Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из направлений научно-технического прогресса является развитие высокоэффективных технологий на базе интенсификации существующих и разработки новых тешкжассооб-менных процессов и аппаратов для различных отраслей промышленности. Перспективным путем решения этой задачи является создание контактных аппаратов для организации процессов обмена во взвешенном состоянии с использованием активных гидродинамических режимов. Такие режимы реализуются, например, в фонтанирующих, проходных кипящих, вибровращающихся слоях,.закрученных, вихревых струях.
Среди этих процессов особое место занимает метод встречных струй, обеспечивающий наиболее высокие по сравнению с традиционными методами относительные скорости движения фаз и коэффициенты межфазового обмена. Высокая интенсивность процессов обмена, достигаемая в аппаратах со встречными струями, как будет показано далее в работе, имеет принципиальное значение, т.к. создаются предпосылки к интенсификации не только внешнего, но и внутреннего тепломассообмена. К тому же часто реализуются одновременно протекающие процессы дробления, грануляции, смешения, дегазации, кальцинации и т.д. Такая организация потоков создает условия для повышения энергосберегающих показателей технологических процессов и аппаратов, улучшения качества материала на основе проведения полезных физико-химических и биологических преобразований объекта.
Не менее актуальна проблема интенсификации сопутствующих процессов очистки отходящих газов и поверхностей технологической аппаратуры, переработки и утилизации отходов производства. Эти задачи также могут быть успешно решены при использовании данного метода. Решение проблемы невозможно без углубленного изучения процессов обмена в аппаратах со встречными струями.
Тема диссертационной работы связана с планами научно-исследо-вательских работ Академического научного комплекса "Институт теп-ло-и массообмена им.А.В. Лыкова АНБ в период 1965-1994 г. г. Она является обобщением результатов теоретических и прикладных исследований, выполненных под руководством и при участии автора по заданиям координационных планов ГКНТ СССР, республиканским и академическим проблемам.
Цель работы. Основной целью работы является создание научных основ теории и техники интенсивных тепломассообменных процессов
4 и аппаратов, основаныых на методе встречных струй, исследование и внедрение в производство новых высокоэффективных модификаций метода, технологических процессов, обеспечивающих существенное повышение технико-экономических и экологических показателей применяемого оборудования и качества материала.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
-
Разработать научно обоснованную классификацию способов и устройств, реализующих метод встречных струй.
-
Разработать основы гидродинамики аппаратов, учитывающие реальную структуру потоков и особенности каждой модификации метода встречных струй.
-
На основе исследований гидродинамики и тепломассообмена разработать:
методы расчета процессов тепломассообмена в аппаратах со встречными струями с учетом природы обрабатываемых материалов;
новые пути интенсификации процессов в аппаратах со встречными струями применительно к термообработке, смешению, очистке газов;
новые технологии и оборудование на основе предложенных модификаций метода встречных струй.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана классификация способов и устройств, в основе которых лежит структура потоков, природа обрабатываемых материалов, конструктивные особенности аппаратов со встречными струями и т. д.;
разработана модель движения частиц в зоне встречных струй, численно и экспериментально выявлена реальная структура' потоков, получены зависимости для расчета коэффициентов удержания, параметров движения'частиц, гидродинамических сопротивлений одно- и двухфазных встречных струй. По концентрации плотной фазы определена область стабильного протекания обменных процессов во встречных струях. В новой модификации метода - встречных реверсивных потоках газовзвеси (ВРІЮ обнаружено существование подвижного флюидизирован-ного облака частиц повышенной концентрации - "поршня", выявлена динамика движения поршня и границы его существования;
разработана модель процесса тепломассообмена во встречных струях, получены локальные и интегральные значения интенсивности теплообмена и соответствующие критериальные зависимости; выявлена область влияния концентрации плотной фазы на теплообмен. Определены
5 кинетические закономерности тепломассопереноса применительно к процессам сушки и высокотемпературной обработки твердых материалов различного типа Снепористых, капиллирярно-пористых коллоидных, кристаллических);
разработан метод термической декстринизации зерна во встречных струях Стермовструдирование). Для различных модификаций метода выявлены закономерности кинетики сушки, нагрева и взрыва зерна, доказана взаимосвязь между параметрами обработки, физическими и химико-биологическими характеристиками зерна; предложен механизм внутреннего тепломассообмена при термовстудировании зерна;
разработаны методы интенсивной сушки пастообразных материалов при использовании инертной насадки, ретурировании и дроблении материала, введении сорбентов и т.д.;
разработан метод смешения тонкодисперсных твердых материалов во встречных струях; найдены закономерности, связывающие качество смеси с кинетикой процесса смешения;
предложен новый метод очистки газов от пыли и вредных газовых примесей, включающий предварительное испарительное охлаждение. Определено влияние конструктивных и режимных факторов на эффективность работы аппаратов, реализующих данный метод;
Практическая ценность работы и ее реализация.
разработаны инженерные методы расчета процессов и аппаратов со встречными струями газовзвеси. Создан ряд установок для проведения конкретных технологических процессов термообработки твердых, пастообразных и жидких материалов. Предложены и прошли промышленную или опытную производственную проверку новые ресурсо- и энергосберегающие технологии, повышающие качество продукта - термовст-рудирование кормового и пищевого зерна; обеззараживание бобовых культур, ржи и рапса; переработка в кормовую муку мясо-костного непищевого сырья; переработка гранул алюминиевых сплавов; переработка радиоактивных отходов; очистка, полировка и защитное покрытие внутренних поверхностей труб; сушка осадков сточных вод; новый метод сушки продуктов из картофеля и овоией в безотходной технологии переработки картофеля. Внесены в каталог "Сушильные аппараты и установки", в справочные и учебные пособия установки серии СВС (сушки со встречными струями). Утверждены соответствующими ведомствами и разрешены к производству составы комбикормов и кондитерских изделий, содержащих вструдированный компонент, имеют-
логические инструкции СТЮ на технологии сушки алюминиевых гранул. Результаты диссертационной работы также положены в основу специального раздела "Справочника по индустриальным сушилкам" издательства Маркел Деккер, Нью-Йорк, 1993 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации обсуждались на трех Международных, 13 Всесоюзных и 4-х Республиканских конф. в том числе I.II.V Всесоюзн.на-учно-технич. конф. "Аэрозоли в народном хозяйстве" Сг. МоскваД967, г.Одесса,1972, Юрмала,1987);III,IV,V,VI Всесоюзн.конф. по тепломассообмену г.Минск, 1968,1972,1976,1980; Всесоюзн.конф."Механика сыпучих материалов" Сг.Одесса,1975,1980 г.г.); II Всесоюзн.научн. конф. гранул Сг. Москва, 1987); VI Всепояьский симпозиум по сушке СПольша, г.Лодзь, 1987); 1 Международном Минском форуме СММФ) по тепло-и массообмену Сдва доклада) г. Минск,1988;Всес. конф. "Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий" Сг.Севастополь, 1990) ;Междун.конф. по сушке II ММФ по тепло-и массообмену Сдва доклада)г.Киев, 1992.
Публикации.По материалам диссертации опубликовано более 70 работ,, в том числе 2 монографии, 2 раздела в книгах, 4 препринта, более 50 авторских свидетельств на изобретения. Ряд работ опубликованы в зарубежных изданиях С США, Канада, Индия, Польша).
Автор защищает:
1. Принципы классификации способов и оборудования для организации
процессов во встречных струях газовзвеси.
-
Модель динамики движения дисперсного материала и структуру двухфазных потоков для различных модификаций метода, уравнения для расчета параметров движения частиц и гидравлического сопротивления во встречных струях.
-
Организацию регулируемого движения дисперсного материала в реверсивных струях газовзвеси, обнаружение и исследование движения дисперсной фазы в виде подвижного флюидизированного облака частиц -"поршня".
-
Модель и результаты численного счета межфазового тепломассообмена, эмпирические зависимости, учитывающие влияние на него концентрации плотной фазы в зоне встречных струй.
-
Закономерности сушки и высокотемпературной обработки со взрывом капиллярно-пористых коллоидных материалов типа зерна во встречных струях, методы оценки качества конечного продукта.
7 встречных струях, методы оценки качества конечного продукта.
-
Научно обоснованные режимы глубокой сушки и высокотемпературного нагрева твердых непористых материалов типа металлических гранул, сушки с дроблением растворов, пастообразных и кристаллических материалов во встречных струях.
-
Методы и режимы высокоэффективного испарительного охлаждения газов и улавливание из них пыли и вредных газовых примесей.
-
Методы высокоинтенсивного смешения, зависимости между кинетикой смешения и качеством смеси.
Объем и структура. Работа состоит из введения," пяти глав, вы-водов, списка цитированной литературы С 423 наименований? и приложений; имеет 541 страницу С текстовая часть 367 стр., 38 таблиц, 136 рисунков).