Введение к работе
Актуальность работы. В химической технологии, различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве многие гидромеханические и тепломассообменные процессы переработки сыпучих материалов, а также вспомогательные технологические операции протекают в режиме сдвигового течения. Такие течения сопровождаются активным взаимодействием частиц, вследствие которого проявляются технологически значимые эффекты перемешивания и разделения. Данные эффекты не только существенно влияют на кинетику технологических процессов, но и часто используются в качестве базовых для организации технологических процессов смешивания, классификации, гранулирования. Однако способов прогнозирования структурно-кинематических характеристик и методов экспериментального их определения для многих практически значимых случаев организации сдвиговых, и, в первую очередь, быстрых сдвиговых, течений явно недостаточно.
Вследствие сложности и многообразия физических механизмов взаимодействия частиц и форм взаимного их сопряжения разработка общих теоретических основ процессов разделения и смешивания частиц затруднена. В связи с этим большое значение приобретает изучение эффектов взаимодействия частиц для наиболее общих и значимых форм их взаимных перемещений. Исследования, проведенные ранее на кафедре «Технологическое оборудование и прогрессивные технологии» ТГТУ, во многом прояснили представление о кинетике и движущих силах процессов смешивания и разделения частиц в быстрых сдвиговых потоках зернистых материалов.
В диссертационной работе проведены исследования, направленные на разработку методов прогнозирования и техники измерения структурных и кинематических характеристик сдвиговых течений зернистых сред, а также теоретических основ процессов смешивания и сегрегации при сдвиговых деформациях зернистой среды, протекающих при умеренных скоростях сдвига.
Анализ поставленных в работе задач подтверждает их актуальность, поскольку в результате их решения расширятся возможности экспериментального и аналитического определения параметров сдвиговых течений зернистых материалов, будет разработано математическое описание эффектов взаимодействия частиц в условиях, характерных для многих технологических процессов и природных явлений. В результате этого появится теоретическая основа для разработки рекомендаций по организации гидромеханических и тепломассообменных процессов в зернистых средах.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом АН СССР по направлению ТОХТ код 2.27.1.4.14 1980 – 1990 гг., НТП «Научные исследования высшей школы в области химической технологии» и «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» по разделу «Высокие технологии межотраслевого применения» 2001 – 2005 гг.
Целью работы является развитие экспериментальных и теоретических методов исследования течений зернистых сред в режиме сдвиговых деформаций, теоретических основ процессов разделения и смешивания неоднородных частиц в такого рода течениях и их применение для организации тепломассообменных и гидромеханических процессов в химической и других отраслях промышленности.
Научная новизна.
Разработаны теоретические основы процессов разделения и смешивания частиц при сдвиговых деформациях зернистых материалов, необходимые для прогнозирования кинетики названных процессов в зависимости от комплекса структурно-кинематических характеристик потока и физико-механических свойств частиц, а также комплекс методов и техника исследования эффектов взаимодействия частиц, и выявлены их закономерности при следующих основных результатах:
- получено уравнение состояния зернистой среды при быстром сдвиге, позволившее уточнить взаимосвязь между давлением, дилатансией и «температурой» зернистой среды (энергией взаимных перемещений частиц) за счет учета диссипации энергии и поперечного массопереноса;
- впервые предложено уравнение кинетики сегрегации при сдвиговой деформации зернистой среды, позволяющее проводить анализ влияния структурно-кинематических параметров сдвигового потока и свойств частиц на кинетические характеристики процесса с позиции общекинетических закономерностей процессов химических технологий;
- впервые предложена расчетная зависимость для прогнозирования коэффициента квазидиффузионного перемешивания частиц при сдвиговых деформациях зернистой среды в зависимости от размера частиц и характеристик течения;
- разработаны методика и экспериментальная установка (конвейерная сдвиговая ячейка) (патент РФ 2329930) для исследования эффектов взаимодействия частиц и их математическое описание, которые позволяют проводить научно обоснованную оценку склонности к сегрегации зернистых материалов при их сдвиговых деформациях через соотношение относительных скоростей движения неоднородных частиц в направлениях сегрегирования и сдвига;
- предложен метод экспериментального определения коэффициента сегрегации, который в совокупности с разработанным математическим описанием кинетики смешивания и сегрегации частиц при их сдвиговых деформациях впервые позволяет детерминировано учесть названные эффекты в технологических процессах и оборудовании для переработки зернистых материалов;
- разработана математическая модель процесса многоступенчатой классификации зернистых материалов на каскаде гравитационных скатов, которая позволяет прогнозировать динамику разделения компонентов смеси в зависимости от основных конструктивных и эксплуатационных параметров аппарата;
- разработан способ определения высоты слоя частиц при быстром гравитационном течении их на скате (патент 2251665), основанный на учете взаимосвязи между распределением материала по высоте слоя на пороге ссыпания и его распределением по ячейкам горизонтальной кюветы и позволяющий исключить субъективные погрешности при определении названного параметра;
- предложен метод рентгенографического исследования профилей порозности и скорости в гравитационном потоке зернистого материала, обеспечивающий достижение необходимой разрешающей способности за счет применения единой рентгенограммы потока и контрольных образцов, а также компьютерной обработки рентгенограмм. Методом рентгенографического исследования подтверждены высокие прогностические свойства экспериментально-аналитического метода определения профилей скорости и порозности в гравитационном потоке зернистых материалов;
- в результате исследования гидромеханики движения частиц материала в барабанных аппаратах с подъемными лопастями впервые обнаружен и объяснен эффект разделения частиц по размеру и плотности в поперечном сечении падающего слоя завесы;
- проведено исследование влияния граничных условий на скате на параметры состояния зернистой среды при быстром гравитационном течении несвязных неэластичных частиц. Установлено, что первостепенное влияние на взаимосвязь между дилатансией и «температурой» зернистой среды оказывает степень шероховатости подложки.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики сдвиговых течений зернистых сред и наблюдаемых при этом эффектов взаимодействия частиц стали базой для организации тепломассообменных и гидромеханических процессов переработки сыпучих материалов, что позволило решить ряд практических промышленно значимых задач.
На основе анализа уравнения состояния зернистой среды при быстром сдвиге разработан способ интенсификации процессов гравитационной сепарации и смешивания путем изменения «температуры» дисперсной среды за счет воздействия на скорость сдвига и дилатансию.
Разработаны и запатентованы методы прогнозирования и техника измерения структурных и кинематических характеристик сдвиговых течений зернистых сред (патенты 2251665 и 2329930).
Обнаружен и исследован эффект разделения гранул по размеру, наблюдаемый в завесе падающих частиц, образуемой подъемными лопастями вращающегося барабана. На его основе разработан (а. с. СССР 1169723 и 1261703) и внедрен на Уваровском химическом заводе способ регулирования гранулометрического состава продукта и повышения производительности барабанного гранулятора-сушилки. Получен экономический эффект 772,6 тыс. р. (в ценах 1991 г.).
Разработаны технология и оборудование каскадной гравитационной классификации зернистых материалов с противотоком неоднородных частиц (патент 2233715), позволяющие многократно усилить эффект разделения частиц по размеру и плотности при быстром сдвиговом течении зернистой среды. По результатам опытных испытаний классификатор принят к внедрению в ОАО «Маслобойный завод «Инжавинский». Планируемый экономический эффект составляет 277,4 тыс.р.
Правовая защищенность разработок обеспечивается пятью авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения.
Предложенные в работе зависимость для расчета кинетики и метод определения кинетических характеристик сегрегации приняты к использованию АО НИИхимполимер, ОАО «Корпорация Росхимзащита» и ГНУ ВИИТиН при разработке смесителей, сепараторов, емкостного и транспортирующего оборудования для сыпучих материалов и оценке их склонности к сегрегации.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на I – XIV научных конференциях, проводимых в Тамбовском государственном техническом университете в 1996 – 2007 гг., на Международной научной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (г. Тамбов, 2002 г.; г. Ростов-на-Дону, 2003 г.; г. Кострома, 2004 г.; г. Казань, 2005 г.; г. Воронеж, 2006 г.; г. Ярославль, 2007 г.), на XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2004 г.), на II международной научной конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 2004 г.), на I и II международных научно-практических конференциях (г. Санкт-Петербург, 2005 и 2006 гг.), на IV Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (г. Киев, 2005 г.), на Международной школе-семинаре молодых ученых «Проблемы экономики и менеджмента качества» (г. Тамбов, 2006 г.), на Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (г. Одесса, 2007 г.), на Международном форуме по химическому машиностроению (CHISA – 90, г. Прага, Чехия), по переработке зернистых материалов (г. Иерусалим, Израиль, 2000 г.), Всемирном конгрессе по технологии дисперсных материалов WCPT-4 (г. Сидней, Австралия, 2002 г.), на 4-м Европейском конгрессе по химической инженерии (Гранада, Испания, 2003 г.), на 7-м Всемирном конгрессе по химической инженерии (г. Глазго, Ирландия, 2005 г.), на 6-м Европейском конгрессе по химической инженерии (г. Копенгаген, Дания, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 работы, в том числе монография и 5 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, разработке методик эксперимента, непосредственном участии в получении, анализе и обобщении результатов.
Структура и объем работы. Работа изложена на 303 страницах основного текста, состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения, содержит 6 таблиц, 97 рисунков. Список цитируемой литературы включает 221 наименование работ отечественных и зарубежных авторов.
