Введение к работе
Актуальность проблемы. Большинство зернистых материалов, производимых и перерабатываемых в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, являются существенно неоднородными. Технологические процессы, протекающие при взаимном перемещении частиц, неоднородностью которых пренебречь не представляется возможным, сопровождаются эффектами сегрегации, которые признаются наиболее общим и масштабным негативным фактором в технологии дисперсных материалов, приводящим к снижению качества продукции, нарушению норм технологического режима и снижению безопасности производства. Сегрегация наблюдается даже при относительно небольшом различии частиц по какому-либо признаку (размеру, плотности, шероховатости, упругости, форме и т.д.) и может оказывать существенное влияние как на кинетику природных явлений и технологических процессов, так и на динамику течения зернистых сред. Однако, несмотря на то, что некоторые эффекты сегрегации известны с давних времен и многие сотни лет используются в хозяйственной деятельности, например в горнообогатительной технологии и сельском хозяйстве, процесс их научного познания находится только в самой начальной стадии. Технологические проблемы сегрегации возникают, в основном, вследствие спонтанного образования в рабочих объемах аппаратов сегрегированных технологических потоков, локализованных в отдельных зонах рабочего объема и характеризующихся неоднородностью гидродинамических условий, режимных параметров и среднего времени пребывания частиц. Традиционным способом решения названных проблем является использование различных методов и технических средств, либо снижающих склонность материалов к сегрегации, либо непосредственно разрушающих сегрегированные потоки. Однако такой подход является затратным, приводит к неконтролируемому изменению структуры потока и часто не обеспечивает радикальное решение проблемы. На фоне глобального характера проявления сегрегации примеры её технологического использования в процессах переработки зернистых материалов весьма малочисленны, что является следствием отсутствия необходимой теоретической базы и развитого банка соответствующих технических решений с достаточно глубокой опытно-конструкторской проработкой.
Настоящая работа направлена на изучение кинетических закономерностей сегрегации при быстром сдвиговом течении, развитие способа прогнозирования ее эффектов и разработку принципов управления сегрегированными потоками зернистых материалов при организации гидромеханических и тепломассообменных процессов (разделения, смешения, сушки, гранулирования, термовлажностной и термохимической обработки и др. процессов).
Работа выполнена в соответствии с координационным планом Министерства образования РФ МНТП (шифр П.Т. 465, П.Т. 419) и включена в Государственную программу «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» по разделу «Высокие технологии межотраслевого применения» и поддержана грантом РФФИ № 09–08–97521.
Целью работы является развитие теоретической и экспериментальной базы, расширяющей возможности прогнозирования кинетики сегрегации в быстрых сдвиговых потоках зернистых материалов и разработка принципов управления сегрегированными технологическими потоками для преодоления негативных последствий сегрегации, интенсификации процессов и совершенствования оборудования.
Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач: разработка метода прямого определения коэффициента сегрегации при быстром сдвиговом течении зернистого материала, идентификация на его базе движущей силы процесса и уточнение уравнения кинетики сегрегации;
разработка базовых принципов управления сегрегированными технологическими потоками зернистых материалов при комплексной их переработке;
реализация базовых принципов управления сегрегированными технологическими потоками зернистых материалов на примере организации гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов в барабанном аппарате;
разработка технических решений, реализующих различные варианты управления структурой сегрегированных потоков в барабанном аппарате, и комплексное исследование их эффективности;
разработка математической модели и соответствующего программного обеспечения для ЭВМ для прогнозирования динамики процессов переработки зернистых материалов в барабанном аппарате с управляемыми сегрегированными потоками методами разделения и соединения (смешения);
разработка математической модели динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате;
экспериментальное исследование и математическое моделирование динамики процессов разделения, смешения и формирования структуры сегрегированных технологических потоков зернистых материалов при различных вариантах управления сегрегированными потоками.
Научная новизна результатов работы. Предложен единый подход к управлению сегрегированными потоками зернистых материалов в рабочем объеме оборудования направленными импульсами, используя который, можно изменять характеристики структуры потоков отдельных компонентов и зернистой среды в целом.
Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка на базе барабанного аппарата с периферийной насадкой, позволяющая исследовать влияние параметров импульсного воздействия (величины и направления импульсов) на характеристики структуры сегрегированных потоков зернистых материалов при организации гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов.
Разработана теоретическая и экспериментальная база для определения кинетических характеристик сегрегации при формировании сегрегированных потоков зернистых материалов в режиме быстрого сдвига. На базе развитых экспериментальных и аналитических методов предложено определять коэффициент сегрегации для несвязных неэластичных сферических частиц, инвариантный к их размеру (в диапазоне соотношения диаметров 0,5…2,0), скорости сдвига и порозности зернистого материала и вычислять движущую силу процесса в зависимости от комплекса физико–механических свойств частиц, их концентрации и структурно–кинематических характеристик сдвигового потока. Сформулировано уравнение кинетики сдвиговой поточной сегрегации, позволяющее прогнозировать, с учетом изменяющихся свойств частиц и параметров потока, как процесс разделения смеси частиц, так и скорость перемещения одиночных мелких или крупных частиц в быстром сдвиговом потоке с использованием единого кинетического коэффициента относительной скорости сегрегации.
Разработаны математические модели процессов разделения, смешения и формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистых материалов в барабанном аппарате, позволяющие исследовать динамику полей концентрации компонентов в периодическом и непрерывном (переходном) процессах, а также характеристики структуры сегрегированных потоков, при различных вариантах воздействия на них управляющими импульсами. Методами экспериментального исследования и математического моделирования установлено наличие у подъемно-лопастной насадки барабанного аппарата различной задерживающей функции по отдельным компонентам материала, которая может быть причиной существенного (более чем на 20%) различия их среднего времени пребывания. Обнаружено, что воздействие обратными импульсами на сегрегированный технологический поток обеспечивает возможность более чем десятикратного избирательного увеличения дисперсии распределения по времени пребывания частиц, которыми обогащен сегрегированный поток.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Выявленные кинетические закономерности сегрегации и предложенные варианты управления сегрегированными технологическими потоками стали базой для разработки гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов для переработки сыпучих материалов, что позволило решить ряд практических задач.
Разработаны техника и методика прямого определения коэффициента сегрегации в гравитационном потоке зернистого материала, что позволило уточнить кинетическую зависимость сегрегации и обеспечить теоретическую базу для технологического расчета оборудования.
Предложены базовые принципы управления сегрегированными технологическими потоками зернистых материалов направленными импульсами, обеспечивающие достижение комплекса технологических целей: дифференциацию режима обработки неоднородных частиц; образование смесей трудносмешиваемых компонентов и обеспечение однородного их распределения в рабочем объеме; организацию процессов с разделением трудносепарируемых смесей сыпучих материалов по комплексу физико–механических свойств частиц. Названые принципы реализованы на примере организации процессов переработки зернистых материалов в барабанном аппарате в соответствии с разработанными техническими решениями, которые защищены патентами на изобретения (патент РФ № 2410614 «Способы обработки зернистых материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2392042 «Способ смешения сыпучих материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2355467 «Насадка вращающегося барабана»).
Разработана экспериментальная установка, обеспечивающая возможность гибкого управления величиной и направлением сегрегированных потоков в барабанном тепломассообменном аппарате с целью решения комплекса технологических задач – сепарации трудноразделимых смесей по комплексу физико-механических свойств; - смешения материалов с высокой склонностью к сегрегации; - управления соотношением времени обработки неоднородных частиц (на порядок снижается время наступления стационарного состояния, в 6 раз уменьшается коэффициент вариации состава продукта и обеспечивается возможность более чем двукратного соотношения времени обработки неоднородных частиц).
Предложено комплексное использование продольных и поперечных импульсов, действующих на сегрегированные потоки материала в барабане, которое позволяет в два раза сократить время перемешивания и более чем на треть уменьшить коэффициент неоднородности объемного распределения компонентов по сравнению с вариантами ординарного использования соответственно поперечных и продольных импульсов.
Установлены технологические возможности управления характеристиками структуры сегрегированных потоков зернистых материалов, содержащих неоднородные по размеру и плотности частицы, в барабанном аппарате путем воздействия на частицы падающего слоя импульсами различной величины и направления. Разработано программное обеспечение для ЭВМ на базе математической модели динамики формирования структуры управляемых сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном аппарате, которое позволяет прогнозировать функции распределения по времени пребывания (РВП) отдельных компонентов смеси и определять параметры импульсного воздействия, обеспечивающие как выравнивание характеристик структуры потоков отдельных компонентов (фракций) материала в аппарате, так и достижение заданного соотношения средних значений времени пребывания неоднородных компонентов материала в аппарате, что актуально при организации процессов сушки, гранулирования, опудривания, объемного перемешивания.
Предложено техническое решение по организации процесса непрерывного смешения при порционном микродозировании компонентов, на основе воздействия обратными импульсами на сегрегированный поток, обогащенный порционно дозируемым компонентом, и формировании его буферной массы в барабанном аппарате, которое позволяет более чем на порядок снизить коэффициент неоднородности по сравнению с традиционным способом. Установлена необходимая для технологического расчета взаимосвязь конструктивных, режимных параметров аппарата и динамических характеристик процесса.
Результаты исследований в виде промышленных образцов технологического оборудования для комплексной обработки зернистых материалов внедрены в четырех крестьянско–фермерских хозяйствах Тамбовской области с расчетным годовым экономическим эффектом 1148 тыс. рублей. Результаты исследования (лекционный курс и практикум по дисциплине «Механика сыпучих сред») внедрены в учебный процесс по специальности 26.06.01.65 «Машины и аппараты пищевых производств».
Автор защищает: Базовые принципы управления сегрегированными потоками зернистых материалов и характеристиками их структуры в рабочем объеме технологического оборудования, при организации процессов переработки материалов методами разделения и смешения неоднородных частиц, а также технические решения их реализующие (патент РФ № 2410614 «Способ обработки зернистых материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2392042 «Способ смешения сыпучих материалов и устройство для его осуществления»; Патент РФ № 2355467 «Насадка вращающегося барабана») и результаты исследования их эффективности.
Метод определения кинетических характеристик сегрегации при быстром сдвиговом течении зернистых материалов на базе механизма сдвигового поточного разделения, а также технику и методику его реализации в условиях быстрого гравитационного течения зернистых материалов.
Единый подход к управлению характеристиками структуры сегрегированных технологических потоков зернистых материалов в барабанных тепломассообменных аппаратах, позволяющий целенаправленно изменять характеристики структуры потоков по отдельным компонентам материалов при организации гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов, а также математическую модель, обеспечивающую прогнозирование названных характеристик.
Математическую модель процессов разделения и смешения, базирующихся на принципе управления сегрегированными потоками зернистых материалов в барабанном аппарате, позволяющую прогнозировать динамику полей концентрации целевого компонента в периодическом и непрерывном (переходном) процессах при различных вариантах импульсного воздействия на сегрегированный поток.
Единый подход к разработке гидромеханических, тепломассообменных и совмещенных процессов с использованием эффектов сегрегации в быстром сдвиговом потоке, позволяющий учесть кинетические закономерности сегрегации, особенности структуры сегрегированных технологических потоков при различных вариантах управления названными потоками и результаты его реализации (на примере барабанного тепломассообменного аппарата).
Техническое решение по организации процесса непрерывного смешения при порционном микродозировании компонентов путем воздействия обратными импульсами на сегрегированный поток, обогащенный порционно дозируемым компонентом в барабанном аппарате, методику технологического расчета смесителя и результаты исследования его эффективности.
Апробация работы. Результаты работы доложены на IV и V научных конференциях, проведенных в Тамбовском государственном техническом университете в 1998 – 99 годах, а также на международных форумах по химической инженерии (CHISA – 98, CHISA2000, Прага, Чехия), по переработке зернистых материалов (Иерусалим, Израиль, 2000 г.), на XV Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Тамбов, 2002), на IV Всемирном конгрессе по переработке зернистых материалов (Сидней, Австралия, 2002 г.), 16 Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях", (Санкт–Петербург, 2003), на Всероссийской научно–практической конференции «Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (Уфа, 2003), на Международной научной конференции «Энерго–ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново, 2004), на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции» (Мичуринск–наукоград РФ, 2007), на V юбилейной школе – конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2007 г.), на VI Европейском Конгрессе по химической инженерии (Дания, Копенгаген, 2007), на XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-21» (Тамбов, 2008 г.), на X Международной конференции по химической и биологической инженерии «CHEMPOR 2008» (Брага, Португалия, 2008 г.), на III Международной научно-технической конференции (Воронеж, 2009), на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологии» (Тула, 2010), на Международном научно-техническом семинаре "Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов" (Воронеж, 2010), на III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 2010), на IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ-2011)» (Москва, 2011), а также на VIII Европейском Конгрессе по химической инженерии (Берлин, 2011).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 49 работ, из которых 13 в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 1 монография и 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов, списка используемых источников (228 работ отечественных и зарубежных авторов), приложения и документов, подтверждающих практическое использование результатов работы. Содержание диссертации изложено на 320 страницах машинописного текста и включает 42 рисунка.
Похожие диссертации на Кинетические закономерности сегрегации и управление сегрегированными потоками в технологических процессах переработки зернистых материалов
