости зародышеобразования. При температуре охлаждающего воздуха 10 °С и влажности \у=65-70% наблюдается интенсивное образование большого количества зародышей, происходит резкий переход пара в твердое состояние, в результате чего уровень концентрации не прореагировавшего вещества обеспечивает наименьшую скорость роста образовавшихся частиц по мере передвижения в аппарате.

В таблице 5 представлено распределение частиц по радиусу аппарата и их средние размеры, при условиях получения мелкодисперсного продукта и высокой степени дисперсности.

__ Таблица 5.

(.ч

11111^ «.-'■2-5% и V ,

I- 1'|

• Тха - 2Ш К

ШШШ

5,3 44,5-10-6 2,68-10-9

а 42,2-10-6 2,69-10-9

10,7 39,2-10-6 2,74-10-9

35,7-10-6 2,84-10-9

16 30,9-10-6 3,31-10-9

1 I ' : 28,4-10-6 3,91-10-9

21,3 26,1-10-6 5-10-9

й 24 23,7-10-6 1,7-10-7

¡■ЯВИ 20,9-10-6 9,2-10-7

11ЯИ111 17,6-10-6 7,74-10-7

32,:.;..;::; 14,3-10-6 6,74-10-7

34,7 11,5-10-6 6,15-10-7

■ - 0 1,6-10-8

шшшшшшшшш КЧК\ч

рмшШж 42,01-10"6 2,78-10®

В приложении вынесены программа, блок-схема программирования, расчетные и экспериментальные данные, титульный лист патента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана математическая модель процесса десублимации в аппарате объемного типа, в котором кристаллизация вещества происходит в потоке холодного газа-носителя.

Модель предполагает возможность расчета основных показателей, характеризующих процесс, как при получении смесей, так и монопродуктов. В модели предлагается совместное решение уравнений тепло- н массопереноса за счет конвекции и диффузии в объеме десублиматора, уравнений кинетики образования зародышей и роста частиц.

2. Рассмотрены различные варианты темпов охлаждения парогазовой смеси за счет изменения режимов подачи газа-носителя и его температуры. Результаты численного эксперимента позволяют рекомендовать необходимые технологические условия для достижения требуемого гранулометрического состава и степени кристаллизации по твердой фазе.

3. Проведенные экспериментальные исследования на лабораторной установке показали возможность получения тонкодисперсных и многокомпонентных продуктов высокой степени смешения.

4. Получены экспериментальные данные по изменению скорости зародьппеобразования при переходе от гомогенной к гетерогенной десублпмацип пара бензойной кислоты, фталевого ангидрида и нафталина.

5. Полученные расчетные данные по гранулометрическому составу продукта и производительности с учетом экспериментальных зависимостей подтвердили адекватность математической модели.

6. На основе предложенной математической модели разработана методика расчета гранулометрического состава продукта для объемных десублиматоров, в которых десублимация вещества происходит в потоке холодного газа-носителя.

Условные обозначения: ЬвЕТ - коэффициент гетерогенности; С - концентрация пара, кг/м3; Ср - теплоемкость парогазовой смеси, Дж/(кг-К);

Dx,Dr - эффективные коэффициенты продольной и радиальной диффузии соответственно, м2/с; Go - расход вещества, кг/час; Н - расчетная высота аппарата, м;

Joet - скорость гетерогенного зародышеобразования, шт/(м3-с);

Jf - скорость образования поверхности твердой фазы, м

Кт -коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К);

к - постоянная Больцмана, Дж/К;

М - молекулярная масса вещества, кг/моль;

Maes- масса десублимированного продукта, кг/(м3с);

Мт' - количество переносимого вещества из соседней ячейки, кг/(м3с);

ДМт - массовая скорость образования твердой фазы за счет зародышеобразования и роста частиц, кг/(м3с);

Мт - полная скорость роста массы твердой фазыв ячейке, кг/(м3с);

М'см - масса смеси десублимированных веществ, образующаяся в единицу времени, по уровням аппарата, кг/м3-час; m - масса молекулы пара, кг; Р - парциальное давление пара, Н/м2;

Рсо - равновесное давление пара над плоской поверхностью, Н/м2;

Qdcs - количество тепла, выделившегося в результате десублнмации, Вт/м3;

cjdjs - скрытая теплота десублимацпи, КДж/моль;

г - текущий радиус аппарата, б/р величина;

Ra - радиус аппарата, м;

Rr - газовая постоянная, Дж/(К-моль);

Rkp - критический размер зародыша, м;

RSR1 - средний размер частиц по радиусу аппарата, м;

RSRa - средний размер частиц в аппарате, м;

RSRacm - средний размер частиц смеси в аппарате, м;

Rz - расчетное значение среднего радиуса зародышей в ячейке, м;

S - пересьпцеїше пара;

Snath - концентрации вновь образовавшихся зародышей в каждой ячейке, шт/м3;

SODgJ - содержание десублимированного вещества в смеси по уровням аппарата, доли единиц;

Т - температура газа в аппарате, К;

Тн - температура парогазовой смеси до входа в аппарат, К;

Тхв - температура газа-носителя, °С;

Toc- температура окружающего воздуха, К;

U - линейная скорость роста твердой фазы на поверхности зародыша, м/с;

W - осевая скорость перемещения парогазового потока, м/с;

X - продольный размер, б/р величина;

о - поверхностное натяжение на поверхности зародыша, Н/м;

ХхДг - эффективные коэффициенты продольной и радиальной теплопроводности, Вт/(м-К);

Рп - плотность парогазовой смеси, кг/м3;

рт - плотность твердой фазы, кг/м3;

Рч- концентрацій твердой фазы, образовавшихся в результате десублимации, кг/м3;

Тшікла - время счета итерации, согласованное с временем прохождения газового потока между

соседними узлами сеточной области, с.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научно-технических журналах:

1. Дончепко, А.Ю. Моделирование процесса объемной десублимации в аппаратах с осевым вводом при получении мелкодисперсных материалов / А.Ю. Донченко, Ю.Г. Гоголев // Изв. Вуз. Хим. и хим. Технол. - 2013,- Т. 56. - №6. - С. 96 - 100.

Патенты:

2. Пат. 2426576 Россішская Федерация, МПК В 01 D 7/02. Устройство для десублимации твердых веществ / Донченко А.Ю., Гоголев Ю.Г., Блиничев В.Н., Касицын A.B.: заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Ивановскігіі государственный химико-технологический университет». - № 2010115544/05, заявл. 19.04.10, опубл. 20.08.11, Бюл. №23.

Монографии:

3. Донченко, А.Ю. Получение ультра и мелкодисперсных продуктов десублимацией / А.Ю. Донченко, Ю.Г. Гоголев // Исследования и разработки в области нанотехнологии - 2013: монография. / Под ред. В.И. Светлова. - Иваново: ИГХТУ, 2013. - С. 20-33.

Другие публикации:

4. Донченко, А.Ю. Разработка установки для получения композиционных продуктов десублимацией / А.Ю. Донченко, A.B. Касицын // Студенческая научная конференция Дни науки - 2009, «Фундаментальные науки - специалисту нового века» 27 апреля - 15 мая: тез.докл. - Иваново: ИГХТУ, 2009.- С. 171.

5. Донченко, А.Ю. Установка для получения композиционных материалов и их смесей десублимацией / А.Ю. Донченко, A.B. Касицын // Материалы VIII Региональной студенческой научной конференции с международным участием «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (19-21 апреля 2010 г.) / ГОУВПО ИГХТУ - Иваново: ИГХТУ, 2010,-Т.1.-С. 211.

6. Дончепко, А.Ю. Оборудование для получения композиционных материалов и их смесей десублимацией / А.Ю. Дончепко, A.B. Касицын // Материалы VIII Региональной студенческой научной конференции с международным участием «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (19-21 апреля 2010 г.) - Иваново: ИГХТУ, 2010. - Т. 1. - С. 223.

7. Донченко, А.Ю. Оптимизация конструктивных решений для получения композиционных материалов и их смесей десублимацией / А.Ю. Донченко, Ю.Г. Гоголев, В.Н. Блиничев, A.B. Касицын // VI международная научная конференция «Кинетика и механизм

кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании». 21 - 24 сентября 2010 г: тез. докл. - Иваново: ИГХТУ, 2010. - С. 172 - 173.

8. Донченко, А.Ю. Моделирование процесса десублимации в аппарате объемного шла / А.Ю. Донченко // Материалы студенческой научной конференции Дни науки - 2011 «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (25 апреля - 27 мая 2011 г.) -Иваново: ИГХТУ, 2011. - Т. 1. - С. 204.

9. Донченко, А.Ю. Оптимизация конструктивных решений при получении композиционных материалов и смесей десублимацией / А.Ю. Донченко, Ю.Г. Гоголев // Материалы международной научно-технической интернет-конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пшцевых и химических производствах («ЭПАХПП - 2011»)» -Воронеж: ВГТА, 2011. - С. 440 - 444.

10. Донченко, А.Ю. Разработка лабораторной установки по определению кинетики зародышеобразования при десублимации / С.А. Бодалов, А.Ю. Донченко // Материалы IX Региональной студенческой научной конференции с международным участием «Фундаментальные науки специалисту нового века» (24 - 26 апреля 2012 г.) — Иваново: ИГХТУ, 2012.-Т.1.-С. 303.

11. Донченко, А.Ю. Разработка конструкции по получению мелко и ультрадисперсных продуктов десублимацией / Д А. Волков, А.Ю. Донченко // Материалы IX Региональной студенческой научной конференции с международным участием «Фундаментальные науки специалисту нового века» (24 - 26 апреля 2012 г.) - Иваново: ИГХТУ. 2012. - Т.1. -С. 297.

12. Донченко, А.Ю. Моделирование процессов при получении мелкодисперсных композиционных материалов десублимацией / А.Ю. Донченко, Ю.Г. Гоголев // Шестьдесят пятая всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 18 апреля 2012 г.: тез. докл. - Ярославль: ЯГТУ, 2012. - С. 170.

13. Донченко, А.Ю. Разработка математической модели для десублиматора объемного типа / А.Ю. Донченко, Ю.Г. Гоголев // Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 25: сб. трудов XXV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т.7. Секция 11 / под общ.ред. A.A. Большакова. - Волгоград: ВГТУ, 2012. - С. 79.

14. Донченко, А.Ю. Разработка стендов для исследования кинетики зародышеобразования и скорости роста частиц при десублимации / А.Ю. Донченко // VII Международная научная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации. Материалы нового поколения» 25 -28 сентября 2012 г.: тез. докл. - Иваново: ИГХТУ, 20)2. - С. 114.

15. Донченко, А.Ю. Моделирование процессов при получении мелкодисперсных композиционных материалов десублимацией / А.Ю. Дончешсо, Ю.Г. Гоголев // Материалы Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология»,- Казань: КГТУ, 2012. - С. 200 - 202.

Благодарность.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, к.т.н., доценту Гоголеву Ю.Г., научному консультанту заведующему кафедрой МАХП ИГХТУ д.т.н., профессору Блиничеву В.Н., всем преподавателям и сотрудникам кафедры МАХП.

Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,00. Уч.-изд.л. 1,03. Тираж 80 экз. Заказ 3410

ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201455591

Донченко Александр Юрьевич

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЕСУБЛИМАЦИЕЙ В АППАРАТЕ ОБЪЕМНОГО ТИПА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Гоголев Ю.Г.

!

Иваново - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССОВ ДЕСУБЛИМАЦИИ.........................................................................12

1.1. Кинетика и механизм процесса десублимации................................12

1.2. Кинетика образования зародышей...............................................14

1.2.1. Гомогенное зародышеобразование...........................................15

1.2.2. Гетерогенное зародышеобразование........................................22

1.3. Механизм роста кристаллов.......................................................24

1.4. Влияние агломерации и разрушения частиц на процесс десублимации........................................................................27

1.4.1. Влияние агломерации частиц на процесс десублимации..................27

1.4.2. Влияние разрушения частиц на процесс десублимации................32

1.5. Классические способы проведения процессов десублимации и их аппаратурно-технологическое оформление......................................34

1.6. Области применения десублимации в современности.......................42

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕСУБЛИМАЦИИ..........................................................................59

2.1. Математическая модель процесса получения тонкодисперсных монопродуктов десублимацией в потоке холодного газа носителя и их смесей при параллельной десублимации веществ.............................59

2.2. Алгоритм решения уравнений математической модели.....................63

2.3. Программирование алгоритма решения уравнений математической модели.................................................................................78

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКО ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ СМЕСЕЙ НА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКЕ........85

3.1. Описание экспериментальной установки.......................................85

3.2. Методика проведения эксперимента.............................................87

3.3. Обработка и обсуждение экспериментальных данных......................90

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ

ДЕСУБЛИМАЦИИ НА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКЕ........................101

4.1. Теоретико-математическое обоснование эксперимента.....................101

4.2. Описание лабораторной установки...............................................103

4.3. Методика проведения эксперимента...........................................104

4.4. Методика определения коэффициента гетерогенности при переходе от гомогенной к гетерогенной десублимации пара..............................105

4.5. Методика расчета поверхностного натяжения...............................107

4.6. Результаты эксперимента и их обсуждение..................................109

5. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ...................................................113

5.1. Адекватность математической модели........................................113

5.2. Влияние гидродинамической обстановки на процесс десублимации при получении тонкодисперсной бензойной кислоты...........................114

5.3. Влияние температуры окружающего воздуха на гранулометрический состав продукта и производительность..................................................119

5.4. Влияние температуры окружающей среды на основные показатели интенсивности процесса при десублимации бензойной кислоты........120

5.5. Влияние толщины осадка на коэффициент теплопередачи через стенку, степень кристаллизации и гранулометрический состав продукта................................................................................122

5.6. Влияние высоты аппарата на степень кристаллизации и величину осадка на стенке десублиматора.........................................................123

5.7. Технологические факторы, обеспечивающие получение наноразмерных частиц продукта десублимацией........................................................124

5.8. Влияние технологических параметров на характеристики смеси при совместной десублимации веществ...............................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................128

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ................................................129

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Влияние технологических параметров на основные показатели

процесса десублимации фталевого ангидрида...........................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Блок-схема программирования.....................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа на языке программирования Базисный

Фортран..........................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Патент на изобретение................................................175

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Порошковые материалы занимают определенные сегменты мирового производства и рынка, а в отдельных случаях они формируют целые отрасли. Успехи химического и фармацевтического производства в последние годы часто связывают с уменьшением дисперсности используемых веществ. Перспективы улучшения свойств материалов ожидают при их дальнейшем уменьшении до наноразмерных порошков, что объясняется значительным изменением физических и химических свойств наноразмерного вещества по сравнению с его макросостоянием.

Ультрадисперсные материалы практически не встречаются в природе в свободном состоянии, а представляют собой искусственный продукт. Поэтому для производства ультрадисперсных порошков постоянно разрабатывают и внедряют различные технологии производства и обработки, основанные на последних достижениях науки и техники.

В России разработан инновационный метод получения наночастиц в атмосфере различных газов. Для реализации этой технологии ученые используют процесс испарения твердого материала с последующим интенсивным охлаждением паров получаемого вещества. В результате воздействия низкой температуры наблюдается процесс десублимации желаемых частиц, и можно получить ультрадисперсный материал, размеры частиц которого составляют от 10 до 500 нм.

Десублимационные процессы, т. е. процессы, связанные с переходом веществ из газовой фазы в твердую, используются практически во всех отраслях народного хозяйства (в химической, пищевой, медицинской, металлургической, электронной и других отраслях промышленности). Но до сих пор при создании десублимационных систем часто используют эмпирические методы.

При исследовании и разработке десублимационных процессов важными являются проблемы, связанные с физико-химическими основами десублимации, математическим моделированием этих процессов и созданием аппаратурно-

технологического оформления. В связи с этим возникает необходимость в систематизации исследований и обобщении результатов практического использования десублимационных процессов.

Одними из самых эффективных при получении порошковых материалов являются объемные десублиматоры, разработанные кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Ивановского государственного химико-технологического университета, в которых кристаллизация вещества происходит в потоке холодного инертного газа-носителя. Преимущество данного метода проявляется в том, что возможно получение тонкодисперсных частиц без чрезмерного расхода энергии. Появилась возможность получать смеси сверхтонких продуктов с большой эффективностью смешения, что является немало важным в фармацевтическом и химическом производстве. Однако десублиматоры данного типа до сих пор не получили широкого распространения в промышленности, что обусловлено отсутствием методов расчета, хороших конструктивных разработок и недостаточной изученностью процессов в подобном оборудовании. Поэтому актуальной задачей является управление процессом получения порошковых материалов и их смесей с заданной дисперсностью и разработка методов расчета аппаратов данного типа.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологии получения тонкодисперсных порошков (на уровне наноразмеров) и их смесей заданной дисперсности, а также разработка методики расчета гранулометрического состава продукта, получаемого десублимацией вещества из парогазовой смеси в потоке холодного инертного газа-носителя в аппарате объемного типа. Для достижения заданной цели решались следующие задачи:

• разработка методик экспериментального исследования объемной десублимации и экспериментальное исследование процессов зародышеобразования и роста частиц в условиях гетерогенной десублимации пара для получения как наноразмерных продуктов, так и их смесей в лабораторных условиях.

• разработка адекватной математической модели процесса получения тонкодисперсных продуктов и их смесей десублимацией и выполнение численного эксперимента;

• разработка алгоритмов и программ для решения уравнений математической модели;

• разработка методики расчета гранулометрического состава продукта, получаемого объемной десублимацией.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: экспериментальные исследования в лабораторных условиях; математическое моделирование с использованием численных методов и их реализации в виде программ на ЭВМ.

Достоверность результатов обусловлена:

- согласованностью результатов с известными теориями образования и роста кристаллов, материалами из области получения порошковых продуктов объемной десублимацией, и экспериментальными данными, полученными, непосредственно, при изучении процесса зародышеобразования в условиях гетерогенной десублимации пара;

адекватностью модели получения тонкодисперсных продуктов десублимацией в потоке холодного газа-носителя;

Научная новизна работы:

• Предложена математическая модель процесса получения тонкодисперсных монопродуктов десублимацией в потоке холодного газа носителя и их смесей при параллельной десублимации веществ.

• Экспериментально определены константы изменения свободной энергии зародышеобразования при переходе от гомогенной к гетерогенной кристаллизации пара фталевого ангидрида, бензойной кислоты и нафталина.

Практическая значимость работы:

• Предложены конструктивные решения по совершенствованию оборудования для получения смесей тонкодисперсных материалов

методом десублимации, защищенные Патентом РФ на изобретение.

• Разработана методика расчета гранулометрического состава продукта, получаемого объемной десублимацией в потоке холодного газа-носителя.

• Разработанные расчетно-теоретические методы и численные алгоритмы реализованы в виде прикладной программы и могут быть использованы при исследовании процесса десублимации твердых веществ в потоке холодного газа-носителя, конструировании и оптимизации десублимационных устройств широкого класса и назначения.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Закономерности массо- и теплопереноса при десублимации веществ из парогазовой смеси в зависимости от гидродинамических и температурных условий проведения процесса.

• Методы расчетно-теоретического исследования процесса получения тонкодисперсных материалов и их смесей десублимацией, моделирующие конвективный и диффузионный тепло- массоперенос, а также кинетику гетерогенного зародышеобразования и роста частиц.

• Результаты экспериментального исследования кинетики гетерогенного зародышеобразования при десублимации паров бензойной кислоты, фталевого ангидрида и нафталина.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на кафедральных научных семинарах Ивановского государственного химико-технологического университета; на Студенческих научных конференциях «Дни науки» (г. Иваново, 2009, 2011 г.); на Региональных студенческих научных конференциях с международным участием «Фундаментальные науки -специалисту нового века» (г. Иваново, 2010, 2012 г.); на VI Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании» (г. Иваново, 2010 г.); на Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах - 2011» (г. Воронеж, 2011 г.); на Шестьдесят пятой

всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов высших учебных заведений с международным участием (г. Ярославль, 2012 г.); на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 25» (г. Волгоград, 2012 г.); на VII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Материалы нового поколения» (г. Иваново, 2012 г.); на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2012 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 научная статья в рецензируемом издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК РФ, 1 монография и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 175 страниц, включая 46 рисунков, 27 таблиц, условные обозначения, 4 приложения и библиографический список из 127 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе настоящей работы рассматриваются вопросы механизма процессов десублимации. Проведен краткий анализ существующих теорий образования и роста кристаллов, влияния различных факторов на кинетику процесса и гранулометрический состав конечного продукта. Представлена характеристика областей применения процесса десублимации в промышленности. Проведен анализ основных способов выделения продукта из газовой фазы, а также типовых конструкций существующих десублиматоров. Дана классификация процессов десублимации и десублимационного оборудования.

В результате проведенного анализа сформулированы конкретные задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлено математическое описание процесса десублимации парогазовой смеси в потоке холодного газа-носителя в аппарате объемного типа при получении тонко дисперсных материалов и их смесей. Предложена методика решения уравнений приведенной модели процесса. Представлен алгоритм программирования решения уравнений математической модели.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процесса десублимации в вертикальном аппарате объемного типа с осевым вводом десублимируемого вещества и холодного газа-носителя. Данные исследования позволили выявить влияние основных факторов на интенсивность протекания процесса и гранулометрический состав конечного продукта. Цель исследования заключалась в реализации возможности получения тонкодисперсных материалов десублимацией и их смесей, а также сборе экспериментального материала, необходимого для интенсификации данного процесса. В этой главе дано описание лабораторной установки, методика проведения эксперимента и его результаты. Объектами исследования были выбраны бензойная кислота и фталевый ангидрид. Результаты экспериментов представлены в виде графиков, таблиц и фотографий.

В четвертой главе рассматриваются вопросы изучения скорости зародышеобразования на примере десублимации парообразного вещества на плоской поверхности с использованием величины индукционного периода кристаллизации. Дано описание лабораторной установки, и порядок проведения эксперимента. Приведена методика определения коэффициента, характеризующего изменение свободной энергии зародышеобразования при переходе от гомогенной десублимации к гетерогенной, с помощью полученных в ходе эксперимента результатов. Представлена методика расчета поверхностного натяжения кристалла для модельных веществ. Произведен анализ экспериментальных данных, с учетом известных литературных, на примере нафталина. Все результаты экспериментов также представлены в виде графиков и таблиц.

В пятой главе проведена проверка адекватности математической модели с учетом полученных экспериментальных зависимостей. Приведены результаты моделирования, которые можно использовать для выбора оптимального аппарата при конкретном режиме его работы для достижения заданного гранулометрического состава конечного продукта.

В приложении вынесены программа, блок-схема программирования, расчетные и экспериментальные данные, титульный лист патента.

Благодарность.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, к.т.н., доценту Гоголеву Ю.Г., научному консультанту заведующему кафедрой МАХП ИГХТУ д.т.н., профессору Блиничеву В.Н., всем преподавателям и сотрудникам кафедры МАХП.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРО�