Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы процесса смешивания сыпучих материалов, проблемы и перспективы. аппаратурное обеспечение процесса (литературный обзор) 10
1.1. Основные теоретические аспекты процесса смешивания сыпучих материалов 10
1.2. Моделирование процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов. Достижения и проблемы 17
1.3. Влияние на процесс непрерывного смешивания флуктуации питающих потоков 24
1.4. Смесительное оборудования для переработки сыпучих материалов, состояние и перспективы развития 25
Выводы по главе 46
ГЛАВА 2. Моделирование процессов в непрерывно-действующем смесительном агрегате центробежного типа
2.1. Системный поход при моделировании и исследовании реальных объектов, принципы и преимущества 48
2.2. Анализ схем движения материальных потоков в СНД 50
2.3. Влияние процесса усреднения материальных потоков на снижение их неоднородности 60
2.4. Обобщенная модель процесса смешивания.. 62
Выводы по главе 64
ГЛАВА 3. Аппаратурное и методическое обеспечение экспериментальных исследований 65
3.1. Описание лабораторно-исследовательского стенда 65
Дозировочное оборудование стенда 68
Центробежный СНД с опережающими
материальными потоками и рециркуляцией смеси 70
Прибор и методика для определения концентрации ферромагнитного трассера в смеси 73
Сыпучие материалы, использованные в экспериментальных исследованиях 74
Методика определения корреляционной функции случайного процесса 76
Выводы по главе 79
Результаты экспериментальных исследований работы смесительного агрегата 80
Исследование работы дозировочного оборудования 80
4.1.1. Влияние режимов работы шнекового дозатора
на погрешность дозирования 81
4.1.2. Параметры сигнала,
формируемого блоком дозирующих устройств 83
Исследование работы центробежного СНД 87
4.2.1. Исследование характера движения
материальных потоков в смесителе 87
4.2.2. Определение среднего времени пребывания материала в смесителе 90
4.2.3. Исследование влияния параметров работы смесителя и характеристик входного потока на качество смешивания 93
4.2.4. Исследование диспергирующей способности смесителя 100
4.2.5. Определение удельных затрат энергии 103
Применение смесителя для получения композиций с добавками жидкости 106
4.4. Практическая реализация работы 108
4.4.1. Методика инженерного расчета смесительного агрегата 108
4.4.2. Разработка аппаратурного оформления
процесса смешивания при производстве мороженого 111
Выводы по главе . 116
Выводы и основные результаты работы 118
Литература
- Влияние на процесс непрерывного смешивания флуктуации питающих потоков
- Анализ схем движения материальных потоков в СНД
- Прибор и методика для определения концентрации ферромагнитного трассера в смеси
- Исследование влияния параметров работы смесителя и характеристик входного потока на качество смешивания
Введение к работе
В настоящее время широкое распространение для защиты внутренних поверхностей стальных резервуаров находят лакокрасочные покрытия, что является наиболее прогрессивным способом и позволяет продлить срок эксплуатации резервуаров на пять и более лет в зависимости от типа покрытий и условий эксплуатации. Наибольшее применение нашли покрытия на базе эпоксидных смол, имеющие относительно высокие сроки службы. Перспективными являются покрытия, содержащие дополнительно смолу оксилин, обладающую пластифицирующими свойствами.
Защитные лакокрасочные покрытия представляют собой сложные композиции, состоящие из различных ингредиентов функционального назначения. Состав и структура таких композиций предопределяют их основные свойства и долговечность. Изучению взаимосвязи строения и свойств полимерных, в частности лакокрасочных композиций, посвящено много фундаментальных исследований. Однако применительно к конкретным объектам существует много нерешенных вопросов, связанных с изучением структуры и долговечности лакокрасочных систем.
К числу актуальных проблем нефтегазовой отрасли в настоящее время можно отнести проблемы повышения защитных свойств и долговечности лакокрасочных покрытий внутренней поверхности резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, т.к. резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов в процессе эксплуатации подвергаются значительному коррозионному разрушению и не вырабатывают свой нормативный срок службы, что подчеркивается рядом авторов. В исследованиях, проведенных В.А. Бурениным [13], отмечается, например, что коррозионные отказы днищ резервуаров нефтеперерабатывающих заводов, сопровождающиеся образованием свищей, зарегистрированы в 23 % РВС, коррозионные отказы кровли - в 36 % РВС, причем среди 229 отказов 13 имеют катастрофический характер. По данным А. А. Гоника, A.A. Калимуллина, E.H. Сафонова [21], число аварий резервуаров нефтедобывающих предприятий, вызванных потерей герметичности, составляет.
Применение внутренних защитных покрытий сокращает число отказов.
Вопросам изучения свойств полимерных лакокрасочных покрытий посвящены работы Басина В.Е., Берлина А.А., Карякиной М.И., Майоровой Н.В., Мулина Ю.Л., Рейбмана А.И. и др.
Одним из наиболее эффективных в решении названной проблемы является направление, заключающееся в изменении компонентного состава и структуры покрытия.
В связи с отмеченным целью диссертационной работы является повышение защитных свойств и долговечности эпоксидно-оксилиновых покрытий для внутренней поверхности резервуаров путем совершенствования их состава и структуры.
Влияние на процесс непрерывного смешивания флуктуации питающих потоков
В данном пункте рассматриваются состояние и перспективы развития смесительного оборудования для переработки сыпучих материалов, в том числе и с добавками жидкости.
В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом, в пищевой, химической, строительной и других отраслях промышленности все чаще возникает необходимость в непрерывном приготовлении качественных смесей сыпучих материалов, в том числе и с добавками жидкостей. Это привело к более широкому использованию различных конструкций СНД. Современный уровень развития науки и техники предполагает достаточно жесткие требования к конструкциям СНД: хорошее сглаживание флуктуации входных материальных потоков; обеспечение качественного смешивания, что особенно важно при получении смесей с соотношением компонентов 1:100 и более; высокая производительность; низкие энергетические затраты; надежность и удобство эксплуатации. Все многообразие смесительного оборудования можно классифицировать по нескольким признакам [29, 52, 77, 96, 97].
По механизму переноса вещества и характеру процесса смешивания, смесители подразделяются на прямоточные, диффузионного и объемного смешивания. В прямоточных смесителях исходные компоненты движутся вдоль оси аппарата практически с одинаковой скоростью, при этом частицы материалов имеют хаотические траектории в поперечном сечении материального потока, что и способствует их смешиванию. В силу того, что скорости движения частиц вдоль аппарата различаются незначительно, прямоточные СНД не способны существенно сглаживать пульсации входных материальных потоков. Это приводит к необходимости укомплектовывать их высокоточными питателями, которые, в свою очередь, достаточно сложны по конструкции и имеют высокую стоимость. Однако, прямоточные смесители обладают рядом достоинств. Во-первых, они имеют малые энергетические затраты, поскольку исходные материалы в них движутся сверху вниз в направлении силы тяжести. Во-вторых, прямоточные СНД, как правило, просты по конструкции и не вызывают особых сложностей в эксплуатации и ремонте. Смесители диффузионного смешивания характеризуются интенсивным передвижением частиц материалов в радиальном направлении, а также некоторым их перемешиванием (диффундированием) относительно поперечного сечения потока. СНД этого типа обладают большей сглаживающей способностью, по сравнению с прямоточными смесителями, и могут быть укомплектованы питателями и дозаторами средней точности. Смесители объемного смешивания характеризуются перемещением материалов по всему объему аппарата. Поэтому, они наиболее близки по принципу действия к аппаратам идеального смешивания. Такие смесители обладают хорошей сглаживающей способностью и могут быть укомплектованы питателями пониженной точности и даже порционными дозаторами. Однако, смесители объемного типа характеризуются достаточно большими энергетическими затратами и, как правило, достаточно сложны в изготовлении.
По конструктивному признаку СНД подразделяются на горизонтальные, вертикальные, с вращающимися валом или корпусом, односекционные, многосекционные и т.д.
По виду подводимой энергии и силовому воздействию на сыпучие материалы смесители можно классифицировать следующим образом: гравитационные, пневматические, вибрационные, механические, комбинированные.
Класс гравитационных смесителей отличается простотой конструкции, отсутствием движущих частей. Смешивание в СНД этого класса происходит за счет столкновения потоков сыпучих материалов, движущихся под действием собственной силы тяжести сверху вниз, с различными препятствиями на своем пути. При движении и столкновении с препятствиями, в сыпучей массе возникают сдвиговые напряжения, превышающие удельное сопротивление сдвигу. За счет этого происходит разбивание сыпучей массы на несколько потоков, а также скольжение слоев материалов относительно друг друга, что вызывает перераспределение компонентов в общем потоке [77]. Однако, несмотря на простоту конструкции, отсутствие движущихся частей, исключение попадания посторонних веществ (например, смазочных материалов), смесители данного класса не нашли широкого применения в промышленности. Это объясняется тем, что они практически не обладают сглаживающей способностью, имеют большие габаритные размеры по высоте, не позволяют получать качественные смеси при соотношении компонентов порядка 1:10 и более, кроме того, они пригодны только для хорошо сыпучих материалов.
Анализ схем движения материальных потоков в СНД
Как показывает обзор литературы [41, 42, 64, 73, 94, 101], материальные потоки, формируемые дозаторами и питателями различного типа можно считать случайными стационарными процессами. Такие процессы протекают во времени достаточно однородно и имеют вид колебаний около некоторого среднего значения Хер, причем, их амплитуда и характер зависят от особенностей источника этих колебаний и факторов, оказывающих случайное воздействие на этот источник. Кроме того, многие стационарные случайные процессы, в том числе и процессы дозирования материалов, являются эргодическими, когда характер колебаний не претерпевает существенных и необратимых колебаний во времени. Это свойство дает возможность определять их характеристики по одной реализации на достаточно длительном промежутке времени, который содержит несколько десятков колебаний. Итак, для различных дозаторов и питателей математическое ожидание мгновенных расходов материала во времени, с достаточной для практики точностью, можно считать постоянным.
Вышесказанное позволяет использовать для построения математической модели смесительного агрегата теорию временных рядов [36]. Для анализа временных рядов предложено несколько различных методов [53, 88, 125, 130], из которых наибольшее распространение получили: - корреляционный; - спектральный; - сглаживание и фильтрация; - модели авторегрессии и скользящего среднего.
Для математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов в рамках теории временных рядов нами был выбран корреляционный анализ, а также элементы математических моделей усреднения. В этом случае, в качестве параметра случайного стационарного процесса, используется корреляционная функция, которая является мерой стабильности процесса.
Корреляционный анализ позволяет установить зависимость между дисперсиями входного и выходного сигналов. Он предоставляет возможность прогнозировать однородность материального потока на выходе при известных коэффициентах рециркуляции, времени нахождения материала в смесителе и дисперсии входного сигнала.
Известно применение корреляционного анализа при моделировании процесса смешивания в СНД различных типов [59, 60, 75, 89]. Нами используется аналогичный подход при разработке конструкции СНД центробежного типа.
В нашей работе [91] рассмотрены вопросы моделирования процессов, происходящих в смесителях центробежного типа, в частности, рассмотрено влияние рециркуляции и организации опережающих потоков внутри смесителя на однородность смеси. В данной главе изложены основные аспекты этих работ.
В первую очередь рассмотрим две простые схемы организации движения материала внутри смесителя. На рисунке 2.1 представлены принципиальные схемы с организацией опережающего потока и с рециркуляцией материала.
Итак, будем считать, что материальные потоки описываются случайными стационарными эргодическими функциями. Введем следующие обозначения: Хо и Кхо(т) — поток материала, поступающего в смеситель, и его корреляционная функция; xj и KXJ(T) — поток материала, поступающего на J-ю ступень (конус) смесителя, и его корреляционная функция, J = 1 ...п; xj и KXJ(T) - поток материала, выходящего с J-ой ступени (конуса) смесителя, и его корреляционная функция, J = l...n; хв и Кхв(т) — поток материала, выходящего из смесителя, и его корреляционная функция; Р - коэффициент внешней рециркуляции; PJ - коэффициент рециркуляции на J-ой ступени смесителя, J = 1.. .п; YJ - коэффициент опережения, показывающий какая часть общего потока идет «в обход» J-й ступень, J = 1.. .п; п — количество ступеней; т - интервал корреляции.
Проанализируем схему организацией опережающего потока (рис. 2.1а). Система уравнений материального баланса для этой схемы выглядит следующим образом:
Прибор и методика для определения концентрации ферромагнитного трассера в смеси
В ходе лабораторно-исследовательских работ необходимо определять значения коэффициента неоднородности смеси, который рассчитывается по формуле (1-4). Для этого нужно измерить концентрацию ключевого компонента в 30...60-ти пробах. Хорошо известен способ нахождения концентрации химически чистой поваренной соли в пробах методом титрования [77]. Однако этот метод весьма трудоемок и требует больших затрат времени. С целью сокращения времени оценки однородности смеси в качестве ключевого компонента нами был использован ферромагнитный порошок ПЖ - ВМ1 ГОСТ9849 — 74. Его концентрацию в смеси определяли косвенным методом с помощью прибора, разработанного в КемТИГШе [7]. Принцип его действия основан на измерении частоты электромагнитных колебаний в емкостно-индуктивном контуре, значение которой изменяется при помещении в соленоид контура пробы смеси, содержащей ферромагнитный материал. Таким образом, прибор, в принципе, представляет собой электромагнитный колебательный контур, в соленоид которого помещается гильза с пробой, взятой из смеси. Наличие в пробе ферромагнитного материала вызывает изменение индуктивности соленоида, а, следовательно, и частоты электромагнитных колебаний контура, которая измеряется вторичным прибором. По величине изменения частоты электромагнитных колебаний можно судить о концентрации ферромагнитного компонента в пробе. При этом было отмечено, что изменение частоты электромагнитных колебаний прямо-пропорционально концентрации ферромагнитного компонента в пробе, т.е. A4i=k-Ci, (3-1) где A4j - разность между частотами электромагнитных колебаний контура при наличии и отсутствии в нем пробы с ферромагнитными компонентом, Гц; q — концентрация ферромагнитного компонента в пробе, %; к — коэффициент пропорциональности; і - номер пробы. Таким образом, величину С в формуле (1-4) можно заменить на величину A4j.
При проведении исследований процессов дозирования и смешивания использовались различные порошкообразные и мелкозернистые материалы с различными физико-механическими характеристиками. К последним относятся: насыпная плотность, гранулометрический состав, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, степень связности частиц и т.п. Выбор сыпучих материалов был обусловлен возможностью дальнейшей практической реализации разработанного нами оборудования в промышленных условиях. Перечень использованных в исследованиях сыпучих материалов и их наиболее важные физико-механические характеристики приведены в таблице 3.1.
Многие технологические процессы можно считать случайными, когда в результате опытов величина, характеризующая процесс, может принимать то или иное значение, заранее неизвестное. К случайным можно отнести процессы дозирования исходных компонентов при получении различных смесей, колебание концентрации какого-либо вещества на выходе из аппарата с течением времени и т.п. За время наблюдения случайный процесс принимает тот или иной вид, заранее неизвестный и называемый его реализацией. Таким образом, случайный процесс можно рассматривать как систему, состоящую из множества одинаково распределенных случайных величин.
Различают стационарные и нестационарные случайные процессы. В нашем случае интерес представляет обработка экспериментальных данных, характеризующих стационарный, случайный процесс (например, процесс дозирования). Случайный процесс считается стационарным, если некоторая величина X, характеризующая его, имеет вид случайных колебаний во времени около среднего значения Хср, причем, ни амплитуда, ни характер колебаний, не претерпевают существенных изменений с течением времени.
Итак, количественно случайный процесс описывается функцией X(t), значения которой в любые моменты времени являются случайными величинами (рис. 3.4). Основными характеристиками случайной функции являются: математическое ожидание Mx(t), дисперсия У\\І) и корреляционная функция Kx(t„t2) [40, 77,107].
Проведенный обзор литературы [41,42, 64, 73, 94, 101] показал, что входные питающие потоки, формируемые дозаторами, можно считать случайными стационарными процессами, обладающими эргодическим свойством. Его суть которого заключается в том, что вероятностные характеристики различных реализаций случайного процесса равны, с вероятностью близкой к единице, и f+ аналогичны характеристикам, полученным при одной единственной реализации на достаточно длительном интервале времени. Поэтому для определения корреляционной функции стационарного случайного эргодического процесса по экспериментальным данным нами была использована следующая методика [40,77].
1. На достаточно длительном интервале времени Т определяем множество N значений X(tj) случайной функции X(t), отстоящих друг от друга на малые равные промежутки времени At (рис. 3.5)
2. Математическое ожидание случайной функции находим как среднеарифметическое ее значение в разные моменты времени Mx(t)=x(t)= ;x(ti). (3-2)
3. Для облегчения последующих расчетов следует центрировать значения случайной функции X (tO = x(ti)-X(t). (3-3)
4. Вычисляем значение автокорреляционной функции для различных интервалов времени х = ш— по формуле N K»(x)=KI(m.X)=_l_fx (tl).x (t1+m (3-4) где m - количество значений автокорреляционной функции.
5. Полученное множество точек Kx(t) аппроксимируем каким-либо выражением. В приложении 4 предложена программа на языке «Turbo Pascal» для реализации представленного алгоритма определения корреляционной функций случайного процесса.
Исследование влияния параметров работы смесителя и характеристик входного потока на качество смешивания
Целью данных исследований было - выявить взаимосвязь —- автокорреляционных функций безразмерной концентрации ключевого компонента на входе и выходе из смесителя, т.е. проверка адекватности теоретических исследований, представленных в пункте 2.2 настоящей работы.
На основании приведенных выше результатов исследований нами были приняты следующие рациональные параметры работы смесителя: частота вращения конусов ротора п = 6...8 с"1; относительная ширина перепускных окон внутреннего конуса ротора для «нижнего ряда окон» b0TH = 0,8, для верхнего Ь0тн = 1, что соответствует коэффициентам перераспределения уі « 35%, уг « 45%; относительная ширина перепускных окон внешнего конуса ротора варьировалась в диапазоне Ьотн = 1...1,4, т.е. Р « 25...50%.
Экспериментальные данные по определению автокорреляционных функций безразмерной концентрации ключевого компонента в потоке, выходящем из смесителя, представлены в приложении 3. Результаты их обработки отражены на рис. 4.4 — 4.6. На этих же рисунках для сравнения представлены графики автокорреляционных функций безразмерной концентрации ключевого компонента в потоке, формируемом дозирующими устройствами (см пункт 4.1.2).
Анализ результатов эксперимента позволяет сделать следующие выводы. Дисперсия потока, выходящего из смесителя в десятки раз меньше дисперсии входящего потока. В таблице 4.2 представлены сравнительные данные действительного снижения дисперсии и этой же величины, рассчитанной по формуле (2-13). Они показывают, что действительные данные и теоретические расчеты различаются в среднем в одно и тоже количество раз для различных значений коэффициента рециркуляции при неизменной частоте подачи порций ключевого компонента. При этом прослеживается связь между последней и величиной расхождения действительных и теоретических данных, а именно значение примерно в 2,2 раза меньше частоты подачи fa порций. Этот факт позволяет прогнозировать качество получаемой смеси, если известны частота подачи порций ключевого компонента, а также ориентировочные значения коэффициентов перераспределения материала и рециркуляции смеси. Такой прогноз можно сделать аналитически (см далее, пункт 4.4.1.) или по графику на рис. 4.7. При этом значение прогнозируемого коэффициента неоднородности Vc(t) является максимально возможным, так как в ходе эксперимента качество смеси оценивалось по микро-пробам, характеризующим изменение концентрации ключевого компонента за время равное периоду его дозирования. Масса же контрольных проб [77] (например, равная массе смеси, содержащейся в готовом изделии) может быть значительно больше, тогда коэффициент неоднородности, соответственно, будет меньше прогнозируемого.
Многие сыпучие материалы, особенно порошкообразные, гигроскопичные, жиросодержащие, склонны к образованию конгломератов при длительном хранении (см таблицу 3.1). Несмотря на то, что они не обладают большой прочностью, их наличие может существенно отражаться на качестве получаемой композиции. Поэтому в подобных случаях сыпучие материалы подвергают предварительному диспергированию, что требует дополнительного оборудования, затрат энергии и времени. Однако, с целью минимизации дополнительных затрат, часто прибегают к совмещению процессов диспергирования и смешивания в одном аппарате. Таким образом, для выявления дополнительных возможностей смесителя нами были проведены исследования его диспергирующей способности, которая оценивалась по формуле Dis=mKH-mKK 100% (4_9) шк„ где ткн - массовая доля конгломератов в материале, подаваемом в смеситель; ткк - массовая доля конгломератов в материале, выходящем из смесителя, которые определялись методом просеивания.
Исследования проводились с использованием следующих материалов: сахар, сода пищевая, молоко сухое. Они подвергались предварительному хранению в течение 14 суток и более в помещении с относительной влажностью воздуха 60... 80 % и температурой 15...20 С. Размер конгломератов в материале, подаваемом в смеситель, не превышал 15 мм, т.е. принимался сопоставимым с размером перепускных окон конусов ротора.
Очевидно, что процесс разрушения конгломератов зависит от кинетической энергии вращения ротора. Поэтому нами было изучено влияние частоты вращения конусов ротора на диспергирующую способность смесителя.
Кроме того, что исследования производились с использованием разных материалов, также варьировалась массовая доля конгломератов в них, т.е. величина шкн. Результаты эксперимента представлены в таблице 4.3.
