автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка метода расчета нового спирального смесителя-дражиратора сыпучих материалов

г * ^

, Г ¿ ■

i \ дек т

На правах рукописи

ЛИЧАК ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА НОВОГО СПИРАЛЬНОГО СМЕСИТЕЛЯ-ДРАЖИРА ТОРА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

05.04.09 Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль - 1998

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университет на кафедре теоретической механики.

Научные руководители

Официальные оппоненты

- Лауреат премии Правительства РФ в облает науки и техники, Заслуженный деятель наук и техники РФ, доктор технических наук, прс фессор

ЗАЙЦЕВ Анатолий Иванович

- доктор технических наук, профессор БЫТЕВ Донат Олегович

- Лауреат премии Правительства РФ в облает науки и техники, доктор технических нау] профессор

БЛИНИЧЕВ Валериан Николаевич

- доктор технических наук, профессор ПЕТЕРСОН Станислав Антонович

Ведущая организация - ОАО "Лакокраска"

Защита диссертации состоится " ."ДеЮяЯрИ1998 года на заседани диссертационного Совета Д 063.69.01 в Ярославском государственном технич^ ском университете по адресу: 150023, г.Ярославль, Московский проспект, 88.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ярославског государственного технического университета.

Автореферат разослан " 2.3, " цо&'ЬрЯ 1998 года.

Ученый секретарь доктор химических наук, профессор

В. А.Подгорноза

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Области применения материалов в оболочках зчень обширны, например, использование не слеживающихся минеральных одобрений, безопасных для человека химических средств защиты растений, зражирование лекарственных средств, витаминов, семян, комбикормов. Разви-гие техники гранулирования обычно связано с общим развитием технологии 1роизводства того или иного продукта. Выбор метода гранулирования зависит )т конкретного производства. Процесс нанесения покрывающих оболочек на ;емена обладает рядом особенностей: необходимостью нанесения оболочек эольшой толщины; широкой номенклатурой дражируемого сырья и материала )болочки, требующей быстрой переналадки оборудования; малотоннажностью фоизводсгва. Этим требованиям технологического процесса в наибольшей ;тепени удовлетворяет оборудование, использующее метод окатывания и одно-¡ременно являющееся относительно дешевым.

Наибольшей функциональностью и производительностью обладают ба->абанные дражираторы, которые до сих пор широко используются в практике. Однако они имеют ряд существенных недостатков: особенности конструкции ¡арабанных дражираторов затрудняют осуществление автоматизированного хштроля за качеством получаемых гранул; трудно получить гранулы с больной толщиной оболочки.

Существующие математические модели роста гранул требуют большого >бъема экспериментальных данных при подборе эмпирических коэффициентов, ге всегда учитывают картину движения сыпучего материала, полидисперсность (ражируемого материала, а также процессы истирания и сушки. Данный недос-аток теоретических знаний в области дражирования гранулированного мате-!иала затрудняет создание нового высокоэффективного оборудования и опре-;еление оптимальных геометрических и режимных параметров процесса, что, ак правило, приводит к неоправданным затратам энергии и снижению качест-а продукции.

Работа выполнялась в соответствии с программами:

-41. Научно-техническая программа Минобразования РФ "Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке высшей школы" № Г.Р. 01980004598;

2. Инновационная научно-техническая программа "Нефтехим" № Г.Р. 01970000436;

Этим определяется актуальность задач по созданию нового дражировочного оборудования. При разработке нового оборудования для дражирования гранулированного материала необходимо провести всесторонний анализ всех стадий процесса, чтобы подготовить более обоснованные и достаточные по объему данные и рекомендации для проектирования аппаратуры. Решению указанных задач и посвящена данная работа.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка математической модели роста гранул в аппаратах барабанного и спирального типов на основе теории "ресурс-потребитель", экспериментальное исследование влияния режимных и конструктивных параметров на процесс нанесения покрывающих составов на частицы сыпучего материала, проверка адекватности математической модели роста гранул в спиральном смесителе-дражираторе данным экспериментальных исследований, а также создание и испытание в промышленных условиях новой конструкции смесигеля-дражиратора со спиральным рабочим органом для нанесения покрывающих составов на частицы сыпучего материала.

Научная новизна. Разработана новая модель роста оболочки монодисперсных гранул в барабанном и спиральном дражираторах, которая учитывает: дополнительный ввод ресурса (материальную оболочку); унос ресурса потоком теплоносителя; эффект сушки; влияние начальной влажности; эффект локального влагоотделения на зерне потребителя; соотношение размеров частиц ресурса и зерен потребителя. Впервые в математической модели роста оболочки учтено: "просыпание" ресурса из зоны "2" в зону "1" динамического слоя; механизмы роста оболочки в зонах "1" и "2"; вероятностные законы контакта и

ггпт/лла ттлипя ттОЛтгпт пллиплч тх юпатт г»л<гпа^»тггаг»»т ТЗпопп^гч>гг>т;л ч #лтл1 »■«->

iXj^£Jlv^^v^l<íu.AvlJLrl/a -хмч^аххал, рvvу гх ч^р^х ш^цА^-гах х си^аииюпа п\л>ил iy.iaxvJV.La

гическая модель роста оболочки полидисперсных гранул, которая учитывает разброс гранул - "потребителя" по диаметру. Разработана инженерная методика расчета спирального дражиратора.

Практическая ценность. Разработан новый спиральный вращающийся :меситель-дражиратор семян, ширина навивки спиралей рабочего органа которого сужается в направлении от оси вращения вала к периферии. Построена ;хема расчета геометрических и режимных параметров барабанного и спирального дражираторов, позволяющая рассчитать оптимальный вариант по наименьшим приведенным затратам. Проведены опытные испытания спирального шпарата доя нанесения покрывающих составов на частицы сыпучего материа-ia в цехе дражирования семян ТОО НПП "Росток". Расчеты, выполненные по 1редложенной в работе математической модели роста полидисперсных гранул, триняты к использованию для отработки технологических режимов производ-:тва гранулированного технического углерода на Ярославском заводе техниче-:кого углерода.

Разработанные математические модели роста гранул и инженерные методики расчета могут найти широкое применение в проектировании и эксплуата-рш нового оборудования для гранулирования методом окатывания. Использо-ание новых дражираторов позволяет повысить эффективность процесса драпирования и качество готового продукта.

Автор защищает: математическую модель процесса роста гранул во вращающемся спиральном дражираторе; модель дражирования полидисперсного ранулированного материала; результаты экспериментальных исследований лияния геометрических и режимных параметров спирального смесителя-ражиратора на эффективность нанесения оболочек на гранулы; инженерную [етодику расчета геометрических и режимных параметров нового спирального месителя-дражиратора.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: 2th International Congress of Chemical and Process Engineering, CHISA-96, Czech .epubiic, Prana, 1996; Международной конференции MMX-10 "Школа молодых

ученых", Тула, 1996 г.; Межвузовских региональных научно-технической конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов, Ярославль, 1997, 1998 гг.; XVI OGOLNOPOLSKA KONFERENCIA INZYNffiRn CHEMICZEJI PROCESOWTJ, Krakow, 1998 г.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 7 опубликованных печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы из 95 наименований и приложения. Содержание работы изложено на 142 страницах и иллюстрируется 47 рисунками. Приложения изложены на 12 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы и выбор метода окатывания для дражирования сыпучих материалов, дана краткая характеристика состояния теории и практики теории гранулирования методом окатывания и сформулированы основные вопросы, решаемые в диссертации.

В первой главе рассмотрены существующие дражираторы, работающие по методу окатывания. Проведен анализ их области применения и указаны их недостатки. На этом основании сделан вывод, что среди аппаратов для нанесения покрывающих составов одними из наиболее перспективных являются сме-сители-дражираторы со спиральным рабочим органом. К их преимуществам относятся: непрерывность технологического цикла, высокое качество нанесения оболочек, меньшие размеры и простота конструкции аппарата. С целью улучшения качества нанесения покрытий на гранулы рабочий орган смесителя-дражиратора целесообразно выполнить сужающимся от центра к периферии, что позволяет сохранить высоту слоя сыпучего материала в витке постоянной.

Анализ математических моделей нанесения оболочек на сыпучий материал показал, что существующие математические модели имеют ряд недостатков: необходимость большого объема экспериментальных данных при подборе эмпирических коэффициентов; возможность применения только к тем процессам, в которых увеличение числа крупных гранул происходит за счет уменьшения

мела мелких частиц; невозможность использования для расчетов таких провесов, в которых число гранул с заданным размером остается неизменным. Сроме того, не всегда учитывается'картина движения сыпучего материала, а акже полидисперсность дражируемого материала и процессы истирания и ушки. Наиболее достоверную картину роста гранул отражают стохастические додели, которые могут быть положены в основу модели роста гранул. Анализ математических моделей движения сыпучего материала в поперечном сечении >арабанного дражиратора показал, что они могут быть использованы и для даирального аппарата, путем представления каждого витка спирали как элементарной барабанной ячейки.

На основании этого сделан вывод о необходимости разработать новую математическую модель роста гранул в барабанном и спиральном дражирато-зах на основе теории "ресурс-потребитель", а также новую математическую иодель роста оболочки полидисперсных гранул, которая учитывает разброс гранул - "потребителя" по диаметру. Проверка этих моделей должна быть подтверждена экспериментальными исследованиями.

Во второй главе обоснован принцип выбора метода моделирования, который зависит от двух факторов. Первый определяется технологическими требо-заниями и конструктивными особенностями дражираторов. Второй, являясь следствием первого, основывается на выяснении ведущего механизма дражиро-вания.

Предложена математическая модель "ресурс-потребитель" нанесения оболочек, учитывающая как присоединение частичек материала оболочки к зерну, так и возможную его потерю (истирание). Модель относится к классу стохастических, непрерывных моделей, что упрощает ее применение в инженерных приложениях, и позволяет достаточно полным образом, при соответствующем моделировании кинетических коэффициентов, описать процессы дра-жирования зернистых материалов.

Система уравнений локальной модели кинетики двухкомпонентной системы в дражираторе, согласно общей схеме механизма перераспределения ве-

щества в системе "ресурс-потребитель", может быть записана в следующем виде:

= ЬЫ2-а/№2) + с, (1)

■ = (2)

Щ

Л Л

Здесь: N¡(1) - количество сыпучего материала оболочки в свободном состоянии (ресурс); N¡(0 - количество сыпучего материала оболочки в связанном состоянии на грануле (потребитель); с - скорость подачи возобновляемого ресурса; а - скорость роста оболочки на грануле (скорость потребления ресурса), в общем случае а=а(ЫиЫ2,{а$), где {(¡¡} - множество параметров, характеризующих процесс нанесения оболочки в дражираторе; Ь - скорость разрушения оболочки на грануле, в общем случае Ь=^Ь({а,}),

длд^о + с^)273. (з)

В общем случае процесс нанесения оболочек на гранулы всегда находится в состоянии динамического равновесия, регулируемого механизмами роста и разрушения оболочки.

Общие принципы моделирования коэффициентов в кинетических моделях позволяют учитывать факторы физико-механической системы и параметры дражиратора мультипликативным образом, т.е. а2({а^)=ар-а^-а\...

Проведенные экспериментальные исследования нанесения оболочек на зернистые материалы в барабанном дражираторе показали, что факторы влажности - IV и температурный режим - Т0 (сушка) имеют, в основном, избирательный характер, изменяются в узких пределах и устанавливаются предварительными исследованиями или по литературным источникам.

Поэтому, в соответствии с мультипликативным подходом составления кинетических коэффициентов модели, влияние влажности предложено учитывать множителем, имеющим гауссовую форму:

= ехр

(4)

Комплекс параметров { гв, г и соо, Яц, Яс} может быть учтен из представлены ведущего механизма нанесения оболочек на зернистые материалы в бара->анном дражираторе, в котором слой частичек ресурса и зерен потребителя >азделяется на две характерные зоны, показанные на рис. 1.

^с. 1. Движение сыпучего материала в поперечном сечении барабанного сме-;ителя-дражиратора.

В зоне "1" фракции участвуют в регулярном движении, причем зерна 'потребителя" участвуют в относительном вращательном движении с утловой коростыо (О;. В зоне "2" зерна участвуют в стохастическом движении по от-юшению к поверхности раздела зон - "3", "появляясь" и "пропадая" на этой юверхности.

Механизм захвата зернами "потребителя" частичек "ресурса", как было 'казано выше, может быть представлен случайными событиями их контакта и [рисоединения друг к другу.

Потоки частиц ресурса на зерно потребителя в указанных случаях имеют

ид:

1\ = Щг08Лг2)(1 + с0г2)тР1 -а^),

где Р1,Р2 - вероятности нахождения зерен в зонах "1" и "2", при выполнении условия: Р\ + р2 - 1> а^гц) - законы скорости роста оболочки на зерне

в зонах "1" и "2". Таким образом, а/>=^ .

В выражении (4) учтен факт равновозможного "качения" и "полета" частиц в зоне "2". Фактор г0(1+С(р$1/3 учитывает радиус зерна с оболочкой. Относительная скорость вращения зерен в зоне "1" определяется:

-Ес

(6)

Отношение вероятностей пребывания зерен в зонах "1" и "2" должно быть обратно пропорционально средним скоростям материала фракций в них: Р\ = Кк = ЪуътсрИ

Рг К* (1 -уУр ' (7)

где ц/==Спод/ОсЬ/(т2К/'£) е[0,551-0,65], угол ^определяется выражением: <Р = я- 2Рд, (8)

Д) - динамический угол откоса сдоя фракций в барабане.

Запишем случайный процесс соединения частичек фракций в следующей форме:

*ехр{-Л(Г)4

(9)

Г]2, г о - радиусы частичек фракций. Модель (9) может быть развита в направлении учета влажности поверхности зерна. Представим:

6= +41-^)^2, (Ю)

что учитывает эффекты сушки (</) и истирания (а>/) частиц в зернистом слое.

Известно, что повышение температуры теплоносителя приводит к увеличению доли жидкой фазы в общем объеме перерабатываемого материала в процессе его гранулирования или дражирования независимо от внешних факторов (качества диспергирования жидкости и перемешивания материала). Это приво-

а

л

дит к увеличению сил связи между частицами при повышении температуры и уменьшению требуемого для данного гранулометрического состава частиц ресурса и потребителя (зерен) количества жидкой фазы. Последнее может быть учтено введением температурного фактора в показатель Я(Т) в формуле (9) для вероятности присоединения частиц ресурса к зернам потребителя. Упрощенная модель сушки устанавливает линейную зависимость скорости сушки от градиента температуры ЛТ=Т*-Тф, а также прямую пропорциональность между удельным потоком пара (влаги) от ядра зерна к сухой оболочке и градиентом

Таким образом, выражения для параметра Х(Т) и скорости сушки й(Г) принимают соответственно вид:

При уменьшении температурного градиента резко уменьшается скорость роста оболочки, что соответствует опытным данным.

Тогда базовые уравнения модели можно представить в окончательной форме:

ЛТ.

(12)

aw = exp

L-m _{f r-vr- h

<*ЛТ) = <т0(Т' - Тф),

с(т) =

t

Cj-c2 0<i<7; -c2 />7; '

Таким образом, разработанная локальная модель нанесения оболочек (13) учитывает следующие механизмы, эффекты и параметры (факторы):

- начальную захрузку компонентов {со, Rc, Gj, G^};

- дополнительный ввод ресурса (материала оболочки) {с2, Ti)

- унос ресурса потоком теплоносителя {cj};

- "просыпание" ресурса из зоны "2" в зону "1" динамического слоя {¿¡¡(¿¡-J,

ai(ziO,ei}\

- влияние начальной влажности {w0 в а ¡у);

- эффект локального влагоотделения на зерне потребителя {Л(Т)}\

- эффект сушки {а(Г), crw(T)};

- закон роста оболочки {aifzj)}-,

- градиент температуры {Г*-Гф};

- механизмы роста оболочки в зонах "1" и "2" {pi, рз, J), J2};

- динамический угол откоса динамического слоя в барабане {Д, в отношении P1/P2 по формулам (6), (7)};

- вероятностные законы контакта и присоединения частиц ресурса и зерен потребителя {f(Ni) и экспоненциальный закон а(Х) по формуле (9)};

- соотношение размеров частиц ресурса и зерен потребителя {г;, го};

- режимные, конструктивные и физико-механические параметры {coo, Ro, Pi, Ро, Gh G2, Co, c2 Cj, £•;, w0, f, ТФ, rh r0, Th Л(Т), d(I), atrfOY,

- опытные параметры {a0, bo, am, Л], d}, kj}.

Базовые уравнения модели дражирования полидисперсных гранул можно записать в следующем виде:

л ' " "х " (14)

ли

^ = аЛМ21)-Ь,Ы21, I = 1,2,- -и. (15)

Баланс в подсистеме потребителя обеспечивается введением «фракционного веса» -р, с соблюдением условия:

т

Хр<=1- (16)

1И=1

Законы локального роста оболочки - аи(г0 не будут зависеть от размеров зерен фракций, так как эта зависимость уже вынесена в факторы Бщ и .

Влияние факторов влажности и сушки на полидисперсную среду зерен потребителя будем учитывать интегральным образом. Следует заметить, что, вообще говоря, в факторы сцу и ¿>/ может быть введена зависимость от ггя.

Эффект «просыпания» будем учитывать интегральным (в среднем по фракциям) образом. Тогда выражение для г* запишется в виде:

С^+Сч с„г/

П

где с0 = Ы10р0 /р1 ■ ^N0,р„

ы (17)

П

(=1

Тогда, в окончательной форме, модель дражирования полидисперсных гранул может быть представлена в следующем виде:

2( Юо^ТхРг I ч , 7 ¿т сп,гг,

З'шРЛОп)

Л-л,

МюРо

(К0-ЮР2

м ^ <аР\

Следует заметить, что опытные параметры а0, Ъо, <у;го, Ль ¿1, к] не зависят от номера фракции.

Составленная выше модель нанесения оболочек на полидисперсные гранулы в барабанном дражираторе при соответствующих условиях будет адекватной и для спирального дражиратора.

Изучение механики потоков в спиральном дражираторе показывает, что барабанный гранулятор является прообразом-аналогом одной ячейки спирального дражиратора, что упрощает исследование последнего и служит базой для составления его инженерной методики расчета.

Перечислим условия перехода от барабанного дражиратора к спиральному дражиратору, в соответствие с моделью (13):

- в виду невозможности дополнительной подачи ресурса константы скорости и уноса должны приниматься равными нулю, т.е. с(т)^).

- конструктивной особенностью спирального дражиратора является постоянство толщины слоя в ячейке дражирования, что обеспечивает неизменяемость выражения:

- однако зависимость Но=Ио(г) должна задаваться в соответствии с выбранной конструкцией спиральной вставки.

В третьей главе проведены экспериментальных исследования процесса нанесения оболочек на зернистые материалы, целью которых является определение зависимости скорости роста гранул от основных конструктивных, технологических параметров дражиратора, физико-механических свойств материалов

ранулы и оболочки, а также проверка адекватности математической модели гаста гранул.

Исследование влияния режимных, геометрических и физико-леханических свойств материалов гранулы и оболочки на процесс роста гранул I определение констант модели роста гранул, а также опытная проверка ре-¡ультатов теоретических исследований проводились на экспериментальных установках, схемы которых изображены на рис.2 и 3.

Дражируемьш прог-угг Материал

А

Рис.2. Барабанный смеситель- Рис. 3. Схема дражировочного аппа-сфажиратор сыпучих материалов. рата со спиральным рабочим орга-

ном.

В процессе экспериментальных исследований проводились измерения :реднего диаметра готовых гранул при различных значениях угловой частоты

вращения дражиратора, температуры сушки, объема загрузки материала в ра бочую емкость и различной дисперсности материалов гранулы и оболочки.

Технологические параметры процесса нанесения оболочек на семен; сельскохозяйственных культур определялись в соответствии с технологически регламентом. Параметры модели определялись заданным технологическим рег ламентом и не зависели от режимных и геометрических параметров дражирато ра. В качестве ядер для нанесения оболочки применялись различные по размер; гранулы. Использовались семена сельскохозяйственных культур: петрушки лука, моркови, капусты и свеклы, а также сахарное драже, другие гранулы. Ма териалом оболочки, при покрытии семян, являлась смесь низинного торфа и из вести в весовом соотношении 100:1,2. Связующая смесь между семенами ] оболочкой представляла собой водный раствор казеинового клея и комплексно минерального удобрения, например, карбамида следующего состава (в весовы: долях компонентов) 10: 0,250: 0,065: 0,002.

Для контроля процесса роста покрывающей оболочки после окончана каждой стадии проводились отборы проб. Число отбираемых в каждом опыт проб определялась по известным методикам.

На рис. 4-7 представлены результаты сопоставления теоретических (13) ] (18) и опытных данных, относительное среднеквадратичное отклонение кото рых не превышает 10-15%.

На рис. 8. представлено сопоставление кинетики дражирования в бара банном и спиральном аппаратах. Очевидно,что в дражировочном котле семен; несколько быстрее набирают максимальную толщину оболочки, чем в спираль ном дражираторе. Однако в спиральном дражираторе оболочка семян боле плотная, и на стадии сушки она истирается в меньшей степени. Глубина пере работки ресурса в спиральном аппарате также выше, т.к. в нем отсутствует эф фект уноса материала покрывающей оболочки.

Приведенные исследования процесса дражирования семян показывают что теоретические зависимости (13) и (18) могут быть полоясены в основу ип женерной методики расчета спиральных дражираторов аналогичного типа.

■16 об/ми к (теория) "30 об/мин (теория) 24 об/мин (эксперимент)

■■»—20 об/мии (теория) ▲ 1в об/мин (эксперимент) ♦ 30 об/мин (эксперимент)

1.9 1.6 г 2

24 об/мин (теория) 20 об/мин (эксперимент)

Рис. 4. Зависимость массы оболочки гранулы от частоты вращения бара->ана (семена петрушки).

О 0,2 0,4

— —гС0в0.1 (теория) А С0«0.1 (эксперимент)

0,8 1 1,2 Е=аС0=3.2 (теория) I С0=0.2 (эксперимент)

1,6 1,8 »»"00=0.3 (теория) 9 С0=0.3 (эксперимент)

Рис. 5. Зависимость массы оболочки гранулы от величины загрузки барабана (семена лука).

Б 300 250 200

0 0,2 0,4 0.6

—г0»0.0125 м, г1 «0.0001 м (теория) ■■■■гО'0.0085 м, г1»0.0001 м (теория) ▲ г0»0.0085 м,г1=0.00025м (эксперимент) • гО-0.0125 м, г1 =0.00025 м (эксперимент)

0,8

1,2 1,4 1,6 1,8 —г0=0.0125 м, г1 =0.00025 м (теория) ""г0я0.0085 м. г1=0.00025 м (теория) ■ г0=0.0085 м. г1=0.0001 м (эксперимент) ♦ г0® 0.0125 м, г 1 »0.0001 м (эксперимент)

Рис. 6. Зависимость массы оболочки гранулы от размера фракции покры-

ЯТПГГГРГЛ Г.ПГ.ТЯИЯ и атт^п

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 г 2 Т2=?5 град, Т3=45 град, (теория) Т2-20 град, Т3=5 фад. (теория)

• Т2=?5 град, ТЗ-45 град, (эксперимент) ▲ Т2»20 град, ТЗ-5 фад. (эксперимент)

Рис 7. Зависимость массы оболочки гранулы от температуры сушки (семе на лука).

■Дражировочный котел ■ Спиральный дражиратор

Рис. 8. Сопоставление кинетики дражирования в барабанном и спирально* дражираторах.

Проведена проверка адекватности опытных и теоретических данных т гранулированию полидисперсной среды при различных значениях частой вращения спирального дражиратора.

В четвертой главе на основе разработанных математических моделе! предложены инженерные методики расчета геометрических и режимных пара метров барабанного и спирального дражираторов, позволяющие рассчитать оп тимальный вариант аппарата.

Расчет спирального смесителя-дражиратора включает в себя определение еометрических параметров: радиуса рабочего органа, шага спирали и двух южимных параметров: угловой скорости вращения и времени пребывания ранулы в аппарате. Причем время пребывания гранул в аппарате складывается 13 собственно времени дражирования, в течение которого осуществляется по-гача материала покрывающей оболочки и времени сушки, т.е:

Т„р ~ Т\ + Треушки (19)

Расчет оптимальных параметров спирального смесителя-дражиратора ос-ювывается на кинетическом уравнении процесса роста оболочки, ограниченнее на изменение геометрических и режимных параметров смесителя-1ражиратора, обусловленных техническими условиями эксплуатации. При этом золжно выполняться условие наименьших приведенных энергетических затрат три обязательном выполнении условия достижения заданной толщины оболочки.

Исходными данными для расчета спирального дражиратора являются: кассовая производительность по готовому продукту, показатель выхода товарной продукции, соотношение масс и объемов загрузки материалов покрывающей оболочки и гранул, физико-механические характеристики сыпучих мате-эиалов (средний размер фракций, насыпная плотность компонентов, угол есте-лвенного откоса), режим сушки.

Методика расчета спирального дражиратора:

1. Принимаем производительность аппарата, исходя из технических условий.

2. По формуле для расчета производительности рассчитываем шаг навивки спирального желоба. При этом считаем, что объем загрузки сыпучего материа-гта в одном витке спирали равен объему пространства ограниченного поверхностью корпуса аппарата, стенками спирального желоба и поверхностью естественного откоса сыпучего материала:

?

1—соэ — 2

А = -■ м . ("20"»

1[2о —эш оI 4 '

-203. Исходя из технических условий, задается требуемая толщина оболочки на выходе из аппарата 22вых-

4. Задаем первое приближение для радиуса барабана Яо, для частоты вращения &о и для времени подачи покрывающей оболочки В качестве такого приближения можно задать нижние ограничения данных параметров, определяемые технологическими требованиями.

5. Дальнейший расчет осуществляется итерационно, в соответствии с блок-схемой (рис. 9). Задачу Коши для дифференциального уравнения роста оболочки решаем методом Рунге-Кутга четвертого порядка. Начальные условия: величина ресурса гф)=1; материал оболочки гз(0)=0. В отличие от барабанного дражиратора, в спиральном аппарате отсутствует унос материала оболочки, поэтому в расчетах принимаем с2=0.

6. Рассчитываем величину материала ресурса по формуле:

г,=1-г2+с(г)7; г, (21)

Л0р1

где с(т) - функция подачи и Т] — время подачи материала оболочки; со - начальное соотношение материала ресурса и потребителя.

7. Величину температурного фактора а№ определяем выражением (13).

8. Вычисляем вероятности пребывания частицы дражируемого вещества Р/, Р2 в зонах I и П для каждого витка спирали по формуле (7).

9. По модели (13) рассчитываем кинетическую кривую роста оболочки. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что кривая роста оболочки носит экстремальный характер, т.е. имеет максимум. При достижении заданной толщины оболочки гВЫх, фиксируем время выхода и останавливаем процесс расчета. При этом должны дополнительно выполняться следующие условия:

- заданная толщина оболочки гранулы может быть достигнута либо на этапе подачи материала оболочки, либо на этапе сушки. Первый этап характеризуется высокой скоростью роста оболочки, а также ее невысокой прочностью (рыхлостью), на втором этапе - сушке - происходит уплотнение и частичное истира-

ие оболочки. Предусматривается прекращение расчета после прохождения казанного максимума толщины оболочки, что соответствует второму этапу ражирования. Величина данного максимума используется для расчета коэф-)ициента выхода товарной продукции;

Рис. 9. Блок-схема расчета оптимальных параметров спирального дражи-¡атора.

время сушки не может быть меньше минимально допустимого, определяемого технологическими требованиями, например, > 0.5-Т^ .0. В случае недостижения требуемой толщины оболочки на выходе из дражи-¡атора изменяем рассчитываемые параметры Ло, ®о и Т) (Рис. 9).

Задача оптимизации решается достижением необходимой толщины оболочки при выполнении минимума приведенных энергетических затрат на дра-жирование. При решении оптимизационной задачи удается получить оптимальную кривую дражирования на множестве их возможных при заданных технологических условиях. Критерий оптимизации:

Z2 - Z20(к™ (со0,R0,T}),{а,, Ь,})= const, (22)

где

ОРТ _ М?0У _

К ~ 4Г[ ~mmK(w>)> (23)

где М - масса дражиратора.

В приложении приводятся тексты программных модулей и справки об акте испытаний и использовании результатов работы.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны математические модели процесса роста оболочки при получении двухслойных гранул во вращающемся барабанном и спиральном желобе для монодисперсной и полидисперсной сред.

2. Впервые учтены и описаны эффекты просеивания, сушки и истирания оболочки при дражировании сыпучих материалов.

3. Установлено, что наибольшее влияние на рост оболочки оказывают величин загрузки, температура сушки, диаметр и угловая скорость вращения рабочего органа.

4. Предложена инженерная методика расчета основных геометрических и режимных параметров нового высокоэффективного спирального дражиратора. позволяющая выбрать оптимальный вариант дражиратора по наименьшим приведенным затратам.

5. Изучен процесс дражирования сыпучих материалов в спиральном дражираторе, что позволило разработать новую конструкцию спирального дражиратора рабочий орган которого выполнен в виде спирали, которая сужается в направ

ении or оси вала к периферии. Важным преимуществом спирального дражира-ора является, что будучи встроенным в технологическую линию, он позволяет роще организовать автоматический контроль за качеством готового продукта : непрерывно проводить дражирование.

. Проведены испытания нового спирального дражиратора сыпучих материа-ов в сельскохозяйственном производстве. Готовится к внедрению линия по [редпосевной подготовке семян в цехе дражирования ТОО НПП "Росток".

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

о - частота вращения барабана, рад-с"1; Л/ - температурный фактор; £; - пороз-юсть нижнего слоя; Ad - прирост диаметра гранулы, м; а0, bo, оо - эксперимен-■альные коэффициенты; Со - соотношение ресурса и потребителя; di - коэффи-гиент сушки, м3/с-°С; G и - отношение объемов верхнего и нижнего слоев; К -:оэффициент в скорости роста оболочки; го - радиус частицы ядра, м; г; - ради-'с частицы материала оболочки, м; Rj - радиус дражировочного барабана, м; Rc - радиус верхней границы слоя, м; Т* - температура теплоносителя, °С; Т\ -¡ремя подачи покрывающего компонента, с; Тф - температура гранул, "С; w0 -тчальная влажность, %; Ci, С2 - скорости подсыпки и уноса ресурса, с"1; m -iacca оболочки, мг; г =-f/T/ - приведенное время; П - массовая производитель-юсть, кг/ч.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Bytev D., Zaitsev A., Lichak D. Vortex liquid disperser for carrying out joint processes/ 12th International Congress of Chemical and Process Engineering, CHISA-96, Czech Republic, Praha, 1996. I. Бытев Д.О., Зайцев А.И., Личак Д.А. О пространственно-дробных моделях переноса: Международная конференция ММХ-10. Школа молодых ученых /Сб. тезисов, Тула - 1996.

-243. А.с. №2102849 РФ, МКИ А 01 С 1/06 Смеситель-дражиратор семян/ Д.А.Личак, А.Н.Зайцев, Д.ОБытев, АА.Мурашов. - Опубл. 27.01.98. Бюл №3.

4. Личак Д.А., Мурашов А.А. Расчет спирального дражиратора: Межвузовская региональная науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и докторантов/ Тез. докл./ Яросл. гос. техн. ун-т. - Ярославль, 1997. - с. 65.

5. Личак Д.А., Бытев Д.О., Зайцев А.И., Смекалова М.В. Кинетическая модель дражирования витаминов: Состояние и перспективы современного лекарствоведения/ Материалы науч.-практ. конф., посвященной 15-летию фармац. факульт. Ярославской государственной медицинской академии. - Ярославль, ЯГМУ, 1997, с. 39-41.

6. Полидисперсная модель дражирования зернистых материалов / Личак Д.А., Бытев Д.О., Зайцев А.И., Мурашов А.А.; Яросл. гос. техн. ун-т. - Ярославль, 1998. - 14 е.: - Деп. в ВИНИТИ 15.06.98. Ш805-В98.

7. Dmitry LICHAK, Donat BYTEV, Anaioliy ZAITSEV, Anatoliy MURASHOV PRODUCTION OP TWO-LAYER GRANULES IN MACHINES WITH SCREW GROOVES/ Yaroslavl State Technical University, Russia, XVI OGOLNOPOLSKA KONFERENCIA INZYNIERII CHEMICZEJI PROCESOWTJ, Krakow - Muslyna ТОМ II, 1998, p. 263-272.

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛИЧАК ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА НОВОГО СПИРАЛЬНОГО СМЕСИТЕЛЯ-ДРАЖИРАТОРА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

05.04.09 - машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

Ярославль -1998

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...............................................5

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................6

Глава 1. Современное оборудование для гранулирования сыпучих материалов методом накатывания и методы моделирования процесса получения двухслойных гранул..........9

1.1 Анализ современных конструкций смесителей-дражираторов для сыпучих материалов......................................................................................9

1.2 Анализ математических моделей кинетики гранулирования

методом окатывания...................................................................................20

1.3 Анализ моделей механики движения сыпучего материала в дражираторах барабанного типа................;: i ц:..................................28

1.3.1 Анализ математических моделей движения сыпучего вещества в

поперечном сечении барабанного дражиратора.................................28

1.3.2 Анализ математических моделей движения сыпучего материала

через выпускное отверстие...................................................................31

1.4 Выводы по главе и постановка задач исследования..............................34

Глава 2. Математическое моделирование процесса нанесения

оболочек на зернистые материалы методом окатывания..........36

2.1 Обоснование локальной модели ресурс-потребитель,

применительно к нанесению оболочек на зернистые материалы в барабанных и спиральных дражираторах..................................................36

2.2 Локальная модель нанесения оболочек....................................................40

2.3 Системно-структурный параметрический анализ нанесения оболочек в барабанных дражираторах.......................................................45

2.4 Модель нанесения оболочек на монодисперсные гранулы в

спиральном дражираторе.............................................................................66

2.5 Модель дражирования полидисперсных гранул......................................66

2.6 Выводы по главе...........................................................................................71

Глава 3. Экспериментальные исследования получения двухслойных

гранул в барабанных и спиральных дражираторах....................71

3.1 Описание лабораторной установки барабанного дражиратора............71

3.2 Методика проведения эксперимента на барабанном дражираторе......72

3.3 Описание лабораторной установки спирального дражиратора............78

3.4 Методика проведения эксперимента на спиральном дражираторе......78

3.5 Экспериментальные исследования процесса гранулирования сажи в спиральном дражираторе................................................................81

3.6 Экспериментальные исследования движения сыпучего материала

в витке спирального желоба........................................................................82

3.7 Экспериментальные исследования по определению мощности привода спирального смесителя-дражиратора........................................86

3.8 Проверка адекватности теоретических и экспериментальных исследований................................................................................................87

3.9 Выводы по главе...........................................................................................92

Глава 4. Инженерные методики расчета барабанного и спирального

смесителей-дражираторов...............................................................94

4.1 Метод расчета оптимальных параметров барабанного смесителя-дражиратора...................................................................................................94

4.1.1 Пример расчета барабанного смесителя-дражиратора сыпучего

материала...............................................................................................98

4.2 Метод расчета оптимальных параметров спирального смесителя-дражиратора...................................................................................................99

4.2.1 Определение производительности спирального дражиратора............99

4.2.2 Определение мощности привода спирального дражиратора.............101

4.2.3 Расчет оптимальных параметров спирального дражиратора..........102

4.2.4 Пример расчета спирального дражиратора.......................................106

4.3 Разработка новой конструкции спирального смесиггеля-

дражиратора.................................................................................................107

4.3.1 Описание и принцип работы нового спирального смесителя-

дражиратора........................................................................................107

4.4 Расчет диаметра отверстия конического накопителя..........................109

4.5 Эффективность работы спирального дражиратора. Сравнительные исследования..............................................................................................113

4.6 Промышленное использование результатов работы.............................116

4.7 Выводы по главе.........................................................................................118

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..............................119

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................130

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 угол подъема центра масс материала рад

СОо частота вращения барабана рад-с"1

экспериментальный коэффициент

температурный фактор

Р1 плотность частицы материала оболочки кг/м3

Ро плотность частицы ядра кг/м3

М прирост диаметра гранулы м

ЛБ перемещение гранулы м

СОг угловая скорость собственных вращений частиц сыпучего материала рад-с"1

а0 экспериментальный коэффициент

Ь0 экспериментальный коэффициент

Со соотношение ресурса и потребителя

с!] коэффициент сушки м3/с-°С

(¿12 отношение объемов верхнего и нижнего слоев

Ом сила тяжести материал Н

К коэффициент в скорости роста оболочки

т число витков спирали

го радиус частицы ядра м

п радиус частицы материала оболочки м

Яо радиус дражировочного барабана м

Яс радиус верхней границы слоя м

ЯБ расстояние от оси вращения барабана до центра масс материала м

Г температура теплоносителя °С

Т! время подачи покрывающего компонента с

Тф температура гранул °С

V скорость движения сыпучего материала м/с

Уз объем загрузки материала в одном витке

М>0 начальная влажность %

с1 скорости подсыпки ресурса с-1

с2 скорости уноса ресурса с1

ВВЕДЕНИЕ

Области применения материалов в оболочках очень обширны, например, использование неслеживающихся минеральных удобрений, безопасных для человека химических средств защиты растений, дражирование лекарственных средств, витаминов, семян, комбикормов /1/. Повышение качества, улучшение товарного вида, расширение функциональных возможностей сыпучих материалов бытового и промышленного назначения требует создания принципиально новых методов и оборудования для нанесения оболочек на зернистые материалы, которые пригодны для производств любой тоннажности. Заключением материалов в оболочки можно уменьшить реакционную способность, смешивать несмешивающиеся и реагирующие друг с другом соединения, придавать материалам новые физические и физико-механические свойства: уменьшать летучесть, изменять плотность, гранулометрический состав, форму, угол естественного откоса, вкус, запах и т.д. Все возрастающий спрос на данную продукцию, повышение требований к ее качеству, расширение ассортимента выпускаемых продуктов вызывают необходимость совершенствования старых и внедрение новых, прогрессивных технологических производств, более совершенных и экономичных. Кроме того, одной из основных задач является обеспечение технического перевооружения и интенсификации уже действующих технологических производств. Поэтому, несмотря на большое многообразие конструкций дражираторов, продолжаются поиски новых, более совершенных вариантов, обеспечивающих при сравнительно малых затратах энергии наибольшую производительность процесса при высоком качестве готового продукта. При этом возникает необходимость в дражировочном оборудовании, легко встраиваемом в автоматизированные линии и обеспечении автоматизированного контроля за качеством получаемых гранул.

Развитие техники гранулирования обычно связано с общим развитием технологии производства того или иного продукта. Выбор метода гранулирования зависит от конкретного производства. Процесс нанесения покрывающих оболо-

чек на некоторые сыпучие материалы обладает рядом особенностей: необходимостью нанесения оболочек большой толщины; широкой номенклатурой дра-жируемого сырья и материала оболочки, требующей быстрой переналадки оборудования; малотоннажностью производства. Этим требованиям технологического процесса в наибольшей степени удовлетворяет оборудование, использующее метод окатывания и одновременно являющееся относительно дешевым.

Наибольшей функциональностью и производительностью обладают барабанные дражираторы, которые до сих пор широко используются в практике. Однако они имеют ряд существенных недостатков: особенности конструкции барабанных дражираторов затрудняют осуществление автоматизированного контроля за качеством получаемых гранул; трудно получить гранулы с большой толщиной оболочки.

Существующие математические модели роста гранул требуют большого объема экспериментальных данных при подборе эмпирических коэффициентов, не всегда учитывают картину движения сыпучего материала, а также полидисперсность дражируемого материала, процессы истирания и сушки. Данный недостаток теоретических знаний в области дражирования гранулированного материала затрудняет создание нового высокоэффективного оборудования и определение оптимальных геометрических и режимных параметров процесса, что, как правило, приводит к неоправданным затратам энергии и снижению качества продукции.

Этим определяется актуальность задач по созданию нового дражировочного оборудования. При разработке нового оборудования для дражирования гранулированного материала необходимо провести всесторонний анализ всех стадий процесса, чтобы подготовить более обоснованные и достаточные по объему данные и рекомендации для проектирования аппаратуры. Решению указанных задач и посвящена данная работа.

Научную новизну работы представляют: - математическая модель роста гранул во вращающемся барабанном и спи-

ральном дражираторах;

- модель дражирования полидисперсного гранулированного материала;

- результаты экспериментальных исследований влияния геометрических и режимных параметров спирального смесителя-дражиратора на эффективность нанесения оболочек на гранулы;

- инженерная методика расчета геометрических и режимных параметров барабанного и нового спирального смесителей-дражираторов; Практическую ценность полученных в работе результатов составляют:

- инженерная методика расчета геометрических и режимных параметров нового спирального смесителя-дражиратора;

- конструкция нового спирального смесителя-дражиратора;

- опытные испытания спирального аппарата для нанесения покрывающих составов на частицы сыпучего материала;

Автор защищает:

- математическую модель процесса роста гранул во вращающемся спиральном дражираторе;

- модель дражирования полидисперсного гранулированного материала;

- результаты экспериментальных исследований влияния геометрических и режимных параметров спирального смесителя-дражиратора на эффективность нанесения оболочек на гранулы;

- инженерную методику расчета геометрических и режимных параметров нового спирального смесителя-дражиратора;

Работа выполнялась на кафедре "Теоретическая механика" Ярославского государственного технического университета в соответствии с программами:

1. Научно-техническая программа Минобразования РФ "Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке высшей школы" №Г.Р. 01980004598;

2. Инновационная научно-техническая программа "Нефтехим" № Г.Р. 01970000436;

Глава 1. Современное оборудование для гранулирования сыпучих материалов методом накатывания и методы моделирования процесса получения двухслойных гранул

1.1 Анализ современных конструкций смесителей-дражираторов для сыпучих материалов

Данный раздел посвящен анализу конструкций аппаратов для нанесения покрытий на гранулированный материал. Оборудование, в котором процессы нанесения оболочек осуществляются в концентрированных слоях зернистых материалов при активном их перемешивании, включает в себя, в основном, барабанные и тарельчатые машины различных типов /2,3,4,5,42/ и аппараты с псевдоожиженным слоем /6,7,8,9,10,11/.

Устройство непрерывного действия предназначено для получения сферических гранул из предварительно сформованных цилиндрических (рис. 1.1) /12/. Цилиндрические влажные или пластинчатые гранулы через загрузочный патрубок 1 загружаются во внутреннюю зону, ограниченную перегородкой 2. Под действием центробежных сил, попавшие на вращающийся диск 3 гранулы разлетаются по его периферии, образуя кольцевой слой гранул. Непрерывно поступающие через загрузочный патрубок цилиндрические гранулы увеличивают высоту кольцевого слоя, при этом часть гранул, слегка прикатанных, вытесняется через перегрузочное отверстие 4 в следующую зону, ограниченную второй перегородкой, большей по диаметру, чем предыдущая. В этой зоне гранулы подвергаются более интенсивному окатывающему воздействию за счет возросших окружных скоростей (т.к. возрос радиус окатывания), при этом гранулы приобретают более округлую форму, чем в предыдущей зоне. За счет вытеснения поступающими из предыдущей зоны гранулами, окатываемые гранулы вытесняются из этой зоны в следующую и так далее до окончательной выгрузки. При вращении диска 3, скребки 5, скользя по внутренним поверхностям цилиндрических обечаек 2 и корпуса 6, препятствуют нарастанию слоя продук-

та из окатываемых гранул. В зависимости от влажности продукта время пребывания в каждой из указанных зон окатываемых гранул регулируется подъемом и опусканием цилиндрических перегородок 2 с помощью резьбовых осей 7 и рукояток 8. При завершении процесса окатывания диск 3 поднимается вверх до уровня перегрузочных отверстий 4 всех цилиндрических обечаек 2 и выгрузочного патрубка 10 с помощью резьбовой тяги 11. Недостаток аппарата - необходимость предварительной обработки гранул, с целью придания цилиндрической формы, что не целесообразно при гранулировании, например, семян.

Устройство для дражирования зернистого материала (рис. 1.2) предназначено для покрытия поверхности семян различных сельскохозяйственных культур /13/. Рабочий орган представляет собой полый куб, граница которого состоит из плоскостей, в частности, квадратов определенных размеров из прочного материала и соединенных в местах прилегания ребер. Каждая ступица 4 закреплена на подвижной платформе, а оси вращения закреплены в каждой вершине куба 2. Приводной барабан 2 механизмом привода 1 устанавливается в исходное положение. Загрузка необходимого количества сыпучего материала и компонентов покрывающего состава производится из загрузной горловины 3. Приводной барабан 2 приводится во вращение, и сыпучий материал, совместно с компонентами покрывающего состава за счет действия гравитационных сил, возникающих при изменении положения каждой грани приводного барабана 2, перемешиваются. Сыпучий материал и компоненты покрывающего состава перекатываются с одной грани на другую с определенной скоростью перемешивания и заданным временем обработки гранул. После отведенного времени на процесс инкрустирования приводной барабан 2 устанавливается в исходное поло жение, при котором выгрузная горловина 5 находится внизу и под действием силы тяжести обработанные гранулы пересыпаются в тару. Недостаток аппарата - полное отсутствие механизации и автоматизации процесса дражирования и как следствие, невысокое качество нанесения оболочек.

Дисковый гранулятор (рис. 1.3) предназначен для приготовления

1 8

Рис. 1.1. Устройство для непрерывного получения сферических гранул

4 2 1

гранули рованных составов при производстве минеральных удобрений и товаров бытовой химии, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности /14/. Дисковый гранулятор состоит из бункера-дозатора 1 сыпучего материала, который загрузочным патрубком 2 закреплен на крышке 3 корпуса 4 аппарата. Под дозатором сыпучего материала соосно, один над другим размешены два горизонтальных диска 6 и 7, нижний из которых соединен с валом электродвигателя. Сыпучий материал из бункера-дозатора 1 поступает в загрузочный патрубок 2, в котором происходит смешение с жидкой составляющей, вводимой через распылитель 5. Далее увлажненный материал через центральное отверстие втулки 8 и ее боковые отверстия 9 на уровне зазора между дисками поступает в зазор между дисками. Предварительно сформированные однородные гранулы, выходящие из отверстий 9, далее упрочняются и окатываются при прохождении между двумя вращающимися дисками. Готовые гранулы выводятся из корпуса 4 гранулятора через штуцер 10.

Другой дисковый аппарат для дражирования семян, работающий в непреры