Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Разделение мелкодисперсных материалов в барабанных виброгрохотах
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (химической промышленности)
На правах рукописи
Маслов Сергей Владимирович
Тамбов 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» на кафедре «Прикладная механика и сопротивление материалов».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Першин Владимир Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Каталымов Анатолий Васильевич;
кандидат технических наук, доцент Борщев Вячеслав Яковлевич
Ведущая организация Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИИТиН) г. Тамбов
Защита диссертации состоится « » октября 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, направлять по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан « » сентября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доцент В.М. Нечаев.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Грохочение - распространенный технологический процесс в химической, пищевой, добывающей и других отраслях промышленности. Традиционные конструкции грохотов ориентированы на крупнотоннажные производства, поэтому, несмотря на большое количество работ, касающихся расчета и конструирования грохотов, практически отсутствуют исследования процесса механической классификации для малотоннажных производств. Характерным примером может служить фракционирование катализатора в производстве углеродных наноматериалов (УНМ). Результаты опытно-промышленной эксплуатации реактора показали целесообразность использовать в технологии синтеза катализатор с размерами не менее 0,063 мм, а более мелкую фракцию гранулировать. Таким образом, классификация катализатора стала одной из ключевых операций в производстве УНМ. Кроме этого, грохочение целесообразно использовать при производстве товарных форм УНМ с регламентированным гранулометрическим составом. Решение указанной проблемы, имеющей актуальное научное и практическое значение, определяет направления исследований данной работы, которая выполнялась в соответствии с программой Минобразования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (код 2.2.11.5355) и в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 гг.» (Государственный контракт № 02.523.11.3001 от 16 мая 2007 года).
Цель работы. Исследование процесса классификации в барабане при совместном воздействии вращения и вибрации, создание на этой основе математической модели процесса грохочения полидисперсного материала, совершенствование конструкции и методики расчета режимных и геометрических параметров барабанных вибрационных грохотов.
Научная новизна. Экспериментально установлено, что при вращении горизонтального барабана с одновременной вертикальной вибрацией, потенциальная энергия частиц, находящихся в поднимающемся слое постоянна и равна (0,9…0,95) потенциальной энергии всех частиц в остановленном барабане, что позволило на основе энергетического подхода получить аналитические зависимости для расчета параметров распределения сыпучего материала в поперечном сечении барабана.
Экспериментально обнаружено влияние гранулометрического состава исходного материала на интенсивность грохочения и предложена физическая модель процесса грохочения учитывающая влияние гранулометрического состава исходного материала, углового смещения и радиального перемещения частиц при воздействии вращения и вибрации.
Разработана математическая модель процесса грохочения на базе ячеечной модели процесса смешивания-сегрегации и математического аппарата случайных марковских процессов дискретных в пространстве и времени, которая за счет введения масштабных коэффициентов и матрицы перемещений учитывает специфику движения сыпучего материала в поперечном сечении вращающегося барабана, одновременно совершающего вертикальные колебания и позволяет определять основные геометрические и режимные параметры грохота, а также прогнозировать качество готового продукта.
Практическая ценность. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложена новая конструкция барабанного грохота, которая позволила увеличить на 20…30 % интенсивность и повысить до 95…98 % эффективность классификации катализатора в производстве УНМ. На базе математической модели процесса грохочения разработана методика расчета основных режимных и геометрических параметров барабанного вибрационного грохота. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований позволили установить, что для барабанных вибрационных грохотов максимальная интенсивность отсева мелкой фракции и минимальные удельные энергозатраты достигаются при режимных параметрах, находящихся в следующих диапазонах: частота вертикальных колебаний - (50…100) Гц; амплитуда вертикальных колебаний - (1…10) диаметра крупных частиц; относительная угловая скорость вращения барабана - (0,05…0,25) от критической; коэффициент заполнения, для грохотов периодического действия, в пересчете на частицы крупной фракции - не более 0,1. Предложенная конструкция грохота принята ОАО «Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С. Артемова» для использования в составе опытно-промышленной установки производства УНМ «Таунит», а методика будет использована при расчете других типоразмеров барабанных вибрационных грохотов.
Автор защищает:
· экспериментальное подтверждение гипотезы о постоянстве потенциальной энергии системы для гладкого вращающегося барабана, совершающего вертикальные колебания;
· физическую и математическую модели процесса грохочения, учитывающие гранулометрический состава исходного продукта, угловое смещение и радиальное перемещение частиц за счет одновременного воздействия вращения и вибрации;
· конструкцию барабанного вибрационного грохота, которая повысила интенсивность и эффективность классификации катализатора в производстве УНМ «Таунит»;
· методику расчета основных режимных и геометрических параметров барабанного вибрационного грохота.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». По теме диссертации опубликовано 6 работ, одна из которых в рецензируемом журнале из перечня ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников (133 наименования работ отечественных и зарубежных авторов), приложения и документов, подтверждающих практическое использование результатов работы. Работа изложена на 185 страницах, содержит 53 рисунка.
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 анализируется современное состояние проблемы механической классификации полидисперсных сыпучих материалов. Рассматриваются способы классификации, устройства и методики расчета грохотов.
В результате анализа способов грохочения установлено, что наиболее перспективным, с точки зрения повышения интенсивности и эффективности грохочения, является воздействие вибрацией на вращающийся перфорированный барабан. Анализируются подходы к описанию движения сыпучего материала и процесса грохочения под воздействием вращения и вибрации, и отмечается отсутствие теоретических и экспериментальных исследований для малотоннажных производств.
По результатам анализа сформулированы задачи исследования.
Вторая глава начинается с выбора типа модели процесса классификации. Результаты анализа научной литературы показали, что для моделирования процесса классификации в барабанном грохоте наиболее перспективной является модель, построенная с использованием закономерностей марковских процессов, дискретных в пространстве и времени. В основе данной модели лежит одна из моделей процесса смешивания-сегрегации. В диссертации приводится анализ послойной и ячеечной моделей процесса смешивания-сегрегации, обоснована целесообразность использования ячеечной модели и намечены пути ее модернизации.
Для построения цепи Маркова необходимо знать распределение сыпучего материала в поперечном сечении перфорированного барабана. Для описания движения и распределения сыпучего материала во вращающемся барабане успешно используется энергетический подход, в основе которого лежит гипотеза о том, что потенциальная энергия системы при установившемся режиме движения равна потенциальной энергии сыпучего материала в остановленном барабане. Под системой понимается совокупность частиц, неподвижных относительно обечайки барабана. Поскольку барабан кроме вращения совершает вертикальные колебания, необходимо было экспериментально установить, возможно ли в данном случае использовать энергетический подход. При вращающемся барабане к системе относятся только частицы поднимающегося слоя (зона АСВМ на рис. 1). Для определения потенциальной энергии системы проводили цифровую видеосъемку распределения сыпучего материала в лабораторном барабанном вибрационном грохоте. Полученную информацию передавали на персональный компьютер и с помощью специально разработанной программы определяли потенциальную энергию материала, находившегося в поднимающемся слое. Результаты экспериментов показали, что потенциальная энергия системы при одновременном вращении и вибрации не зависит от скорости вращения, но по сравнению с вращающимся барабаном уменьшается на 5…10 %. Это связано с уменьшением коэффициентов трения покоя и движения при наличии вибрации. Учитывая полученные результаты, для описания движения и распределения сыпучего материала был использован энергетический подход.
Рис. 1. Схема к определению параметров распределения сыпучего материала в поперечном сечении барабана
барабанный вибрационный полидисперсный грохот
Координаты т. А (рис. 1) определяли из условия равновесия отдельной частицы на открытой поверхности сыпучего материала во вращающемся барабане, одновременно совершающем вертикальные колебания.
Сравнение результатов численных и натурных экспериментов показали, что площадь СBD мало влияет на координаты центра тяжести поднимающегося слоя, что позволило получить следующие зависимости:
· площадь поднимающегося слоя
Sп = SAD = (1)
· координаты центра тяжести в системе X1CY1
; ; (2)
· координата yAD , в системе XCY
yAD =cos (?? + ? - ?1); (3)
· потенциальная энергия сегмента AD
ПAD = . (4)
Угол ?1 находится из равенства ПAD реальному минимуму потенциальной энергии методом последовательных приближений.
Процесс классификации рассмотрен как сложная физико-механическая система. Рассматривая качественную сторону процесса грохочения катализатора во вращающемся перфорированном барабане, который дополнительно совершает вертикальные колебания, было выделено четыре основных процесса:
1) смешивание частиц во время их пребывания в скатывающемся слое, за счет вращения барабана, смешивание частиц, как в скатывающемся слое, так и в поднимающемся, за счет вибрационного воздействия;
2) сегрегация частиц по размерам в результате перемещения мелких частиц к центру циркуляции (т. С на рис. 1) во время их пребывания в скатывающемся слое;
3) самоизмельчение частиц в результате взаимного соударения и трения друг о друга и об обечайку барабана.
4) отделение мелких частиц от общей массы материала в результате прохождения их через отверстия в обечайке барабана.
Состояние системы характеризуется распределением частиц по размерам в поперечном сечении барабана. Традиционно в математических моделях, построенных на закономерностях цепей Маркова, все ячейки имеют одинаковый объем. Такая модель достаточно хорошо подходит к вращающемуся барабанному грохоту, поскольку отсутствует перемещение частиц относительно друг друга в поднимающемся слое. При вибрации частицы, находящиеся в поднимающемся слое, перемещаются относительно друг друга и скорость просеивания мелких частиц через слой нижележащих более крупных частиц не зависит от того, в каком подслое находится частица. Учитывая это, для вращающегося барабана, одновременно совершающего вертикальные колебания, целесообразно использовать модель с одинаковыми размерами продслоев в радиальном направлении. При построении цепи Маркова поднимающийся слой полидисперсного материала разделили на ячейки концентрическими окружностями с постоянной разницей радиусов и радиальными сечениями с постоянной разницей в углах. В предлагаемой модели ячейки имеют одинаковый объем только в пределах каждого подслоя, но по подслоям эти объемы разные. Каждый подслой дополнили ячейками, находящимися в скатывающемся слое. В результате такого разделения получили ряд замкнутых подслоев. На рис. 2 в развернутом виде дана схема соединения ячеек. Ячейки 1 - 15 моделируют поднимающийся слой, ячейки 16 - 30 - скатывающийся слой, а ячейки 31 - 37 - моделируют емкости для сбора мелких частиц, которые прошли через отверстия в обечайке барабана. Стрелками показаны возможные переходы частиц мелкой фракции из одних ячеек в другие.