Введение к работе
з
Актуальность проблемы. К основным причинам отсутствия математического описания деаэрации сыпучих материалов в совмещенных или последовательных процессах со смешением можно отнести следующие: (1) сложности, связанные с учетом неоднородности уплотняемой среды - смеси тонкодисперсных и (или) зернистых материалов при формировании упругих моделей деаэрации; (2) особенности моделирования дегазации дисперсных сред при ее осуществлении различными способами (механическим, пневматическим или вибрационным); (3) обеспечение достаточных условий совместного выполнения указанных операций при наличии взаимоисключающих факторов их протекания - дополнительного насыщения газом ингредиентов при их циркуляционном движении и минимизация объема несущей фазы уплотняемой смеси без упругопластической деформации частиц; (4) стохастических характер движения сыпучих компонентов в процессе смешения с последующей деаэрацией их смеси и др.
В рамках теории прессования обычно не решаются задачи дегазации дисперсной среды в силу представления процесса деаэрации только в качестве первой и незначительной стадии при деформации твердого скелета. Причем, известные статистические и упругие модели деаэрации дисперсных материалов пренебрегают взаимодействием удаляемого газа с частицами твердой фазы и оперируют со значением пористости в пределах (7-11)%, что явно недостаточно при описании уплотнения порошков со значительно большим газосодержанием - до 80%. Многообразие известных моделей смешения (регрессионных, кибернетических, потоковых, стохастических) для сыпучих сред не дает практического применения для совмещения операций смешения и деаэрации тонкодисперсных сред. Выбор критерия качества сыпучей смеси, как и его оценка, проводимая обычно статистическими методами без универсального алгоритма, требуют уточнений в соответствии с конкретной рабочей зоной.
Проблема интенсификации производства продуктов с заданными прочностными характеристиками, например, асбо-полимерных композиций или высокоэффективных стройматериалов, может быть решена с помощью приготовления сыпучей смеси и ее дальнейшей механической дегазации при последовательном выполнении данных операций или их совмещении в пределах одного устройства за счет наличия его конструктивных особенностей и действия инерционных сил. При этом элементы данных аппаратов могут быть с успехом использованы в качестве независимых смесителей и деаэраторов дисперсных систем с широким спектром областей применения.
Итак, актуальными и имеющими важное практическое значение являются:
- развитие единой методологии построения моделей для механического уплотнения сыпучих сред, в том числе разной природы, в режимах последовательного или совмещенного выполнения их смешивания и деаэрации на основе фундаментальных принципов системного анализа, методов механики гетерогенных сред, теории статистической физики неравновесных процессов;
- разработка на этой основе новых типов деаэраторов порошков для: их упаковки (сажи, каолина, тонкодисперсных химических средств защиты растений и т.п.); изготовления уплотненных гранул-сфер (в производстве сажи, сухих красок, а также в новой технологии получения асфальтобетонов из
4 твердофазных компонентов - частиц битума и минерального порошка); дегазации сыпучих смесей.
Диссертационная работа выполнена в ГОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» в соответствии: с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ (приказ № 843 от 21.05.06 г.) - 03 согласно кодам ГРНТИ 30.03.15, 30.51.29; с планами НПО «Техуглерод» (г. Ярославль); госбюджетных и договорных работ НИР ГОУ ВПО «ЯГТУ» (1990-2008 гг.).
Цель работы: развить единую методологию построения моделей для механического уплотнения дисперсных сред, в том числе разной природы, в условиях последовательного или совмещенного выполнения их смешивания и деаэрации на основе фундаментальных принципов системного анализа, методов механики гетерогенных систем, теории статистической физики неравновесных процессов, а также создать теоретические основы для разработки новых аппаратов для упаковки порошковых сред, изготовления уплотненных гранул-сфер, дегазации смесей сыпучих материалов и др.
Для достижения поставленной цели следует: (1) построить и проанализировать модель деаэрации сыпучих продуктов в совмещенных или последовательных процессах со смешением с учетом неоднородности уплотняемой среды; (2) применить классическую упругую модель движения дисперсной среды к процессу ее механического уплотнения (деаэрации) для плоскодеформационных смещений фаз; (3) разработать общие принципы стохастического моделирования процесса смешения твердофазных компонентов в двух случаях: при их плоскостном флуктуационном движении в рабочем объеме, а также ударном взаимодействии с отбойной поверхностью с учетом гранулометрического состава; (4) разработать методы оценки коэффициентов проскальзывания порошкового продукта вдоль стенок рабочих объемов уплотнителей; (5) предложить способ оценки коэффициента макродиффузии в аппаратах с совмещенными процессами смешения и дегазации порошков; (6) разработать теоретические основы для создания новых принципов проектирования деаэраторов сыпучих материалов для: упаковки порошков - шнекового и ротационно-лопастного типов; работы в режиме совмещения с процессом смешения - центробежного типа с криволинейными лопатками; для дегазации в устройстве валкового типа с горизонтальной лентой дисперсных твердофазных смесей, получаемых при ударном взаимодействии с отбойной поверхностью; для изготовления уплотненных гранул-сфер при последовательном выполнении смешения сыпучих компонентов методом ударного взаимодействия с отбойником и деаэрации полученной смеси с помощью валкового устройства со сферической матрицей и т.д.
Объект исследования: процесс уплотнения (деаэрации) сыпучих материалов в совмещенных или последовательных операциях со смешением. Предмет исследования: математическое описание деаэрации твердофазных дисперсных сред в совмещенных или последовательных процессах со смешением. Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
- впервые как отражение единства методологии при моделировании уплотнения сыпучих смесей на основе стохастического подхода разработана модель деаэрации твердофазных дисперсных смесей, осуществляемой
5 различными способами, в совмещенных или последовательных процессах со смешением с учетом неоднородности уплотняемой среды; приведены примеры механической дегазации порошковых смесей для совмещенных (в центробежном аппарате с эвольвентными лопастями) и последовательных (с этапом уплотнения в валковом устройстве с горизонтальной лентой) режимов протекания операций смешивания двух компонентов и деаэрации полученного продукта с анализом методом производящих функций моментов основных характеристик его случайной порозности от объемных концентраций ингредиентов;
предложена плоскодеформационная интерпретация классической упругой модели движения дисперсной среды с учетом сжимаемости при ее дегазации без упругопластических деформаций частиц механическим способом;
впервые на базе упругой модели процесса механического уплотнения (деаэрации) дисперсных сред в случае их плоскодеформационного движения получены: (1) численные решения методом характеристик для смешанных задач о дегазации порошков в сужающихся каналах уплотнителей шнекового типа при проскальзывании материала и устройства с вращающимися гибкими лопатками при наличии эксцентриситета; (2) приближенные аналитические решения для моделей деаэрации тонкодисперсных материалов - в продольном и поперечном сечениях рабочей зоны центробежного аппарата с эвольвентными лопатками при наличии эффекта пристенного скольжения; а также в аппаратах валкового типа: с горизонтальной лентой и со сферической матрицей с учетом газопроницаемости уплотняемой среды с помощью сочетания методов модельных уравнений и подстановок констант вместо переменных параметров; метода Галеркина в виде линейной и нелинейной комбинаций аппроксимирующих функций; сведения уравнений к автомодельному виду;
разработан метод оценки коэффициента проскальзывания порошков вдоль стенок рабочих объемов механических уплотнителей в случае существенного влияния на процесс дегазации данного эффекта, который впервые учитывает сжимаемость среды; проанализированы зависимости указанной характеристики от режимных и конструктивных параметров в деаэраторах шнекового и центробежно-лопастного типов;
на основе теории случайных марковских процессов предложена стохастическая модель смешения сыпучих материалов, в том числе и тонкодисперсных, в замкнутом рабочем объеме при наличии зоны активного смешивания компонентов, позволяющая определить уравнение границы раздела зон, а также исследовать поверхность смешения твердофазных ингредиентов;
разработан метод определения коэффициента макродиффузии как кинетической характеристики процесса смешения твердых дисперсных сред с учетом их полидисперсности, парных столкновений частиц ключевого потока между собой и с частицами транспортирующего; способ использован при описании смешения сыпучих сред в центробежном аппарате с криволинейными лопатками, расчета указанного параметра и времени пребывания ингредиентов в соответствующей активной зоне;
получены аналитические решения для задачи смешения сыпучих материалов в центробежном аппарате с эвольвентными лопатками, впервые
6 сформулированной в рамках предложенной стохастической модели смешения дисперсных сред при плоскостном флуктуационном движении в рабочей зоне;
- разработана стохастическая модель смешения сыпучих сред различной
природы при ударном взаимодействии с наклонной отбойной поверхностью,
основанной на построении функций распределения потоков с учетом их
полидисперсности и углов распространения факелов, которая позволяет оценить
коэффициент неоднородности смеси; приведен пример описания процесса
получения порошковой смеси в барабанном устройстве с гибкими элементами.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
- предложена единая методология построения моделей процессов
механического уплотнения и смешения сыпучих сред, являющаяся базисом для
создания теоретически обоснованных инженерных методов расчета: аппаратов
с последовательным или совмещенным режимом выполнения технологических
операций смешивания и деаэрации зернистых и (или) порошковых продуктов;
сформулированы рекомендации по определению коэффициента проскальзывания в уплотнителях шнекового и лопастного и др. типов;
- разработаны инженерные методики расчета: новых уплотнителей
тонкодисперсных материалов с сужающимися каналами шнекового и
лопастного типов на основе упругих моделей механической дегазации
порошков; нового центробежного устройства с эвольвентными лопастями как
для совмещенных, так и для раздельных процессов смешения и дегазации
разнородных материалов на базе предложенной стохастической модели их
деаэрации;
указанные выше инженерные методики использованы при создании опытно-промышленных образцов аппаратов, которые прошли успешные испытания в качестве: деаэраторов - шнековый - на Ивановском заводе технического углерода при производительности 500 кг/ч, а лопастной - на опытном производстве ОАО НИИ «Ярославский техуглерод» - при 100 кг/ч; смесителя сыпучих материалов, уплотнителя порошков, а также как устройства для получения высококачественных деаэрированных смесей тонкодисперсных сред - центробежное устройство с криволинейными лопастями - на опытных производствах ЗАО «Железобетон» и ЗАО «Лакокраска» (г. Ярославль);
созданы теоретические основы для разработки инженерных методик расчета новых аппаратов - барабанно-валкового типа для последовательного осуществления процессов смешения и уплотнения (деаэрации) сыпучих сред; устройств для изготовления уплотненных гранул-сфер; деаэраторов порошков валкового типа; барабанных смесителей ударного действия для получения смесей из зернистых и (или) тонко дисперсных материалов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на Международных научных конференциях: «Математические методы в химии и химической технологии» (Казань, 1991; Тверь, 1995; Новомосковск, 1997; Ярославль, 2007; Саратов, 2008); Second International Symposium «Advances in Structured and Heterogeneous Continue» (Moscow, Russia, 1995); Congress of Chemical and Process Engineering («CHISA»; Praha, Czech Republic, 1993, 1996, 1998, 2000, 2006); по физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995); 3-ей Международной научно-технической конференции «Теоретические и экспериментальные основы
7 создания нового оборудования» (Иваново-Плес, 1997); The 1-th European Symposium «Process Technology in Pharmaceutical and Nutritional Sciences» (Nuremberg, Germany, 1998); XVI Ogolnopolska Konferencja Inzynierii Chthmicznej I Proceswej (Krakow-Muszyna, Poland, 1998); The 3-rd Israeli Conference for Conveying and Handling of Solids (Israel, 2000); «Энергосберегающие технологии и оборудование, экономически безопасные производства» (Иваново, 2004); International Congress on Particle Technology «PARTEC 2007» (Nuremberg, Germany, 2007); «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (Иваново, 2007); VIII Miedzynarodowa Konferencja Naukova «Teoretyczne I Eksperymentalne Podstawy Budonwy Aparatury Przemyclowej» (Krakow, Poland, 2008); «Нестандартные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии (НЭРПО-2008)» (Москва, 2008); на Всесоюзных научных конференциях: «Механика сыпучих материалов» (Одесса, 1991); «Разработка комбинированных продуктов питания (медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация)» (Кемерово, 1991); на научных конференциях стран СНГ: «Вибротехнология - 96» по механической обработке дисперсных материалов и сред (Одесса, Украина, 1996); «Дисперсные системы» (Одесса, Украина, 2002, 2004, 2006, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 96 печатных работ, в том числе в 21 издании, предусмотренными ВАК, 3 монографии, 14 патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка использованных источников (288 наименований) и приложений. Основной текст работы изложен на 294 страницах, содержит 47 иллюстраций, 10 таблиц.
