Моделирование процессов смешения и уплотнения тонкодисперсных материалов в новом аппарате центробежного действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Бушмелев, Андрей Викторович

• Бушмелев, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бушмелев, Андрей Викторович

Введение.

Глава 1. Анализ современного оборудования центробежного действия для смешения и уплотнения сыпучих материалов. Конструкции аппаратов и математическое моделирование.

1.1. Оборудования центробежного действия для смешения и уплотнения сыпучих материалов.

1.1.1. Центробежные смесители сыпучих материалов.

1.1.2. Уплотнители сыпучих материалов с вращающимся рабочим органом.

1.1.3. Устройства для смешения и уплотнения сыпучих материалов.

1.2 Анализ математических моделей процессов смешения и уплотнения сыпучих материалов в аппаратах центробежного действия.

1.2.1. Математические модели процессов смешения сыпучих сред.

1.2.2. Математические модели процессов уплотнения сыпучих материалов

Глава 2. Исследование процессов смешения сыпучих материалов в новых аппаратах центробежного действия.

2.1 Экспериментальное исследование процессов смешения сыпучих материалов в устройстве с горизонтальным валом.

2.1.1 Смеситель с жесткими лопатками.*.

2.1.2 Смеситель с эластичными лопатками.

2.2 Компьютерное моделирование процессов смешения сыпучих материалов в аппарате с горизонтальным валом.

2.2.1. Моделирование процесса смешения в аппарате с жесткими лопатками

2.2.2. Моделирование процесса смешения в аппарате с эластичными лопастями.

2.3 Экспериментальные исследования процессов смешения сыпучих материалов в аппарате с криволинейными лопатками.

2.3.1 Исследование движения твердых частиц в агрегате.

2.3.2. Исследование процесса смешения сыпучих материалов.

2.4 Компьютерное моделирование процессов смешения сыпучих материалов в аппарате с криволинейными лопатками.

2.5. Совместная работа аппаратов с горизонтальным валом и с криволинейными лопатками.

2.6. Выводы по главе.

Глава. 3. Исследование процесса уплотнения сыпучих материалов в новом аппарате с криволинейными лопатками.

3.1 Экспериментальное исследование процесса уплотнения сыпучих материалов в аппарате с криволинейными лопатками.

3.2 Математическая модель уплотнения порошка в центробежном аппарате с криволинейными лопатками.

3.2.1. Описание движения и уплотнения твердых частиц тонко дисперсной среды.

3.2.2. Поиск приближенного решения в условиях двухточечной краевой задачи.

3.2.3. Постановка условий двухточечной краевой задачи.

3.2.4. Анализ приближенного решения двухточечной краевой задачи.

3.2.5 Поиск приближенного решения в условиях двумерной краевой задачи. 96 3.2.6. Описание движения дисперсной смеси в случае максимальной степени уплотнения без учета скольжения.

Определение уравнения предельной свободной границы дисперсной смеси

Выводы по главе.

Глава 4. Разработка и расчет агрегата для смешения и уплотнения сыпучих материалов.

4.1 Расчет ступени предварительного смешения.

4.1.1 Определение производительности ступени.

4.1.3.0пределение максимальной угловой скорости.

4.1.4.0пределение минимальной угловой скорости.

4.1.5. Расчет мощности привода.

4.2. Определение оптимальных параметров криволинейной лопатки в центробежном уплотнителе.

4.2.1. Метод расчета конструктивных параметров лопатки.

4.3. Выводы по главе.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q Производительность, кг/ч

Vc Коэффициент неоднородности смеси,% с Концентрация компонента смеси со Угловая скорость, рад/с п Частота вращения, об/мин

N Число лопаток т Масса, кг

Смещение дозаторов, м р Плотность частиц материала, кг/м

А Расстояние между дозаторами,м

Я Глубина проникновения материала в смеситель, м а порозность

I Индекс трения, % сrf1 осредненный тензор эффективных напряжений твердой фазы, Па о> тго, <7гв компоненты осредненного тензора эффективных напряжений, Па

Fr число Фруда ж число Пи г радиальная координата, м t время, с v скорость, м/с

8е1 символ Кронекера в угловая координата, рад

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов смешения и уплотнения тонкодисперсных материалов в новом аппарате центробежного действия»

Смешение сыпучих материалов с давних пор широко применяется во многих отраслях промышленности и в настоящее время является одним из самых распространенных процессов в химической, металлургической и других отраслях промышленности. При этом требования современных технологий обуславливает необходимость постоянного расширения типов смесительного оборудования [1.12]. Однако большинство смесительных аппаратов, используемых на предприятиях промышленности морально и физически устарели, металло- и энергоемки и во многих случаях не способны обеспечить надлежащее качество смеси [2]. Поэтому для интенсификации процесса смешения необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволили бы увеличить производительность аппаратов и качество приготовляемых смесей, при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости, для чего целесообразно применять непрерывно действующее оборудование. Среди данного типа оборудования наиболее эффективно проявили себя смесители центробежного типа [13. 16]. Конструктивное исполнение таких аппаратов обеспечивает смешение в тонких, разреженных, пересекающихся и перекрещивающихся слоях и позволяет получать высококачественные смеси при высокой производительности. Центробежные смесители непрерывного действия обладают возможностью управления процессом смешения, универсальностью, быстрой и несложной переналадкой для работы с различными сыпучими материалами. Ввиду малой изученности процессов, происходящих в центробежных аппаратах, отсутствия универсальной физической модели перераспределения частиц материала внутри смесителя, необходимы экспериментальные и теоретические исследования механизма смешения с целью совершенствования методов расчета и конструкций этого типа смесителей.

Однако, многие из перерабатываемых сыпучих материалов имеют малый насыпной вес и высокую пористость, что приводит к увеличению затрат при их транспортировке, затаривании и хранении [17.20]. При этом, после процесса смешения возникает необходимость проводить принудительное уплотнение полученных смесей, с использованием дополнительного оборудования.

Под уплотнением понимают процесс уменьшения объемной доли газа в порошке, представляющем собой двухфазную смесь твердые частицы-газ [17]. В литературе часто уплотнением называют два отличающихся друг от друга процесса: прессование и деаэрация порошков [21]. При прессовании происходит в основном деформация и разрушение твердых частиц, и образование связей между ними за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Поэтому вопрос удаления лишнего газа при прессовании рассматривается лишь во взаимосвязи с качеством готового продукта. При деаэрации происходит только переупаковка твердых частиц и удаление излишнего газа. Деаэрация порошков в отличие от прессования является малоизученным процессом [6].

Механические устройства наиболее широко используются для уплотнения сыпучих материалов. Однако процесс уплотнения порошков в таких устройствах недостаточно исследован и отсутствуют инженерные методы расчета режимных и геометрических параметров применительно к деаэрации порошков. Большое влияние на процесс уплотнения оказывает также удаление излишнего газа при осуществлении процесса деаэрации. Этот процесс и его физико-механические характеристики в настоящее время мало изучены. В связи с этим возникает необходимость теоретических и экспериментальных исследований процессов уплотнения порошков в этих устройствах и удаления воздуха в процессе уплотнения.

В то же время, большинство современных уплотнителей непрерывного действия обладают низкой производительностью и высоким потреблением энергии [20].

Одним из путей повышения эффективности получения качественных уплотненных смесей является создание оборудования, позволяющего совмещать процессы смешения и уплотнения сыпучих материалов в одном агрегате, или производить эти процессы последовательно.

Цели работы

Целями настоящей работы являются:

- Моделирование процессов смешения сыпучих материалов и уплотнения порошковых сред в новом аппарате центробежного действия;

- Разработка на их основе методики инженерного расчета устройства, обеспечивающего работу в режиме смесителя сыпучих ингредиентов и уплотнителя порошков, а также последовательное осуществление операций смешивания тонкодисперсных компонентов и деаэрирования получаемой смеси;

Научная новизна

1. Впервые изучен процесс деаэрации сыпучих материалов в центробежном аппарате и предложено его соответствующее математическое описание;

2. Созданы компьютерные модели процесса смешения в центробежном аппарате;

3. Разработана методика определения коэффициента неоднородности для трудноразделимых, отличающихся по цвету компонентов;

4. Предложена конструкция устройства для смешения и уплотнения сыпучих материалов;

5. Создана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета оптимальных значений режимных и конструктивных параметров устройства

На защиту выносятся следующие положения

1. Плоскодеформационная модель процесса уплотнения тонкодисперсного материала в рабочей ячейке центробежного деаэратора с криволинейными лопатками;

2. Компьютерная модель процесса смешения сыпучих материалов в центробежном аппарате;

3. Конструкция и метод расчета устройства для смешения сыпучих материалов, уплотнения и деаэрации тонкодисперсных сред;

Практическую ценность представляют:

1. использование разработанного устройства позволяет получать однородные смеси сыпучих материалов, дегазированные порошковые продукты, а также высококачественные уплотненные смеси тонкодисперсных сред при высокой производительности и низких энергозатратах;

2. создана методика инженерного расчета, которая находит использование при разработке оборудования для смешения и уплотнения сыпучих материалов в задачах химической и других отраслей промышленности;

Достоверность полученных результатов

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, а также удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Методы исследования

Экспериментальные исследования производились в лабораторных условиях. Математическое моделирование осуществлялось с помощью уравнений механики, гидромеханики, вероятностных и статистических методов. Проведение расчетов, обработка результатов эксперимента и численное и аналитическое решение уравнений производили на ЭВМ. Настоящая диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Бушмелев, Андрей Викторович

Основные выводы и результаты работы

1. Используя современные программные продукты, разработаны модели, смешения сыпучих материалов в центробежных аппаратах, позволяющие определять коэффициенты неоднородности смеси на выходе из аппарата.

2. Показан и обоснован метод определения качества смеси трудноразделимых, отличающихся по цвету компонентов

3. На основе общего математического подхода к описанию тонкодисперсных материалов с упругими свойствами среды, базирующегося на механике многофазных систем, предложена плоскодеформационная модель движения и уплотнения порошков в центробежном аппарате с криволинейными лопатками. Получены приближенные аналитические решения двухточечной краевой задачи для криволинейных лопастей в форме дуги окружности без учета эффекта проскальзывания порошкообразного материала у стенки лопасти. Выявлена целесообразность применения центробежных уплотнителей тонкодисперсных сред (порозность порошковой среды увеличивается примерно в полтора раза) и обоснована правомерность использования предлагаемого математического описания процесса деаэрации.

4. С помощью плоскодеформационной модели движения и уплотнения тонкодисперсных материалов в центробежном аппарате записаны уравнения предельной свободной границы дисперсной смеси в условиях ее максимальной степени уплотнения и предложен метод расчета толщины слоя уплотняемого продукта при его максимальной порозности.

5. Создана инженерная методика расчета нового центробежного уплотнителя с криволинейными лопастями в форме дуги окружности, включающая определение производительности; поиск оптимальных конструктивных параметров рабочего органа аппарата.

6. На основе инженерного метода расчета определены оптимальные конструктивные и режимные параметры лопасти в виде дуги окружности для центробежного уплотнителя тонкодисперсных сред, который прошел успешные опытно-промышленные испытания на ЗАО «ЖЕЛЕЗОБЕТОН» г. Ярославль. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 И

12

13

14

15

16

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бушмелев, Андрей Викторович, 2007 год

1. Таршис М. 10. Метод расчета смесителя сыпучих материалов с волнообразным движением рабочего органа: Дис. канд. техн. наук / М. Ю. Таршис. Ярославль, 1985. 153 с.

2. Кафаров В. В. Системный анализ процессов химической технологии / В.В Кафаров, И. Н. Дорохов, С. Ю. Артюнов // Процессы измельчения и смешивания сыпучих материалов. М., 1985. 440 с.

3. Мудров А. Г. Разработка пространственных перемешивающих устройств нового поколения, применяемых в сельском хозяйстве и промышленности: Дис. . д-ра техн. наук / А. Г. Мудров. Казань, 1999. 493 с.

4. Бытев Д. О. Основы теории и методы расчета оборудования для переработки гетерогенных систем в дисперсно-пленочном состоянии: Дис. .д-ра техн. наук / Д. О. Бытев. Ярославль, 1995. 544 с.

5. Зайцев И. А. Моделирование процесса смешения сыпучих материалов в роторно-струйных устройствах с гибкими рабочими органами / И. А. Зайцев, М. Ю. Таршис, JI. В. Королев, Д. О. Бытев // Изв. вузов. Сер. Химия и хим. технология. 2000. Вып. 6. С. 97- 100.

6. Зайцев И. А. К расчету некоторых режимных и конструктивных параметров нового роторного смесителя сыпучих сред / И. А. Зайцев, М. Ю. Таршис, Д. О. Бытев // Тез. докл. регион, науч.-техн. конф., посвящ. 55- летию ЯГТУ. Ярославль, 1999. С. 65.

7. Зверев В. П. Разработка циркуляционных смесителей центробежного типа дляполучения комбинированных продуктов: Автореферат диссертации на соисканиеученой степени кандидата технических наук.- Кемерово 2003. -16с.

8. Бородулин Д. М. Разработка и исследование непрерывнодействующегосмесительного агрегата центробежного типа для получения сухихкомбинированных продуктов: Автореферат диссертации на соискание ученойстепени кандидата технических наук .-Кемерово: 2003.- 16с.

9. Ратников С.А. Разработка и исследование непрерывнодействующего17