Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и практики диспергирования материалов в жидкости 10
1.1 .Математические модели кинетики диспергирования 11
1.2.Методы расчета совмещенных процессов 20
1.3. Анализ конструкций машин, используемых для измельчения материалов в жидкости 26
1 АПостановка задачи исследования 31
2. Разработка математической модели совмещенных процессов 33
2.1 .Стохастическая модель процесса диспергирования 34
2.2. Разработка математической модели процесса разделения систем в гидроциклоне 37
2.2.1 .Методика расчета цилиндроконического гидроциклона 50
2.3.Математическоя модель процесса обеззараживания сточных вод 53
2.3.1.Реализация модели рождения и гибели микроорганизмов в комбинированном аппарате (дезинтеграторе) с помощью метода статистических испытаний 55
2.4.Выводы по главе 57
3. Разработка и исследование установки многофункционального действия 59
3.1 .Описание экспериментальной установки 62
3.2.Исследование дезинтегратора 64
3.2.1 . Гранулометрический состав измельченных материалов 64
3.2.2.Расчет производительности дезинтегратора 76
3.2.3 .Расчет скорости потока в зоне разгона дезинтегратора 85
3.2.4.Исследование выходного патрубка дезинтегратора 98
3.2.5.Расчет гидроциклона 101
3.3.Выводы по главе 107
4. Исследование процесса обеззараживания сточных вод 108
4.1 .Исследование процесса утилизации жидких отходов 109
4.2. Исследование дезинтегратора при обработке сточных вод 114
4.2.1 .Исследование процесса обеззараживания сточных вод 116
4.3.Использование процесса высокоскоростной обработки технологических жидкостей 123
4.4.Выводы по главе 127
Список использовавшихся источников 128
- Анализ конструкций машин, используемых для измельчения материалов в жидкости
- Разработка математической модели процесса разделения систем в гидроциклоне
- Гранулометрический состав измельченных материалов
- Исследование дезинтегратора при обработке сточных вод
Анализ конструкций машин, используемых для измельчения материалов в жидкости
При выборе конструкции машин, используемых для измельчения материалов необходимо кроме дисперсности готового продукта учитывать такие характеристики как степень загрязнения материала продуктами намола, возможность агрегирования при контакте с окружающей средой, реакционную способность и ряд других показателей. Вместе с тем, непременным условием экономической целесообразности использования измельчителя должна быть простота конструкций, долговечность и надежность его работы. Многообразие требований, предъявляемых к машинам для диспергирования и качеству готового продукта, привело к созданию различных измельчителей. Число их типов, отличающихся друг от друга по принципу работы, способу измельчения, производительности и другим параметрам, очень велико. Различные варианты классификации измельчителей рассмотрены в монографиях [64-70].
Общепринятым является деление диспергаторов по способу разрушения материалов. В некоторых из них: шаровых, вибрационных, струйных, ударных и других измельчителях материал разрушается при непосредственном воздействии на него мелющими телами. В других - материал измельчается при воздействии на него окружающей среды, например, газа, жидкости и др. К этим мельницам относятся кавитационные, магнитно-вихревые, гидравлические и другие диспергаторы. Экспериментально установлено, что магнитно-вихревые, ультразвуковые и кавитационные мельницы, в силу относительно малой мощности генерируемой энергии используются лишь при измельчении мягких материалов. В промышленности при обогащении полезных ископаемых, при производстве строительных материалов в основном используются шаровые, бегуны, валковые мельницы. Однако, КПД наиболее распространенных диспергаторов не превышает 0,3-7-0,05% [71]. Несмотря на эти недостатки, шаровые мельницы при многотоннажном производстве дисперсных материалов, вследствие надежности работы, занимают доминирующее положение. Устранение этих существенных недостатков, по мнению ряда исследователей, возможно при переходе к высокоскоростному способу нагружения частиц порядка 100- 350 м/с [72-75]. Ведение процесса измельчения при высоких скоростях нагружения возможно только в мельницах ударного действия. Предпочтительными в этом плане являются те машины, в которых кинетическая энергия разрушаемым частицам сообщается механическим способом. При диспергировании материалов в различных отраслях промышленности широкое применение получили мельницы ударного действия благодаря конструкциям измельчителей, а также энергетической целесообразности механического способа разгона частиц [76,77].
Этим обуславливается широкое применение мельниц ударного действия при диспергировании материалов в различных отраслях промышленности. Сложность процесса диспергирования, многообразие конструкций машин и требований, предъявляемых к дисперсным материалам, вызывают необходимость в совершенствовании существующих и разработке новых высокоэффективных помольных агрегатов. В основном, ударные измельчители, используемые для тонкого помола, перерабатывают материал с начальной крупностью 10 -f- 15 мм. Разрушение в этих мельницах осуществляется в результате соударения частиц материала о поверхность рабочего тела, которое может быть представлено неподвижным или подвижным рабочим элементом. Ударные измельчители классифицируются по следующим признакам: по возможности достижения и регулирования крупности готового продукта, по конструктивному расположению вала ротора или роторов, по способу сообщения кинетической энергии разрушающим частицам, по направлению движения дисперсного потока в зоне измельчения и по конструктивным особенностям крепления ударных элементов. По возможности достижения и регулирования грансостава на выходе измельчители делятся на 3 группы: без внутренней классификации диспергируемого материала, со встроенным классификатором и индивидуальным приводом /ротационные, зигзагообразные, лопастные/ и со встроенным силовым классификатором. Регулирование граничного состава измельченного продукта достигается и путем выбора соответствующих конструктивных решений, а именно: заданием определенной скорости вращения рабочих органов диспергатора и геометрической формой камеры помола.
Гранулометрический состав готового продукта обычно регулируют изменением времени нахождения частиц в зоне помола, концентрацией смеси газ - твердое тело. Изменение расхода газа (воздуха) оказывает существенное влияние на производительность измельчителя по твердому продукту. При этом обычно изменяется: во-первых, давление вращающихся и прямолинейных потоков газа в зависимости от количества трансформируемого материала, во-вторых, сечение воздушного потока. Гранулометрический состав материала, несомненно, зависит от конструктивного расположения ротора или роторов. Ударные измельчители классифицируются по способу сообщения кинетической энергии разрушаемым частицам: механические (центробежные, дезинтеграторы, центробежно-вихревые, роторные, молотковые) и газовоздушные (струйные). Следует отметить лишь то, что струйные мельницы, в отличие от машин с механическим приводом, обладают рядом недостатков: большие удельные расходы энергии и энергоносителя, приводящие к необходимости создания громоздких пылегазоотделительных устройств. По направлению движения диспергируемого материала: радиальные /при центральной загрузке/ и осевые /загрузке материала в центр или по периферии у роторов с большим осевым удлинением/. Наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике нашли мельницы сухого помола. Их конструкции широко освещены в литературе. Однако, мельницы сухого помола имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что при сухом способе измельчения, вследствие накопления энергии /энергия активации/, в дисперсной системе протекают процессы обратные измельчению, а именно: агрегирования частиц. Агрегирование частиц приводит к "снижению" доли мелкой фракции в готовом продукте. Для получения высокодисперсных порошков, склонных к агрегированию, следует процесс диспергирования проводить в среде жидкости. При диспергировании материалов в жидкости в измельчителях ударного способа действия возникают большие напряжения сдвига, появляющихся в узких зазорах между вращающимися и неподвижными частями машины. В промышленности для мокрого диспергирования в основном используются
Разработка математической модели процесса разделения систем в гидроциклоне
При анализе литературных источников (глава 1) было показано, что при моделировании процесса разделения гетерогенных систем в гидроциклонах все более широкое применение находят стохастические методы описания. При этом, как правило, для рписания динамики движения частиц дисперсного материала используют стохастические дифференциальные уравнения ланжевенского типа, а для описания эволюции функции вероятностей соответствующие им уравнения Эйнштейна-Фоккера-Планка диффузионного типа. Вместе с тем, из теории стохастических марковских процессов известно, что классические уравнения движения броуновской частицы описывают лишь частный случай непрерывного "нескачкообразного" плавного изменения ее траекторий. Однако в современных гидроциклонах, снабженных дополнительными устройствами, например, турбобилами, в комбинированных аппаратах (гидроциклон-диспергатор), частицы наряду с чередующимися друг за другом высокоинтенсивными воздействиями (квазинепрерывными) могут испытывать и ударно-импульсные воздействия. Для математического описания движения частицы в гидроциклоне в данном случае могут быть использованы обобщенные уравнения Ланжевена, или же интегродифференциальные уравнения Колмогорова-Фоккера, которые позволяют определять эволюцию соответствующих функций распределения. В литературе [153] дифференциальные уравнения ланжевенского типа применяют, прежде всего, для снижения степенного радиального движения частиц твердой фазы гетерогенных систем в гидроциклонах.
Представим, что для построения модели радиального движения частиц в гидроциклонах целесообразно использовать стохастические интегродифференциальные уравнения, описывающие эволюцию функций распределения, например, плотности вероятности распределения частиц по размерам. Знаменательно, что наиболее простым способом вывода этого уравнения является вывод его из дифференциального уравнения теории марковских процессов - уравнения Чеплина - Колмогорова. В общем случае уравнение Чеплина - Колмогорова имеет вид: Уравнение (2.9) отражает тот факт, что переход изображающей части фазового пространства из состояния х0 в момент времени t0 в состояние х в момент времени t происходит через промежуточное состояние х в момент времени Ґ. При этом интегрирование ведут по всем состояниям х . Предполагается, что радиальное движение точки (частицы) в фазовом пространстве является скачкообразным. Это означает, что "минимальное" движение точки происходит в момент времени распределенном по закону
Пуассона. Зададим временем выхода точки из состояния х в течение малого промежутка времени At соотношением с(х, t)-At. Будем полагать, также, что если акт выхода точки (частицы) из состояния х произошел, то условия плотности вероятности перехода из состояния х в состояние (z, z+dz) на интервале времени (t, t+dt) равны некоему ср(х, t/z) dz. В случае если перехода нет, то вероятность попадания точки в область (интервал) состояния {z+dz) есть 8 (z-x) dz. Таким образом, с точностью до первого порядка малости относительно х можно записать: Используя преобразования, выполненные в работе [151] и выражение (2.10) из уравнения Чеплина-Колмогорова можно получить следующее интегродифференциальное уравнение для условной плотности вероятности перехода: От уравнения (2.11) целесообразно перейти к уравнению, описывающему эволюцию безусловной плотности вероятности дР(х, t). Сделать это несложно, так как в соответствии с теорией марковских процессов, уравнение (2.11) описывает не только эволюцию плотности вероятности, но и эволюцию безусловной плотности вероятности, характеризующую распределение изображающих точек в фазовом пространстве: Будем считать, что в первом приближении уравнение (2.12) описывает эволюцию плотности вероятности не только в фазовом, но и в координатном пространстве, тогда проводя формальную замену х на г, будем иметь: г Величина P(r,t)dr представляет собой вероятность того, что произвольно выбранная частица будет находиться в момент времени t в кольцевом зазоре [r,r+dr]. Нетрудно убедиться, что уравнение (2.13) описывает процесс разделения (по радиальной координате) в терминах скачкообразных марковских процессов. Оно является более общим по сравнению с уравнением диффузионного типа. Следует убедиться, что уравнение, описывающее процесс разделения гетерогенных систем в диффузионном приближении вытекает из уравнения (2.13).
Введем в рассмотрение условную плотность вероятности перехода разделяемых частиц из г в /: Учтем также, что Тогда подставив (2.14) и (2.15) в уравнение (2.13) будем иметь: Разложим интегральный оператор уравнения (2.16) в ряд по дифференциальным в точке г, тогда получим: В уравнении (2.17) аг и Р представляют собой моменты частот перехода частиц из одного состояния в другое. Предположим, что a,(t)=0 для # 3, тогда уравнение (2.17) примет вид:
Гранулометрический состав измельченных материалов
На рис, 3,2 приведены зависимости гранулометрического состава измельченных материалов от скорости вращения роторов диспергатора. Скорость равна суммарной относительной скорости периферийных рабочих элементов, закрепленных на каждом из роторов измельчителя. Как видно из рисунка, увеличение скорости измельчения приводит к росту доли мелкой фракции /менее 40мкм/ в готовом продукте.
Причем характер кривых распределения не зависит от вида измельчаемого материала, В зависимости от механических свойств измельчаемого материала ход кривых меняется, однако остается неизменяемым их распределения /рис.3.5/. Обработка экспериментальных результатов с использованием электронно-вычислительной техники показала, что распределение частиц твердого материала по размерам при диспергировании любого продукта в измельчителе удовлетворительно описывается модифицированным уравнением Колмогорова - Фай - Желева [101], распределительная функция которой имеет вид: где х - текущий размер частиц, мм; d - диаметр частиц, соответствующий 50% составу прохода или остатка; т- показатель степени. График (4) на рис. 3.2 показывает гранулометрический состав материала до измельчения. Если сравнить результаты гранулометрического материалов измельченных при одних и тех же скоростях нагружения в других диспергаторах /рис 3,3 и 3,4/, то можно заметить, что эффективность помола материалов в предложенной конструкции выше,, чем в существующих, И5 действительно, если корпус обычного дезинтегратора выполнить ступенчатым с дополнительными ударными элементами, то можно повысить эффективность измельчения на 154-20%, При этом снизятся удельные расходы мощности на измельчение /расходы на единицу вновь образованной поверхности/, Так, например, при измельчении материалов в дезинтеграторе с круглыми пальцами и цилиндрическим корпусом наблюдается проскок осколков относительно крупных частиц без нагружения. Продукт измельчения /рис.3.5/ имеет широкий спектр распределения частин по размерам, Наличие дополнительных ударных элементов и неподвижных отражательных планок 69 исключает возможность проскока крупных частиц, а конечный продукт имеет более узкий спектр распределения частиц по размерам, Кроме того, такое конструктивное изменение корпуса и ротора диспергатора позволяет увеличить производительность машины вследствие роста количества воздуха, проходимого через помольную камеру, За счет роста транспортируемого эффекта уменьшается среднее время нахождения частиц материала в камере измельчения.
Рост скорости нагружения от 60 м/с до 100 м/с приводит к повышению процентного состава мелких фракций в готовом продукте /рис.3,2/, Так, например, если при скорости измельчения равной 75 м/с процентное содержание фракции 40 мкм равно 48%, то при скорости 110 м/с оно составляет 83%, Такое резкое отличие в гранулометрических составах не наблюдается при измельчении тех же материалов в других мельницах. Особое внимание заслуживает сравнение влияния конструктивных особенностей разработанного диспергатора при мокром измельчении тех же материалов /рисЗ.б/, Отметим, что сравнения производились при одинаковых скоростях измельчения и производительности на входе в мельницу. Из рис, 3,7 видно, что наиболее тонкий продукт с узким гранулометрическим составом можно получить при измельчении в разработанной мельнице со ступенчатым корпусом и дополнительными разгонными и ударными элементами. Основным преимуществом установки комбинированного действия является то, что ее можно использовать как для мокрого диспергирования, так и в случае сухого помола. При использовании плохо сыпучих материалов в разработанной машине возможно забивание выходного отверстия, Это может иметь место только в случае сухого диспергирования, Однако при мокром измельчении явление забивания полностью устраняется, Экспериментально установлено, что наименее энергоемким с точки зрения достижения высокой тонкости диспергирования являются дезинтеграторы с плоскими ударными элементами. QQ аа Для выявления влияния формы и угла установки плоских ударных элементов на гранулометрический состав различных материалов ранее были проведены многочисленные исследования [41.63], Изменением угла установки ударных элементов дезинтегратора регулировали как эффективность помола, так и время нахождения частиц материала в зоне интенсивного разрушения [124],
За счет изменения формы крепления ударных элементов и неподвижных отражательных планок, установленных на боковой поверхности корпуса можно изменить угол атаки частиц (угол между направлением вектора скорости движения разрушаемых частиц и поверхностью бит) диспергируемого материала. Экспериментально установлено» что степень измельчения частиц дробимого материала зависит от угловой скорости вращения вала ротора установки. Вращающиеся в противоположных направлениях роторы приводят к турбулйзаций как воздушного потока, так и жидкости, величина которой зависит от конструкции измельчителя. Данная турбулизация способствует не только интенсификации процесса измельчения, но и гомогенизации смеси в случае измельчения одновременно двух и многокомпонентных материалов. Большой интерес, на наш взгляд, имеет сравнение разработанной установки комбинированного действия с сушествующими аналогичными машинами этого типа. На рис, 3,7 представлены сравнительные результаты удельной поверхности известняка при его измельчении в шаровой мельнице, вибрационной и в разработанной мельнивдх, В разработанной мельнице необходимая тонина помола достигается изменением числа оборотов валов роторов, а в остальных машинах - продолжительностью диспергирования. Исследовали 2кг известняка с начальной удельной поверхностью 100м /кГ. Удельную поверхность готового порошка определяли методом воздухопроводности на приборе Товарова [125] до значения 8уд=750к2/кг. Более высокие значения удельной поверхности порошка, в избежания погрешностей, определяли методом низкотемпературной адсорбции азота, Из рисунка видно, что изменение удельной поверхности известняка, измельченного в шаровой и вибрационной мельницах, зависит от времени его обработки и меняется линейно. При сухом диспергировании известняка в разработанной мельнице удельная поверхность готового продукта меняется не линейно. С ростом скорости измельчения удельная поверхность сначала возрастает пропорционально, а затем падает. Падение удельной поверхности от скорости объясняется процессом агрегирования. По мнению ряда авторов, агрегирование частиц происходит за счет накопленной энергии при диспергировании. Доля этой накопленной энергии зависит от скорости
Исследование дезинтегратора при обработке сточных вод
Стоки животноводческих ферм и комплексов содержат в своем составе 8-И0% твердых включений. Как правило, сюда входят и кормовые отходы после гидросмыва. При гидроудалении некоторая часть твердой фракции разрушается водной средой. Крупные и относительно прочные включения остаются в воде в виде комков. Они затрудняют беспрепятственное движение стоков по транспортирующим каналам. Как показал предварительный анализ существующей технологии, этот факт имеет общую тенденцию и не зависит от природы отходов. Менее засоренными крупными включениями при этом являются отходы свиноводческих ферм, которые имеют достаточно постоянный состав по гранулометрии. Для гомогенизации стоков нами был использован измельчитель дезинтеграторного типа, конструкция которого освещена в третьем разделе настоящей работы. Дезинтегратор был установлен на стадии первичной обработки стоков, т.е. после гидросмыва (на его вход поступали стоки, содержащие до 90% воды и 10% твердых включений). При обработке стоков в дезинтеграторе твердые частицы и крупные включения подвергались разрушению ударными нагрузками низкой и высокой интенсивности.
По характеру сил, действующих на твердые частицы процесс диспергирования можно разделить на три этапа. На первом этапе твердые частицы диспергируемого материала, двигаясь от центра (куда они поступают) к периферии, подвергаются многократному ударному нагружению, значение которого возрастает ступенчато. На втором - поток, содержащий твердые частицы и жидкость разгоняется и приобретает более высокую скорость. На третьем этапе, попав в выходной патрубок, представляющий собой конфузор (сопло Лавеля) поток приобретает более высокую скорость и направленное движение. Следует отметить также, что при переходе потока, с так называемой, "камеры измельчения" в "камеру разгона", вследствие ступенчатой формы корпуса, поток меняет направление своего движения. Что способствует повышению эффективности диспергирования. Таким образом, наличие сложного гидродинамического режима в разработанном дезинтеграторе позволило получить на его выходе высокогомогенизированную и однородную по составу смесь. 116 На рисунке 4.1 представлены кривые изменения гранулометрического состава твердой фракции от скорости измельчения. В экспериментальных исследованиях скорость диспергирования меняли в пределах от 10м/с до 50м/с. В качестве характеристики, определяющей интенсивность измельчения твердых частиц считали прирост мелкой фракции размером 50мкм. Экспериментальные исследования процесса диспергирования твердых частиц стоков показали, что при малых скоростях измельчения 5- 15м/с, восновном разрушаются относительно крупные включения (размер 10- 20мм). С ростом скорости (30- 50м/с) происходит разрушение более мелких частиц. Дальнейшее повышение скорости измельчения приводит к разрушению субмикронных частиц (размером 70- -5 Омкм), что не целесообразно с точки зрения как энергозатрат, так и гранулометрического состава, и является достаточным для нормальной работы гидроциклона (Рис.4.1). Сточные воды животноводческих ферм содержат в своем составе, как твердые включения, так и ряд живых организмов. Их количественный и качественный показатели во многом зависят от содержания животных. При благоприятных условиях особенно в летний период количество микроорганизмов может резко возрастать. При существующих технологиях транспортирования стоков животноводческих ферм многие живые организмы остаются в окружающей среде и не погибают.
Очистка сточных вод проводится в следующей последовательности: -первичное транспортирование в бункер накопитель; -перемещение стоков до очистных сооружений; -гравитационное осветление жидкости от нерастворимых твердых частиц в чеках; -слив осветленной жидкости (содержащей микроорганизмы) в бассейн-накопитель; -искусственное орошение полей или сброс осветленных стоков в водоем. Такая технология, на наш взгляд, не отвечает требованиям санитарных норм, так как живые организмы продолжают свою жизнедеятельность и могут оказывать пагубное влияние на окружающую среду. Для обеззараживания сточных вод было предложено на стадии первичной обработки использовать разработанный нами дезинтегратор. Предварительные исследования процесса обеззараживания сточных вод в дезинтеграторе показали, что обработка высокими скоростями может привести к полной гибели живых организмов. Было установлено, что многие живые организмы, находящиеся в стоках, начинают погибать уже при температуре 50С и выше. Низкие и высокие давления также пагубно влияют на их жизнедеятельность, а тем более на процесс их дальнейшего размножения.
Общеизвестно, что при механической обработке (диспергировании) любых сред и материалов высокими скоростями в зоне контакта с ударными элементами появляются высокие давления и температуры в местах разрыва связей. Например, температура может достигать 100(Н1500С. При движении жидкой среды между ударными элементами имеют место также кавитационные явления. Кавитация приводит к резкому скачку и падению напряжения, которые способствуют изменению давления в достаточно широком интервале значений. Такие знакопеременные ударные нагрузки и давления, которому подвергаются живые микроорганизмы, приводит к их гибели, Методы высокоскоростной обработки жидких сред в машинах дезинтеграторного типа, на наш взгляд, можно использовать JBO многих технологических процессах при обработке жидкостей, в которых появляются благоприятные условия для размножения бактерий. На рисунке 4.2 приведены кривые изменения количества яйцегельминтов в зависимости от скорости механической обработки стоков.
