close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Кинетика формирования многокомпонентных смесей разнородных дисперсных материалов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Балагуров Иван Александрович
Кинетика формирования многокомпонентных
смесей разнородных дисперсных материалов
05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Иваново – 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Ивановский государственный энергетический
университет имени В.И. Ленина»
Научный руководитель:
Мизонов Вадим Евгеньевич
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Лебедев Антон Евгеньевич,
доктор технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Ярославский государственный
технический университет», профессор
кафедры "Технологические машины и
оборудование"
Постникова Ирина Викторовна,
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный
химико-технологический университет»,
доцент кафедры машин и аппаратов химических производств
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный
технический университет», г. Тамбов
Защита состоится «24» сентября 2018 г. в 13 час. на заседании
диссертационного совета Д 212.063.05 в Ивановском государственном
химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр.
Шереметевский, 7, ауд. Г-205.
Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского
государственного химико-технологического университета по адресу: 153000,
г. Иваново, пр. Шереметевский, 10 и на официальном сайте университета по
ссылке:
http://isuct.ru/sites/default/files/department/ightu/dissertacionnyesovety/files/_balagurov_ivan_aleksandrovich_24092018/dissertaciya_balagurov_v3.0_podpis.pdf
Автореферат разослан «
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.063.05
д.ф.-м.н., профессор
»______________________ 2018 г.
Зуева Галина Альбертовна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Смеси разнородных дисперсных компонентов являются целевым продуктом или полуфабрикатом в широком спектре технологических процессов химической, фармацевтической, строительной и других
отраслей промышленности. При этом постоянно возрастают требования к степени
однородности таких смесей и производительности смесительного оборудования.
Несмотря на многочисленные исследовательские и проектные работы, решение
этих задач все еще отстает от требований современных технологий.
При смешивании разнородных компонентов основным препятствием к достижению качественных смесей является сегрегация компонентов друг в друге.
При наличии сегрегации достижение полностью однородной смеси в промышленных масштабах невозможно в принципе. Можно говорить лишь о максимально
возможной однородности, достигаемой при оптимальном времени смешивания, которая далеко не всегда удовлетворяет технологическим регламентам. Поэтому необходим поиск научно обоснованных путей подавления негативного влияния сегрегации на формирование качества смесей и повышение максимально возможной
их однородности. Решение этой задачи чисто экспериментальными методами является нереалистичным в силу трудоемкости таких экспериментов и разнообразия
условий смешивания и состава смесей в различных аппаратах. Поэтому особую
роль приобретает разработка математических моделей, адекватно описывающих
кинетику смешивания и позволяющих расчетным путем отыскивать рациональные
пути подавления негативного влияния сегрегации.
Задача моделирования и расчета кинетики смешивания существенно усложняется, если необходимо смешать три и более разнородных компонента. Если в бинарной смеси один компонент сегрегирует вниз рабочего объема смесителя, а другой вверх, то, например, в тройной смеси промежуточный компонент может сегрегировать в обоих направлениях. Теоретических моделей, описывающих кинетику
многокомпонентного смешивания, практически не существует. Их разработка является не только основанием научно обоснованных методов расчета процессов
смешивания, но и позволяет отыскивать пути повышения качества многокомпонентных смесей и производительности смесителей, которые затем могут быть использованы в создании новых конструкций смесителей.
В этой ситуации дальнейшее расчетно-экспериментальное исследование и
совершенствование процессов смешивания разнородных дисперсных компонентов
является актуальной научной и технологической задачей, что и определило цель
настоящей работы, которая выполнялась в рамках гранта РФФИ (проект 15-0801684) и международного договора о научно-техническом сотрудничестве между
ИГЭУ и Горным институтом г.Алби (Ecole des Mines d’Albi), Франция.
Объект исследования: процессы смешивания разнородных дисперсных материалов.
Предмет исследования: кинетика формирования многокомпонентных смесей разнородных дисперсных материалов, их качества и производительности смесителей.
Целью работы является поиск путей по повышению однородности многокомпонентных смесей склонных к сегрегации разнородных дисперсных материалов и производительности смесителей на основе математического моделирования и
оптимизации кинетики формирования смесей, поиска рациональных путей модернизации процесса и реализации этих путей в новых конструкциях смесителей.
3
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
1. Разработана математическая модель, описывающая кинетику смешивания многокомпонентных разнородных дисперсных материалов, позволяющая расчетным
путем оценивать возможные пути снижения негативного влияния сегрегации компонентов, повышения однородности смесей и производительности смесителей.
2. Теоретически и экспериментально обосновано, что структурированная многослойная загрузка компонентов в смеситель позволяет повысить по сравнению с однослойной загрузкой однородность смеси и производительность смесителя в 1,5
…2 раза.
3. Разработана методика идентификации параметров моделей смешивания и показано удовлетворительное совпадение прогнозируемых расчетных и фактических
опытных данных.
4. Получены новые экспериментальные данные по эволюции распределения компонентов при многокомпонентном смешивании и оптимальном времени смешивания по степени однородности смеси.
Практическая ценность результатов состоит в следующем:
1. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение моделирования и
расчета процессов смешивания разнородных материалов, защищенное двумя
зарегистрированными программами для ЭВМ.
2. Разработаны новые конструкции смесителей, в том числе, вибрационный
смеситель со структурированной многослойной загрузкой компонентов,
защищенные 4-мя патентами на полезные модели.
3. Средства программной поддержки моделирования и расчета процессов
смешивания, нашли применение в практике исследовательских и проектных работ
в Ченстоховском политехническом университете, Польша, и в Череповецком
муниципальным предприятием СПЕЦАВТОТРАНС для режимной оптимизации
линии по приготовлению антигололедных смесей. Новая конструкция смесителя
апробирована и включена в план модернизации линии изготовления литейных
смесей в ООО «Технологические смеси», Кострома.
Методология и методы исследования
В основу построения математической модели кинетики смешивания
разнородных дисперсных материалов положена методология и математический
аппарат теории цепей Маркова. Экспериментальные исследования проводились на
оригинальных установках лабораторного масштаба с видео- и фото-регистрацией
распределений компонентов с последующей обработкой фотографий с помощью
адаптированной программы по распознаванию образов.
Положения, выносимые на защиту
1. Разработанная нелинейная математическая модель кинетики смешивания разнородных дисперсных материалов и результаты численных экспериментов по исследованию возможных путей повышения качества смесей и снижению необходимого времени смешивания.
2. Методика и результаты экспериментального исследования эволюции распределения компонентов в лабораторном вибрационном смесителе.
3. Расчетно-экспериментальное обоснование преимуществ использования структурированной многослойной загрузки компонентов в смеситель и новую конструкцию вибрационного смесителя, реализующую такую загрузку.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования обоснована корректностью математических моделей, осно4
ванных на фундаментальных уравнениях баланса массы, применением оригинальных методов и установок для экспериментального исследования, хорошим согласованием расчетных и экспериментальных данных. Основные результаты работы
опубликованы в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и прошли
апробацию на конференциях различного уровня.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и
обсуждены на следующих конференциях: IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования
и экологически безопасных производств». Иваново, 2010; 7-й региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия2012», Иваново, 2012; 8-й, 9-й, 10-й, 11-й и 12-й международных НТК студентов,
аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013, 2014, 2015, 2016 и 2017», Иваново,
2013, 2014, 2015, 2016 и 2017 гг.; 20-й и 21-й МНТК Информационная среда вуза,
Иваново, 2014, 2015; МНТК «Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии» (XVIII и XIX Бенардосовские чтения), Иваново, 2015, 2017; XXVII
МНК «Математические методы в технике и технологиях», Иваново, 2014; 16-й
Плесской МНК по нанодисперсным магнитным жидкостям, Плес, 2014; The 8th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, Tel-Aviv, Israel, 2015; The XVI International Scientific Conference «High-Tech in Chemical Engineering – 2016», 2016, Moscow; The International Symposium of Reliable Flow of Particulate Solids; “RELPOWFLO V”, 2017, Skien, Norway.
Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований,
постановке конкретных задач по моделированию и разработке их программноалгоритмического обеспечения, разработке методик экспериментов и их
реализации, научном анализе и интерпретации полученных результатов.
Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования
автора.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 36-х печатных работах, из которых 1 монография, 10 статей в изданиях, рекомендованных
перечнем ВАК (в том числе, 3 статьи в журналах, индексированных в Web of Science, Core collection, и Scopus), 2 свидетельства о государственной регистрации
программ для ЭВМ и 4 патента на полезные модели.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х
глав, заключения, списка использованных источников (108 наименований) и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обосновывается
актуальность
темы
диссертации,
сформулирована цель работы, охарактеризована научная новизна и практическая
ценность полученных результатов, сформулированы основные положения,
выносимые на защиту.
В первой главе проанализировано современное состояние проблемы
математического
моделирования,
экспериментального
исследования
и
технологического расчета характеристик процессов периодического смешивания.
Рассмотрена классификация смесителей по признакам состояния исходных
материалов и способу приведения частиц в движение, некоторые конструкции
смесителей периодического действия, их отличительные особенности, достоинства
и недостатки.
5
Анализ подходов к математическому моделированию и расчету процесса
показал, что наиболее эффективными являются его ячеечные модели. Они не
только существенно снижают объем вычислений по сравнению с методом
дискретных элементов, отслеживающим движение всех индивидуальных частиц в
рабочем объеме смесителя, но и потому, что ячейка может быть пространственным
масштабом прямой и адекватной идентификации этих моделей. Развитие средств
компьютерной поддержки математических операций с матрицами показало, что
наиболее эффективным и доступным средством работы с ячеечными моделями
является аппарат теории цепей Маркова. Применение этого подхода к
моделированию и расчету формирования бинарных смесей достаточно разработано
и апробировано различными авторами. Однако, его обобщение на случай
смешивания более двух разнородных компонентов практически отсутствует, что
сдерживает поиск рациональных режимов смешивания и проектирование
эффективных аппаратов для его реализации. Именно на решение этой задачи и
направлена настоящая работа. В заключении главы детализированы основные
задачи исследования.
Во второй главе описана разработка математической модели и результаты
математического моделирования кинетики смешивания разнородных дисперсных
материалов, а также ее экспериментальной верификации. Основой модели является
теория цепей Маркова. Ее базовые операторы удобно рассмотреть на примере
формирования бинарной смеси, схематически показанной на рис.1.
а)
б)
в)
S1k
S2k
h
…
Δy
Sj-1k
г)
pj-1,j
Sjk
pj,j
Sj+1k
…
Рис.1. Основные этапы построения
ячеечной модели перемешивания частиц:
а ‒ начальное состояние смеси;
б ‒ текущее состояние процесса
смешивания;
в ‒ ячеечная модель процесса – цепь
Маркова;
г ‒ возможные переходы из ячейки
pj+1,j
Smk
Высота смеси в аппарате разбита на m ячеек идеального смешивания
высотой Δy=h/m с номерами j=1,2, …, m, отсчитываемыми от поверхности смеси.
Распределение ключевого компонента представлено вектором-столбцом S={Sj}.
Состояние процесса фиксируется в дискретные моменты времени tk=(k-1)Δt, где Δt
– продолжительность, а k – номер временного перехода, который может
рассматриваться как дискретный аналог времени. Эволюция вектора состояния
описывается рекуррентным матричным равенством
Sk+1 = PSk ,
(1)
где Р – матрица переходных вероятностей, описывающая миграции частиц между
соседними ячейками в течение одного временного перехода. Это трехдиагональная
матрица, элементы которой при сегрегации ключевого компонента вниз
6
рассчитываются по формулам
m
k
k
Pj,kj+1 = v12 (1- Skj+1/Smax ) + d , (2) Pj+1,
j = d , j=1,…,m-1, (3) Pj, j = 1-
P
i=1,i  j
k
i, j
, i=1,…,m, (4)
где d=DΔt/Δx2 – симметричных, чисто диффузионных, переходов (D – размерный
коэффициент макродиффузии), v12=V12Δt/Δx – вероятность конвективного (сегрегационного) переноса ключевого компонента в «чистый» другой компонент (V12 –
размерная скорость сегрегации), Smax – максимальное количество смеси,
вмещаемое ячейкой, в дальнейшем принимаемое равным единице. В (2) выражение
в скобках учитывает, сегрегация из верхней ячейки в нижнюю идет только в ту
часть ее объема, который свободен от сегрегирующего компонента, поскольку сам
в себя компонент сегрегировать не может. В дальнейшем для определенности
считается, что единственной разницей между компонентами, приводящей к
сегрегации, является размер частиц.
Переход к описанию формирования смеси трех и более компонентов
значительно усложняет задачу, главным образом, потому, что промежуточные
компоненты могут сегрегировать как вниз, так и вверх. Для построения модели
формирования тройной смеси были приняты следующие гипотезы,
иллюстрируемые рис.2, где показаны только сегрегационные переходы.
а)
v13
j
б)
в)
Рис.2. Эволюция
состояния смеси
в соседних
ячейках за один
временной
переход
v23
v12
j+1
Считается, что каждый временной переход состоит из двух виртуальных
стадий. На первой стадии компоненты из текущей ячейки сегрегируют в
следующую нижнюю ячейку. Каждый компонент сегрегирует только в более
крупный компонент, причем его распределение между этими более крупными
компонентами пропорционально скоростям сегрегации в эти компоненты. По
завершении первой стадии нижняя ячейка оказывается переполненной, а в верхней
образуется пустотная зона. На второй стадии эта зона заполняется более крупными
компонентами из нижней ячейки пропорционально их содержанию в нижней
ячейке, что соответствует их сегрегации вверх. По завершении обеих стадий
суммарное количество компонентов в ячейках остается одинаковым. При
сегрегации вниз каждый компонент подчиняется свой матрице переходных
вероятностей Р1, Р2 и Р3, элементы которых в соответствие с принятой гипотезой
рассчитываются по следующим формулам
7
матрица Р1: P
k
1, j+1, j
k
1, j+1
= d1 + (1- S
)
v12S2,k j+1 + v13S3,k j+1
k
2, j+1
S
k
3, j+1
+S
, P1,kj, j+1 = d1
(5)
матрица Р2: P2,k j+1, j = d 2 + v 23 (1- S1,k j+1 - S2,k j+1 ) , P2,k j, j+1 = d 2
(6)
матрица Р3: P3,k j, j+1 = P3,k j+1, j = d 3 .
(7)
В этих матрицах элементы главной диагонали определяются из условия
нормировки по столбцам:
k
k
(8)
Pj,kj = 1- Pj+1,
j - Pj-1, j .
Переходы вверх (вторая стадия) не поддаются матричному описанию и
рассчитываются по формулам
Sk+1
k+1
k+1
k+1
k
k+1
k+1
k+1
(9)
(10)
ΔS j = 1- S1, j - S2, j - S3, j ,
S2, j := S2, j + ΔS j k+1 2, j+1 k+1 ,
S2, j+1 + S3, j+1
k+1
3, j
k+1
3, j
S := S
k+1
3, j+1
S
+ ΔS
k+1
3, j+1
:= S
k+1
j
- ΔS
S3,k+1j+1
k+1
Sk+1
2, j+1 + S3, j+1
k+1
j
, (11)
S3,k+1j+1
k+1
2, j+1
S
k+1
3, j+1
+S
k+1
2, j+1
S
k+1
2, j+1
:= S
- ΔS
k+1
j
Sk+1
2, j+1
k+1
Sk+1
2, j+1 + S3, j+1
k+1
k+1
k+1
,
S3,m
:= 1- S1,m
- S2,m
, (13)
,
(12)
(14)
где ΔSjk – освободившееся пространство в j-й ячейке на k-м временном переходе.
(В этих формулах используется оператор присвоения :=, поскольку все
трансформации происходят в течение одного временного перехода.).
Разработанная модель полностью описывает кинетику процесса для каждого
компонента при известных параметрах переноса. Пример расчета эволюции
состояния смеси показан на рис.3.
S3,jk
S2,jk
S1,jk
j
k
j
k
j
k
Рис.3. Эволюция распределения компонентов при смешивании (стрелками показаны
направления сегрегации компонентов) (v12=0,2,v13=0,3,v23=0,1 и d1=d2=d3=0,2)
Из графиков видно, что распределение каждого компонента сначала делается
более равномерным, а потом его равномерность снижается, причем перекос
распределения стремится в ту сторону, куда направлена сегрегация компонента.
На рис.4 показаны последовательно исходное состояние компонентов в
смеси (а), их распределение при идеальном (недостижимом при сегрегации)
перемешивании (б), распределение при максимально достижимом качестве смеси в
целом (в) и асимптотическое распределение при неограниченном времени
8
перемешивания. При отсутствии диффузионной составляющей смешивания (d=0)
начальное распределение должно асимптотически переходить в перевернутое, что
и подтверждается расчетами.
a)
Si
i
в)
j
Si
j
i
б)
Si
i
г)
j
Si
j
Рис.4. Состояние
трехкомпонентной смеси в
различные моменты времени:
а ‒ начальное состояние;
б ‒ идеальная смесь;
в ‒ максимально однородная
смесь (k=20);
г ‒ асимптотическое состояние
(k→∞)
(v12=0,2,v13=0,3,v23=0,1 и
d1=d2=d3=0,2)
i
Текущее
качество
смешивания
оценивалось
среднеквадратичным
отклонением содержания отдельных компонентов и всей смеси от равномерного.
Расчетная эволюция степени неоднородности распределения компонентов и смеси
в целом приведена на рис.5. Существование оптимальной продолжительности
смешивания, при которой смесь достигает наиболее однородного состояния,
является известным фактом. Однако из рис.5 следует, что эта оптимальная
продолжительность для каждого компонента по отдельности и для смеси в целом
является существенно различной. Поэтому выбор ее конкретного значения зависит
от внешних требований к смеси.
σ
3
2
1
Рис.5. Эволюция неоднородности
распределения компонентов смеси по
высоте смесителя (1,2,3) и смеси в
целом (4)
4-смесь
k
Экспериментальная верификация модели производилась на лабораторной
установке, имитирующей процесс вибрационного смешивания и состоящей из
специально изготовленного вибрационного стола, допускающего изменение
формы, частоты и амплитуды колебаний, и смесительной камеры в форме
прямоугольного параллелепипеда размерами 150х100х20 мм с прозрачной
фронтальной стенкой. В качестве смешиваемых компонентов использовались
стеклянные шарики размерами 2, 4 и 6 мм разного цвета. Экспериментальный
стенд был снабжен фоторегистрирующей установкой, с помощью которой каждые
9
30 сек делались фотографии состояния смеси, которые потом обрабатывались по
специально разработанной компьютерной программе для распознавания образов, в
результате чего получались экспериментальные распределения содержания
компонентов по высоте смеси через каждые 30 сек смешивания. На рис.6а
показаны примеры фотографий распределения компонентов в различные моменты
времени, а на рис.6б – рассчитанные по ним количественные распределения
содержаний (точки).
а)
t=0
S1j
S2j
S1j
S2j
б)
S3j
t=2 мин
S3j
t=10 мин
Рис.6. Фотографии распределения компонентов в различные моменты времени (а)
и их экспериментальные (точки) и расчетные (линии) распределения (б)
Идентификация параметров модели осуществлялась следующим образом.
Для определения скорости сегрегации V сегрегирующий вниз компонент
загружался тонким слоем на заполняющий полностью смесительную камеру
другой компонент и включался вибратор. По обработке фотографий определялось
время, за которое половина сегрегирующего компонента оказывалась в нижней
ячейке. Величина V рассчитывалась как высота смесительной камеры, поделенная
на это время. Параметр диффузионного перемешивания d являлся калибровочным
параметром модели и определялся методом наименьших квадратов по всему
массиву опытных данных. (В численных экспериментах было показано, что d
оказывает влияние на минимально достижимую неоднородность, но почти не
оказывает влияния на оптимальную продолжительность смешивания). Для данной
серии опытов было получено, что V12=2,1 см/мин, V13=2,95 см/мин и V23=1,1
см/мин (параметр v=VΔt/Δx при Δt = 10 с и Δу = 1 см составил 0.35, 0.49, и 0.18,
соответственно). Величина d оказалась равной 0,12. Расчетные распределения
компонентов показаны линиями на рис.6б. Из рисунка видно удовлетворительное
соответствие расчетных и экспериментальных данных.
В диссертации приведено обобщение модели для тройной смеси на случай
произвольного числа смешиваемых разнородных компонентов, а также описание
двухмерной модели, позволяющей учитывать пристеночные явления при
смешивании.
Третья глава посвящена разработке и расчетно-экспериментальному обоснованию нового подхода к повышению качества и производительности смешивания в вибрационном смесителе. Он заключается в структурировании загрузки компонентов в смеситель – их загрузке в несколько слоев, в каждом из которых ком10
поненты распределены пропорционально их содержанию в смеси. Математическая
модель кинетики формирования смеси остается при этом неизменной. Изменяются
только начальные векторы состояния компонентов. Теоретическая оценка эффективности многослойной загрузки выполнена на примере бинарной смеси и показана на рис.7.
S0
S0
Начальное распределение
2
1
j
σ
S0
8
4
j
j
8
4
j
2
1
kopt
k
Наиболее однородная смесь
S(kopt)
2
1
j
8
4
j
j
j
Рис.7. Влияние структуры загрузки на кинетику смешивания и распределение
компонентов при оптимальной продолжительности смешивания
Из рисунка видно, что многослойная загрузка по сравнению с однослойной
(однократной) загрузкой имеет очевидные преимущества: значительно
сокращается необходимое время перемешивания до достижения минимальной
неоднородности смеси и сама минимальная неоднородность. Так при переходе от
однослойной загрузки ключевого компонента (цифра 1 на рис.7) к восьмислойной
(цифра 8) продолжительность смешивания до наиболее однородной смеси и сама
ее минимальная неоднородность уменьшаются почти в 10 раз.
Для реализации многослойной загрузки предложена новая конструкция
вибрационного смесителя с цилиндрическим корпусом, принцип действия которой
показан на рис.7. Схема лабораторного смесителя представлена на рис.8а. Соосно
цилиндрическому корпусу расположен вал с приводом, на котором размешены
вертикальные перегородки, доходящие до внутренней поверхности корпуса. Число
перегородок соответствует числу смешиваемых компонентов, а угол между ними
пропорционален содержанию компонентов в смеси. Компоненты загружаются в
11
зазоры между перегородками (рис.8б), вал с перегородками приводится во
вращение и одновременно с помощью дополнительного привода движется вверх,
укладывая компоненты слоями на дно корпуса. Распределение слоев по высоте
после загрузки показано на рис.8в.
б)
Рис.8. Многослойная
загрузка компонентов в
цилиндрический смеситель:
a) конструкция
загрузочного устройства:
1 – цилиндрический корпус
смесителя;
2 – разделительные
перегородки;
3 – подвижная каретка;
б) начальная загрузка
компонентов (вид сверху);
в) распределение
компонентов после загрузки
(вид сбоку)
а)
a)
в)
3
3
в)
2
2
1
1
Результаты экспериментального и расчетного сравнения вибрационного
смешивания при однослойной и двухслойной загрузке трех компонентов показаны
на рис.9. Экспериментальная установка, техника экспериментов и смешиваемые
компоненты были теми же, что и при описанной выше верификации и
идентификации математической модели многокомпонентного смешивания.
Из рисунка видно, что переход от однослойной загрузки к двухслойной
позволяет снизить необходимое время смешивания в два раза и достичь
минимальной неоднородности смеси в полтора раза меньшей.
Начальное
а)
Наилучшее
Асимптотическое
б)
σ
1
t=0
t=180с
t=360с
2
t=360
с
Рис.8. Фотографии распределения компонентов в различные моменты времени при их
одноразовой и многослойной загрузке (а) и экспериментальная (точки) и расчетная
(линии) эволюции критерия неоднородности смеси (б)
t=0
t=90с
12
t,с
С увеличением числа слоев продолжительность собственно смешивания kmix
убывает, но возрастает время загрузки смесителя kload по сравнению с однократной
загрузкой. Если предположить, что продолжительность загрузки пропорциональна
числу слоев J, то полная продолжительность цикла «загрузка-смешивание» К,
определяющая производительность смесителя составит
K=kmix(J)+βJ,
(15)
где β – коэффициент пропорциональности (продолжительность загрузки одного
слоя).
Пусть на рис.7 предельно достижимая неоднородность при однослойной
загрузке (цифра 1) удовлетворяет требованиям к качеству смеси. Тогда переход к
2-мб 4-м и 8-ми слоям требует все меньшего времени смешивания, но все большего
времени загрузки. На рис.9 показана расчетная зависимость полного времени цикла
смешивания от числа слоев для различных значений коэффициента β.
K
β=20
Рис.9. Влияние числа слоев на
продолжительность полного цикла
смешивания для различных значений
коэффициента β
15
10
5
1
J
При быстрой загрузке (β=1) рациональным оказывается наибольшее число
слоев, но с ее замедлением рациональное число слоев снижается и при β=20
составляет уже всего два слоя.
В четвертой главе описаны направления и результаты практического
использования диссертационных разработок.
Описаны разработанные конструкции смесителей других типов, напрямую
не относящихся к разработанным моделям, но реализующие вытекающие из них
направления совершенствования процесса. В частности, это конструкция
лопастного смесителя непрерывного действия с независимым приводом движения
лопастей, позволяющим вращать их с разной угловой скоростью и тем самым
управлять локальным временем пребывания в различных зонах смесителя.
Средства программной поддержки моделирования и расчета процессов смешивания дисперсных материалов, нашли применение в практике исследовательских и проектных работ по совершенствованию процессов в противоточной струйной мельнице в Ченстоховском политехническом университете, Польша. Программа моделирования формирования трехкомпонентной смеси использована Череповецким муниципальным предприятием СПЕЦАВТОТРАНС для режимной оптимизации линии по приготовлению антигололедных смесей, приведшей к увеличению
производительности на 5% и расчетному экономическому эффекту 416550 руб/год.
Новая конструкция вибрационного смесителя с послойной загрузкой компонентов апробирована на пилотной установке емкостью 10 литров и включена в
план модернизации линии изготовления литейных смесей в ООО «Технологические смеси», Кострома.
13
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Разработана математическая модель, описывающая кинетику смешивания многокомпонентных разнородных дисперсных материалов, позволяющая расчетным
путем оценивать возможные пути снижения негативного влияния сегрегации компонентов, повышения однородности смесей и производительности смесителей.
2. Показано, что структурированная многослойная загрузка компонентов в смеситель позволяет повысить по сравнению с однослойной загрузкой однородность
смеси и производительность смесителя в 1,5 …2 раза.
3. Выполнены экспериментальные исследования процессов смешивания разнородных сыпучих материалов в ряде лабораторных вибрационных смесителей, получены опытные данные по кинетике формирования качества смесей. Разработана методика идентификации параметров моделей смешивания и показано удовлетворительное совпадение прогнозируемых расчетных и фактических опытных данных.
4. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение моделирования и расчета процессов смешивания разнородных материалов, защищенное двумя зарегистрированными программами для ЭВМ.
5. Разработаны новые конструкции смесителей, в том числе, вибрационный смеситель со структурированной многослойной загрузкой компонентов, защищенные 4мя патентами на полезные модели.
6. Средства программной поддержки моделирования и расчета процессов смешивания нашли применение в практике исследовательских и проектных работ в Ченстоховском политехническом университете, Польша, и в Череповецком муници-
пальном предприятии СПЕЦАВТОТРАНС для режимной оптимизации линии по приготовлению антигололедных смесей. Новая конструкция вибрационного смесителя апробирована и включена в план модернизации линии изготовления литейных смесей в ООО «Технологические смеси», Кострома.
Перспективными направлениями дальнейшей разработки данной темы
являются комбинация разработанной модели с методом дискретных элементов для
снижения объема экспериментальной работы по идентификации параметров модели, а также разработка конструкций смесителей других типов со структурированной многослойной загрузкой компонентов.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Монографии
1. Мизонов, В.Е. Теоретические основы моделирования и расчета формирования многокомпонентных смесей разнородных дисперсных материалов / В.Е. Мизонов, И.А. Балагуров // Монография: Иваново, ИГЭУ 2016. ‒ 108 с.
Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК
2. Mizonov, V. A Markov chain model of mixing kinetics for ternary mixture of dissimilar particulate
solids / V. Mizonov, I. Balagurov, H. Berthiaux, C. Gatumel // Particuology. – 2016. – Vol. 31 – P 80-86.
(Web of Science Core Collection)
3. Mizonov, V. Intensification of vibration mixing of particulate solids by means of multi-layer loading
of components / V. Mizonov, I. Balagurov, H. Berthiaux, C. Gatumel // Advanced Powder Technology –
2017. – Vol. 28. – N.11. – P 3049 – 3055. (Web of Science Core Collection)
4. Mizonov, V.E. Theoretical search for optimum hold-up in a batch mixer of particulate solids / V.E.
Mizonov, I.A. Balagurov, H. Berthiaux, C. Gatumel // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.
– 2018. – Vol. 61. – N.4-5. – P. 93-97. (Scopus)
5. Мизонов, В.Е. Ячеечная модель конвективной диффузии в сложной плоской области с
перегородками / В.Е. Мизонов, И.А. Балагуров, В.А. Зайцев // Изв. Вузов: Химия и хим.
технология. – 2013. – Т. 56. – вып. 6. – С. 105 – 107.
14
6. Мизонов, В.Е. Математическая модель формирования многокомпонентной смеси
сегрегирующих компонентов/ В.Е. Мизонов, И.А. Балагуров, А.В. Митрофанов // Изв. Вузов:
Химия и хим. Технология – 2014. – Т. 57. – вып. 8. – С. 67 – 70.
7. Балагуров, И.А. Моделирование кинетики смешивания разнородных сыпучих материалов /
И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов, Н. Berthiaux, C. Gatumel // Вестник ИГЭУ. – 2014. – вып. 6. – С. 67 –
70.
8. Алешина, А.П. Нелинейная ячеечная модель кинетики вибрационного грохочения / А.П.
Алешина, И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов, А.В. Огурцов // Изв. Вузов: Химия и хим. Технология –
2014. – Т. 57. – вып. 12. – С. 81 – 84.
9. Балагуров, И.А. Влияние пристеночного эффекта на вибрационное смешивание дисперсных
материалов / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов, H. Berthiaux , C. Gatumel // Вестник ИГЭУ. – 2015. –
вып. 2. – С. 58 – 62.
10. Балагуров, И.А. К расчету характеристик виброожиженного слоя сыпучего материала / И.А.
Балагуров, М.А. Гриценко, В.Е. Мизонов, В.А. Огурцов // Вестник ИГЭУ. – 2015. – вып. 4. – С. 55
– 58.
11. Мизонов, В.Е. Влияние многослойной загрузки разнородных зернистых материалов в
смеситель периодического действия на кинетику и производительность смешивания / В.Е.
Мизонов, И.А. Балагуров, H. Berthiaux, C. Gatumel // Изв. Вузов: Химия и хим. Технология – 2016.
– Т. 59. – вып. 10. – С. 54 – 60.
Прочие публикации
12. Mizonov, V. Structuring of Batch Mixer Loading to Improve Mixing Time and Mixture
Quality of Solids / V. Mizonov, I. Balagurov, H. Berthiaux, C. Gatumel. // Chemical Engineering
& Technology – 2018. (Web of Science, Core Collection)
13. Балагуров, И.А. Ячеечная модель диффузии на плоскости в поле массовой силы / И.А.
Балагуров, В.Е. Мизонов, А.Н. Беляков // Труды IX Международной научной конференции
«Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически
безопасных производств». – Иваново, 28-30 сентября 2010. – C. 264.
14. Балагуров, И.А. Новые подходы к организации механики перемешивания сыпучих
материалов / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // Материалы 8-й международной НТК студентов,
аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013». – Иваново, 23-25 апреля 2013. – т. 4. – С. 307-310.
15. Балагуров, И.А. О динамическом процессе непрерывного смешивания сыпучих материалов /
И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // ПОИСК-2014. Сб. материалов межвузовской научно-техн. конф.
аспирантов и студентов с междун. участием., ч.2. – Иваново. – 2014. – C. 192-193.
16. Балагуров, И.А. Математическая модель процессов смешивания сыпучих материалов в
смесителе с независимым проводом / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // Материалы 9-й
международной НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2014». – Иваново, 15-17
апреля 2014. – т.4. – С.331-334.
17. Балагуров, И.А. О механизме формирования многокомпонентной смеси дисперсных
материалов / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов, С.С. Вольский // Труды МНТК Информационная среда
вуза: XX Международная научно-техническая конференциия. – Иваново, ИГАСУ, 2014. – с. 632634.
18. Балагуров, И.А. Структурирование загрузки компонентов в смеситель периодического
действия / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // Труды МНТК «Состояние и перспективы развития
электро- и теплотехнологии» (XVIII Бенардосовские чтения). – Иваново , 2015. – т.2. – С.315-318.
19. Балагуров, И.А. Экспериментальное исследование формирования смеси разнородных
сыпучих материалов / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов, Т.Г. Ветренко, С.А. Крупнов // Материалы
XXII Международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза». –
Иваново, ИвГПУ, 26-27 ноября 2015. – С.774-777.
20. Балагуров, И.А. Моделирование и оптимизация кинетики смешивания сегрегирующих
компонентов в многокомпонентном дисперсном материале / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов, H.
Berthiaux // Труды 16-й международной Плесской научной конференции по нанодисперсным
магнитным жидкостям. – Плес, 2014. – C.385-389.
21. Балагуров, И.А. Кинетика формирования трехкомпонентной смеси сыпучих материалов /
И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // Труды XXVII - Международной научной конференции
«Математические методы в технике и технологиях». – Иваново, ИГЭУ, 27-28 ноября 2014.
22. Балагуров, И.А. Математическая модель процессов смешивания сегрегирующих сыпучих
материалов различной крупности / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // Материалы 10-й
15
международной НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2015». – Иваново, 21-23
апреля 2015. – т. 4.
23. Mizonov, V. A Markov chain model of mixing kinetics for ternary mixture of segregating particulate
solids / V. Mizonov, I. Balagurov, N. Yelin // Proc. of The 8th International Conference for Conveying
and Handling of Particulate Solids. CD-edition. – Israel, Tel-Aviv, May 2015. – p. 10.
24. Балагуров, И.А. Послойная загрузка компонентов смеси сыпучих материалов в смеситель /
И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // 11-я МНТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия2016»: Материалы конференции. В 7 т. Т.4 – Иваново, 2016. – С. 209-211.
25. Mizonov, V. Modeling and optimization of formation of multicomponent mixtures of dissimilar
particulate solids / V. Mizonov, I. Balagurov // Proc. of the XVI International Scientific Conference «HighTech in Chemical Engineering – 2016» with elements of school of young scientists. CD-edition. – Moscow,
MUCTR, October 10-15 2016. – p. 24.
26. Балагуров, И.А. О формировании высококонцентрированных смесей разнородных
тонкодисперсных материалов / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов, H. Berthiaux, C. Gatumel // Труды 17й Международной Плесской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям. –
Плёс, 6-9 сентября 2016. – с. 8-13.
27. Балагуров, И.А. Оптимизация загрузки дисперсных компонентов в смеситель
периодического действия / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // Сб. трудов МНТК «Повышение
эффективности процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности
(Плановский -2016)». Т.1. – Москва, 8-9 сентября. 2016. – с.142-144.
28. Mizonov, V. Structured batch mixer loading as a way to improve mixing time and mixture quality of
dissimilar particulate solids / V. Mizonov, I. Balagurov, H. Berthiaux, C. Gatumel // Proc. of the
International Symposium of Reliable Flow of Particulate Solids; “RELPOWFLO V”. – Skien, Norway,
13th-15th June 2017. – E-edition, Paper 3C2.
29. Балагуров, И.А. Экспериментальное исследование вибрационного перемешивания при
послойной загрузке компонентов / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов // Материалы 12-й
международной НТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2017». – Иваново, 4-6
апреля 2017. – т. 4.
30. Балагуров, И.А. Экспериментальное исследование вибрационного смесителя с многослойной
загрузкой / И.А. Балагуров, В.Е. Мизонов. H. Berthiaux, C. Gatumel. // Материалы международной
НТК «Состояние и перспективы развития электро- и тепло технологий» (XIX Бенардосовские
чтения). – Иваново, 31 мая - 2 июня 2017. – т. 2.
Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ и Патенты
31. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Моделирование
кинетики формирования трехкомпонентной смеси сегрегирующих сыпучих материалов»
№2014616143 от 9 сентября 2014 года. Авторы: Мизонов В.Е., Балагуров И.А.
32. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Моделирование
кинетики формирования многокомпонентной смеси разнородных сыпучих материалов»
№2015610799 от 19 января 2015. Авторы: Мизонов В.Е., Балагуров И.А.
33. Патент на полезную модель 119642 Российская Федерация, В 01 F 13/08. Смеситель сыпучих
материалов [Текст] / Мизонов В.Е., Казаков Ю.Б., Шелатонова К.А., Балагуров И.А.; заявитель и
патентообладатель ФГБОУВПО Ивановский государственный энергетический университет; опубл.
27.08.12, Бюл. №26. - 2 с.
34. Патент на полезную модель 139473 Российская Федерация, В 01 F 9/06. Смеситель сыпучих
материалов [Текст] / Мизонов В.Е., Балагуров И.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУВПО
Ивановский государственный энергетический университет; опубл. 20.04.14, Бюл. 11. - 1 с.
35. Патент на полезную модель 154248 Российская Федерация, В01F 7/04. Вибрационный
смеситель сыпучих материалов [Текст] / Мизонов В.Е., Балагуров И.А.; заявитель и
патентообладатель ГОУВПО Ивановский государственный энергетический университет; опубл.
20.08.2015 Бюл. № 23. - 2 с.
36. Патент на полезную модель 166168, Российская Федерация, B07B 1/40. Вибрационный
грохот [Текст] / Огурцов В.А., Мизонов В.Е., Балагуров И.А., Алешина А.П., Гриценко М.А.;
заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ивановский государственный энергетический
университет; опубл. 20.11.2016 Бюл. № 32. - 2с.
16
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
972 Кб
Теги
разнородных, кинетике, материалы, дисперсных, многокомпонентных, формирование, смесей
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа