Введение к работе
Актуальность темы исследования
Гранулирование - это совокупность физических и физико-химических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенного спектра размеров, формы, ' необходимой структуры и физических свойств. Гранулирование проводят с целью улучшения качества как промежуточных, так и готовых продуктов.
Но многие способы гранулирования и конструкции аппаратов не отвечают всем заданным требованиям. Перспективным направлением усовершенствования существующего грануляционного оборудования являются работы по созданию комбинированных грануляторов, лучшим образом сочетающих в себе положительные особенности грануляторов разных классов.
Высокоэффективными грануляторами большой единичной мощности являются центробежные грануляторы, широко применяющиеся в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Существенным недостатком этих грануляторов является большой разброс в размерах гранул и низкий выход целевой фракции. Экструзионные грануляторы напротив, позволяют получать гранулы практически одинакового размера, но обладают низкой производительностью и большими энергозатратами.
Идея комбинированных грануляторов воплощена в конструкциях аппаратов экструзионно-центробежного типа. Получение гранул из сильновязких материалов обычно производится с помощью экструзии и связано с диссипативным разогревом среды, а повышение эффективности гидродинамических и тепломасообменных процессов во многих отраслях промышленности может бьпь достигнуто за счет использования центробежного поля. Поэтому центробежно-экструзионный гранулятор (ЦЭГ). идея которого была предложена Рябчуком Г. В и Золотоносовым Я. Д. является весьма перспективным для решения многих проблем, возникающих при грануляции. Однако широкое внедрение грануляторов такого типа сдерживается отсутствием для него в полном объеме теоретической основы, подтвержденной экспериментальными исследованиями.
Исследование процессов, происходящих при грануляции, весьма эффективно проводить с помощью системного анализа. Центральной процедурой в системном анализе является построение обобщенной модели, отображающей все факторы и взаимосвязи реальной ситуации. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент с использованием ЭВМ стали составными частями общих подходов, характерных для современных информационных технологий, а их практическая реализация существенно повышает эффективность инженерных разработок, что позволяет сократить затраты времени и средств. В ходе вычислительного эксперимента расчеты проводятся многократно с разными значениями входных параметров, поэтому при создании программного обеспечения важно использовать эффективные численные методы.
Таким образом, математическое моделирование Л^рс^ддввдЯЭДии сильно-вязких неньютоновских жидкостей на основе сидй#иоисЙАдходк, с
1 ffgfcgLi
использованием эффективных численных методов, является весьма актуальной задачей, представляющей как теоретический, так и практический интерес. Цели работы
-
На основе системного подхода рассмотреть процесс течения в конвергентном криволинейном канале многосекционного ЦЭГ и разработать физическую модель многосекционного ЦЭГ. Рассмотреть процесс течения нелинейно-вязкой среды во вращающемся конвергентном криволинейном канале.
-
Разработать математическую модель, адекватную физической модели с учетом диссипативного разогрева среды и зависимости эффективной вязкости от температуры. Найти способ анализа полученной модели путем отыскания автомодельного решения, позволяющего свести уравнения в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений.
-
Разработать алгоритм и программу численного решения полученной системы. Получить поля скоростей, давления и температуры жидкости, текущей во вращающемся конвергентном криволинейном канале и на их основе гидродинамические параметры работы многосекционного ЦЭГ.
-
Найти закон изменения коэффициента проницаемости проточной части конвергентных криволинейных каналов многосекционного ЦЭГ, обеспечивающий постоянную скорость истечения перерабатываемой среды во всех секциях гранулятора, и, как следствие, монодисперсный состав получаемых гранул.
-
Проверить адекватность разработанной математической модели путем сравнения теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными на лабораторной установке, и данными других авторов.
-
Разработать методику инженерного расчета многосекционных ЦЭГ с целью внедрения их в практику.
Научная новизна работы
-
Впервые рассмотрен процесс течения нелинейно-вязкой среды во вращающемся конвергентном криволинейном канале с учетом диссипативного разогрева среды и на основе системного анализа получена математическая модель процесса.
-
Впервые найден способ анализа полученной системы уравнений и граничных условий для внутреннего течения путем отыскания автомодельного решения, позволяющего свести уравнения в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений.
-
Впервые определены поля скоростей, давления и температуры неньютоновской жидкости в процессе течения во вращающемся конвергентном криволинейном канале и найдены основные гидродинамические параметры работы многосекционного ЦЭГ.
-
Впервые найден закон изменения коэффициента проницаемости проточной части конвергентных криволинейных каналов многосекционного ЦЭГ, обеспечивающий постоянную скорость истечения перерабатываемой среды во всех секциях гранулятора, и, как следствие, монодисперсный состав получаемых гранул.
5. Разработана методика инженерного расчета многосекционного центробежно-экструзионного гранулятора на основе проверки адекватности математической модели с помощью собственных экспериментальных исследований и теоретических и экспериментальных исследований других авторов.
Практическая ценность работы
-
Предлагаемый тип многосекционного центробежно-экструзионного гранулятора сочетает в себе преимущества центробежных и экструзионных грануляторов, позволяющее достичь высокой производительности и практически монодисперсный состав получаемых гранул.
-
Разработана методика инженерного расчета многосекционного центробежно-экструзионного гранулятора, принятая к внедрению на промышленных предприятиях г. Волгограда и Волгоградской области.
-
Разработан метод анализа математической модели, который может быть использован для анализа многих гидродинамических и теплообменных процессов.
Достоверность полученных результатов
-
Научные результаты работы получены путем анализа апробированными методами математической модели, разработанной на основании системного подхода и включающей в себя систему полных уравнений переноса количества движения и тепла.
-
Полученные автором теоретические результаты подтверждены экспериментально в НИИХП г. Казань.
Апробация работы
Основные разделы работы докладывались на международных конференциях (г. С. Петербург 2000 и 2003 г., г. Новочеркасск 2003 и 2004 г.), а также на научных конференциях ВолгГТУ в 2000 - 2004 г.г.
Публикации
По материалам выполненных исследований опубликовано десять научных статей, две из которых в центральной печати.
Структура и обьем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 133 стр., в том числе: 37 иллюстрации и список литературы из 118 наименований.
На защиту выносятся следующие положения
1. Математическая модель процесса течения неньютоновской жидкости во вращающемся конвергентном криволинейном канале, состоящая из системы полных уравнений реодинамики неньютоновской жидкости, уравнения неразрывности и уравнения теплопереноса и граничных условий.
-
Автомодельное решение полученной системы, позволившее свести систему уравнений в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений.
-
Программа численного решения полученной системы.
-
Определенные поля скоростей, давления и температуры неньютоновской жидкости, текущей во вращающемся конвергентном
криволинейном канале и основные гидродинамические параметры работы многосекционного ЦЭГ.
Методика инженерного расчета многосекционного ЦЭГ и результаты экспериментального исследования процесса течения нелинейно-вязкой жидкости во вращающемся конвергентном криволинейном канале.
Похожие диссертации на Математическое моделирование процессов центробежно-экструзионной грануляции
