Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Процессы и оборудования химической технологии

Диссертационная работа:

Уколов Андрей Александрович. Кинетика и моделирование сегрегации в сдвиговом потоке зернистой среды, разработка процесса и оборудования для сепарации : дис. ... д-ра техн. наук : 05.17.08 Тамбов, 2006 383 с. РГБ ОД, 71:07-5/70

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 8

1 Анализ технологических и научных проблем сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств частиц 22

1.1 Анализ современных процессов и оборудования для сепарации зернистых материалов 22

1.2 Анализ процессов и оборудования для сепарации зернистых материалов с использованием эффекта сегрегации 28

1.3 Анализ проблем моделирования сегрегации в быстрых гравитационных потоках зернистых материалов 38

1.4 Методы экспериментального исследования сегрегации и динамики течения (профилей скорости и порозности) в быстром гравитационном потоке 43

Выводы по главе 1 52

Задачи исследования 54

2 Кинетика сдвигового поточного разделения частиц. Моделирование процесса сегрегации, обусловленной локальной неоднородностью зернистой среды, в гравитационном потоке 56

2.1 Разработка метода и экспериментальной установки для определения коэффициента сегрегации в гравитационном потоке зернистой среды 56

2.2 Проверка гипотезы о пропорциональности скорости сегрегации параметру локальной неоднородности зернистой среды 68 2.3 Уточнение модели кинетики сдвиговой поточной сегрегации и исследование её прогностических свойств 79

Выводы по главе 2 98

3 Моделирование сегрегации частиц различной шероховатости и упругости при быстром сдвиге зернистой среды 100

3.1 Моделирование процесса разделения частиц зернистой среды, различающихся по комплексу свойств, обусловленного механизмом миграции 101

3.2 Сегрегация частиц различной шероховатости и упругости по механизму сдвигового поточного разделения 105

3.3 Подготовка модельной среды, исследование ее физико-механических свойств и склонности к сегрегации 109

3.4 Моделирование эффектов взаимодействия частиц различной шероховатости в гравитационном потоке 119

3.5 Комбинированная А-гипотеза косого удара и моделирование эффектов взаимодействия частиц в сдвиговом потоке 127

Выводы по главе 3 145

4 Сепарация зернистых материалов по комплексу физико механических свойств 147

4.1 Разработка технологии сепарации частиц, различающихся по комплексу физико-механических свойств, с использованием эффектов сегрегации 147

4.2 Исследование эффективности сепарации в сдвиговом гравитационном потоке зернистой среды 155

4.3 Сравнительный анализ эффективности разделения зернового материала в барабанном классификаторе при трех- и двухзональной схемах деления гравитационного потока 167 4.4 Математическая модель процесса многоступенчатой сепарации сыпучего материала с противотоком неоднородных частиц 170

Выводы по главе 4 175

5 Моделирование процесса сепарации по технологии "Мультисег" в барабанном аппарате 177

5.1 Разработка модели барабанного классификатора, спроектированного по технологии многоступенчатой сепарации с использованием эффектов сегрегации 177

5.2 Результаты моделирования процесса сепарации в барабанном аппарате и проверка адекватности модели 195

5.3 Исследование влияния коэффициента заполнения и его неоднородности по длине аппарата на эффективность сепарации 197

5.4 Методика расчета барабанного классификатора с использованием математической модели, учитывающей неравномерное заполнение по длине аппарата 214

5.5 Результаты промышленного внедрения предложенного способа сепарации зернистых материалов 220

Выводы по главе 5 222

6 Оптимизация конструктивных и технологических пара

метров сепаратора "Мультисег". Практические рекомендации 224

6.1 Исследование значимости конструктивных и технологических параметров методом моделирования процесса многоступенчатой сепарации в аппарате "Мультисег" 224

6.1.1 Модельная зернистая среда и ее свойства 224

6.1.2 Исследование влияния различных факторов на эффективность сепарации 229

6.2 Постановка задачи, выбор критерия и метода оптимизации 251

6.3 Исследование оптимальных конструктивных и технологических параметров сепаратора "Мультисег" 256

6.4 Методика определения оптимальных конструктивных и технологических параметров сепаратора "Мультисег" 266

6.5 Рекомендации по реализации результатов работы 271

Выводы по главе 6 274 

Введение к работе:

В настоящее время технология дисперсных материалов (Particle Technology) характеризуется [1] как бурно развивающаяся область науки, активно влияющая на мировую экономику. Эта технология имеет важное, все более возрастающее значение для развития химической, пищевой, горнообогатительной промышленности и многих других отраслей хозяйства. Интенсивные исследования, проводимые в рамках этой технологии, позволяют создавать новые материалы с оригинальными потребительскими свойствами, например, наноматериалы, разрабатывать эффективные технологические процессы и оборудование, а также совершенствовать действующее производство и находить решения актуальных проблем экологии.

Среди процессов технологии дисперсных материалов особое место занимает процесс сепарации, широко используемый на различных стадиях производства от подготовки сырья до конечных операций по обеспечению качества продукта. Традиционными задачами сепарации дисперсных материалов являются разделение частиц материала либо по размеру, либо по плотности. Однако, во многих случаях, в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства существует проблема сепарации частиц зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, чаще всего частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, размеру и упругости. Сепарация таких материалов сопряжена со значительными проблемами, связанными с необходимостью последовательного применения и ситовой классификации, и пневмо-гидравлической сепарации с использованием вспомогательных газо-жидкостных потоков и мощных источников вибрации. Эти обстоятельства приводят к снижению надежности и эффективности процесса, особенно в случае неправильной формы частиц, и, кроме того, являются причиной пониженной экологической безопасности вследствие загрязнения окружающей среды промышленными выбросами, а также шумо- и виброизлучением. Анализ указанной проблемы свидетельствует, что она имеет широкий межотраслевой характер и ее решение могло бы способствовать совершенствованию процессов сепарации в металлургии, энергетике, химической, горнорудной промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях.

Решение проблемы сепарации трудноразделяемых зернистых материалов предполагает разработку нетрадиционных методов, позволяющих сепарировать частицы одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, упругости и форме. С конца 1980-х годов [2,3] на кафедре ТО и ПТ ТГТУ разрабатывается технология и оборудование для сепарации зернистых материалов с использованием принципа многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц "Мультисег". Эффекты сегрегации (отделения) частиц, сходных между собой по какому-либо признаку (или комплексу свойств), организуются при этом в быстрых сдвиговых гравитационных потоках, характеризующихся интенсивным взаимодействием частиц с ярким проявлением названных эффектов. Как показывают экспериментальные исследования и опыт промышленной эксплуатации гравитационных сепараторов "Мультисег" [4], обсуждаемая проблема может быть решена с использованием эффектов сегрегации, обеспечивающих разделение частиц не только по размеру и плотности, но и по шероховатости и упругости, и форме. Однако, в случае различия частиц по комплексу физико-механических свойств при существенной их неоднородности по размеру возникает необходимость многостадийной организации процесса, что становится причиной существенного снижения технико-экономических показателей производства.

В настоящей работе проведены исследования, направленные на разработку процесса и оборудования для сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств частиц. Сепарация организуется за счет комплексного использования эффектов разделения (сегрегация), обусловленных действием механизмов сдвигового поточного разде ления и миграции, протекающих вследствие локальной и пространственной неоднородности среды соответственно. Комплексное использование эффектов обеспечивает сепарацию частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, размеру и упругости.

Для разработки и промышленного освоения такой технологии необходимо дальнейшее развитие теоретических основ соответствующих процессов разделения. Эта необходимость связана, с одной стороны, с тем, что до настоящего времени не решена проблема прогнозирования комплекса кинетических характеристик сегрегации. С другой стороны, несмотря на то, что сегрегация и миграция в быстром сдвиговом потоке частиц, различающихся по размеру и плотности, относительно неплохо изучена [4], соответствующие эффекты шероховатости и упругости остаются практически "белым пятном" в механике зернистых сред.

В связи с этим в настоящей работе параллельно с разработкой технологического процесса и оборудования для сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, проводятся исследования, направленные на уточнение кинетических закономерностей сегрегации, а также выявление и моделирование эффектов различной шероховатости и упругости частиц в гравитационном потоке зернистой среды.

Анализ указанных проблем свидетельствует, что они имеют актуальность и их решение могло бы способствовать развитию общей модели динамики сегрегации зернистых материалов и совершенствованию процессов и оборудования сепарации в промышленности и сельском хозяйстве.

Работа выполнена в соответствии с 1) единым заказ-нарядом 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" (2000 г.) 2) грантом Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области машиностроения "Теория и методы со здания энерго- и ресурсосберегающего оборудования многоассортементных и автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей" (шифр 97-24-12.2-13) на 1998-2000 гг. и в рамках НТП Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" в 2003, 2004 гг. по теме "Теоретические основы создания энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования гибких автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей при наличии неопределенности исходной информации".

Работа изложена на 305 страницах основного текста, состоит из введения, шести глав, выводов и приложений, содержит 5 таблиц и 87 рисунков. Таблицы, рисунки и формулы пронумерованы по главам. Список цитируемой литературы включает 196 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

В первой главе приведен анализ проблем, имеющих место в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства при сепарации зернистых материалов, частицы которых различаются по комплексу физико-механических свойств.

На основе анализа традиционной технологии многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц, базирующейся на использовании эффекта сегрегации в гравитационном потоке зернистой среды ("Мульти-сег"), а также анализа различных механизмов сегрегации, обусловленных локальной и пространственной неоднородностью зернистой среды, сделан вывод о целесообразности их комплексного использования для решения проблемы сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств.

Кроме того, проведен анализ работ, посвященных исследованию эффектов сегрегации в зернистых средах и их математическому моделированию. Рассмотрены различные механизмы сегрегации в сдвиговых потоках зернистых сред и методы прогнозирования кинетики процесса. Установлено, что наиболее универсальными прогностическими свойствами характеризуется общая модель динамики сегрегации, учитывающая потоки конвекции перемешивания и разделения частиц вследствие их квазидиффузии (миграции) и сдвигового поточного разделения. Однако прогностические свойства модели изучены в отношении смесей зернистых материалов, частицы которых различаются преимущественно по размеру и плотности. Исследований же эффектов разделения частиц, обусловленных различной шероховатостью и упругостью частиц, с использованием общей модели динамики сегрегации не проводилось.

Вместе с тем указывается на необходимость дополнительного исследования кинетики сдвигового поточного разделения, поскольку кинетический коэффициент процесса сегрегации в соответствии с этим механизмом определяется путем решения обратной существенно нелинейной задачи динамики сегрегации в быстром гравитационном потоке зернистой среды с использованием труднодоступных и недостаточно надежных экспериментальных данных. Показано, что отсутствие метода прямого определения коэффициента сегрегации является серьезным препятствием на пути исследования кинетики сегрегации в быстрых сдвиговых потоках зернистых сред и снижает достоверность соответствующих технологических расчетов.

В связи с тем, что такого рода исследования способствуют развитию общей модели динамики сегрегации и совершенствованию технологии сепарации неоднородных зернистых сред "Мультисег", делается вывод об актуальности исследования. Первая глава завершается формулировкой задач исследования.

Во второй главе диссертационной работы проведена разработка метода прямого экспериментально-аналитического определения коэффициента сегрегации, который, как установлено, является универсальной кинетической константой сегрегации в быстрых гравитационных потоках несвязных сферических частиц на шероховатом скате. Также разработана эксперименталь нал установка для определения коэффициента сегрегации в гравитационном потоке зернистой среды. Проведена апробация предложенного метода определения кинетической константы процесса сегрегации в исследованных границах его применения по соотношению размеров частиц. Кроме этого, сформулирована кинетическая зависимость, позволяющая прогнозировать скорость проницания (погружения) одиночных мелких и всплытия одиночных крупных частиц в быстром гравитационном потоке несвязных зернистых материалов с использованием только одной кинетической константы с учетом физико-механических свойств частиц и параметров потока. 

Выполнен сравнительный анализ различных вариантов формулировки движущей силы процесса сегрегации в быстром гравитационном потоке зернистого материала с использованием параметра неоднородности зернистой среды в виде избыточного момента сил AM. С использованием метода прямого определения коэффициента сегрегации установлено, что параметр ДМ в полной мере выполняет функцию движущей силы сегрегации, когда параметры условно однородной среды определяются как среднеобъемные для среды в целом. Также предложена уточненная формулировка уравнения кинетики сдвигового поточного разделения, исключающая необходимость использования постулата концентрационной зависимости потока.

Кроме того, проведено моделирование динамики сегрегации в быстрых гравитационных потоках модельных зернистых материалов, результаты которого свидетельствует о высоких прогностических свойствах предложенной модели кинетики процесса и обоснована возможность применения механизма сдвиговой поточной сегрегации как для описания процесса разделения смеси частиц, так и для прогнозирования скорости перемещения одиночной как мелкой, так и крупной частицы в гравитационном потоке с использованием единого кинетического коэффициента относительной скорости сегрегации.

В третьей главе проведен математический анализ процесса разделения частиц различной шероховатости и упругости в быстром сдвиговом потоке в соответствии с механизмами сдвигового поточного разделения и миграции, обусловленных соответственно локальной и пространственной неоднородностью зернистой среды. В результате анализа получены расчетные зависимости для определения кинетических характеристик разделения: коэффициента миграции и движущей силы сдвигового поточного разделения.

Предложена методика подготовки модельного материала из стеклянного бисера. Методика позволяет получать смесь однородных по размеру и форме частиц стеклянного бисера различной шероховатости.

Приведены результаты экспериментального исследования профилей скорости, порозности и концентрации шероховатых частиц в гравитационном потоке. В результате исследования обнаружены значительные эффекты сегрегации частиц различной шероховатости, а также существенная корреляция между распределением шероховатых частиц и распределением твердой фазы. В связи с этим сделан предварительный вывод о доминирующем влиянии механизма квазидиффузионного разделения (миграции) частиц различной шероховатости в гравитационном потоке малой толщины.

В процессе компьютерного моделирования динамики сегрегации обнаружена существенная зависимость коэффициента восстановления при соударении шероховатых частиц от скорости их столкновения. В связи с этим возникла необходимость определения величины коэффициента восстановления в области малых скоростей столкновения частиц, что приводит к техническим осложнениям при использовании традиционного визуального метода его определения. В работе предложен более доступный альтернативный метод определения коэффициента восстановления, основанный на анализе фонограммы звуковых колебаний, генерируемых частицей при многократном ее подскоке над основанием.

Проведено математическое моделирование динамики сегрегации частиц бисера различной шероховатости в быстром гравитационном потоке. Про верка результатов моделирования на адекватность с экспериментальными данными позволила обнаружить их заметное количественное несоответствие при общем адекватном характере распределения контрольных частиц на экспериментальном и расчетном профилях концентрации. Поэтапный анализ алгоритма получения расчетного профиля распределения частиц контрольного компонента позволил обнаружить аномально большие значения частоты соударений частиц при взаимодействии их в потоке. Это позволило сделать предположение о некорректном использовании гипотезы косого удара Рауса в ранее разработанной модели.

В связи с этим проведен анализ /- гипотезы косого удара (Рауса) при использовании ее для расчета удельной энергии диссипации при столкновении частиц. В результате анализа в сдвиговом потоке установлено, что в области определения энергии диссипации как функции коэффициентов трения и восстановления существует довольно значительная зона, в которой энергия диссипации принимает отрицательные значения. Этот результат очевидным образом противоречит физическому смыслу и указывает на некорректность применения / - гипотезы в этой области.

Поэтому возникла идея комплексного использования Я и / - гипотез, гипотез косого и лобового ударов. Объединение названных гипотез в единый комплекс проведено с использованием функции их взаимосвязи, в соответствии с которой в комбинированном варианте гипотезы коррелируются в зависимости от угла столкновения частиц.

Для реализации /- Я - гипотезы разработан метод экспериментального определения коэффициента редукции касательной составляющей импульса Я, позволяющий избежать традиционно возникающие при этом трудности.

Проведено исследование коэффициента Я для различных вариантов столкновения гладких и шероховатых частиц бисера в широком диапазоне скоростей столкновения, результаты которого позволили принять коэффициент Я независящим от скорости. С использованием предложенной комбинированной/-Я -гипотезы косого удара проведено моделирование динамики сегрегации частиц различной шероховатости в гравитационном потоке. Результаты моделирования свидетельствуют о существенном улучшении прогностических свойств модели. С заменой / - гипотезы на комбинированную f- X - гипотезу средняя квадратичная погрешность расчетных и экспериментальных результатов уменьшилась с 11,2 до 6,7 %.

По результатам исследований выданы рекомендации по организации процесса очистки семян от трудноотделимых примесей на сельскохозяйственных предприятиях.

Четвертая глава посвящена разработке технологии многоступенчатой сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, за счет использования совокупности эффектов сегрегации частиц в быстром гравитационном потоке. С учетом особенностей неоднородности структурно-кинематических характеристик быстрого сдвигового потока зернистой среды на шероховатом скате в нем выделены зоны, в которых доминируют либо эффекты квазидиффузионного разделения (миграции) вследствие пространственной неоднородности, либо сдвигового поточного разделения вследствие локальной неоднородности среды. Комплексное использование эффектов обеспечивает возможность разделения частиц, различающихся одновременно по размеру и плотности, размеру и шероховатости, размеру и упругости.

Экспериментально определены условия течения зернистой среды по шероховатому скату, обеспечивающие достижение максимального эффекта разделения частиц в соответствии с предложенным вариантом реализации технологии многоступенчатой сепарации "Мультисег". Выявлены существенные преимущества предлагаемой технологии по эффективности разделения по сравнению с традиционной во всем диапазоне изменения технологических параметров. Разработана общая математическая модель процесса многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц, выделяемых методом сегрегации, которая является математическим описанием комплекса абстрактных элементарных операций, протекающих в рамках процесса.

Пятая глава посвящена разработке математической модели гравитационного сепаратора для многоступенчатой сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, на базе аппарата с вращающимся барабаном и компьютерному моделированию процесса. Путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными проведена проверка адекватности модели.

Методом математического моделирования установлено существенное влияние коэффициента заполнения барабана на эффективность сепарации. В связи с этим предлагается инженерный метод прогнозирования распределения зернистого материала в аппарате с вращающимися барабаном при малых скоростях вращения последнего в зависимости от физико-механических характеристик среды, технологических и конструктивных параметров барабана.

С учетом предложенного метода разрабатывается усовершенствованная математическая модель многоступенчатой сепарации в барабанном сепараторе "Мультисег", функционирующем в режиме неоднородного заполнения аппарата.

В заключительной части главы предлагается методика технологического расчета барабанного сепаратора "Мультисег" для сепарации зернистых материалов, различающихся по комплексу физико-механических свойств, с использованием разработанной математической модели. Приводятся рекомендации по организации процесса сепарации для зерновой смеси, имеющей промышленное значение, и информация о результатах внедрения промышленной установки.

Шестая глава посвящена разработке метода оптимального проектирова ния барабанного сепаратора зернистых материалов "Мультисег". Сформулирована и решена задача оптимизации конструктивных и технологических параметров сепаратора. Разработано программное обеспечение для реализации на ПЭВМ предложенного метода решения оптимизационной задачи.

В заключительной части главы предложена методика расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров сепаратора "Мультисег" на основе оптимизационного алгоритма с использованием разработанного программного обеспечения для ПЭВМ. Приводятся результаты технологического расчета сепаратора зерна, полученные с применением предложенной методики, и разрабатываются рекомендации по модернизации действующих промышленных сепараторов. 

Подобные работы
Нагорнов Станислав Александрович
Разработка методов расчета процессов и создание оборудования для термообработки изделий в псевдоожиженных и циркуляционных средах
Плотников Роман Сергеевич
Разработка процессов и оборудования для разрезания изношенных автопокрышек с целью их утилизации
Вавилов Геннадий Валентинович
Исследование и разработка методов и оборудования для интенсификации процесса концентрирования обработанных щелоков
Ронкин Владимир Михайлович
Экспериментальное исследование процесса выпаривания алюминатных растворов в производстве глинозема способом Байера и разработка оборудования
Тишин Олег Александрович
Кинетика, моделирование, интенсификация и основы аппаратурного оформления химико-технологических процессов органического синтеза, сопровождаемых перемешиванием
Лукашев Павел Евгеньевич
Математическое моделирование трибохимической кинетики водородного износа
Гатапова Наталья Цибиковна
Кинетика и моделирование процессов сушки растворителей, покрытий, дисперсий, растворов и волокнистых материалов: единый подход
Светлова Ольга Рафаиловна
Разработка комплексных методов очистки жидких сред от твёрдой фазы в технологии получения продуктов переработки целлюлозы
Бауман Алексей Валентинович
Разработка процесса классификации суспензии гидроксида алюминия в гидроциклонах
Ханова Елена Александровна
Разработка процесса получения диоксида титана с применением переменного тока промышленной частоты

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net