ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 4, с. 434-443
УДК 621.6.04.001.5
ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В УПРАВЛЯЕМЫХ СЕГРЕГИРОВАННЫХ ПОТОКАХ © 2014 г. В. Н. Долгунин, О. О. Иванов, А. А. Уколов, А. Н. Куди
Тамбовский государственный технический университет dolgunin-vn@yandex.ru Поступила в редакцию 16.01.2012 г.
Разрабатываются общие принципы управления сегрегированными потоками неоднородных частиц с целью интенсификации технологических процессов и расширения функциональных возможностей оборудования для переработки зернистых материалов. Приведены результаты исследования технологических характеристик барабанного аппарата с управлением сегрегированными потоками зернистого материала при организации процессов разделения, смешения и тепломассообменных процессов с регулируемым соотношением времени обработки неоднородных частиц.
Ключевые слова: зернистая среда, сегрегированный поток, сегрегация, смешение, сепарация, тепломассообмен.
Б01: 10.7868/80040357114040010
ВВЕДЕНИЕ
Процессы с дисперсной твердой фазой широко используются в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности и, как правило, связаны с переработкой материалов, состоящих из существенно неоднородных по размеру и плотности частиц. Технологические процессы, протекающие при взаимном перемещении частиц, неоднородностью которых пренебречь не представляется возможным, сопровождаются эффектами сегрегации, которые признаются наиболее общим и масштабным негативным фактором в технологии дисперсных материалов [1]. В частности, сегрегация является причиной различной кинетики тепломассообменных процессов, химических и биохимических превращений в отдельных объемах сегрегированной рабочей среды. При переработке смесей зернистых материалов с высокой склонностью к сегрегации проблема обеспечения условия однородности распределения частиц различного размера и плотности в рабочем объеме непрерывнодействующего аппарата приводит к различному неконтролируемому времени пребывания в нем неоднородных частиц. Вследствие этого происходит снижение технико-экономических показателей функционирования оборудования, падение выхода продукции и ухудшение показателей ее качества. Предварительное обеспечение однородности сырья и полуфабрикатов во многих случаях сопряжено со значительными техническими проблемами и, как правило, является технологически нецелесообразным, поскольку
приводит к необходимости использования многопоточных технологических схем.
Анализ перечисленных проблем показывает [2], что во всех случаях они являются следствием того, что при переработке неоднородных материалов в объемах машин и аппаратов формируются сегрегированные потоки смеси, которые состоят из более однородных частиц, чем технологический поток в целом, занимают доминантные для них области рабочего объема и отличаются друг от друга структурными и кинематическими характеристиками. Традиционная практика решения названных проблем [1] заключается в использовании различного рода средств для разрушения сегрегированных потоков (сегрегированных объемов) зернистой среды с целью предотвращения их развития. В общем случае такой подход недостаточно эффективен в связи с избыточными энергозатратами и локальным характером эффекта разрушения. Кроме того, вследствие эффектов разрушения происходит дополнительное перемешивание технологических потоков, что вызывает неконтролируемое нарушение их структуры, сопровождающееся увеличением неоднородности распределения времени пребывания отдельных частиц в рабочем объеме машин и аппаратов.
Для решения комплекса перечисленных проблем предложен принцип организации технологических процессов с управляемыми сегрегированными потоками [2]. При этом сегрегированные потоки являются частями общего технологического потока перерабатываемого дисперсного материала, которые
образуются в результате либо спонтанного, либо искусственно инициированного проявления эффектов сегрегации. Управление потоками в рабочем объеме оборудования предполагает изменение их величины и направления с целью достижения необходимого технологического результата.
Наличие элементов управления эффектами сегрегации при организации технологических процессов переработки сыпучих материалов обнаруживается и в работах других авторов, например, [3, 4]. В указанных источниках разрабатываются процессы и оборудование для смешения сыпучих материалов с рациональными программами загрузки компонентов смеси в смесители непрерывного [3] и периодического [4] действия. Такие программы имеют своей целью обеспечение достаточно равномерного распределения неоднородных частиц в объеме материала за счет использования спонтанно протекающих эффектов сегрегации неоднородных частиц после их загрузки в рабочий объем смесителя.
Преимуществом принципа управления сегрегированными потоками является то, что его реализация может быть многовариантной и направленной на достижение различных и, в том числе, противоположных технологических целей. В числе основных вариантов управления и соответствующих технологических целей могут быть названы:
дифференциация режима обработки неоднородных частиц за счет управления их временем пребывания в рабочем объеме машин и аппаратов в результате изменения относительной продольной скорости сегрегированных потоков;
образование смесей трудносмешиваемых компонентов и обеспечение однородности их распределения в рабочем объеме оборудования за счет организации встречных знакопеременных сегрегированных потоков, интенсифицирующих продольное и поперечное перемешивание компонентов;
организация процесса классификации (сегрегации) трудноразделяемых смесей дисперсных материалов по комплексу физико-механических свойств частиц за счет организации многоступенчатого сегрегирования противоточно перемещаемых сегрегированных частей технологического потока.
При оснащении аппарата традиционной конструкции устройством управления сегрегированными потоками становится возможным поддерживать различное время технологической обработки частиц, различающихся по размеру и плотности. Если же технологической задачей является получение качественной смеси, то время пребывания неоднородных компонентов в рабочем объеме выравнивается и в нем организуются потоки продольного и поперечного перемешивания. Для достижения же обратного эффекта с целью организации процессов сепарации или клас-
сификации по размеру и плотности частиц в рабочем объеме усиливаются продольные встречные сегрегированные потоки.
В результате названный принцип может быть использован не только для интенсификации процессов, но и для создания гибких технологических модулей, обеспечивающих организацию различных тепломассообменных, гидромеханических и, в том числе, совмещенных процессов.
Прогнозирование величины и состава сегрегированных потоков, необходимое для разработки вариантов их технологического применения, осуществляется с использованием разработанных ранее [5—7] методов математического моделирования эффектов сегрегации и миграции неоднородных частиц при сдвиговом течении сыпучих материалов.
В настоящей работе возможности практической реализации изложенных принципов управления сегрегированными потоками в технологических процессах проанализированы на примере переработки зернистых материалов с использованием барабанного аппарата с периферийной распределительной Г-образной насадкой.
В засыпке материала над лопастями в нижней части барабана такого аппарата образуется сегрегированный сдвиговый гравитационный поток частиц [8]. 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 преимущественно 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.
Для решения комплекса ранее перечисленных технологических проблем и задач с учетом специфики сегрегированных потоков в барабанном тепломассообменном аппарате в работе исполь-
Рис. 1. К расчету процессов разделения и смешения зернистых материалов в аппарате с управлением сегрегированными потоками: 1 — барабан, 2 — неподвижная управляющая насадка.
зуется принцип управления сегрегированными потоками.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Для реализации названного принципа применено устройство, выполненное в виде системы управляемых отклоняющих элементов, установленных неподвижно в горизонтальной плоскости, параллельными рядами симметрично относительно продольной оси барабана. Отклоняющие элементы закреплены с возможностью изменения направления их наклона и действуют автономно на потоки падающих частиц в подъемной и опускной частях барабана, сообщая им импульсы с необходимой ориентацией относительно продольной и поперечной осей барабана. 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 тепломассо-обменного аппарата, придавая ему дополнительные функции сепаратора, смесителя и тепломассооб-менного устройства с регулируемым временем обработки неоднородных компонентов дисперсной твердой фазы.
С учетом многофункциональности
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.