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, металлои 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.
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 производительностипоиск 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.
