Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих способов, процессов и аппаратов для утилизации техногенных волокнистых материалов различных производств 11
1.1. Существующие способы утилизации техногенных волокнистых материалов 11
1.1.1.Утилизация отходов предприятий строительных материалов 11
1.1.2. Утилизация отходов деревообрабатывающего производства 12
1.1.3. Отходы целлюлозно-бумажного производства 14
1.1.4. Волокнистые отходы перерабатывающей промышленности 15
1.1.5. Волокнистые отходы сельскохозяйственного производства 16
1.2. Конструктивно-технологические особенности оборудования для комплексной переработки ТВМ 19
1.2.1. Гранулирование материалов под действием центробежных сил и вибрации 19
1.2.2. Пластическое формование дисперсных систем 21
1.2.3. Агломерация в воздушных потоках 22
1.3. Процессы агломерации порошкообразных и волокнистых материалов и возможности их использования при утилизации ТВМ 24
1.3.1. Особенности физико-химических свойств техногенных волокнистых материалов 24
1.3.2. Технология производства гранулированных добавок на основе волокнистых материалов 28
1.4. Выводы 33
2. Теоретические исследования процессов и аппаратов для производства гранулированных продуктов на основе техногенных волокнистых материалов 34
2.1. Исследование процессов и аппаратов для диспергирования твердых волокнистых отходов 34
2.1.1. Аппараты грубого измельчения (шредер) 34
2.1.2. Измельчение в роторно-центробежном агрегате 35
2.2. Исследование процесса пневмотранспортирования волокнистых материалов в трубопроводах 38
2.2.1. Классификация систем пневмотранспорта для волокнистых материалов 38
2.2.2. Анализ сил, действующих на движущуюся частицу газодисперсного потока 42
2.2.3. Влияние концентрации и вида твердой фазы на аэродинамические характеристики движущегося потока 47
2.3. Изучение процесса пылеулавливания ТВМ в циклоне-осадителе 52
2.3.1. Анализ влияния центробежных сил на процессы движения частиц 52
2.3.2. Оценка механизма коагуляции частиц волокнистого материала в циклонной установке 57
2.4. Механизм коагуляционно-адсорбционного взаимодействия пылевидных компонентов ТВМ 60
2.4.1. Влияние влажности и добавок на агломерацию частиц в воздушном потоке 60
2.4.2. Математическое моделирование движения частицы в торообразной камере 64
2.5. Выводы 76
3. Характеристика объектов исследования, методики проведения эксперимента 77
3.1. Характеристики целлюлозно-бумажных отходов для производства гранулированных добавок 77
3.2. Методика и результаты определения параметров двухфазных потоков технологического комплекса 81
3.3. Разработка модельных установок для изучения процесса гранулирования целлюлозно-бумажных отходов 83
3.4. Физическое моделирование, методика проведения экспериментов и обработка результатов исследования 87
3.5. Выводы 91
4. Экспериментальные исследования процесса пневмомеханического гранулирования техногенных волокнистых материалов 92
4.1. Исследование влияния физико-химических характеристик ТВМ на аэродинамические характеристики дисперсной системы 92
4.2. Исследование аэродинамического сопротивления двухфазных потоков в аспирационной системе комплекса 100
4.3. Исследование и выбор связующих добавок для получения агломератов в аппарате для пневмомеханического микрогранулирования 105
4.3.1. Характеристика связующих добавок 105
4.3.2. Проведение экспериментов и получение уравнения множественной регрессии 107
4.4. Разработка укрытия участка подачи материала в систему пневмотранспорта 117
4.5. Выводы 118
5. Разработка и внедрение научно-исследовательских разработок 119
5.1. Разработка и испытание технологической схемы получения гранулята пневмомеханическим способом 119
5.2. Разработка методики расчета пневмотранспорта в технологии переработки волокнистых материалов 123
5.3. Технико-экономическая эффективность выполненных научно-технических разработок 127
5.3. Выводы 133
Основные выводы и результаты 134
Список использованной литературы 136
Приложения 150
Приложение А. Параметры уравнения множественной регрессии 151
Приложения Б. Акт промышленных испытаний 161
Приложения В. Акт о внедрении результатов 163
Приложения Г. Акт о внедрении в учебный процесс 164
- Особенности физико-химических свойств техногенных волокнистых материалов
- Анализ влияния центробежных сил на процессы движения частиц
- Исследование влияния физико-химических характеристик ТВМ на аэродинамические характеристики дисперсной системы
- Проведение экспериментов и получение уравнения множественной регрессии
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
Комплексная переработка техногенных материалов является актуальной задачей в различных отраслях промышленности. Одним из перспективных способов переработки порошкообразных отходов является гранулирование полидисперсных смесей в аппаратах различного конструктивного исполнения. Выбор технических решений зависит от физико-механических свойств материалов и требований к готовой продукции.
Наряду с этим существует категория материалов, для которых традиционный подход к организации процесса компактирования в существующих аппаратах не всегда является эффективным. К таким материалам относятся волокнистые отходы деревообрабатывающего и целлюлозно-бумажного производства, сельского хозяйства, отходы в виде бумаги и картона, характеризующиеся низкой истинной (200…900 кг/м3) и насыпной (20…80 кг/м3) плотностью, высокой удельной поверхностью, низкой пластичностью. Для гранулирования подобных материалов особое значение приобретают вихревые аппараты. Однако теоретических и практических разработок в этом направлении недостаточно. Поэтому исследование процесса и разработка аппаратов для агломерации техногенных волокнистых материалов (ТВМ) в воздушном потоке пневмомеханических аппаратов является актуальной задачей.
Работа выполнена в рамках программы стратегического развития БГТУ им. В. Г. Шухова на 2012 – 2016 гг. (2011/ПР-146), гранта президента РФ (НШ-588.2012.8 «Разработка методов пылегазоулавлива-ния в пыльных цехах промышленных предприятий» на 2012–2013 гг.), Гранта президента в рамках научного проекта № 14-41-08054 р_офи_м, Гранта РФФИ и Правительства Белгородской области.
Цель работы. Исследование процесса агломерации техногенных волокнистых материалов в поле центробежных сил пневмомеханического аппарата и разработка оборудования для повышения эффективности работы технологического комплекса по изготовлению гранулированных материалов на основе целлюлозно-бумажных отходов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
– изучить закономерности процесса агломерации волокнистых материалов под действием центробежных сил в торообразных камерах пневмомеханических аппаратов и разработать математическую модель движения газодисперсной системы;
– определить скорость витания и коэффициент формы волокнистых частиц, оценить влияние концентрации частиц на сопротивление в потоке и механизм агломерации в дисперсной системе;
– исследовать динамику течения газодисперсной системы и разработать методику аэродинамического расчета систем пневмотранспорта и аспирации для тонкодисперсных волокнистых материалов;
– разработать лабораторную и опытно-промышленную установки, провести экспериментальные исследования процессов агломерации, установить состав и количество связующей добавки для повышения эффективности процесса и получения гранул заданных размеров и плотности;
– разработать конструкции пневмомеханических аппаратов для реализации процессов агломерации и провести опытно-промышленную апробацию в составе технологического комплекса по производству гранулированной продукции на основе измельченных целлюлозно-бумажных отходов.
Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность использования процесса агломерации волокнистых частиц в центробежном поле торообразных камер в качестве предварительной стадии в технологии гранулирования полидисперсных смесей.
Разработана математическая модель динамики течения газодисперсной системы в пневмомеханическом аппарате тороидального вида, позволяющая определить технологические параметры процесса агломерации, включающие скорость потока на входе и в торообразных камерах аппарата, скорость и траекторию движения частиц заданного размера и плотности.
Получено уравнение для расчета скорости витания частиц в зависимости от размера волокон и плотности материала. Установлена зависимость интенсивности процесса агломерации в потоке от размера и концентрации волокнистых частиц.
Получено выражение для определения коэффициента в уравнении расчета потерь давления в дисперсных системах с учетом плотности и удельной поверхности волокнистых частиц для диапазона массовой концентрации 0,1…0,5 кгт /кгв , истинной плотности дисперсной фазы 750…850 кг/м3 и удельной поверхности 400…600 м2/кг.
Практическая значимость работы. Разработаны конструкции пневмомеханических аппаратов с тороидальными камерами (Пат. РФ № 2538579, № 162472), позволяющие реализовать процесс агломерации волокнистых материалов с низкой насыпной массой. Для снижения потерь материала разработано аспирационное укрытие приемной воронки в системах пневмотранспорта дисперсных материалов (Пат. РФ № 154559). Разработанные аппараты прошли опытно-промышленные испытания и рекомендованы к внедрению в ООО «РЕЦИКЛ», Белгород.
Разработана и внедрена в ООО «Инженерные системы», Белгород, методика расчета потерь давления в системах пневмотранспорта и аспирации двухфазных потоков.
Определены значения скорости потока на входе и в торообразных камерах пневмомеханического аппарата, обеспечивающие высокую интенсивность процесса агломерации.
Установлено, что добавка 10 ± 5% просыпи и 1,0 ± 0,2% связующего (раствор технической карбоксиметилцеллюлозы) к исходному волокнистому материалу позволяет в процессе агломерации увеличить размер и
плотность агломератов в 2,5 – 3,0 раза, что повышает на 20% эффективность их последующего осаждения.
Результаты диссертационной работы (лабораторные установки и методики расчета) используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «БГТУ им. В. Г. Шухова» при изучении дисциплин «Процессы и аппараты химической технологии», «Основы проектирования и конструирования обеспыливающих систем», «Машины и оборудование для комплексной переработки техногенных материалов».
Методология и методы исследования основаны на комплексном анализе взаимосвязанных процессов измельчения ЦБО, пневмотранспорта и агломерации в пневмомеханическом аппарате. Для определения свойств дисперсных материалов использованы современные физико-химические методы. При обработке результатов эксперимента применялись методы математической статистики и теории вероятностей.
Положения, выносимые на защиту:
– математическое описание динамики течения газодисперсного потока в торообразной камере пневмомеханического аппарата, позволяющее прогнозировать режимные параметры процесса агломерации;
– результаты исследования влияния свойств дисперсных материалов (плотности, удельной поверхности, размера, коэффициента формы частиц) на процесс агломерации в пневмомеханическом аппарате;
– методика аэродинамического расчета двухфазных потоков систем пневмотранспорта и аспирации тонкодисперсных волокнистых материалов в зависимости от концентрации и физико-механических свойств волокнистых материалов;
– режимные параметры процесса агломерации в пневмомеханическом аппарате и составы дисперсных систем для получения гранул с заданными физико-механическими характеристиками.
Степень достоверности и апробации результатов работы базируется на использовании стандартных методов исследования на базе аккредитованных испытательных лабораторий, воспроизводимости экспериментальных данных в пределах заданной точности измерений, не противоречащих научным представлениям о закономерностях процессов гранулообразования в дисперсных системах.
Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на шести международных научно-практических конференциях.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ; в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 3 статьи в изданиях, входящих в Международную базу данных Scopus; получены 1 патент РФ на изобретение и 2 патента РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего основные результаты, и выводы. Работа включает 149 страниц, 13 таблиц, 45 рисунков, список литературы из 139 наименований и 4 приложений.
Особенности физико-химических свойств техногенных волокнистых материалов
Одним из наиболее важных факторов, определяющих развитие большинства отраслей промышленности, является устойчивая сырьевая база, и особенно углерод, содержащее сырье, важнейшими представителями которого являются нефть и древесина.
Целлюлозно-бумажная промышленность не является исключением. Несколько десятилетий назад, когда объемы производства были значительно ниже и перед человечеством еще не стоял вопрос экологического и энергетического кризисов люди использовали ресурсы, совершенно не задумываясь об их ограниченности. Сейчас, когда эти проблемы стоят особенно остро человечество пытается экономить природные богатства, используя вторичное сырьё. Это понятие связано с повторной переработкой сырья в конечную продукцию. Одним из примеров вторичного сырья являются целлюлозно-бумажные отходы.
Считалось, что ресурсы древесного сырья неисчерпаемы, поскольку постоянно и в огромных количествах воспроизводятся природой. Поэтому целлюлозно-бумажная промышленность надежно обеспечена волокнистыми полуфабрикатами из свежей древесины. Целлюлозно-бумажным отходам длительное время как серьезному источнику сырья в нашем хозяйстве не уделялось достаточного внимания, но сейчас ситуация изменилась.
Значение отходов целлюлозно-бумажной промышленности в комплексной химической переработке непрерывно возрастает. Особенно сильно это заметно в странах, не обладающих большими ресурсными запасами. Первоначально эти отходы использовалась только для получения низкосортных товаров, в основном технического и санитарно-гигиенического назначения, но сейчас разработано много методов для производства широкого спектра высококачественной продукции, самого разного назначения.
В настоящее время вторичное сырье используется для выпуска высококачественной продукции, изделий самого разного назначения.
Волокнистые материалы состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон, промежутки между которыми заполнены воздухом у непропитанных материалов и природными или синтетическими смолами у пропитанных. Преимуществами многих волокнистых материалов являются невысокая стоимость, довольно большая механическая прочность, гибкость и удобство обработки. Недостатки: невысокие электрическая прочность и теплопроводность, более высокая, чем у массивных материалов того же состава, гигроскопичность. Пропитка улучшает свойства волокнистых материалов.
Непропитанные волокнистые материалы по виду исходного сырья можно подразделить на материалы из: а) растительных волокон; б) бумаги, картона, хлопчатобумажной пряжи и ткани; в) животных волокон (натуральный шелк); г) искусственных и синтетических волокон (ацетатный шелк, капрон и др.); д) неорганических волокон (стеклянное волокно) [56].
Химической основой бумаги и картона является целлюлоза с различными добавками. Целлюлозу производят из древесины различных пород путем механического и химического воздействия на нее.
При механическом воздействии получают короткие волокна низкого качества; химическое воздействие позволяет получать высококачественную длинноволокнистую целлюлозу. Полученный продукт называется бумажной массой, из которой после сушки вырабатывают различные типы бумаги [57].
Основным полуфабрикатом для получения картона является сульфатная и сульфитная целлюлоза, древесная масса и макулатура.
Структура волокнистой массы ЦБО представлена растительными волокнами, на внешней поверхности которых находится тонкая оболочка, внутри которой расположена полость (люмен), заполненная протоплазмой, состоящей из белковых веществ (протеинов и протеидов). В протоплазме различают клеточное ядро (кариоплазма) и внеядерную часть (цитоплазма), включающую митохондрии и хроматофоры.
В клеточной стенке образуется до 50 тонких слоев, называемых ламелями, а внутренняя часть клеток заполнена веществом клеточной стенки.
Во вторичной стенке клетки чередуются слоистые спиральные структуры отдельных волокон – фибриллы, состоящие из тончайших субмикроскопических микрофибрилл диаметром 250 нм (0,025 мкм). Диаметр фибрилл составляет 0,1-0,4мкм , а ширина их пучков – 1-5 мкм. В большинстве случаев фибриллы уложены равномерно слоями, а в отдельных – спиралевидно [58].
При изучении строения клеточной стенки установлено [58], что в микрофибриллах наблюдаются образования, имеющие кристаллическую структуру – мицеллы (рисунок 1.2).
Многочисленные рентгенографические и электронографические исследования показали, что при огромных увеличениях (50103 раз) мицеллярные соединения составлены из отдельных группировок макромолекул нитеобразной формы [59]. Максимальное содержание лигнина (85%) достигает в средних слоях целлюлозных волокон, а на поверхности – 15%. При диспергировании целлюлозы (распушении волокон) и ее производных достигается огромная удельная поверхность, которая обеспечивает высокую адгезионную способность взаимодействия с окружающими компонентами.
Качество бумаги и картона характеризуется физическими, химическими и механическими показателями.
К физическим свойствам относятся: масса 1 м2, толщина, объемная масса, просвет, прозрачность, воздухопроницаемость (пористость), лоск и гладкость, цвет, оттенок, влажность и влагопрочность; к химическим -зольность, род и степень проклейки, кислотность и щелочность; к механическим - упругость, сопротивление разрыву при растяжении, излому при перегибе, раздиру и скручиванию, удлинение в момент разрыва.
В зависимости от назначения, к бумаге и картону предъявляются различные требования. Так, бумаги писчая и литографская отличаются белизной и чистотой, а большинство оберточных материалов этими свойствами не обладают. Одни виды бумаги должны быть непрозрачными (для печати), а другие, наоборот, прозрачными; некоторые виды бумаги должны иметь среднюю и даже высокую степень проклейки (литографская, писчая), а другие, наоборот, должны быть неклеенными (основа для парафинирования), чтобы бумажная продукция соответствовала определенным потребительским требованиям. Комитетом стандартов России утверждаются ГОСТы на тот или иной вид бумаги или картона.
Бумага и картон являются самыми распространенными материалами в упаковочной отрасли. Основной характеристикой бумажных материалов является вес одного квадратного метра в граммах. По этому показателю различают бумагу от 5 до 150 г/м2, тонкий картон от 151 до 400 г/м2 и картон от 401 до 1200 г/м2. По содержанию волокнистой смеси, бумагу подразделяют на следующие виды: тончайшую из макулатуры или специальной целлюлозы, тонкую из целлюлозы, полутонкую из целлюлозы и некоторого количества древесной массы, обычную из целлюлозы и некоторого количества древесной массы и макулатуры. Бумагу с повышенной плотностью (крафтбумага) используют для упаковки и транспортировки цемента, гашеной извести, удобрений, кормов, зерновой продукции [60,61].
Анализ влияния центробежных сил на процессы движения частиц
При движении частиц в криволинейном потоке установлено, что формула Стокса, полученная для сферы, обтекаемой прямолинейным поступательным потоком, не вполне точно определяет даже сопротивление частицы, седиментирующей в горизонтальном потенциальном потоке. При обтекании же сферы криволинейным потоком симметричность линий тока нарушается и проявляется воздействие ряда новых факторов.
Если движение происходит по концентрическим окружностям, а частицы воздуха не вращаются (потенциальный поток), то скорости потока v распределяются по закону площадей: vR = k - const. (2.40)
Для определения постоянной к рассмотрим плоское течение в криволинейном канале единичной толщины, образованном двумя концентрическими поверхностями (рисунок 2.5).
Объемный расход Q потока, протекающего со скоростью v по каналу, равен [92]
В центре вращающегося потока (ядре вихря) х = -1 скорости распределены как в твердом теле. В этом случае по аналогии с вращательным движением твердых тел постоянная к может быть названа угловой скоростью вращения потока. Сопротивление сферы радиусом г равно [93]: где wc - скорость относительного движения.
Первый член правой части этого уравнения - сила Стокса в ее обычном выражении, а второй и третий члены - дополнительные компоненты аэродинамического сопротивления, обусловленные вращением потока. Второй член, по модулю равный mev2/R, представляет собой центростремительную силу объема воздуха, вытесненного сферой; третий член с модулем 27ir2pecowc - силу, направленную под прямым углом к вектору скорости относительного движения сферы в сторону вращения потока.
Один из результатов взаимодействия с увлекающими их воздушными потоками - проявление сил инерции.
В свете современных физических представлений различают два класса сил инерции:
- ньютоновы инерции, действующие в системах отсчета, в системах неподвижных или движущихся по отношению к неподвижным прямолинейно и равномерно;
- силы, действующие в неинерциальных системах отсчета, т.е. в системах, движущихся по отношению к неподвижным с ускорением.
Рассмотрим прежде всего ньютоновы силы инерции. Согласно первому закону Ньютона (закон инерции), в инерциальной координат каждое тело, на которое не действуют силы со стороны тел, может двигаться только прямолинейно и равномерно.
Если абсолютная скорость частицы относительно неподвижной системы координат равна w, а скорость воздушной среды (потока) - и, то сила инерции [92]:
В данном случае ускоряющее действие на частицу оказывает воздушная среда. Ускоряющая сила (2.45) приложена к частице.
Согласно третьему закону Ньютона, каждое действие вызывает равное ему и противоположное по направлению противодействие. Ньютонова сила инерции представляет собой силу противодействия ускоряемой частицы и как сила реакции приложена к ускоряющей воздушной среде. Таким образом, действующая сила аэродинамического сопротивления и противодействующая ей сила инерции, характеризующие взаимодействие частицы с воздушным потоком, имеют одну и ту же природу.
Для исследования сил инерции второго класса рассмотрим поведение частицы в потоке в неподвижной системе координат. По мере сужения сечения скорость потока быстро возрастает. Скорость же движения частицы w, равная w0 = v0, изменяется медленнее, и поэтому всегда существует значение wc = w - v, отличное от нуля.
Введем подвижную систему координат, движущуюся вместе с потоком, т.е. движущуюся ускоренно с переменной скоростью v по отношению к неподвижной системе координат. Абсолютная скорость частицы w = v + wc, при этом v может быть названа скоростью переносного движения, a wc -скоростью относительного движения. Соответственно ускорение составит
Наблюдатель, связанный с подвижной системой координат и поэтому не замечающий ее ускорения dv/dt, должен будет отметить, что пылевая частица движется с ускорением, равным dw/dt - dv/dt, которое он не смог бы объяснить действием каких-либо конкретных сил. Для объяснения этого явления необходимо ввести в рассмотрение силу инерции - mdv/dt, направленную в сторону, противоположную направлению потока. Уравнение движения частицы относительно подвижной системы координат примет вид:
Вследствие произвольности выбора скорости подвижной системы координат v может произвольно изменяться и значение силы mdv/dt.
Взаимодействие между частицами может приводить к их укрупнению и тем самым способствовать дальнейшей агломерации.
Скорость разделения неоднородных систем можно значительно повысить в поле центробежных сил по сравнению с отстаиванием под действием силы тяжести. Такое повышение обусловливается увеличением движущей силы процесса разделения. Для создания поля центробежных сил используют два способа:
1) обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате; такой процесс разделения называется циклонным, а аппарат для его осуществления - циклоном;
2) поток направляют во вращающийся аппарат, этот способ разделения называют осадительным центрифугированием; а аппараты, в которых он осуществляется, - осадительными центрифугами.
Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы по сравнению с разделением под действием силы тяжести вводится понятие фактора разделения, равного их отношению [94]: где т - масса осаждаемой частицы, кг; ац - ускорение центробежной силы, м/с2.
Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу, больше силы тяжести во столько раз, во сколько ускорение центробежной силы ач больше ускорения силы тяжести g.
Окружную скорость можно выразить через частоту вращения частицы п (с-1) (wr=27irn) или угловую скорость со (wr=cor). В этом случае выражение для центробежного ускорения примет вид:
Значение Kp для циклонов имеет порядок сотен, а для центрифуг -около 3000; таким образом, движущая сила процесса осаждения в циклонах и центрифугах на 2 - 3 порядка больше, чем в отстойниках. По этой причине производительность циклонов и центрифуг выше производительности отстойников, в них можно отделять мелкие частицы: в центрифугах -порядка 1 мкм, в циклонах - порядка 10 мкм [95].
Исследование влияния физико-химических характеристик ТВМ на аэродинамические характеристики дисперсной системы
Для изучения процесса гранулирования при утилизации техногенных волокнистых материалов необходимо произвести исследование их физико-химических параметров: размер и форма частиц, скорость их витания, коэффициент формы и другие свойства. Для получения гранул пневмомеханическим способом необходимо определить скорость витания частиц и оценить их форму.
В качестве исследуемого материала использовались сформованные шарообразные и измельченные частицы пенопласта (р=20 кг/м3), газетной бумаги (р=100 кг/м3), офисной бумаги (р=400 кг/м3) и картона (p=S00 кг/м3).
Эквивалентный диаметр шарообразных частиц определялся с использованием штангенциркуля. Эквивалентный диаметр измельченных волокнистых частиц определялся как объем волокна, выраженный через диаметр шарообразной частицы.
Зависимость скорости витания от диаметра шарообразной частицы, определенная по формулам (2.35, 2.36, 2.37) и экспериментально на установке (рисунок 3.3) для различных материалов, представлена на рисунке 4.1.
При проведении экспериментов скорости воздушного потока изменялась в пределе от 0,8 до 14 м/с, при этом устанавливается турбулентный режим обтекания частиц (2000 Re 50000).
Таким образом, удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных значений скоростей витания (рисунок 4.1) и аэродинамического коэффициента (рисунок 4.2) для частиц различной плотности свидетельствует о достоверности полученных на установке результатов и возможности проведения дальнейших исследований аэродинамических свойств материалов различной формы и плотности.
Известно, что при таких высоких значениях числа Рейнольдса обтекание происходит в автомодельной области сопротивления, и коэффициент лобового сопротивления может быть определен по формуле
Данное уравнение позволяет определить коэффициент формы исследуемых частиц.
По расчетным и экспериментальным данным была построена зависимость коэффициента формы шорообразных (рисунок 4.3) и измельченных (рисунок 4.4) частиц газетной бумаги (р=\00 кг/м3), офисной бумаги (р=Ш кг/м3) и картона (р=800 кг/м3) от эквивалентного диаметра.
Удовлетворительное совпадение полученных значений коэффициента формы для измельченных волокнистых частиц различных эквивалентных диаметров с научными трудами других авторов свидетельствует о достоверности полученных на данной установке результатов.
На основании экспериментальных данных было получено уравнение для определения скорости витания частиц волокнистых материалов, которое справедливо для частиц измельченных волокнистых материалов с длиной волокон от 2 до 8 мм
Результаты экспериментальных данных и расчета коэффициента лобового сопротивления частицы сх представлены в таблице 4.1.
Как видно из таблицы 4.1, средний коэффициент лобового сопротивления сх для частиц газеты составляет 0,78, для частиц бумаги -0,88, а для частиц картона - 0,63, что соответствуес коэффициенту формы Кф=1,5-2,0 при условии автомодельного режима обтекания.
При условиях движения материально-воздушного потока в ограниченном пространстве на частицы оказывают влияние концентрация этих частиц в потоке.
Влияние концентраций частиц на их сопротивление в потоке может быть учтено с помощью различных эмпирических зависимостей, например, формулы Тодеса [91]
Для сравнения были взяты частицы газеты и картона, которые имеют плотности 100 кг/м3 и 800 кг/м3 соответственно. Для различных условий были произведены расчеты и построен график зависимостей скорости витания от концентрации твердых частиц в газовом потоке при различных диаметрах (рисунок 4.5).
Из рисунка следует, что повышение концентрации твердой фазы оказывает значительное влияние на скорость витания. При концентрации около 0,05 м3/м3 скорость витания примерно на 10-12 % ниже скорости витания одиночной частицы в неограниченном пространстве. При дальнейшем повышении концентрации эта разница увеличивается в большей степени.
Недостаточно точный учет влияния концентрации твердой фазы на величину скорости витания при объемных концентрациях выше 0,04 0,05 м3/м3 приводит к значительным ошибкам. Именно поэтому концентрация твердой фазы около 0,05 м3/м3 может считаться верхним пределом существования пневмотранспорта с низкой концентрацией. При этой концентрации еще допустимо рассчитывать скорость транспортирующего потока, исходя из скорости витания одиночной частицы [126].
Повышение концентрации твердой фазы оказывает значительное влияние на скорость витания и коэффициент формы исследуемых частиц (рисунок 4.6).
Как видно из рисунка, при увеличении концентрации твердых частиц в материально-воздушном потоке коэффициент формы увеличивается. Это говорит об образовании агломератов из единичных частиц, изменении их формы и увеличении сопротивления, причем влияние степени объемного заполнения неоднозначно от размеров частиц.
Исследования показали, что с повышением концентрации волокнистых частиц и их движении в стесненном потоке повышается количество их столкновений друг с другом в воздушном потоке, что приводит к образованию агломератов с коэффициентом формы, близким к единице.
Проведение экспериментов и получение уравнения множественной регрессии
Исходным материалом для настоящих исследований служит измельченный в шредере и молотковой дробилке картон. Истинная плотность измельченного картона составляет 800 кг/м3, насыпная плотность – 30±5 кг/м3. Средний диаметр частиц равен 15±2 мкм, длина волокна – 0,6-1,0 мм.
Эксперимент проводился следующим образом. По трубе движется воздушный поток, в который подается исходный материал. Далее в воздушно-материальный поток посредством форсунки впрыскивается жидкое связующее. Поток входит в торообразную камеру тангенциально для создания центробежных сил. Через отверстия агломерат перегружается в нижнюю торообразную камеру (см. рисунок 3.3). В нижней камере частицы микрогранул дополнительно уплотняются и попадают в цилиндрическую часть бункера. В бункере сформованный микрогранулят ссыпается по конической вставке вниз, а освобожденный от них воздух, огибая цилиндрическую вставку, устремляется вверх и уходит из бункера в выхлопную трубу. Микрогранулят направляется к месту последующей переработки, а воздух с пылевидными частицами – в систему пылеочистки.
Для определения оптимальной связующей добавки были проведены эксперименты с использованием 1% и 3% раствора КМЦ, а также 3% и 5% раствора ЛСТ. В качестве базового опыта гранулирование проводили с водой без реагентов.
В качестве контрольного параметра выбрана плотность полученных гранул (, кг/м3). Плотность полученных гранул определялась путем отборки определенного объема продукта и его взвешивания на аналитических весах.
Результаты экспериментов приведены на рисунке 4.11.
При добавке к измельченному материалу воды происходит образование агломератов как за счет капиллярных сил, так и межмолекулярного взаимодействия смоченных частиц. Поэтому влияние добавки оценивалось при одинаковых объемных концентрациях добавки воды и водных растворов к насыпной массе твердой составляющей (% об.).
Как видно из рисунка 4.11, при одинаковой влажности сформованных агломератов более эффективное взаимодействие происходит при добавке КМЦ.
Как видно из рисунка 4.12, наиболее эффективной связующей добавкой является КМЦ, что обусловлено её высокой адгезионной способностью к целлюлозно-бумажным компонентам. Использование в качестве связующего ЛСТ подразумевает больший его расход по сравнению КМЦ при более низких показателях плотности.
Для определения реологических свойств растворов КМЦ были проведены исследования на приборе Реотест 2.
Прибор Реотест-2 (рисунок 4.13) состоит из вискозиметра и измерительной части. Вискозиметр включает в себя: привод, измерительный орган с цилиндрическим измерительным устройством. В основании прибора смонтирован асинхронный двигатель, имеющий два диапазона работы 750 и 1500 об/мин.
Привод включает в себя асинхронный двигатель 2 с переключаемыми полюсами, смонтированный на основании 1, двенадцатиступенчатую коробку скоростей 21 и мост передаточного механизма 3. Коробка передач может обеспечивать в общей сложности двенадцать различных скоростей, измеряемых с градационным фактором, равным 3.
Установка требуемого числа оборотов осуществляется поворотом рукоятки 17 по часовой стрелке, а показания об установленной передаче снимают со шкалы 15.
Измерительный орган 6 является механически-электрическим преобразователем крутящего момента. Для измерения действующего момента вращающегося измерительного цилиндра необходимо замерять отношение вращения измерительного вала 5 к приводному валу 7 против действия двухступенчатого динамометра 4. Инструментальный потенциометр, действующий с динамометром, соединенным мостом сопротивления, снимает это относительное вращение, причем действующий сигнал вращения преобразуется в пропорциональный сигнал тока.
Переключатель диапазонов 8 динамометра позволяет осуществлять регулировку касательного напряжения в области соотношением 1:10. Переключение диапазонов можно осуществлять изменением режима вращения измерительного вала 5. Для этого необходимо перевести переключатель диапазонов 8 для области I – влево, для области II – вправо до упора.
Как показали исследования оптимальная концентрация КМЦ в растворе составляет 5%, так как при повышении концентрации резко возрастает динамическая вязкость раствора. Плотность такого раствора составляет 1050-1100 кг/м3.
Во время производства гранулированных продуктов на технологическом комплексе возникает проблема утилизации некондиционного материала, который представляет собой отсеянную в классификаторе просыпь. Количество такого материала составляет 15-20 % от полученного продукта. Истинная плотность просыпи составляет 1280 кг/м3, насыпная плотность - 246 кг/м3. Средний размер частиц - 1±0,5 мм.
Целесообразным применением такой просыпи является её возврат в технологическую линию производства. На стадии микрогранулирования просыпь смешивается с исходным измельченным материалом и выполняет роль центра гранулообразования, что улучшает исследуемые параметры полученных гранул.
При проведении эксперимента были выбраны различные процентные соотношения исходного материала и просыпи (5-20 %) при добавке КМЦ к твердому в диапазоне 0,8-1,2%. Выходными параметрами являлись плотность полученных гранул и их диаметр.
Зависимость плотности и диаметра полученных гранул от добавки к исходной смеси раствора КМЦ представлена на рисунке 4.15.
Из рисунка 4.15 следует, что максимальные значения плотности сформованных агломератов происходит при соотношении просыпи к исходному материалу 10±5%.
Добавка просыпи также увеличивает размер полученных гранул в 2,5-3,0 раза (рисунок 4.16).