Введение к работе
Актуальность. Изменивииеся в последние годы экономические ус-:овия, резкий рост стоимости энергоносителей и сырья, жесткая кон-іурентная борьба выдвигает на первый план проблему разработки но-інх ресурсо- и энергосберегающих технологии и создания оборудова-[ия для их осуществления. Разработка таких технологий подразуме-іает обеспечение оптимальных условий-проведения технологического іроцесса, что позволяет резко интенсифицировать физико-химические іревращения иоходннх материалов, снизить энергозатраты и потреб-:ение сырья. Одним из традиционных методов интенсификации процес-:ов химической технологии является использование дисперсных сис~ ем с высокоразвитой межфазной поверхностью, на которой, как предало, происходят процессы, определяющие изменения в исходной сис-
еме.
Использованные в работе структурированные газожидкостные сис-
емы (пены) обладают целым рядом специфических свойств, определя-щих целесообразность их использования в различных технологичес-:их процессах. Пены являются двухфазными системами с развитой межразной поверхностью с малым содержанием жидкой фазы, равномерно заспределенной по объему системы, который многократно превышает >бъем жидкости в ней. ото свойство пены позволяет использовать ее з качестве носителя жидкой фазы в процессах обработки сыпучих материалов, обеспечивая оптимальные условия для равномерного распре-їеления малых количеств жидкости в объеме сыпучего. Процессы обработки твердых дисперсных частиц жидкостьо широко используются сак в химической технологии, так и в других отраслях промышленно-}ти. Поверхностная обработка используется для нанесения защитных кжрытий на сыпучий материал, нанесения тонких слоев катализатора на поверхность носителя, при гранулировании порошкообразных материалов, приготовлении строительных растворов, бетона, асфальто-5етона и т.п. Следует отметить, что в большинстве перечисленных іроцессов количество жидкости строго ограничено, а ее избыток, <ак правило, отрицательно сказывается на свойствах конечного продукта. Однако несовершенство смесительного оборудования вынужда-зт вносить в смесь избыточное, по отношении к необходимому, количество жидкости для получения однородной по составу смеси.
Основной причиной, препятствующей разработке новых технологических процессов с использованием пен, является отсутствие систематизированного, научно обоснованного подхода к закономерностям течения и разрушения пен. В последние десятилетия в нашей стране
сфорыировался ряд научных школ, занимающихся изучением пенных структур: Пензенская (Кругляков П.И.), Московская (Кутепов A.M. Ветоикин А.Г.), (Иароварников А.Ф.), Ленинградская (Кротов В.В. Сибирская (Канн К.Б.). Большой интерес к этой тематике проявляє ся и за рубежом. Однако большинство теоретических исследований посвящено вопросам строения пенной структуры и описанию процесс синерезиса пен. Многочисленные исследования в области течений пен носят, в основном, экспериментальный характер, а зачастую л тиворечат друг другу. До настоящего времени отсутствуют четкие физические представления, определяющие механизм течения пены, с ну режимов движения и потерю устойчивости течения. В связи с эт систематизация экспериментального материала по вопросам течения пен и разработка соответствующих моделей представляет важнейшую проблему, имеющую как научное, так и практическое значение.
Работа выполнялась по координационным планам ТОХТ АН СССР 2.22.4.5.18 и 2.27.2.69 (1976 - 1985г.г.), отраслевой программе Минудобрений СССР 02.2.01 (1986 - 1990г.г.), координационным пл нам НИР МинВуза СССР по направлению "Системный анализ процессов измельчения, смешения, классификации и дозирования сыпучих мате риалов" (1983 - 1990) к Ярославского НГЦ Академии технологическ наук Р "Новые технологии и оборудование агропромышленного назн чения " (1993 - 1995г.г.).
Цель работы состоит в разработке новых ресурсо- и энергосберегающих технологических процессов с использованием структурированных газожидкостных систем для обработки сыпучих материалов жидкостью, создании новых образцов оборудования для их проведения и методов его расчета на основе единого вязкоупругоплас тического механизма движения и разрушения пенной структуры.
Научная новизна.
-
Выявлен вязкоупругопл'астический механизм течения пены в цилиндрических каналах. Показана невозможность построения инвариантных кривых течения пены вследствие изменения ее свойств по сечению канала. Обнаружены эффекты перераспределения кратности пены по сечению канала и накопления упругой энергии при течении
-
Сформулирован новый термодинамический подход к определе нию капиллярного разрежения пены. Показано, что капиллярное раз режение является основным фактором, определяющим наличие связей между дисперсными частицами пенной структуры. Установлена зависимость капиллярного разрежения пены от ее кратности и дисперс-
ЗСТИ. .. ;
3. Дано теоретическое обоснование механизма образования уп-угих напряжений в пене при ее течении, как межфазных напряжений, озникающих при деформации газовых пузырьков пенной структуры, азработаны математические модели поршневого и сдвигового течений ен.
Ц. Установлен механизм перехода поршневого течения пены в двиговое, обусловленный нарушением связей между дисперсными, час-ицами система. Получена зависимость предела сдвиговой текучести ены от ее структурных параметров.
5. Сформулированы критерии потери устойчивости течений пен
цилиндрических и конических каналах. Определены критические зна-
ения параметров течения пены в зависимости от ее структурных па-аме.тров.
6. Выявлен механизм перераспределения жидкости по частицам
ыпучего материала в ходе процесса смешения. Определено минималь-
ое количество жидкости в смеси, обеспечивающее ее равномерное
іаспределение в массе сыпучего при минимальных затратах энергии.
Практическую значимость представляют: результаты теоретичес-:их и экспериментальных исследований, позволившие получить пред-:тавления о механизмах течения и разрушения пен и разработать ме-'оды расчета оборудования для использования в технологических провесах, связанных с получением и использованием пен," новые конструкции смесителей, пеногенераторов и пеногасителей, защищенные авторскими свидетельствами, и внедренные в промышленность: установ-са для вспенивания битума в производстве асфальтобетона, внедрен-тя на заводах ПО ";1рославльавтодор", струйный пеногаситель, внедренный на ХёЗ "Акрихин", установка для пропитки пористых материа-юв растворами; практическое доказательство эфЗюктивности примене-тая пен в процессах смешения сыпучего с'жидкостью, гранулирования порошкообразных материалов, распиливания вязких нефтепродуктов, проведении массообменных процессов с химической реакцией в системах жидкость - газ. Суммарный экономический эффект составил более 700 тыс. руб. в ценах 1991 года.
Автор защищает.
I. Впервые обнаруженные эффекты перераспределения кратности пены по сечению канала, накопления упругой энергии пены при течении и разработанный на их основе вязкоупругопластический механизм
-4~
течения пены в цилиндрических каналах.
"' 2. Термодинамический метод определения капиллярного разре ж'ения пены.
3. Математические модели движения пен в цилиндрических и нических каналах.
h. Математическую модель колебательного контура с двумя с пенями свободы с учетом сопротивления среды применительно к оп ределению дисперсности пены.
-
Результаты экспериментальных исследований, доказывающи эффективность применения пен в процессе смешения сыпучего с жи, костью.
-
Новые технические решения, зачищенные авторскими свиде тельствами, и методы расчета оборудования.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссерт. ционной работы доложены на 10 Всесоюзных и зональных научных к фёренциях и совещаниях: Современные машины и аппараты химическ производств ^мкент, 1980); Технология неорганических веществ минеральных удобрений (Чимкент, 1981); Современные методы гран лирования й капсулировання удобрений (Москва, 1983),* Пены. #из ко'— химические свойства и применение (Пенза, 1985); Повышение ' ёффективносги и совершенствование процессов и аппаратов химиче 'ских производств (Харьков, 1985); Биотехника-86 (Грозный, 1986 Современные проблемы механики жидкости и газа (Грозный, 1985); Химтехника-8б (Белгород, 1986); Повышение эффективности и наде но'сти машин и аппаратов в основной химии (Сумы, 1989); Техноло гия сыпучих материалов (Ярославль, 1989).,
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 52 печ ные работы, в том числе 20 авторских свидетельств.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения семи глав, общих выводов, списка использованных источников (22 наименований отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Работа изложена на 334стр., содержит 75 рисунков и 19 таблиц.