Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное ротационные аппараты для диспергирования твердых частиц в жидкости и методы математического моделирования процесса диспергирования 9
1.1 Современные ротационные аппараты для диспергирования твердых частиц в жидкости 9
1.2 Методы описания гидродинамики двухфазной среды жидкость -твердые частицы в ротационных аппаратах 18
1.3 Методы математического моделирования процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационных аппаратах 27
1.4. Методы расчета ротационных аппаратов для диспергирования твердых частиц в жидкости 31
1.5 Выводы по главе 1 35
1.6 Постановка задачи исследования 36
ГЛАВА 2 Математическое моделирование процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационных аппаратах 38
2.1 Описание ротационного аппарата и процесса диспергирования твердых частиц в жидкости 38
2.2 Характеристики суспензии и определение циркуляционного движения дисперсной среды в ротационном аппарате 41
2.3 Диффузионная модель процесса смешения жидкость - твердые частицы в ротационных аппаратах 44
2.4 Математическая модель совмещенного процесса смешение-дезагрегация твердых частиц в ротационных аппаратах 47
2.5 Моделирование свойств двухфазной системы жидкость -твердые частицы, получаемой в ротационном аппарате 49
2.6 Расчет мощности, затрачиваемой на получение двухфазной системы жидкость - твердые частицы в ротационных аппаратах 53
2.7 Выводы по главе 2 59
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате 61
3.1 Описание экспериментальной установки для диспергирования твердых частиц в жидкости 61
3.2 Описание методики проведения экспериментальных исследований 63
3.3 Экспериментальные исследования поверхности воронки 72
3.4. Экспериментальные исследования дисперсного состава твердой фазы при диспергировании твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате 74
3.5. Экспериментальные исследования качества смешивания в процессе диспергирования твердых частиц двуокиси титана в жидкости в ротационном аппарате 83
3.6. Экспериментальные исследования качества смешивания в процессе диспергирования твердых частиц кальцита в жидкости в ротационном аппарате 84
3.7. Экспериментальные исследования реологических свойств смеси при диспергирование твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате 85
3.8 Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. Разработка метода расчета ротационных аппаратов для диспергирования твердых частиц в жидкости 89
4.1. Описание промышленного аппарата 89
4.2. Определение производительности ротационного аппарата 90
4.3. Определение удельной мощности и энергоемкости диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате 91
4.4. Экспериментальные исследования удельной мощности и энергоемкости процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате 92
4.5 Эксперементальные исследования качества смеси процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате 95
4.6 Методика расчета процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате 96
4.7 Пример расчета 99
4.8 Новый ротационный аппарат для диспергирования твердых частиц в жидкости с самовсасывающейся насадкой 100
4.9 Новый ротационный аппарат для диспергирования твердых частиц в жидкости с изменяющейся геометрией лопасти 102
4.10 Выводы по главе 4 104
Основные выводы и результаты работы 105
Список использованных источников
- Методы математического моделирования процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационных аппаратах
- Диффузионная модель процесса смешения жидкость - твердые частицы в ротационных аппаратах
- Экспериментальные исследования поверхности воронки
- Определение удельной мощности и энергоемкости диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате
Методы математического моделирования процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационных аппаратах
Смешивание и диспергирование одни из наиболее энергоемких и дорогостоящих операций при приготовлении связующих и пленкообразующих жидкостей. Поэтому рациональное аппаратурное оформление этих процессов оказывает существенное влияние на экономику не только вспомогательных процессов нанесения оболочек на зернистые материалы, но и на стоимость продукта в целом. Разработчики техники для этих целей стремятся совместить эти два процесса в одном аппарате. Это обусловлено схожестью самих этих процессов, оборудования для их реализации и сравнительно небольшими объемами производства. Наилучшим образом для этих целей подходят аппараты с быстроходными механическими мешалками, обеспечивающие такие важные процессы как тепло- и массообмен, интенсификацию химических реакций, получение высоко гомогенизированных суспензий и эмульсий. Причем часто перемешивание и диспергирование приводит не только к гомогенизации, но и к механической активации. Механической активацией можно получать продукты с заданными физическими, физико-химическими свойствами, например, прогнозировать диаметр капель дисперсной среды в эмульсиях, регулировать степень дезагрегации твердой фазы в суспензиях, уменьшать летучесть компонентов, изменять плотность, вязкость и т.п.
При приготовлении суспензий осуществляются три основных процесса: - смачивание частиц твердой фазы жидкой средой; - механическое разделение и измельчение ассоциированных частиц (агрегатов и агломератов); - стабилизация возникших в результате диспергирования новых, более мелких, частиц, предотвращения их повторного слипания (флокуляции). С развитием и совершенствованием технологии приготовления суспензий и эмульсий отчетливо проявляется тенденция к повышению степени их дисперсности. В настоящее время выделяют обычно три основных класса аппаратов для механического диспергирования: смесители, гомогенизаторы и коллоидные мельницы. Классификация типовых ротационных аппаратов представлена на рисунке 1.1.
В настоящее время существуют различные технические решения для достижения указанных целей, однако авторы известных работ [1-6] выделяют традиционно небольшое количество аппаратов, хотя каждый из них имеет свои уникальные преимущества [3]. Основными факторами при выборе смесителей и диспергаторов, кроме их производительности, универсальности при переходе от выпуска одного продукта к другому, ремонтопригодности, степени автоматизации и себестоимости единицы продукции являются:
Смесители-диспергаторы с вертикально установленными корпусами (рис.1.2.а – 1.2.г) применяются в основном в стационарных цеховых условиях, например, на предприятиях медицинской промышленности и производствах сложных гранулированных минеральных удобрений.
Смесители-диспергаторы с горизонтальным корпусом (рис.1.2.д – 1.2.е) используются для приготовления рабочих жидкостей в сельском хозяйстве для дражирования и гидрофобизации посевных культур. Примером такой аппаратуры может служить агрегат АПР «Темп» (рис.1.8) [7]. Ротационные аппараты Значительно повышает эффективность перемешивания и диспергирования гетерогенных систем аппараты, в корпусах которых кроме мешалок установлены дополнительные направляющие устройства в виде ребер, скребков, или если корпуса выполнены либо в виде многогранников, либо овальными (рис.1.3.б – 1.3.е) [8]. На рисунке 1.9 представлен быстроходный пропеллерный смеситель, применяемый для приготовления и поддержания во взвешенном состоянии твердых частиц в керамической массе. При вращении лопастей 1 пропеллера в шестигранном корпусе 2 осуществляется циркуляция смеси по окружности и в вертикальном направлении: в центре поток направлен вниз, а у периферии – вверх [9]. На рис. 1.4 – 1.6 представлены типы мешалок, применяемых для приготовления суспензий и эмульсий, в том числе используемые для приготовления малых количеств суспензий и эмульсий. - основной резервуар; 2 – дополнительный резервуар; 3 – размельчитель; 4 – насос; 5 – промежуточная передача; 6 – домкрат циркуляционным расходом и по величине отношения радиуса корпуса аппарата и радиуса мешалки. Однако, наибольшей эффективностью обладают, как показала практика, совмещенные в одном корпусе аппарата пропеллерная и фрезерная мешалки (1.4.б – 1.4.в). Другие типы мешалок наиболее целесообразны для поддержания смесей в рабочем состоянии [10]. Мешалка с гибким рабочим органом (рис.1.4.л) пригодна для перемешивания жидкостей в транспортной таре, и что очень важно, в таре с узкой горловиной (обычных бочках) [11].
Тихоходные мешалки незаменимы в приготовлении средне и высоковязких суспензий. Например, якорная мешалка давно используется в кондитерской промышленности. На рисунке 1.10 изображен варочный котел со стационарной чашей и механической мешалкой [12].
Котел, состоящий из внутренней полусферической чаши 2 и паровой рубашки 3, установлен на двух стойках 1. Для равномерного прогревания вязких масс во внутренней чаше расположена якорная мешалка 4. Лопасти мешалки приводятся во вращение от электродвигателя 16 через червячный редуктор 15.
Для улучшения перемешивания и диспергирования больших объемов жидкостей и организации направленного ее течения, особенно при большом отношении высоты к диаметру смесителя в корпусе устанавливают, так называемые, направляющие устройства, или диффузоры. На рис. 1.7 представлены некоторые типы направляющих устройств, число которых постоянно растет.
Анализ процессов и аппаратов для смешивания и диспергирования, проведенный авторами работы [13], показал, что очень часто в известном оборудовании не реализуются те преимущества, ради которых они созданы, так как нет соответствия реальных процессов тем предпосылкам, которые были заложены при их разработке. Указанные недостатки в некоторой степени могут быть преодолены путем оптимального выбора параметров и структуры производства из известных элементов. Однако, несомненно, что методологической основой создания автоматизированных технологических комплексов для производства связующих и пленкообразующих жидкостей должен являться принцип прогрессивной конструктивной эволюции [14], который должен включать не только совершенствование известной, но и разработку принципиально новой техники. Это очевидно, так как анализ известных технических решений свидетельствует о том, что наибольшее улучшение технико-экономических показателей проектируемых технологических систем могут обеспечить методы поиска более рациональных принципов действия и технических идей
Диффузионная модель процесса смешения жидкость - твердые частицы в ротационных аппаратах
После предварительного перемешивания снимаются остатки смеси со стенок емкости и вала привода. Только после этого проводится собственно диспергирование предварительно перемешанной смеси, при этом в диспергируемой массе должна образоваться воронка. Это достигается при использовании высоких скоростей вращения вала. Окончательный эффект диспергирования на ротационных аппаратах достигается через 10-15 минут работы. Дальнейшая работа аппарата, как правило, не приводит к улучшению результатов диспергирования агломератов; как показывают анализы проб, устанавливается окончательный размер частиц.
Многолетними исследованиями показано, что при использовании эффекта Doughnutпроисходитнаиболее эффективное разрушение агломератов в районе движения фрезы. Эффект Doughnut образуется при ламинарном течении в тех случаях, когда смесь отбрасывается вращающейся зубчатой фрезой наружу к стенкам емкости, где поток разделяется на две части. Нижний поток смеси устремляется к центру дна емкости под вращающийся вал, а затем снова поднимается наверх к зубчатой фрезе. Второй поток образует воронку, которая хорошо видна сверху.
Характер текучести воронки при эффекте Doughnut зависит от количества твердых компонентов в смеси. При пониженном содержании твердых компонентов вязкость смеси оказывается слишком низкой, что приводит к разбрызгиванию и вспениванию смеси. Кроме того, снижение механической энергии приведет к значительному ухудшению диспергирующей способности фрезы. При диспергировании твердых частиц с высокой концентрацией твердых компонентов, имеется особенность процесса диспергирования, связанная стем, что большое значение имеет коэффициент условной вязкости. Это, в свою очередь, сказывается на гидродинамике среды и требует дополнительных затрат мощности. В случае, если содержание твердых компонентов слишком высоко, повышенная вязкость смеси в целом не позволяет добиться оптимального характера текучести. При этом образуется так называемая граница текучести, и смесь остается практически неподвижной. Как следствие, зубчатая фреза проскальзывает в массе или, в крайнем случае, вращается вхолостую.
Характеристики суспензий и определение циркуляционного движения дисперсной среды в ротационном аппарате
В ротационных аппаратах происходит циркуляционное движение смеси, под которым следует понимать перемещение по замкнутым поверхностям в соответствии с направлением линий тока. Характер циркуляции зависит главным образом от типа насадки. Каждая насадка в процессе вращения создает поток жидкости, который в свою очередь вызывает циркуляцию во всем объеме емкости аппарата вдоль так называемых циркуляционных петель. Для оценки циркуляционного движения обычно вводятся понятия окружной и радиально-осевой циркуляции [59]. Эти параметры учитывают разложение общего потока: в первом потоке частицы смеси движутся по концентрическим окружностям в горизонтальной плоскости; во втором потоке они движутся в вертикальных плоскостях, пересекающих ось аппарата.
Окружная циркуляция связана с вращением всей смеси вокруг оси насадки. Радиально-осевая циркуляция связана с насосным действием насадки. Она имеет существенные значения для процесса перемешивания, т.к. за счет нее осуществляется конвективные движения в аппарате. Согласно данным работы [60] объемная производительность окружной циркуляции значительно (более чем в 2 раза) превышает насосный эффект мешалки.
Вращение диска вызывает вращательные движения всего объема смеси, находящейся в аппарате. Это движение приводит к понижению уровня смеси у вала мешалки и образованию воронки. Образование центральной воронки является следствием действия центробежных сил инерции и сил тяжести. С увеличением числа оборотов мешалки воронка постепенно углубляется и достигает поверхности диска (эффект Doughnut) [3]. Частота вращения мешалки, при которой наблюдается этот эффект, во многом зависит от вязкости и плотности среды [3].
Экспериментальные исследования поверхности воронки
Изображение через объектив микроскопа попадает в видеокамеру, где преобразуется в цифровой видеосигнал. Этот сигнал поступает в компьютер и преобразуется в растровое изображение.
Программ, предназначенных для анализа и обработки изображений, разработано множество, например Little 2, ImageJ, ВидеоТесТ, Jmicrovision и др. В данной работе используется программное обеспечение ImageJ, написанное на языке Java сотрудниками National Institutes of Health и распространяемое без лицензионных ограничений как общественное достояние [89]. Сначала открывается созданная фотография образца продукта и микроскопической линейки. Затем выполняется калибровка, т.е. при помощи сфотографированной микроскопической линейки (в аналогичных условиях) определяется количество пикселей изображения на микрометр. Выполнялась следующая последовательность действий: 1. Фильтрация (контрастирование) изображения; 2. Преобразование исходного изображения в бинарное (черно-белое); 3. Распознавание и идентификация объектов изображения; 4. Обработка краев изображения (удаление объектов, непопавших целиком в поле зрения); 5. Обработка информации об объектах. Известны различные методы фильтрации изображений, начиная с простых линейных фильтров и заканчивая сложными фрактальными фильтрами. Изображение, являющееся исходным для операции распознавания, должно иметь четкие границы объектов и не содержать мелкого «мусора» (отдельных точек связанных с дефектами оптики, попаданием пыли и т. д.). Для контрастирования исходного изображения использовался метод медианной фильтрации (Intermodes) [90].
Методы преобразования изображений из многоцветных в бинарные базируются либо на вычислении градиентов яркости, либо на простом разделении по задаваемому порогу яркости. Для преобразования изображения в бинарное используется следующий алгоритм. Задается определенный пороговый уровень яркости. Изображение сканируется построчно, причем, если значение уровня яркости текущей точки выше порогового уровня, то в формируемое изображение записывается точка черного цвета, в противном случае записывается точка белого цвета. Данный метод преобразования работает довольно быстро, так как не требует дополнительных вычислений.
Для поиска и измерения частиц используется алгоритмом прослеживания контуров [91]. Алгоритм работает следующим образом. Исходное изображение просматривается построчно до тех пор, пока не встретится элемент объекта. Затем начинается прослеживание контура. Если текущая точка является элементом объекта, то направление передвижения меняется на 90 влево. Если точка принадлежит фону, то направление меняется на 90 вправо. Прослеживание контура прекращается при попадании в исходную точку. На каждом шаге координаты записываются в массив. По координатам точек контура определяется наибольший горизонтальный размер объекта. Объект вырезается из изображения для исключения повторной обработки. Просмотр изображения возобновляется.
Участки идентифицируются в объекты, им присваивается порядковый номер и определяется размер в микронах. Программа ImageJ предлагает следующие варианты измерения размеров: площадь, ферет -диаметр. Полученный массив с указанием номеров объектов и их размеров в микрометрах записывается в виде электронных таблиц. В таблицу могут быть записаны либо все частицы, либо частицы, находящиеся в определенном числовом диапазоне.
Обработка краев изображения производится с целью удаления частиц, не попавших целиком в поле зрения. Она осуществляется путем последовательного просмотра точек, прилегающих к границам изображения. При нахождении точки черного цвета ее контур просматривается по алгоритму прослеживания контуров и затем объект удаляется с изображения путем закрашивания цветом фона (белым) [91].
На основе записанных в таблицу данных строится гистограмма распределения частиц по размерам, также указывается таблица с этими значениями. Данные их этих таблиц могут быть скопированы в приложения Excel или Statistica. Используя статистические функции программ работающих с электронными таблицами, таблицы преобразовываются в кривые распределения частиц по размерам.
Целью экспериментальных исследований поверхности воронки является определение влияния режимных и геометрических параметров на геометрию движения смеси в ротационном аппарате. На рис 3.8 представлена фотография воронки, которая получается при получении двухфазной системы вода - кальцит в аппарате в режиме Doughnut.
Высота воронки измерялась с помощью тонкого металлического шеста, на котором наносились специальные метки. За значение ноль принимался уровень поверхности фрезы, которому соответствовала метка на шесте на уровне поверхности верхнего края емкости (дежи). При увеличении высоты поверхности воронки над фрезой, уровень нанесенной метки увеличивался на такую же величину.
Значения радиуса r определялось как разность радиуса дежи и расстояния от стенки дежи. Рисунок 3.8 - Фотография воронки в аппарате роторного типа H=0,27м, n=1500 об/мин В таблице 3.1 представлены значения высоты воронки –z0, м, измеренные при различных значениях радиуса образующей воронки – r, м. Эксперимент проводился при трех различных объемах загрузки аппарата, которые определяются высотой слоя жидкости в аппарате при неподвижном роторе.
Определение удельной мощности и энергоемкости диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате
Ротационный аппарат работает следующим образом. При вращении вала 5 смесь действием центробежных сил инерции засасывается внутрь вращающейся части устройства через каналы 10, 11 из емкости 1 и далее через полости 8, 9 поступает в отверстия щелей 6, 7, через которые с большой скоростью выбрасывается в емкость 1. Затем с помощью отбойника 12 поток смеси разделяется.
Одна часть движется вверх, другая - вниз емкости. Причем вверх направляется поток смеси, засасываемый из нижней части емкости, а вниз -из верхней части емкости. Такая организация движения потоков смеси обеспечивает эффективное радиальное и осевое ее перемешивание.
Новый ротационный аппарат для диспергирования твердых частиц в жидкости с изменяющейся геометрией лопасти
В процессе хранения диспергированных материалов происходит осаждение и агрегация твердых частиц. Для предотвращения последствий хранения были разработаны новые конструкции роторных аппаратов, защищенные патентами РФ.
Аппарат содержит цилиндрическую емкость 1 с крышкой 2, перемешивающее устройство, выполненное в виде вращающейся гибкой U-образной лопасти, изготовленной из двух одинаковых пар прутков 3, 4, радиально и симметрично установленных на жестком каркасе по высоте на одном уровне и в плане повернутых друг относительно друга на угол 90 градусов. Каркас состоит из двух полых коаксиальных вертикальных цилиндров 5, 6. Внешний цилиндр 5 является валомпривода вращения, который включает двигатель вращательного движения 7, ведущую коническую шестерню 8 и ведомую коническую шестерню 9. Внутренний цилиндр 6 является барабаном устройства для регулирования радиальной длины прутков и представляет собой зубчатое колесо, которое находится в зацеплении с зубчатыми рейками, изготовленными на прутках 3, 4. Цилиндр 6 насажен на поворотный вал 10, который с помощью маховичка 11 можно поворачивать вокруг вертикальной оси по движению или против движения стрелки часов, посредством этого удлиняя или укорачивая радиальный размер U-образных прутков. В случае использования цилиндрической емкости высотой, значительно большей ее диаметра, например, для приготовления (взбивания) кондитерских масс могут быть применены до 20 пар U- образных прутков, которые устанавливаются на разных уровнях и смещаются в плане друг относительно друга на угол от 10 до 90 градусов. Штуцера 12 и 13 предназначены для загрузки и выгрузки материалов.
Смеситель работает следующим образом. Перед началом работы смесителя с помощью маховичка 11, поворотного вала 10, зубчатой передачи барабана 6 и прутков 3, 4 последние смещаются на минимально возможное расстояние к оси смесителя. Затем через штуцер 12 производят загрузку подлежащих смешению сыпучих материалов в емкость 1 и включают привод вращения. По мере усреднения смеси, постепенно поворачивая маховичок 11, производят радиальное перемещение каждого из прутков 3, 4 от центра на периферию до максимально возможного или необходимого размера. По окончании процесса перемешивания смесь выгружается из смесителя через штуцер 13.
Методика расчета ротационных аппаратов, описанных в разделах 4.8 и 4.9 принципиально не отличается от методики расчета ротационного аппарата. 4.10 Выводы по главе 4 1. Установлена связь между весовой производительностью и режимными и геометрическими параметрами аппарата. 2. Рассчитана удельная мощность и энергоемкость аппарата при разных режимных параметрах работы аппарата. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. 3. Разработана методика расчета процесса диспергирования твердых частиц в жидкости в ротационном аппарате, которая учитывает изменения дисперсного состава твердых частиц, качество смешения и коэффициент условной вязкости среды. 4. Рассчитаны режимные параметры процесса диспергирования кальцита и двуокиси титана в дисперсной среде на водной основе в промышленном аппарате SWFS 37 производительностью 5 т/ч для ЗАО «Лакокрасочные материалы» (г. Гаврилов –Ям, Ярославской обл.), использование которого позволит получить экономическую эффективность 100 тыс. руб.
