авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Исследование процессов смешивания сыпучих материалов в лопастных смесителях непрерывного действия

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи




ХОХЛОВА Юлия Владимировна



исследование ПРОЦЕССОВ смешивания сыпучих

материалов в лопастных смесителях непрерывного действия



Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий




Иваново 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Баранцева Елена Александровна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Зайцев Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор

Лапшин Владимир Борисович

Ведущая организация: ГОУВПО «Российский государственный химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Москва

Защита состоится «22» июня 2009 г. в _____ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.05 ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Автореферат разослан « » 2009 г.


Ученый секретарь совета,

доктор физико-математических наук Зуева Г.А.


Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Процессы смешивания сыпучих материалов, приводящие к получению товарных смесей и полуфабрикатов, широко распространены в химической, фармацевтической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. Во многих непрерывных технологических процессах преимущество отдается смесителям непрерывного действия, напрямую включенным в технологический процесс. Среди разнообразных смесителей непрерывного действия значительными преимуществами обладают лопастные смесители, где вращающиеся аксиальные лопасти осуществляют одновременно достаточно эффективное перемешивание компонентов в поперечном направлении и транспорт смеси в продольном направлении. Кроме эффективного перемешивания, эти смесители призваны подавлять пульсации в подаче компонентов на входе в смеситель, неизбежно возникающие по различным причинам в реальных технологических процессах, то есть они решают задачу обеспечения равномерности перемешивания в пространстве и стабильности смеси во времени.

Наиболее информативной характеристикой смесителя непрерывного действия, определяющего его работоспособность в тех или иных технологических условиях, является кривая распределение времени пребывания (РВП) в нем ключевого (наблюдаемого и контролируемого) смешиваемого компонента, являющаяся обычно предметом экспериментального исследования и чисто эмпирического описания. Однако кривые РВП для различных смесителей, а часто и для одного смесителя в различных режимах работы, могут существенно различаться, и чисто эмпирический подход к их определению, с одной стороны, требует значительных материальных и временных затрат, а с другой – не позволяет установить внутренние причины их различия, а следовательно, и устранить их, если такие РВП нежелательны.

Поэтому представляется актуальным расчетно-экспериментальное исследование процессов непрерывного перемешивания сыпучих материалов на основе математических моделей процесса в смесителе, учитывающих, по крайней мере, основные реальные факторы, влияющие на кривые РВП, к которым можно отнести локальную интенсивность продольного и поперечного перемешивания, поперечную неоднородность потока в смесителе и склонность перемешиваемых компонентов к сегрегации.

Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 – А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и международными договорами о научном сотрудничестве между ИГЭУ и Горным институтом г.Алби, Франция, Ченстоховским политехническим институтом, Польша, университетом г. Веспрем, Венгрия, и исследовательским центром Tel-Tek, Норвегия.

Цель работы – повышение эффективности процессов непрерывного лопастного смешивания сыпучих материалов на основе новой более достоверной расчетно-экспериментальной информации о структуре потоков материала в смесителе.

Объектом исследования в работе являлись процессы смешивания сыпучих материалов в лопастных смесителях непрерывного действия.

Предметом исследования было установление закономерностей влияния реальной поперечной неоднородности потока и склонности перемешиваемых компонентов к сегрегации на формирование качества смеси сыпучих материалов в процессах непрерывного смешивания компонентов с различными физико-механическими свойствами.

Задачи исследования.

  1. Выполнить экспериментальные исследования разгрузочных характеристик лопастных смесителей непрерывного действия, связывающих массу смеси в смесителе с производительностью и предложить физическое объяснение этих характеристик.
  2. Выполнить экспериментальное исследование влияния конструктивных и режимных факторов процесса непрерывного смешивания на распределение времени пребывания частиц в смесителе.
  3. Разработать математическую модель перемешивания в смесителе непрерывного действия, учитывающую поперечную неоднородность потока, и на ее основе объяснить характер кривых отклика для компонентов, склонных и несклонных к сегрегации.
  4. Разработать подходы к подавлению негативного влияния сегрегации на качество смешивания.

Научная новизна результатов работы.

  1. На основе экспериментального исследования процесса непрерывного перемешивания сыпучих материалов в лопастном смесителе непрерывного действия выявлена связь разгрузочной характеристики смесителя с поперечной неоднородностью потока в нем. Установлено влияние конфигурации перемешивающих лопастей на поперечную неоднородность потока.
  2. Экспериментально установлено влияние поперечной неоднородности потока на кривые распределения времени пребывания частиц в смесителе и их тенденцию к бимодальности с ростом этой неоднородности.
  3. Предложена ячеечная математическая модель процесса смешивания сыпучих материалов в лопастном смесителе, удовлетворительно объясняющая и прогнозирующая экспериментальные кривые распределения времени пребывания.

Практическая ценность результатов.

  1. Предложен подход к определению поперечной неоднородности потока в смесителе, а через нее – кривой распределения времени пребывания ключевого компонента в нем, через разгрузочную характеристику смесителя, что позволяет прогнозировать кривую РВП и находить возможности воздействия на нее при значительно меньшем объеме экспериментальной информации.
  2. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение моделирования и расчета процессов смешивания сыпучих материалов в лопастных смесителях непрерывного действия.
  3. Предложено аппаратурное оформление смесителя, защищенное положительным решением о выдаче патента на полезную модель, в которой подавляется негативное проявление сегрегации компонентов.
  4. Предложен подход к подавлению негативного влияния сегрегации путем распределенной подачи сегрегирующего компонента в рабочий объем смесителя, на основе которого проведена модернизация конструкции лопастного смесителя в ООО «Полимерпластбетон» (Ярославль), где достигнут реальный технический эффект.
  5. Разработанные модели процессов лопастного смешивания и их программно-алгоритмическое обеспечение нашли применение в практике выполнения промышленных и исследовательских проектов в горном институте г.Алби, Франция, Ченстоховском политехническом институте, Польша, университете г. Веспрем, Венгрия, и исследовательском центре Tel-Tek, Норвегия.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации были заслушаны и одобрены на следующих международных отечественных и зарубежных конференциях:

Международная НТК „Состояние и перспективы развития электротехнологии (Бенардосовские чтения). Иваново, 2007, Международные конференции «Математические методы в технике и технологиях»: ММТТ-20, Ярославль, 2007; ММТТ21, Саратов, 2008, The Int. Conf. “Science and Technology of Particles”, Albi, France, 2007, The International Symposium on Reliable Flow of Particulate Solids IV (RELPOWFLO IV), Tromso, Norway, 2008; а также экспонировались на IV выставке научных достижений Ивановской области «Инновации-2007», Иваново, 2007 (медаль оргкомитета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе, 1 монография, 6 работ в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация представлена на 114 стр. и состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (192 наименования) и приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе на основе литературных источников проанализировано современное состояние проблемы перемешивания сыпучих материалов в технологических процессах химической и смежных отраслей промышленности. Предложена классификация процессов смешивания по характеру движения компонентов и по виду воздействия на них со стороны перемешивающих элементов.

Особое внимание уделено лопастным смесителям непрерывного действия. Они имеют меньшие по сравнению со смесителями, осуществляющими перемешивание в свободно падающих потоках, габариты, осуществляют достаточно эффективное поперечное перемешивание, а относительно большая масса аккумулированного в них материала позволяет подавлять пульсации расхода подаваемых на смешивание компонентов, неизбежно возникающие в технологических системах. Последнее позволяет не только получать смеси, достаточно однородные в объеме, но и стабильные во времени. Вместе с тем, это только потенциальные возможности лопастных смесителей: для того, чтобы они были реализованы, необходимы рациональные конструкции и рациональное сочетание конструктивных и режимных параметров. Методы расчета лопастных смесителей до настоящего времени базируются на обобщении опытных данных по уже работающим смесителям, то есть по существу являются не методами расчета, а методами выбора типоразмера из типажного ряда. Сложность взаимодействия лопастей с перемешиваемой средой не позволяет строить детальные математические модели процесса, которые могли бы быть положены в основу методов расчета. В определенном смысле все имеющиеся модели являются имитационными и ставят в соответствие перемешиванию процесс одномерной конвективной диффузии. Наиболее естественным, на наш взгляд, является построение моделей перемешивания на основе теории цепей Маркова. В этой теории изучается эволюция вероятностей состояния в дискретном пространстве состояний. В смесителе происходит эволюция содержания компонентов в рабочем объеме смесителя, то есть матрица переходных вероятностей является как бы математическим образом смесителя. Несмотря на то, что применение теории цепей Маркова к моделированию эволюции состояния смесей применялось многими отечественными и зарубежными учеными, систематическое и последовательное ее приложение к всестороннему описанию различных аспектов смешивания развивается в работах H. Berthiaux, В.Е. Мизонова и Е.А. Баранцевой. Можно считать, что построение и приложение одномерных Марковских моделей практически полностью завершено. Однако в рамках одномерных моделей далеко не всегда удается удовлетворительно описать и объяснить получаемые в опытах кривые РВП, а также в принципе невозможно учесть сегрегацию частиц, оказывающую, главным образом, негативное влияние на формирование качества смеси (а при отсутствии такого описания трудно и искать поиски подавления этого влияния).

Поскольку типичным представителем лопастных смесителей непрерывного действия является смеситель GCM500 фирмы Gericke, Швейцария, то в работе была поставлена задача экспериментального исследования его характеристик при смешивании разнородных материалов и построение двухмерной модели, объясняющей поведение этих характеристик и рассчитывать процесс. Кроме того, была предпринята попытка поиска конструктивных мер, подавляющих негативное влияние сегрегации на формирование качества смесей.

В заключение главы приведены детализированные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке двумерной математической модели процесса смешивании в лопастном смесителе. Конструкция смесителя GCM500 схематично показана на рис.1, где ниже изображена схема ячеечной модели его рабочего объема.





































Смеситель состоит из корпуса 1 с загрузочным патрубком 2. Нижняя часть корпуса выполнена цилиндрической, а сопряженная с ней верхняя – в виде прямоугольного параллелепипеда. В корпусе на валу расположена прямоугольная рамка 3 с размещенными на ней в шахматном порядке рабочими лопастями 4. Рамка приводится во вращение от внешнего электродвигателя с регулируемой скоростью вращения. Внутри рамки по ее оси имеется спиральная вставка 5, служащая для дополнительного воздействия на материал. Для интенсификации выгрузки материала в конце рамки расположены с обеих сторон разгрузочные лопасти 6. Полученная смесь выходит из корпуса через окно 7 регулируемого проходного сечения в разгрузочный патрубок 8. Рабочий объем смесителя составляет 24 литра.

Предлагаемая двумерная ячеечная модель процесса, реализующая подход к моделированию, основанный на теории цепей Маркова, схематично показана на рис.1 внизу. Рабочий объем смесителя в вертикальном направлении представлен двухмерной сеткой mxn ячеек идеального перемешивания с m строками и n столбцами. Число столбцов ячеек обычно фиксировано и связано с зонами, ометаемыми лопастями. Очевидно, что при фиксированной высоте ячейки уровень материала в смесителе совпадает с величиной my. Считается, что материал в слоях, соответствующих строкам ячеек, движется с постоянной по длине, но разной от слоя к слою скоростью.

Разгрузочной характеристикой смесителя непрерывного действия со свободной поверхностью материала называется зависимость M=f(Q, n), где М – масса материала в смесителе, Q – массовый расход смеси, n – угловая скорость вращения лопастей. Обычно эта зависимость относительно легко определяется экспериментально. Располагая ей, можно рассчитать среднее время пребывания смеси в аппарате

Tf=M/Q, (1)

являющееся одной из важнейших интегральных характеристик процесса.

Рассмотрим, как формируется разгрузочная характеристика в рамках принятой послойной модели движения материала (рис.2).

Масса материала в j-м слое определится как Mj=Lby, где – плотность смеси, b – размер слоя в направлении, перпендикулярном чертежу. При этом полная загрузка смесителя при m слоях будет равна M=mLby. Очевидно, что число слоев m может служить безразмерной мерой загрузки смесителя при одинаковых прочих условиях.

Массовый расход материала, проходящего в слое и выносимого в разгрузку, составит Qj=Vjby, где Vj – скорость j-го слоя. Полный расход смеси через аппарат может быть рассчитан как .

Расчетные формулы формируют зависимость M=f(Q), в которую каждый слой вносит свой вклад в соответствии с его скоростью. Обычно зависимость M=f(Q) может быть относительно легко получена экспериментально, и по ее виду можно судить о поперечной неоднородности потока. В частности, скорость материала в j-м слое составит

, (2)

где отношение Q/M может быть взято с экспериментальной зависимости M=f(Q) при принятой дискретизации массы загрузки смесителя материалом или высоты загрузки (выбор y). Если Vj=const=V, то зависимость M=f(Q) имеет вид прямой, проходящей через начало координат, и наоборот, если эта зависимость такая, то поток материала можно считать равномерным в поперечном сечении. В дальнейшем часто будет использоваться кусочно-линейная зависимость, в частности, имеющей всего один излом при загрузке, соответствующей верхнему пределу ометаемой лопастями зоны. До тех пор, пока загрузка не превышает зоны, ометаемой лопастями, весь материал движется с постоянной по высоте скоростью, определяемой действием на него лопастей. Если загрузка превышает эту зону, то часть материала, находящаяся в ней, движется с такой же постоянной по высоте скоростью, а часть материала над ней – с меньшей, но также постоянной по высоте скоростью, так как материал уже не испытывает толкающего действия лопастей. Таким образом, по разгрузочной характеристике может быть восстановлена поперечная неоднородность потока материала в рабочем объеме смесителя.

Объектом исследования является содержание некоторого ключевого компонента смеси, который в начале процесса полностью локализован в его входящем потоке. Для того, чтобы проследить его эволюцию в смесителе, используют метод введения трассера – порции интересующего нас компонента, по основным физико-механическим характеристикам, влияющим на процесс смешивания, не отличающегося от этого компонента, но имеющего некоторый отличительный признак, позволяющий выделить его из исследуемого компонента. Этим признаком может быть цвет частиц, наведенная радиоактивность и так далее. Таким образом, изучение перемешивания сводится к изучению эволюции трассера в смесителе.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.