Введение к работе
Актуальность проблеют. Повышение эффективности действующих и разработка новых технологических процессов моЖет быть Эостигнуто на основе глубокого научного подхода, предполагающего использование современных метоЭов математического моделирования и оптимизации, современной вычислительной техники.
ОЗним из приоритетных направлений химической технологии является сушка материалов в активных гидродинамических режимах, в частности, в потоках газовзвесей.
Несмотря на большое количество значительных работ по сушке материалов в этих потоках, до настоящего времени отсутствует обобщенная модель, учитывающая большое разнообразие начальных условий, схем движения частиц материала и теплоносителя, многофакторность, различия в свойствах высушиваемых веществ. Это предопределило невозможность построения такой моЗели Эля произвольных начальных и граничных условий.
В литературе отсутствует такЖе математическая модель и методика расчета нового высокоэффективного способа сушки дисперсных материалов - сушки во встречных потоках газовзвесей.
В связи с изложенным преЗсгавляется актуальным и имеющим ваЖное народнохозяйственное значение разработка многопараметрических моделей сушки дисперсных материалов в активных гидродинамических реЖимах, создание на их основе методов расчета указанных процессов, а такЖе внедрение в промышленную практику новых высокоэффективных технологий.
Цепь работа:
изучение элементарных актов взаимодействия частиц с потоками газа различной структуры;
построение многопараметрических математических моделей распылительной сушки и сушки во встречных соуВарякщихся потоках.
Основные задачи исследования:
определение гиЭроЭинаиических параметров движения индивидуальной частицы в потоках газа различной структуры;
анализ влияния реактивной силы на двиЖение испаряющейся частицы;
разработка математической модели гидродинамики частиц во встречных соударяющихся потоках;
математическое моделирование тепло- массообмена в условиях сушки в потоках соударяющихся газовэвесей;
разработка математической модели распылительной сушки материалов с учетом внутренних процессов переноса и непрерывности изменения основных параметров: модель
монодисперсного распыла;
математическое моделирование тепло- массообмена частиц в условиях распылительной сушки материалов с учетом внутренних процессов переноса и непрерывности изменения основных параметров: моЗель полидисперсного распыла;
промышленная реализация результатов исслеЭования.
Научная новизна. Впервые получены следующие результаты:
обобщенные аналитические решения заЗач о движении частицы в потоке газа с различными законами изменения скорости;
обобщенные аналитические решения задачи о двизкении частицы в струйном потоке газа;
аналитические решения для коэффициента реактивности испаряющейся частицы, находящейся в потоке газа, с оценкой влияния реактивной силы на гидродинамику движения этой частицы;
предложено математическое описание гидродинамики движения частиц во встречных струях газовзвеси;
построена математическая модель тепло- массообмена частиц дисперсной фазы во встречных струях газовзвеси, в условиях сушки.
разработаны на основе дифференциальных уравнений материального и энергетического балансов, имеющих общий характер, две математические модели распылительной сушки с учетом суммарной теплоты десорбции влаги: монодисперсного и полидисперсного распылов. При этом в модели полидиоперсного распыла учитываются деформация и смещение начальной функции распределения частиц по размерам в сторону меньших диаметров. Идентификация моделей осуществляется с использованием одной серии опытов.
Праххичесхая ценность полученных результатов заключается в возможности моделирования гидродинамики и тепло- моссообмена в соударяющихся потоках газовэвесей в аппаратах различного целевого назначения, в возможности моделирования и оптимизации процессов сушки материалов в условиях гаэовзвеси, организуемых в аппаратах ряда отраслей промышленности.
Реализация работа. Результаты работы использовались при разработке и модернизации ряда производственных процессов на предприятиях различных отраслей промышленности, при разработке новых технологий.
На химзаводе им. Л.Я. Карпова (г. Менделеевск, Республика Татарстан) в результате математического моделирования была разработана и внедрена струйно- распылительная сушилка для суспензий сульфата и карбоната бария производительностью до 4D кг/час по сухому продукту.
!То позволило сократить расход сырья и пара, уменьшить штат >бслуЖиваюшего персонала, улучшить качество целевых продуктов.
На этом зке заводе результаты работы использовались при разработке іппаратурного оформления карбонизационного процесса очистки газовых іьібросов от сернистых соединений в производстве хлористого бария, гри реконструкции кристаллизационного оборудования в процессе получения "ипосульфита натрия. При этом применялись в расчетах отдельные элементы идродинамической модели встречных соударязацихся потоков газовзвесей.
В результате усовершенствований в производстве гидроокиси и хлорида іария удалось утилизировать отходы, сократить расход сырья, улучшить :ачество целевых продуктов. За счет реконструкции кристаллизационного іборудования существенно снизился расход охлаждающей воды.
В Ереванском научно- исследовательском технологическом институте минокислот (НИТИА, НПО "Армбиотехнология") была разработана и внедрена іа основе теоретических положений данной работы распылительная сушилка ! центробежным распылением для сушки отходов микробиологических :роизводств. Эффект от внеЭрения - охрана окружающей среды за счет типизации из сточных воЗ продуктов микробиологического синтеза.
На Нижнекамском ПО "НиЖнекамскнефтехим" (РТ) на основе результатов 'аботы была внедрена установка по мокрой очистке отходящих газов от :аталиэаторной пыли, реконструирован деэтанизатор путем замены 15 лапанных тарелок на контактные устройства с соударение потоков, что :озволило, в конечном итоге, выйти на проектную эффективность по ;онечному продукту,
На Нижнекамском заводе крупнопанельного домостроения (РТ) данные идродинамических исследований позволили разработать и внедрить в роизводство опытно- промышленную установку по мокрой очистке ентиляционных выбросов от цинковой пыли на участке плазменной еталлизации.
Во ВНИИ социального страхования ВЦСПС результаты работы спользованы при разработке технологической линии для получения сухих репаратов из лечебной грязи и рапы, применение которых существенно овышает медицинскую эффективность лечения и более чем в 20 раз ниЖает его стоимость, улучшает экологическую обстановку окружающей реды.
Автор защищает:
обобщенные аналитические решения задач о движении частицы в потоках газа с различными законами изменения их скорости: линейным, экспоненциальным, струйным, нелинейным;
вывод соотношений для расчета коэффициента реактивности испаряющейся частицы, находящейся в газовом потоке, и оценку
влияния реактивной силы на гиородинамику движения этой частицы;
математическую модель гидродинамики частиц во встречных струях гаэовзвеси;
математическую модель тепло- массообмена частиц во встречных струях в условиях сушки;
математическую модель распылительной сушки материалов на основе заутеровского Эиаметра частиц в распыле;
математическую модель распылительной сушки материалов с учётом полидисперсного характера распыла.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуЖдались на:
всесоюзных и республиканских конференциях: "Современные машины и аппараты химических производств" /г. Чимкент, 1980, 1988 г.г., г. Ташкент, 1983 г./. Всесоюзная конференция по аэроЭинамике химических аппаратов "Аэрохим-1" /г. Северобонецк, 1981 г./, "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических произвоЭств. ПАХТ - 85" /г. Харьков, 1985 г./, "Интенсивные и безотходные технологии и оборудование" /г. Волгоград, 1991 г./, "Республиканская конференция по интенсификации нефтехимических процессов" /г. Нижнекамск, 1992, 1994 г.г./;
межреспубликанских конференциях: III Межреспубликанская научно-техническая конференция "Процессы и оборудование экологических производств" /г. Волгоград, 1995 г./;
международных конференциях: "Математические методы в химии и химической технологии (ММХ-10)" /г. Тула, 1996 г./. Международная научно- техническая конференция "Молодая наука - новому тысячелетию" /г. Набережные Челны, 1996 г./; Международная конференция по интенсификации нефтехимических процессов "Нефтехимия - 96" /г. Нижнекамск, 1996 г./;
научно- технических конференциях Казанского государственного технологического университета /1980 - 1996 г.г./; на научном семинаре кафедры прикладной математики Казанского государственного университета /ноябрь, 1996 г./.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 41 печатных работах, опубликованных в отечественных и зарубежных периодических изданиях.
Личный вклад автора. Автором сформулирована и разработана методология исследования, он непосредственно участвовал в постановке экспериментов, обсуждении и обработке их результатов.
На всех этапах автором формулировались основные направления
исследований. Большая часть работ, представленных в списке литературы, написана лично автором, остальные работы - при его активном участии.
Объён и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав текста, выводов, списка использованной литературы из 307 наименований и приложения.
Основное содержание работы составляет 390 страниц, в том числе рисунков - 52, таблиц - 11. Приложение, состоящее иэ 143 страниц, содержит: блок-схем алгоритмов - 4; листингов программ - 2; таблиц -7, в том числе Зве таблицы идентификаторов.
В первой главе проанализировано состояние вопроса по гидродинамике частиц в газовых потоках.
Во второй главе выполнено решение ряба задач по гидроЭинамике двюкения отдельной частицы в газовых потоках различной структуры.
Третья глава, как и вторая, посвящена вопросам изучения единичных актов в потоках гаэовэвеси, а именно - некоторым закономерностям движения частицы, в условиях, ослогкненных тепло- массообменом.
В четвертой главе ставится и решается задача по разработке математической модели гидродинамики частиц во встречных соударяющихся потоках, алгоритма расчета полученной модели.
В пятой главе строятся математические модели процессов распылительной сушки растворов и суспензий, описываются соответствующие алгоритмы для этих моделей.
В шестой главе приведены результаты математического моделирования тепло- массообмена частиц в условиях сушки во встречных струях, представлено описание алгоритма разработанной модели.
В седьмой главе приводятся результаты промышленного эксперимента л практического использования выполненных исследований.
Приложение содержит, кроме материалов, относящихся к математическим моделям, таблицы опытных данных и акты внедрения результатов исследования в промышленность.