Введение к работе
Актуальность работы. Термин сегрегация ((лат. segregatio) — отделение)
широко используется в механике неоднородных зернистых сред для обозна
чения эффектов взаимодействия частиц, сопровождающихся их перераспре
делением с образованием областей, отличающихся более однородными
свойствами частиц, чем среда в целом. Поскольку сегрегация наблюдается
даже при относительно небольшом различии частиц по какому-либо при
знаку (размеру, плотности, шероховатости, упругости, форме и т.д.), то
большинство природных явлений и технологических процессов, протекаю
щих при взаимодействии твердых частиц в быстрых гравитационных пото
ках (камнепады, сели, движение песков, дюны, барханы, течение сыпучих
материалов в каналах, течках, бункерах, вращающихся трубах, барабанах,
взаимное перемещение частиц в реакторах, смесителях, адсорберах, сушил
ках и т.д.) сопровождается значительными эффектами сегрегации. При этом
сегрегация может оказывать существенное влияние как на кинетику при
родных явлений и технологических процессов, так и на динамику течения
зернистых сред и качество продукта. ' :!'
Очевидно, что во многих случаях адекватное описание кинетики соот
ветствующих явлений, процессов и динамики течений зернистых сред не
возможно без адекватного прогнозирования эффектов сегрегации. Однако
несмотря на то, что некоторые эффекты сегрегации известны с давних вре
мен, и, более того, не одну сотню лет некоторые из них используются чело
веком в хозяйственной деятельности, например в горнообогатительной тех
нологии и сельском хозяйстве, процесс их научного познания находится
только в самой начальной стадии. В связи с этим во многих случаях трудно
даже прогнозировать направление сегрегации. ,-.,
Такая ситуация является следствием сложности и многообразия физических механизмов сегрегации и форм взаимного их сопряжения, которые затрудняют разработку теоретических основ процесса.
В настоящей работе проведены исследования, направленные на разработку метода прямого определения кинетических характеристик сегрегации (коэффициента скорости и движущей силы процесса) и на уточнение уравнения кинетики сегрегации при быстром гравитационном течении зернистого материала.
Работа выполнена в соответствии с единым заказ-нарядом 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" на 2000 г.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена разработке метода прямого определения коэффициента сегрегации присбыстром сдвиговом течении зернистого материала и исследованию на его базе кинетических закономерностей процесса. В соответствии с этим в задачу данной работы входило:
-
Разработать, метод прямого определения кинетического коэффициента сегрегации в быстром гравитационном потоке зернистого материала. Провести апробацию разработанного метода на модельных зернистых средах.
-
С использованием разработанного метода прямого определения коэффициента сегрегации осуществить проверку гипотезы об использовании в качестве движущей силы процесса гидромеханической сегрегации параметра локальной неоднородности зернистойсреды.
-
С использованием метода математического моделирования сегрегации на базе результатов исследования кинетических параметров процесса в быстрых гравитационных потоках зернистых сред осуществить проверку и, при необходимости, уточнение уравнения кинетики сегрегации.
Научная новизна. Разработан метод прямого экспериментально-аналитического определения коэффициента сегрегации в быстрых сдвиговых потоках несвязных сферических частиц и определены границы его применения. Метод реализован для случая быстрого гравитационного течения зернистого материала на шероховатом скате.
Выполнен сравнительный анализ различных вариантов формулировки движущей силы процесса сегрегации в быстром гравитационном потоке зернистого материала с использованием параметра'неоднородности зернистой среды в виде избыточного момента сил AM, действующего на частицу. Установлено, что параметр ДАТ, в полной мере выполняет функцию движущей силы сегрегации, когда характеристики условно однородной среды определяются как среднеобъемные для среды в целом.
Предложена уточненная формулировка уравнения кинетики сегрегации, исключающая необходимость использования постулата о концентрационной зависимости потока.
Обоснована возможность применения механизма гидромеханической сегрегации как для описания процесса разделения смеси частиц, так и для прогнозирования скорости перемещения одиночной, как мелкой, так и крупной частицы в гравитационном потоке с использованием единого кинетического коэффициента.
Практическая ценность. Получена расчетная зависимость, позволяющая вычислять не только скорость проницания (погружения) одиночных мелких и всплытия одиночных крупных частиц в быстром гравитационном потоке зернистой среды, но и величину потока сегрегации в смеси зернистых материалов с использованием единой кинетической константы с учетом физико-механических свойств частиц и параметров потока. Разработана экспериментальная установка и методика прямого определения кинетического коэффициента сегрегации в гравитационном потоке зернистого материала на шероховатом скате, с использованием которого существенно повышается достоверность технологического расчета соответствующих процессов и оборудования. Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при подготовке инженеров по специальностям 170500 - Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных
материалов и 170600 — Машины и аппараты пищевых производств. Предложенные в работе зависимость для расчета кинетики и метод определения кинетических характеристик сегрегации приняты к использованию АО "Синтез" и ВИИТиН при разработке смесителей, сепараторов и емкостного оборудования для сыпучих материалов.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на IV и V научных конференциях, проводимых в Тамбовском государственном техническом университете в 1999 - 2000 гг., на международном конгрессе CHISA -98 (Прага, Чехия, 1998 г.), на III международном форуме по переработке сыпучих материалов (Израиль, 2000 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 105 страниц основного текста, 23 рисунка, 2 таблицы и список использованных источников из 104 наименований.