Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгородская область, Россия
аспирант
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 666.1.022.8 Подготовка готовой шихты перед стекловарением, например брикетирование, гранулирование
В статье обоснована необходимость проведения научно-технических разработок, теоретических и экспериментальных исследований процессов агломерации порошкообразных, вязко-пластичных материалов, а также материалов анизотропной структуры для получения сформованных тел заданной гранулометрии с целью улучшения их потребительских свойств. Приведена математическая модель, описывающая условия движения материала в камере гранулирования, которая была представлены в виде системы дифференциальных уравнений для движения вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрической системе координат. Результаты проведенных теоретических исследований подтверждаются при физическом моделировании технологического процесса гранулообразования. По результатам исследование условий движения материала в камере гранулирования установлено, что скорость сдвиговых деформаций слоя материала по ширине камеры изменяется неравномерно, то есть степень свободы находящихся в ней частиц ограничена. Предложено решение по устранению данного недостатка путем создания более благоприятных условий для реализации процессов гранулообразования, которые могут быть созданы в торообразной или близкой к ней по форме камере за счет интенсификации объемно-пространственного перемещения материала.
переработка, техногенные материалы, гранулообразование, математическая модель, движение материала, скорость сдвиговых деформаций, моделирование процесса
Введение. Во многих сферах производственной деятельности широкое применение находит технология компактирования материалов: гранулирование, экструдирование, брикетирование и другие. Каждый из этих способов обладает своими достоинствами и технологически целесообразен. При этом должны быть учтены технологические способы использования сформованных тел для производства строительных изделий, облегченных конструкций, теплоизоляционных смесей и покрытий; поризованных материалов, обладающих повышенной фильтрующей способностью; уплотненных техногенных материалов при их термической обработке и др. [1–10].
В некоторых случаях процесс получения гранул сферообразной или близкой к ней формы является более предпочтительным, так как позволяет сохранить им товарный вид и потребительские свойства, снизить потери при перевозке и хранении без смерзания и пыления, повысить сыпучесть сплошной среды, обеспечить более плотную упаковку полифракционных сформованных тел [11, 12].
Однако, существующие машины и аппараты для гранулирования материалов (окаточные барабаны, тарельчатые и вибрационные грануляторы) не всегда обеспечивают условия для необходимого динамического воздействия на обрабатываемый материал и получение сформованных тел из вязко-пластичных материалов с заданными характеристиками (фракционным составом, плотностью, прочностью и др.) [11].
В связи с этим возникает необходимость проведения научно-технических разработок, теоретических и экспериментальных исследований процессов агломерации порошкообразных, вязко-пластичных материалов, а также материалов анизотропной структуры, например, фибронаполнителей для получения сформованных сферообразных тел заданной гранулометрии.
Материалы и методы. При проведении теоретических исследований было принято, что предварительно подготовленные компоненты смеси со связующим поступают в камеру гранулирования (рис. 1), где подвергаются воздействию центробежных сил Fц и сил трения Fтр, возникающих в результате ее движения с постоянной угловой скоростью ω по круговой траектории с центром вращения в точке О. Горизонтальная ось камеры находится на расстоянии RОА от центра О, то есть в сечении А-А отрезок ОА равен эксцентриситету е эксцентрикового вала. Камера выполнена так, что диаметр Dк больше ее ширины Вк.
Рис. 1. Схема к расчету условий движения материала в камере гранулирования:
а) общий вид; б) эпюра скоростей потока в цилиндрической камере;
в) эпюра скоростей потока в сферообразной камере
Допускаем, что в процессе работы агрегата камера перемещается на некоторый угол φ, а материал внутри нее движется в установившемся режиме и, достигнув наибольшего уплотнения, не деформируется, то есть образуется несжимаемый слой.
Основная часть. Для математической модели, описывающей условия движения материала в цилиндрической системе координат, может быть применена система дифференциальных уравнений движения вязкой несжимаемой жидкости [13]. В данном случае эта система будет представлена в следующем виде:
(1)
где Rк – радиус камеры гранулирования, м; RОА – эксцентриситет эксцентрикового вала (RОА = е), м; φ – угол поворота камеры гранулирования, град; ρ – плотность слоя материала, кг/м3;
vz , vRк , vj – скорости движение слоя материла по внутренней поверхности камеры гранулирования в направлении оси Z, радиуса Rк, вращения камеры, соответственно, м/с; P – давление, Па; FRк – сила, воздействующая на материал в камере гранулирования; Н.
Условие несжимаемости:
. (2)
Оператор Лапласа:
. (3)
В решении данного уравнения целесообразно учесть ряд следующих обстоятельств. Камера вращается с постоянной скоростью, а материал поступает в нее непрерывно и равномерно, то есть = 0. При отсутствии сжимаемости слоя ρ = const. Действие массовых сил можно не учитывать (Fм = 0) виду их незначительной величины. Движение слоя по внутренней поверхности камеры в направлении оси Z и радиуса R не осуществляется. Тогда скорости vz = 0 и vR = 0. В свою очередь, скорость потока в направлении вращения камеры постоянна, поэтому
= 0. Однако, скорость движения слоя по ширине камеры будет изменяться под действием сил трения, возникающих в ее внутреннем объеме и у боковых стенок. Следовательно,
≠ 0.
Для определения оптимального профиля камеры гранулирования установим характер изменения скорости vj в направлении оси Z. Тогда, с учетом принятых выше допущений, запишем систему уравнений (1) в виде:
(4)
Здесь оператор Лапласа:
. (5)
При принятом ранее условии:
,
. (6)
В этом случае система дифференциальных уравнений примет вид:
(7)
После разделения переменных по функциям φ и Z , а также при , получаем неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка:
. (8)
Это уравнение может быть представлено в общем виде:
, (9)
где vj – общее решение однородного уравнения; v/j – частное решение неоднородного уравнения.
Применим метод неопределённых коэффициентов, для которого:
(10)
В результате получим неоднородное дифференциальное уравнение вида:
(11)
Примем во внимание, что движение материала в камере, осуществляемое за счёт центробежных сил, приводит к возникновению сил трения о ее внутреннюю поверхность. Тогда при определении условий получения гранул значительное влияние имеет фактор (величина и характер изменения) скорости сдвиговых деформаций vj по ширине камеры Bк. При этом у боковых стенок камеры значения vj (в пристенных слоях) минимальны, а в средней части камеры максимальны.
Учитывая ряд условий (Z = 0; Z = Bк и Z = 0,5Bк), постоянные примут вид:
(12)
После решения системы уравнений (12) получим значения постоянных:
, (13)
, (14)
. (15)
С учётом полученных значений С1, С2 и С уравнение для определения значений скорости сдвиговых деформаций слоя по ширине камеры Bк примет вид:
. (16)
Анализ уравнения показывает, что скорость сдвиговых деформаций (vj) слоя гранул по ширине камеры изменяется по параболическому закону с наибольшим значением в центральной части камеры.
С целью проверки и уточнения результатов теоретических исследований было проведено физическое моделирование процесса гранулирования. Для этого был использован вибрационно-центробежный агрегат комбинированного действий [14, 15]. Конструктивно агрегат представляет собой базовый кривошипно-ползунный механизм с автоматизированным управлением (рис. 2). Он может быть оснащен двумя или тремя камерами, которые позволяют добиться выполнения различных технологических операций в одной машине за счет конструктивных особенностей и организации технологического процесса. Например, дезагломерации волокнистых материалов, классификации, гомогенизации, получения гранул из композиционных смесей и другие.
Механизм работает следующим образом: электродвигатель 1, через клиноременную 2 и зубчатую 3 передачи, передает вращение эксцентриковым валам 4 с противовесами 5. При этом подвижная рама 13 соединена с эксцентриковыми валами, ползунами 14 и рабочими камерами 9, 10, 11. Таким образом, в результате вращения эксцентриковых валов каждая из закреплённых на подвижной раме рабочих камер совершает движение по заданной траектории (верхняя – возвратно-поступательное, средняя – по эллипсоидной траектории, нижняя – по круговой траектории). В тоже время при возвратно-поступательном движении рамы осуществляется вибрация желобов 8.
Для предварительной подготовки материала, конструкция может быть оснащена валковым уплотнителем 7 с собственным приводом 6.
Кроме того, для подготовки и переработки волокнистого материала способом дезагломерации верхняя камера может быть выполнена призматической формы, а внутри нее закреплены гирляндные цепные завесы. Тогда нижняя из двух камер будет составлена из двух дополнительных устройств 12 с загрузочными и выгрузочными устройствами.
Для получения фибронаполнителей, например, в виде микрогранул может быть предусмотрена дополнительная камера, которая соединена с нижней камерой и оснащена центральным загрузочным отверстием и с двух сторон двумя крайними выгрузочными отверстиями. Внутри она содержит по своему периметру вставки в виде усеченных конусов, направленных большими основаниями от загрузки по центру в стороны к выгрузке.
Рис. 2. Конструкция вибрационно-центробежный агрегат комбинированного действий:
1 – электродвигатель; 2 – ременная передача; 3 – зубчатая передача; 4 – эксцентриковый вал; 5 – противовесы;
6 – привод валка; 7–- валок; 8 – виброжелоба; 9, 10 и 11 – рабочие камеры; 12 – дополнительные устройства;
13 – подвижная рама; 14 – ползуны; 15 – стойки; 16 – промежуточный вал
Моделирование осуществлялось в нижней цилиндрической камере гранулирования с прозрачной торцевой крышкой (рис. 3), который жестко соединен с подвижной рамой, закрепленной в подшипниковых узлах на двух эксцентриковых валах, соединенных с приводом.
Рис. 3. Движение материала в камере агломерации:
а, б) при частоте вращения эксцентриковых валов n = 200 –250 об/мин;
в, г) при частоте вращения эксцентриковых валов n = 300–350 об/мин
Установлено, что при движении камеры по круговой траектории без вращения вокруг собственной оси для находящегося в нем гранулируемого материала характерен: циркуляционный режим движения материала при частоте вращения эксцентриковых валов n = 200…250 об/мин (рис. 3, а, б); водопадно-каскадный – при n = 300…350 об/мин (рис. 3, в, г).
Для проведения моделирования и получения гранул были использованы смеси следующего состава:
- в пропорции по весу: песок – 30 %, цемент – 40 %, перлит – 20 %, бентонит – 2 %, базальтовое фиброволокно – 6-8 %, при влагосодержании - 0,6;
- связующее – меласса; Ссв = 15 % на 100 г материала;
- связующее – 5 % КМЦ; Ссв = 10 % на 100 г материала.
Эксперимент показал, что гранулы (рис. 4), полученные при окатывании в нижней цилиндрической камере, особенно на начальной стадии гранулообразования (микрогранулирования), имеют более выраженную эллипсовидную форму. Следует отметить, что получение сферообразных гранул в этом случае возможно, но это негативно сказывается на производительности, так как время пребывания гранулята внутри камеры увеличивается.
Рис. 4. Общий вид гранул:
а) связующее – меласса, Ссв = 15 % на 100 гр. материала;
б) связующее – 5% КМЦ, Ссв = 10 % на 100 гр. Материала
Также при проведении комплекса экспериментов по получению композиционных смесей со сформованными базальтовыми фиброволокнами и испытания полученных из них спрессованных образцов установлено, что при увеличении процентного содержания волокон в смеси (6–8 %), наблюдается повышение прочности на сжатие с σсж = 0,45 МПа до σсж = 0,55 МПа. При этом снижается плотность с r = 400 кг/м3 до
r = 350 кг/м3 и теплопроводность с l = 0,018 Вт/(м·К) до l=0,013 Вт/(м·К).
Все это, в свою очередь, свидетельствует о целесообразности создания условий для гранулирования с более равномерным изменением значений скоростей сдвиговых деформаций по ширине рабочих камер путем конструктивно-технологического совершенствования геометрического профиля этих камер, их внутренних устройств, а также организации самого процесса гранулообразования.
Одним из вариантов технического решения данной задачи (создания благоприятных условий гранулирования) является использование тороидального или близкого к нему профиля камеры гранулирования. Это позволит добиться улучшения качества продукции, например, при переработке техногенных материалов (базальто-волокнистых, целлюлозно-бумажных и других отходов производств) с получением фибронаполнителей в виде отдельных фибр или высококонцентрированных сферообразных микрогранул. В последнем случае, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, положительный эффект будет достигнут за счет более интенсивного перемещения частиц материала в пространстве по направлению координат XYZ.
Выводы. Проведенные аналитические исследования скорости распределения слоя материала по ширине камеры гранулирования позволили выявить неравномерность распределения потока, что указывает на ограничение степени свободы находящихся в ней частиц. Более благоприятные условия для реализации процессов агломерации возможно создать за счет интенсивного объемно-пространственного перемещения материала, что также оказывает положительное влияние на течение процесса гранулирования. При этом окатывающее воздействие на материал осуществляется в результате перемещения частиц в пространстве по направлению координат XYZ, а образующиеся центры гранулообразования (микрогранулы) являются основой для последующего гранулообразования. Данный технологический процесс может быть реализован на последней стадии агломерации (то есть получении конечных гранул) при использовании тороидального или близкого к нему профиля камеры гранулирования. На практике результаты исследований применены при разработке конструкций машин для комплексной переработки сырьевых и техногенных материалов.
1. Сулименко Л.М., Альбац Б.С. Агломерационные системы в производстве строительных материалов. М.: Изд-во ВНИИЭСМ, 1994. 297 с.
2. Ильина Т.Н. Процессы агломерации в технологиях переработки дисперсных материалов: монография. Белгород: Изд-во БГТУим. В. Г. Шухова, 2009. 229 с.
3. Keleb E.I., Vermeire A., Vervaet C., Remon J. P. Twin screw granulation as a simple and efficient tool for continuous wet granulation. International Journal of Pharmaceutics. 2004. Том. 273. №1-2. Pp. 183-194.doihttps://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2004.01.001.
4. Makarenkov D.A. Volkov P.A., Nazarov V.I. Design of enzyme granulation processes // Russian Journal of General Chemistry. 2015. Том. 85. № 10. Pр. 2465-2475. doi:https://doi.org/10.1134/S1070363215100424.
5. Yegorov B.V., Batievskaya N.O., Fedoryaka V.P. Application of granulation technology in various industries // Grain products and mixed fodders. 2017. Том. 17. №3. Pp. 33-38.
6. Bansal A.K., Balwani G., Sheokand S. Critical material attributes in wet granulation // Handbook of Pharmaceutical Wet Granulation: Theory and Practice in a Quality by Design Paradigm. 2018. Pp. 421-453. doi:https://doi.org/10.1016/B978-0-12-810460-6.00009-9.
7. Iveson S.M., Litster J.D., Hapgood K., Ennis B.J. Nucleation, growth and breakage phenomena in agitated wet granulation processes: A review // Powder Technology. 2001. Том. 117. № 1-2. Pp. 3-39. doi:https://doi.org/10.1016/S0032-5910(01)00313-8.
8. Simons S.J.R., Rossetti D., Paglia P. The relationship between surface properties and binder performance in granulation // Chemical Engineering Science. 2005. Том. 60. № 14. Pp. 4055-4060. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2005.02.034.
9. Kelbaliyev G.I., Samedli V.M., Samedov M.M. Regularities of formation of granules at granulation of powdered materials in drum devices // Azerbaijan Chemical Journal. 2018. № 3. Pp. 57-65. doi: https://doi.org/10.32737/0005-2531-2018-3-57-65.
10. Dubinin N.N., Evtushenko E.I., Nemets I.I., Nosov O.A., Osokin A.V. Rotary machines for production of ceramic wall materials // Advances in Environmental Biology. 2014. Том. 8. № 13. Pp. 201-206.
11. Севостьянов М.В. Расчет и проектирование оборудования для компактирования техногенных материалов: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2017. 205 с.
12. Sevostyanov M.V., Il'ina T.N., Sevostyanov V.S., Emel'anov D.A. Methodological Principles of Agglomeration Processes Improvement in Technologies of Disperse Materials Processing // Research Journal of Applied Sciences. 2014. Том. 9. № 11. Pp. 738-744. doi:https://doi.org/10.3923/rjasci.2014.738.744.
13. Ольховский И.И. Курс теоретической механики для физиков. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во Московского ун-та, 1974. 569 с.
14. Пат. 2412753, Российская Федерация, МПК B01J 2/00. Вибрационно-центробежный гранулятор / Т. Н. Ильина, М. В. Севостьянов, Е. А. Шкарпеткин, В. И. Уральский; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПОБГТУ им. В.Г. Шухова. № 2009135800/05: заявл. 25.09.2009; опубл. 27.02.2011, Бюл. №6. 8 с.
15. Пат. 2692624, Российская Федерация, МПК B02C 17/08. Устройство и способ переработки техногенных волокнистых материалов для получения фибронаполнителей (варианты) / М. В. Севостьянов, В. А. Полуэктова, В. С. Севостьянов; заявитель и патентообладательФГБОУ ВОБГТУ им. В.Г. Шухова. № 2018131819: заявл. 03.09.2018; опубл. 25.06.2019, Бюл. №18. 9 с.
