автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка конструкции и метода расчета гранулирующего устройства

На правахрукописи

ЛАКТИОНОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДА РАСЧЁТА ГРАНУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы (машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2004

Работа выполнена на кафедре "Оборудование нефтехимических заводов" Стерлитамакского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Панов Александр Константинович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хафизов Фаниль Шамильевич; кандидат технических наук Мехлис Александр Николаевич.

Ведущее предприятие: ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»

(г. Салават).

Защита состоится «21» декабря 2004 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан "_" "ноября " 2004 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ибрагимов И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Проблему совершенствования процессов гранулирования в нефтепереработке, нефтехимии и химической промышленности необходимо решать, переходя на технологии нового типа, создавая новые классы аппаратов, способных максимально эффективно использовать возможности процессов.

В последние годы все шире для гранулирования сыпучих материалов применяются шнековые устройства. Продукт, получаемый посредством шнекового гранулирования, отличается значительной плотностью и прочностью, высокой размерной точностью, низкой гигроскопичностью, благодаря чему он не пылит и не слёживается, обладает однородностью свойств во всем объеме получаемых гранул и высокой дисперсностью составляющих частиц. Это особенно важно для таких продуктов нефтехимии и нефтепереработки, как стабилизаторы полимерных материалов, ускорители вулканизации резины, пигменты и т.д.

Существующие конструкции шнековых грануляторов и формующих инструментов к ним требуют усовершенствования вследствие наличия застойных зон, значительного гидравлического сопротивления, неравномерности выхода гранулята, что приводит к снижению качества продукции, уменьшению производительности процесса.

Поэтому проблема совершенствования и создания новых конструкций шнековых грануляторов и формующего оборудования к ним, а также экспериментально обоснованного метода их расчета остается актуальной до сих пор.

Основные направления исследований производились в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии Наук Республики Башкортостан (АН РБ) "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий на 1996-1997 гг.", подпрограммой "Аппаратостроение" (Постановление Кабинета министров РБ №204 от 26.06.96), и "Концепцией и программой социально-экономического развития Республики Башкортостан на 1997-2000 гг. и до 2005 года" (Постановление Кабинета министров №3 от 12 01.98) по разделам "Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на нефтехимических

предприятиях Республики Башкортостан".

Цель работы. На основе исследований физико-механических и реологических свойств смеси сыпучего материала с жидким связующим агентом, а также её течения в цилиндрических каналах необходимо:

1) разработать конструкцию гранулирующего устройства для переработки сыпучих материалов с учетом требований повышения его пропускной способности и улучшения качества получаемых гранул;

2) получить эмпирическую зависимость для определения основных гидродинамических характеристик формующего оборудования;

3) разработать инженерный метод расчета гранулирующего устройства.

Научная новизна

Получена эмпирическая зависимость, связывающая реологические свойства гранулируемого материала и гидродинамические характеристики экструзионной головки с её геометрическими размерами.

Разработана конструкция и методика расчета шнекового гранулирующего устройства для переработки смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами.

Определены оптимальные значения отношения длины формующих каналов к диаметру рабочей поверхности фильеры в пределах от 0,1 до 0,3.

Практическая ценность. Разработанная конструкция экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов (патент РФ №2205104), входящая в состав шнекового гранулирующего устройства, прошла успешные промышленные испытания на ЗАО «Стерлитамакский нефтехимический завод», показавшие увеличение производительности процесса гранулирования при одновременном улучшении качества гранул.

На защиту выносятся:

1 Новая конструкция экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов, входящая в состав шнекового гранулирующего устройства.

2 Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств сыпучих и гранулированных материалов, реологических свойств смесей сыпучих материалов с жидкими связующими —агентами, которые использовались при постановке

экспериментов по шнековому гранулированию.

3 Эмпирическое соотношение для определения расхода гранулята от градиента давления в формующих каналах разработанной экструзионной головки, их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала.

4 Метод расчета шнекового гранулирующего устройства, применительно к переработке смеси сыпучего материала с жидким связующим агентом, основная структурная часть составляющих элементов которой находится в твердом состоянии в течение всего процесса гранулирования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Республиканской научно-практической конференции «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии» (г. Уфа, 2002 г.); VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении - 2003» (г. Пенза, 2003 г.); Межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2003» (г. Ухта, 2003 г.), II Всероссийской научно-практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии» (г. Самара, 2003 г.), Республиканской научно-практической конференции «Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане» (г. Уфа, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности» (г. Стерлитамак, 2004 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах и получен 1 Патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 106 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 128 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная и практическая значимость, сформулированы основные задачи исследований и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе описан широкий спектр конструкции грануляторов, в

том числе шнековых машин и формующего инструмента, предназначенных для проведения процессов гранулирования сыпучих материалов. Сделан вывод, что существующие конструкции данного оборудования требуют совершенствования с целью повышения их производительности и улучшения качества продукции.

Проанализирован ряд методов расчета гидродинамических характеристик потоков материалов различной природы в формующих каналах экструзионных головок. Установлено, что существующие расчетные зависимости созданы в основном для проектирования машин, перерабатывающих полимерные материалы.

На основе проведенного анализа сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлено описание новой конструкции шнекового гранулятора сыпучих материалов и экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов. Они созданы на основе анализа существующих конструкций подобного оборудования, с применением предложенной эмпирической зависимости расхода гранулята от градиента давления в формующих каналах, их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала, а также с использованием результатов экспериментальных исследований физико-механических и реологических свойств порошкообразных агидола-2 и ТПФН.

На рисунке 1 представлена конструкция лабораторного шнекового гранулятора сыпучих материалов, который состоит из шнека 1, корпуса 2, обогреваемого хомутовыми нагревательными элементами сопротивления 3, питательного бункера 4. Жидкий связующий агент подаётся через патрубок 5.

Экструзионная головка 6 с фильерой 7, снабженная датчиком давления 8, крепится к корпусу 2 посредством фланцевого соединения 9. Регулирование давления экструзии осуществляется регулятором скорости 10, изменяющего частоту вращения шнека 1 через гидропривод 11. Кроме того, в состав разработанного устройства входят электрический пульт управления 12 и 13, блок автотрансформаторов 14.

Предлагаемый гранулятор сыпучих материалов спроектирован с использованием принципов построения шнековых гранулирующих машин, серийно выпускаемых Опытным производством ПО «Дзержинскхиммаш».

(обозначения позиций смотрите в тексте)

Рисунок 1 — Шнековый гранулятор сыпучих материалов Отличительной особенностью новой конструкции от данного ряда устройств является то, что относительная длина шнека Ь/Б = 12-18. Это обусловлено введением дополнительной технологической зоны — зоны ввода жидкого связующего агента, расположение которой обосновано экспериментально. Как показали исследования по экструзионному гранулированию порошкообразных триполифосфата натрия (ТПФН) по ГОСТ 13493-86 и агидола-2 по ТУ 38101617-76 с использованием 50%-ного водного раствора ортофосфатов натрия и 30%-ного раствора агидола-2 в этаноле в качестве связующих агентов соответственно, подобное расположение зоны ввода жидкости соответствует условию возникновения наибольшего числа межчастичных связей в перерабатываемом материале. Шнек можно условно разделить на четыре зоны в соответствии с их функциональным назначением. Это - зона питания, длина которой находится в пределах Ьпит=(4-6)Б, зона ввода жидкого связующего агента длиной Ьж=(2—3)Б, зона уплотнения с длиной Ьупл= (3-5)Б и зона нагнетания, имеющая длину Ьнагн= (3-4)Б.

В соответствии с приведенным выше конструктивным решением был создан лабораторный образец шнекового гранулятора, имеющий шнек диаметром 45 мм и длиной 540 мм.

Расположение зоны ввода жидкого связующего агента до зоны

уплотнения обеспечивает наложение сил когезии, капиллярных и поверхностно-активных сил на силы молекулярного и электростатического притяжения между частицами, что соответствует условию наиболее эффективного гранулообразования.

Таким образом, предлагаемая конструкция шнекового пресса позволяет получать однородные по структуре и свойствам гранулы с прочностью, превышающей прочность гранул, полученных методами окатывания и вальцевого прессования.

Рисунок 2 - Экструзионная головка для гранулирования пастообразных

В соответствии с рисунком 2 экструзионная головка для гранулирования пастообразных материалов состоит из корпуса 1, фильеры 2 и прижимного фланца 3, крепящегося к корпусу при помощи болтового соединения 4. Питающий канал головки образован цилиндрическим каналом 5 для подачи гранулируемого материала, переходящим в конический канал 6, и формующими каналами 7, выполненными в фильере 2. Выпуклая поверхность фильеры 2 спрофилирована по квадратичной параболе 8, а формующие каналы 7 имеют переменную длину, уменьшающуюся от центра фильеры 2 до ее краев.

Выпуклый профиль продольного сечения фильеры обращен в сторону питающего канала и выполнен в виде квадратичной параболы, а отношение длины формующих каналов фильеры к диаметру ее выпуклой поверхности находится в пределах от 0,1 до 0,3 и имеет максимальное значение в центре фильеры. Квадратичный профиль продольного сечения фильеры выбран по

(обозначения позиций смотрите в тексте)

материалов

результатам гидродинамических испытаний экструзионной головки с рядом фильер, имеющих различный профиль продольного сечения - прямой, конический, параболический (рисунок 3). Определяющим критерием являлось минимальное значение гидравлического сопротивления фильеры. В ходе эксперимента выяснили, что параболический профиль продольного сечения обеспечивает наименьшее гидравлическое сопротивление и максимальную равномерность выхода гранулята.

Давление в питающем канале головки уменьшается по мере удаления от его центра к периферии, так как профиль скоростей потока гранулируемого материала в цилиндрическом канале имеет вид квадратичной параболы. Поэтому для выравнивания давления по поперечному сечению канала экструзионной головки оптимальным рабочим профилем фильеры 2 была выбрана квадратичная парабола.

1 - прямой; 2 - конический; 3 - параболический Рисунок 3 - Исследуемые профили продольного сечения фильеры

Уравнение параболического профиля продольного сечения фильеры имеет вид У = К.Х2, где У - ордината точек параболы, м; К - коэффициент сжатия ветвей параболы, м-1; X - абсцисса точек параболы, м.

Значения пределов отношения длины формующих каналов фильеры к диаметру ее выпуклой поверхности установлены по результатам экспериментальных исследований по шнековому гранулированию порошкообразных ТПФН и агидола-2. В данных пределах обеспечиваются максимальный выход товарной фракции и наибольшая прочность гранул.

Зная толщину фильеры в её центре, необходимую площадь продольного сечения фильеры определяли, согласно рисунку 4, подбором коэффициента сжатия ветвей параболы. Так, для экспериментальной конструкции экструзионной головки с высотой выпуклой поверхности = 0,009 м и диаметром выпуклой поверхности фильеры Б = 0,07 м коэффициент сжатия ветвей квадратичной параболы К = 7,3 м-1.

6 2

Рп__

Рисунок 4 - Продольное сечение фильеры

Разработанная конструкция шнекового гранулирующего устройства обладает следующими преимуществами: оно способно перерабатывать сыпучие материалы без привлечения дополнительного оборудования для смешения с жидким связующим агентом, то есть сочетает в себе смеситель и гранулятор; увеличена производительность зоны питания за счет того, что в загрузочный бункер подается порошкообразный продукт, имеющий лучшую сыпучесть, чем пастообразный; экструзионная головка имеет небольшое гидравлическое сопротивление и обеспечивает равномерность выхода гранулята и высокое качество гранул.

На представленную конструкцию экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов получен Патент РФ на изобретение №2205104.

В третьей главе представлен метод расчета гранулирующего устройства, позволяющий в зависимости от градиента давления, реологических свойств перерабатываемого материала и требуемой производительности определить оптимальные геометрические размеры шнековой машины и формующего инструмента

Ввиду сложности и малоизученности процессов гранулирования единая теория шнекового гранулирования отдельных классов веществ, например порошков или паст, пока еще не разработана. В работах известных исследователей данного процесса освещены отдельные, хотя и весьма важные стороны процесса, выведены закономерности, которые применяются в практической работе. Однако они, в основном, получены для полимерных материалов, которые в процессе гранулирования плавятся и в вязкотекучем

состоянии выдавливаются через фильеру формующей головки. При гранулировании изучаемых сыпучих материалов (таких как ТПФН и агидол-2) весь объем материала или главная составляющая часть его структурных элементов (частиц) остается в твердом состоянии в течение всего процесса уплотнения и выдавливания через формующий инструмент. Очевидно, что закономерности течения и деформирования подобного материала будут иметь несколько иной вид.

Результаты экспериментальных исследований реологических свойств показали, что смесь сыпучего материала со связующим агентом под воздействием сдвиговых деформаций ведет себя как жидкость, подчиняющаяся степенному закону, записанному Оствальдом-де-Виле - истинный градиент скорости сдвига, - истинное

напряжение сдвига, Па; а, k - реологические коэффициенты.

Для получения эмпирического соотношения для определения объемного расхода гранулята от градиента давления в формующих каналах разработанной экструзионной головки, их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала рассмотрели течение «степенной» жидкости в цилиндрическом канале при следующих допущениях: жидкость течёт параллельно оси канала, действием массовых сил пренебрегаем; поперечные потоки в канале малы по сравнению с продольными, поэтому ими можно пренебречь; скольжение на стенке канала отсутствует; процесс течения развитый, установившийся, ламинарный и изотермический.

С учетом сделанных допущений искомая зависимость для расхода «степенной» жидкости через N цилиндрических каналов разработанной экструзионной головки приняла вид

где Qг — объёмный расход «степенной» жидкости, м3/с; а, к — реологические коэффициенты; Л-радиус цилиндрического канала, м; Др — перепад давления по длине Ь цилиндрического канала, Па/м; D0 - диаметр выпуклой поверхности фильеры, К - коэффициент сжатия ветвей параболы, 1/м; X1 - расстояние от оси центрального формующего канала до оси рассматриваемого формующего канала, м; i - порядковый номер формующего канала, считая от центрального к краевому каналу, С - число формующих

(1)

каналов в рассматриваемом сечении от центра фильеры до её края.

Полученная зависимость (1) позволяет вычислить пропускную способность или гидравлическое сопротивление каналов в зависимости от их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала.

Согласно зависимости (1), длина 1-го формующего канала фильеры определяется соотношением

С другой стороны, из условия прочности минимальную длину формующего канала находили по формуле

где рт1х — максимальное давление, развиваемое в зоне уплотнения, Па; [ст] - допускаемое напряжение при статической нагрузке, Па.

Максимальное давление, развиваемое в зоне уплотнения определяли формулой

где - усилие шнекования, Н; Б - наружный диаметр шнека; Б0 -внутренний диаметр шнека; коэффициент бокового давления.

Таким образом, зависимости (2) и (3) определяют оптимальные геометрические размеры формующего инструмента.

Производительность шнековой машины определяли для условий работы зоны питания.

Теоретические исследования процесса движения сыпучего материала в зоне питания шнековых машин, проведенные исследователями в данной области, в основе своей предполагают, что движение твердых частиц происходит аналогично движению сплошного тела, а само движение равномерно, то есть ускорение движения принято равным нулю.

Объемный расход материала в зоне питания определили как

(2)

(3)

4Р

III

(4)

где Н - глубина винтового канала; В- ширина канала; m - число заходов шнека; ш - угловая скорость вращения шнека; D - наружный диаметр шнека; СИ - угол подъема винтового канала на наружном диаметре шнека.

Угол в определили из следующего тригонометрического уравнения

винтового канала на внутреннем диаметре шнека; ^ - коэффициент трения между материалом и поверхностью шнека.

Полученная зависимость (5) позволяет вычислить пропускную способность шнековой машины в зависимости от геометрических параметров ее основного рабочего органа - шнека и физико-механических свойств перерабатываемого материала.

В четвертой главе приведены методики и результаты исследований физико-механических и реологических свойств типичных представителей класса сыпучих материалов -триполифосфата натрия (ТПФН) по ГОСТ 1349386 и агидола-2 по ТУ 2492-433-05742686-98. Причем для связывания и увеличения пластической прочности частиц ТПФН использовали 50%-ный водный раствор ортофосфатов натрия, а для агидола-2 - 30%-ный раствор агидола-2 в этаноле. Выбор подобных связующих веществ обусловлен тем, что, во-первых, они инертны (то есть не влияют на химические свойства гранулята), а во-вторых, представляют собой насыщенные растворы веществ, которые они связывают. Таким образом, применение связующих добавок такого типа позволяет не только увеличить прочность получаемых гранул, но и повысить производительность технологического процесса их получения по жидкой фазе.

Экспериментальное исследование физико-механических свойств сыпучих материалов необходимо для установления наилучших условий их шнекового гранулирования.

Исследование физико-механических свойств сыпучих материалов проводилось по методикам и на лабораторных установках, предложенных П.В. Классеном. Влажность сыпучего материала оценивалась по ГОСТ 2342279, а насыпная плотность в соответствии с ГОСТ 11035-64.

Так как гранулометрический состав порошкообразного ТПФН задан ГОСТом, то его коэффициент внутреннего трения исследовали только в зависимости от влажности на приборе плоскостного сдвига. Искомый параметр определяли из отношения нормального напряжения на площадке, по которой происходит сдвиг, к касательному напряжению.

где

(6)

+ /о) Гд-д) с _ ° ~2В ; ой - угол подъема

Сыпучесть находили по количеству порошка, прошедшего через воронку определенного сечения за единицу времени. Измерения проводили при различных значениях влажности материала.

Совмещенные графические зависимости коэффициента внутреннего трения и сыпучести от влажности ТПФН и агидола-2 приведены на рисунках 5 и 6 Полученные графические зависимости экстремальны: максимальным значениям сыпучести для порошкообразного ТПФН соответствует интервал влажности от 4 до 8%, для агидола-2 - от 4 до 10%, а минимальным значениям коэффициента внутреннего трения для ТПФН — от 4 до 8%, для агидола-2 - от 2 до 6% Для повышения эффективности работы зоны питания шнекового устройства эти интервалы влажности следует считать предпочтительными.

*2,0 Я!

Ш 0 4,0 8.0 12,0 16,0

Влажность, со, %

Рисунок 5 - Совмещенные графические зависимости коэффициентов внутреннего трения и сыпучести порошка ТПФН от влажности

0 4,0 8,0 12,0 16,0

Влажность, %

Рисунок 6 - Совмещенные графические зависимости коэффициентов внутреннего трения и сыпучести порошка агидола-2 от влажности

Для исследования пластической прочности использовали методику, которая заключается в определении усилия сопротивления материала погружению в него конуса с постоянной скоростью. Скорость погружения

конуса в образец материала была постоянной и составляла 0,0075 м/с. Для исключения погрешности определения максимального усилия при погружении конуса исследуемый образец предварительно уплотняли на вибростоле. Исследования проводили при увлажнении и подсушке образцов. Результаты проведённых исследований представлены в виде графических зависимостей в соответствии с рисунками 7 и 8.

4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0

Влажность, и, % 1 - при увлажнении; 2 - при сушке Рисунок 7 — Зависимость пластической прочности порошкообразного ТПФН от влажности при температуре 333 К

2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0

Влажность, % 1 - при увлажнении; 2 - при сушке Рисунок 8 - Зависимость пластической прочности порошкообразного

агидола-2 от влажности при температуре 323 К Как видно из рисунков 7 и 8, наилучшим условием гранулирования смеси порошкообразных материалов со связующими агентами следует считать содержание в ней жидкой фазы (влажность), которое

соответствует наибольшему числу межчастичных связей (наибольшей пластической прочности), что способствует повышению эффективности гранулообразования, а именно: интервал влажности от 14 до 16% - для ТПФН и от 14 до 18% - для агидола-2. Данные интервалы влажности исследуемых порошкообразных материалов соответствуют следующему содержанию связующей добавки относительно массы порошка: для ТПФН - от 40 до 50%, для агидола-2 - от 25 до 33%.

Кроме того, пластическая прочность смеси порошка ТПФН и связующего компонента монотонно увеличивается с повышением температуры (рисунок 9). Подобный характер изменения пластической прочности данной системы достигается благодаря увеличению её когезионной активности и межчастичного сцепления частиц. Для смеси порошка агидола-2 с насыщенным раствором агидола-2 в этаноле сказанное выше справедливо лишь в интервале температур от 313 до 333 К, при дальнейшем увеличении температуры начинает испаряться этанол, что приводит к разрушению солевых мостиков, связывающих частицы между собой.

1,40

0,20

293 303 313 323 333 343 353 363 373

Температура, К

1 - порошок ТПФН при влажности 4%; 2 - порошок агидола-2 при влажности 6%

Рисунок 9 — Зависимость пластической прочности порошкообразных ТПФН (1) и агидола-2 (2) от температуры

Таким образом, интервал влажности от 14 до 16% смеси порошкообразного ТПФН с 50%-ным водным раствором ортофосфатов натрия и интервал температуры от 333 до 338 К соответствуют максимальным значениям её пластической прочности, а следовательно, и оптимальным

условиям экструзионного гранулирования. Для смеси порошкообразного агидола-2 со связующей добавкой в виде насыщенного раствора агидола-2 в этаноле таковыми условиями являются: влажность смеси - от 14 до 18%, температура процесса от 323 до 333 К. В данном интервале изменения температуры не происходит перекристаллизации агидола-2.

Одним из критериев оценки качества гранулированного продукта является механическая прочность составляющих его гранул. Гранулы исследуемых ТПФН и агидола-2, полученные на лабораторном шнековом грануляторе, показаны на рисунке 10.

1) 2) Рисунок 10 - Гранулированные ТПФН (1) и агидол-2 (2), полученные

на разработанном шнековом грануляторе

Для оценки механической прочности полученных гранул их подвергали испытанию на гидравлическом прессе, регистрируя давление раздавливания при помощи манометра. В качестве прочности гранул исследуемого образца гранулированного материала принимали среднее арифметическое из измерения прочности 20 гранул (три верхних и три нижних результата отбрасывали). Для сравнительного анализа механической прочности гранул, полученных методом шнекового гранулирования, исследовали прочность гранул, полученных методом окатывания в барабанном грануляторе. Для проведения сравнения определяли раздавливающее усилие умножением давления раздавливания на константу прибора — площадь плунжера, а также индекс механической прочности, деля значение раздавливающего усилия на площадь минимального поперечного сечения гранулы. На основе анализа результатов проведенных экспериментов по исследованию механической

прочности гранулированных ТПФН и агидола-2, получаемых методом шнекового гранулирования, можно заключить, что подобные гранулы имеют индекс механической прочности, превышающий на 20-40% аналогичный показатель для гранул ТПФН и агидола-2, получаемых методом окатывания в барабанном грануляторе.

Исследование реологических свойств вышеуказанных сыпучих материалов проводилось на капиллярном вискозиметре на двух капиллярах круглого сечения диаметром 6,0 мм, длиной 50 и 75 мм, изготовленных из стали 45 (ГОСТ 1050) чистотой обработки внутренней

поверхности канала Яа V. Входовые эффекты (потери на входе в капилляр) исключались с помощью двух капилляров Е. В. Бегли, и все необходимые расчеты по вискозиметрии исследуемых материалов проводились по методике Г. В. Виноградова и Н. В. Прозоровской. Результаты реологических исследований представлены в виде зависимостей истинной скорости сдвига от истинного напряжения сдвига при трех различных температурах: для агидола-2 на рисунке 11 и для ТПФН на рисунке 12.

Истинное напряжение сдвига, тнст- 1СС4, Па

1) Т = 333К;2)Т = 323К;3)Т = 313К Рисунок 11 - Зависимость истинной скорости сдвига от истинного напряжения сдвига для агидола-2 при различной температуре

5,0 4,0 3,0 2,0 1,0

------- г------- --^Г--

/

1 / 2 у

"" / Г^Г '

3

1

0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Истинное напряжение сдвига, тист-10"4, Па

1) Т = 333 К; 2) Т = 323 К; 3) Т = 313 К Рисунок 12 - Зависимость истинной скорости сдвига от истинного напряжения сдвига для ТПФН при различной температуре

На рисунках 13 и 14 представлены кривые вязкости ТПФН и агидола-2, соответственно, при трех различных температурах.

180"

о

л 160"

С

£ 140"

В о 120"

X !»> « 100"

80"

ж п 60-

8! Н К 40"

и -е- ■?,{)■

ст>

0

о 3

о 2

о о

1 _ о '

_ о

500 1000 1500 2000 2500 3000

-1

3500

Градиент скорости сдвига, с"

1) Т = 333К;2)Т = 323К;3)Т = 313К

Рисунок 13 - Зависимость эффективной текучести от градиента скорости сдвига для ТПФН при различной температуре

С

л

В

о

180 160'

120'

1 100 | 80

1 60

Ё 40 0>

20

о

\ 1

Л

Д А 1

1

Л

1 '

——Д I

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Градиент скорости сдвига, с1

1) Т = 333К;2)Т = 32 3К;3)Т = 313К

Рисунок 14 — Зависимость эффективной текучести от градиента скорости сдвига для агидола-2 при различной температуре

В ходе экспериментов были установлены реологические константы исследуемых материалов при выбранной температуре переработки: так, для ТПФН реологический коэффициент а=1.10-8, k=2,4251; для агидола-2 а=3.10-13, k=3,524.

На основе анализа результатов реологических исследований можно заключить, что механическая смесь порошкообразных ТПФН и агидола-2 со связующими добавками имеют природу жидкостей, подчиняющихся «степенному» закону течения и деформации, а полученные коэффициенты необходимы для написания расчетной зависимости расхода формующих каналов разработанной экструзионной головки от гидравлического сопротивления. Результаты исследования реологических свойств смеси следует рассматривать в качестве исходного материала для последующих разделов работы.

Для сравнения теоретических и экспериментальных данных по расходным характеристикам были проведены экспериментальные исследования на лабораторном образце шнекового гранулятора, имеющего шнек диаметром 45 мм и длиной 540 мм. Для исключения входовых потерь изготовили по три комплекта фильер различного профиля, отличающихся толщиной. Изготовленные фильеры каждого типа имели следующие длины центрального формующего канала: 11 = 30 мм, 12 = 20 мм, 13 = 10 мм.

Полученные значения перепадов давления на единицу длины для каждой пары фильер затем усреднялись. Таким образом, были получены зависимости

массового расхода от перепада давления на единицу длины канала.

Сравнение предложенной расходной зависимости проводили с

т 71-Я"+3-ДРп* т + 3

теоретической зависимостью q

' и более распространенной в

2(2/)"

практике инженерных расчетов Q = К'г *(Р/|х)п где Кг - коэффициент сопротивления при течении неньютоновской жидкости; Р - перепад давления в канале; ¡I - эффективная вязкость материала; n - реологическая константа.

Эффективная вязкость в пределах канала рассчитывается по кривой течения при соответствующем значении пристенного градиента скорости сдвига 7. Причем градиент скорости сдвига определяется выражением

Коэффициент сопротивления КГ при течении неньютоновской жидкости находится из уравнения где L - длина канала.

Сравнение разработанной теоретической зависимости для определения напорно-расходной характеристики экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов с экспериментальными данными и теоретическими решениями других авторов приведены на рисунках 15 и 16.

Градиент давления,

О - экспериментальные точки; —— - теоретические значения, полученные по предложенной расходной зависимости; -- - теоретические значения,

полученные по формуле С? = К'р -(Р/ц)"; — • ■ - теоретические значения, полученные по формуле

т + з' 2(2.0"

Рисунок 15 - Зависимости объемного расхода гранулята ТПФН от градиента давления при температуре 333 К, полученные по предложенной и существующим теориям

* Амглобели И П Напорное установившееся движение неньютоновских жидкостей, когда вязкость изменяется по степенному закону // Сб. науч. трудов грузинского политехи, инст. - 1975 - С 47-51

* Торнер Р В , Акутин М С. Оборудование заводов по переработке пластмасс - М • Химия, 1986 - 400 с

- экспериментальные точки; ——— - теоретические значения, полученные по предложенной расходной зависимости; — — -теоретические

значения, полученные по формуле <3 = Кр " ■ - теоретические

значения, полученные по формуле

т

л-Я^-АР"

т + 3 2(2•/)"

Рисунок 16 — Зависимости объемного расхода гранулята агидола-2 от градиента давления при температуре 323 К, полученные по предложенной и существующим теориям

Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов указывает на удовлетворительное их совпадение. Расхождения по расходам Q составляет не более 15%, что вполне допустимо для инженерных расчётов. Анализ теоретических значений, полученных по теориям других авторов показал, что они имеют хорошее соотношение с экспериментальными данными только в области малого значения расхода (при градиенте давления до 8.107 Па/м), с возрастанием расхода и градиента давления появляются значительные отклонения экспериментальных данных от теоретического решения, величина которых доходит до 70-120%. Таким образом, сравнительный анализ позволяет рекомендовать применение существующих теоретических решений только в интервале малых значений расходов, в то время как предложенная в настоящей работе аналитическая зависимость для расчета пропускной способности разработанной экструзионной головки с инженерной точностью соответствует практике в широком диапазоне расходов гранулята.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана новая конструкция шнекового гранулятора сыпучих материалов и экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов (Патент РФ № 2205104), превосходящая известные гранулирующие устройства по производительности и качеству получаемых гранул.

2 Проведены экспериментальные исследования физико-механических и реологических свойств смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами, результаты которых определили специфичность конструктивного решения гранулирующего устройства.

3 Определены оптимальные режимы переработки смесей сыпучих ТПФН и агидола-2 с жидкими связующими агентами разработанном гранулирующем устройстве.

4 Предложена эмпирическая зависимость, связывающая гидродинамические характеристики экструзионной головки с её геометрическими параметрами и позволяющая рассчитать производительность формующего инструмента.

5 Проведена проверка полученной зависимости в сравнении с теориями других авторов, которая показала хорошее согласование с экспериментом (среднее отклонение между значениями не превышало 1015%).

6 Проведена проверка в промышленных условиях теоретических расчетов и проектно-конструкторских решений, подтвердившая их справедливость. Переданная техническая документация на разработанную конструкцию на ЗАО «Стер литамакс кий нефтехимический завод» получила положительный отзыв, конструкция была рекомендована к внедрению.

7 Полученные методы расчета и данные экспериментальных исследований могут быть использованы в дальнейшем при расчете шнековых гранулирующих устройств для переработки сыпучих материалов.

24 «23948

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Панов А.К., Лактионов А.А. Разработка конструкции экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов// Машиноведение, конструкционные материалы и технологии: Сборник научных трудов. - Уфа: Гилем, 2002. - С.96-100.

2 Лактионов А.А. Повышение эффективности производства посредством применения экструзионного гранулирования// Современные технологии в машиностроении- 2003: Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции. — Пенза, 2003. - С.282-284.

3 Лактионов А.А. Разработка конструкции и метода расчета для производства дефлокулянта буровых растворов// Севергеоэкотех-2003: Материалы межрегиональной молодежной научно - практической конференции. - Ухта, 2003. - С. 140-142.

4 Лактионов А.А., Панов А.К. Разработка конструкции и метода расчета формующего оборудования шнекового гранулятора сыпучих материалов// Нефтегазовые и химические технологии: Материалы II Всероссийской научно-практической конференции. — Самара, 2003. - С. 89-91.

5 Лактионов А.А., Панов А. К. Экспериментальное исследование физико-механических и реологических свойств триполифосфата натрия применительно к его экструзионному гранулированию // Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане: Сборник научных трудов. - Уфа: Гилем, 2003. - С.115-118.

6 Пат. РФ № 2205104. Экструзионная головка для гранулирования пастообразных материалов/ А.К. Панов, И.Х. Бикбулатов, А.А. Лактионов; Заявлено 22.03.2002; Опубл. 27.05.2003; Приоритет 22.03.2002. - Бюл. № 15.

7 Панов А.К., Лактионов А.А. Разработка конструкции гранулирующего устройства сыпучих материалов// Химическая промышленность. - 2004. - Т. 81. - № 3. - С.119-125.

8 Лактионов А.А., Панов А.К. Разработка шнекового гранулятора сыпучих материалов// Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Стерлитамак, 2004. - С. 112-115.

9 Laktionov A.A., Panov А.К, Zaikov G.E. Study on loose materials pelletisation process by extrusion technique// Journal of the Balkan tribological association. - Bulgaria, Sofia, 2004. - Vol. 10.- No 2. - P. 241-251.

10 Лактионов А.А., Панов А.К. Исследование гидродинамических характеристик шнекового пресса-гранулятора и реологических свойств сыпучего триполифосфата натрия при экструзионном гранулировании// Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 2004, - № 9. - С. 3-5.

Подл, в печать 16.11.2004 г. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,0. Гарнтура «Times». Печать оперативная. Тираж 90 экз. Заказ 5376/а. Отпечатано в тип. «Спринт»: РБ, г. Стерлитамак, ул. Вокзальная, 13а. Лицензия на полиграфическую деятельность: код 222, серия ПД, №01277 от 05.12.2001 г., выданная Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЁТА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1 Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом окатывания.

1.2 Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом прессования.

1.3 Описание конструкций оборудования для гранулирования сыпучих материалов методом шнекового гранулирования.

1.3.1 Описание конструкций шнековых машин применяемых для экструдирования сыпучих материалов.

1.3.2 Описание конструкций экструзионных головок, применяемых для экструдирования сыпучих материалов.

1.4 Анализ методов расчёта оборудования для гранулирования материалов методом экструзии.

1.4.1 Анализ методов расчета шнековых машин.

1.4.2 Анализ методов расчета формующего инструмента экструзионных головок) шнековых грануляторов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭКСТРУЗИОННОГО ГРАНУЛИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ

МАТЕРИАЛОВ.

2.1 Описание конструкции шнекового пресса-гранулятора для переработки сыпучих материалов.

2.2 Описание конструкции экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

3 МЕТОД РАСЧЁТА ШНЕКОВОГО ГРАНУЛЯТОРА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ.к.

3.1 Порядок расчета шнекового гранулирующего устройства.

3.1.1 Расчет элементов экструзионной головки на прочность.

3.1.2 Расчет пропускной способности формующих каналов экструзионной головки.

3.1.3 Расчет производительности шнековой машины.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИХ

ШНЕКОВОМУ ГРАНУЛИРОВАНИЮ.

4 Л Характеристика объекта исследования.

4.2 Экспериментальное исследование физико-механических свойств порошкообразных и гранулированных сыпучих материалов.

4.2.1 Определение влажности.

4.2.2 Исследование гигроскопичности.

4.2.3 Определение насыпной плотности.

4.2.4 Исследование коэффициента внутреннего трения.

4.2.5 Исследование сыпучести.

4.2.6 Исследование пластической прочности.

4.2.7 Исследование влияния различных факторов на слёжи-ваемость.

4.2.8 Исследование механической прочности гранул.

4.3 Экспериментальное исследование технологических свойств сыпучих материалов.

4.3.1 Исследование реологических свойств.

4.3.2 Исследования по шнековому гранулированию с применением теории планирования эксперимента.

4.3.3 Исследование гидродинамических характеристик формующего оборудования шнекового гранулирующего устройства.

4.4 Проверка воспроизводимости результатов экспериментов

Сыпучие материалы занимают чрезвычайно важное место в связи с их широчайшим распространением и разнообразным применением, исключительной ролью в природных явлениях и процессах, в повседневной техногенной деятельности человека и вместе с тем в связи с весьма специфическими физико-химическими свойствами.

Поэтому удивительно, что их свойства и поведение ученые начали всерьез изучать только недавно. Возможно, что долгое время теоретики не обращали внимания; на динамику сыпучих веществ, считая их неким "приземленным" материалом, неинтересным с точки зрения теории.

С целью улучшения качества сыпучих материалов их подвергают гранулированию, которое позволяет существенно уменьшить склонность продукта к слеживанию, а, следовательно, упростить > хранение, транспортирование и дозирование; повысить сыпучесть при1 одновременном устранении пылимости и тем самым улучшить условия труда в сферах производства, обращения и использования. Наряду с этим гранулирование открывает возможность гомогенизировать смесь в отношении физико-химических свойств; увеличивать поверхность тепломассообмена и насыпной вес; регулировать структуру гранул и связанные с ней свойства. Все это* способствует интенсификации процессов, в которых используются гранулированные продукты, повышению производительности труда и культуры производства [ 1.19]:

Проблему совершенствования процессов гранулирования в нефтепереработке, нефтехимии и химической промышленности необходимо решать, переходя на технологии нового типа, создать новые классы аппаратов, способных максимально эффективно использовать возможности процессов.

В последние годы все шире для гранулирования широкого спектра сыпучих материалов применяются шнековые устройства. Они пришли на замену тарельчатых и барабанных грануляторов окатывания, необоснованно выбираемых технологами по сложившейся в этих отраслях промышленности традиции; Продукт, получаемый посредством шнекового гранулирования, отличается значительной плотностью и механической! прочностью, благодаря чему он не пылит и не слёживается, обладает высокой насыпной плотностью, низкой гигроскопичностью, однородностью свойств во всем объеме получаемых гранул, высокой дисперсностью составляющих частиц и хорошей; делимостью. Это особенно важно для таких продуктов нефтехимии и нефтепереработки как стабилизаторы и антиоксиданты полимерных материалов, ускорители вулканизации резины, пигменты и т.д.

Однако существующие конструкции шнековых грануляторов и формующих инструментов к ним не отвечают возросшим требованиям современного уровня развития промышленности. Они изобилуют наличием застойных зон, отличаются значительным гидравлическим сопротивлением, неравномерностью выхода гранулята, что приводит к снижению качества продукции, уменьшению производительности процесса. Кроме того, каждая конструкция предназначена только для одного конкретного материала и для, перехода на переработку сыпучего материала с другими свойствами; необходимо пересматривать конструкцию устройства.

Чтобы повысить качество и увеличить производительность шнековых машин, гранулирующих сыпучие материалы, требуется разработка комплексного системного подхода к исследованию, математическому описанию и конструктивному оформлению процесса.

Необходимо установить связь интенсивности процесса и качества гранулированного продукта со свойствами исходного материала, технологическими и конструктивными факторами переработки. Решающее значение в технологии шнекового гранулирования имеют физико-механические и реологические свойства, перерабатываемого материала.

Таким образом, при построении: критериев совершенствования и оптимизации процесса шнекового (экструзионного) гранулирования сыпучих материалов необходимо установление взаимосвязи между их физико-механическими, реологическими свойствами и конструктивным решением аппаратурного оформления.

К сожалению, до сих пор не выведены закономерности течения потоков сыпучих материалов в узлах и каналах шнековых машин. Это обусловлено недостатком экспериментальных данных (особенно; по физико-механическим и реологическим, свойствам сыпучих материалов) [1.11]. Поэтому проектирование шнековых гранулирующих устройств для сыпучих материалов остаётся достаточно сложной проблемой.

Одним из основных конструкционных узлов в шнековом гранулирующем устройстве является формующий инструмент — экструзионная головка, где осуществляется окончательное формирование сыпучего материала в гранулы с приданием им определенной плотной структуры со значительной механической прочностью. В каналах экструзионных головок, как и в шнековой машине, сыпучий материал подвергается одновременному воздействию деформаций сдвига и. объемного сжатия, при этом изменяются его реологические свойства. Кроме того, в процессе гранулирования сыпучий материал находится в двух физических состояниях — порошок (в питательном бункере и* зоне питания) и пастообразный материал (после зоны подвода жидкого связующего агента), в связи с чем чрезвычайно важно исследовать изменение как физико-механических, так и реологических свойств, перерабатываемого материала в обоих этих состояниях. Поэтому для успешного решения поставленных задач необходимо использовать последние достижения физики и химии твердых дисперсных систем, механики неньютоновских жидкостей, теоретической и прикладной реологии.

Большой вклад в развитие указанных научных направлений сделали следующие ученые: Ребиндер П.А., Зимон А.Д., Дерягин Б.В., Классен П.В., Генералов М.Б., Гольдштейн M.Hi, Рабинович А.JL, Шомин И.П., Гришаев И.Г., Казакова Е.Е., Каталымов A.B., У. Дарнелл, Э. Мол; Э.В. Дженике и др.

В научных исследованиях течения сыпучих материалов в каналах и узлах шнековых (экструзионных) машин преобладает изучение вопросов течения полимерных материалов, изменяющих свое агрегатное состояние от твердого до жидкотекучего. Теоретические зависимости для сыпучих материалов, основная составляющая часть которых остается в твердом состоянии при протекании всего технологического процесса, до сих пор не сформулированы.

Таким образом, разработка методов расчета данных устройств является важной задачей, так как их рациональное проектирование способствует увеличению производительности процесса, улучшению качества продукции, снижению затрат сырья и энергоресурсов.

На основании вышеизложенного были определены основные задачи исследования:

-проведение экспериментальных исследований физико-механических, и реологических свойств исходных сыпучих материалов, а также механической смеси, сыпучих материалов с жидким связующим агентом;

-разработка конструкции шнекового гранулирующего устройства и формующего- инструмента к; нему для гранулирования сыпучих материалов;

-проведение экспериментальных исследований по шнековому (экструзионному) гранулированию модельных сыпучих материалов на разработанной конструкции гранулирующего устройства;

-создание математической модели' процесса шнекового гранулирования сыпучих материалов на разработанном шнековом гранулирующем устройстве;

-разработка зависимости для расчета гидродинамической характеристики предложенного формующего инструмента;

- проверка полученной зависимости в сравнении с теориями других авторов;

-проверка в промышленных условиях теоретических расчетов и проектно-конструкторских решений с целью оптимизации режимов гранулирования и внедрения в производство.

Основные направления исследований производились в соответствии с Государственными научно-техническими программами Академии Наук Республики Башкортостан (АН; РБ) "Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий на 1996-1997 гг.", подпрограмма "Аппаратостроение" (Постановление Кабинета министров РБ №204 от 26.06.96), и "Концепцией и программой социально-экономического развития Республики Башкортостан на 1997-2000 гг. и до 2005 года" (Постановление Кабинета министров №3 от 12.01.98) • по разделам "Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на: нефтехимических предприятиях Республики Башкортостан".

Научная новизна. Получена эмпирическая зависимость, связывающая реологические свойства гранулируемого материала и гидродинамические характеристики экструзионной головки с её геометрическими размерами.

Разработана конструкция и метод расчета шнекового-гранулирующего устройства для переработки смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами.

Определены оптимальные значения отношения длины формующих каналов к диаметру рабочей поверхности фильеры в пределах от 0,1 до 0,3.

На защиту выносятся.

1 Новая конструкция экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов, входящая в состав шнекового гранулирующего устройства.

2 Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств сыпучих и гранулированных материалов, реологических свойств смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами, которые использовались при постановке экспериментов по шнековому гранулированию.

3. Эмпирическая зависимость для определения расхода гранулята от перепада давления в формующих каналах разработанной экструзионной головки, их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала.

4. Метод расчета шнекового гранулирующего устройства, применительно > к переработке смеси сыпучего материала с жидким связующим агентом, основная структурная часть составляющих элементов которой находится в твердом состоянии в течение; всего процесса гранулирования.

Практическая ценность. Разработанное шнековое гранулирующее устройство, в состав которого входит экструзионная головка для гранулирования пастообразных материалов (патент РФ № 2205104), прошло успешные промышленные испытания на ЗАО «Стерлитамакский нефтехимический завод», показавшие увеличение производительности процесса гранулирования при одновременном улучшении качества гранул.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: межвузовской научно-методической конференции «Совершенствование учебного процесса» (г. Салават, 2002 г.); Республиканской научно-практической конференции «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии» (г. Уфа, 2002 г.); VI Всероссийской научно-практической конференции

Современные технологии в машиностроении - 2003» (г. Пенза, 2003 г.); Межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2003» (г. Ухта, 2003 г.), II Всероссийской научно-практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии» (г. Самара, 2003 г.), Республиканской научно-практической конференции «Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане» (г. Уфа, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности» (г. Стерлитамак, 2004 г.).

Результаты исследований опубликованы в десяти печатных работах, получен 1 патент РФ на изобретение.

Работа выполнена на кафедре «Оборудование нефтехимических заводов» Стерлитамакского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана новая конструкция шнекового гранулятора. сыпучих материалов и экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов (Патент РФ № 2205104).

2. Проведены экспериментальные исследования физико-механических и реологических свойств исходных сыпучих материалов, а также механической смеси сыпучих материалов с жидким связующим агентом.

3: Проведены экспериментальные исследования по шнековому (экструзионному) гранулированию модельных сыпучих материалов на разработанной конструкции гранулирующего устройства.

4. Создана математическая модель процесса шнекового гранулирования сыпучих материалов на разработанном шнековом гранулирующем устройств.

5. Разработана зависимость для расчета гидродинамической характеристики предложенного формующего инструмента.

6. Проведена проверка полученной зависимости в сравнении с теориями других авторов, которая показала хорошее согласование с экспериментом (среднее отклонение между значениями не превышало 10-15%).

7. Разработан метод проектного расчета шнекового гранулирующего устройства для сыпучих материалов.

8. Проведена проверка в промышленных условиях теоретических расчетов и проектно-конструкторских решений; подтвердившая их справедливость. Переданная техническая документация на разработанную конструкцию на ЗАО «Стерлитамакский нефтехимический завод» получила положительный отзыв, конструкция была рекомендована к внедрению.

9. Полученные методы расчета и данные экспериментальных исследований могут быть использованы в дальнейшем при расчете шнековых гранулирующих устройств для переработки широкого спектра сыпучих материалов.

1.1 Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планированиеэксперимента при поиске оптимальных условий. — 2-е изд. доп., перераб.- М.: Химия, 1976. 280 с.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. — М.: Машиностроение, 1982. -736 с.

3. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: Учеб. пособие. — 2-е изд. доп., перераб. -М.: Высш. шк. 1985. 327 е.: ил.

4. Басов Н.И., Брагинский B.A., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов: Учебник для вузов. Mi: Химия, 1991. - 352 с.

5. Басов Н.И., Казанцев Ю.В., Любартович В.А. Расчет и щ конструирование оборудования для производства и переработкипластмасс. М.: Химия, 1986. - 488 с.

6. Бэмфорт A.B. Промышленная кристаллизация. /Перевод с англ. Матусевича Л.Н./-М.: Химия, 1969.-240 с.

7. Вилесов Н.Г., Скрипко В.Я. Процессы гранулирования в промышленности. Киев: Техника, 1976. - 192 с.

8. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1997.-438 с.

9. Виноградов Г.А. и др. Прокатка металлических порошков. — М.: Металлургия, 1969. 382 с.

10. Геррман X. Шнековые машины в технологии. М.: Химия, 1975.-298 с.

11. Генералов М.Б. Механика твердых дисперсных сред в ♦ ' процессах химической технологии. Учебное пособие для вузов. —

12. Калуга: изд-во Н. Бочкаревой, 2002. 592 с.

13. Грануляторы химических продуктов: Каталог. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.-16 с.

14. Дженике Э.В. Складирование и выпуск сыпучих материалов/ Перевод с англ. Под ред. Агошкова М.И./ М.: Мир, 1968.- 164 с.

15. Зимон А. Д., Андрианов Е.И. Аутогезия сыпучих материалов. М.: Металлургия, 1978. — 288 с.

16. Канторович З.Б. Основы расчёта химических машин и аппаратов. М.: Машгиз, 1960. - 744 с.

17. Каталымов A.B., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и вязких материалов. — JI.: Химия, 1990. — 240 с.

18. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1971. — 496 с.

19. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976.-512 с.

20. Классен П.В., Гришаев И.Г. Основы техники гранулирования. М.: Химия, 1982. - 272 с.

21. Классен П.В., Гришаев И.Г., Шомин И.П. Гранулирование. -М.: Химия, 1991.-240 с.

22. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. М.: Госстройиздат, 1956. — 256 с.

23. Кольман-Иванов Э.З. Таблетирование в химической промышленности. — М.: Химия, 1976. — 200 с.

24. Кочетков В.Н. Гранулирование минеральных удобрений. М.: Химия, 1975.-224 с.

25. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.

26. Материалы Всесоюзного совещания по современной технике гранулирования и капсулирования удобрений. М.: ВХО им. ДИ. Менделеева, 1979. - 62 с.

27. Машины и аппараты химических производств/ И.В.Доманский, В.П.Исаков, Г.М.Островский и др.; Под общ. ред. В.Н.Соколова — JL: Машиностроение, 1982. — 384 с.

28. Машины для переработки сыпучих материалов. РТМ 26-01129-74 (80). М.: НИИХИММАШ, 1980. - 208 с.

29. Мурадов Г.С., Шомин И.П. Получение гранулированнахудобрений прессованием. М.: Химия, 1985. — 208 с.

30. Мурахвер В.И., Юницкий В.В. Пресс-формовочные грануляторы. — М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1977. — 32 с.

31. Ничипоренко С.П., Физико-химическая механика дисперсных структур в технологии строительной керамики. — Киев: Наукова думка, 1968. — 76 с.

32. Нывлт Я. Кристаллизация из растворов. /Пер. со словацкого Постникова В.А./.-М.: Химия, 1974. 152 с.

33. Панов А.К. Основы расчета гидродинамических характеристик потоков неньютоновских сред в каналах и узлах машин и аппаратов химических технологий. Уфа.: Изд. УГНТУ, 1984 - 95 с.

34. Панов А.К., Анасов А.Р. Гидродинамика потоков аномально вязких полимерных систем в формующих каналах. - Уфа.: Изд-во УГНТУ, 1994. - 260 с.

35. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. — М.: Химия, 1979.-288 с.

36. Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. Учеб. для вузов. —JI.: Химия, 1983. —336 с.

37. Ромушкевич Л.В., Легкобыт Л.Б., Сахненко Н.М. Оборудование для гранулирования полимерных материалов; Каталог. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1982.- 42с.

38. Сахаров В.Н. Грануляторы химических продуктов. Каталог. -М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.-29с.

39. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. — Л.: Химия, 1975. 47 с.

40. Переработка пластмасс: Справочное пособие/ В.Е.Бахарева, В.В.Богданов, В.А.Брагинский и др.; Под ред. В.А.Брагинского. Л.: Химия, 1985.-296 с.

41. Теплофизические и реологические свойства полимеров. Справочник/ А.И.Иванченко, В.А.Пахаренко, В;П.Привалко и др.; Под общ. ред. Ю.С. Липатова. Киев: Наук, думка, 1977. - 244 е.,

42. Техника переработки пластмасс/ Басов Н.И., Брой В., Ким B.C. и др.; Под ред. Н.И.Басова и В.Броя. М.: Химия, 1985. - 528 с.

43. Торнер Р.В. Основные процессы переработки полимеров (теория и методы расчёта). М.: Химия, 1972. - 456 с.

44. Торнер Р.В., Акутин М.С. Оборудование заводов по переработке пластмасс. М.: Химия, 1986 - 399 с.

45. Фишер Э. Экструзия пластических масс. М.: Химия, 1970 -253 с.

46. Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности. М.: Химия, 1969. - 344 с.

47. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. — Л.: ГНТИХЛ, 1962. 467 с.2 Статьи

48. Атоян C.B., Генералов М.Б., Трутнев Н.С. Расчет силовых параметров при уплотнении порошкообразных материалов в шнековых прессах//Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 1998. № 12. С. 5-8.

49. Амглобели И.П. Напорное установившееся движение неньютоновских жидкостей, когда вязкость изменяется по степенному закону// Сб. научных трудов/ Грузинский политехнический институт им. В.И. Ленина. 1975. - № 2. - С. 47-51.

50. Бердышев Б. В., Дергачев М.В. и др. Сдвиговые течения расплавов полимерных материалов// Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 1999. № 3. С. 9 — 12.

51. Бердышев Б. В., Дергачев М.В. и др. Реологическое поведение упруговязких полимерных сред в условиях сложного сдвигового нагружения// Химическое и нефтегазовое машиностроение: — 1999. № 7. С. 7 - 10.

52. Бердышев Б. В., Дергачев М.В. и др. Моделирование работы экструзионного оборудования для переработки полимерных материалов// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002. -№10. С. 3-5.

53. Вачагин К.Д., Большаков В.И., Виноградов Г.В. Течениерасплавов полимеров в треугольных каналах// Инженерно-физический журнал. 1972 г. - Том XXIII, № 2. - С. 328 - 335.

54. Вачагин К.Д., Большаков В.И., Двоеглазов Б.Ф. Методика расчета пропускной способности прямоугольного сечения при течении расплавов полимеров// Машины и аппараты химической технологии: Сб. науч. тр./ Казань. 1973; - №1. - С. 81-84.,

55. Вачагин К.Д., Панов А.К. Исследование течения расплавов полимеров в призматических каналах// Машины и аппараты химической технологии: Сб. науч. тр./ Казань. 1973; - №1. - С. 75-76.

56. Виноградов Г.В., Прозоровская Н;В. Исследование расплавов полимеров вискозиметра постоянных давлений// Пластические массы. 1964. - №5 - С. 50-57.

57. Володин В. П. Формирование экструзионных профильных изделий из: заготовок простой формы// Переработка наполненых композиционных материалов: Сб.науч.тр./Пластик. 1982.-С.142-151.

58. Глебов С.В. Труды III Всесоюзного совещания по огнеупорным материалам. — М.: АН СССР, 1974. С.17-21.

59. Гришаев И.Г., Классен П.В., Цетович А.Ш/ ТОХТ. 1977: -Т. XI.-№ З. С. 437-443.

60. Исаев A.Hi, Вачагин К.Д., Набережнов A.M. Инженерный метод расчета течения полимеров в каналах некруглого сечения// Инженерно-физический журнал. 1974. - т 27. - № 2. - С. 310.

61. Каплун Я.Б., Левин A.M. Расчет и конструирование входной зоны экструзионного инструмента// Пластические массы; — 1964. -№ 1. С. 39-46.

62. Классен П.В. и др. // Химическая промышленность, 1977. -№8. -С. 590-592.

63. Ледвин Н.К., Фридман М.Л:, Малкин А.Я. и др. Течениевязкоупругих термопластичных жидкостей в профилирующих каналах экструзионных головок// Механика полимеров. 1977. - № 6. -С. 1084- 1092.

64. Литвинов В.Г., Гончаренко В.М. Движение нелинейной вязкоупругой жидкости в каналах треугольного сечения// Механика полимеров. 1974. - № 2 - С. 333 - 339.

65. Мнухин Т.Д.", Вачагин К.Д. Экспериментальное изучение течения аномально-вязких жидкостей в трубах и каналах некруглого сечения// Вопросы автоматического контроля и управления в нефтедобыче: Сб. научн. тр./ Казань. 1972. - выпуск 2. - С. 81-90.

66. Патрикеева Н.И.// Химическая промышленность за рубежом. 1973. - № 7. С. 48-61.

67. Пащенко В.Н., Беляев В.М. Влияние температуры на гранулирование перборатных отбеливателей// Химическая промышленность. — 1978. №9. — С.62-64.

68. Сидоров H.A., Шеховцов A.A.// Химическая технология, 1967, вып. 7.

69. Фридман M.JL, Михайлов С.Н. и др. Математическое моделирование одношнековых экструзионных машин// ЦИНТИхимнефтемаш, 1988. 33с.

70. Шахова H.A. и др. // Химическая промышленность. — 1974. № 2. С. 137-149.

71. Шомин И.П. и др. // Химическая промышленность, 1976. -№12, с. 903-905.

72. Юркина М.И., Павлова В.В. и др. Влияние различных факторов на слёживаемость технической соли// Химическая промышленность, 1977. — № 8. — С. 352 — 353.

73. Martin J. Extruderzonen in denen Warmedurch Leitung underzwungene Konvektion abgafuhrt Wird/ Warmeubertrag. -Kunststoffanfbereit. — disseldorf, 1986, S. 169-196.

74. Ouchiyama Norio, Tanaka Tatsuo// J. Soc. Powder Technolol. Jap. 1982. V. 19, № 3. -P. 183-190.

75. Schultz I.I., Hignett T.P.// 4-th Int. Symp. Agglomerat. Toronto. June 2 5, 1985. New York, 1985. - P. 339-355.3 Диссертации

76. Иванов С.П. Разработка методов расчёта и совершенствование конструкций экструзионных головок для профильно-погонажных изделий: Дис. . канд.техн.наук: 05.04.09. -Защищена 07.04,99- Уфа, 1999. 155 е.: ил.-Библиогр.: с. 134- 145.4 Патентные документы

77. A.c. 653124 СССР, МКИ B 29 F3/04 Экструзионная головка/ Ю. А. Жданов (СССР). Заявлено 29.12.75; Опубл. 25.03.79. Бюл. № 11.

78. A.c. 1318278 СССР, МКИ В 01 J2/10 Смеситель гранулятор/ Гузь М.А. и др. (СССР). - Опубл. 23.06.87. Бюл. № 23.

79. A.c. 1595665 СССР, МКИ В 29 С 47/30 Многоручьевая экструзионная головка для полимерных материалов/ Панов А.К. и др. (СССР). Заявлено 06.06.88; Опубл. 30.09.90. Бюл. № 36.

80. A.c. 1526805 СССР, МКИ В 01 J2/12. Устройство для мокрой грануляции сажи/ Зайдман И.Г. и др. Заявлено 28.09.87; Опубл. 07.12.89. Бюл. №45.

81. A.c. 1690839 СССР, МКИ В 01 J2/22 Гранулятор для сыпучих материалов/ Гойдин B.C. и Бохан В.Н. Заявлено 09.01.89; Опубл. 15.11.91. Бюл. №42.

82. A.c. 1139565 СССР, МКИ В 22 F3/20 Устройство дляформования длинномерных изделий/ G.C. Клименков и Д.С. Лысов. Заявлено 14.03.86; Опубл. 15.02.85. Бюл. № 6.

83. A.c. 1479310 СССР, МКИ В 29С47/36, 47/64 Червячный экструдер для полимерных материалов/ C.B. Коновалов, А.И. Багно и В.И; Семенков. Заявлено 27.07.87; Опубл. 15.05.89. Бюл. №18.

84. A.c. 1586766 СССР, МКИ В 01 J2/20 Экструдер для получения гранул/ А.Б. Голованчиков и др. Заявлено 12.05.88; Опубл. 23.08.90. Бюл. № 31.

85. A.c. 1775165 СССР, МКИ В 01 J2/20, В 29 С47/10. Червячная машина/ Пинчук НИ. Заявлено 11.10.89; Опубл. 15.11.92. Бюл. № 42.

86. A.c. 1816497 СССР, МКИ В 01 J2/20. Гранулятор для пастообразных материалов/ Талис Н.С. и Абрамов А.К. Заявлено 08.05.91; Опубл. 23.05.93. Бюл. № 19.

87. A.c. 1692635; СССР, МКИ В 29J 2/20. Экструзионная головка/Бочарова С.Л. и Нестеренко Т.Б. Заявл. 09.01.89; Опубл. 23.11.91. Бюл. № 43.

88. A.c. 1812112 СССР, МКИ В29 В9/06. Фильера гранулятора полимерных материалов/ Мышко Ю.Д. и др. Заявл. 16.04.91 ; Опубл. 30.04.93. Бюл. №16.

89. Пат. 1117530 Франция, МКИ В 01 J2/12; С 05 В19/02. Установка для получения гранул/ Опубл. 1975 г.

90. Пат. 2711557 США, МКИ В 29 J1/00; С 05 g 3/00. Устройство для получения гранул/ Опубл. 1965 г.4.18; Пат. 2205104 РФ, МКИ В 29В9/06, В 29 С47/30.

91. Экструзионная головка для гранулирования пастообразных материалов/Заявл. 22.03.2002; Опубл. 27.05.2003. Бюл. № 15.

92. Нормативно-технические документы

93. ГОСТ 6616-79 Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 31 с.

94. ГОСТ 7164 -78 Приборы автоматического следящего уравновешивания ГСП. Общие технические условия. Переизд. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 26 с.

95. ГОСТ 16337-77 Полиэтилен высокого давления. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1984. - 61 с.

96. ГОСТ 16338-85. Полиэтилен низкого давления. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1986. - 51 с.

97. ГОСТ 20282-86. Полистирол общего назначения. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1986. - 31 с.

98. ТУ 6-05-751768-60-93. Пластикат поливинилхлоридный литьевой для обуви.

99. ГОСТ 24104-80. Весы лабораторные аналитические образцовые. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1980.- 26 с.

100. ГОСТ 7.1-84. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления. введ.01.01.86. - М.,1984.

101. Техническое описание МР 5221. — М., 1986.