автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка, создание метода расчета и внедрение смесителя с тонкослойным движением сыпучего материала

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОНКОСЛОЙНОГО ДВИЖЕНИЯ СЫПУЧИХ

МАТЕРИАЛОВ

1.1. Современные конструкции аппаратов по переработке сыпучих материалов в тонких слоях.

1.1.1. Аппараты с вращающимися рабочими поверхностями

1.1.2. Аппараты с неподвижными рабочими поверхностями

1.1.3. Аппараты с комбинированным движением сыпучих материалов по рабочим поверхностям

•1.1.4. Аппараты с использованием тонкослойных свободных завес из сыпучего материала

1.2. Основные математические модели и методы расчета оборудования

1.2.1. Математические модели и методы расчета разбрасывателей, формирующих завесы сыпучего материала

1.2.:2.: Механизмы и математические модели процесса смешения сыпучих материалов. .

1.3. Выводы по главе и постановка задач исследований ."

Глава 2.' ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА В

ЗАВЕСАХ,' ФОРМИРУЕМЫХ РАЗБРАСЫВАТЕЛЯМИ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Описание экспериментальной установки для исследования завес сыпучего мате. риала.

2."2. Определение основных характеристик движения тонких слоев и свободных завес сыпучего материала

2.2.1.' Насадки с гладким нижним диском £

2.2.2. Насадки с радиальными ребрами

2,2^3. Насадки с ребрами сложной конфигурации

2,3. Изучение ударного взаимодействия потоков сыпучих материалов с- неподвижными рабочими органами смесительных аппаратов

2Л. Результаты исследований и выводы по главе

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕШЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В

ЦЕНТРОБЕЖНОМ СМЕСИТЕЛЕ НОВОГО ТИПА . . ;

З.Т. Описание конструкции смесителя

3.2. Лабораторная установка смесительной головки и методика проведения экспериментальных исследований. . •

3.3. Экспериментальные исследования смесительной головки.

3.4. Математическая модель процесса смешения сыпучих материалов в аппарате.'

3.5. Исследование дозирования сыпучих компонентов .'

3.6. Результаты исследований и выводы по главе.

Глава ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА СМЕСИТЕЛЕЙ С ТОНКОСЛОЙНЫМ ДВИЖЕНИЕМ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ПО РАБОЧИМ ПОВЕРХНОСТЯМ Й В ВИДЕ СВОБОДНЫХ ЗАВЕС b.I. Инженерная методика расчета разбрасывателей сыпучего материала

4.I.I. Блок-схемы расчета потоков сыпучего материала, образуемых разбрасывателями различных конструкций .• • k.1.2. Блок-схемы расчета взаимодействия потоков сыпучего материала с неподвижной цилиндрической поверхностью

4.Т.З. Пример расчета разбрасывателя

4.2.: Инженерная методика расчета оптимальной конструкции смесителя с тонкослойным движением сыпучих материалов.

4.2.I.1 Блок-схемы расчета смесительных

Стр-J головок различных конструкций

4.2.2. Номограммы к инженерному расчету основных конструктивных и режимных параметров смесителя

4.2.3. Пример расчета смесителя •

4.3. Выводы по главе.*

Глава 5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ СМЕСИТЕЛЯ С ТОНКОСЛОЙНЫМ' ДВИЖЕНИЕМ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

5Л.' Описание опытно-промышленной установки смесителя ••••.•.•.

5^2. Результаты опытно-промышленных испытаний смесителя в производстве пушновита

5.3. Результаты опытно-промышленных испытаний смесителя применительно к дражирова-нию семян сельскохозяйственных культур .7 1"

5.4.^ Результаты опытно-промышленных испытаний смесителя в производстве огнетушащих составов

5iT5. Рекомендации по разработке и эксплуатации смесителей на принципе использования тонкослойного движения сыпучих материалов

5.6. Выводы по главе •

В решениях ХХУ1 съезда КПСС подчеркивается, что развитие науки и техники должно быть подчинено решению экономических и социальных задач советского общества, ускорению перевода экономики на путь интенсивного развития, повышению эффективности общественного производства. На основе использования достижений науки и техники предусматривается повышение в оптимальных пределах единичной мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металлоемкости, энергопотребления и снижения стоимости на единицу конечного полезного эффекта /1/£

Большая роль в создании материально-технической базы коммунизма отводится развитию химической промышленности. Высокие темпы её развития, повышение качества химических продуктов нераз"* рывно связаны с интенсификацией производственных процессов» Одна из основных проблем, возникающих при расширении масштабов совместной переработки твердых и жидких материалов в химической и других отраслях промышленности, заключается в приготовлении одно« родных по составу композиций;™ Сейчас в различных производствах используется большое число разных по конструкции смесителей, в каждом из которых процессы смешения протекают неодинаково в зависимости от физико-механических свойств исходных компонентов.^ Несмотря на то, что процесс смешения материалов известен и исполь«* вовался с давних времен, он и в настоящее время остается одним из самых малоисследованных физических процессов /2/*

В изучении процессов смешения сыпучих сред исследователями в последние годы достигнут значительный прогресс, направленный на создание нового высокоэффективного смесительного оборудования«" В то же время разработка аппаратуры по переработке жидких и сыпучих компонентов идет сравнительно медленными темпами, и на производстве для этих целей часто еще используются малоэффективные аппараты с мешалками»

Расширение масштабов и объемов переработки сыпучих и жидких материалов требует создания оборудования непрерывного действия, в котором поступление компонентов на смешение, выдача готовой смеси осуществляется непрерывно*

Смесители непрерывного действия с движением сыпучих матери» алов в тонких слоях и свободных завесах обладают целым рядом существенных преимуществ по сравнению с другими видами смесительных аппаратов.' Основное ив них заключается в том, что протека« ние процессов в тонких слоях сыпучего материала происходит с большой поверхностью контакта фаз* Не менее важно, учитывая современ^ ный дефицит энергии, что в таких аппаратах можно перерабатывать большие объемы материалов при низких энергетических затратах^-причем формирование тонкослойного движения, организация контактирования потоков сравнительно просто оформляются конструктивно? Такие способы переработки и аппараты, являющиеся аппаратами большой единичной мощности, особенно целесообразны в крупнотоннажных производствах (в производстве минеральных удобрений, в химичео* кой, строительной, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности) /3-5/,

Отсутствие в настоящее время аналитического описания движе~ ния материалов в тонкослойных свободных завесах сдерживает создание новых совершенных конструкций смесителей.

Основной целью диссертационной работы является разработка, создание методов расчета и внедрение в производство смесителя о тонкослойным движением сыпучих материалов по рабочим поверхностям и в виде свободных завесу1

Для достижения этой цели в настоящей работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования разбрасывателей, формирующих завесы сыпучего материала, и создана инженерная методика их расчета? Разработана конструкция нового смесителя на принципе использования тонкослойного движения сыпучих материалов и проведены экспериментальные исследования влияния на качество смешения его основных конструктивных и режимных параметров^ Построена ма^ тематическая модель процесса смешения сыпучих материалов в новом смесителе и создана инженерная методика его расчета^ Проведены опытно-промышленные испытания и осуществлено внедрение смесителя в производство.

Диссертация состоит из 5 глав и содержит 254 страницы, 77 иллюстраций, 102 литературных источника, 47 страниц приложений."'

В 1 главе сделан обзор современных конструкций аппаратов по переработке сыпучих материалов в тонких слоях, выполнен анализ математических моделей и методов расчета разбрасывателей, формирующих завесы сыпучего материала, a. также механизмов и математических моделей процесса смешения сыпучих материалов*1 Обоснована актуальность исследований движения сыпучих материалов в тонких слоях и свободных завесах, направленных на разработку мето» дов расчета новых высокоэффективных конструкций смесителей*

Во 2 главе приведены результаты теоретических и эксперимент тальных исследований движения сыпучего материала в завесах, образуемых вращающимися разбрасывателями различных конструкций. Получены выражения для скоростей и уравнения траекторий частиц, покинувших вращающиеся разбрасыватели, установлена зависимость толщины стенки завесы и объемной плотности частиц в завесе от угловой скорости вращения разбрасывателя, расхода сыпучего материала, дисперсности его частиц и расстояния от разбрасывателя;1

Сделана оценка вероятности столкновения частиц в завесе с части« цами, проходящими сквозь завесу^ Изучено ударное взаимодействие потоков сыпучих материалов с неподвижными рабочими органами смесительных аппаратов; определена толщина слоя отраженных частиц и объемная концентрация частиц в отраженном потоке,

В 3 главе изложены экспериментальные исследования влияния на качество смешения конструктивных и режимных параметров смесительной головки центробежного смесителя нового типа, разработана математическая модель процесса смешения сыпучих материалов в аппарате, приведены результаты исследования дозирования сыпучих компонентов.

В 4 главе представлена инженерная методика расчета разбрасывателей сыпучего материала, приводятся блок-схемы и номограммы к расчету основных режимных и конструктивных параметров смесителя нового типа, приведены примеры расчета разбрасывателя и смесителя *

В 5 главе изложены результаты опытно-промышленных испытаний смесителя применительно к производству пушновита, дражированию семян сельскохозяйственных культур и приготовлению огнетушащих составов. Даны рекомендации по разработке и эксплуатации смеси«* телей на принципе использования тонкослойного движения сыпучих материалов;'

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований движения сыпучих материалов в тонких слрях и свободных завесах;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований ударного взаимодействия потоков сыпучих материалов с неподвижной цилиндрической поверхностью;

- конструкция нового смесителя, выполненного на принципе использования тонкослойного движения сыпучих материалов;

- результаты экспериментальных исследований по определению качества смеси, приготовленной в смесительной головке аппарата нового типа;

- математическая модель процесса смешения сыпучих материалов в новом смесителе;

- инженерная методика расчета и рекомендации по выбору разбрасывателей, формирующих завесы сыпучего материала; инженерная методика расчета оптимальной конструкции смесителя с тонкослойным движением сыпучих материалов, номограммы к расчету основных конструктивных и режимных параметров смесителя;

- результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения в производство смесителя нового типа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Защищенный A.c. 1042788 (СССР) и исследованный в настоящей работе смеситель с тонкослойным движением сыпучего материала является высокоэффективным аппаратом в силу непрерывного режима его работы, большой поверхности контакта смешиваемых фаз, низких удельных энергозатрат, простоты изготовления и эксплуатации,

2. Экспериментально установлено и теоретически описано явление зоны "застоя" сыпучего материала на вращающихся насадках» которое справедливо для исследованных типов разбрасывателей при

П < 250 об/мин. На основе этого факта составлена упрощенная ма* тематическая модель движения тонких слоев сыпучего материала по вращающемуся диску с радиальными ребрами*1

Si Экспериментально установлена и теоретически обоснована пара боличность верхней части завесы сыпучего материала, создаваемой исследованными типами насадок. На основе этого факта получены зависимости, определяющие скорости и объемную плотность частиц в завесах, размеры завес и толщину их стенок, а также вероятность столкновения взаимодействующих с завесой твердых и жидких частиц с частицами завесы;

4.Теоретически и экспериментально изучено ударное взаимо*. действие потоков сыпучих материалов с неподвижными рабочими органами аппаратов. Определена толщина слоя отраженных от цилиндрической рабочей поверхности частиц и их объемная концентрация*

5. Получены экспериментальные зависимости, связывающие коэффициент неоднородности смеси с конструктивными и режимными параметрами смесительной головки нового аппарата. Установлено, что наиболее существенное влияние на качество смешения оказывают угловая скорость вращения смесительной головки, число её ступеней и их размеры (диаметр и высота) и дисперсность смешиваемых компонентов г

6, Экспериментально установлено и теоретически обосновано влияние шероховатости рабочих поверхностей смесительной головки на улучшение качества смесив

7»' Разработана математическая модель процесса смешения сыпучих материалов в новом смесителе; Найдены аналитические выражения коэффициента неоднородности для одно-, двух- и трехступенчатой смесительных головок в зависимости от основных конструктивных и режимных параметров аппарата*

8$ Экспериментально подтверждена справедливость диффузионной модели процесса смешения сыпучих материалов в отдельных ступенях смесительной головки, а также гипотеза о последовательном соединении этих ступеней, учитывающая частичное разделение смеси при переходе от одной ступени к другой*

С целью создания инженерной методики расчета, смесителей на принципе использования свободных завес сыпучего материала построены блок-схемы расчета основных параметров указанных завес и их взаимодействия с неподвижными цилиндрическими поверхностями!

10,* Для определения оптимального режима или геометрических размеров аппарата разработаны блок-схемы и номограммы к расчету смесителя с тонкослойным движением сыпучих материалов»

11*! Спроектированные по предложенной в работе инженерной методике смесители были использованы применительно к производству пушновита, дражированию семян цикория и приготовлению огнетуша-щих составов. Опытно-промышленные испытания показали высокую надежность указанной методики и эффективность созданных по ней аппаратов при проведении процессов смешения малого количества мелкодисперсных сыпучих материалов с крупнодисперсными с последующим введением в полученную смесь небольших количеств жидкости.

1.' - Mv: Политиздат, 1981.1 - 223 с.2.| Макаров Ю.;И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. -М^: Машиностроение, 1973. 214 с.

2. Ярославль: ЯПИ, 1979. 571 с.

3. Бытев Д.О. Исследование и разработка аппаратов с тонкими и разреженными слоями сыпучих материалов. Дисс;1. канд. тех.наук. - М.1: МИХМ, 1976.^ - 206 с.:

4. A.c. 709149 (СССР).1! Центробежный смеситель /А.А.Алек -сандровский, Г.:С.-К летне в, Н.1.Тайнуллин, Ф.Ф.Табитов.^ -Опубл.; в Б.И., 1980, ш 2.

5. А.с. 296579 (СССР); Устройство для смешивания твердого сыпучего материала с жидкостью /М;ГЛ1арфенопуло, Н.Е.'Караулов.- Опубл. в Б .'И «•, 1971, Р 9;24Патент Японии Р 11064, 1969 л

6. Казакова E.Ä. Гранулирование и охлаждение азотсодержащих удобрений.' М.-: Химия, 1980.: - 288 е.;31.i-, Еуковский H.EV Теоретическая механика.- М^: Изд-во техн.-те орет .шит., 195 2.1 - 811 с.

7. Асеев В.И.; Теоретические основы работы и интенсификации грануляционных башен- Тула: Приокское кн.изд-во, 1969.270 с.

8. Лыков MvB.J Сушка в химической промышленности^ М.»: Химия, 1970. - 429 с.37Лыков М^'В.', Леончик Б .-И.5 Распылительные сушилки.- Основы теории и расчета.1 М.: Машиностроение, 1966.' - 332 е.;

9. Нуждов Ф.ДО.» К расчету дисковых распылительных установок.-Химическая промышленность, 1954, ^5, с, 13-16.

10. Питерских ГЛТ. Теория распыления жидкости вращающимися дисками.^ Теоретические основы химической технологии, 1981, т.15, Ш 7, с. 746-753.

11. Giffen Ev Muraszew A. The atomi-sation of liquid fuels. -London : London Chapman halt^, 1970. 2.17р.'41.; Lapple C.EX ShepfiardCB. Calculation of particle trajectories.- Institution of chemical en^meersy 1940, V. 5Zy ьР 5/ p. юг 110.

12. Fluleij "D.3. behaviour of water globules in steam.-Engineers 195^^-195,p. 26-2.9.

13. Кaqaku Kog^ku } 1964 , V. 2.8 , №5 , p.2.04-210 . 50 .i Rotcjers К . ТигЬмСепсе In m'iAlng opep-atlone. CbemicaC

14. A.M.' Построение математических моделей химико-технологических объектов.- М.1: Химия, 1970- 312 с.<54.! Стренк Ф.; Перемешивание и аппараты с мешалками.' JI.^:1. Химия, 1975.' 384 е.'

15. Maillard Mixing. Theory anJ practice. Infor- rr^ÎLons

16. Куни Ф.*МСтатистическая физика и термодинамика.' М.: Наука, 1981.' - 351 с.

17. MweCCer W. Mining for complete Су remtffomixecl mixture of part Loutate sot't^s.— CbemicciC Engineering Science, 19 6&, ; fM02-107.

18. Sommer K. Mechcinismen des PuCvermisckens.— Ghermc IngenLeur--Technic, ЛЯ??, v.49,h?4 ( s.304-'5'11,69.! Климонтович Ю.Л.' Статистическая физика.' M.': Наука, 1982. - 608 с.'

19. Смирнов H.íB.', Дунин-Барковекий И .-В." Курс теорщ вероятностей и математической статистики,- M.J: Наука, 1969.' -511 с.«

20. А.ic.« 1042788 (СССР). Смеситель /к.^.Зайцев, А.;В.Царьков, В .'А.Копейкин и др.: Опубл. в Б.И.-, 1982, i 35.

21. Миркеев А.Ю., Шуваев Н^А.' и др.- Некоторые вопросы динамики потока дроби в дробеметннх аппаратах импеллерного типа. В кн.-: Применение аналитических и численных методов в динамике жидких и сыпучих сред.1 Вып.З, Горький, 1974, е.: 40-47.«

22. Кафаров В.'В.^ Основы массопередачи.5 М.-i: Высшая школа, 1971. - 439 с.

23. Орлов С.Пи др.- Весы и дозаторы. Справочник. М.":- Машиностроение, 1972.1 - 328 о.:99Орлов С.П.1 и др. Дозирующие устройства.- 11^: Машиностроение, 1966. - 288 е.!