Размещено на http://www.allbest.ru/

32

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Процессы с управляемыми сегрегированными потоками сыпучих материалов в барабанном тепломассообменном аппарате

Уколов Александр Андреевич

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Тамбов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» на кафедре «Технологическое оборудование и пищевые технологии».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Долгунин Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Першин Владимир Федорович

доктор технических наук, профессор

Кирсанов Виктор Александрович

Ведущая организация

ОАО «Научно-исследовательский

институт химикатов для полимерных

материалов» (НИИХимполимер), г. Тамбов

Защита диссертации состоится «____» декабря 2008 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_____» ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев

Подписано в печать 24.11.2008.

Формат 60 84 / 16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100. Заказ № 523

Издательско-полиграфический центр ТГТУ

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В различных отраслях промышленности и сельского хозяйства ежегодно перерабатываются и производятся сотни миллионов тонн сыпучих материалов (удобрения, минералы, пластмассы, зерно, пищевые продукты и т.д.). Специалисты в области технологии дисперсных материалов (Particle technology) считают, что наиболее общими и значимыми среди негативных факторов, сопровождающих процессы переработки сыпучих материалов, являются эффекты сегрегации (лат. segregatio - отделение). К основным негативным последствиям сегрегации относятся снижение качества продукции и технологические проблемы переработки неоднородных сыпучих материалов.

Технологические проблемы возникают в основном вследствие образования в рабочих объемах аппаратов сегрегированных технологических потоков, локализованных в отдельных зонах рабочего объема и характеризующихся неоднородностью гидродинамических условий, режимных параметров и среднего времени пребывания частиц. Традиционным способом решения названных проблем является использование различных методов и технических средств, либо снижающих склонность материалов к сегрегации, либо непосредственно разрушающих сегрегированные потоки. Однако такой подход является затратным и часто не приводит к радикальному решению проблем.

В настоящей работе для решения названных проблем рекомендуется принцип управления сегрегированными потоками, возникающими в рабочих объемах технологического оборудования. Названный принцип реализуется на базе барабанного тепломассообменного аппарата традиционной конструкции.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом Министерства образования РФ МНТП (шифр П.Т. 465, П.Т. 419) и включена в Государственную программу «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» по разделу «Высокие технологии межотраслевого применения».

Целью работы является разработка и совершенствование технологического оборудования для проведения тепломассообменных и гидромеханических процессов переработки зернистых материалов с высокой склонностью к сегрегации с использованием принципа управления сегрегированными потоками в барабанном тепломассообменном аппарате.

Достижение поставленной цели связано: с анализом характера движения и взаимодействия неоднородных частиц в сегрегированных потоках зернистого материала в барабанном тепломассообменном аппарате с периферийной насадкой традиционной конструкции; разработкой технических решений, реализующих принцип управления сегрегированными потоками, с целью повышения эффективности и расширения функциональных возможностей существующего оборудования; разработкой математической модели процессов разделения и смешения зернистых материалов с управляемыми сегрегированными потоками; исследованием эффективности технологического использования принципа управления сегрегированными потоками в соответствии с предложенными техническими решениями.

Научная новизна результатов работы. Предложен, обоснован теоретически и экспериментально вариант управления сегрегированными потоками в барабанном насадочном аппарате традиционной конструкции для организации тепломассообменных, гидромеханических и совмещенных процессов переработки неоднородных зернистых материалов: смешения материалов с высокой склонностью к сегрегации; сепарации трудноразделяемых смесей; тепломассообмена между газом (паром) и неоднородным сыпучим материалом с регулируемой дифференциацией времени пребывания неоднородных частиц в рабочем объеме аппарата, совмещенных гидромеханических и тепломассообменных процессов (сепарации - сушки, смешения и пр.).

Разработана математическая модель процессов разделения и смешения, реализующих предложенный вариант управления сегрегированными потоками зернистых материалов, которая позволяет прогнозировать динамику полей концентрации целевого компонента в периодическом и непрерывном (переходном) процессах с использованием единой кинетической характеристики - коэффициента разделения компонентов смеси в сегрегированных потоках.

Практическая ценность. Проведено исследование технологических возможностей предложенного варианта управления сегрегированными потоками зернистого материала в барабанном тепломассообменном аппарате с периферийной насадкой традиционной конструкции, в результате которого установлено, что его реализация позволяет, управляя потоками в едином технологическом модуле, организовывать процессы:

- сепарации трудноразделяемых смесей;

- смешения материалов с высокой склонностью к сегрегации;

- тепломассообмена между газом (паром) и дисперсным материалом с управлением времени обработки неоднородных частиц в рабочем объеме аппарата;

- совмещенные тепломассообменные и гидромеханические процессы (сушки - сепарации, сушки - смешения и др.).

Предложены устройства для управления сегрегированными потоками в барабанном тепломассообменном аппарате с периферийной насадкой традиционной конструкции, которые защищены двумя патентами РФ на изобретения (положительные решения по заявкам № 2006140756/15(044511) от 15.04.2008 г. и № 2007144441/15(048692)

от 17.09.2008 г.).

Проведена экспериментальная проверка эффективности аппарата многофункционального назначения, спроектированного в соответствии с патентом РФ (положительное решение по заявке № 2007144441/15), при использовании его в качестве смесителя трудносмешиваемых материалов, сепаратора трудноразделяемых смесей и аппарата для обработки неоднородных сыпучих материалов с регулируемым временем пребывания неоднородных частиц. Разработан технический проект соответствующего промышленного аппарата, который принят к внедрению техническим советом ООО «Оптима-Т» с расчетным экономическим эффектом 230 тыс. рублей в год. смешение барабанный концентрация тепломассообмен

Автор защищает. Предложенный вариант управления сегрегированными потоками неоднородных зернистых материалов в барабанном насадочном аппарате для организации тепломассообменных, гидромеханических и совмещенных процессов.

Устройства для переработки неоднородных зернистых материалов с управляемыми сегрегированными потоками многоцелевого назначения и результаты экспериментального и аналитического исследования их технологических характеристик.

Математическую модель процессов разделения и смешения неоднородных зернистых материалов с управляемыми сегрегированными потоками.

Методику инженерного расчета аппарата с управляемыми сегрегированными потоками зернистого материала на базе барабанного тепломассообменного аппарата традиционной конструкции при организации в нем процессов разделения и смешения.

Апробация результатов работы. Результаты работы доложены: на V юбилейной школе-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2007 г.); XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (г. Тамбов, 2008 г.); X международной конференции по химической и биологической инженерии «CHEMPOR 2008» (г. Брага, Португалия, 2008 г.).

По результатам диссертации опубликовано 7 работ, из которых одна в рецензируемом журнале из перечня ВАК и 2 патента РФ на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников (наименования работ отечественных и зарубежных авторов), приложения и документов, подтверждающих практическое использование результатов работы. Работа изложена на 101 странице, содержит 23 рисунка и 1 таблицу.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая значимость, основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных и патентных источников, который позволил сделать вывод о том, что сегрегация признается как один из самых общих и значимых негативных факторов. Для компенсации негативных эффектов сегрегации используются разнообразные способы и технические средства, которые являются затратными и осложняющими технологические процессы. Вместе с тем установлено, что технологические аспекты сегрегации чрезвычайно многообразны и, в общем случае, не могут быть оценены однозначно. Многообразие технологических аспектов сегрегации приводит к идее гибкого технологического использования ее эффектов путем управления сегрегированными потоками неоднородных зернистых материалов в рабочих объемах технологического оборудования.

Глава завершается формулировкой задач исследования.

Вторая глава посвящена анализу гидродинамических условий, способствующих формированию сегрегированных потоков в рабочем объеме технологического оборудования. Особое внимание уделено специфике образования сегрегированных потоков зернистого материала в барабанном тепломассообменном аппарате с периферийными подъемными лопастями традиционной конструкции. В засыпке материала над лопастями в нижней части барабана образуется сегрегированный сдвиговый гравитационный поток частиц. При этом вблизи открытой поверхности засыпки сегрегированный поток обогащен крупными и менее плотными частицами, в то время как вблизи основания потока концентрируются мелкие и более плотные частицы. Вследствие этого лопасть заполняется первоначально крупными и менее плотными частицами с открытой поверхности сегрегированного потока и затем более мелкими и более плотными частицами из глубинных его слоев. В результате в подъемной части барабана с лопастей ссыпаются мелкие и более плотные частицы, а затем - в опускной части барабана падают крупные и менее плотные частицы.

Таким образом, сегрегированный поток, зарождающийся на поверхности засыпки материала в барабане, становится причиной образования сегрегированного потока падающих частиц. Наблюдаемая взаимосвязь названных потоков настолько тесная, что их совокупность следует рассматривать как единый сегрегированный поток, содержащий две его сегрегированные части, одна из которых перемещается по внешнему (большому) контуру, пролегающему через падающий слой в опускной части барабана, а другая - по внутреннему (малому) контуру циркуляции, пролегающему через падающий слой в подъемной части барабана.

При анализе акцентируется внимание на специфических технологических задачах, возникающих при организации процессов переработки неоднородных зернистых материалов: выравнивание времени пребывания и однородное распределение неоднородных частиц в рабочем объеме аппарата; дифференциация неоднородных частиц по времени и условиям их обработки; совмещение технологических процессов, интенсифицирующее переработку материалов.

Для решения комплекса перечисленных задач с учетом специфики сегрегированных потоков в барабанном тепломассообменном аппарате с периферийной насадкой традиционной конструкции в работе используется принцип управления сегрегированными потоками. На основе этого принципа предложены технические решения, защищенные двумя патентами РФ на изобретения.

Одно из предложенных устройств, выполненное в виде системы управляемых отклоняющих элементов, установленных неподвижно в горизонтальной плоскости, параллельными рядами симметрично относительно продольной оси барабана представлено на рис. 1. Отклоняющие элементы управляющей насадки 7 выполнены в виде воронок с наклонными течками с возможностью изменения направления их наклона. Такое устройство отклоняющих элементов позволяет оперативно изменять структуру потока твердой фазы и ее неоднородных частей в аппарате и, в результате, принципиально влиять на функциональные свойства тепломассообменного аппарата, придавая ему дополнительные функции сепаратора, смесителя и тепломассообменного устройства с регулируемым временем обработки неоднородных компонентов дисперсной твердой фазы.

На рисунке 1 в качестве одного из вариантов использования названного устройства представлен тепломассообменный аппарат - смеситель для сыпучих материалов. Отклоняющие элементы в этом аппарате наклонены к торцам барабана и при этом течки соседних элементов в каждом из рядов и смежных элементов в параллельных рядах наклонены в противоположную сторону. Для регулирования относительной величины сегрегированных потоков частиц, падающих в подъемной и опускной частях, между рядами управляющей насадки на сопряженных кромках воронок параллельных рядов закреплена поворотная пластина 8.

Барабанный смеситель работает следующим образом.

При вращении барабана 1 в нем образуются сегрегированные потоки в соответствии с ранее рассмотренной схемой. В результате на отклоняющие элементы 7 подъемной части барабана ссыпается преимущественно мелкая и более плотная фракция смеси, а на элементы опускной - преимущественно крупная и менее плотная фракция.

Рис. 1. Схема барабанного тепломассообменного аппарата с насадкой, управляющей сегрегированными потоками: 1 - барабан; 2 - лопасти подъемные; 3, 5 - камеры приемная и разгрузочная; 4 - патрубок ввода компонентов; 6 - патрубок вывода смеси; 7 - элементы отклоняющие; 8 - пластина поворотная

Вследствие противоположного наклона течек соседних отклоняющих элементов в каждом из рядов и смежных элементов в параллельных рядах сегрегированные потоки получают продольные знакопеременные импульсы и интенсивно перемешиваются. Насадка обеспечивает гибкое и эффективное полнопоточное управление сегрегированными потоками не только в осевом, но и радиальном направлениях.

В третьей главе разрабатывается математическая модель процессов разделения и смешения сыпучих материалов в барабанном тепломассообменном аппарате с управляемыми сегрегированными потоками. С этой целью проанализированы схемы потоков при загрузке исходного материала либо с одного из его торцов (смешение), либо в центральную часть (разделение). Неподвижная насадка (рис. 1) организует и направляет внутренние потоки либо для реализации технологии многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц, либо для создания множества зон интенсивного перемешивания. При этом выделены следующие основные стадии движения частиц: 1) перемещение в скатывающемся слое засыпки в нижней части барабана; 2) заполнение лопастей барабана; 3) перемещение в неподвижном относительно барабана слое засыпки; 4) движение по одному из рядов отклоняющих элементов; 5) падение с отклоняющих элементов в засыпку.

Поток продольного перемешивания на стадиях 1 и 2 описан диффузионной моделью:

. (1)

Массовая скорость движения материала вдоль барабана определяется как:

(2)

где - координата нейтрального сечения загрузки, в которой осредненная скорость движения материала вдоль барабана равна нулю.

При сепарации осредненная скорость движения частиц вдоль барабана будет иметь противоположное направление и, в общем случае, различную величину по разные стороны от . Тогда можно определить, исходя из заданного отношения производительностей аппарата по правому и левому торцам барабана, воспользовавшись уравнением:

(3)

При осуществлении процессов смешения с загрузкой смешиваемых компонентов через один из торцов выражение (2) примет вид:

(4)

Осредненную линейную скорость движения материала вдоль барабана вычисляют как:

(5)

Тогда величина продольного потока целевого компонента с концентрацией в сечении будет равна:

(6)

Если идентифицировать действие подъемно-лопастной насадки (стадия 3) отрицательным источником целевого компонента , а действие насадки, управляющей сегрегированными потоками (стадии 4 и 5) - положительным источником , то после подстановки их и выражений (5) и (1) в общее уравнение переноса субстанции, получим дифференциальное уравнение, описывающее динамику распределения частиц целевого компонента по длине барабана:

(7)

Источники и определены как функции конструктивных (размеров барабана, элементов подъемной и управляющей насадок, их числа и размещения в рабочем объеме), режимных (скорости вращения и коэффициента заполнения барабана) параметров, угла естественного откоса, плотности и размера частиц с учетом кинетических характеристик процесса формирования сегрегированных потоков.

При моделировании динамики процессов разделения и смешения в качестве основной кинетической характеристики использован коэффициент разделения, который определяется экспериментально как константа для данной смеси через отношение концентраций целевого компонента в сегрегированных потоках, в подъемной и опускной частях барабана.

При этом мощность источника выражена в виде:

(8)

а мощность источника в виде:

где - время прохождения частицей всех стадий движения.

Функции и выражены с учетом специфики сегрегированных потоков в процессах разделения и смешения.

Граничные условия у торцов барабана записаны в виде:

(9)

При моделировании процесса сепарации практически наиболее значимым будет следующее начальное условие:

(10)

При моделировании процесса смешения в аппарате периодического действия принято наиболее «жесткое» для этого случая начальное условие:

(11)

Математическая модель реализована на ЭВМ при моделировании динамики процессов сепарации и смешения (гл. 4). С этой целью уравнение динамики процесса (7) с граничными условиями (9) приведено к алгебраическим уравнениям с использованием разностной схемы Кранк-Николсона. Шаг по переменной выбран при этом кратным длине ячейки управляющей насадки и рабочей длине барабана.

В четвертой главе проведено исследование технологических характеристик аппарата с управляемыми сегрегированными потоками и проверка адекватности разработанного в главе 3 математического описания процессов сепарации и смешения.

С учетом многофункционального назначения аппарата целью исследования было определение его характеристик при использовании в качестве: 1) сепаратора трудноразделяемых смесей; 2) смесителя для трудносмешиваемых материалов с высокой склонностью к сегрегации; 3) тепломассообменного аппарата, позволяющего управлять временем пребывания неоднородных частиц.

В соответствие с задачами исследования разработана и изготовлена экспериментальная установка, которая схематически представлена на рис. 2. Установка состоит из установленного на бандажах вращающегося барабана диаметром 0,3 м и длиной 1,2 м. Барабан снабжен зубчатым венцом, крутящий момент на который передавался от электродвигателя через ременную передачу и редуктор. Для обеспечения возможности бесступенчатого регулирования скорости вращения барабана использовался двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением обмоток статора.

На внутренней поверхности барабана закреплены Г-образные лопасти. В центральной части барабана установлено загрузочное устройство для подачи смеси на разделение, которое выполнено в виде отрезка спиралеобразного полого шнека. По торцам барабана установлены с помощью уплотнений камеры, имеющие необходимые загрузочно-разгрузочные штуцера для ввода компонентов смеси и выгрузки продуктов разделения. Для подачи компонентов на смешение и смеси на сепарацию установка снабжена тарельчатым и вибрационным дозаторами.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования эффектов управления сегрегированными потоками: 1 - барабан; 2 - насадка периферийная; 3 - насадка управляющая; 4 - пластина поворотная; 5 - привод; 6 - камеры загрузочно-разгрузочные; 7 - устройство для загрузки смеси; 8, 9 - вибрационный и тарельчатый дозаторы

В центральной части барабана осесимметрично с ним установлена насадка, предназначенная для управления сегрегированными потоками зернистого материала в падающем слое завесы. Насадка, конструкция которой аналогична таковой для устройства, изображенного на рис. 2, состоит из 11 пар отклоняющих элементов, выполненных в виде воронок с наклонными течками. За счет изменения направления течек воронок при их повороте вокруг вертикальной оси и регулирования угла наклона поворотной пластины в аппарате обеспечивается управление направлением и интенсивностью сегрегированных потоков.

При исследовании использованы зернистые материалы, различающиеся по размеру и плотности частиц (гранулы полиэтилена и стекла, горох, ячмень и овес). Материалы в опытах подбирались таким образом, чтобы они в сочетании образовывали либо трудно приготавливаемую, либо трудно разделяемую бинарную смесь.

Оценка степени однородности распределения компонентов в смеси осуществлялась с использованием коэффициента вариации. Концентрации компонента в пробах определялись весовым методом.

Отбор проб в непрерывном режиме организации процессов осуществлялся в течение фиксированных промежутков времени на выходе из аппарата, начиная с момента заполнения барабана. При организации процессов разделения и смешения в периодическом режиме оценка однородности смеси осуществлялась по длине аппарата с использованием специального устройства для отбора проб. Устройство представляло собой короб прямоугольного сечения, в котором размещалась одна из лопастей в момент ее выхода из засыпки. После поворота барабана вместе с коробом на некоторый угол (90) содержимое выгружалось в короб, разделялось поперечными перегородками на ряд секций и каждая из них анализировалась на содержание целевого компонента. После анализа материал проб возвращался в соответствующие секции пробоотборника и выгружался в аппарат.

Исследование процесса смешения проведено при различных вариантах его организации: 1) в периодическом режиме; 2) в непрерывном режиме при непрерывном дозировании; 3) в непрерывном режиме при порционном микродозировании одного из компонентов.

При организации процесса смешения отклоняющие элементы насадки, управляющей сегрегированными потоками, ориентировались таким образом, чтобы сообщать названным потокам знакопеременные импульсы, ориентированные, преимущественно, вдоль оси барабана, загрузочное устройство в центральной части барабана (рис. 2) изолировалось.

Оценка эффективности проводилась путем определения динамики процесса в аппаратах (с различными вариантами конструкций управляющих насадок) с управлением и без управления сегрегированными потоками при приготовлении смесей трудносмешиваемых компонентов (гранулы полиэтилена - бисер, горох - овес).

В качестве примера на рис. 3 приведены результаты исследования динамики процесса смешения гранул полиэтилена и стеклянного бисера при скорости вращения барабана 18 мин-¹ (Fr = 0,054). С целью оценки погрешности измерений, повышения их точности и проверки адекватности разработанного математического описания процесса проводились три параллельных опыта, результаты которых усреднялись после проверки на статистическую однородность.

При моделировании в качестве основного кинетического параметра, определяющего интенсивность формирования сегрегированных потоков в барабанном насадочном аппарате, использован коэффициент разделения. Этот коэффициент определялся как константа, инвариантная по отношению к концентрации смеси, с использованием плоской модели, при полной физической аналогии последней с реальным аппаратом.

Рис. 3. Динамика распределения концентрации целевого компонента (бисер +3.0-3.5) в смеси с полиэтиленом (+4.0-5.0) по длине барабана для периодического режима смешения: 1 - 0 с; 2, 5 - 24 с; 3, 6 - 72 с; 4, 7 - 360 с (1, 2, 3, 4 - экспериментальные, 1, 5, 6, 7 - расчетные)

Адекватность результатов моделирования и экспериментальных данных подтверждена стандартным методом при 5 %-ном уровне значимости и среднем квадратичном отклонении 6,9 %.

С целью осуществления сравнительной оценки эффективности использования предложенных в гл. 2 устройств для управления сегрегированными потоками приведены результаты исследования кинетики процесса смешения, полученные в одном и том же барабанном аппарате при одинаковой скорости его вращения с установкой и без установки управляющих насадок. Результаты, представленные в виде зависимости коэффициента вариации от времени протекания процесса, свидетельствуют о том, что одни и те же значения эффективности смешения достигаются в аппарате с неподвижной насадкой, состоящей из воронкообразных элементов, в среднем в 2 раза быстрее, чем в аналогичном аппарате с насадкой, вращающейся вместе с барабаном и состоящей из элементов с обоюдосторонней рабочей поверхностью. В отсутствие же насадки, управляющей сегрегированными потоками, процесс перемешивания протекает чрезвычайно медленно.

При исследовании процесса непрерывного смешения подача вышеназванных компонентов осуществлялась с помощью дозаторов в торцевую часть аппарата (рис. 2). По истечении времени заполнения барабана на его выходе полным потоком отбирались пробы продолжительностью 5 с интервалом в 30 с, которые затем анализировались. Результаты исследования в нестационарной фазе процессов с управлением и без управления сегрегированными потоками представлены на рис. 4. Коэффициент вариации в аппарате с управляющей насадкой составил V_c = 2,98 %, а в аппарате без управляющей насадки V_c = 19,62 %.

Таким образом, управление потоками неоднородных частиц путем сообщения им сбалансированных знакопеременных импульсов позволяет не только существенно повысить качество смеси, но и значительно сократить период выхода аппарата на стационарный режим.

Качество смеси сыпучих материалов в большей мере зависит от точности дозирования, которое, в общем случае, снижается с уменьшением потока дозируемого материала. В связи с этим, в настоящей работе проведено исследование эффективности использования предложенного технического решения для организации процесса непрерывного приготовления смеси зернистых материалов с высокой склонностью к сегрегации при порционном микродозировании одного из компонентов.

Рис. 4. Динамика изменения концентрации целевого компонента в смеси при непрерывном режиме смешения при различных вариантах организации процесса:

1 - с управлением сегрегированными потоками;

2 - без управления сегрегированными потоками.

Методика эксперимента была аналогична изложенной для случая непрерывного дозирования, за исключением того, что один из компонентов («микродоза» с концентрацией в смеси 4 10 -³ кгкг -¹) вводят в аппарат порционно через каждые 60 с при массе дозы 13 10 -³ кг.

Результаты исследований свидетельствуют о высокой сглаживающей функции аппарата с управляющей насадкой, что проявляется в значительно меньшем коэффициенте вариации V_c = 5,8 % для аппарата с управляющей насадкой против V_c = 21,1 % для аппарата без такой насадки.

Для исследования технологических характеристик предложенного устройства при использовании его в качестве сепаратора проведены опыты по сепарации трудноразделяемых смесей (полиэтилен +2,5 - 4.0 и бисер +3,0 - 3,5; ячмень - овсюг), последняя из которых относится к традиционно трудноразделяемым зерновым смесям.

Загрузка смеси осуществлялась через загрузочное устройство в центральной части барабана (рис. 2), а выгрузка компонентов смеси через торцевые камеры. Отклоняющие элементы устройства для управления сегрегированными потоками устанавливались таким образом, чтобы усилить встречные сегрегированные потоки к торцам барабана. Исследование проведено путем изучения динамики распределения целевого компонента в рабочем объеме барабана в процессе выхода аппарата на стационарный режим эксплуатации.

Барабан заполнялся исходной смесью равномерно по длине и одновременно включались привод барабана и подача исходной смеси. В определенные моменты времени процесс прерывался и анализировалось распределение концентрации целевого компонента по длине барабана по методике, аналогичной использованной ранее при исследовании динамики процесса периодического смешения. С целью статистической оценки погрешностей результатов исследования и проверки адекватности предложенной математической модели, выполнялись три параллельных опыта.

Адекватность предложенной в гл. 3 математической модели, при моделировании динамики процесса сепарации смеси полиэтилен - бисер в переходном режиме, и проверена путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными. Сравнение подтвердило адекватность моделирования при средней квадратичной погрешности 9,4 % с доверительной вероятностью 95 %.

С целью оценки эффективности аппарата при организации процессов разделения сыпучих материалов по комплексу физико-механических свойств частиц проведено экспериментальное исследование процесса сепарации традиционно трудноразделяемой зерновой смеси ячмень - овсюг. Исследование проведено при производительности 150 кгчас -¹ по исходной смеси с концентрацией овсюга около 100 кг -¹. Эксперимент проведен в соответствии с методикой, использованной при исследовании процесса сепарации предыдущей смеси с той лишь разницей, что динамические характеристики аппарата определялись путем измерения концентрации овсюга в продуктах разделения в процессе выхода аппарата на стационарный режим. Представленные на рис. 5 результаты показывают, что аппарат обеспечивает практически полное извлечение примеси с выходом целевой фракции около 80 % при времени выхода на стационарный режим около 120 с. Кроме того, параллельно с процессом сепарации в аппарате осуществляется и калибровка зерна по массе. Измерения массы тысячи зерен показали, что величина последней в чистом продукте составляет 47 г, а в загрязненной фракции - 44 г.

Рис. 5. Динамика процесса разделения смеси ячмень - овсюг в барабанном сепараторе - сушилке:

1 - концентрация овсюга в целевом продукте;

2 - концентрация овсюга в загрязненной фракции

Как было отмечено во введении, образование сегрегированных потоков является причиной негативных последствий (неоднородности качества, низкого выхода и т.д.) вследствие различного времени пребывания неоднородных частиц в рабочем объеме оборудования (сушилок, грануляторов, теплообменников и др.).

В связи с этим, в работе проведено исследование технологических возможностей устройства, управляющего сегрегированными потоками, при использовании его в качестве средства для управления временем пребывания неоднородных частиц в рабочем объеме аппарата. Исследование проведено в соответствии с методом импульсного ввода индикатора, но с той лишь разницей, что в качестве индикатора использовано вещество, сильно сегрегирующее в сочетании с веществом технологического потока.

В качестве основного материала, формирующего технологический поток, использовались частицы бисера фракции +3,0-4,0. В качестве сегрегирующего индикатора использовались полиэтиленовые гранулы фракции +4,5-5,0 с массой дозы 5,72 10 -² кг.

После загрузки барабана и выхода установки на стационарный режим ( = 2,62 с-¹; G = 0,075 кгс-¹; = 0,1), одновременно с вводом дозы индикатора начинался непрерывный отбор проб материала на выходе из барабана, объем которых формировался полным потоком в течение каждых 15 с, и которые затем анализировались на содержание в них частиц индикатора.

Для достижения необходимого эффекта течки отклоняющих элементов управляющей насадки, ориентировались таким образом, чтобы сообщить дополнительный избыточный импульс в направлении выгрузки той части сегрегированного потока, частицы которой должны перемещаться с меньшим временем пребывания. Время пребывания варьировалось путем изменения величины названного импульса.

Результаты исследования, представленные на рис. 6, свидетельствуют о том, что время пребывания частиц целевого компонента может быть увеличено или уменьшено более чем в два раза по сравнению со средним временем пребывания частиц в аппарате.

Рис. 6. Распределение частиц сегрегирующего индикатора (полиэтилен фракции +4,5-5,0) по времени пребывания в потоке бисера (фракция +3,0-4,0) в рабочей зоне аппарата: 1, 2 - соответственно при 100 % и 50 %-ном импульсах на поток обогащенный индикатором; 3 - в отсутствие импульса; 4 - при 30 %-ном импульсе на поток обедненный индикатором

Глава пятая содержит информацию по практическому использованию результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы здесь для разработки методики технологического расчета аппарата с управляемыми сегрегированными потоками на базе разработанной математической модели процессов разделения и смешения.

Завершается глава информацией о практической реализации результатов исследований для решения технологических задач АПК.

Существующие технологии и оборудование переработки зерновых материалов в недостаточной мере обеспечивают сепарацию трудноотделимых примесей и калибровку по размеру и плотности. На многих предприятиях, в том числе и достаточно крупных, отсутствуют зерносушилки, что не позволяет обеспечить сохранность зерна.

К числу востребованных технологических операций в перерабатывающих производствах относится приготовление смесей из трудно смешиваемых компонентов (посевных смесей, комбикормов, комбинированных продуктов питания и др.), для выполнения которых необходимо специальное смесительное оборудование.

Проведенные исследования свидетельствуют, что для решения комплекса перечисленных задач, может быть использован технологический модуль с управляемыми сегрегированными потоками на базе барабанного тепломассообменного аппарата традиционной конструкции. Разработан технический проект промышленного аппарата многоцелевого назначения для тепломассообменных и гидромеханических, в том числе совмещенных процессов для производств малого и среднего бизнеса, который принят к внедрению.

Общие выводы и основные результаты работы

Предложен и обоснован теоретически и экспериментально вариант управления сегрегированными потоками в барабанном насадочном аппарате традиционной конструкции для организации тепломассообменных, гидромеханических и совмещенных процессов переработки неоднородных зернистых материалов: смешения материалов с высокой склонностью к сегрегации; сепарации трудноразделяемых смесей; тепломассообмена между газом (паром) и неоднородным сыпучим материалом с регулируемой дифференциацией времени пребывания неоднородных частиц в рабочем объеме аппарата, совмещенных гидромеханических и тепломассообменных процессов (сепарации - сушки, смешения и пр.).

Предложены устройства для переработки зернистых материалов с управляемыми сегрегированными потоками частиц, которые защищены двумя патентами РФ на изобретения (положительные решения по заявкам № 2006140756/15(044511) от 15.04.2008 г. и № 2007144441/15(048692) от 17.09.2008 г.).

Разработана математическая модель процессов разделения и смешения с управляемыми сегрегированными потоками зернистых материалов, которая позволяет прогнозировать динамику полей концентрации целевого компонента в периодическом и непрерывном (переходном) процессах с использованием единой кинетической характеристики - коэффициента разделения компонентов смеси в сегрегированных потоках.

Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка с управляемыми сегрегированными потоками на базе барабанного тепломассообменного аппарата с периферийной насадкой традиционной конструкции. Установка обеспечивает возможность гибкого управления величиной и направлением сегрегированных потоков в аппарате с целью достижения различных технологических целей (разделение и смешение неоднородных частиц, управление временем их пребывания в аппарате, организация совмещенных процессов).

Разработана методика экспериментов и проведены исследования, в результате которых установлена эффективность организации процессов сепарации трудноразделимых смесей по комплексу физико-механических свойств, смешения материалов с высокой склонностью к сегрегации и управления временем пребывания неоднородных частиц (на порядок снижается время наступления стационарного состояния, в 6 раз уменьшается коэффициент вариации состава продукта и обеспечивается возможность более чем двукратного уменьшения (увеличения) относительного времени пребывания неоднородных частиц по сравнению с аппаратом традиционной конструкции).

Проведено математическое моделирование динамики полей концентрации целевого компонента в процессах образования смеси в периодическом режиме и сепарации в период выхода аппарата на стационарный режим эксплуатации. Статистическая оценка однородности результатов моделирования и экспериментальных данных свидетельствует об их адекватности.

Результаты исследований использованы для разработки методики инженерного расчета и проектирования промышленного аппарата для переработки зерновых материалов, который принят к внедрению ООО «Оптима-Т» (г. Тамбов) с расчетным годовым экономическим эффектом 230 тыс. руб.

Основные обозначения

c - концентрация контрольного компонента, кгкг-¹; D_пр - коэффициент продольного перемешивания, м²с-¹; D - диаметр барабана, м; F_л - площадь поперечного сечения засыпки материала на лопасти, м²; G_вх - производительность аппарата, кгс-¹; G - массовая скорость движения материала кгс-¹; g_i(z) - функция плотности распределения потока частиц после i-й ячейки; , - функции источников (стоков) целевого компонента, м²с-¹; I_l - плотность распределения загрузки материала по длине барабана, м²с-¹; L - длина барабана, м; S - площадь поперечного сечения засыпки материала, м²; w - скорость поступательного движения частицы, мс-¹; z -координата по длине барабана, м; - коэффициент заполнения барабана, м³м-³; - отношение производительности подъемно-лопастной насадки к массе засыпки материала, с-¹; - плотность частиц, кгм-³; - время, с; - угловая скорость, с-¹.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1.Уколов, А.А. К решению проблемы приготовления смеси трудносмешиваемых материалов / А.А. Уколов, В.Н. Долгунин // Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации : сб. докл. V юбилейной школы-конференции с международным участием. - М. : МГУПП, 2007. - С. 327 - 330.

2.Процессы подработки зерна в управляемых сегрегированных потоках / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, А.Н. Куди, А.А. Уколов, А.А. Кондрашечкин // Хранение и переработка зерна. - 2008. - № 6. - C. 38.

3.Operating the segregated flows of particulate materials as a principle of technological process organization / V.N. Dolgunin, O.O. Ivanov, A.M. Klimov, A.A Ukolov. // 10th International Chemical and Biological Engineering Conference. - Braga, Portugal, 2008. - full text of paper in CD.

4.Dolginun, V.N.The treatment of nonuniform granular materials by means of operating the segregated flows / V.N. Dolginun, O.O. Ivanov, A.A. Ukolov // Transactions of TSTU. - 2008. - Vol. 14. - № 2. - С. 321 - 327.

5.Уколов А.А. К решению проблемы приготовления смеси трудносмешиваемых материалов / А.А. Уколов, О.О. Иванов, А.А. Кондрашечкин // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. - Тамбов, 2008. - Вып. 21. - С. 69 - 72.

6.положительное решение на заявку 2006140756/15(044511). Насадка вращающегося барабана / В.Н. Долгунин, А.Н. Куди, А.А. Уколов, В.И. Карев. - Принято 15.04.2008 г.

7.положительное решение на заявку 2007144441/15(048692). Насадка вращающегося барабана / В.Н. Долгунин, О.О. Иванов, А.А.Уколов. - Принято 17.09.2008 г.

Размещено на Allbest.ru