Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса гидродинамики аппаратов для конвективной сушки зернистых материалов 10
Основные структурно-механические характеристики зернистых материалов 10
Анализ работы существующих аппаратов для конвективной сушки хлористого калия
Гидродинамика аппаратов для конвективной сушки зернистых материалов во взвешенном состоянии
Решение проблемы налипания хлористого калия в пневматических сушилках 38
Выводы к главе 1 41
ГЛАВА 2. Математическое моделирование камеры смешивания пневматической сушилки 43
Взаимодействие струй с однофазным поперечным потоком 43
Взаимодействие струй с двухфазным поперечным потоком теплоносителя Моделирование средствами вычислительной гидродинамики
Конструктивное оформление камер смешивания газовзвеси и
Уравнение движения частицы при взаимодействии с радиальной струёй 65
2.6 Изучение траектории частиц 71
Выводы к главе 2 74
ГЛАВА 3. Исследование гидродинамики взаимодействия радиальных струй с восходящими потоками газа и газовзвеси 76
3.1 Методика обработки результатов экспериментов 76
3.2 Исследование взаимодействия встречных тандемных струй с поперечным потоком газа в плоском канале 78
3.3 Исследование взаимодействия радиальных струй с аксиальным потоком газа в цилиндрическом канале 82
3.4 CFD-моделирование смешивания радиальных струй с аксиальным потоком газа 89
3.5 Исследование взаимодействия радиальных струй с восходящим потоком газовзвеси 92
3.6 Разработка методики расчёта камеры смешивания пневматической сушилки 97
Выводы к главе 3 100
ГЛАВА 4. Исследование адгезии хлористого калия 102
4.1 Методика исследования адгезии KCl 102
4.2 Анализ результатов исследования адгезии KCl 104
Выводы к главе 4 111
Заключение, основные выводы и рекомендации 113
Список обозначений и условных сокращений 115
Список литературы 119
Список иллюстративного материала 130
- Анализ работы существующих аппаратов для конвективной сушки хлористого калия
- Взаимодействие струй с двухфазным поперечным потоком теплоносителя Моделирование средствами вычислительной гидродинамики
- Исследование взаимодействия встречных тандемных струй с поперечным потоком газа в плоском канале
- Анализ результатов исследования адгезии KCl
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В производстве хлористого калия (KCl), являющегося основным видом калийных удобрений, используются конвективные сушилки различных типов. Учитывая их большую производительность, достигающую 100…150 т/ч и более, а также повышенную склонность материала к налипанию, большое значение для обеспечения надежности производства имеет стабильная работа сушильных аппаратов.
Налипание KCl на рабочие поверхности сушилок приводит к снижению их производительности и увеличению расхода топлива, а остановки для механической чистки связаны с длительными простоями и применением тяжелого ручного труда. Проблема налипания наиболее остро проявляется в пневматических трубах-сушилках, что сдерживает более широкое распространение этих наиболее простых и надежных аппаратов в калийной промышленности.
До настоящего времени проблему налипания в трубах-сушилках пытались решить лишь путем совершенствования отдельных узлов, не затрагивая принципиальных основ их работы. Несмотря на определенный положительный эффект, эти мероприятия не позволили полностью устранить данный недостаток.
Одной из причин сложившегося положения являются неблагоприятные гидродинамические условия в зоне смешивания высушиваемого материала и горячего теплоносителя. В этой зоне испаряется большая часть влаги, и именно здесь отмечается максимальный эффект налипания. Другим фактором является слабая изученность адгезионно-когезионных свойств KCl в условиях сушки.
Преодоление указанных трудностей возможно за счет ввода в поток газовзвеси радиальных струй теплоносителя, препятствующих контакту высушиваемых частиц с внутренними стенками пневмотрубы, а также поддержания определенных температурных условий, влияющих на адгезионные свойства KCl при взаимодействии с материалом стенок.
Цель работы: разработать конструкцию камеры смешивания пневматической сушилки, методику ее расчета и гидродинамический режим ввода струй теплоносителя, исключающий налипание частиц хлористого калия на внутренние поверхности аппарата.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– изучение характера распределения частиц материала в восходящем потоке газовзвеси при смешивании с радиальными газовыми струями;
– исследование гидравлических характеристик цилиндрического канала при круговом многорядном вводе радиальных газовых струй в восходящий аксиальный поток газа;
– выявление основных технологических факторов и конструктивных параметров, влияющих на характер взаимодействия смешиваемых потоков;
– исследование адгезионных свойств технического KCl в зависимости от температуры и природы материала субстрата;
– разработка рекомендаций по устранению налипания KCl на рабочие поверхности труб-сушилок, используемых в калийной промышленности;
– разработка методики инженерного расчета камеры смешивания пневматической сушилки.
Научная новизна. Разработана математическая модель взаимодействия частиц твердой фазы с радиальными газовыми струями, аналитическое решение которой позволяет рассчитать диаметр отверстий для ввода струй в камеру смешивания
и их скорость, необходимую для оттеснения частиц от внутренних стенок пнев-мотрубы на заданное расстояние.
Экспериментально исследован процесс многорядного ввода радиальных газовых струй в аксиальный поток газа и выявлены зависимости для определения гидравлического сопротивления перфорированного участка пневмотрубы и требуемого давления в газораспределителе. Установлено, что часть гидравлического сопротивления, связанная с движением аксиального потока, остается практически постоянной, а другая часть, вызванная скоростным напором струй, возрастает с увеличением площади «живого» сечения газораспределителя.
Впервые изучен процесс многорядного ввода радиальных газовых струй в восходящий поток газовзвеси. Получено уравнение, связывающее сопротивление, вызванное присутствием твердой фазы в потоке, с ее концентрацией на выходе из аппарата и скоростным напором радиальных струй.
Экспериментально изучено изменение удельного прилипания KCl в зависимости от температуры, которое соотнесено с различием скоростей испарения влаги и роста вторичных кристаллов соли, образующих межфазовые контакты. Найдены области температур, соответствующие максимальной интенсивности прилипания и ослаблению адгезионных свойств KCl. Показано, что удельное прилипание снижается при уменьшении поверхностной энергии субстратов.
Практическая значимость. Предложена методика инженерного расчета камеры смешивания пневматической сушилки. Разработаны конструкции пневматических сушилок для веществ со значительными адгезионными свойствами. Новизна аппаратов подтверждена тремя патентами РФ на изобретения (№ 2476792, 2525562, 2529763).
Материалы диссертационной работы используются в образовательном процессе в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при чтении лекций по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов специальности 24.08.01 и направления подготовки 15.03.02.
Выданы рекомендации по изменению конструкции и материала стенок промышленных труб-сушилок. Указанные рекомендации используются в качестве технических решений по устранению налипания KCl на внутренние поверхности сушилок ПАО «Уралкалий» (г. Березники, Пермский край).
Результаты исследований адгезии KCl используются в конструкторском бюро ООО «Уралкалий-Ремонт» (г. Березники, Пермский край) при проектировании оборудования для производства калийных удобрений.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены на 6 всероссийских и международных научных конференциях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 3 патента РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, 12 приложений и содержит 26 рисунков и 7 таблиц.
Анализ работы существующих аппаратов для конвективной сушки хлористого калия
Широкий спектр получаемых в промышленности материалов предопределил многообразие конструкций аппаратов, применяемых для их сушки. Проблема выбора оптимального режима сушки и рациональной конструкции сушильного аппарата особенно остро стоит в многотоннажных производствах, характеризующихся значительным расходом энергии. Режим сушки конкретного материала связан с его специфическими свойствами, которые накладывают ряд ограничений на допустимые температуры теплоносителя и материала, способ, гидродинамику и время их взаимодействия. Например, при сушке KCl требуется удалить лишь свободную влагу и влагу макрокапилляров (физико-механическую), но материал при этом склонен к комкованию и налипанию на рабочие поверхности аппаратов.
В производстве минерального сырья наибольшее распространение получили аппараты для конвективной сушки топочными газами: барабанные сушилки, пневматические трубы-сушилки и сушилки с псевдоожиженным (кипящим) слоем [25, c. 434; 46, c. 169; 62, c. 23]. Барабанные сушилки (БС) используются для сушки калийных удобрений, начиная 1954 года, сушилки кипящего слоя (КС) – с 1962 года, а пневматические трубы-сушилки (ТС) – с 1964 года [24, c. 69; 58, c. 10].
БС представляет собой цилиндрический барабан, к которому крепятся бандажи, установленные на опорные ролики. С торцов к барабану примыкают топка и разгрузочная камера. Барабан расположен под углом к горизонту до 6 (в сторону разгрузки) и вращается с частотой 1-8 об/мин за счёт электродвигателя, передающего вращение через зубчатый венец на корпусе. Внутри БС оборудована приёмно-винтовой насадкой, на которую подаётся высушиваемый материал, и основной насадкой, расположенной вдоль почти всей длины барабана, и служащей для равномерного распределения материала по сечению. Для крупных кусков и налипающих материалов применяют лопастную систему насадки, для сыпучих материалов – распределительную, для пылеобразующих материалов – перевалочную с закрытыми ячейками [66, c. 257].
Газы и материал наиболее часто движутся прямотоком, что помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы (с температурой 700 - 900 С) соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность. Это наряду с возможностью сушить материалы, содержащие куски размером до 250 мм, и материалы, не обладающие сыпучими свойствами, является главным преимуществом БС.
К недостаткам БС следует отнести довольно большие габариты и массу, повышенные потери тепла (как через корпус, так и с отработанным теплоносителем), а также значительное количество материала, постоянно находящееся в сушилке во время работы (до 25% рабочего объёма). Серьёзнейшим недостатком в работе БС является налипание влажного материала на внутренние устройства сушильного барабана, что существенно снижает эффективность их работы [62, c. 46]. В целях уменьшения налипания комкующихся и липких материалов в сушильных барабанах применяют различные конструкции цепных навесок, при помощи которых разрушаются комки и удаляются отложения со стенок барабана. Для этой же цели наружная обшивка барабана может снабжаться специальными ударными молотками, которые при вращении барабана периодически отходят от корпуса и ударяют по нему [30, c. 187; 62, c. 60].
БС характеризуются сравнительно низкой удельной производительностью [напряжение объёма по испарённой влаге не превышает 50 - 60 кг/(м3ч)] и значительным колебанием влагосодержания готового продукта, который, к тому же подвержен измельчению в барабане. В настоящее время применение этих аппаратов в калийной промышленности постепенно сокращается. Перечисленные недостатки послужили предпосылкой к разработке способа сушки калийных солей в кипящем слое. Результатом исследований, которые были начаты Ю.Я. Каганович с сотрудниками во Всесоюзном научно-исследовательском институте галургии (ВНИИГ), стал ввод в эксплуатацию установок КС для сушки KCl на Калушском (в 1962 г.) и Березниковском (в 1964 г.) калийных комбинатах [24, c. 55]. В ходе эксплуатации этих аппаратов, а также сушилок на других предприятиях были установлены оптимальные параметры технологического процесса при сушке KCl в кипящем слое: температура теплоносителя перед слоем, с точки зрения экономичности процесса сушки, поддерживается в пределах 650 - 750 С, температура в слое 130 ± 10 С, рабочая скорость газа в слое 4-5 м/с [23, c. 128; 24, c. 109; 36, c. 81; 46, c. 183; 58, c. 36].
Аппараты КС для сушки KCl представляют собой односекционные установки круглого или прямоугольного сечений, снабжённые газораспределительной решёткой, которая служит для удержания слоя высушиваемого материла и равномерного распределения топочных газов в слое. Влажный материал подаётся в сушилку с помощью питателя, расположенного над поверхностью слоя, высушенный продукт выводится через разгрузочное устройство на уровне решётки со стороны, противоположной загрузке.
Аппараты прямоугольного и квадратного сечений, применяемые для организации направленного движения потока высушиваемого материала, характеризуются большей вероятностью образования застойных зон, чем круглые. Аппараты системы Fluo-Solids (Dorr Oliver Со, США) и Flissbett (Andritz Group, Австрия) имеют постоянное по высоте поперечное сечение, что позволяет совместить процессы сушки и сепарации полидисперсных материалов. В аппаратах конструкции ВНИИГа, разработанных для предприятий «Уралкалий», и в сушилках конструкции «Белорускалий» поперечное сечение над слоем расширяется по высоте, благодаря чему унос мелких фракций снижен [46, c. 133; 53, c. 332].
Производительность сушилок КС значительно превышает производительность БС. Например, при сушке KCl в сушилках КС напряжение объёма по испарённой влаге в отдельных аппаратах, превышает 200 кг/(м3ч) [46]. Основные преимущества метода сушки в кипящем слое – низкое гидравлическое сопротивление при высокоразвитой поверхности контакта фаз, интенсивное выравнивание температуры и высокие коэффициенты внешней теплоотдачи [59, c. 207].
Достоинством сушилок КС при сушке KCl также является некоторая агломерация частиц и, как следствие, уменьшение доли мелких фракций в высушенном продукте (содержание фракции –0,1 мм снижается примерно в 2 раза). Однако агломерация при сушке в кипящем слое характерна не для всех материалов, например, сушка хлорида натрия сопровождается его измельчением [24, c. 71].
Авторы работы [46] отмечают, что преимущества установок кипящего слоя могут быть реализованы только при проведении процесса в условиях автоматического регулирования в узком оптимальном режиме (гидродинамическом и температурном). Отклонение от него приводит к завышению расхода топлива, заплав-лению отверстий и деформации газораспределительной решётки. Для сушилок КС также характерна неоднородность сушки, когда недосушенный материал из-за интенсивного перемешивания в слое может попасть в поток выгружаемого из аппарата продукта. С другой стороны, при сушке в кипящем слое неизбежен перегрев материала, что вызывает необходимость установки дополнительного оборудования для охлаждения продукта перед складированием. Недостатком сушилок КС является также значительная эрозия внутренних поверхностей аппарата.
Одним из наиболее существенных недостатков сушилок КС при сушке KCl является комкование материала. Оно проявляется в образовании внутри аппарата крупных спёкшихся комков, а также в налипании материала на газораспределительную решётку и стенки сушилки. Это приводит к нарушению стабильной работы аппарата и вынужденным остановкам продолжительностью до нескольких суток для полного охлаждения и очистки внутренней поверхности.
В калийной промышленности эти проблемы наблюдаются достаточно часто. Основной причиной налипания KCl при сушке в аппаратах всех типов является возрастание влажности поступающего на сушку материала выше 8-10 % из-за периодических колебаний технологического режима на предыдущих стадиях флотационного обогащения калийного сырья [50].
Взаимодействие струй с двухфазным поперечным потоком теплоносителя Моделирование средствами вычислительной гидродинамики
Взаимодействие двух направленных навстречу друг другу струй эквивалентно взаимодействию струи с противоположной стенкой канала [98, c. 128]. Это означает, что результаты исследований РСП могут быть применены к ВСП, когда плоскость симметрии между двумя встречными рядами струй соответствует положению противоположной стенки канала с одним рядом струй. Экспериментальное сравнение РСП и ВСП выполнено в работе [82]. Авторами установлено, что для одной и той же величины q оптимальное значение s/Нк для РСП в два раза больше, чем для ВСП с расположением отверстий друг напротив друга, и в два раза меньше, чем для ВСП с шахматным расположением. Шаг расположения как круглых, так и щелевых отверстий связан с оптимальными условиями смешивания уравнением (2.8). При расположении отверстий друг напротив друга С 1,25, а при шахматном расположении С 5 [82; 100].
В работе [85] выявлено, что при расположении отверстий друг против друга смешивание протекает более эффективно по сравнению с шахматным расположением. Шахматное расположение отверстий может быть эффективней лишь на расстояниях, превышающих 1,5Нк от места ввода струй, и при значениях q 64. В работе [89] также показано, что при оптимальном расположении отверстий друг напротив друга смешивание протекает значительно быстрее по сравнению как с оптимальным шахматным расположением, так и с оптимальным РСП.
В работе [100] выполнено сравнение круглых и щелевых отверстий в различных ориентациях (по отношению к направлению поперечного потока) и расположениях: шахматном и друг напротив друга. Установлено, что степень перемешивания для щелей и круглых отверстий при s/Нк 0,5 эквивалентна, но структура течения различна. Среди щелевых отверстий, ориентированных под 45 к направлению поперечного потока, наиболее эффективное смешивание достигается при их расположении друг напротив друга с поворотом в одну сторону [90].
F. Bazdidi Tehrani и H. Feizollahi [69] разработали числовую модель для определения глубины проникновения и характеристик смешивания ВСП. В их работе наглядно показано, что глубина проникновения струй в поперечный поток уменьшается с уменьшением шага между отверстиями. Однако снижается и вероятность проскока газа в зазорах между смежными струями. Важной особенностью истечения газа из близкорасположенных отверстий, как установили авторы работы [85] (в диапазоне изменения относительного шага струй s/dотв = 1,12 - 1,7), является отсутствие различий в характеристиках смешивания.
Ряд струй вдоль поперечного потока (СВП) При тандемном вводе струй в поперечный поток за счёт создаваемого первой струёй эффекта укрытия (sheltering effect), струи, расположенные в ряд следом за ней, взаимодействуют с более слабым течением. Они менее наклонены, по сравнению с первой, а их траектории одинаковы. Экспериментальные исследования [118] показали, что чем меньше относительный шаг между струями, тем значительнее уменьшается эффективная скорость набегающего на них поперечного потока. Для следующих за первой струй, расположенных с относительными шагами s/dотв = 2 - 15, в области отношения скоростей струи и потока = 4 - 15, уменьшение скорости поперечного потока в зазорах между струями может составлять от 30 до 70 %. Кроме того, в зазорах между струями происходит изменение направления течения – поперечный поток увлекается в направлении течения струй. Сложный характер течения в этой области затрудняет достоверное описание поля скоростей с помощью методов численного моделирования [97].
Y. Xiao с соавторами [117] при сравнении распространения единичной и тандемных струй в поперечном потоке при одинаковом значении отметили интересную особенность: траектория первой струи тандема расположена ниже траектории единичной струи. Это вызвано тем, что поток газа в зазоре между первой и второй струями тандема увлекается обеими струями, вызывая белее значительное падение давления, чем в случае ЕСП.
В работе [109] показано как угол атаки тандемных струй влияет на взаимодействие струй друг с другом и с поперечным потоком. A. Radhouane с соавторами получили вполне предсказуемые выводы о том, что увеличение угла атаки струй от 30 до 90 приводит к увеличению интенсивности перемешивания, и, наоборот, при уменьшении угла атаки струй они быстрее наклоняются и затуха 50 ют. Продолжая изучение СВП, в работе [108] A. Radhouane с соавторами рассмотрели влияние температуры струй на их взаимодействие с поперечным потоком. Они установили, что чем выше температурный градиент струй, тем глубже они проникают в поперечный поток, и тем быстрее выравнивается структура потока.
Круговое однорядное расположение струй в поперечном потоке (КОП) Относительный шаг отверстий при круговом их расположении может быть выбран, исходя из принципа равномерного распределения струй (без их преждевременного слияния) в поперечном потоке [2; 18; 19]. Однако в этом случае нет гарантии, что выбранная схема расположения отверстий будет наиболее эффективной с точки зрения получения однородной смеси на минимальном расстоянии от места ввода струй. Для устранения этого недостатка J.D. Holdeman предложил другой подход к организации смешивания струй в цилиндрических каналах, связанный с обеспечением оптимальных условий смешивания. Он показал, что число отверстий оказывает существенное влияние на смешивание и распределение компонентов в потоке [88]. Число отверстий, соответствующее оптимальной глубине проникновения струй при заданном q, рассчитывается по формуле [83; 84; 107]:
Работа смесителя в режиме недостаточного или чрезмерного проникновения струй связана с получением менее однородной смеси. В первом случае струи не взаимодействуют с основным потоком газа в центральной области аппарата, во втором может происходить проскок основного потока вдоль стенок. По данным M.S. Hatch [95, c. 12], столкновение струй в центральной области аппарата приводит к ухудшению смешивания. С другой стороны, в работе [96] показано, что высокая однородность смеси может быть достигнута на небольшом расстоянии от места ввода струй (в пределах одного диаметра аппарата) при условии их сильного взаимодействия, то есть при отношении глубины проникновения струй к диа 51 метру аппарата h/D 1
Исследование взаимодействия встречных тандемных струй с поперечным потоком газа в плоском канале
Этот этап исследований проводился с целью установления связи между гидравлическим сопротивлением аппарата и основными технологическими параметрами процесса при вводе радиальных струй в восходящий поток газовзвеси. В ходе экспериментов изучали влияние скоростей восходящего аксиального потока и струй, а также массовой концентрации твёрдой фазы.
Установка работала следующим образом. Атмосферный воздух с температурой 23,5 ± 1 С вводили в нижнюю секцию ПС воздуходувкой 2, оснащённой векторным преобразователем частоты тока Овен ПЧВ, обеспечивающим регулирование расхода. Сюда же с помощью шнекового питателя 5 из бункеров б, 7 подавали исходный зернистый продукт.
Бункеры были сконструированы таким образом, чтобы реализовать двухуровневую подачу материала, при которой в нижнем бункере уровень материала оставался практически постоянным и не зависел от количества материала в верхнем бункере. Такая конструкция позволила не только герметизировать загрузочное устройство, но и за счёт постоянного давления материала на шнек питателя в ходе всего эксперимента обеспечить максимальную равномерность подачи материала.
В качестве зернистого материала в экспериментах использовали отсеянный речной песок фракции (-0,4+0,2) мм. Плотность материала (рт), определённая пикнометрическим методом составляла 2638,3 кг/м3.
Материал, подхватываемый в пневмотрубе восходящим потоком воздуха, транспортировался из нижней секции аппарата в среднюю (параметр Fвх/Fвых равнялся 0,336). Также в среднюю секцию через улиткообразный газораспределитель центробежным вентилятором подавался атмосферный воздух с температурой 23,5 ± 1 С, имитирующий поток теплоносителя. На входе в газораспределитель был установлен переход, выполненный в виде диффузора с углом расширения, обеспечивающим безотрывное течение воздуха. Для выравнивания профиля скорости потока перед диффузором во фланцевом соединении была установлена воздухораспределительная сетка. Из газораспределителя воздух поступал внутрь камеры смешивания через отверстия диаметром 2 мм. Отношение Fотв/Fвых составляло 0,686 при = 2,94 и = 3,02.
После камеры смешивания газовзвесь проходила верхнюю секцию аппарата и затем поступала в сепарационную камеру для разделения потоков зернистого материала и воздуха. В течение эксперимента материал накапливался в бункерах сепарационной камеры, а отработанный воздух после двухступенчатой очистки в циклонах 9 и скруббере Вентури 10 при помощи вакуум-насоса 11 выбрасывался в атмосферу. Скорость витания частиц наибольшего размера, рассчитанная при помощи зависимости (1.23), равнялась 3,5 м/с. С целью исключения возможности осаждения таких частиц при пневмотранспорте сухого материала вполне достаточно принимать скорость потока с двукратным превышением. Для влажных частиц значение коэффициента запаса скорости потока () должно быть несколько выше. Таким образом, коэффициент принимали в пределах 2-3. С учётом этого скорость восходящего потока vвх составляла 6,9 - 11,1 м/с, а скорость радиальных струй vс – 6,3 - 11,2 м/с. В выходном канале камеры при соблюдении этих условий также обеспечивался режим устойчивого пневмотранспорта.
Опыты проводились в следующем порядке. После загрузки в бункер зернистого материала запускали в работу тягоду-тьевое оборудование – воздуходувку, вакуум-насос и центробежный вентилятор. Устанавливали заданный расход воздуха и величину разрежения после камеры смешивания рвыхст на уровне (-200...-300) Па. Это соответствует разрежению, поддерживаемому над решёткой в промышленных сушилках кипящего слоя для KCl. Расход воздуха измеряли вихревыми расходомерами ЭМИС-ВИХРЬ 200 с погрешностью не более ± 1
Затем включали видеокамеру и питатель. Дождавшись поступления материала в сепарационную камеру, включали дифференциальный манометр и начинали измерение среднего перепада статического давления до и после камеры смешивания при наличии зернистого материала в потоке (ртст). После опорожнения верхнего бункера измерение давления останавливали и выключали питатель.
Материал выгружали из сепарационной камеры установки и взвешивали на весах SF-400 с погрешностью не более ± 1 г. После анализа видеозаписи процесса, проводимой со скоростью 30 кадров в секунду, находили время подачи материала, а затем рассчитывали его массовый расход. Как и следовало ожидать, перепад статического давления в присутствии дисперсного материала, а соответственно и гидравлическое сопротивление, возрастают. Фактический перепад полного давления между точками 1 и 2 рассчитывали по выражению:
Значения 5( p гв) не превышают 5 % (см. Приложение К). Средняя ошибка аппроксимации для уравнения (3.11) составила д = 2,4 %, а индекс множественной корреляции R = 0,9967. Это свидетельствует о том, что полученная аппроксимирующая зависимость достаточно точно воспроизводит экспериментальные данные. Уравнение (3.12) показывает, что при взаимодействии радиальных газовых струй с восходящим аксиальным потоком газовзвеси гидравлическое сопротивление, обусловленное наличием частиц твёрдой фазы в потоке (pт), зависит от совместного действия двух факторов – скоростного напора струй и массовой концентрации зернистого материала в выходном канале аппарата (т). С увеличением т и особенно vс гидравлическое сопротивление возрастает.
При движении газовзвеси через установку в осевой части пневмотрубы отчётливо прослеживается область повышенной концентрации (см. рисунок 3.12), ограниченная штриховой линией. В пределах этой области находится основная масса твёрдой фазы. В периферических областях выходного канала и камеры смешивания частицы материала практически отсутствуют, даже несмотря на сравнительно низкую скорость струй, отложения частиц на участке соединения нижней и средней секций не образуются.
Такое распределение частиц подтверждает возможность формирования в периферической области пневмотрубы кольцевого газового барьера, который препятствует контакту частиц со стенками.
Снижение скорости на границе ядра потока, как показывает рисунок 3.9, должно приводить к некоторому торможению частиц в камере смешивания. В ПС этот эффект, очевидно, будет способствовать увеличению времени пребывания частиц в зоне сушки и интенсификации внешнего тепломассообмена. Устойчивый пневмотранспорт твёрдых частиц, наблюдаемый на начальном участке камеры смешивания (см. рисунок 3.12), обеспечивается именно благодаря небольшой разнице между скоростями газа на оси и на границе ядра.
По мере продвижения газовзвеси вверх скорость потока в пневмотрубе повышается, частицы материала ускоряются, и их концентрация уменьшается. В выходном канале (см. рисунок 3.12 слева) частицы концентрируются лишь в осевой области пневмотрубы и в дальнейшем распределяются в потоке равномерно. Для опыта, представленного на рисунке 3.12 справа, за счёт более высоких скоростей и расходов газа концентрация твёрдой фазы меньше, поэтому существенной агрегации частиц не наблюдается.
Анализ результатов исследования адгезии KCl
При атмосферном давлении температура кипения насыщенного раствора чистого KCl составляет 108,59 С, а раствора NaCl – равна 108,66 С [61]. Для раствора эвтонического состава, который образуется при увлажнении образца технического KCl, температура кипения, по нашим данным, составляет 111,5 С.
По мере дальнейшего нагрева интенсивность испарения влаги из кипящего раствора резко возрастает. Это приводит к разрыхлению кристаллизационных мостиков выделяющейся паровой фазой. Кроме того, скорость зародышеобразова-ния начинает превалировать над скоростью роста вторичных кристаллов. По этой причине размер образующихся кристаллов становится меньше, и прочность фазовых контактов снижается. В результате величина удельного прилипания уменьшается, и при 140 С оно практически исчезает.
Если температура поверхности значительно превышает температуру кипения раствора, то при контакте из-за своеобразного паровзрывного эффекта происходит разрушение кристаллов выделяющейся паровой фазой. Для подтверждения этого предположения были проведены специальные опыты (рисунок 4.3).
В центр полированного цилиндра из стали Ст3 массой 30,3 г и диаметром 20 мм наносили каплю насыщенного раствора KCl массой 0,07 г. Затем цилиндр переворачивали и устанавливали каплей на предварительно нагретую до определённой температуры полированную поверхность пластины из стали Ст3.
Опыты показали, что при температуре 140 С (см. рисунок 4.3 а) в месте контакта образовывалось небольшое количество кристаллов, то есть раствор сначала заполнял плоскость контакта и только затем начинал испаряться.
При температуре 200 С (см. рисунок 4.3 б) кристаллическое вещество сразу после соприкосновения с пластиной выбрасывалось из центра цилиндра на периферию выделяющейся паровой фазой.
Адгезия цилиндра к пластине в этом эксперименте также не проявлялась при температуре выше 140 С, но причины этого явления различны. Если при температуре 140 С это объясняется тем, что прочность мелких рыхлых кристаллов оказалась недостаточной для удержания цилиндра прилипшим к поверхности, то при температуре 200 С – тем, что кристаллические фазовые контакты между поверхностями цилиндра и пластины вообще не успевали сформироваться.
При взаимодействии образцов технического KCl со шлифованными пластинами из стали Ст3 экстремальная зависимость адгезии от температуры, в общем, сохраняется. Максимум удельного прилипания также находится в области температуры кипения насыщенного эвтонического раствора, но по величине оно становятся гораздо меньше (см. рисунок 4.4).
При увеличении шероховатости более чем в 5 раз интенсивность прилипания KCl снижается в 4-5 раз. Такая ситуация однозначно связана с уменьшением эффективной площади контакта поверхностей образца KCl и пластины, поскольку соприкосновение твёрдых тел всегда происходит лишь в отдельных точках.
Это подтверждается тем, что количество кристаллов, образующихся в месте контакта образца и пластины, при той же температуре становится заметно меньше (Приложение Л). По этой же причине наблюдалось снижение удельного прилипания при использовании в экспериментах при той же температуре соли более крупной фракции (+0,1 –0,16) мм, по сравнению с фракцией –0,1мм.
Для стали марки 12Х18Н10Т, по сравнению со сталью Ст3, интенсивность прилипания KCl на пластинах с полированной поверхностью снижается почти в 10 раз (рисунок 4.5).
Структура отпечатков на поверхности образца KCl и пластины после отрыва аналогична отпечаткам на пластинах из стали Ст3 за исключением отсутствия следов коррозии (Приложение Л). Максимум удельного прилипания также находится в области температуры кипения насыщенного раствора эвтонического состава.
Для шлифованных и необработанных пластин из стали 12Х18Н10Т из-за уменьшения эффективной площади контакта поверхностей адгезия отсутствовала во всём исследованном температурном интервале. Лишь в отдельных опытах наблюдалось прилипание образцов KCl, но величина удельного прилипания составляла менее 0,6 кН/м2.
Зависимость удельного прилипания образца KCl от температуры (пластина - 12Х18Н10Т, Ra 0,033 мкм) Для пластин из титанового сплава и фторопласта-4 в диапазоне температур от 45 до 200 С адгезия KCl не проявлялась.
Интенсивность прилипания KCl к поверхности различных материалов можно соотнести с их поверхностной энергией (или поверхностным натяжением). Если на поверхность твёрдого тела нанести каплю жидкости, то его поверхностная энергия, согласно закону Юнга, стремясь уменьшиться, будет растягивать каплю. Подобная ситуация наблюдается и при нанесении на поверхность исследуемого субстрата увлажнённого образца KCl. То есть поверхностная энергия субстрата влияет на эффективность перемещения молекул раствора эвтонического состава к поверхности субстрата в местах контакта.
Наибольшей поверхностной энергией среди исследованных материалов обладает углеродистая сталь Ст3, так как поверхностная энергия её основного компонента – железа составляет 2558 мДж/м2. Поверхностная энергия легированной стали 12Х18Н10Т меньше, чем углеродистой, поскольку помимо железа она содержит 18 % хрома с поверхностной энергией 1854 мДж/м2, 10 % никеля с поверхностной энергией 2297 мДж/м2 и до 1,5 % титана с поверхностной энергией 1546 мДж/м2 [15]. Наименьшей поверхностной энергией (19 мДж/м2) обладает фторопласт-4 [16]. Таким образом, снижение интенсивности прилипания образцов KCl к поверхности субстратов в ряду: Ст3, 12Х18Н10Т, ВТ 1-0, фторопласт-4 вызвано, по нашему мнению, уменьшением поверхностной энергии этих материалов.