главная
о нас
партнеры
оборудование
контакты
статьи
      
     насосы
     компрессоры
     воздухосборники
     пневмотранспорт
     дизельные генераторы
     прочее   оборудование

 
карта сайта
тел.: +38 (0542) 791-600

поиск по сайту


наши проекты
наши заказчики
 
 
сервис и ремонт
рассрочка платежа
визуализация проектов

 

Гидродинамика двухфазных вихревых потоков и ее влияние на габариты грануляционного оборудования


Учитывая значительное влияние технологических параметров работы грануляционного оборудования и его конструктивного оформления на движение гранул в аппарате и его габариты, в последнее время ведутся поиски новых высокоэффективных способов получения гранулированной продукции. Практическая реализация перечисленных мероприятий связана с разработкой универсальной аппаратуры, которая отвечает вышеуказанным требованиям [1].

Определение закономерностей течения закрученных потоков в осесиметричных каналах, в том числе относительно работы грануляторов взвешенного слоя, разработка рекомендаций и методик инженерного расчета и проектирования аппаратов с прогнозируемыми параметрам, учитывая перспективу развития малотоннажных и малогабаритных производств гранулированных продуктов и внедрение новых способов и оборудования для грануляции, актуальна научной и практической задачей [2].

Метод разбрызгивания сплава в свободный объем полого аппарата нашел широкое применение как в отечественной практике (АС-67, АС-72 и др.) так и в иностранных технологиях гранулирования (схемы «Кемико», «Стамикарбон», «Ай-Си - Ай», «Штенгель»,«Кемико-Кальтенбах», «Тойо коатцу индастриел», «Норск-Гидро», «Нукло», «Нитротоп», «Ан-Де»и др.) [3,4].

Недостатком грануляции разбрызгиванием сплава в свободный объем инертной среды является то, что оборудование, используемое для осуществления этого метода, имеет большие габариты, сложное в использовании. Аммиачную селитру гранулируют в высоких (30-60 м) или низких (примерно 21м) башнях. Для гранулирования карбамида применяют башни высотой 50 м. Фосфаты аммония и сложные удобрения, которые получают на основе нитрофосфатов и фосфатов аммония, гранулируют в башнях, высота которых достигает 50-66 м [5]. Одним из наиболее эффективных методов осуществления процессов тепломассообмена, как известно, является псевдосжижжения [6]. Преимущества такой гидродинамической системы отмечено в монографиях отечественных и зарубежных ученых. Поэтому неслучайно этот подход получил широкое развитие во многих отраслях промышленности.

Среднее время пребывания гранулы нитрата аммония в типовой грануляционной башне (d = 12-16 м, H = 30-35 м) составляет t = 3-12 °C в зависимости от ее размера. С целью уменьшения высоты грануляционной башни устанавливаются охладители кипящего слоя. Результаты исследований [5] доказали возможность снижения высоты грануляционной башни примерно на 5 метров за счет улучшения условий распила. Расчеты за зависимостями [7] в общем случае определяют период кристаллизации гранулы в пределах t = 2-5 °C. По сравнению с грануляторами взвешенного слоя размеры грануляционной башни значительно больше. Для аппаратов взвешенного слоя время пребывания гранулы нитрата аммония определяется по критериальной зависимости [8] и составляет t = 180-360 °C. Доказано [9], что в вихревых аппаратах увеличивается время обработки продукта, который может достигать значения t = 600 °C с одновременным уменьшением объема рабочего пространства.

Становится возможным уменьшение габаритных размеров оборудования за счет правильного подбора формы рабочего пространства. Исследования [10] доказали целесообразность использования аппаратов конической формы в технологии башенного гранулирования, что обусловлено возможностью изменения величины скорости газового потока по высоте рабочего пространства и классификации гранул по размерам. Гранулы, которые имеют размер близкий к номинальному попадают в выгрузное устройство, а гранулы, не достигшие нужного размера, находятся в вихревом слое, который орошается раствором.

Неустойчивость работы грануляторов взвешенного слоя при колебании нагрузок по жидкой и твердой фазе является их существенным недостатком. Для обеспечения устойчивой работы грануляторы взвешенного слоя в промышленных условиях необходимо применять сложные системы регулирования работы аппарата. Другим путем решения этой проблемы является увеличение устойчивости взвешенного слоя за счет изменения гидродинамики рабочего пространства грануляционного устройства. Преимуществами предложенного аппарата является наличие вихревых потоков и переменная скорость газового потока по высоте рабочего пространства и сравнительно небольшие габариты, а также универсальность в работе [11].

Сочетание преимуществ вихревого взвешенного слоя и рациональный подбор геометрии рабочего пространства позволяет добиться уменьшения габаритных размеров грануляционного оборудования.

Изучение гидродинамических факторов течений фаз в рабочем пространстве грануляционного устройства, которое имеет усовершенствованную конструкцию, должна установить основные закономерности движения двухфазных вихревых потоков. Для достижения этой цели надо провести теоретический анализ гидродинамических условий создания гранул и механизма протекания этого процесса в аппаратах различных типов и разработать физическую модель с последующим математическим моделированием гидродинамики движения одно- и двухфазного потоков для дальнейшего их теоретического расчета и прогнозирования поведения системы в случае изменения отдельных параметров. Анализ математической модели дает возможность получить ответы относительно уменьшения габаритных размеров аппаратов для грануляции и получения такой гидромеханической системы, которая бы позволила управлять полетом капли при гранулировании.

При создании усовершенствованного грануляционного оборудование [12-14] исследованы гидродинамические условия, необходимые для создания стабильного движения твердых частиц в рабочем объеме вихревого аппарата взвешенного слоя, а также влияние технологических и конструктивных параметров грануляционной устройств на эффективность протекания процессов взаимодействия двухфазного потока во встречном осесиметричном потоке теплоносителя.

Для изучения характера протекания технологического процесса гранулирования в вихревом слое необходимо, прежде всего, определить поля скоростей газовой фазы, ведь эти характеристики имеют большое значение для проведения процесса и определение оптимальной комбинации технологических и конструктивных параметров.

Движение газового потока в грануляторе определяет в целом всю гидродинамику аппарата. Поэтому определение гидродинамических параметров потока теплоносителя является актуальной задачей. Поток теплоносителя в таком грануляторе является трехмерным восходящим вихрем.

Для решения конкретной задачи движения фаз в вихревом грануляторе будет целесообразным использовать методику, основанную на уравнениях движения идеальной или вязкой жидкости. С достаточной для инженерных расчетов точностью такое движение можно описать уравнением Навье-Стокса, введя в них коэффициент турбулентной вязкости предположительно Бусинеска [15]. Для решения уравнения Навье-Стокса в нашем случае (вихревое движение потока газа в рабочем пространстве с переменной площадью поперечного сечения) выбираем цилиндрическую систему координат, что дает возможность проводить некоторые упрощения, касающиеся процесса. При составлении математической модели были сделаны следующие допущения: поток является осисиметричным и устойчивым, течение газового потока безотрывна, коэффициент турбулентной вязкости вычисляется согласно алгебраической модели турбулентности. Решение дифференциальных уравнений определяет аналитические зависимости составляющих скорости движения газового потока.

При разработке математической модели учтены: начальная закрутка потока, геометрические размеры аппарата, условия витания гранулы в нижнем сечении аппарата, отсутствие дробления капли в верхнем сечении аппарата, угол раскрытия конуса и технологические параметры. По результатом перебора этих параметров определено минимальную высоту рабочего пространства аппарата.

По результатам полученной математической модели составлена программа, которая позволяет получать графические и аналитические зависимости изменения составляющих полной скорости газового потока. Графические зависимости закладываются в соответствующие вкладки программы.

Определение скоростей происходит за счет разбиения рабочего пространства аппарата сеткой на элементарные объемы (рис. 1). При этом программа просчитывает значение составляющих полной скорости начиная от нижнего сечения до верхнего. Получив значения на оси, происходит смещение координаты на единицу ближе к периферии, и так до тех пор, пока не достигается максимальное значение текущего радиуса на заданной высоте рабочего пространства. Далее происходит перемещение по оси на единицу вверх, и ведется аналогичный расчет. При достижении верхнего сечения, что соответствует полной (максимальной) высоте рабочего пространства, все рассчитанные значения выводятся в соответствующее диалоговое окно. Результаты расчета приведены на рис. 1 и 2.

Получены систему дифференциальных уравнений, описывающих зависимость составляющих скорости движения гранул в аппарате от соответствующих составляющих скорости вихревого потока теплоносителя.

Результаты расчета представлены как в виде графических зависимостей, так и в табличном виде, что позволяет проводить анализ работы вихревого аппарата, который заключается в определении силового воздействия на капли жидкости со стороны газового потока.





Рис. 1. Общий вид расчетной сетки и диалогового окна программы
для расчета составляющих полной скорости газового потока.




Рис. 2. Графические зависимости составляющих полной скорости газового потока,
полученные с помощью программы: а) радиальная составляющая б) круговая составляющая.


Для получения значений составляющих полной скорости гранулы (капли) используется подход Лагранжа [16]. На основе этого метода рассматривается движение дисперсной фазы под действием сплошной фазы. Анализируя момент сплошной фазы, момент капли (гранулы) и момент газовой фазы после взаимодействия с дисперсной фазой, а также учитывая силы, действующие на каплю (гранулу) во время полета, решаем систему дифференциальных уравнений движения капли в цилиндрических координатах. С учетом вышеупомянутых упрощений и предположений получено значение круговой, радиальной и осевой составляющих полной скорости дисперсной фазы.

Траектория движения гранул, поля скоростей газового потока и гранулы обусловливают время пребывания гранулы в рабочем пространстве вихревого гранулятора. Это время должно быть достаточным, чтобы капля раствора (расплава) полностью прошла этап кристаллизации. Анализ траектории движения гранулы при начальных условиях и набора геометрических и технологических характеристик (рис. 3) позволяет определить их влияние на изменение траектории гранулы и минимально необходимое время ее пребывания в рабочем пространстве аппарата.

Получение графической зависимости движения гранулы проводилось с использованием покадровой обработки видеосъемки процесса витания гранулы в экспериментальном стенде. Для этого вводились «меченые» гранулы и просчитывалось изменение их положения за определенный промежуток времени. Имея скорость (по математической модели) и время (промежуток между кадрами) было получено расстояние, которое преодолевает частица.

Траектории движения гранулы просчитаны для различных технологических (расход по газу, начальная закрутка газового потока, диаметр капли (гранулы)) и конструктивных (угол раскрытия конуса конфигурация, рабочего пространства) параметров.





Рис. 3 Расчетные траектории движения гранул при различных геометрических и технологических условий и сравнительная расчетная траектория движения гранулы при различной конфигурации рабочего пространства аппарата: а) цилиндрический аппарат б) диффузор, в) конфузоров.


Анализ рис. 3 позволяет выделить зоны уменьшение вертикального и горизонтального перемещения и зоны, в которых это значение увеличивается. Для цилиндрического аппарата (рис. 3а) наблюдаются постоянство и равномерность перемещения капли вдоль вертикальной и горизонтальной осей вследствие постоянного значения расходной составляющей скорости газового потока по высоте рабочего пространства гранулятора. По мере приближения к нижнему сечению рабочего пространства капля кристаллизуется и теряет часть влаги и массы. Поэтому газовый поток способствует некоторому замедлению движения капли вдоль вертикальной оси.

Для конических аппаратов в зависимости от конфигурации рабочего пространства картина движения гранулы изменяется по сравнению с рабочим пространством постоянного сечения. В диффузоре (рис. 3б) на начальном этапе вследствие минимального значения расходной составляющей скорости газового потока в верхнем сечении и максимальной массы капли перемещаются вдоль вертикальной оси быстрее, чем в нижнем сечении, где движение капли замедляется благодаря увеличению расходной составляющей скорости газового потока и уменьшения массы капли в результате удаления из него части влаги.

В конфузоре (рис. 3в) наблюдается обратная картина. При вылете капля жидкого материала, имеющего максимальную массу, попадает в зону минимальной площади сечения рабочего пространства аппарата (зону максимальной расходной скорости газового потока). При этом ее движение вдоль вертикальной оси замедляется. По мере перемещения к нижнему сечению капля поступает в зоны с меньшей затратной скоростью газового потока и при этом параллельно уменьшается в массе. Поэтому на протяжении всего времени пребывания капли в рабочем пространстве аппарата его гидродинамика способствует замедлению ее движения.

На базе полученных уравнений математической модели и результатов эксперимента [] разработан комплексный алгоритм расчета гидродинамики рабочего пространства вихревого гранулятора и определение его конструктивных размеров.

Данная методика включает в себя два этапа - гидродинамический (анализ исходных данных (физико-химические свойства фаз, нагрузки по фазам, геометрия рабочего пространства аппарата); определения гидродинамических показателей газового потока, проверки условий витание гранул в нижнем сечении и отсутствие процесса ее дробления в верхнем сечении рабочего пространства аппарата; анализ сил, действующих на гранулу в газовом потоке; определения гидродинамических показателей газового потока после взаимодействия с каплей; расчет траектории движения гранул) и технологический (определение необходимого времени пребывания гранулы в рабочем пространстве аппарата; расчет конструктивных параметров) расчеты.

Время пребывания гранулы в робочее пространстве аппарата имеет значительное значение на свойства конечного продукта. Определено, что условия, созданные в вихревом грануляторе, улучшают поглощающую способность и прочность гранул, что имеет значение, соответствующих нормативным требованиям.



Рис. 4. Промышленный образец грануляторы взвешенного слоя



Таблица 1.  Сравнительная характеристика времени пребывания капли в рабочем пространстве различных типов аппаратов взвешенного слоя

Тип оборудованияСредний фактическое время пребывания, с
Цилиндрический гранулятор взвешенного слоя180
Конический гранулятор взвешенного слоя220
Цилиндрический гранулятор вихревого взвешенного слоя230
Конический вихревой гранулятор взвешенного слоя (диффузор)350
Конический вихревой гранулятор взвешенного слоя (конфузоров)450
  


Формирование завершенной кристаллической структуры гранулы происходит за счет увеличения времени контакта последней с потоком теплоносителя, способствует полному завершению процесса кристаллизации на поверхности гранулы.

По результатам предложенной методики инженерного расчета был разработан промышленный образец вихревого гранулятора, который предназначен для создания гранул минеральных удобрений, многослойных гранул, а также гранул пористой структуры.

Основные преимущества разработанного малогабаритного вихревого аппарата:

1. Возможность уменьшения габаритных размеров (в частности, высоты) рабочего пространства устройства.

2. Увеличение времени пребывания гранулы в рабочем пространстве вихревого аппарата.

3. Возможность управления движением гранулы в рабочем пространстве устройства.

4. Создание в объеме рабочего пространства интенсивной гидродинамики с увеличенными числами Рейнольдса.

5. После получения поверхностного пористого слоя ядро почти не меняется по своей структуре и сохраняет прочность.

Проанализировав известные схемы для производства гранулированного продукта была разработана технологическая схема с использованием вихревого гранулятора. Также создано трехмерное модель такого цеха (рис.5).




Рис. 5. Трехмерная модель цеха для создания гранулированного продукта.


В результате проведенных исследований создана математическая модель движения двухфазного потока в аппаратах вихревого типа; разработана программа «Расчет гидродинамики потоков в вихревом грануляторе», которая позволяет получать числовые и графические зависимости изменения составляющих скоростей движения газовой фазы и капель (гранул); после создания математической модели, получение результатов созданной программы и проведение ряда экспериментальных исследований [17, 18] разработана методика инженерного расчета вихревого гранулятора с пониженной высотой полета гранулы для применения в промышленных условиях.

Литература

1. Артюхов А.Е. Высокоэффективные вихревые аппараты в малотоннажних производствах гранулированных продуктов / А.Е. Артюхов, В.И. Склабинский / / Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: сб. научных трудов XX Международной научно-технической конференции. - Минск, 2008. - С. 272-277.
2. Жеба К.В. Гидродинамика двухфазного потока в рабочем пространстве вихревого грануляторы / К.В. Жеба, В.И. Склабинський, А.Е. Артюхов / / Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов факультета технических систем и энергоэффективных технологий. - Сумы: Изд-во СумДУ, 2009. - Ч. I, Вип.11. - С. 87.
3. Производство аммиачной селитры в аппаратах большой единичной мощности / [Иванов М.Е., Поляков Н.Н., Поплавский В.Ю. и др.]; под ред. В.М. Олевского. – М.: Химия, 1990. – 288 с.
4. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот). Ч 2. / [Позин М.Е., Арсеньева Л.З, Каганович Ю.Я. и др.]. –– Л.: Химия, 1974. – 768 с.
5. Казакова Е.А. Гранулирование и охлаждение азотсодержащих удобрений / Казакова Е.А. – М.: Химия, 1980. – 288 с.
6. Давидсон И. Псевдоожижение / Давидсон И., Харрисон Д.; пер. с англ. Айнштейна В. Г., Гельперина Э. Н., Новобратского В.Л. – М.: Химия, 1974. – 728 с.
7. Расчёт оборудования для гранулирования минеральных удобрений / [Генералов М.Б., Классен П.В., Степанова А.Р., Шомин И.П.]. – М.: Машиностроение, 1984. - 192 с.
8. Классен П.В. Гранулирование / Классен П.В., Гришаев И.Г., Шомин И.И. – М.: Химия, 1991. - 240 с.
9. Маренок В.М. Оценка эффективности применения конических грануляционной башен при производстве гранулированных продуктов из растворов / В.М. Маренок, В.И. Склабинський / / Вестник Сумского государственного университета. - 2005. - № 12 (84). - С. 22-27.
10. Сажин Б.С. Типовые сушилки со взвешенным слоем материала / Б.С. Сажин, Е.А. Чувпило - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1975. - 71 с.
11. Артюхов А.Е. Энергосберегающие технологии в химическом производстве. Малогабаритные вихревые грануляторы / А.Е. Артюхов, В.И. Склабинський / / Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии как альтернативные первичным источникам энергии в регионе: материалы четвёртым международной научно-практической конференции: сб. научных статей. - Львов, ЛвЦНТЕЫ, 2007. - С. 13-17.
12. Патент № 29950 Украина, МПК (2006) В01J2/16. Устройство для гранулирования жидкого материала / А.Е. Артюхов, В.И. Склабинський, А.С Стеценко; заявитель и патентообладатель Сумской государственный университет. - № u200512066; заявл. 15.12.2005; надруком 11.02.2008, Бюл. № 3.
13. Патент № 82754 Украина, МПК (2006) В01J2/16. Способ гранулирования жидкого материала и устройство для его осуществления / А.Е. Артюхов, В.И. Склабинський; заявитель и патентообладатель Сумской государственный университет - № а200608137; заявл. 20.07.2006; надруком 12.05.2008, Бюл. № 9.
14. Патент Украины. Заявка № а200812720 от 30.10.2008р, МПК (2006) B 01 J 2 / 16. Способ получения гранул пористой структуры и устройство для его осуществления / Артюхов А.Е., Склабинський В.И., Жеба К.В.
15. Щукин В.К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах / В.К. Щукин, А.А. Халатов. - М.:Машиностроение,1982.-200 с.
16. Сошенко М. В. Исследование процессов тепломассообмена в вихревых многофункциональных аппаратах с активной гидродинамикой: дисс. ... Канд. техн. наук: 05.17.08 / Сошенко М. В. - М., 2005. - 141 с.
17. Артюхов А.Е. Исследование условий формирования вихревого псевдосжиженным слоя в малогабаритных массообменных аппаратах / А.Е. Артюхов, В.М. Маренок, В.И. Склабинський / /Вестник Сумского государственного университета.- 2007.- № 3.- С. 10-17.
18. Склабинський В.И. Малогабаритные аппараты переменного сечения с вихревым псевдоожиженным слоем. Влияние распределительных устройств на движение гранул / В.И. Склабинський, А.Е. Артюхов / / Химическая промышленость Украины. - 2006. - № 2 (73). - С. 55-59.


Перейти в раздел: Вращающийся виброгранулятор - узел грануляции плава азотных и комплексных удобрений




Авторы материала:Артюхов А.Е., к-т техн.наук
 Склабинський В.И., д-р техн. наук, профессор
 Жеба К.В.


При полной и/или частичной публикации наших материалов на Вашем сайте или в печатном издании в обязательном порядке должна присутствовать гиперссылка на автора статьи и сайт компании «ПК Энергомаш»    www.energo-mash.com
 

Пневмокамерные насосы   |   Компрессоры   |   Насосы   |   Генераторы   |   Редукторы   |   Муфты Контакты

2007 - 2013 © PK Energomash Ltd

▲ ВВЕРХ