Оцінка ефективності застосування конічної грануляційної башти при виробництві гранульованих продуктів та розчинів

ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ КОНІЧНИХ ГРАНУЛЯЦІЙНИХ ВЕЖ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ ГРАНУЛЬОВАНИХ ПРОДУКТІВ З РОЗЧИНІВ

У результаті аналізу були зроблені висновки: застосування грануляційних веж “зворотної” конічної форми замість класичних циліндричних веж дозволить значною мірою зменшити габаритні розміри грануляційного обладнання.

Важливу роль у розвитку сільського господарства відіграють хімічні підприємства, що випускають мінеральні й органічні добрива. У цей час мінеральні добрива постачаються споживачам у рідкому, порошкоподібному вигляді, також у вигляді гранул, кристалів і т.д. Безліч видів мінеральних добрив являють собою розчинні солі, які найбільш зручно застосовувати у вигляді твердих частинок [1]. Існує два основних способи одержання таких продуктів у твердому вигляді. Це кристалізація й гранулювання.

Значного поширення в сучасній хімічній промисловості для виробництва гранульованих продуктів із розчинів і розплавів набув баштовий спосіб. Основним устаткуванням у таких виробництвах є грануляційні вежі. Вони являють собою циліндричні апарати вертикального типу з бетонним корпусом. Застосовуються грануляційні вежі діаметром 8-12 м і висотою 30 - 60 м [2]. У верхній частині корпусу встановлені розподільні пристрої (лійкові, вібраційні, обертові й інші гранулятори), які розподіляють розчин гранульованої речовини по перетину корпусу вежі у вигляді монодисперсних крапель заданого розміру. У нижній частині вежі вводиться потік повітря, що є сушильним та охолоджувальним агентом. Гранули під дією сил гравітації рухаються назустріч повітряному потоку. При цьому із краплі відокремлюється частина розчинника і відбувається її охолодження, що приводить до кристалізації гранули.

Будівництво, обслуговування й ремонт таких веж вимагає значних матеріальних витрат та витрат праці [2]. Заміна циліндричних грануляційних веж на менш громіздкі види грануляторів є досить актуальною проблемою.

Альтернативою циліндричним грануляційним вежам можуть бути гранулятори псевдозрідженого шару. Також у вигляді альтернативи було запропоновано використання грануляційних веж конічної форми, які б поєднували в собі переваги грануляторів псевдозрідженого шару й грануляційних веж.

З метою аналізу доцільності застосування того чи іншого виду грануляційного встаткування була проведена орієнтовна оцінка зменшення висоти грануляційних веж за рахунок застосування корпусів конічної форми, або відмови від конструктивного виконання грануляторів у вигляді веж на користь грануляторів із псевдозрідженим шаром, фонтануючим шаром, вихрових грануляторів і т.п.

Основними початковими умовами для розв'язання такого завдання є такі припущення:

1 Швидкість газового потоку у верхньому перетині вежі не повинна перевищувати критичної величини, що, у свою чергу, визначається властивостями розчину речовини, яку гранулюють. Тут критичною швидкістю названа така швидкість газового потоку, при якій відбувається руйнування краплі розчину.

2 У нижньому перетині конічного корпусу грануляційної вежі швидкість газового потоку повинна забезпечувати витання твердих гранул.

Для розв'язання цього завдання розглянемо сили, що діють на гранулу сферичної форми, що рухається в газовому потоці. При цьому на гранулу діють: сила ваги F_t, сила аеродинамічного опору F_с і сила Архімеда. Дією сили Архімеда на гранулу ми можемо знехтувати, тому що щільність розчину й щільність газу відрізняються на кілька порядків.

Результуючі сили, що діють на гранулу:

 .(1)

З урахуванням маси гранули m і діаметра гранули d_ч сила ваги й сила аеродинамічного опору рівні:

, (2)

де а - прискорення, що діє на гранулу,

або з урахуванням шляху S, пройденого гранулою за час t:

. (3)

Розрахункова схема конічної грануляційної вежі наведена на рис. 1.

Швидкість руху гранули щодо газового потоку являє собою суму швидкості газового потоку U і швидкості руху гранули щодо корпусу грануляційної вежі W:

. (4)

У рівнянні (4) змінна U залежить від шляху S, пройденого гранулою за час t, і кута розкриття конуса корпусу грануляційної вежі :

, (5)

де Q - об'ємна витрата повітря, яке подають у грануляційну вежу.

Швидкість руху частинки відносно нерухомого корпусу грануляційної вежі, до якого прив'язана прийнята система координат, дорівнює

 (6)

Підставивши формули (4), (5), (6) у рівняння (3, одержимо диференціальне рівняння другого порядку

, (7)

розв'язавши яке відносно змінної S для певного часу руху гранули всередині корпусу гранулятора, ми одержимо орієнтовне значення висоти конічної грануляційної вежі H.

Розв'язання рівняння (7) аналітично у цей час викликає певні труднощі, тому застосуємо чисельний метод розв'язання диференціальних рівнянь. Для цього розбиваємо конічний корпус грануляційної вежі на ряд циліндричних ділянок малої величини, як показано на рис. 2.

При цьому розрахунок проводять для циліндричних ділянок, а результати розрахунків на одній ділянці є вихідними даними для розрахунку на наступній ділянці по ходу руху гранули.

Для циліндричної ділянки грануляційної вежі рівняння (7) має вигляд

. (8)

Для орієнтовних розрахунків не враховувалися термодинамічні умови утворення гранули, зміна її щільності, що відбувається при зміні агрегатного стану, вплив інших гранул і стінок вежі на гідродинаміку польоту гранули, вплив гідродинамічного режиму на значення коефіцієнта опору.

Як аналог для порівняння була взята грануляційна вежа для виробництва гранульованої аміачної селітри висотою 30 м, розрахунок якої наведений у роботі [4].

У вихідних даних для розв'язання рівняння (7) необхідно визначити: час для кристалізації гранули, значення верхнього й нижнього діаметрів перетинів корпусу конічної грануляційної вежі, а також значення швидкостей газового потоку в цих перетинах.

За даними [4] був прийнятий середній час, необхідний для кристалізації гранули аміачної селітри, що дорівнює 3,5 с.

Для визначення мінімального діаметра верхнього перетину конічної грануляційної вежі необхідно виконати розрахунок критичної швидкості газового потоку перевищення, який може привести до руйнування краплі розчину, що виходить із розподільного пристрою. Для цього скористаємося критерієм Вебера (We). Виходячи з вищесказаного, мінімально припустимий верхній діаметр конічного корпусу розраховується за формулою

, (10)

де We - критерій Вебера;

у - величина поверхневого натягу для розчину;

с_р - щільність розчину.

Критичне значення критерію Вебера для розпилення краплі розчину в газовому потоці, за даними [5], знаходиться у діапазоні 12 - 14.

При розрахунку діаметра корпусу конічної грануляційної вежі виходимо з того, що швидкість газового потоку в цьому перетині повинна забезпечувати витання гранул. Таким чином, визначимо критерій Архімеда, а за його значенням критерій Рейнольдса, звідки знаходимо швидкість витання гранули, за якою визначаємо нижній діаметр грануляційної вежі

Для розв'язання поставленого завдання була складена програма для ЕОМ, блок-схема якої наведена на рис. 3.

У результаті розрахунку було визначено, що за рахунок застосування “зворотної” конічної форми грануляційної вежі можна знизити її висоту з 30 до 12 м.

Таким чином, попередня оцінка ефективності застосування конічних грануляційних веж показала, що конічна форма корпусу дозволяє зменшити висоту грануляційної вежі в кілька разів. Це відповідно дає можливість знизити витрати на будівництво, ремонт й обслуговування грануляційних веж.

Найкращі гідродинамічні умови утворення гранули при мінімальній висоті грануляційної вежі можна забезпечити за рахунок застосування веж складного перетину. При цьому швидкість газового потоку в кожному перетині грануляційної вежі повинна забезпечувати утворення гранули заданих форми й розміру. Для цього треба забезпечити, щоб швидкість руху гранули в газовому потоці відповідала властивостям частинки, які змінюються під час руху гранули всередині корпусу. Роботи в цьому напрямку тривають.

Внутрішній конус вихрового гранулятора [6] має конфігурацію, показану на рис. 1. Проведені розрахунки, аналіз отриманих результатів і фізичної картини руху потоків дозволяє також говорити про доцільність застосування також таких грануляторів для виробництв невеликої потужності замість класичних циліндричних грануляційних веж.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Анаников С. В., Поляков Е. В. О движении капли в свободной струе// Изв. вузов. Авиационная техника. - №1. - 1977. - С.11 - 16.

2. Кочетков В. Н. Гранулирование минеральных удобрений. _ М.: Химия,1975. - 244 с.

3. Генералов М.Б., Классен П.В., Степанова А.Р., Шомин И.П. Расчёт оборудования для гранулирования минеральных удобрений _ М.:Машиностроение, 1984.-192 с., ил.

4. Казакова Е.А. Гранулирование и охлаждение азотосодержащих удобрений. - М.: Химия, 1980. - 288 с., ил

5. Холин Б.Г. Центробежные и вибрационные грануляторы плавов и распылители жидкости. _ М.: Машиностроение, 1977. - 182 с.

6. Деклараційний патент на винахід №2003109471 Спосіб гранулювання рідкого матеріалу і пристрій для його здійснення/ В.І. Склабінський, В.М. Маренок,
М.О. Кочергін.