Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1 Процесс смешивания в технологиях сыпучих материалов, способы организации процесса и технологические проблемы 10
1.2 Смешивание сыпучих материалов в управляемых сегрегированных потоках 15
1.3 Математическое моделирование процесса смешивания сыпучих материалов с высокой склонностью к сегрегации 31
Глава 2. Разработка способа непрерывного смешивания сыпучих материалов при порционной подаче отдельных компонентов 41
2.1 Теоретические предпосылки организации процесса непрерывного смешивания с порционной подачей микрокомпонента в управляемых сегрегированных потоках 43
2.2 Организация процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов с порционной подачей микрокомпонента в барабанном аппарате
Глава 3. Математическое моделирование процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов при порционной подаче отдельных компонентов в барабанном аппарате 55
3.1 Разработка математической модели процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов при порционной подаче компонентов в барабанном аппарате с периферийной насадкой 55
3.2 Исследование интенсивности формирования сегрегированных потоков сыпучего материала в барабанном аппарате с периферийной насадкой 62
3.3 Исследование технологических характеристик процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов с порционной подачей отдельных компонентов при сосредоточенном сглаживающем воздействии
на их сегрегированный поток 69
Глава 4. Практическое использование результатов работы 88
4.1 Методика технологического расчета барабанного смесителя сыпучих материалов непрерывного действия с порционной подачей отдельных компонентов 88
4.2 Примеры практического использования результатов работы 91
Выводы 96
Список использованной литературы
- Смешивание сыпучих материалов в управляемых сегрегированных потоках
- Организация процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов с порционной подачей микрокомпонента в барабанном аппарате
- Исследование интенсивности формирования сегрегированных потоков сыпучего материала в барабанном аппарате с периферийной насадкой
- Примеры практического использования результатов работы
Введение к работе
Актуальность работы. Процесс смешивания сыпучих материалов широко используется в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства при производстве строительных и композиционных материалов, фармацевтических препаратов и пищевых концентратов, пластмасс, красителей, удобрений и химикатов, комбикормов и посевных смесей и многих других производствах. Целью процесса является обеспечение однородного распределения компонентов смеси в ее объеме, степень достижения которого определяет качество готового продукта и эффективность последующих технологических операций.
Смешивание сыпучих материалов традиционно сопряжено с проблемами, которые являются следствием того, что в отличие от других материалов, для них глобальным фактором в условиях взаимодействия частиц на микроуровне является гравитация. В условиях гравитации взаимодействие частиц при их взаимном перемещении сопровождается эффектом сегрегации (от лат. segregatio – отделение), препятствующим однородному пространственному распределению компонентов смеси. В связи с тем, что сегрегация протекает даже при минимальном различии частиц по физико-механическим свойствам, то, по крайней мере, в промышленных условиях получение идеально однородных смесей не представляется возможным.
С целью минимизации негативного влияния сегрегации при смешивании либо создают условия, при которых эффект перемешивания доминирует над эффектом сегрегации, либо организуют процесс по специальному регламенту, учитывающему кинетические закономерности названных эффектов. В общем случае такие подходы не обеспечивают радикального решения проблемы и, кроме того, первый из них сопряжен с высоким энергопотреблением, а последний предполагает предельную стабилизацию физико-механических свойств компонентов смеси и гидродинамических условий в объеме смеси.
Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию методов смешивания сыпучих материалов в управляемых сегрегированных потоках, позволяющих минимизировать негативные последствия сегрегации и использовать ее эффекты для решения технологических задач. Работа выполнена по государственному заданию Министерства образования и науки в 2014 – 2016 гг. (проект № 995) и поддержана грантами РФФИ № 09-08-97521 и № 14-08-97531.
Целью работы является разработка энергосберегающего способа непрерывного смешивания сыпучих материалов, склонных к сегрегации, в условиях высокой неоднородности подачи компонентов смеси путем управления характеристиками структуры их сегрегированных потоков. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
теоретическое и экспериментальное обоснование целесообразности сглаживания неоднородностей подачи компонентов смеси путем воздействия встречными импульсами на их сегрегированные потоки;
разработка технических решений, реализующих идею организации процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов при высокой неоднородности подачи компонентов смеси с использованием сглаживающих эффектов в их сегрегированных потоках;
аналитическое и экспериментальное исследование технологических характеристик разработанных технических решений;
- разработка методики технологического расчета смесителя непрерывного
действия с порционной подачей отдельных компонентов и обратным импульсным
воздействием на их сегрегированный поток.
Научная новизна работы:
теоретически и экспериментально обоснована целесообразность сглаживания пульсаций подачи отдельных компонентов при организации непрерывных процессов путем избирательного воздействия распределенными встречными импульсами на их сегрегированные потоки;
разработана математическая модель динамики процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов в барабанном аппарате при обратном импульсном воздействии на сегрегированный поток порционно дозируемого компонента, которая позволяет прогнозировать эволюцию продольного распределения концентрации компонента в рабочем объеме смесителя в зависимости от склонности компонента к сегрегации и комплекса технологических параметров процесса и оборудования;
получено уравнение регрессии, позволяющее оценить влияние конструктивных и режимных параметров барабанного аппарата с периферийной насадкой на интенсивность формирования в нем сегрегированного потока неоднородных частиц, позволившее установить, что наибольшее влияние на интенсивность формирования сегрегированных потоков в барабане оказывают его диаметр и коэффициент заполнения;
экспериментально и аналитически установлено, что избирательное воздействие распределенными обратными импульсами на сегрегированный поток порционно дозируемого компонента в смесителе позволяет снизить неоднородность состава смеси более чем на порядок по сравнению с режимом идеального перемешивания.
Практическая ценность. Предложен способ непрерывного смешивания сыпучих материалов (патент РФ № 2487748) при высокой неоднородности дозирования отдельных компонентов, который заключается в воздействии обратными импульсами на сегрегированные потоки, обогащенные компонентами с высокой неоднородностью подачи, и предварительном размещении их буферной массы в загрузочной зоне рабочего объема смесителя.
Разработано устройство (патент РФ № 2487748), реализующее предложенный способ смешивания сыпучих материалов во вращающемся барабане с периферийной насадкой, которое позволяет на порядок снизить вариацию состава смеси по сравнению с аппаратом идеального перемешивания.
Разработана программа для ЭВМ, позволяющая на базе предложенной математической модели процесса смешивания в условиях порционной подачи компонента в барабанном аппарате с периферийной насадкой определять:
параметры импульсного воздействия на сегрегированный поток порционно дозируемого компонента в падающем слое частиц, обеспечивающего необходимую степень сглаживания пульсаций его подачи;
буферную массу порционно дозируемого компонента и ее рациональное размещение в загрузочной части смесителя для уменьшения продолжительности нестационарной фазы процесса.
Разработана методика инженерного расчета непрерывно действующего барабанного смесителя с обратным импульсным воздействием на сегрегированный поток порционно дозируемого компонента, позволяющая с использованием математической модели обеспечить выполнение регламентных требований по однородности смеси.
Рекомендации по организации процесса непрерывного приготовления смесей сыпучих материалов при порционном дозировании микродобавок приняты к внедрению на Тамбовском пороховом заводе и ОАО «Алмаз» (Котовск), что обеспечит повышение надежности технологических линий и качества готовой продукции.
Автор защищает:
математическую модель динамики процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов с порционной подачей компонента в барабанном аппарате и результаты моделирования вариантов его организации (с воздействием и без воздействия импульсами, с идеальным перемешиванием);
результаты исследования эффективности сглаживания пульсаций порционной подачи компонента при непрерывном смешивании сыпучих материалов в барабанном аппарате с обратным импульсным воздействием на сегрегированный поток компонента;
методику инженерного расчета непрерывно действующего барабанного смесителя с обратным импульсным воздействием на сегрегированный поток порционно дозируемого компонента.
Апробация работы. Результаты работы доложены: на Всероссийской и шести международных научных конференциях, в том числе двух зарубежных.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и патент на способ и устройство для его осуществления.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников, включающего 100 работ отечественных и зарубежных авторов, и приложений. Работа изложена на 110 страницах и содержит 24 рисунка и 1 таблицу.
Смешивание сыпучих материалов в управляемых сегрегированных потоках
Процесс смешивания сыпучих материалов широко используется в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства с целью обеспечения однородного распределения компонентов смеси в ее объеме. В производствах строительных и композиционных материалов, фармацевтических препаратов и пищевых концентратов, пластмасс, красителей, удобрений и химикатов, комбикормов и посевных смесей и многих других производствах от степени однородности распределения компонентов в смесях зависит не только качество готового продукта, но и эффективность комплекса технологических операций с использованием смесей.
При смешивании сыпучих материалов традиционно возникает множество проблем, которые, в первую очередь, являются следствием мезоскопических свойств такого рода материалов [1]. В зависимости от гидродинамических условий, в которых происходит перераспределение частиц в сыпучих материалах при смешивании, последние могут не только проявлять свойства, характерные для твердых, жидких или газообразных сред, но и обнаруживать оригинальные физические эффекты.
Мезоскопический характер свойства сыпучих материалов проявляется, в первую очередь, в том, что в отличие от других видов материалов определяющим фактором для взаимодействия их частиц на микроуровне является гравитация [2, 3]. В условиях гравитации всякое взаимодействие неоднородных частиц, связанное с их взаимным перемещением, сопровождается эффектами разделения, для общего обозначения которых используют термин сегрегация. Вследствие сегрегации всякое перемешивание сыпучих материалов приводит не только к хаотическому перемещению неоднородных частиц, но и к их направленному (детерминированному) встречному перемещению. Вследствие этого сегрегация становится препятствием на пути к достижению однородного пространственного распределения компонентов смеси. В связи с тем, что сегрегация протекает даже при минимальном различии частиц по физико-механическим свойствам, то получение идеально однородных смесей не представляется возможным, по крайней мере, в промышленных условиях [3].
С учетом этого, выбор того или иного способа смешивания и средства его реализующего зависит от склонности компонентов смеси к сегрегации. Кроме того, при выборе смесителя учитывается [4] предпочтительный режим его функционирования, производительность, требование по однородности смеси, потребность в онлайн контроле и автоматическом регулировании, возможность гибкого технологического использования для смешивания различных компонентов, в том числе компонентов с изменяющимися свойствами, стоимость и эксплуатационные затраты. При выборе смесителя с учетом комплекса перечисленных критериев первостепенное значение приобретает оценка достоинств и недостатков периодически и непрерывно действующих смесителей [4].
В периодически действующих смесителях компоненты смеси загружаются в рабочий объем порционно либо одновременно, либо в определенной последовательности, смешиваются до достижения регламентных требований по однородности смеси и полученная смесь выгружается. В непрерывно действующих смесителях компоненты смеси подают в рабочий объем непрерывно в соответствии с регламентом загрузки, непрерывно смешивают и выгружают приготовленную смесь. В отличие от периодически действующих смесителей, где операции дозирования, смешивания и выгрузки протекают последовательно, в непрерывно действующих смесителях названные операции протекают параллельно.
Преимущества периодически действующих смесителей являются следствием следующих их особенностей: - благоприятные условия для контроля качества смеси и дозирования ее компонентов; - возможность переработки материалов партиями и контроля времени смешивания; - гибкость при организации многоассортиментных производств; - низкие капитальные затраты в условиях производств малой мощности. В связи с указанными преимуществами периодически действующие смесители рекомендуются к использованию в многоассортиментных производствах малой мощности, для приготовления смесей из ингредиентов с нестабильными свойствами и при необходимости строго контроля состава смеси.
Однако, преимущества периодических смесителей достигаются на фоне их существенных недостатков, к которым относятся: - нестабильность качества смеси в отдельных партиях; - необходимость более детального контроля эффективности смешивания от партии к партии; - более яркое проявление негативных эффектов сегрегации; - низкая удельная объемная производительность и невысокая технико-экономическая эффективность, особенно, при большой мощности производства. Названные недостатки во многом представляется возможным преодолеть с использованием непрерывно действующих смесителей. Эти смесители характеризуются [4] следующими преимуществами: - высокие значения удельной объемной и единичной производительности; - малое время смешивания; - стабильность качества смеси; - минимизация негативного влияния сегрегации на качество смеси; - благоприятные условия для организации автоматизированного контроля и управления; - отсутствие необходимости детального контроля эффективности смешивания; - низкая стоимость смесителя без учета устройств для дозирования компонентов смеси. В связи с указанными преимуществами непрерывно действующие смесители рекомендуются к использованию в поточных технологических линиях относительно большой мощности в отсутствие высоких требований к составу смеси и ее однородности. Однако, несмотря на очевидные преимущества, непрерывно действующих смесителей их расширенное использование сдерживается их недостатками, к которым относятся: - низкая технологическая гибкость вследствие необходимости адаптации смесителя к смешиванию определенных компонентов смеси; - высокие требования к дозирующим системам, точность которых напрямую влияет на качество смеси; - необходимость систематической проверки и калибровки относительно сложных и менее надежных непрерывно дозирующих устройств; - неблагоприятные условия для приготовления многокомпонентных смесей в связи с чрезмерным усложнением системы дозирования и, как следствие, увеличением вариации состава смеси; - ограниченные возможности для получения смесей с высокими требованиями к их составу и однородности; - высокая стоимость с учетом дорогостоящих систем непрерывного дозирования.
Однако, вместе с тем в последнее время наметилась тенденция к тому, что непрерывно действующие смесители становятся более эффективной альтернативой по отношению к периодически действующим. Даже в относительно консервативных фармацевтических производствах отмечается возрастание интереса к непрерывно действующим смесителям [5]. Наблюдаемая тенденция объясняется возрастанием технологической культуры, совершенствованием дозировочных устройств, высокой адаптивностью непрерывно действующих смесителей к контролю и регулированию и благоприятными условиями для их масштабирования.
Совокупный анализ достоинств и недостатков периодически и непрерывно действующих смесителей позволяет сделать вывод о том, что области предпочтительного их использования достаточно строго дифференцированы по причине ярко выраженных недостатков каждого вида смесителей. При выборе смесителя того или иного вида представляется возможным во многом преодолеть недостатки, характерные для смесителей с иным режимом функционирования. Однако, при любом выборе смесителя достижение определенных показателей функционирования сопряжено с допущением его же определенных недостатков. В связи с этим, одним из плодотворных направлений совершенствования технологий и оборудования для смешивания сыпучих материалов является разработка образцов, позволяющих совместить достоинства альтернативных вариантов организации периодических и непрерывных процессов.
Первостепенное внимание при этом должно быть уделено учету специфического свойства сыпучих материалов, которое заключается в проявлении различной склонности компонентов к сегрегации в смеси в случае нестабильности их физико-механических свойств. Очевидно, что отсутствие стабильности свойств компонентов смеси может стать причиной вариации однородности ее состава.
Организация процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов с порционной подачей микрокомпонента в барабанном аппарате
При организации процесса непрерывного смешивания первостепенное значение имеют два фактора [74, 75]: обеспечение тесного контакта с взаимным проникновением потоков компонентов смеси и поддержание высокой точности их дозирования. При этом, несмотря на очевидные достоинства непрерывного смешивания, его широкое распространение, во многих случаях, сдерживается высокими требованиями по точности дозирования.
Особой технической сложностью характеризуется технологическая задача организации процесса непрерывного смешения при микродозировании компонента с высокой склонностью к сегрегации. Решение такого рода проблемы является актуальным, например, в производствах композиционных и строительных материалов, медицинских и химических препаратов, пищевых концентратов, пластмасс, резиновых смесей и многих других производствах, когда содержание либо целевого компонента, либо модифицирующей добавки в продукте строго регламентируется и соответствует по величине микродозе. Традиционно, в таких случаях возникает необходимость применения высокоточного весового порционного дозирования компонента смеси с использованием, соответственно, периодического смешивания. Однако, как неоднократно было отмечено в литературном обзоре, условия периодического смешивания в наибольшей мере способствуют проявлению негативных последствий сегрегации, в результате которых использование названного варианта организации процесса становится проблематичным. Альтернативным технологическим решением в этом случае может быть применение непрерывного смешивания с использованием смесителя с высокой сглаживающей способностью [75]. При этом повышение сглаживающей способности смесителя рекомендуется обеспечивать за счет увеличения рабочего объема и интенсификации продольного перемешивания, что, очевидным образом, приводит к возрастанию диссипации механической энергии и увеличению капитальных и эксплуатационных затрат.
Несколько снизить требования к сглаживающей способности смесителя возможно за счет применения двухстадийного дозирования [76], при котором полученные на первой стадии порционные дозы компонента, равные по массе, преобразуются на второй стадии в непрерывный поток. Очевидно, что в случае двухстадийного дозирования его точность будет уже определяться не только и не столько точностью подготовки порционных доз, сколько сглаживающей способностью второй ступени узла дозирования, зависящей от ее конструкции, свойств материала, их стабильности и величины периода формирования доз.
В настоящей работе для решения изложенной выше технологической задачи предложено использовать принцип управления сегрегированными потоками [73, 77], возникающими вследствие проявления эффектов сегрегации в технологическом потоке сыпучего материала. Сегрегация (лат. segregatio – отделение) – эффект взаимодействия частиц сыпучего материала, при котором происходит их перераспределение с образованием областей, отличающихся более однородными свойствами частиц, чем среда в целом. Сегрегированные потоки зарождаются в рабочем объеме оборудования и являются частями единого технологического потока, частицы в котором различаются по степени проявления того или иного свойства или комплексу физико-механических свойств. В технологических целях могут быть использованы либо спонтанно образованные, либо искусственно организованные сегрегированные потоки. Вследствие этого, при наличии в смеси микрокомпонента с высокой склонностью к сегрегации будет наблюдаться его преимущественное перемещение в одной или нескольких частях сегрегированного технологического потока. В результате, неоднородность дозирования микрокомпонента прямо проявит себя в неоднородности состава соответствующих частей сегрегированного потока, обогащенных этим компонентом. При этом характеристики однородности сегрегированного потока будут оказывать определяющее влияние на однородность состава смеси в целом.
В таком случае, в соответствии с принципами управления сегрегированными потоками, целесообразно сконцентрировать сглаживающее воздействие, направив его на часть технологического потока с наиболее высоким проявлением неоднородности. Такое сглаживающее воздействие представляется более рациональным по сравнению с традиционными способами в связи с его целенаправленным характером и очевидным энергосберегающим эффектом.
При использовании принципа управления сегрегированными потоками необходимо выбрать вариант импульсного воздействия на технологический поток (см. раздел 1.2), наиболее подходящий для решения определенной технологической задачи. При анализе возможных вариантов импульсного сглаживающего воздействия с использованием поперечных и продольных импульсов можно сделать вывод, что наибольший эффект сглаживания пульсаций порционной подачи компонента могут обеспечить продольные импульсы. Вместе с тем очевидно, что использование продольно уравновешенных знакопеременных импульсов (рисунок 1.1-а) не может обеспечить эффект сглаживания, который смог бы превысить соответствующий эффект, достигаемый в случае идеального перемешивания. С целью преодоления этого ограничения, в настоящей работе предложены способ непрерывного смешивания сыпучих материалов при порционной подаче отдельных компонентов и устройство для его реализации [78].
Исследование интенсивности формирования сегрегированных потоков сыпучего материала в барабанном аппарате с периферийной насадкой
Для реализации разработанной математической модели (раздел 3.1) необходимо располагать возможностью прогнозирования интенсивности формирования сегрегированных потоков, которая зависит от свойств смеси, а так же конструктивных и режимных параметров барабанного аппарата. Согласно математической модели интегральным показателем интенсивности формирования сегрегированных потоков является коэффициент исчерпывания (3.5).
Очевидно, что величина коэффициента исчерпывания зависит от множества факторов, основными из которых являются: диаметр барабана, коэффициент его заполнения и частота вращения, концентрация контрольного компонента и конструкция насадочного устройства. Теоретическое прогнозирование зависимости коэффициента от перечисленных факторов представляется чрезвычайно сложным в связи с отсутствием возможности аналитического описания эффектов сегрегации и перемешивания в технологическом потоке с неординарным характером сопряжения скатывающегося, поднимающегося и падающего слоев материала и неоднозначными динамическими условиями заполнения подъемных лопастей. Такая ситуация приводит к необходимости использования экспериментальных методов.
Поскольку объект исследования является многопараметрическим и характеризуется сложной физической сущностью протекающего в нем процесса, то для его исследования рекомендуется использовать методы математического планирования эксперимента. Математический аппарат, лежащий в основе этих методов, формализует деятельность исследователя, делает ее логически более упорядоченной, т.к. используется не только на стадии обработки экспериментальных результатов, но и в процессе подготовки и проведения эксперимента. За счет одновременного варьирования всеми параметрами, влияющими на процесс, по специальным правилам – алгоритмам и применения математически обоснованной процедуры организации эксперимента, достигается значительное сокращение числа опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью [81]. Методы позволяют получить экспериментально-статистическую модель объекта, которая содержит в себе информацию о влиянии отдельных факторов и их взаимодействий на целевую функцию в любой точке факторного пространства, что позволяет использовать ее для оптимизации объекта.
Для решения задачи прогнозирования коэффициента исчерпывания как функции диаметра барабана, коэффициента заполнения, частоты вращения и концентрации контрольного компонента в рамках настоящего исследования использован относительно простой и достаточно эффективный метод ортогонального планирования эксперимента (метод Бокса–Уилсона) [81]. Конструктивные параметры насадочного устройства выведены из числа определяющих факторов во избежание чрезмерного усложнения задачи. Такое решение представляется вполне обоснованным, если геометрические параметры насадки определить в соответствии с рекомендациями, разработанными для барабаных аппаратов [82]. Геометрические параметры лопастной насадки барабана, использованного в эксперименте, приведены на рисунке. 3.2.
В качестве модельного материала использована смесь гранул полипропилена (фракция +3,0–4,0 мм) с насыпной плотностью 605 кгм-3 и керамзита (фракция +4,0–5,0 мм) с насыпной плотностью 515 кгм-3. Выбор модельного материала обусловлен тем, что при таком сочетании свойств его частиц (крупных и менее плотных частиц керамзита с мелкими и более плотными частицами полипропилена) смесь приобретает высокую склонность к сегрегации. В качестве основного (базового) компонента смеси использованы гранулы полипропилена, а в качестве микрокомпонента смеси – гранулы керамзита.
С учетом традиционных режимов работы промышленных барабанных насадочных аппаратов (сушилок, грануляторов, смесителей и т.д.) [82-84] выбраны следующие интервалы варьирования факторами в эксперименте. Интервал варьирования коэффициентрм заполения барабана (фактор x1) выбран равным 0,16; 0,22. Интервал варьирования cкоростью вращения барабана (фактор x3), при выражении ее в значениях числа Фруда (Fr=w2R/g), был принят равным 0,04; 0,12.
С учетом технических возможностей экспериментальной установки диаметр барабана (фактор x4) варьировался: на уровнях 0,3 и 0,6 м. Технологически важным интервалом варьирования концентрацией контрольного компонента (фактор x2) были определены ее граничные значения 0,01 и 0,1 кг/кг.
Для упрощения процедуры статической обработки результатов эксперимента и сравнительной оценки влияния различных факторов на целевую функцию факторы подвергались операции кодирования. При этом в матрице планирования полного четырехфакторного эксперимента (таблица 3.1) знаки 0,–,+ – при факторах указывают на факт нахождения соответствующего фактора на основном, нижнем и верхнем уровнях интервала варьирования, соответственно. Согласно методу все факторы в ходе эксперемента варьируют на двух уровнях – верхнем и нижнем, соответствующих значениям кодированных переменных +1 и –1. Строки матрицы планирования определяют условия соответствующего опыта с указанием либо верхнего уровня фактора (+), либо нижнего (–).
В соответствии со сформулированными целью и задачами исследования разработана экспериментальная установка (рисунок 3.3), которая представляет собой плоскую модель (толщина 0,1 м) барабанного аппарата с барабаном, закрепленным консольно на горизонтальном валу. Вал связан с помощью ременной передачи с мотор – редуктором. Мотор – редуктор снабжен электродвигателем постоянного тока, что позволяет плавно регулировать частоту вращения барабана за счет управления характеристиками питающего электрического тока. Внутри барана установлена подъемная Г – образная лопастная насадка, геометрические параметры которой представлены на рисунке 3.2. Барабан укомплектован сменными обечайками различного диаметра, на которых закреплены подъемные лопасти, изготовленные в соответствии с принципом геометрического подобия. Торцевая стенка барабана прозрачная и снабжена технологическим люком для загрузки материала и отбора проб.
Примеры практического использования результатов работы
Результаты проведенного исследования позволяют предложить следующий алгоритм расчета технологических параметров барабанного смесителя непрерывного действия для приготовления смесей сыпучих материалов с высокой неоднородностью дозирования (порционным дозированием) отдельных компонентов. Расчет базируется на предложенной математической модели и учитывает результаты экспериментального и аналитического исследования (см. разделы (3.1) – (3.3)).
Алгоритм предполагает использование рабочего объема барабана в качестве критерия выбора конструктивных и режимных параметров смесителя. Выбор объема смесителя в качестве критерия целесообразности объясняется тем, что в первом приближении именно рабочий объем оборудования отвечает требованиям универсальности и полноты характеристики его технико-экономической эффективности [72, 84, 98].
На первом этапе реализации алгоритма технологического расчета определяют диаметр барабана, пользуясь, например, в качестве первого приближения рекомендациями по пропускной способности для барабанных сушилок [84]. Для определения высоты и числа подъемных лопастей целесообразно воспользоваться рекомендациями, приведенными в работе [82], в соответствии с которыми оптимальная высота лопасти составляет величину, равную 0,1 диаметра барабана.
Коэффициент заполнения и скорость вращения барабана должны быть определены в процессе решения комплексной задачи исследования коэффициента исчерпывания (3.5) контрольного компонента лопастями периферийной насадки на плоской модели барабанного аппарата. Методика исследования коэффициента исчерпывания как функции диаметра барабана, скорости его вращения и коэффициента заполнения, а также концентрации контрольного компонента методом математического планирования эксперимента приведена в разделе 3.2. Параллельно с коэффициентом исчерпывания определяют и величину коэффициента разделения, входящего в выражение (3.9), определяющее величину управляемого сегрегированного потока.
В случае многофункционального использования барабанного аппарата коэффициент заполнения и скорость вращения барабана могут быть определены в соответствии с рекомендациями для тепломассообменного устройства [84]. Исходя из условия необходимости обеспечения заполнения лопастей и максимального высвобождения свободного объема барабана для организации движения сегрегированных потоков минимальное значение коэффициента заполнения принимают [72] равным 0,1.
При известных величинах конструктивных и режимных параметров барабана становится возможным определить коэффициент квазидиффузионного перемешивания материала Ddif , например, с использованием расчетной зависимости, приведенной в работе [97], и вычислить среднее время задержки материала лопастями (3.7).
На следующем этапе расчета определяют длину l отклоняющих элементов насадки (рисунок 3.1), обеспечивающей обратное импульсное воздействие на сегрегированный поток компонента с высокой неоднородностью дозирования. При определении длины элементов минимальное ее значение ограничивают их пропускной способностью для наиболее крупных частиц смеси, а также с учетом рекомендаций по отношению искомой величины к длине ячейки идеального перемешивания, изложенных в работе [33].
На завершающем этапе расчета определяют величину суммарного импульса, который необходимо сообщить сегрегированному потоку, в направлении загрузки для достижения регламентной однородности смеси. Для этого с учетом показателей неоднородности загрузки контрольного компонента формулируют начальные условия (3.14) и после подстановки известных конструктивных, кинетических и режимных параметров в уравнение динамики процесса смешивания (3.1) решают его численным методом на ЭВМ (программа для расчета приведена в приложении Б). В результате решения определяют число отклоняющих элементов (длину барабана), необходимое для обеспечения требуемого качества смеси.
Вследствие сложной гидродинамики, существенной взаимной корреляции большого числа конструктивных параметров и кинетических характеристик, расчет оптимальной конструкции аппарата представляет собой весьма сложную многопараметрическую задачу, которая решена в работе [72] для случая организации процесса сепарации в барабанном аппарате с радиальными подъемными лопастями.
С учетом вышеизложенного в настоящей работе рекомендуется следующий алгоритм технологического расчета некоторой рациональной конструкции барабанного смесителя с обратным импульсным воздействием на сегрегированный поток компонента с высокой неоднородностью дозирования. 1. Определяют угол естественного откоса смеси, насыпную плотность смеси и ее компонентов [99, 100]. 2. Определяют диаметр барабана, размер и число подъемных лопастей на основе рекомендаций [82,84] для барабанного насадочного аппарата по удельным показателям его производительности и плотности завесы падающих частиц. 3. Методом математического планирования эксперимента определяют величину коэффициентов исчерпывания и разделения и соответствующие им значения скорости вращения и коэффициента заполнения барабана. 4. Вычисляют коэффициент квазидиффузионного перемешивания [97] и среднее время задержки материала лопастями (3.7). 5. Определяют длину отклоняющих элементов насадки l с учетом сыпучести материала, размера наиболее крупных частиц смеси и условной величины ячейки идеального перемешивания [33]. 6. На базе уравнения динамики процесса смешивания (3.1) при граничных условиях (3.2) определяют минимальное число отклоняющих элементов (длину барабана), обеспечивающее регламентную однородность смеси. 7. Проверяют пропускную способность барабанного аппарата при выбранных значениях геометрических и режимных параметров [72] и при необходимости увеличивают диаметр барабана по п. 2 с повторной реализацией алгоритма. 8. На базе уравнения динамики процесса смешивания (3.1) моделируют продольное распределение концентрации контрольного компонента в квазистационарной фазе процесса, с использованием которого вычисляют буферную массу контрольного компонента с высокой неоднородностью дозирования и его концентрацию в загрузочной части барабана (3.15). На основе полученных данных формулируют начальное условие для уравнения (3.1) в виде (3.14). 9. Проводят оценку динамических характеристик смесителя в нестационарной фазе процесса и при необходимости вносят коррекцию в начальное условие по п. 8.