Введение к работе
Актуальность работы. Целевые продукты значительной части промышленных предприятии Южного Казахстана являются результатом процессов механической и тепловой обработки дисперсных материалов в аппаратах с активными гидродинамическими режимами (АГР). К указанным аппаратам в первую очередь относятся аппараты со взвешенным слоем обрабатываемого материала и установки с закрученными потоками взаимодействующих фаз.
Первые используются для реализации процессов тепло - массообмена (большей частью для сушки дисперсных материалов), а вторые нашли широкое применение в качестве пылеуловителей в установках для очистки промышленных выбросов. В связи с этим исследования, направленные на повышение эффективности работы аппаратов АГР и совершенствование их конструкций являются актуальными для промышленности Южного Казахстана, так как их целью является оздоровление экологической обстановки в Республике и экономия знергоресурсов.
Реальная гидродинамическая обстановка в аппаратах АГР носит стохастический характер, обусловленный как пульсациями в развитом турбулентном режиме, гак и случайным характером траекторий движения частиц дисперсной фазы. Вследствие этого интегральные показатели работы таких аппаратов, основанные на традиционных детерминированных моделях не в полной мере отражают объективную картину течения процессов в аппаратах АГР. Вследствие этого возникает необходимость в разработке статистических моделей таких аппаратов и получении соответствующих вероятностных оценок их работы.
Аналогичная ситуация наблюдается и в области исследования тепло-массообменных процессов, протекающих в аппаратах о активной гидродинамикой. Можно отметить большое число исследований, посвященных этой теме, результатом которых являются методики расчета и варианты конструктивного оформления конкретных процессов. Вместе с тем заметна тенденция к одностороннему подходу в оценке эффективности процессов и построении их математических моделей на основе традиционных балансовых уравнений с использованием известных кинетических уравнений тепло-мас-сопереноса. Такой подход ограничивает применимость результатов исследований рамками изученного диапазона изменения конструктивных и технологических параметров процесса и, что, самое главное, не дает объективной оценки степени использования имеющегося энергетического потенциала. Тем самым затрудняется поиск путей и способов повышения эффективности работы используемой аппаратуры за счет увеличения доли полезно используемой энергии. Не менее важным является, в условиях все более возрастающего дефицита энергии, разработка методов расчета таких аппаратов, позволяющих выявить наличие дополнительных источников энергии, за счет более полного использования эксергетического потенциала материальных потоков в аппарате.
Перечисленные выше факторы и обусловили тематику данного исследования. При этом в качестве объекта исследования выбраны наиболее "не-
Олагополучше" для Юящого Казахстана в экологическом и энергетическое аспекте процессы, а именно: процессы сепарации твердой фазы из газового потока и сушки дисперсных материалов.
Цель работы заключалась в интенсификации процессов обработки дисперсных материалов за счет испольвования аппаратов с активными гидродинамическими режимами (АГР). Для достижения указанной цеди был реше* ряд задач:
Проведен анализ промышленных пылей как объектов улавливания с целью получения необходимых характеристик для рационального аппаратурного оформления процессов сепарации в аппаратах АГР;
разработана математическая модель и алгоритм расчета гидродинамических параметров аппаратов о активной гидродинамикой, инвариантны) по отношению к конструктивным особенностям аппарата и свойствам обрабатываемого материала;
разработан инженерный метод расчета эффективности работы аппаратов с закрученными потоками взаимодействующих фаз, учитывающий вероятностный характер процесса взаимодействия этих фаз в аппаратах с активной гидродинамикой;
получены расчетные соотношения, необходимые для эксергетическо-го анализа процесса сушки;
создана инженерная методика расчета оптимальных параметров процесса сушки дисперсных материалов в аппаратах АГР на основе энергетического анализа их работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан унифицированный метод расчета гидродинамических параметров несущей фазы в аппаратах с активной гидродинамикой. В основі указанного метода лежит статистическая модель, описывающая взаимодействие твердой и гавовой фаз в аппаратах центробежного типа.
Разработан алгоритм расчета функции распределения частиц твердой фазы в аппаратах с активной гидродинамикой, позволяющий оценил поверхность контакта взаимодействующих фаз в аппаратах с активным! гидродинамическими режимами в любой момент времени.
Систематизированы и обобщены результаты исследований по применению эксергетического анализа применительно к процессам теплообмена Получены необходимые расчетные соотношения для оценки зксергетическол потенциала материальных потоков, участвующих в процессах сушки капиллярно-пористых материалов в аппаратах АГР.
Показана целесообразность постадийного анализа процесса сушки ; аппаратах АГР на основе зксергетического метода. Представлены схемы і алгоритмы такого анализа применительно к сушильным установкам непре рывного действия, предназначенным для сушки капиллярно-пористых тел ві взвешенном состоянии.
Разработана методика термоэкономической оптимизации типовых су
шильных установок с активной гидродинамикой. Целевой функцией в указанной методике является стоимость эксергии, затраченной на реализацию процесса сулки в установке.
Представлен алгоритм расчета оптимальной температуры и влажности сушильного агента в конвективных сушилках со взвешенным слоем обрабатываемого материала.
Проведен комплексный анализ эффективности работы типовых сушилок со взвешенным слоем материала на основе разработанной зксергети-ческой методики их расчета, который позволил установить область их рационального применения.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методы выбора и расчета сушилок и пылеуловителей с АГР для конкретных технологических задач Южного Казахстана.
Исследованные конструкции аппаратов АГР прошли промышленные испытания и внедрены в действующих производствах в качестве пылеуловителей на ШАО "Фосфор", на АО "Химпром" (г. Жамбыл), на АО "НОДФОС", на АО "ШСЗ".
Проведена инвентаризация источников загрязнений предприятий фосфорной промышленности с последующей классификацией пьглегазовых выбросов по составу. Определены физико - химические свойства пылей.
Результаты проведенных исследований в области сушки дисперсных материалов легли в основу проекта реконструкции действующей барабанной установки на АО "НОДФОС" (г. Камбыл), который принят к реализации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии (ММХ-10)" (г. Тула,1996), Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития науки и техники в области механики, геофизики, нефти, газа, энергетики и химии Казахстана" (г. Актау.1996), IX - Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии "MKXT-S5" (г. Москва,1995), Всероссийской научной конференции "Энергоресурсосбережение и экология в текстильной промышленности" (г. Москва,1994), Всероссийском научно-техническом семинаре "Очистка от загрязнений вентиляционных и технологических выбросов в атмосферу" (г. Москва,1994), Международной научно-технической конференции "Процессы-93" (г. Ташкент,1993), Всероссийском научно-техническом семинаре "Способы и средства очистки воздуха от загрязнений" (г. Москва,1993), Международной конференции "Наука и Технология - 93" (г. Шымкент,1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 статей.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, чет рех глав, общих выводов, списка использованной литературы (115 наим нрваний) и приложений. Общий объем диссертации 232 - страниц, в т числе 213 - страниц основного текста, 38 - рисунков, 11 - таблиц, 19 страниц приложений.