Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Смеси разнородных дисперсных компонентов являются целевым продуктом или полуфабрикатом в широком спектре технологических процессов химической, фармацевтической, строительной и других отраслей промышленности. При этом постоянно возрастают требования к степени однородности таких смесей и производительности смесительного оборудования. Несмотря на многочисленные исследовательские и проектные работы, решение этих задач все еще отстает от требований современных технологий.
При смешивании разнородных компонентов основным препятствием к достижению качественных смесей является сегрегация компонентов друг в друге. При наличии сегрегации достижение полностью однородной смеси в промышленных масштабах невозможно в принципе. Можно говорить лишь о максимально возможной однородности, достигаемой при оптимальном времени смешивания, которая далеко не всегда удовлетворяет технологическим регламентам. Поэтому необходим поиск научно обоснованных путей подавления негативного влияния сегрегации на формирование качества смесей и повышение максимально возможной их однородности. Решение этой задачи чисто экспериментальными методами является нереалистичным в силу трудоемкости таких экспериментов и разнообразия условий смешивания и состава смесей в различных аппаратах. Поэтому особую роль приобретает разработка математических моделей, адекватно описывающих кинетику смешивания и позволяющих расчетным путем отыскивать рациональные пути подавления негативного влияния сегрегации.
Задача моделирования и расчета кинетики смешивания существенно усложняется, если необходимо смешать три и более разнородных компонента. Если в бинарной смеси один компонент сегрегирует вниз рабочего объема смесителя, а другой вверх, то, например, в тройной смеси промежуточный компонент может сегрегировать в обоих направлениях. Теоретических моделей, описывающих кинетику многокомпонентного смешивания, практически не существует. Их разработка является не только основанием научно обоснованных методов расчета процессов смешивания, но и позволяет отыскивать пути повышения качества многокомпонентных смесей и производительности смесителей, которые затем могут быть использованы в создании новых конструкций смесителей.
В этой ситуации дальнейшее расчетно-экспериментальное исследование и совершенствование процессов смешивания разнородных дисперсных компонентов является актуальной научной и технологической задачей, что и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках гранта РФФИ (проект 15-08-01684) и международного договора о научно-техническом сотрудничестве между ИГЭУ и Горным институтом г.Алби (Ecole des Mines d’Albi), Франция.
Объект исследования: процессы смешивания разнородных дисперсных материалов.
Предмет исследования: кинетика формирования многокомпонентных смесей разнородных дисперсных материалов, их качества и производительности смесителей.
Целью работы является поиск путей по повышению однородности многокомпонентных смесей склонных к сегрегации разнородных дисперсных материалов и производительности смесителей на основе математического моделирования и оптимизации кинетики формирования смесей, поиска рациональных путей модернизации процесса и реализации этих путей в новых конструкциях смесителей.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
-
Разработана математическая модель, описывающая кинетику смешивания многокомпонентных разнородных дисперсных материалов, позволяющая расчетным путем оценивать возможные пути снижения негативного влияния сегрегации компонентов, повышения однородности смесей и производительности смесителей.
-
Теоретически и экспериментально обосновано, что структурированная многослойная загрузка компонентов в смеситель позволяет повысить по сравнению с однослойной загрузкой однородность смеси и производительность смесителя в 1,5 …2 раза.
-
Разработана методика идентификации параметров моделей смешивания и показано удовлетворительное совпадение прогнозируемых расчетных и фактических опытных данных.
-
Получены новые экспериментальные данные по эволюции распределения компонентов при многокомпонентном смешивании и оптимальном времени смешивания по степени однородности смеси.
Практическая ценность результатов состоит в следующем:
1. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение моделирования и
расчета процессов смешивания разнородных материалов, защищенное двумя
зарегистрированными программами для ЭВМ.
2. Разработаны новые конструкции смесителей, в том числе, вибрационный
смеситель со структурированной многослойной загрузкой компонентов,
защищенные 4-мя патентами на полезные модели.
3. Средства программной поддержки моделирования и расчета процессов
смешивания, нашли применение в практике исследовательских и проектных работ
в Ченстоховском политехническом университете, Польша, и в Череповецком
муниципальным предприятием СПЕЦАВТОТРАНС для режимной оптимизации
линии по приготовлению антигололедных смесей. Новая конструкция смесителя
апробирована и включена в план модернизации линии изготовления литейных
смесей в ООО «Технологические смеси», Кострома.
Методология и методы исследования
В основу построения математической модели кинетики смешивания разнородных дисперсных материалов положена методология и математический аппарат теории цепей Маркова. Экспериментальные исследования проводились на оригинальных установках лабораторного масштаба с видео- и фото-регистрацией распределений компонентов с последующей обработкой фотографий с помощью адаптированной программы по распознаванию образов.
Положения, выносимые на защиту
-
Разработанная нелинейная математическая модель кинетики смешивания разнородных дисперсных материалов и результаты численных экспериментов по исследованию возможных путей повышения качества смесей и снижению необходимого времени смешивания.
-
Методика и результаты экспериментального исследования эволюции распределения компонентов в лабораторном вибрационном смесителе.
-
Расчетно-экспериментальное обоснование преимуществ использования структурированной многослойной загрузки компонентов в смеситель и новую конструкцию вибрационного смесителя, реализующую такую загрузку.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования обоснована корректностью математических моделей, осно-
ванных на фундаментальных уравнениях баланса массы, применением оригинальных методов и установок для экспериментального исследования, хорошим согласованием расчетных и экспериментальных данных. Основные результаты работы опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и прошли апробацию на конференциях различного уровня.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях: IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств». Иваново, 2010; 7-й региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2012», Иваново, 2012; 8-й, 9-й, 10-й, 11-й и 12-й международных НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013, 2014, 2015, 2016 и 2017», Иваново, 2013, 2014, 2015, 2016 и 2017 гг.; 20-й и 21-й МНТК Информационная среда вуза, Иваново, 2014, 2015; МНТК «Состояние и перспективы развития электро- и тепло-технологии» (XVIII и XIX Бенардосовские чтения), Иваново, 2015, 2017; XXVII МНК «Математические методы в технике и технологиях», Иваново, 2014; 16-й Плесской МНК по нанодисперсным магнитным жидкостям, Плес, 2014; The 8th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, Tel-Aviv, Israel, 2015; The XVI International Scientific Conference «High-Tech in Chemical Engineering – 2016», 2016, Moscow; The International Symposium of Reliable Flow of Par-ticulate Solids; “RELPOWFLO V”, 2017, Skien, Norway.
Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований, постановке конкретных задач по моделированию и разработке их программно-алгоритмического обеспечения, разработке методик экспериментов и их реализации, научном анализе и интерпретации полученных результатов. Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования автора.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 36-х печатных работах, из которых 1 монография, 10 статей в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК (в том числе, 3 статьи в журналах, индексированных в Web of Science, Core collection, и Scopus), 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и 4 патента на полезные модели.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников (108 наименований) и приложений.