Разработка конструкции и метода расчета гранулирующего устройства

Сыпучие материалы занимают чрезвычайно важное место в связи с их широчайшим распространением и разнообразным применением, исключительной ролью в природных явлениях и процессах, в повседневной техногенной деятельности человека и вместе с тем в связи с весьма специфическими физико-химическими свойствами.

Поэтому удивительно, что их свойства и поведение ученые начали всерьез изучать только недавно. Возможно, что долгое время теоретики не обращали вниманияна динамику сыпучих веществ, считая их неким «приземленным» материалом, неинтересным с точки зрения теории.

С целью улучшения качества сыпучих материалов их подвергают гранулированию, которое позволяет существенно уменьшить склонность продукта к слеживанию, а, следовательно, упростить > хранение, транспортирование и дозированиеповысить сыпучесть при1 одновременном устранении пылимости и тем самым улучшить условия труда в сферах производства, обращения и использования. Наряду с этим гранулирование открывает возможность гомогенизировать смесь в отношении физико-химических свойствувеличивать поверхность тепломассообмена и насыпной весрегулировать структуру гранул и связанные с ней свойства. Все это* способствует интенсификации процессов, в которых используются гранулированные продукты, повышению производительности труда и культуры производства [ 1.19]:

Проблему совершенствования процессов гранулирования в нефтепереработке, нефтехимии и химической промышленности необходимо решать, переходя на технологии нового типа, создать новые классы аппаратов, способных максимально эффективно использовать возможности процессов.

В последние годы все шире для гранулирования широкого спектра сыпучих материалов применяются шнековые устройства. Они пришли на замену тарельчатых и барабанных грануляторов окатывания, необоснованно выбираемых технологами по сложившейся в этих отраслях промышленности традицииПродукт, получаемый посредством шнекового гранулирования, отличается значительной плотностью и механической! прочностью, благодаря чему он не пылит и не слёживается, обладает высокой насыпной плотностью, низкой гигроскопичностью, однородностью свойств во всем объеме получаемых гранул, высокой дисперсностью составляющих частиц и хорошейделимостью. Это особенно важно для таких продуктов нефтехимии и нефтепереработки как стабилизаторы и антиоксиданты полимерных материалов, ускорители вулканизации резины, пигменты и т. д.

Однако существующие конструкции шнековых грануляторов и формующих инструментов к ним не отвечают возросшим требованиям современного уровня развития промышленности. Они изобилуют наличием застойных зон, отличаются значительным гидравлическим сопротивлением, неравномерностью выхода гранулята, что приводит к снижению качества продукции, уменьшению производительности процесса. Кроме того, каждая конструкция предназначена только для одного конкретного материала и для, перехода на переработку сыпучего материала с другими свойстваминеобходимо пересматривать конструкцию устройства.

Чтобы повысить качество и увеличить производительность шнековых машин, гранулирующих сыпучие материалы, требуется разработка комплексного системного подхода к исследованию, математическому описанию и конструктивному оформлению процесса.

Необходимо установить связь интенсивности процесса и качества гранулированного продукта со свойствами исходного материала, технологическими и конструктивными факторами переработки. Решающее значение в технологии шнекового гранулирования имеют физико-механические и реологические свойства, перерабатываемого материала.

Таким образом, при построении: критериев совершенствования и оптимизации процесса шнекового (экструзионного) гранулирования сыпучих материалов необходимо установление взаимосвязи между их физико-механическими, реологическими свойствами и конструктивным решением аппаратурного оформления.

К сожалению, до сих пор не выведены закономерности течения потоков сыпучих материалов в узлах и каналах шнековых машин. Это обусловлено недостатком экспериментальных данных (особеннопо физико-механическим и реологическим, свойствам сыпучих материалов) [1.11]. Поэтому проектирование шнековых гранулирующих устройств для сыпучих материалов остаётся достаточно сложной проблемой.

Одним из основных конструкционных узлов в шнековом гранулирующем устройстве является формующий инструмент — экструзионная головка, где осуществляется окончательное формирование сыпучего материала в гранулы с приданием им определенной плотной структуры со значительной механической прочностью. В каналах экструзионных головок, как и в шнековой машине, сыпучий материал подвергается одновременному воздействию деформаций сдвига и. объемного сжатия, при этом изменяются его реологические свойства. Кроме того, в процессе гранулирования сыпучий материал находится в двух физических состояниях — порошок (в питательном бункере и* зоне питания) и пастообразный материал (после зоны подвода жидкого связующего агента), в связи с чем чрезвычайно важно исследовать изменение как физико-механических, так и реологических свойств, перерабатываемого материала в обоих этих состояниях. Поэтому для успешного решения поставленных задач необходимо использовать последние достижения физики и химии твердых дисперсных систем, механики неньютоновских жидкостей, теоретической и прикладной реологии.

Большой вклад в развитие указанных научных направлений сделали следующие ученые: Ребиндер П. А., Зимон А. Д., Дерягин Б. В., Классен П. В., Генералов М. Б., Гольдштейн M. Hi, Рабинович А. JL, Шомин И. П., Гришаев И. Г., Казакова Е. Е., Каталымов A.B., У. Дарнелл, Э. МолЭ.В. Дженике и др.

В научных исследованиях течения сыпучих материалов в каналах и узлах шнековых (экструзионных) машин преобладает изучение вопросов течения полимерных материалов, изменяющих свое агрегатное состояние от твердого до жидкотекучего. Теоретические зависимости для сыпучих материалов, основная составляющая часть которых остается в твердом состоянии при протекании всего технологического процесса, до сих пор не сформулированы.

Таким образом, разработка методов расчета данных устройств является важной задачей, так как их рациональное проектирование способствует увеличению производительности процесса, улучшению качества продукции, снижению затрат сырья и энергоресурсов.

На основании вышеизложенного были определены основные задачи исследования:

— проведение экспериментальных исследований физико-механических, и реологических свойств исходных сыпучих материалов, а также механической смеси, сыпучих материалов с жидким связующим агентом;

— разработка конструкции шнекового гранулирующего устройства и формующегоинструмента кнему для гранулирования сыпучих материалов;

— проведение экспериментальных исследований по шнековому (экструзионному) гранулированию модельных сыпучих материалов на разработанной конструкции гранулирующего устройства;

— создание математической модели' процесса шнекового гранулирования сыпучих материалов на разработанном шнековом гранулирующем устройстве;

— разработка зависимости для расчета гидродинамической характеристики предложенного формующего инструмента;

— проверка полученной зависимости в сравнении с теориями других авторов;

— проверка в промышленных условиях теоретических расчетов и проектно-конструкторских решений с целью оптимизации режимов гранулирования и внедрения в производство.

Основные направления исследований производились в соответствии с Государственными научно-техническими программами Академии Наук Республики Башкортостан (АНРБ) «Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий на 1996;1997 гг.», подпрограмма «Аппаратостроение» (Постановление Кабинета министров РБ № 204 от 26.06.96), и «Концепцией и программой социально-экономического развития Республики Башкортостан на 1997;2000 гг. и до 2005 года» (Постановление Кабинета министров № 3 от 12.01.98) • по разделам «Совершенствование конструкций аппаратов с целью повышения эффективности и улучшения экологических условий на: нефтехимических предприятиях Республики Башкортостан» .

Научная новизна. Получена эмпирическая зависимость, связывающая реологические свойства гранулируемого материала и гидродинамические характеристики экструзионной головки с её геометрическими размерами.

Разработана конструкция и метод расчета шнекового-гранулирующего устройства для переработки смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами.

Определены оптимальные значения отношения длины формующих каналов к диаметру рабочей поверхности фильеры в пределах от 0,1 до 0,3.

На защиту выносятся.

1 Новая конструкция экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов, входящая в состав шнекового гранулирующего устройства.

2 Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств сыпучих и гранулированных материалов, реологических свойств смесей сыпучих материалов с жидкими связующими агентами, которые использовались при постановке экспериментов по шнековому гранулированию.

3. Эмпирическая зависимость для определения расхода гранулята от перепада давления в формующих каналах разработанной экструзионной головки, их геометрических размеров и реологических свойств перерабатываемого материала.

4. Метод расчета шнекового гранулирующего устройства, применительно > к переработке смеси сыпучего материала с жидким связующим агентом, основная структурная часть составляющих элементов которой находится в твердом состоянии в течениевсего процесса гранулирования.

Практическая ценность. Разработанное шнековое гранулирующее устройство, в состав которого входит экструзионная головка для гранулирования пастообразных материалов (патент РФ № 2 205 104), прошло успешные промышленные испытания на ЗАО «Стерлитамакский нефтехимический завод», показавшие увеличение производительности процесса гранулирования при одновременном улучшении качества гранул.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: межвузовской научно-методической конференции «Совершенствование учебного процесса» (г. Салават, 2002 г.) — Республиканской научно-практической конференции «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии» (г. Уфа, 2002 г.) — VI Всероссийской научно-практической конференции.

Современные технологии в машиностроении — 2003″ (г. Пенза, 2003 г.) — Межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2003» (г. Ухта, 2003 г.), II Всероссийской научно-практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии» (г. Самара, 2003 г.), Республиканской научно-практической конференции «Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане» (г. Уфа, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности» (г. Стерлитамак, 2004 г.).

Результаты исследований опубликованы в десяти печатных работах, получен 1 патент РФ на изобретение.

Работа выполнена на кафедре «Оборудование нефтехимических заводов» Стерлитамакского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана новая конструкция шнекового гранулятора. сыпучих материалов и экструзионной головки для гранулирования пастообразных материалов (Патент РФ № 2 205 104).

2. Проведены экспериментальные исследования физико-механических и реологических свойств исходных сыпучих материалов, а также механической смеси сыпучих материалов с жидким связующим агентом.

3: Проведены экспериментальные исследования по шнековому (экструзионному) гранулированию модельных сыпучих материалов на разработанной конструкции гранулирующего устройства.

4. Создана математическая модель процесса шнекового гранулирования сыпучих материалов на разработанном шнековом гранулирующем устройств.

5. Разработана зависимость для расчета гидродинамической характеристики предложенного формующего инструмента.

6. Проведена проверка полученной зависимости в сравнении с теориями других авторов, которая показала хорошее согласование с экспериментом (среднее отклонение между значениями не превышало 10−15%).

7. Разработан метод проектного расчета шнекового гранулирующего устройства для сыпучих материалов.

8. Проведена проверка в промышленных условиях теоретических расчетов и проектно-конструкторских решенийподтвердившая их справедливость. Переданная техническая документация на разработанную конструкцию на ЗАО «Стерлитамакский нефтехимический завод» получила положительный отзыв, конструкция была рекомендована к внедрению.

9. Полученные методы расчета и данные экспериментальных исследований могут быть использованы в дальнейшем при расчете шнековых гранулирующих устройств для переработки широкого спектра сыпучих материалов.