Исследование процессов смешивания сыпучих материалов в лопастных смесителях непрерывного действия

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.