Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ,
ДИСПЕРГИРОВАНИЯ, МЕХАНОАКТИВАЦИИ И
СОВМЕЩЕННЫХ ПРОЦЕСОВ 30
Моделирование кинетики диспергирования 30
Математическое описание механоактивации и
диссипативных процессов 37
Описание и расчет совмещенных процессов 44
Постановка задачи исследования 47
2. ОБОБЩЕННЫЕ СТОХАСТИЧЕСКИЕ ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕН
ЦИАЛЬНЫЕ, ДИСКРЕТНЫЕ И МАТРИЧНЫЕ МАРКОВСКИЕ
МОДЕЛИ КИНЕТИКИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ 48
Общие положения 48
Вывод стохастического интегродифференциального уравнения кинетики диспергирования и его анализ 50
Дискретные модели кинетики диспергирования 57
Матричные (цепные) марковские уравнения кинетики диспергирования 68
Анализ дискретных моделей кинетики диспергирования 75
Идентификация параметров дискретных моделей
кинетики диспергирования 82
2.7. Выводы по главе 84
3. ОБОБЩЕННЫЕ СТОХАСТИЧЕСКИЕ ДИФФУЗИОННЫЕ
И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ КИНЕТИКИ
ДИСПЕРГИРОВАНИЯ 87
Общие положения 87
Вывод стохастической диффузионной модели кинетики диспергирования 89
Анализ стохастического дифференциального уравнения
кинетики диспергирования 99
3.4. Математическое описание процесса диспергирования
с помощью стохастической модели линейного
формирующего фильтра 104
Классификация моделей кинетики диспергирования 108
Выводы по главе 111
4. ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ МЕХАНОАКТИВАЦИИ
И ДИССИПАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ 114
Общие положения 114
Стохастические интегродифференциальные и дифференциальные модели кинетики механодеструкции
высокомолекулярных систем 116
4.3. Стохастическое моделирование кинетики механодеструкции
с помощью информационно- энтропийного подхода 122
4.4. Стохастические модели релаксационных процессов
в механически активированных дисперсных системах 125
4.5. Математическое описание процесса накопления- диссипации
энергии при ударном нагружении 128
Стохастическая модель кинетики механорасщепления зерен полисахаридов 133
Стохастические модели механоструктурных превращений 137
4.8. Выводе по главе 140
5.МОДЕЛИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА С ВНУТРЕННИМИ
ИМПУЛЬСНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛОТЫ 142
Общие положения 142
Модель теплопроводности частицы дисперсного материала при граничных условиях третьего рода, неравномерных начальных условиях и с учетом действия внутренних импульсных источников теплоты порожденных механическим нагружением и потоком лучистой энергии 144
5.3.Модель теплопереноса в частице при граничных условиях
третьего рода, с равномерным начальным распределением в ней
температур и с учетом действия внутренних импульсных
источников теплоты, создаваемых механическим нагружением.
Системно-структурный анализ решения 156
5.4. Системно-структурный анализ радиационно-конвективного
прогрева сферической частицы в потоке газа
переменной температуры 162
Методология идентификация коэффициента теплоотдачи 166
Модель теплопроводности частицы дисперсного материала
с перемещающейся границей и с учетом действия внутренних
импульсных источников теплоты 172
5.7. Обобщенное математическое описание совмещенных
процессов термообработки дисперсных систем на примере
измельчения- активации- сублимации 196
5.8. Выводы по главе 200
6. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ-
МЕХАНОАКТИВАЦИИ-СУБЛИМАЦИИ) 202
Общие положения 202
Описание экспериментальной установки для исследования диспергирования, механоактивации и совмещенных процессов термообработки дисперсных систем.
Методики проведения исследований 204
Описание объектов исследования 207
Исследование совмещенного процесса измельчения - активации
- сублимации 211
Проверка адекватности обобщенного математического описания совмещенного процесса измельчения- активации- сублимации 218
Инженерный метод расчета комбинированного аппарата 230
Выводы по главе 241
7. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
РЕШЕНИЯ. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 243
Общие положения 243
Разработка энергоресурсосберегающей безотходной химико-технологической системы парофазного крашения текстильных материалов 244
Модернизация технологической линии для получения натрий-карбоксиметилцеллюлозы и карбоксиметилкрахмала 254
Разработка ударно-центробежной мельницы для получения порошкообразной бериллиевой бронзы 260
7.5. Энергоресурсосберегающая технология получения
загусток из крахмала, совмещенная с его механохимическои
модификацией 263
7.6. Механоимпульсная технология получения фосфоритной муки
из бедных фосфатных руд и оборудование для ее реализации 269
Энергоресурсосберегающая термомеханическая технология приготовления шлихты из крахмала 276
Энергоресурсосберегающая технология получения загусток
из активированной карбоксиметилцеллюлозы 283
7.9. Выводы по главе 288
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 291
ЛИТЕРАТУРА 296
ПРИЛОЖЕНИЯ 326
Введение к работе
Процессы диспергирования широко распространены в самых различных отраслях промышленности: химической, минеральных удобрений, пищевой, нефте- и газодобывающей, микробиологической, текстильной и Других.
Диспергирование является основным процессом в технологии получения многих продуктов, выпускаемых в свободно-дисперсном состоянии: порошков, суспензий, паст, эмульсий и т.п. Оно занимает ведущее место в производстве минерального сырья, так как с его помощью, вскрывая целевое вещество, заключенное в породе, увеличивают поверхность контакта дисперсной и дисперсионной фаз и, тем самым, интенсифицируют последующие технологические процессы.
В настоящее время процессы диспергирования все более широко применяют в технологиях переработки и утилизации, как промышленных, так и бытовых отходов. С их помощью производят высококачественные композиционные материалы. В химической отрасли индустрии процессы диспергирования играют особо важную роль. Занимая первую ступень в иерархической структуре самых различных производств, процесс диспергирования многократно увеличивая поверхность контакта взаимодействующих фаз, определяет скорость протекания последующих тепло- и массообменных, а также химических процессов. В настоящее время сфера использования процессов диспергирования неуклонно расширяется. Целый ряд исследований, выполненный в последние года показал, что одним из наиболее перспективных направлений интенсификации многих процессов, осуществляемых в гетерогенных средах, является их совмещение в одном аппарате с диспергированием частиц дисперсной фазы. Совмещение процессов диспергирования с другими гетерогенными процессами существенно упрощает технологию производства, резко снижает энерго- и
материалоемкость оборудования, способствует улучшению показателей качества производимых продуктов. При этом удается решить еще одну важную проблему, - повышения эффективности измельчителей, ибо , как известно, коэффициент их полезного действия чрезвычайно низок. Комплексное теоретическое и экспериментальное изучение процессов диспергирования, проводимых в современных высокоэнергонапряженных мельницах, показало, что на процесс диспергирования расходуется лишь незначительная часть энергии подводимой к обрабатываемой дисперсной системе. Большая ее часть превращается в теплоту, а другая, меньшая часть, усваивается веществом частиц дисперсной (а иногда и дисперсионной) фазы в виде разнообразных дефектов структуры, расходуется на элементарные (релаксационные) процессы и химические превращения. В результате протекания в веществе частиц дисперсной фазы целой гаммы элементарных процессов (физических, физико-химических) существенно изменяются свойства и реакционная способность системы.
Целенаправленное совместное использование теплоты, выделяемой при деформациях дисперсной и дисперсионной фаз, энергии, усвоенной веществом, и явления многократного увеличения удельной поверхности дисперсной фазы вследствие диспергирования, позволяет выйти на новый еще более высокий уровень интенсификации технологических процессов, открывает новые возможности для синтеза энергоресурсосберегающих технологий и систем.
Несмотря на известные успехи в развитии теории и практики диспергирования и механоактивации (главным образом гетерогенных систем твердое тело - газ, т.е. порошкообразных или, иначе сыпучих материалов), теоретические основы данных процессов разработаны явно недостаточно. Анализ исследований проведенных в последние годы показывает, что фундаментом для создания теоретических основ процессов диспергирования и механоактивации являются, преимущественно детерминистические,
представления механики гетерогенных сред и феноменологической термодинамики необратимых процессов.
В развитие детерминистической теории процессов диспергирования и механоактивации особенно большой вклад внесли отечественные научные школы В.В. Кафарова и И.Н. Дорохова /1-8/, В.Н. Блиничева /9-13/, В.Е. Мизонова /14-28/, В.В. Болдырева /29-33/ и др. Особо следует выделить большую роль в развитии теории диспергирования научной школы, основанной В.В. Кафаровым. Им, совместно с И.Н. Дороховым и др. впервые была развита методология системного анализа процессов диспергирования, сформулированы общие подходы к формализации и математическому описанию этих процессов. Анализируя нынешнее состояние проблем теории диспергирования и механоактивации необходимо отметить, что главное место среди методов конструирования моделей кинетики диспергирования все еще продолжают занимать балансовые методы. Это связано с тем, что модели создаваемые на базе механики гетерогенных сред сложны и неудобны в обращении.
Учитывая статистическую природу гетерогенных систем, а также вероятностный характер процессов нагружения частиц дисперсной фазы в современных аппаратах, следует дополнить детерминистическую теорию стохастической. Фундамент стохастической теории процессов диспергирования заложен также в работах отечественных ученых Е.А. Непомнящего /34-38/, А.А. Александровского, и Ф.Г. Ахмадиева /39-40/, А.И. Зайцева и Д.О. Бытева /41-43/ и др. Применение методов стохастических марковских процессов и неравновесной статистической механики позволяет разрабатывать содержательные модели кинетики диспергирования, адекватно описывающие физику процессов в аппаратах с различными способами подвода энергии к обрабатываемым системам. Очевидно, используя эти модели можно создавать более надежные и эффективные
методы расчета нового оборудования для диспергирования, активации и совмещенных процессов.
Отметим также, что необходимость дальнейшего развития теоретических основ процессов диспергирования и механоактивации гетерогенных систем продиктована бурным развитием компьютерных технологий. Компьютерные технологии открывают новые возможности для создания автоматизированных систем расчета и оптимального проектирования оборудования для осуществления названных выше процессов. Для разработки и внедрения компьютерных технологий необходимо сформировать банк простых и удобных в практических расчетах моделей кинетики диспергирования и механоактивации, построенных на единой методологической основе. К числу достоинств, которыми обладает стохастический подход к конструированию моделей диспергирования и механоактивации, а также полученные с его помощью сами модели следует отнести следующее.
Статистический подход к описанию процессов диспергирования
позволяет выявить иерархию моделей, установить глубокую внутреннюю
связь между ними. Стохастические модели, выведенные их
фундаментальных соотношений стохастических марковских процессов
просты, наглядны и легко реализуемы на персональных ЭВМ; кроме того,
они носят обобщенный характер. Эти модели универсальны и применимы,
вообще говоря, для описания процессов диспергирования и
механоактивации различных по своей природе гетерогенных систем. И, наконец, в стохастической теории накоплен богатейший арсенал математических средств теоретического анализа случайных процессов, который может быть использован для продуктивного анализа моделей кинетики диспергирования и механоактивации. Следует отметить, что перспективы дальнейшего развития теории диспергирования, по-видимому, связаны с привлечением методов синергетики, теории фрактальных структур,
теории нелинейных процессов в многокомпонентных гетерогенных средах и т.п. В настоящее время существенный вклад в развитие методов конструирования моделей химико-технологических процессов с помощью теории самоорганизации в открытых системах и теории нелинейных гидродинамических процессов вносят A.M. Кутепов /44-52/ и Л.П. Холпанов /53-60/, а также др. исследователи. Эти методы могут быть с успехом использованы для теории диспергирования и механоактивации, осуществляемых в многокомпонентных гетерогенных системах. Переходя к проблеме построения теории совмещенных процессов протекающих в комбинированных аппаратах интенсивного действия следует заметить, что она находится на стадии становления. Анализ отдельных результатов успешной практической реализации комбинированных процессов термообработки (измельчение- сушка, измельчение - обжиг и др.) показывает, что эти процессы чрезвычайно перспективны. Их внедрение позволяет существенно увеличить производительность оборудования, уменьшить его габариты, энерго- и металлоемкость, улучшить экологическую обстановку. Однако, внедрение этих процессов и оборудования для их реализации сдерживается из-за отсутствия надежных методов моделирования, расчета, оптимизации проектирования. В известной мере это связано с отсутствием простых и эффективных моделей кинетики диспергирования, а также механоактивации, сопровождающей диспергирование. До последнего времени недостаточное внимание уделялось развитию методологической базы конструирования моделей внутреннего тепломассопереноса в аппаратах интенсивного действия. Без таких моделей также не возможен прогресс в создании высокоэффективных методов расчета комбинированных аппаратов. Справедливости ради, отметим, что в последние годы появился ряд теоретических работ, в которых затронуты вопросы моделирования внутреннего тепломассопереноса в процессах измельчения- сушки, измельчения- активации- обжига.
Таким образом, актуальными и имеющими важное практическое
значение являются задачи создания единой стохастической теории процессов
диспергирования и механоактивации, расширения информационной базы
теоретических основ этих процессов, а также процессов тепло- и
массопереноса, совмещенных с диспергированием и активацией частиц
дисперсной фазы гетерогенных систем и ее практического использования для
развития надежных методов моделирования, расчета, оптимизации и
проектирования высокоэффективных мельниц, активаторов,
комбинированных аппаратов многоцелевого назначения интенсивного действия, а также энергоресурсосберегающих технологий.
Диссертационная работа выполнена в Институте растворов РАН в соответствии с:
координационным планом НИР РАН (направление "Теоретические основы химической технологии" - разделы: 2.27.1.2; 2.27.4.1.7; 2.27.10);
постановлением № 68 ГКНТ СССР от 11.03.1987 г.;
постановлением Правительства РФ № 1414 от 23.11.1996 г.;
планами госбюджетных и договорных НИР Института химии растворов РАН (1983... 1998 гг.).
Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературных источников и приложений.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработать единую методологию построения
стохастических моделей кинетики диспергирования и механоактивации
дисперсной фазы гетерогенных систем различной природы, основанную на фундаментальных представлениях теории случайных марковских процессов и неравновесной статистической механики; с её помощью построить и проанализировать обобщенные стохастические модели кинетики диспергирования и механоактивации, адекватно отражающие физическую
сущность нагружения и разрушения частиц дисперсной фазы в аппаратах различного конструктивного оформления; создать основы компьютерного информационного банка стохастических моделей кинетики диспергирования и механоактивации, необходимого для разработки теоретически обоснованных надежных методов расчета и создания гибких систем автоматизированного проектирования нового высокоинтенсивного оборудования; разработать математические модели процессов термообработки (прогрева и сублимации) дисперсных материалов, интенсифицированных за счет активных турбулентных режимов течения взаимодействующих фаз и внутренних источников теплоты, порождаемых импульсным механическим нагружением и потоком лучистой энергии; на базе построенных моделей кинетики диспергирования, механоактивации и термообработки частиц дисперсной фазы гетерогенных систем развить методы моделирования и инженерного расчета совмещенных процессов (на примере процесса измельчения- активации- сублимации); осуществить расчетно- экспериментальные исследования совмещенного процесса измельчения- активации- сублимации в комбинированном роторно-импульсном аппарате интенсивного действия; разработать новые конструкции роторно- импульсных аппаратов многофункционального назначения (на базе ударно- центробежных мельниц - активаторов); внедрить результаты работы в промышленность.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
1. На основе фундаментальных представлений теории случайных марковских процессов и неравновесной статистической механики развита единая методология построения стохастических моделей кинетики диспергирования дисперсной фазы различных гетерогенных систем. Её применение позволило: а) построить стройную систему обобщенных
стохастичесШЙк Моделей кинетики диспергирования, адекватно описывающих физическую картину нагружения и разрушения частиц дисперсной фазы в аппаратах различного типа; б) вскрыть вероятностный смысл основных функций измельчения (так называемых селективной и распределительной функций); в) теоретически изучить асимптотические свойства построенных моделей.
С помощью методов теории марковских процессов установлено, что для дискретных (разрывных и матричных) стохастических моделей кинетики диспергирования, описывающих эволюцию дисперсного состава материалов при их обработке в аппаратах идеального перемешивания периодического действия, в пределе бесконечно больших времен, обязательно существуют конечные вероятности, которые образуют стационарные распределения частиц по размерам.
Предложена классификация стохастических моделей кинетики диспергирования и оборудования для измельчения, в основу которой положены типология марковских процессов, а также отличительные особенности способов нагружения частиц дисперсной фазы.
Разработана комбинированная стохастическая модель кинетики диспергирования, объединяющая в себе интегро-дифференциальную и диффузионную модели, которая наиболее полно и точно описывает эволюцию функции распределения частиц дисперсной фазы гетерогенной системы по размерам, в аппаратах со сложным, ударно- истирающим, способом их нагружения.
В рамках единого вероятностного подхода к описанию диссипативных процессов в гетерогенных системах разработана методология конструирования обобщенных стохастических моделей кинетики механодеструкции высокомолекулярных систем. С ее помощью построены интегро-дифференциальные и диффузионные модели кинетики механодеструкции, описывающие эволюцию тпвгрЩШйых и
дифференциальных функций распределения макромолекул по длинам в аппаратах (механохимических реакторах- активаторах) с различной гидродинамической структурой потоков.
Введено представление об основных функциях механодеструкции, аналогичных по своей сути основным функциям диспергирования, что позволяет использоваї&гіИрр анализа моделей кинетики механодеструкции методы, хорошо [і«А|ЩІ#' теории диспергирования.
Показано, что в частных случаях, решениями стохастических моделей кинетики механодеструкции, являются, хорошо известные в литературе, функции распределения макромолекул по длинам, именуемые функциями распределения Танга и Крэмера - Лансинга.
Предложены стохастические модели: кинетики релаксации избыточной энергии, накопленной веществом дисперсной фазы при механических воздействиях и процесса накопления- диссипации энергии в частицах твердой фазы гетерогенных систем твердое тело - газ ( жидкость) при импульсном механическом нагружении в аппаратах ударного принципа действия.
На базе теории разрывных марковских процессов построены стохастические модели механоструктурных превращений в гетерогенных системах.
Сформулированы и решены следующие краевые задачи теплопроводности:
сферической частицы дисперсного материала при граничных условиях третьего рода, неравномерном начальном распределении температуры, переменной температуре окружающей среды и при наличии внутренних источников теплоты, инициированных механическим нагружением;
сферической частицы дисперсного материала при граничных условиях третьего рода, постоянной температуре внешней среды, неравномерных
начальных условиях и при наличии внутренних источников теплоты, вызываемых механическим нагружением и потоком лучистой энергии; - сферіпадщкй частицы дисперсного материала, поверхность которой перемещается вследствие фазового перехода (сублимации), при граничных условиях третьего рода, неравномерном начальном распределении температуры и с учетом действия внутренних источников теплоты, порождаемых механическим нагружением и потоком лучистой энергии.
9. Методами системно-структурного анализа исследовано аналитическое решение задачи теплопроводности сферической частицы в потоке газа переменной температуры с учетом действия внутренних источников теплоты, инициируемых ударным нагружением и подводом лучистой энергии. Предложена методология идентификации коэффициента теплоотдачи, и построена структурная схема, позволяющая её реализовать.
10.Экспериментальными исследованиями установлено, что механическая активация таких кристаллических органических веществ, как бензойная кислота, дисперсный краситель "розовый 2С", дисперсный краситель "розовый Ж" приводит к снижению их энтальпий сублимации.
11. Построено обобщенное математическое описание совмещенного процесса измельчения - активации - сублимации.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
1. Разработанные на единой методологической основе стохастические
модели кинетики диспергирования и механоактивации являются базисом
для создания теоретически обоснованных инженерных методов расчета
мельниц, активаторов и комбинированных аппаратов
многофункционального назначения.
Заложены основы компьютерного банка стохастических моделей кинетики диспергирования и механоактивации, необходимого для создания современных информационных технологий моделирования, расчета и автоматизированного проектирования мельниц, активаторов, комбинированных аппаратов и технологических систем на их основе.
На основе математического описания совмещенного процесса измельчения - активации - сублимации разработана теоретически обоснованная методика расчета комбинированного роторно-импульсного аппарата интенсивного действия.
Предложена энерго- и ресурсосберегающая безотходная технологическая система для колорирования синтетических волокнистых материалов парами дисперсных красителей, основным элементом которой является комбинированный роторно-импульсный аппарат.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые конструкции аппаратов для измельчения, активации, механохимической модификации, а также для совмещенных процессов, осуществляемых в гетерогенных средах, защищенные авторскими свидетельствами ( А.С. № 1291204, А.С. № 1483720, А.С. № 841681, А.С. № 927299, А.С. № 923594, А.С. № 1243814).
Предложены новые способы механической активации крашения и печатания текстильных материалов, основанные на механоактивации гетерогенных красильных и печатных систем (А.С. № 1796726, А.С. № 1719501). Использование этих способов позволяет: уменьшить удельные расходы дорогостоящих химических реагентов, и, одновременно, улучшить технические показатели качества крашения и печати текстильных материалов.
Разработаны и внедрены со значительным экономическим эффектом на 3-х текстильных предприятиях гибкие энерго- ресурсосберегающие химико-технологические системы для приготовления шлихты (АО "Фабрика им
СИ. Балашова" и АООТ "Зиновьевская мануфактура") и загусток (АО "Тейковотекстиль") из крахмалов, главным элементов которых является многофункциональный роторно-импульсный аппарат.*
Прошла успешные промышленные испытания технология механической активации растворов карбоксиметилцеллюлозы. Её внедрение позволит в 2...2,5 раза снизить удельные расходы ценного продукта и в 25...30 раз снизить удельные энергозатраты на процесс приготовления загусток.
Разработана и испытана технология получения тонкодисперсных порошков карбоксиметилцеллюлозы и карбоксиметилкрахмала, основу которой составляет совмещенный процесс измельчения - сушки материалов в ударно-центробежной "мельнице- сушилке.
Разработана ударно- центробежная трехступенчатая мельница для получения порошкообразной бериллиевой бронзы, внедрение которой позволило предприятию ПО "Машиностроительный завод" (г. Электросталь) освоить новое производство формованных изделий с улучшенными физико-механическими свойствами из измельченной бериллиевой бронзы для авиационно-космической индустрии.
Разработана механоимпульсная технология получения активированной фосфоритной муки из дешевых низкосортных фосфатных руд, эквивалентная по агрохимической эффективности двойному суперфосфату и мельница - активатор для ее осуществления.
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:
Единую методологию построения стохастических моделей кинетики диспергирования;
Обобщенные стохастические модели кинетики диспергирования;
Технологическая часть работы выполнена сотрудниками лаборатории 3-1 А.П. Морыгановым и И.М. Липатовой.
Вероятностно- статистический подход к конструированию математических моделей кинетики механодеструкции высокомолекулярных систем;
Обобщенные стохастические модели кинетики механодеструкции макромолекул полимеров, протекающей в механохимических реакторах (активаторах) с различной гидродинамической структурой потоков;
Многомерную марковскую модель кинетики релаксации энергии, накопленной твердой фазой гетерогенной системы твердое тело - газ (жидкость) при механическом нагружении;
Стохастическую модель кинетики процесса накопления- диссипации энергии в частицах твердой фазы гетерогенных систем, протекающего в измельчителях- активаторах при импульсном механическом нагружении;
Сформулированные и решенные в работе классические и неклассическую краевые задачи теплопроводности сферической частицы дисперсного материала с граничными условиями третьего рода, с неравномерным и равномерным начальными условиями, осложненной действием внутренних источников теплоты, инициируемых механическим нагружением и потоком лучистой энергии;
Структурную модель задачи прогрева сферической частицы дисперсного материала в потоке газа переменной температуры при равномерном начальном распределении в ней температуры и при переменой температуре дисперсионной несущей фазы;
Методологию идентификации коэффициента теплоотдачи, основанную на использовании структурной модели решения задачи теплопроводности сферической частицы в потоке газа переменной температуры;
Обобщенное математическое описание совмещенного процесса измельчения - активации- сублимации, осуществляемого в роторно-импульсном комбинированном аппарате;
Результаты расчетно- экспериментальных исследований процессов измельчения, механоактивации и сублимации выбранных объектов исследования;
Новые технические и технологические решения, разработанные диссертантом на основе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в работе.
В первой главе работы проанализированы основные подходы к
конструированию математических моделей диспергирования,
механоактивации и процессов термообработки дисперсных материалов, совмещенных с диспергированием и механоактивацией дисперсной фазы гетерогенных систем.
На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что несмотря на известные успехи в развитии теории диспергирования и механоактивации дисперсных материалов, на сегодняшний день разработке единой методологии конструирования математических моделей кинетики диспергирования и механоактивации, учитывающей их стохастическую (вероятностно статистическую) природу, должного внимания не уделяется.
Вторая глава диссертации посвящена строгому выводу стохастических интегро-дифференциальных, дискретных (разрывных), и матричных моделей кинетики диспергирования с помощью фундаментальных представлений теории случайных марковских процессов и неравновесной статистической механики.
В ней рассмотрены современные представления о существующих классах марковских процессов, их иерархии и физической сущности.
Из модифицированного уравнения Колмогорова- Чепмена, записанного
для вероятностей перехода частиц дисперсного материала вследствие их
разрушения, из одного состояния в другое (в одномерном пространстве
размеров) получено основное обобщенное стохастическое
интегродифференциальное уравнение кинетики диспергирования. Показано, что оно описывает эволюцию плотности распределения частиц по размерам в аппаратах идеального перемешивания периодического действия в терминах скачкообразных марковских процессов.
Проведен последовательный теоретический анализ основного стохастического интегродифференциального уравнения. Установлено, что в частных случаях оно переходит в более простые уравнения кинетики диспергирования, выведенные ранее рядом исследователей (Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Загустий А.И., Тихонов О.Н. и др.) из других представлений. Выявлен вероятностно- статистический смысл селективной и распределительной функций, входящих в основное стохастическое интегродифференциальное уравнение кинетики диспергирования.
В этой же главе из уравнений Колмогорова- Чепмена, записанного для случая, когда случайная функция, характеризующая размер измельчаемых частиц принимает дискретные значения, строго выведена система дифференциальных уравнений кинетики диспергирования. Она описывает процесс диспергирования в аппаратах идеального перемешивания периодического действия в терминах разрывных (дискретных) марковских процессов. Выведенная система дифференциальных уравнений представляет собой обобщение целой группы моделей кинетики диспергирования, также широко известных в специальной литературе (Басе Л., Хуттинг Ж., Броудберг С, Калькотт Т. и др.).
Для частного случая (когда основные функции измельчения -селективная и распределительная, не зависят от времени) обобщенная дифференциально разностная дискретная модель кинетики диспергирования
записана в виде матричного уравнения. Установлено, что для матричной модели (описывающей процесс измельчения в аппарате идеального перемешивания периодического действия), существуют предельные вероятности, образующие стационарное распределение частиц по размерам. Из дискретной модели кинетики диспергирования выведена простая "одношаговая" стохастическая модель, в которой частицы при измельчении могут переходить только в ближайшие (соседние) классы размеров.
В результате теоретического анализа функционального уравнения Маркова (представляющего собой частный случай уравнения Колмогорова-Чепмена) получены марковские матричные модели кинетики диспергирования. Проведен их анализ. Теоретически обоснована процедура перехода от дискретных марковских моделей кинетики диспергирования к матричным. Предложена методология решения задачи идентификации селективной и распределительной функции, основанная на выявленной связи матрицы вероятностей перехода матричной модели и дифференциальной матрицы дискретной модели, процесса диспергирования.
В третьей главе проведен теоретический анализ стохастических диффузионных моделей кинетики диспергирования. Диффузионное уравнение кинетики диспергирования выведено из стохастического интегродифференциального уравнения путем разложения интегрального оператора в ряд по дифференциальным. Для нахождения коэффициентов сноса и диффузии диффузионного уравнения кинетики диспергирования развит подход, основанный на статистической эквивалентности, в определенном смысле, стохастических дифференциальных уравнений Ланжевена и диффузионных уравнений. Методология нахождения коэффициентов сноса и диффузии диффузионной модели кинетики диспергирования продемонстрирована на двух примерах.
На основе модели стохастического линейного формирующего фильтра построена обобщенная модель кинетики диспергирования, решением
которой является семейство распределений частиц по размерам, именуемое в литературе семейством распределений Пирсона. Найдено стационарное решение построенной модели. Указано, что одним из основных достоинств разработанной модели является возможность ее воспроизведения на аналоговых устройствах.
С помощью метода интегрирования в функциональных пространствах, проведен теоретический анализ обобщенного стохастического дифференциального уравнения кинетики диспергирования. В качестве примера рассмотрено простейшее стохастическое дифференциальное уравнение кинетики диспергирования, соответствующее энергетическому закону Кирпичева- Кика. Для процесса измельчения, подчиненного этому закону, вычислены функция Лагранжа- Онсагера- Махлупа и соответствующая ей вероятность перехода частиц из одного состояния в другое в виде континуального интеграла Винера.
В четвертой главе в контексте единого подхода к описанию диссипативных процессов в дисперсной фазе гетерогенных систем, инициированных механическим нагружением, сконструированы стохастические модели кинетики механодеструкции высокомолекулярных систем. Базисом для построения стохастических моделей кинетики механодеструкции является стохастическое интегродифференциальное уравнение, описывающее эволюцию числового распределения макромолекул полимеров по длинам. По своему виду оно идентично интегродифференциальному уравнению кинетики диспергирования, выведенному во второй главе.
Проведен анализ интегродифференциального уравнения кинетики механодеструкции. В частности из него строго выведено более простое интегродифференциальное уравнение механодеструкции, решением которого является широко известное в литературе распределение макромолекул по длинам, называемое распределением Танга. Далее осуществлен
теоретический анализ обобщенного стохастического диффузионного уравнения кинетики механодеструкции. Найдено его стационарное решение. С его помощью дано теоретическое обоснование дифференциальной функции распределения макромолекул по длинам Крэмэра- Лансинга. С использованием принципа максимума информационной энтропии, сформулированного Джейнсом и развитого Хакеном, построена условная вероятность перехода макромолекул полимера (вследствие механодеструкции) из одного состояния в другое.
С помощью математического аппарата теории многомерных марковских процессов построена обобщенная марковская модель кинетики релаксации энергии, аккумулированной веществом при механической обработке, учитывающая влияние случайных возмущающих факторов. В частном случае эта модель переходит в модели диссипации энергии, полученные в работах СП. Бобкова и В.И. Колобердина.
Предложена стохастическая модель накопления- диссипации энергии в гетерогенных системах при импульсном механическом нагружении. Методами теории марковских процессов проведен её анализ. В результате получены все вероятностные характеристики данной модели.
В пятой главе сформулированы и аналитическими методами решены следующие краевые задачи теплопроводности: задача теплопроводности сферической частицы дисперсного материала при граничных условиях третьего рода, постоянной температуре внешней среды, неравномерных начальных условиях, в которой учтено наличие внутренних источников теплоты, инициируемых импульсным механическим нагружением и потоком лучистой энергии; задача теплопроводности сферической частицы дисперсного материала при граничных условиях третьего рода, переменной температуре несущей среды, равномерных начальных условиях, и при наличии внутренних источников теплоты, порождаемых ударным механическим нагружением; "неклассическая" задача теплопроводности
сферической частицы с перемещающейся границей раздела фаз (вследствие фазового перехода - сублимации) при граничных условиях третьего рода, осложненной действием импульсных источников теплоты, порожденных импульсным механическим нагружением и потоком лучистой энергии. Решения перечисленных выше задач теплопроводности сферической частицы дисперсного материала приведены для двух случаев: больших (Fo> 0,1 ) и малых (Fo , < 0,1 ) времен осуществления процесса. Последние, с учетом их значимости для практики инженерных расчетов совмещенных процессов в аппаратах интенсивного действия, даны в удобной форме.
На основе принципов системно- структурного подхода к решению задач теплообмена, построена структурная модель задачи прогрева сферической частицы в потоке газа переменной температуры при равномерном начальном условии, интенсифицированного действием внутренних источников теплоты, вызываемых механическим импульсным нагружением. Предложена методология нахождения (идентификации) коэффициента теплоотдачи, основанная на использовании структурных моделей задач теплопроводности частицы.
Разработан пакет прикладных программ для расчета задач теплопроводности на персональных ЭВМ. Проведен вычислительный эксперимент, который позволил выявить основные закономерности прогрева и сублимации частиц дисперсного материала, интенсифицированных действием внутренних источников теплоты и активной гидродинамикой.
Отмечена большая практическая значимость сформулированных и решенных задач теплопроводности для построения математических моделей совмещенных процессов, осуществляемых в оборудовании высокоинтенсивного действия.
Разработанные в данном разделе диссертации модели теплопроводности, в совокупности с моделями диспергирования и механоактивации, использованы далее при построении обобщенного
математического описания совмещенного процесса измельчения- активации-сублимации в комбинированном роторно-импульсном аппарате.
В шестой главе представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований совмещенного процесса диспергирования- активации-сублимации. Здесь приведены: описание схемы экспериментальной установки для исследования процессов диспергирования, механоактивации, сублимации дисперсных систем, а также для комплексного изучения процессов термообработки, совмещенных с диспергированием и механоактивацией частиц твердой фазы гетерогенных сред; характеристика выбранных объектов исследования (бензойной кислоты, дисперсных красителей "розовый 2С" и "розовый Ж"); описание методик экспериментальных исследований. Экспериментальными методами изучена динамика нагрева газовой несущей среды, который интенсифицирован активными турбулентными режимами ее течения и действием внутренних источников теплоты, вызванных деформационными процессами. В результате расчетно-экспериментальных исследований найдена зависимость мощности внутренних источников теплоты в несущей газовой фазе от скорости ударно- импульсного нагружения.
С помощью методов термогравиметрического анализа изучено влияние определяющих параметров механоактивации на протекание процесса сублимации выбранных объектов исследования. Установлено, в частности, что их импульсное механическое нагружение приводит к снижению энтальпии сублимации. Выявлено, что энтальпия сублимации активированных механическим нагружением образцов с течением времени возвращается к исходным значениям, при этом однако, не достигая их. Наличие остаточных эффектов объяснено необратимым разупорядочиванием кристаллической структуры исследуемых систем. Обобщение экспериментально статистической информации позволило найти зависимость, определяющую эволюцию энтальпии сублимации
активированных объектов исследования во времени. Найденные
эмпирические уравнения использованы для замыкания математического
описания совмещенного процесса измельчения- активации- сублимации. В
данной главе осуществлена также поблочная проверка адекватности
математического описания изучаемого совмещенного процесса. Результаты
проверки позволили сделать вывод об удовлетворительном соответствии
расчетных и экспериментальных данных (максимальное отклонение не
превышает 15 %). На основе математического описания совмещенного
процесса измельчения- активации- сублимации разработан теоретически
обоснованный инженерный метод расчета комбинированного роторно-
импульсного аппарата высокоинтенсивного действия. Данный роторно-
импульсный аппарат был использован при создании
энергоресурсосберегающей экологически безопасной технологической
системы колорирования волокнистых синтетических материалов.
В седьмой главе представлено описание новых технических и технологических решений, полученных самим диссертантом или при его непосредственном участии.
На основании комплексного теоретического анализа задач прогрева, сублимации, механоактивации и диспергирования частиц твердой фазы гетерогенных систем, а также расчетно-экспериментальных исследований, разработана инженерная методика расчета роторно-импульсных аппаратов, предназначенных для осуществления совмещенных процессов диспергирования - механоактивации - сублимации. Предложена новая перспективная экологически безопасная технология парофазного крашения синтетических волокнистых материалов, основным элементом которой является комбинированный роторно-импульсный аппарат. Сублимационная технология, по сравнению с традиционными жидкофазными технологиями, позволяет: полностью исключить использование воды; существенно уменьшить количество основных операций (с 5... 7 до 3-х); повысить
показатели качества колорирования синтетических материалов; исключить использование дорогостоящих вспомогательных веществ.
Результаты исследований легли в основу ряда новых конструкций многоступенчатых многофункциональных роторно-импульсных аппаратов, предназначенных как для осуществления процессов диспергирования -активации, так и для проведения тепло- массообменных процессов, совмещенных с диспергированием и активацией дисперсной фазы гетерогенных систем.
По договору между ИХНР РАН и ПО "Машиностроительный завод" (г. Электросталь) спроектирована ударно-центробежная трехступенчатая мельница для производства порошкообразной бериллиевой бронзы, производительностью 100 кг/ч, защищенная авторским свидетельством. Внедрение разработанной мельницы позволило предприятию освоить новое производство формованных изделий для авиационной индустрии из порошкообразной бериллиевой бронзы.
На базе результатов теоретических и расчетно-экспериментальных исследований, по заказу ЗАО "Полицелл" (г. Владимир), разработан проект мельницы - сушилки, предназначенной для получения высококачественных порошков натрий -карбоксиметилцеллюлозы и карбоксиметилкрахмала.
В результате поисковых исследований в области механохимии гетерогенно- дисперсных полимерных систем разработана и внедрена на двух предприятиях г. Иваново (АО ф-ка им. Ф. Балашова и АО ОТ "Зима") энерго- и ресурсосберегающая технология приготовления шлихты из крахмала. Внедрение механохимической технологии приготовления шлихты позволило: уменьшить удельное потребление пара в 1,5 раза; снизить температуру в реакторе со 125 ...130 С до 85...90 С; сократить время проведения процесса в 2 раза; снизить давление в реакторе с 2,5 ...3 атмосфер до нормального.
-г
Для ТОО "Тейковотекстиль" разработана и внедрена технология приготовления загусток из крахмала, совмещенная со стадией его механохимической модификации. Внедрение новой технологии на предприятии привело к уменьшению удельных затрат на химматериалы примерно в 1,45 раза, на тепловую энергию - в 1, 65 раза, на электроэнергию - в 2,6 раза.
Разработана механоимпульсная технология получения активированной фосфоритной муки из дешевых низкосортных фосфатных руд, эквивалентная по агрохимической эффективности двойному суперфосфату и мельница-активатор для ее осуществления.
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты работы отражены в 68 публикациях, в т.ч. в 9 авторских свидетельствах на изобретения.
Автор выражает признательность научным консультантам академику РАН A.M. Кутепову, д.т.н. профессору В.Н. Блиничеву и профессору Бондаревой Т.И. за помощь в работе.
