научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОЗНОСТИ ПОРОШКОВ ПРИ КОМПАКТИРОВАНИИ ДАВЛЕНИЕМ В СМЕCИТЕЛЯХ-ДЕАЭРАТОРАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОЗНОСТИ ПОРОШКОВ ПРИ КОМПАКТИРОВАНИИ ДАВЛЕНИЕМ В СМЕCИТЕЛЯХ-ДЕАЭРАТОРАХ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 4, с. 456-466

УДК 621.8.67.4-492.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОЗНОСТИ ПОРОШКОВ ПРИ КОМПАКТИРОВАНИИ ДАВЛЕНИЕМ

В СМЕШТЕЛЯХ-ДЕАЭРАТОРАХ © 2015 г. А. Б. Капранова, А. И. Зайцев, И. О. Кузьмин

Ярославский государственный технический университет kapranova_anna@mail.ru Поступила в редакцию 22.08.2013 г.

Предложен способ определения функции порозности тонкодисперсной смеси в процессе ее механического уплотнения (деаэрации) в валково-ленточном зазоре в зависимости от декартовых координат в продольной плоскости валка устройства с учетом физико-механических характеристик деаэрируемой среды, который положен в основу инженерной методики расчета двухступенчатой валково-ленточной уплотнительной части аппарата, предназначенного для последовательного выполнения технологических операций предварительного смешивания порошков и деаэрации их смесей.

Ключевые слова: процесс, механическое уплотнение (деаэрация), дисперсная среда, предварительное смешивание, смесь, тонкодисперсный компонент, сжимаемость, валково-ленточное устройство, порозность, производительность, целевая функция, оптимальные параметры, качество смеси.

Б01: 10.7868/80040357115040065

ВВЕДЕНИЕ

Одним из этапов переработки сыпучих материалов является процесс их механического уплотнения (деаэрации). Целью настоящего исследования является разработка теоретической базы для инженерного расчета валково-ленточ-ного устройства, предназначенного для деаэрации порошковых сред с высоким газосодержанием (до 80%). Кроме того, данное устройство может быть использовано как одна из частей аппарата с двумя последовательными этапами переработки порошков — их смешиванием и деаэрацией получаемой смеси. Процесс деаэрации твердых дисперсных продуктов, являясь в некоторых технологических цепочках только первой стадией их прессования [1—4], предполагает уменьшение объема исходного сыпучего материала при истечении газа из его пор в отсутствии упругопласти-ческих деформаций составляющих частиц за счет возникающих в системе градиентов давлений. Как известно [1], существуют различные способы достижения желаемого эффекта более плотной упаковки сыпучих материалов, в частности, вибро-, пневмо- и механический. Последний считается наиболее предпочтительным по ряду причин, к основным из которых можно отнести следующие: целесообразность применения виброуплотнения для гранулированных составов, а пневмоде-аэрации — в аппаратах периодического действия; а также более простые конструктивные решения механических устройств непрерывного типа в

сравнении с пневмо-оборудованием при достижении сокращения объема уплотняемой среды на (30—40)% в обоих случаях. Очевидно, что математические описания уплотнения сыпучих сред также можно условно разделить на три вида моделей — по указанным способам реализации процесса деаэрации пористых продуктов [5]. Модели прессования порошков являются наиболее развитыми из известных [1-4, 6, 7].

Процесс деаэрации сыпучих материалов может выполняться после смешивания нескольких тонкодисперсных или порошково-зернистых компонентов. В этом случае при создании инженерной методики расчета становится актуальной проблема поиска зависимости порозности для уплотняемой смеси сыпучих компонентов от ее физико-механических характеристик, а также конструктивных и режимных параметров аппарата.

Валковыми аппаратами традиционно оснащены многие производства по переработке пластмасс и резиновых смесей, пищевых продуктов, реже - для прессования сыпучих и уплотнения порошковых материалов. В связи с применением указанных аппаратов как прессов и уплотнителей можно выделить их специфические особенности — наличие вибраторов, эксцентричное расположение валково-барабанных поверхностей, сочетание с ленточными элементами и т.д.

Простота изготовления и эксплуатации валко-во-ленточного оборудования, его компактность и надежность, несмотря на механические потери,

достаточно высокая производительность наделяют данный тип устройств рядом преимуществ по сравнению с более сложными в аппаратурном оформлении. Кроме того, их применение для деаэрации смесей сыпучих сред различной природы требует создания особых режимных условий во избежание нежелательных эффектов — упруго-пластических деформаций частиц и их разрушений (например, при фрикции более 2.5 единиц).

В случае гидродинамических описаний поведения жидкости [8] в зазоре между валками решается система уравнений — неразрывности (с учетом несжимаемости) и движения типа Стокса в изотермическом или неизотермическом приближении. Однако данные модели движения различного рода материалов в валковых зазорах не учитывают возможную сжимаемость среды. Другой подход к моделированию движения сыпучих сред в межвалковом зазоре связан с составлением уравнений равновесия выделенного элементарного объема в различных зонах его плокодефор-мационного движения [2, 4]. Например, в зоне выдавливания производится расчет напряжений прессуемой среды с учетом линеаризованного уравнения ее предельного состояния в пренебрежении упругими деформациями [4, 6], а также расчет плотности и толщины плитки, угловых параметров зоны деформирования [2, 4, 7]. Явление фильтрации газа из пор металлических порошков при их прокатке исследовалось с эмпирическим учетом формы частиц монодисперсных гранулометрических составов [3], а также при помощи критериальных соотношений [4]. В применении к таким процессам переработки сыпучих смесей, как прокатка, послойное прессование, шнекова-ние, волочение и т.п. в работе [2] выполнено обобщение теоретических методов анализа для операции прессования твердых дисперсных сред.

Согласно работам авторов [5] наиболее приемлемыми для моделирования процесса механического уплотнения порошков являются методы механики гетерогенных сред [9] и стохастический подход из физики неравновесных процессов. Таким образом, основной проблемой данного исследования является поиск способа определения порозности тонкодисперсной смеси, состоящей из нескольких разнородных компонентов, в рамках предложенного ранее описания уплотнения порошкообразного материала в валково-ленточ-ном зазоре как гетерогенной системы на базе модели деаэрации порошков [5], который может быть использован в инженерной методике расчета валкого уплотнителя. Применение последней модели [5] в отличие от [9] предполагает описание движения уплотняемой дисперсной среды в целом и в отдельности — несущей фазы вследствие принятых допущений, что приведенная плотность дисперсной составляющей много больше приведенной плотности несущей (р2 > рх), а ско-

У *

ь,„

®1 „ ' >

// \

О1 / ( О2

Ч\2 )

Й02\ 12

ы 1

* * Г 1

. х01 О Хы Х11

Х02 О' ХН2 Х12

Рис. 1. Схема для анализа движения тонкодисперсной смеси в валково-ленточном уплотнителе с двумя валками.

рость движения дисперсной фазы относительно центра масс ее смеси v2 примерно равна скорости движения смеси в целом ус. Заметим, что с помощью указанной модели [5] были успешно решены задачи об описании деаэрации порошков в шнеках [10] и ротационных аппаратах [5].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Операция механического уплотнения порошковых смесей в валково-ленточном аппарате может быть многоступенчатой вследствие необходимости получения слоя конечного продукта с заданными прочностными свойствами. В связи с этим на схеме движения тонкодисперсного материала в зазоре между валом и лентой показаны первые два этапа процесса деаэрации тонкодисперсной среды (рис. 1). Тонкоизмельченные порошкообразные смеси относятся к средам с высокой пористостью (60—80)% при диаметре составляющих частиц (0.05—0.5) мм. Принудительное уплотнение (в смысле термина "деаэрация") данных материалов позволяет не только сократить затраты на их складирование и транспортировку, но и улучшить прочностные характеристики продуктов, получаемых в различных процессах переработки порошков. Данный факт подтверждает необходимость разработки нового оборудования, способствующего последовательному применению нескольких технологических операций (например, смешения и деаэрации) в рамках одного устройства, соответствующего развитию одного из перспективных направлений получения порошковых продуктов [5].

Начальная высота слоя соответственно для каждой ступени обозначена Н01 и й02; угловые скорости вращения валов — ю1 и ю2, их радиусы — г1 и г2; высоты зазоров — /1 и 12; высоты полученных слоев после каждого этапа деаэрации — Н1 и Н2. Заметим, что модуль скорости движения ленты аппарата равен V = ю1г1 = ю2г2. Движение слоев по-

Х

Х

рошка в зазоре обусловлено наличием внутреннего трения и налипанием материала на поверхности валка и ленты. Как известно [2, 4], прессование твердых дисперсных материалов в области валковой поверхности (рис. 1, q = 1, 2) характеризуется тремя условными зонами для значений линейной скорости пограничного с валком слоя дисперсной смеси: "отставания" (х^ < х < х^ — А); "прилипания" (х^ + А < х < х^ — А); "опережения" (х^ + А < < х < хкд) в сравнении со скоростями точек на ободе валка. Здесь А — расстояние, отчитываемое от минимального зазора между валком и лентой (х^) в положительном и отрицательном направлениях движения смеси, т.е. определяет область "нейтрального сечения". Однако, в случае процесса деаэрации порошков — первой стадии прессования — величина А сравнима со значением хй1}. Кроме того, согласно опытным данным наблюдается некото -рое запаздывание отрыва слоя уплотненного продукта от образующих цилиндров (при абсциссах хй1 и хй2 соответственно, для каждой ступени). Аналогичный эффект наблюдается при вальцевании пластических масс [8], но в значительно большей степени с нелинейным характером зависимости между координатами хй9 и х0г В рассматриваемом случае движения в указанном зазоре тонкодисперсных смесей, по сравнению с полимерными, не наблюдается резкое возрастание координат хй1 и хй2 с увеличением значений начальных высот Н01 и Н02, что позволяет считать зависимость между х1щ и х^ линейной ^ = 1, 2)

хкд = -йХ0Г (1)

Абсцисса точки касания первоначального слоя порошка с валком определяется выражением

Х0? = П- - { - V [2г, -

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком