автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка процесса прессового гранулирования мелкодисперсных сред на примере минеральных порошков и древесных отходов

На правах рукописи

* і

Булатов Илья Анатольевич

Разработка процесса прессового гранулирования мелкодисперсных сред на примере минеральных порошков и древесных отходов

05.17.08 - процессы и аппараты химических технологий 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДПР ЇШ

Москва 2012

005019790

005019790

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО МГУИЭ) на кафедре ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация: Московский Государственный Открытый Университет им. B.C. Черномырдина (МГОУ) г.Москва

Защита диссертации состоится «26» апреля 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии (МГУИЭ) по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан «26 »марта 2012 г.

Vnafii ttj лаітат<лпг

Назаров Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Таран Александр Леонидович

кандидат технических наук Мандрыка Евгений Александрович

С.А. Трифонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В различных отраслях современной промышленности широко применяются мелкодисперсные материалы, однако их использование связано с такими трудностями как пыление, склонность к слеживанию и просыпь при транспортировке. При их дальнейшем использовании в технологическом цикле возникают вопросы экологической безопасности. Для решения этих проблем проводят их гранулирование различными способами.

Рассматриваемые в работе микротальк, оксиды титана различного производства и древесные опилки нашли широкое применение в качестве адсорбентов и наполнителей в бумажной, лакокрасочной, керамической и пластмассовой про-мышленностях, причем оксиды титана в лакокрасочной и микротальк в бумажной промышленностях испытывают наименьшую конкуренцию со стороны других промышленных минералов.

Исследуемые в работе древесные опилки различной природы (отходы лесопиления и деревообработки) используются для производства топливных гранул (пеллет) и брикетов, призванных заменить собой традиционные источники энергии - нефть и природный газ - цены на которые постоянно растут, а ресурсы ограничены.

Современные способы гранулирования рассматриваемых материалов не достаточно эффективны, так как в большинстве своем не учитывают природу гранулируемого материала и его структурно-деформационные свойства.

Получение широкого спектра продуктов в гранулированном виде методами прокатки и компактирования при пониженных энергозатратах за счет изменения реологических свойств гранулируемых мелкодисперсных сред как на стадии подготовки сырья, так и непосредственно в процессе гранулирования, является перспективным.

Данная работа посвящена проблеме изучения влияния структурно-деформационных и реологических свойств исследуемых материалов на эффективность процесса гранулирования на валковом прессе и роторном грануляторе с плоской матрицей. В связи с этим актуальное научное и практическое значение имеют проведенные в данной работе теоретические и экспериментальные исследования процессов гранулирования мелкодисперсых сред с регулируемыми характеристиками и создание научно-обоснованных методов их расчета.

Целью работы является разработка процессов гранулирования мелкодисперсных шихт компактированием на валковом прессе и прокатки растительных отходов на роторных грануляторах с плоской матрицей в каналах переменного сечения а также разработка уточненных методик расчета энергосиловых и геометрических параметров валковых прессов и роторных грануляторов.

В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:

■ анализ современного состояния методов гранулирования порошковых шихт и особенностей расчета силовых параметров процессов компактирования и прокатки;

■ рассмотрение реологических моделей поведения порошковых материалов в зависимости от их природы и технологических факторов;

■ создание физической и математической моделей поведения дисперсных сред в очаге деформации переменного сечения;

■ создание экспериментальной установки для исследования процесса прокатки через фильеру с каналом переменного сечения и с термонагревом;

■ разработка технологического процесса и оборудования для прокатки порошков с учетом изменения их реологических свойств;

■ разработка методики инженерного расчета основных параметров процесса компактирования и прокатки мелкодисперсных сред на роторном грануляторе.

Научная новизна:

■ Разработан процесс гранулирования мелкодисперсных сред методом компак-тирвания с получением плотно-прочных прессовок и предварительным переводом их в пластифицированное состояние.

■ На основе факторного эксперимента были получены уравнения и номограммы для определения плотности и прочности прессовок из оксида титана и талька и их реологических характеристик (пластической прочности и коэффициента бокового давления) в зависимости от режимных параметров процесса прессования - влажности и удельного давления.

■ Разработана физическая модель процесса гранулирования древесных отходов прокаткой через фильеру с меняющейся геометрией канала с учетом их исходных структурных и физико-химических свойств.

■ Исследованы реологические характеристики процесса проходного прессования древесных опилок различной природы и установлено, что оптимальным режимом при прокатке является температура нагрева порядка (120-И 80)°С, пластическая прочность (1-^2) кПа и коэффициентом бокового давления (0,3-Ю,8).

" Предложена методика расчета силовых параметров процесса прокатки через фильеру на основе уравнения движения материала по каналу с меняющейся геометрией и экспериментальных данных компрессионных испытаний.

Практическая значимость:

■ Разработан метод компактирования мелкодисперсных сред минеральной природы и метод прокатки древесных опилок на роторных гранулятрорах с плоской матрицей, которые могут использоваться при получении наполнителей для бумажной и лакокрасочной промышленностей, адсорбентов для очистки бумажных масс, для утилизации промышленных и бытовых отходов и при получении биотоплива на основе отходов растительного и древесного сырья.

■ Создана инженерная методика исследования процесса проходного прессования дисперсных материалов в канале с меняющейся геометрией при различных температурных режимах.

■ Разработана конструкция роторного гранулятора с плоской матрицей с каналами переменного сечения и с термонагревом. Результаты расчета основных технологических параметров и конструктивных размеров роторного гранулятора переданы в ООО «Технопромсервис», и будут использованы при проектировании и изготовлении гранулятора в 2012 г.

■ Созданы научно-обоснованные комплексные методики расчета процессов компактирования мелкодисперсных сред на валковом прессе и гранулирования

древесных отходов различного происхождения с регулируемыми реологическими свойствами в роторных грануляторах с плоской матрицей.

■ Материалы диссертационной работы опробованы и внедрены в лабораторный практикум МГУИЭ при изучении дисциплин «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» и «Переработка и обезвреживание твердых промышленных отходов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-м международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: проблемы и перспективы», г. Москва 2004г.; международных интернет-форумах молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития», г. Москва 2005-2006 г. и 2010г.; на 9-м международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития», г. Москва 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, 4 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, тезисы 2 докладов на международных симпозиумах и тезисы 2 докладов на международных интернет-форумах.

Объем и структура работы. Содержание диссертации изложено на 182 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков, 10 таблиц и список использованных источников из 110 наименований. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выполненной работы и обоснован выбор объектов исследования, в качестве которых приняты мелкодисперсные порошки микротальк, оксид титана в рутильной и анатазной форме, а также растительные отходы в виде древесных опилок различной природы (березовые, сосновые свежие, из бруса и опилки от ДСП).

В первой главе проанализировано применение талька, оксида титана и древесных опилок в различных отраслях промышленности.

Рассмотрен вопрос производства и использования в качестве топлива гранул из древесных опилок. Показано, что древесные гранулы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционным топливом благодаря возобновляемо-сти исходного сырья, высокой энергоконцентрации, насыпной плотности, транспортабельности, экологичности и низким энергозатратам при производстве. Приведены основные стадии процесса изготовления древесных гранул, а также ряд применяемых на производстве технологических схем.

Проведен анализ различных методов гранулирования мелкодисперсных сред и применяемого при этом оборудования. В результате анализа установлено, что наиболее перспективным является применение компактирования микроталька и оксида титана на валковом прессе и прокатка древесных опилок различной природы на роторных прессах. При этом показано, что для этих материалов отсутствуют сведения об изменении физико-механических характеристик и реологических свойств от различных параметров и технологических добавок на разных стадиях гранулирования.

Рассмотрены методы расчета силовых параметров процессов компкатирова-ния и прокатки на роторных прессах. Отмечено, что применяемые методы расчета не учитывают реологических свойств перерабатываемых веществ и уточненных физических моделей их поведения в очаге деформации.

Рассмотрены особенности реологических свойств и деформирования исследуемых веществ. Отмечено, что для рассматриваемых в работе веществ, являющихся мелкодисперсными порошками, зависимость напряжения от деформации носит нелинейный характер, а их напряженно-деформированное состояние изменяется во времени.

Анализ поведения мелкодисперсных сред при компак-тировании на валковом прессе и в канале роторного гранулятора а также наши предварительные исследования показали, что изменение реологических свойств сырья в процессе подготовки и при гранулировании имеет существенное влияние на процесс.

Увлажнение минеральных солей значительно снижает их пылимость и потери при производстве, при этом происхо-

1)75 е-

5 150

г

га

§125

о V §.100

X 75 г

4>

| 50

§

| 25 | ° >>

* \ —, \ \ "X

\ 2

л Ч

л 5 Ю 1 15 1 ■>0 1 15 1 50 1 65 1 «0 1 05 7 0 7 75 7

1225 1050^ 875 £ 700 5

Температура и "С

Рис.1. Зависимость изменения плотности прессовок и удельного давления прессования от температуры нагрева для березовых опилок: 1 -Руд=Д1);2 -р=/1). дит прирост плотности гранул и снижение удельного давления прессования.

Так же нами отмечено, что использование термонагрева непосредственно в процессе гранулирования древесных отходов приводит к резкому снижению удельных давлений при высокой плотности и прочности получаемых цилиндрических гранул. Из графика зависимости плотности от температуры (рис.1 кривая 2) видно, что с ростом температуры плотность гранул изменяется незначительно и в среднем равна 1300 кг/м3. При этом удельное давление прессования сильно снижается в диапазоне температур от 100 до 200°С (рис. 1 кривая 1). При давлении (40-60) МПа плотность прессовок составляет -1300 кг/м3, в отличие от прессования в цилиндрическом канапе, где средняя величина давления Руд= (110-140) МПа.

В качестве оценки реологических свойств материала выбрана пластическая прочность коэффициент бокового давления.

В результате анализа литературных данных сформулированы задачи научных исследований.

Во второй главе проведен анализ напряженного состояния в очаге деформации валкового пресса и роторного гранулятора с плоской матрицей.

Зоны деформации валкового пресса можно представить в виде канала переменного сечения с криволинейными границами, а формующий канал в роторном грануляторе - как канал проходного прессования переменного сечения. При такой формальной аналогии границ очагов деформации поведение мате-

риала при его прохождении описывается реологическими моделями с использованием механических элементов. Можно предположить, что изменение реологических свойств приведет к переходу от сыпучей среды к связанной или сыпуче-пластичной. Кроме того известно, что при нагреве растительных отходов (древесных опилок) выделяются пластифицирующие компоненты и среда переходит в условно-пластичную.

Приведены аналитические уравнения для определения распределения давления по дуге валка, полученные на основе анализа физической модели процесса компактирования мелкодисперсных материалов на валковом прессе и их напряженного состояния в очаге деформации.

Получена физическая модель процесса прокатки мелкодисперсных сред на роторных грануляторах с плоской матрицей. Прессы с плоской матрицей обладают простотой конструкции, удобством эксплуатации и относительной простотой в производстве матриц. При изготовлении матриц каналы в них выполняют как с постоянным так и с переменным сечением (рис.2).

Рис.2 Примеры исполнения кана- Рис.3 Схема продавливания материала че-лов в матрицах роторных прессов, рез каналы матрицы: 1 — валок; 2 - материал; 3 - матрица; 4 - гранулы; 5 - нож; 6 - эпюра напряжений.

При прокатывании валка (рис.3) перерабатываемый материал за счет сил трения втягивается в очаг деформации (клин), где, вследствие пластических деформаций и циркуляционного течения, происходит его уплотнение. Увеличение числа контактов частиц увеличивает сопротивление материала сдвигу, обуславливая тем самым соответствующий рост напряжений. В момент, когда эти напряжения превысят сопротивление матрицы, начнется процесс формования гранул. При этом давление в рабочей области будет снижаться от давления формования до давления упругого последействия, а плотность формуемой массы останется постоянной.

Рассмотрены особенности движения гранулируемых продуктов по формующему каналу с переменной геометрией и условия моделирования технологических и конструктивных параметров формующего гранулятора.

Со стороны формующего ролика на материал, находящийся в канале, прикладывается осевое усилие. Перемещению материала по каналу препятствуют силы внешнего трения, развивающиеся на боковой поверхности материала. С

возрастанием осевого усилия увеличиваются и осевые напряжения в материале, которые в свою очередь вызывают деформацию материала в радиальном направлении, что приводит к дополнительному увеличению силы бокового давления и силы трения на боковой поверхности материала. Таким образом сила, действующая на материал во входном сечении канала, уравновешивается силой на выходном сечении канала и равнодействующей сил трения, распределенных по боковой поверхности формуемого материала. Материал перемещается тогда, когда осевая сила превысит суммарную силу трения материала о поверхность формующего канала.

Направление движения материала

Рис.4 Схема сил, действующих на материал в канале матрицы.

Прокатывающий ролик действует на формующий канал циклически. По окончании контакта ролика с каналом осевое давление становится равным нулю. Под воздействием остаточных внутренних напряжений возможно увеличение размеров материала, находящегося в канале, в осевом и диаметральном направлениях. Однако увеличению размеров в диаметральном направлении препятствуют стенки канала, а в осевом направлении - силы трения о боковую поверхность материала. Поэтому можно принять канал абсолютно жестким.

Для определения изменения давления по длине формующего канала рассмотрим условия равновесия элементарного слоя материала в цилиндрическом отверстии формующей решетки гранулятора, разделив канал длиной -С на три участка длиной 12 и ¿з (см- рис.4). Геометрический профиль канала выбирался с учетом реологических характеристик перерабатываемого материала.

Примем, что Р0, Р/, Р2, Рз - давления соответственно на входе в канал, выходе с первого, второго и третьего участков; Р - давление на слой материала; Т - сила трения; Р5 - давление на боковую поверхность материала; 2а- угол при вершине конуса на втором участке; с!/ и сі2 - диаметры канала на первом и третьем участках.

Уравнения силы трения и давления на боковую поверхность запишем в виде:

(і)

Р6=Р-4,- (2)

где £ - коэффициент бокового давления;/- коэффициент внешнего трения. Полагаем, что произведение коэффициента бокового давления на коэффициент трения практически не изменяется по длине канала.

Запишем условия равновесия всех действующих сил на первом участке длиной ¿і для элемента материала длиной йі. Приняв за положительное направление действия удельного давления прессования направление движения массы

материала, получим .2

--^-«¿Р = гг-</, (3)

4

После преобразования имеем ир 4

(4)

Р (І,

Интегрируя левую часть уравнения от Р0 до Р1, а правую от 0 до 1\, получим

(5)

Для третьего участка канала давление Р3 рассчитывается аналогично давлению Р] для первого участка:

/ з = Р2 • ехр

—Г'/'?-*:

Для второго (конического) участка условие равновесия имеет вид

7С- (¡2

(ІР^ж-ісії -2-£2-5та)-/-Р-¿¡-М-сова

После преобразования получим: (1Р _ 4/-4-сова Р с1^-И2-ша'

-М

(6)

(7)

(8)

Аналогично интегрируя левую часть уравнения от до Р2> а правую от 0 до С2, получим:

(9)

Рг =Р{-ехр 2/-£-с/£а-1п 1-28та— I V

С учетом уравнений (5) и (9) уравнение (6) для определения давления по длине канала примет экспоненциальный вид:

I,

Ръ =Р0 - ехр

I -2в'та — \ -4/ ■ 4

І1 + І1 А ¿г

\\

(10)

Из уравнения (10) видно, что для уменьшения потери давления на продавли-вание материала через канал матрицы необходимо стремиться к уменьшению длины канала, коэффициента внешнего трения /и коэффициента бокового давления £ Уменьшение диаметра канала, напротив, приведет к росту потерь дав-

ления.

Очевидно, что необходимым условием движения материала по каналу матрицы является превышение силы давления на материал над силой трения:

Со+ +

4 4 16 (И)

Из выражения (11) после сокращений и преобразований получим:

¿і

//

1-ехр

1 -2 вігі а-

(12)

))

Полученное выражение (12) является необходимым условием формования гранул и устанавливает связь между геометрическими размерами канала матрицы и свойствами гранулируемой системы.

В этой главе также приведено описание методик исследования различных характеристик рассматриваемых мелкодисперсных сред, а также используемых приборов и лабораторных установок.

Для измерения пластической прочности исследуемых веществ использовался конический пластометр. В качестве основных факторов, влияющих на изменение пластической прочности были выбраны влажность (для мелкодисперсных порошков) и температура (для опилок различной природы).

Исследование компрессионных свойств рассматриваемых веществ проводилось по известным методикам в закрытой матрице и компактированием на валковом прессе. Для определения распорного усилия на валковом прессе использовали тензометрический метод.

При определении коэффициентов бокового давления и внешнего трения использовалась разработанная в МГУИЭ установка, также использующая тензометрический метод.

Для исследования процесса прессования в роторном грануляторе использовалась специально разработанная установка, позволяющая моделировать процесс проходного прессования в канале переменного сечения, с различным углом конусной части и поддержанием заданного температурного режима.

В третьей главе представлены результаты исследований структурно-деформационных свойств гранулируемых продуктов и процесса гранулирования минеральных солей и опилок необходимые для определения силовых параметров процессов грануляции а также для анализа изменения реологических характеристик исследуемых сред.

Одним из критериев является пластическая прочность, Рм. В результате исследований были получены графические зависимости изменения Рм от влажности талька и оксида титана а для опилок различной природы от температуры (рис. 5,6).

Влажность %

Рис.5 Зависимость пластической прочности от влажности: 1 - оксид титана украинского производства; 2 - оксид титана финского производства; 3 - микротальк.

Из рис.5 видно, что в исследуемом диапазоне влажности (0^ 15)% количество влаги не влияет на изменение Рм для микроталька. С ростом влагосодержания она остается неизменной и равной приблизительно 0,18 кПа. Можно отметить, что Рм микроталька является достаточно низкой, что обуславливается мел-кодисперсностью самого материала.

Пластическая плотность оксида титана, как украинского, так и финского производства, с ростом влагосодержания от 0 до 8% уменьшается до (0,8-5-1) кПа, а затем вновь начинает расти. Это вызвано тем, что первоначально, при малых значениях влажности, частицы влаги не участвуют в межмолекулярном взаимодействии, а лишь ослабляют его силы, увеличивая при этом подвижность (пластичность) всей системы. С ростом же влагосодержания частицы воды вступают во взаимодействие с

частицами оксида титана, связывают их, что приводит к уплотнению общей структуры и, соответственно, к росту Рм.

Для опилок различной природы (рис.6) установлено, что в диапазоне температур от 50°С до 150°С величина Рм березовых опилок изменяется незначительно, но с дальнейшим повышением температуры рост Рм значительно увеличивается. Это связано с тем, что температуры, при которой происходит размягчение лигнина и гемицеллюлозы, которых в лиственных породах содержится больше, чем в хвойных, составляют порядка

(140-И 70) С (кривая 2). Р„ сосновых опилок с ростом температуры в пределах (5(Н200)°С практически не изменяется. Р„ опилок из ДСП в диапазоне температур от 50°С до 100°С увеличивается, а затем снижается. Это объясняется тем, что входящие в состав ДСП химические соединения в начале размягчаются, и служат связующими веществами, а с дальнейшим ростом температур начинается их интенсивное испарение, а соответственно и падение Рм.

Результаты исследования коэффициента бокового давления ^ для минеральных солей показали, что в исследуемом диапазоне давлений (4^35) МПа суще-

Телшерат>ра I, °С

Рис.6 Зависимость пластической прочности от температуры: 1 - березовые опилки; 2 - сосновые опилки свежие; 3 - сосновые опилки из бруса; 4 -опилки ДСП.

5 6 7 8 9 10

Влажность %

Рис.7 Зависимость коэффициента бокового давления от влажности. 1 - Тальк; 2 - оксид титана украинского производства; 3 - оксид титана финского производства.

ственное влияние на £ оказывает влажность испытываемой системы. В тоже время при увеличении давления прессования и при постоянной влажности значения ^ меняются незначительно.

Из рис.7 можно сделать вывод, что с ростом влажности до 10% коэффициент | для всех порошков уменьшается, а затем вновь начинает расти. Это объясняется изменением величины пластической прочности (рис.5). При увеличении влажности до 10% величина Рм системы снижается - она становится более пластифицированной и £ также уменьшается. Дальнейший рост влажности снижает подвижность системы, что приводит к увеличению коэффициента £

Характер изменения коэффициента бокового давления для древесных отходов от технологических параметров представлен на рис.8.

Для всех типов опилок коэффициент £ растет с увеличением давления. Полученные данные также согласуются с результатами измерений Рм для опилок - наибольший £ имеют березовые опилки, наименьший - опилки ДСП.

Далее в работе рассматривался процесс прессования микроталька и оксида титана в закрытой матрице и на валковом прессе. На рис.8 представлены зависимости плотности прессовок от давления прессования при различной влажности для микроталька (вид кривых для ТЮ2 но-

7.5 10 115 15 17.5 20 215 25 27.5 30 323 35

Удельное давление прессования Р, МПа

Рис.8 Зависимость коэффициента бокового давления от давления для опилок: 1 - березовых; 2 - сосновых свежих; 3 - сосновых из бруса; 4-ДСП.

Рис.9 Зависимость плотности прес- прессовок от влажности при различ-совок микроталька от давления при ном давлении прессования для микроразличной: 1 - XV = 0,1%; 2 - XV = 5 %; талька: 1 - руд = 16>8 МПа; 2 - Руд = 3 _ \у = 1 Оо/о; 4 _ \у = 15% 33>7 МПа; 3 ~ руд = 67>3 МП*; 4 - руд

= 84,2 МПа.

сит аналогичный характер). Из полученных кривых видно, что процесс уплотнения можно условно разделить на четыре фазы. В первой фазе, которая заканчивается при давлении порядка 18 МПа, уплотнение происходит за счет быстрой переупаковки частиц мелкодисперсного порошкового материала. Во второй фазе при переходном режиме (Р)д = (18-К30) МПа), происходит образование прочно-плотной структуры. При этом заканчивается хрупкое разрушение частиц и пластическое затекание материала в пространство между порами прессовки. На третьей фазе после 30 МПа происходит пластическая деформация си-

Рис. 11 Зависимость плотности прессовок от влажности при различном давлении прессования для диоксида титана украинского производства: 1 - Руд = 16,8 МПа; 2 - Руд = 33,7 МПа; 3 - Руд = 67,3 МПа; 4 - Р;д = 84,2 МПа.

Рис.12 Зависимость плотности прессовок от влажности при различном давлении прессования для диоксида титана финского производства: 1 - Руд = 16,8 МПа; 2 - Руд = 33,7 МПа; 3 - Руд = 67,3 МПа; 4 - Руд = 84,2 МПа.

ликатной структуры и рекристаллизация оксидов титана. Плотность прессовок практически не растет. Во время четвертой фазы завершается процесс упругой деформации системы с образованием упруго-пластичной прессовки. Плотность прессовок практически не растет.

Влияние влажности шихты на характер изменения плотности прессовок представлено на рис. 10-12.

Для микроталька при увеличении влажности плотность прессовок вначале растет, затем проходит максимум при влажности порядка (1СМ2) % после чего падает (рис.10). Это обусловлено гидрофобностью микроталька - с ростом влажности выше (10-К2) % лишняя влага начинает выпрессовываться. При этом снижается качество самих прессовок. Для диоксида титана украинского производства в исследуемом диапазоне влажностей наблюдается практическая линейная зависимость плотности прессовок от влажности исходного порошка (рис.11).

Для диоксида титана финского производства в исследуемом диапазоне влажностей наблюдается (рис.12) практически линейная зависимость плотности прессовок при увеличении влажности до 5%. Затем в диапазоне (5-И2) % плотность практически не меняется, а затем вновь начинает расти.

Для всех исследуемых мелкодисперсных материалов можно отметить значительный прирост плотности прессовок при влажности порядка 10%. При этом снижается запыленность на стадии подготовки шихты, обеспечивается сыпучесть при транспортировке и требуемая прочность прессовок Влажность 10% можно считать оптимальной при проведении процессов компактирования на валковом прессе исследуемых материалов.

При компактировании на валковом прессе были получены зависимости плотности, результирующего давления прессования и потребляемой мощности от толщины плитки (рис.13-15).

Рис.13 Зависимость плотности Рис.14 Зависимость результирую-плитки от ее толщины: 1 - микро- щей сил давления от толщины плитки: тальк; 2 - ТЮ2 украинского произвол- 1 _ микротальк; 2 - ТЮ2 украинского ства; 3 - ТЮ2 финского производства производства; 3 - ТЮ2 финского производства

Анализ полученных графических зависимостей позволил установить, что для микроталька увеличение толщины плитки в исследуемых диапазонах не влияет на изменение плотности (рис.13), которая составляет -1500 кг/м3. При этом усилие, действующее на валок с ростом толщины плитки талька от 1,5 до 2,5 мм снижается практически в четыре раза (рис.14), что однако не ведет к снижению потребляемой мощности, так как величины удельного давления прессования для микроталька, в виду его мелкодисперсности, достаточно неве-

Для используемых оксидов увеличение толщины плитки ведет к снижению ее плотности, а также результирующей сил давления и соответственно потребляемой мощности (рис.15). При этом увеличение толщины плитки с 2 до 3 мм для украинского оксида титана с 2,5 до 3 для финского оксида титана приводит к снижению усилий компактирования практически на порядок и к двукратному снижению потребляемой мощности. В тоже время плотность получаемой плитки уменьшается лишь на 30%.

В результате компрессионных и деформационно-прочностных испытаний при использовании методов статистического планирования эксперимента были получены уравнения для определения плотности и предела прочности прессовок на раскалывание в зависимости от влажности и удельного давления прессования.

Для микроталька (W е (5-10) %, Р е (16-84) МПа): р = 1227 + 29.3 • W +16.7 • Р - 0,105 • Р2, (13)

сг = 4,148 -1,102 ■ f-T + 0,2925 - Р + 0,01345 - FF • Р + 0,1067 - Ж2 - 0,00142 - Р2. (14)

Для украинского оксида титана (W е (5-10) %, Р е (16-84) МПа): р = 1328 -16,4 • + 12,24 • Р - 0,083 - W ■ Р + W2 - 0,0574 ■ Р2, (15)

сг = -0,035 - 0,003 ■ W + 0,0034 ■ Р + 0,0008 ■ W2 - 0,000025 ■ Р2. (16)

Для финского оксида титана (W б (5-10) %, Р е (16-84) МПа): р = 1608,3 - 0,19 • W + 9,94 ■ Р + 0,064 -W-P +1,754 ■ W2 - 0,055 ■ Р2, (17)

а = -0,0157 - 0,00036 • W + 0,0038 ■ Р + 0,000536 • W2 - 0,000021 • Р2. (18)

По полученным зависимостям построены номограммы, по которым можно для требуемой прочности или плотности плитки определить влажность исходного мелкодисперсного порошка и давление прессования (рис. 12,13).

Далее в работе рассмотрен процесс прессового гранулирования биотоплива на основе древесных отходов. Проанализированы особенности процесса грану-

v \

V ) \

\

2 \ 3

и \

1 \

\ S

I 1.25 1.5 1.15 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5

Тсшшнна плитки }>п, мм

Рис.12 Зависимость потребляемой мощности от толщины плитки: 1 -микротальк; 2 - ТЮг украинского производства; 3 - ТЮ2 финского производства

лирования древесных опилок в роторном грануляторе с плоской матрицей.

Проведенные нами исследования показали, что использование коническо-цилиндрических каналов переменного сечения с углом конусной части а = (2-^5)° (рис.2в) обеспечивает гранулирование в режиме проходного прессования. Непосредственный нагрев самой матрицы позволяет изменить реологические свойства перерабатываемых веществ - сделать их более пластичными и тем самым снизить энергозатраты процесса гранулирования в целом.

Древесные опилки являются сложной реологической системой, содержащей целлюлозу, лигнин, растворимые в воде сахара и смолы. При нагреве происходит деструкция этих компонентов с образованием жидкой пластифицированной фазы. В диапазоне температур от 75 до 200°С опилки последовательно переходит из сыпучей среды в сыпуче-пластичную и в условно-пластичную.

Процесс проходного прессования изучался на

Раэмер частицу, мм

Рис.13 Дисперсный состав древесных опилок различной природы: 1 - березовые опилки; 2 -сосновые опилки свежие; 3 - сосновые опилки из бруса; 4 - опилки ДСП.

опытной установке с нагревом, представленной во второй главе. Перед прессова-

нием проводили предварительное измельчение опилок

Рис.14 Зависимость давления прессования от температуры и угла конусной части канала проходного прессования для березовых опилок.

и стружек, средний размер частиц -1,0 мм (рис.13). При выборе угла конусной части фильеры учитывали его соотношение с пластической прочностью. При некоторых соотношениях за счет смолообразования в канале об-

разовывалась пробка и канал забивался.

При использовании методов статистического планирования эксперимента были получены уравнения для расчета удельного давления в зависимости от температуры и угла конусной части канала проходного прессования. В процесс-

се исследования также измерялась плотность получаемых гранул, которая составила -(1000-1450) кг/м3. Было установлено, что с увеличением угла конусной части от 2 до 4 градусов плотность получаемых гранул изменялась незначительно - на 16% и 27% для опилок ДСП и березовых соответственно и на ~5% для свежих сосновых опилок и из бруса. Полученные зависимости имеют вид: для березовых опилок (t е (100-200) °С, а е (2-4)°)

Р = 125,7 + 0,102 -t- 83,9 ■a-0,114-i-a + 23- а2, (19)

для сосновых опилок свежих (t е (100-200) °С, а е (2-4)°) Р = 67,31 + 0,685 • t - 21,018 ■ а - 0,00228 • t2 + 5,708 • а2, (20)

для сосновых опилок из бруса ((t е (100-200) °С, а е (2-4)°) Р = 95,06 + 0,437 ■ t - 34,814 • а + 0,08 • t ■ а - 0,00259 • t2 + 6,088 -а1, (21) для опилок ДСП (t е (100-200) °С, а е (2-4)°)

Р = -17,15 + 0,275 'Г + 57,13 • а-0,183 а. (22)

По полученным зависимостям построены номограммы, по которым можно выбрать режимные параметры процесса получения топливных гранул по заданным t и а. Номограмма для березовых опилок представлена на рис.14

В четвертой главе приведены методики расчета валкового пресса для компактирования мелкодисперсных сред и роторного гранулятора с плоской матрицей.

При расчете процесса компактирования сыпуче-пластичных (сыпуче-связаных) сред в виде тонкого слоя порошка использовались основные положения механики дисперсных сред, включающие уравнения равновесия и состояния а также учитывались реологические характеристики перерабатываемых материалов. Определялись результирующая сил давления, момент компактирования на валке пресса и мощность электропривода.

Для мелкодисперсных сред в очаге деформации при наложении внешних нагрузок возникают упруго-пластические деформации. Их напряженно-деформационное состояние описывается на основе теории предельного равновесия, а в качестве уравнения состояния для сыпуче-пластичных сред используются уравнения Кулона-Мора. Микротальк и оксиды титана со связующим ведут себя при наложении нагрузки как псевдовязкие тела. При расчете процесса компактирования использовались основные положения механики дисперсных сред, включающие уравнения равновесия и состояния.

Рис.15 Конструкция гранулятора с плоской матрицей: 1 - стойка; 2 - корпус; 3

- патрубок; 4 - ролик; 5 -водило; 6 - пружина; 7 -вал; 8 - подшипниковый узел; 9 - мотор-редуктор; 10

- муфта; 11 - стойка; 12 -матрица; 13 - опора.

После ряда допущений и преобразований было получено выражение, позволяющее при наличии информации о структурно-деформационных свойствах перерабатываемого материала определить силовые параметры процесса ком-пактирования:

°"в(«р)=А-ехРг

Л + вт^ 1 -Бт <р

I

~ + ар аР

1

—+ а„

/

(23)

где Г = /1 + 5т^; Д = [Зо^ + эт^ + с-соз^-соза,,

Здесь ар - угол прокатки материала; ап - нейтральный угол; <р - угол внутреннего трения; /- коэффициент внешнего трения материала по поверхности валка; с - коэффициент сцепления; сгс - среднее нормальное напряжение, определяемое из опыта по прессованию в закрытой матрице (по компрессионным кривым рис.9). Коэффициенты предельного состояния си <р для рассматриваемых мелкодисперсных сред определялись экспериментально.

Далее в работе приведена инженерная методика расчета энегросиловых параметров процесса прокатки и производительности роторных грануляторов с плоской матрицей. Определялись основные геометрические характеристики, максимальная часовая производительность (с учетом реологических свойств перерабатываемого материала), результирующая сила давления на валки и установочная мощность привода гранулятора с учетом мощности, затрачиваемой на обогрев матрицы.

Выражение для определения производительности имеет вид: 2тах =т-я-г-«тах ■ риас -Я-{г?-г1)5т2{а^2)-См, (24)

где г - количество формующих роликов; птах - предельная скорость вращения вала, об/мин; р„ас - насыпная плотность материала, кг/м3; Я - радиус формующего ролика, м; г„ и ген - радиусы поверхности матрицы, описываемые наружным и внутренним торцами ролика соответственно, м; аф - угол формования; См - константа, учитывающая реологическое состояние перерабатываемого вещества (определяется экспериментально.

Разработанная методика позволяет производить расчёт основных энергосиловых параметров прессов с плоской матрицей, используемых для переработки различных типов растительных отходов (лузги подсолнечника, шелухи, отходов элеваторов, костры льна, соломы), для производства комбикормов и топливных гранул из древесных опилок. При этом учитывается изменение реологических свойств перерабатываемых материалов вследствие их термонагрева и использования каналов переменного сечения.

На основе разработанной методики а также экспериментальных данных была разработана конструкция роторного гранулятора с плоской матрицей, отличающаяся верхним расположением привода, подпружиненными валками и составной матрицей, между частями которой уложен гибкий нагревающий элемент (рис.15).

В приложении приведен пример расчета процесса компактирования мелкодисперсного оксида титана на валковом прессе производительностью 300 кг/ч,

а также расчет роторного гранулятора производительностью 3000 кг/ч для производства древесных гранул (пеллетс).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Показана перспективность использования метода компактирования мелкодисперсных порошков на валках с гладкой поверхностью и прокатки на роторных прессах с плоской матрицей древесных опилок различной природы.

2. Установлено, что для исследуемых минеральных солей увлажнение, а для древесных опилок термонагрев и использование каналов проходного прессования позволяют получить пластифицированный материал с новыми реологическими свойствами. В качестве критериев, отражающих структурно-деформационные характеристики дисперсной среды и технологические параметры гранулирования рекомендуется использовать пластическую прочность и коэффициент бокового давления.

3. Разработана установка для моделирования процесса грануляции древесных опилок в канале проходного прессования с термонагревом и определения режимных параметров этого процесса.

4. Разработана физическая модель процесса гранулирования древесных опилок прокаткой через плоскую фильеру с меняющейся геометрией канала с учетом их исходных структурных и физико-химических свойств.

5. Получены уравнения и номограммы, позволяющие для заданных характеристик конечного продукта (плотности и предела прочности на раскалывание) для минеральных солей определить режимные параметры процесса компактирования - удельное давление прессования и влажность исходного материала.

6. Получены уравнения и номограммы, позволяющие по заданному удельному давлению прессования подобрать температуру и угол конусной части канала проходного прессования для грануляции древесных отходов на роторных прессах с плоской матрицей.

7. Разработаны метод компактирования мелкодисперсных сред минеральной природы и метод прокатки древесных опилок на роторных гранулят-рорах с плоской матрицей, которые могут использоваться при получении наполнителей для бумажной и лакокрасочной промышленностей, адсорбентов для очистки бумажных масс, для утилизации промышленных и бытовых отходов и при получении биотоплива на основе отходов растительного и древесного сырья.

8. Результаты работы использованы для разработки конструкции роторного гранулятора с плоской матрицей с каналами переменного сечения и термонагревом для ООО «Технопромсервис».

9. Созданы научно-обоснованные комплексные методики расчета процессов компактирования мелкодисперсных сред на валковом прессе и гранулирования древесных отходов различного происхождения с регулируемыми реологическими свойствами в роторных грануляторах с плоской матрицей.

Условные обозначения.

Руд - удельное давление прессования, МПа; а3 - угол захвата материала роликом роторного гранулятора; аф - угол формования материала роликом роторного гранулятора; Из, £3 и кф, 1Ф - соответсвенно высота и длинна захвата и формования материала в очаге деформации роторного гранулятора, м; Я - радиус валка роторного гранулятора, м; - длина учатска канала проходного прессования, м; Р, - давления на слой материала на участке канала проходного прессования, МПа; Т- сила трения в канале проходного прессования, МПа; Р6

- давление на боковую поверхность материала в канале проходного прессования, МПа; 2а- угол при вершине конуса в канале проходного прессования; ф -диаметр участка канала проходного прессования; £ - коэффициент бокового давления; / - коэффициент внешнего трения; Рм - пластическая прочность, кПа; IV- влажность, %; г - температура, °С; р- плотность материала, кг/м3; Ьп

- толщина плитки, м; N - потребляемая мощность, кВт; а - предел прочности прессовок на раскалывание, МПа; <£, - диаметр частиц, м; ар - угол прокатки материала; а„ - нейтральный угол; <р -угол внутреннего трения;/- коэффициент внешнего трения материала по поверхности валка; с - коэффициент сцепления; сгс - среднее нормальное напряжение; ()тах - максимальная часовая производительность роторного гранулятора, кг/ч; ар - угол прокатки материала; аи

- нейтральный угол; <р - угол внутреннего трения; /- коэффициент внешнего трения материала по поверхности валка; с - коэффициент сцепления; <тс - среднее нормальное напряжение.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Булатов И.А., Назаров В.И. Перспективы использования микроталька в промышленности и особенности процесса его применения.// Мат-лы VIII Международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: проблемы и перспективы» под ред. Беренгартена М.Г., Вайнштейна С.И. - М.: МГУИЭ, 2004, с. 183-184

2. Булатов, И.А. Назаров, В.И. Разработка процесса гранулирования древесных топливных гранул методом прокатки на роторных прессах// Международный ИНТЕРНЕТ Форум молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития», Москва, 2005-2006, http://www.msuie.ru/unesco.forum/dokl/13.doc.

3. Булатов И.А., Назаров В.И., Исследование реологических характеристик древесных опилок при производстве топливных гранул методом прокатки через фильеру // Труды IX Междунар. симп. молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» под ред. Баранова Д.А., Беренгартена М.Г., Вайнштейна С.И.-М.: МГУИЭ, 2009, с. 19-23.

4. Назаров В.И., Булатов И.А., Макаренков Д.А. Особенности разработки процесса прессового гранулирования биотоплива на основе древесных и растительных отходов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. №2. с. 35-39.

5. Назаров В.И., Макаренков Д.А., Булатов И.А. Особенности конструкции экструдеров // Комбикорма. 2009. №7. с.47.

6. Назаров В.И., Макаренков Д.А., Булатов И.А. Оборудование для гранулирования комбикормов // Комбикорма. 2010. №2. с.47.

7. Назаров В.И., Макаренков Д.А., Булатов И.А Исследование процесса гранулирования дисперсных отходов на роторных прессах с плоской матрицей // Вестник МИТХТ. 2010. Том V №6. с.13-16.

8. Макаренков Д.А., Булатов И.А, Левковская О.В., Назаров В.И. Утилизация отходов пищевой промышленности и древесных опилок на роторных грануляторах с получением гранулированных комбикормов и топливных брикетов // Международный ИНТЕРНЕТ Форум молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития», Москва, 2010, www.unesco.msuie.ru.

Подписано в печать: 22.03.12 Тираж: 100 экз. Заказ № 59 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская, д. 33 (495) 979-96-99; www.reglet.rn

61 12-5/2246

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ КАФЕДРА ЮНЕСКО

На правах рукописи

Булатов Илья Анатольевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПРЕССОВОГО ГРАНУЛИРОВАНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ СРЕД НА ПРИМЕРЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ И ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

Специальность:

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.т.н., доц. Назаров В.И.

Москва 2012

Оглавление.

Введение.......................................................................................5

Глава 1. Современное состояние вопроса переработки, использования и гранулирования мелкодисперсных порошковых материалов и отходов............9

1.1. Способы использования микроталька, оксида титана и опилок в качестве адсорбентов и наполнителей................................................9

1.2.Состояние вопроса по процессам переработки древесных отходов в топливные брикеты...............................................................14

1.3.Методы и оборудование для гранулирования мелкодисперсных зернистых сред прессованием, компактированием и экструзией...............31

1.4.Методы расчета силовых параметров процессов компактирования на валках с гладкой поверхностью и прокатки через фильеру мелкодисперсных сред........................................................................51

1.4.1. Методы расчета силовых параметров процесса компактирования на валках с гладкой поверхностью......................................51

1.4.2. Методы расчета силовых параметров при прокатке через фильеру...............................................................................58

1.5.Особенности реологических свойств и деформирования гранулируемых систем..........................................................................74

Выводы по главе 1 и постановка задач исследования..............................81

Глава 2. Теоретическо-экспериментальное исследование процесса гранулирования минеральных порошков и опилок с учетом реологических свойств дисперсных сред...........................................................................83

2.1. Анализ напряженного состояния в очаге деформаций....................83

2.1.1. Расчет параметров напряженного состояния в очаге деформации валкового пресса............................................................83

2.1.2. Расчет параметров напряженного состояния в очаге деформации роторного пресса с плоской матрицей.................................93

2.2.Особенности движения гранулируемых продуктов по формующему каналу с переменной геометрией и условия моделирования технологических и конструктивных параметров роторного гранулятора.........103

2.3.Лабораторные установки и методики проведения экспериментов. ...114

2.3.1. Установки и методики для определения пластической прочности, деформационно-прочностных характеристик и коэффициента бокового давления мелкодисперсных сред...........................114

2.3.2. Описание установок для проведения компрессионных испытаний и прокатки на валковом прессе...........................................121

2.3.3. Описание установки для исследования процесса проходного прессования с тепловой пластификацией............................125

Выводы по главе 2........................................................................128

Глава 3. Результаты исследований структурно-деформационных свойств гранулируемых продуктов и процесса гранулирования минеральных порошков и опилок.......................................................................................129

3.1.Исследование кинетики и механизма структурообразования гранул по величине пластической прочности на стадиях подготовки и грануляции дисперсных сред............................................................129

3.2.Результаты по исследованию коэффициента бокового давления для сред с регулируемыми реологическими свойствами.....................133

3.3.Результаты исследований грануляции микроталька и оксида титана при прессовании в закрытой матрице и на валковом прессе............135

3.4.Результаты исследований деформационно-прочностных характеристик мелкодисперсных материалов................................................142

3.5.Результаты исследования процесса проходного прессования с изменением реологических свойств опилок при помощи температуры......154

Выводы по главе 3....................................................................158

Глава 4. Разработка методов расчета процесса гранулирования мелкодисперсных минеральных порошков (тальк, оксид титана) и формующих грану-ляторов с фильерой переменного сечения..........................................159

4.1.Методика расчета валкового пресса для компактирования мелкодисперсных сред......................................................................159

4.2.Методика расчета прессовых трансляторов с плоской матрицей для гранулирования опилок с регулируемыми реологическими свойствами....................................................................................166

4.3.Рекомендации для разработки конструкции роторного гранулятора с плоской матрицей................................................................170

Выводы по главе 4....................................................................174

Основные выводы и результаты......................................................175

Литература.................................................................................177

Приложение 1 Пример расчета валкового пресса..................................187

Приложение 2 Пример расчета прессового гранулятора с плоской матрицей...........................................................................................190

Приложение 3 Акт о проведении испытаний для разработки технологии получения гранулированного биотоплива на основе растительных отходов...193

Введение

Актуальность работы. Данная работа, выполненная на кафедре ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» МГУИЭ посвящена разработке процессов гранулирования мелкодисперсных минеральных порошков и древесных отходов. В различных отраслях современной промышленности широко применяются мелкодисперсные материалы, однако их использование связано с такими трудностями как пыление, склонность к слеживанию и просыпь при транспортировке. При их дальнейшем использовании в технологическом цикле возникают вопросы экологической безопасности. Для решения этих проблем проводят их гранулирование различными способами.

Рассматриваемые в работе микротальк, оксид титана финского и украинского производства, а также древесные опилки различной природы представляют собой мелкодисперсные порошки и широко применяются в различных областях промышленности. В бумажной промышленности на стадии очистки древесной массы тальк испытывает минимальную конкуренцию со стороны других промышленных минералов. Оксид титана, используется в производстве стеклоэмалей а также в качестве пигмента при производстве красок, обеспечивая наибольшую укрывистость покрытия.

Используемые в качестве исследуемых веществ опилки - отходы лесопиления и деревообработки - применяются для производства топливных гранул и брикетов, призванных уменьшить использование традиционных источников энергии - нефти и природного газа, ресурсы которых ограничены.

Большую роль в разработке процессов гранулирования в нашей стране сыграли труды и монографии Генералова М.Б., Классена П.В., Гришаева И.Г., Тинькова О.В., Пащенко В.Н., Севастьянова B.C., Перельмана В.Е., Григорьева А.К., Сулименко J1.M., Грохольского Б.П., Каташинского В.П., Тарана A.JL, Назарова В.И., Калыгина В.Г. и др. Однако современные способы гранулирования рассматриваемых материалов не достаточно эффективны

из-за их особых свойств, так как в большинстве своем не учитывают природу гранулируемого материала и его структурно-деформационные свойства.

Получение широкого спектра продуктов в гранулированном виде методами прокатки и компактирования при пониженных энергозатратах за счет изменения реологических свойств гранулируемых мелкодисперсных сред как на стадии подготовки сырья, так и непосредственно в процессе гранулирования, является перспективным.

Данная работа посвящена проблеме изучения влияния структурно-деформационных и реологических свойств исследуемых материалов на эффективность процесса гранулирования на валковом прессе и роторном грану ляторе с плоской матрицей.

В связи с этим актуальное научное и практическое значение имеют проведенные в данной работе теоретические и экспериментальные исследования процессов гранулирования мелкодисперсых сред с регулируемыми характеристиками и создание научно-обоснованных методов их расчета.

Целью работы является разработка процессов гранулирования мелкодисперсных минеральных порошков компактированием на валковом прессе и прокатки растительных отходов на роторных грануляторах с плоской матрицей в каналах переменного сечения.

Научная новизна:

■ Разработан процесс гранулирования мелкодисперсных сред методом компактирвания с получением плотно-прочных прессовок и предварительным переводом их в пластифицированное состояние.

■ На основе факторного эксперимента были получены уравнения и номограммы для определения плотности и прочности прессовок из оксида титана и талька и их реологических характеристик (пластической прочности и коэффициента бокового давления) в зависимости от режимных параметров процесса прессования - влажности и удельного давления.

■ Разработана физическая модель процесса гранулирования древесных отходов прокаткой через фильеру с меняющейся геометрией канала с учетом их исходных структурных и физико-химических свойств.

■ Исследованы реологические характеристики процесса проходного прессования древесных опилок различной природы и установлено, что оптимальным режимом при прокатке является температура нагрева порядка

пластическая прочность (1-К2) кПа и коэффициентом бокового давления (0,3-Ю,8).

■ Предложена методика расчета силовых параметров процесса прокатки через фильеру на основе уравнения движения материала по каналу с меняющейся геометрией и экспериментальных данных компрессионных испытаний.

Практическая значимость:

■ Разработан метод компактирования мелкодисперсных сред минеральной природы и метод прокатки древесных опилок на роторных грану-лятрорах с плоской матрицей, которые могут использоваться при получении наполнителей для бумажной и лакокрасочной промышленностей, адсорбентов для очистки бумажных масс, для утилизации промышленных и бытовых отходов и при получении биотоплива на основе отходов растительного и древесного сырья.

■ Создана инженерная методика исследования процесса проходного прессования дисперсных материалов в канале с меняющейся геометрией при различных температурных режимах.

■ Разработана конструкция роторного гранулятора с плоской матрицей с каналами переменного сечения и с термонагревом. Результаты расчета основных технологических параметров и конструктивных размеров роторного гранулятора переданы в ООО «Технопромсервис», и будут использованы при проектировании и изготовлении гранулятора в 2012 г.

■ Созданы научно-обоснованные комплексные методики расчета процессов компактирования мелкодисперсных сред на валковом прессе и гранулировании древесных отходов различного происхождения с регулируемыми реологическими свойствами в роторных грануляторах с плоской матрицей.

■ Материалы диссертационной работы опробованы и внедрены в лабораторный практикум МГУИЭ при изучении дисциплин «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» и «Переработка и обезвреживание твердых промышленных отходов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-м международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: проблемы и перспективы», г. Москва 2004г.; международных интернет-форумах молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития», г. Москва 20052006 г. и 2010г.; на 9-м международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития», г. Москва 2007 г.

Глава 1. Современное состояние вопроса переработки, использования и грануляции мелкодисперсных порошковых материалов и отходов

1.1 Способы использования микроталька, оксида титана и древесной муки в качестве адсорбентов и наполнителей

Микротальк, оксид титана и древесная мука относятся к сыпучим мелкодисперсным материалам и находят широкое применение в качестве адсорбентов и наполнителей в бумажной, лакокрасочной, керамической и пластмассовой промышленностях а также для очистки воды от различных загрязняющих веществ.

Основными свойствами, обуславливающими применение микроталька и оксида титана в бумажной промышленности являются их чешуйчатая структура, мягкость, белизна, гидрофобность, атмосферостойкость, кислото-стойкость, термостойкость, химическая инертность, высокая температура плавления, диэлектрические и адсорбирующие свойства [1].

Бумага - материал из специально обработанных мелких целлюлозных, древесных, а также синтетических волокон с различными добавлениями, тесно переплетенных между собой и образующих тонкий лист.

Основными компонентами композиционного состава бумаги являются целлюлоза различных древесных пород, однолетних растений и семенных коробочек и древесная масса. При выработке многих видов бумаги в их композицию вводят минеральные наполнители. Чаще всего для этой цели используют каолин. Однако на многих предприятиях применяют и другие виды: мел, гипс, тальк, оксид титана.

Минеральные наполнители увеличивают непрозрачность бумаги, её пористость и воздухопроницаемость, снижают деформацию бумаги при намокании, уменьшают склонность бумаги к скручиванию, увеличивают гладкость бумаги при каландрировании. Наличие минерального наполнителя в бумаге делает её просвет более равномерным, что одновременно с увеличе-

нием белизны бумаги, её непрозрачности, гладкости и впитывающей способности улучшает печатные свойства бумаги. По содержанию наполнителей различают бумагу с естественной зольностью волокна (т.е. без наполнителей), низкозольную (с содержанием наполнителей до 5%), средней зольности (12-И 5%) и высокозольную (выше 15%).

Помимо использования в качестве наполнителей, мелкодисперсные материалы также применяются для покрытия бумаги, а также для очистки древесной массы от смол.

Основные требования, предъявляемые к покрывающему материалу, это его плоская структура и белизна. Тальк и оксид титана удовлетворяют этим требованиям, одновременно придавая бумаге глянцевый блеск, пористость, мягкость, меньшую фрикционность и улучшенные качества при печати. В Европе при покрытии бумаги используется в основном тальк, в США предпочтение отдается каолину.

Частицы природных смол и опилки, попадающие в бумагу в процессе производства, собираются вокруг гидрофобных поверхностей и наносят ущерб оборудованию и качеству бумаги. Крупные частицы довольно легко удаляются, но микрочастицы, иногда находящиеся даже в коллоидном состоянии, представляют наибольшую проблему. При определенных условиях эти частицы могут конгломерироваться или осаждаться, образуя более крупные частицы на последующих циклах производственного цикла.

Гидрофобность талька обуславливает его применение в качестве адсорбента смол и опилок в бумаге. В случае с крупными частицами, такими как кусочки мелового мыла, тальк прилипает к их поверхности, лишая их таким образом липких свойств. Если эти частицы меньше по размеру, чем частицы талька, то они сами прилипают к частицам талька и лишаются возможности конгломерироваться.

Почти 90% используемого в бумажной промышленности Северной Америки талька применяется для адсорбции смол и опилок. В Европе эта доля составляет 25%. Содержание талька в бумаге в этой области применения

составляет (1-К2)%. Для адсорбции используется тальк степенью измельчения с150 (3+-5) /Ш1. Такая степень измельчения делает использование талька одновременно экономически выгодным и технически эффективным[2].

Адсорбция смол является одной из областей применения, где тальк испытывает минимальную конкуренцию со стороны других промышленных минералов. Кроме талька, в этой области успешно, хотя и менее широко, используется бентонит. Бентонит является больше гидрофильным, чем гидрофобным минералом. Уровень его добавления существенно влияет на общую эффективность. Кроме бентонита в этой области применяются химические дисперганты.

Широкое применение тальк, оксид титана и древесная мука, нашли в лакокрасочной промышленности. Они используются в качестве пигментов и недорогих наполнителей.

Пигменты - это тонкодисперсные цветные порошки. Их вводят в лакокрасочные материалы для придания покрытиям цвета и укрывистости, а также для улучшения их физико-механических и антикоррозионных свойств.

Диоксид титана (ТЮ2) является белым пигментом и превосходит по своей укрывистости остальные промышленные минералы. Чистый ТЮ2 это бесцветные кристаллы, желтеющие при нагревании, но обесцвечивающиеся после охлаждения. ТЮг существует в виде нескольких модификаций: ру-тильная (кубич�