Моделирование динамики смешивания дисперсных материалов в смесителе планетарного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Петров, Вячеслав Геннадьевич

• Петров, Вячеслав Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Вячеслав Геннадьевич

Введение

1. Обзор основных конструкций смесителей для переработки сыпучих материалов

1.1. Классификация основных типов смесителей

1.2. Конструктивные особенности и принципы работы смесителей периодического действия

1.3. Выбор оптимального типа смесителя и постановка задачи исследования

2. Теоретические основы смешивания сыпучих материалов и моделирование динамики процесса в аппарате планетарного типа

2.1. Основные физико-механические свойства и классификация сыпучих материалов

2.2. Методы оценки качества смеси

2.3. Прогнозирование предельно достижимого качества смеси и механизм периодического смешивания

2.4. Теоретические основы прогнозирования качества смеси с учетом динамики процесса

2.5. Моделирование динамики смешивания в аппарате планетарного типа

2.6. Результаты численного моделирования для смеси частиц полистирола

3. Экспериментальные исследования и анализ результатов моделирования

3.1. Описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента

3.2. Результаты экспериментального анализа

3.3. Влияние изменения заданной концентрации ключевого компонента и объема пробы на качество смеси

4. Рекомендации по улучшению качества смешивания сыпучих компонентов в производстве окрашиваемых полимерных композиций

4.1. Постановка задачи

4.2. Выбор аппарата для проведения процесса

4.3. Экспериментальные исследования и анализ качества получаемого продукта

4.4. Рекомендации по применению промышленного аппарата . 116 Выводы и основные условные обозначения . 121 Литература .124 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование динамики смешивания дисперсных материалов в смесителе планетарного типа»

Композиции, приготавливаемые путем смешивания дисперсных материалов, имеющих различные размеры, физико-механические и химические свойства, находят самое широкое применение. Они могут служить основой для получения новых материалов (керамики, металлокерамики, стекол, полимеров, резинотехнических изделий) со свойствами, отличными от свойств исходных материалов.

Несмотря на то, что сыпучие материалы перерабатываются в промышленности уже долгие годы, их смешивание и в настоящее время остается одним из самых малоизученных физических процессов. Природа сыпучих материалов не позволяет отнести их ни к твердым телам, ни к жидкостям. Способность сыпучих материалов принимать форму сосуда и возможность двигаться потоком роднит их с жидкостями. В то же время, каждая отдельно взятая частица обладает всеми свойствами твердого тела. Сыпучие материалы, состоящие из совокупности таких частиц, способны воспринимать внешние сжимающие нагрузки, что делает их похожими на твердые тела. Но в комплексе поведение сыпучих материалов в значительной степени отличается и от твердых тел, и от жидкостей. Это является причиной того, что сыпучие материалы - значительно более трудный объект для исследования, чем твердые тела или жидкие и газообразные вещества. Только в «идеальном» сыпучем материале отсутствуют взаимодействия между частицами. В реальном сыпучем материале частицы в определенной степени связаны между собой и воздействуют друг на друга, поэтому на характер протекания процесса их смешивания может оказывать влияние множество различных факторов, в том числе и носящих случайный характер.

Научно обоснованный выбор конструкции смесителя, предназначенного для смешивания конкретных сыпучих материалов, должен начинаться с изучения свойств этих материалов, так как они главным образом влияют на конструктивные особенности аппарата и режимы его работы. Процесс смешивания сыпучего материала протекает во времени и его ход, а также скорость зависят от правильности подбора аппаг та, причем во многих случаях может быть использовано уже существующее обор вание. Если с учетом свойств смешиваемых материалов данный аппарат пригод их переработки, то основной величиной, влияющей на окончательный его выбор служит необходимая степень однородности смеси.

В настоящее время нет согласованного мнения о том, что понимать под термином «однородная смесь», а следовательно нет и единой модели однородной смеси. Разработка математической модели динамики смешивания, включающей в себя описание однородного состояния смеси, позволит значительно упростить оценку эффективности применения того или иного аппарата в каждом конкретном случае. При этом отпадает необходимость проведения длительных экспериментальных исследований, что особенно важно при разработке нового смесителя.

Вообще, принято считать, что если ключевой компонент случайным образом распределен по всему объему смеси, то такая смесь является однородной. Это положение подчеркивает тот факт, что в основе процесса смешивания дисперсных материалов лежат явления, вероятностные по своей природе. Стохастический характер проявляется прежде всего в случайном распределении потоков частиц по рабочему объему аппарата. Можно ли «запрограммировать» эти случайные колебания? Такая возможность имеется, если при построении модели прибегнуть к некоторым упрощениям и рассматривать не весь объем аппарата, а отдельные его ячейки, являющиеся с точки зрения макрообмена стационарными, а для описания процессов, проходящих внутри ячеек воспользоваться методами, применяющимися при описании случайных процессов. Важно выяснить, насколько в равновесном состоянии концентрация ключевого компонента будет отличаться от равновесной (заданной), а также понять, что же главным образом влияет на характер и амплитуду случайных колебаний значений концентраций. Также необходимо определить время, по истечении которого смесь достигает равновесного состояния.

Как уже отмечалось, на эти вопросы до настоящего времени не существует однозначного ответа и при всем многообразии существующих моделей ни одна из них не претендует на полноту и окончательность описания процесса смешивания дисперсных материалов. Это является одной из основных причин актуальности подобных исследований. Данная работа посвящена исследованиям закономерностей смешивания сыпучих материалов и ставит конечной целью разработку динамической модели процесса, проходящего в аппарате планетарного типа.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Петров, Вячеслав Геннадьевич

ВЫВОДЫ

1. Анализ применяющихся в настоящее время смесителей показал, что для смешивания дисперсных материалов, в том числе с добавкой жидких составляющих может успешно применяться аппарат планетарного типа со спиральными лопастями, до этого широко не использовавшийся.

2. На основании изучения закономерностей смешивания дисперсных материалов был сделан вывод о том, что при моделировании динамики процесса для более точного предсказания качества и времени смешивания необходимо учитывать изменение числа частиц в конкретном объеме (пробе). Так как перемещение частиц в аппарате носит случайный характер, и конечное качество смеси не зависит от начального распределения в ней компонентов, при моделировании следует использовать математический аппарат цепей Маркова.

3. Предложенная модель динамики смешивания дисперсных материалов, позволяет прогнозировать:

- характер изменения концентрации ключевого компонента и вычислять ее значения в любой момент времени, а также определять время достижения смесью состояния динамического равновесия, в зависимости от свойств смешиваемых материалов, их заданных концентраций, объема анализируемой пробы и количества подводимой к смеси энергии,

- качество смеси дисперсных материалов с учетом свойств частиц дисперсного материала и их взаимодействия между собой.

4. Впервые предложен способ наглядного представления поведения смеси во времени, позволяющий:

- показать характер изменения числа частиц ключевого компонента в пробе заданного объема, в зависимости от того, насколько их количество в данный момент времени отличается от заданного,

- выявить допустимую область изменения концентрации целевого компонента в пробе при смешивании.

5. Проведены исследования по смешиванию дисперсных материалов на лабораторном смесителе планетарного типа. Анализировались пробы различного объема и из различных зон аппарата (по высоте и от периферии к центру). Выявлены закономерности изменения концентрации ключевого компонента в зависимости от объема анализируемой пробы и рецептуры состава. Полученные в ходе экспериментальных исследований данные по изменению концентрации ключевого компонента во времени, численные значения относительной дисперсии и тенденции ее изменения удовлетворительно согласуются с результатами численного моделирования.

6. На основании экспериментальных и теоретических исследований выданы рекомендации по модернизации узла смешивания сыпучих материалов в производстве окрашиваемых полимерных композиций. Рекомендован к практическому применению аппарат планетарного типа со спиральными лопастями, позволяющий получать продукт хорошего качества при некотором изменении порядка загрузки компонентов и увеличении концентрации связующего. В результате значительно сокращается время цикла и число технологических операций.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Прогнозирование качества смешивания дисперсных материалов / А.Н. Вери-гин, В.Г. Джангирян, М.В. Емельянов, В.Г. Петров // Журнал прикладной химии. 1998. Т.71, вып. 11. С.1561-1562.

2. Оценка качества смеси дисперсных материалов в равновесном состоянии / А.Н. Веригин, В.Г. Джангирян, М.В. Емельянов, В.Г. Петров // Теория и практика процессов измельчения, разделения, смешивания и уплотнения. Тезисы докладов Международной научной конференции. Одесса, Государственная морская академия, 1998. С.90-95.

3. Веригин А.Н., Федоров В.Н., Петров В.Г. Моделирование состояния однородной смеси методом Монте-Карло // Компьютерное моделирование, сб. научных трудов. Белгородская Государственная Техническая академия строительных материалов, Белгород, 1998. С.188-195.

4. Химико-технологические агрегаты смешивания дисперсных материалов/ В.Г. Джангирян, А.Н. Веригин, Е.Ю. Шашихин, М.В. Емельянов, В.Г. Петров // Химико-технологические агрегаты для обработки гетерогенных сред. Санкт-Петербургский Государственный университет, Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт (Технический Университет). Санкт-Петербург, 1999. С. 41-55.

123

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

V- объем смеси; Vnp - объем анализируемой пробы; v0 - объем частицы ключевого о компонента, [м ]; с, - концентрация ключевого компонента в пробе; к - общее число частиц дисперсного материала в ячейке (пробе); j - число частиц ключевого компонента в ячейке (пробе); j0 - число частиц ключевого компонента в ячейке при идеальном смешивании, [шт.]; коэффициент извилистости (длины пути) при движения частиц; Аги А г, - временной интервал без учета и с учетом влияния коэффициента извилистости, [с]; < J,fr > - число частиц ключевого компонента, покидающее ячейку за время А т ; J[ и J^+AT - число частиц ключевого компонента в ячейке соответственно в предыдущий и последующий момент времени, [шт.]; рх и р2 - вероятности перехода одиночной частицы ключевого компонента из контактирующих ячеек; Pj - вероятность перехода группы из j частиц ключевого компонента; G- скорость диссипации энергии, [ Вт/мъ]\ ст0 - величина относительной дисперсии распределения ключевого компонента в смеси; а - величина, равная отношению объема анализируемой пробы к общему объему смеси; п - число наблюдаемых шагов при переходе частиц; п0 - число шагов до достижения смесью динамического равновесия; Vn - относительная интенсивность перехода частиц ключевого компонента; Хп - относительное число частиц ключевого компонента в ячейке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Вячеслав Геннадьевич, 2000 год

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

2. Филин В.Я. Современные конструкции смесителей для сыпучих и пастообразных материалов в СССР и за рубежом. Центр, ин-т НТИ и техн. исслед. по хим. и нефт. машиностроению. М., 1972. 50 с.

3. Смесители для сыпучих и пастообразных материалов: Каталог / Центр, ин-т НТИ и техн. исслед. по хим. и нефт. машиностроению. М., 1985. 64 с.

4. Моисеенко В.И. Классификация, изучение, разработка и конструирование смесительного оборудования для порошкообразных и зернистых материалов // Проблемы химического машиностроения: Сб. М.: Машиностроение, 1968. С. 42-50.

5. Каталымов A.B., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и вязких материалов. Л.: Химия, 1990. 240 с.

6. Рогинский Г.А. Дозирование сыпучих материалов. М.: Химия, 1978. 173 с.

7. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975. 382 с.

8. Смесители с реверсивным шнеком типа СРШ / А.Е. Куринный, Б.Г. Кана Нин, Н.М. Лебедева, Н.И. Багрянцев // Хим. и нефт. машиностроение. 1972. № 9. С. 2-3.

9. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Л.: Химия, 1973. 420 с.

10. Смешение полимеров / В.В. Богданов, Р.В. Торнер, В.Н. Красовский, Э.О. Регер. Л.: Химия, 1979. 192 с.

11. Холмс-Уолкер В.А. Переработка полимерных материалов. М.: Химия, 1979.304 с.

12. Заявка 62-18212 Япония, МКИ В 01 5/26. Способ перемешивания тонкодисперсного материала/ Дореко (Япония). № 54; Заявл. 09.05.79; Опубл. 22.04.87. 2 с.

13. A.c. 1414436 СССР, МКИ В01 3/18. Смесительная установка / М.М. Свиридов (СССР). № 4190531; Заявл. 04.02.87 ; Опубл. 07.08.88, Бюл. № 29. 2 с.

14. A.c. 1421387 СССР, МКИ В01 13/00. Устройство для приготовления сухих многокомпонентных смесей / P.A. Татевосян, Е.В. Егорова (СССР). № 4044923; Заявл. 06.03.86; Опубл. 07.09.88, Бюл. № 33. 3 с.

15. A.c. 1368016 СССР, МКИ ВО 01 11/00. Устройство для приготовления многокомпонентных смесей / В.В. Михневич, В.К. Высоцкий, М.Н. Сарасеко (СССР). № 3959608; Заявл. 01.10.85; Опубл. 23.01.88, Бюл. № 03. 3 с.

16. Пат. 3645583 США, МКИ В 65 G 53/18. Смеситель для сыпучих материалов /Д. Тернер (США). № 590749; Заявл. 08.06.89; Опубл. 12.05.91; НКИ 375/ 53. 2 с.

17. Богданов В.В., Христофоров Е.И., Клоцунг Б.А. Эффективные малообъемные смесители. Л.: Химия, 1989, 224 с.

18. Веригин А.Н., Малютин С.А., Шашихин Е.А. Химико-технологические агрегаты. С-Пб.: Химия, 1996. 256 с.

19. Александровский A.A. Исследование процесса смешения и разработка аппаратуры для приготовления композиций, содержащих твердую фазу. Автореф. дис. д-ра техн. наук/Казань, 1976. 38с.

20. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. М.: Наука, 1972. 343 с.

21. Карамзин В.Д. Техника и применение вибрирующего слоя. Киев: Наукова думка, 1977. 239 с.

22. Репкин Ю.А., Михалин В.М. Проблемы смешивания порошкообразных и зернистых материалов // Хим. и нефт. машиностроение. 1975. № 3. С. 40-45.

23. Бахтюков В.М. Бипланетарные смесители. Серия ХМ-1: Экспресс-информация / Центр, ин-т НТИ и техн. исслед. по хим. и нефт. машиностроению. М., 1984. № 11. 8 с.

24. Макаров Ю.И., Зайцев А.И. Новые типы машин и аппаратов для переработки сыпучих материалов. М.: МИХМ, 1982. 85 с.

25. Макаров Ю.И., Квак А.Г. Разработка, исследование и расчет машин и аппаратов химических производств. М.: МИХМ, 1984. 187 с.

26. Шидловский A.A. Основы пиротехники. М.: Машиностроение, 1973. 320 с.

27. Смеситель СП-IT. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

28. Макаров Ю.И. Проблемы смешения сыпучих материалов. // Журн. всесо-юзн. хим. общества им. Д.И. Менделеева. 1988. Т. 33, № 4. С. 384-389.

29. РТМ 26-01-120-89. Машины для переработки сыпучих материалов. Методы выбора оптимального типа питателей, смесителей и измельчителей.

30. Carr R.L. Classification // Chemical Engeneering. 1965. № 18. P. 47-59.

31. Макаров Ю.И., Полянский В.П., Жильцова Ю.В. Классификация сыпучих материалов применительно к процессам смешивания, перемещения и дозирования. // Хим. и нефт. машиностроение. 1996. № 1. С. 18-22.

32. Барлетт М.С. Введение в теорию случайных процессов. М.: Изд. иностр. литературы, 1958. 285 с.

33. Grosz-Roell F. Assessing homogenity in motionless mixers // Chemical Engeneering. 1980. № 20. P. 542-549.

34. Критерий для оценки качества смеси. / В.Г. Бакалов, М.В. Александров, М.Ф. Михалев, O.A. Болкунов // Журн. прикл. химии. 1984. № 4. С.39-43.

35. Косяков A.B., Кропотов Л.М., Калыгин В.Г. Оценка качества смешения многокомпонентных полидисперсных порошковых материалов. // Всесоюзная конф. по технологии сыпучих материалов: Тез. докл. Ярославль, 1989. Т. 2. С. 87-88.

36. Закгейм Л.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М.: Химия, 1982. 178 с.

37. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991. 315 с.

38. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т. Математическое моделирование химических производств. М.: Мир, 1973. 215 с.

39. Зайцев А.И., Бытев Д.О., Сидоров В.Н. Теория и практика переработки сыпучих материалов // Журн. всесоюзн. хим. общества им. Д.И. Менделеева. 1988. Т. 33, № 4. С. 390-396.

40. Протодьяконов И.О., Богданов С.Р. Статистическая теория явлений переноса в процессах химической технологии. JL: Химия, 1983. 195 с.

41. Хейфец Л.И., Неймарк A.B. Многофазные процессы в пористых средах. М.: Химия, 1982. 320 с.

42. Ахмадиев Ф.Г., Александровский A.A. Моделирование и реализация способов приготовления смесей // Журн. всесоюзн. хим. общества им. Д.И. Менделеева. 1988. Т. 38, №4. С. 448-453.

43. Ермаков С.М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. М.: Наука, 1973.159 с.

44. Ермаков С.М., Михайлов В.Г. Курс статистического моделирования. М.: Наука, 1976. 235 с.

45. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973. 115 с.

46. Веригин А.Н., Федоров В.Н., Данильчук B.C. Химико технологические агрегаты. Имитационное моделирование. С-Пб.: изд. Санкт-Петербургского Университета, 1998. 217 с.

47. Хокин Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М.: Мир, 1987. 337 с.

48. Лихтенберг А., Либерман М. Регулярная и стохастическая динамика. М.: Мир, 1984. 528 с.

49. Михайлов Е.Ф., Власенко С.С. Образование фрактальных структур в газовой фазе // УФН. 1995. Т. 165, № 3. С. 263 283.

50. Романов О.М. Наглядное моделирование фрактальных структур // УФН. 1995. Т. 165, №9. С. 1095 1098.

51. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М.: Мир, 1978.215 с.

52. Веригин А.Н., Ермаков A.C., Шашихин Е.Ю. Методика оценки состояния гетерогенных сред. // Журн. прикл. химии. 1994. Т.67, № 9. С. 1561-1562.

53. Николис Дж. Динамика иерархических систем. Эволюционное представление. М.: Мир, 1989. 486 с.

54. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации. М.: Высшая школа, 1989.320 с.

55. Построение математических моделей химико-технологических объектов/ Е.Г. Дудников, B.C. Балакирев, В.Н. Кривсунов, Н.М. Цирлин. М.: Химия, 1970. 312 с.

56. Генералов М.Б. Теоретические проблемы механики сыпучих сред. Всесоюзная конференция по технологии сыпучих материалов // Всесоюзн. конф. по технологии сыпучих материалов : Тез. докл. Ярославль, 1989. Т.2. С. 178.

57. Кафаров В.В., Дорохов H.H., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1985. 438 с.

58. Бытев Д.О. Стохастическое моделирование процессов смешения сыпучих материалов // Всесоюзн. конф. по технологии сыпучих материалов: Тез. докл. Ярославль, 1989. Т.2. С. 74-77.

59. Баруча-Рид А.Т. Элементы теории Марковских процессов и их приложение. М.: Наука, 1969. 217 с.

60. Динамика смешения сыпучих материалов на микроуровне / А.Н. Веригин, В.Г. Джангирян, М.В. Емельянов, Е.Ю. Шашихин // Журн. прикл. химии. 1997. Т.59, №7. С. 1315-1327.

61. Ван Кампен Н.Г. Стохастические процессы в физике и химии. М.: Высшая школа, 1990. 376 с.

62. Неймарк Ю.И., Ланда П.С. Стохастические и хаотические колебания. М.: Наука, 1987. 424 с.

63. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981.568 с.

64. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы математической физики. М.: Наука, 1973. 352 с.

65. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Нестационарные структуры и диффузионный хаос. М.: Наука, 1992. 544 с.

66. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1965. 400 с.

67. Румшиский Л.З. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1970. 250 с.

68. Эфрос А.Л. Физика и геометрия беспорядка. М.: Наука, 1982. 176 с.

69. Мун Ф. Хаотические колебания. Вводный курс для научных работников и инженеров. М.: Мир, 1990. 312 с.

70. Смеситель СПУ-10. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

71. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических процессов. М.: Химия, 1972. 199 с.

72. Хикс Ч. Основные принципы планирования экспериментов. М.: Наука, 1967.230 с.

73. Худсон Д. Статистика для физиков. М. Мир, 1967. 375 с.129

74. Федоров B.B. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1971. 215 с.

75. Растригин JI.A. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968. 193 с.

76. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970. 325 с.

77. Химические товары: Справочник / Под ред. Т.П. Унанянц, Г.Я. Бахаровско-го. М,: Химия. Т.5. С. 685-687.

78. Результаты экспериментального анализа проб различного объема для смеси частиц полистирола с концентрацией ключевого компонента 20%.

79. Результаты экспериментального анализа проб различного объема для смеси частиц полистирола с концентрацией ключевого компонента 30%.

80. Результаты экспериментального анализа проб различного объема для смеси частиц полистирола с концентрацией ключевого компонента 40%.