Д.І. Курбатов Науковий керівник теми icon

Д.І. Курбатов Науковий керівник теми



Схожі
  1   2


УДК 66.099

КП

№ держреєстрації 0110U001152


Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський державний університет


(СумДУ)

40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2

тел./факс: (0542) 33-40-49


ЗАТВЕРДЖУЮ


Проректор з наукової роботи

доктор фіз.-мат. наук, проф.


____________А.М.Чорноус

грудня 2011 р.



З В І Т

про науково – дослідну роботу

^

РОЗРОБКА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОГО ОБЛАДНАННЯ

ТА ПАРАМЕТРИЧНА ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ ГРАНУЛЯЦІЇ

АЗОТНИХ ДОБРИВ БАШТОВИМ МЕТОДОМ


(заключний)



Начальник науково-дослідної частини,

канд. фіз.-мат. наук.

^
Д.І. Курбатов

Науковий керівник теми,

канд. техн. наук., доц.


В.А.Осіпов




2011


Рукопис закінчено 7 грудня 2011 р.

Результати роботи розглянуто та прийнято на засіданні Наукової Ради СумДУ

протокол № 4 від 08.12. 2011 р.


^ СПИСОК АВТОРІВ


Зав. лабораторії грануляційного та масообмінного обладнання, к.т.н., доц.
В.А.Осіпов

(розділи 1-2)




Старший науковий співробітник

М.П.Кононенко

(розділи 1-3)




Старший науковий співробітник


О.І.Краєвський

(розділ 3)




Інженер 1 кат.
В.Г.Колесникова

(розділ 1-3)





РЕФЕРАТ


Звіт містить: 87 ст., 28 рис., 3 табл., 18 посилань.

Об’єктом дослідження та розробки є гранулятори плаву азотних добрив для баштового методу виробництва (марка «прил»).

Метою роботи є оптимізація конструкції грануляційного обладнання та параметрів процесу гранулоутворення з урахуванням енергозберігаючих аспектів, що забезпечить зменшення теплового навантаження грануляційної башти, шляхом підвищення монодисперсності прил та інтенсифікації процесу теплообміну, поліпшення споживчих властивостей азотних мінеральних добрив до рівня світових вимог по якості.

В ході виконання роботи проведений патентний пошук по сучасним напрямкам створення грануляційного обладнання та визначені найбільш перспективні конструкції грануляторів плаву азотних добрив; уточнена математична модель руху плаву для відцентрових лопатевих грануляторів з урахуванням впливу особливостей конструкції та їх внутрішніх пристроїв на гідродинаміку руху і процес дроблення струменя рідини; розглянуті можливості регулювання процесу розпаду течії за допомогою зовнішніх збурень; виявлені основні принципи конструювання грануляторів; проведені дослідження процесів диспергування рідини в вібраційних грануляторах плаву; розроблена конструкція вібраційного гранулятора плаву для отримання азотних добрив.

Завдяки виконанню розробки та впровадженню її результатів в виробництво, азотно-тукові підприємства України будуть мати можливість: зменшити енерговитрати при виробництві добрив ; зменшити енерговитрати, в наслідок непродуктивних зупинок обладнання на чистку; отримати екологічну користь, яка пов’язана з зменшенням негативного впливу від викидів з башт в атмосферу пилу добрив; підвищити агротехнічну цінність добрив.

^ ПЛАВ АЗОТНИХ МІНЕРАЛЬНИХ ДОБРИВ, ГРАНУЛЯТОР, КАПЛІ, ЗБУРЕННЯ, КОЛИВАННЯ, ВІБРАЦІЙНИЙ ВИПРОМІНЮВАЧ, КОРЗИНА

ЗМІСТ

Вступ

8

1 Аналіз стану сучасного виробництва азотних добрив

11

1.1 Огляд конструктивних характеристик грануляційних башт

11

1.2 Огляд існуючих конструкцій грануляторів

15

1.2.1 Класифікація грануляторів

15

1.2.2 Відцентрові гранулятори

17

1.2.3 Вихрові гранулятори

18

1.2.4 Статичні акустичні гранулятори

19

1.2.5 Вібраційні гранулятори з верхнім мембранним випромінювачем

21

1.2.6 Віброгранулятор з регулятором рівня плаву

23

1.2.7 Віброгранулятори з гофрованим днищем

24

1.2.8 Обертові віброгранулятори

27

1.3 Основні напрямки вдосконалення грануляторів

28

2 Основні засади розробки грануляторів

30

2.1 Основні принципи конструювання грануляторів

30

2.2 Вибір форми грануляторів плаву

31

2.3 Оптимальні режими процесу диспергування

33

2.4 Рекомендації щодо оптимальної конструкції дослідного зразка

33

3 Теоретичні основи розрахунку грануляторів

35

3.1 Рух потоку плаву у порожнині віброгранулятора

35

3.2 Розрахунок продуктивності обладнання

39

3.3 Розрахунок розмірів отворів витікання

42

3.4 Розрахунок потужності привода відцентрових грануляторів

48

4 Теоретичні основи розрахунку грануляційної башти

50

4.1 Швидкість руху гранул у башті

50

4.2 Теплообмін

53

4.2.1 Теплообмін у процесі гранулювання

53

4.2.2 Конвективний теплообмін між сферичним тілом і газовим потоком

54

4.2.3 Пошарова кристалізація розплаву при qкр=const

55

5 Дослідна частина

58

5.1 Спонтанне каплеутворення

58

5.2 Уточнення коефіцієнта стискання рідини

61

5.3 Радіус розкриття факела вібраційного гранулятора

64

5.4 Випробування гранулятора в умовах виробництва

66

5.4.1 Залежність гранулометричного складу аміачної селітри від частоти вібрації

66

5.4.2 Залежність гранулометричного складу карбаміду від частоти вібрації

68

5.4.3 Залежність міцності гранул аміачної селітри від діаметра гранул

70

6 Опис конструкції та принцип роботи гранулятора азотних добрив

72

6.1 Опис конструкції обладнання

72

6.2 Принцип роботи обладнання

75

7 Очікувані техніко-економічні показники

77

Висновки

84

Перелік посилань

86


^ ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ





- коефіцієнт тепловіддачі

конв

- коефіцієнт конвективної тепловіддачі

c, cr

- теплоємкість середовища та гранул

dк

- діаметр краплі

D

- діаметр шийки струменя

d

- діаметр струменя, з якої утворюються краплі

dо

- діаметр отвору сопла



- середнє значення діаметра краплі

G

- модуль пружності

Hпад

- висота падіння (польоту) гранул

fотв

- площа. отвору витікання



- радіальна швидкість рідини



- окружна швидкість рідини

р

- тиск



- коефіцієнт кінематичної в'язкості



- щільність рідини



- коефіцієнт динамічної в'язкості



- поверхневий натяг рідини

max

- довжина хвилі максимальної нестійкості



- кутова швидкість



- швидкість краплі щодо газоподібного середовища



- щільність середовища



- товщина плівки рідини

1

- відношення площі. перетину струменя в місці розпаду до площі. отвору витікання

fстр

- площі. перетину струменя в місці розпаду



- час, с

xmax

- максимальний виліт гранул

, т, кр

- швидкість середовища, твердої частки та початку псевдозрідження

, кр

- температура твердої частки, кристалізації

g

- прискорення вільного падіння

k

- коефіцієнт охолодження

Ar

- критерій Архімеда

Bi

- критерій

Fr

- число Фрослінга

Nu

- критерій Нуссельта



- число Рейнольдса радіального потоку



- критерій дроблення (Вебера)








ВСТУП


Подальший розвиток народного господарства України тісно пов'язаний з питаннями енергетичного забезпечення виробничих процесів. За часів СРСР формування промислового комплексу йшло з урахуванням наявності доступних і дешевих джерел енергоносіїв. Тому розвиток виробництва в області енергоспоживання, в тому числі й хімічних підприємств, відбувався екстенсивним шляхом. Разом з тим, що хімічна промисловість дає близько 6% внутрішнього валового продукту і 13% загального експорту, вона є одним із ключових енергозатратних секторів у промисловості України. Хімічна промисловість посідає третє місце в загальному енергоспоживанню серед галузей держави що становить майже 11% від загальної частки витрат палива. Енергоємність продукції діючих виробництв в 1,4-3,0 рази вище, ніж на аналогічних виробництвах у країнах Європейського союзу [ 1 ].

Найбільш раціональним напрямком економії енергоносіїв є модернізація існуючих виробництв мінеральних добрив з метою поліпшення якісних показників роботи обладнання, підвищення його потужності та покращення гранулометричного складу туків.

Сказане в повній мірі відноситься до азотно-тукових підприємств, де втрати мінеральних добрив на стадії гранулювання становлять 1,6-5,0 % за рахунок отримання некондиційних гранул, налипання туків на робочі поверхні башти та з пилом добрив, який викидається з башт в повітря і забруднює його. Все це є наслідком низької ефективності роботи грануляційного обладнання.

Найбільш раціональним напрямком підвищення енергоефективності для існуючих виробництв добрив баштовим методом, є розробка вузла гранулювання, який би давав змогу отримати монодисперсні гранули азотних добрив, що забезпечить оптимізацію теплового навантаження на грануляційну башту і, як наслідок, зменшить частку некондиційних гранул та налипання туків на робочі поверхні башти, викиди пилу добрив в атмосферу [2, 3].

Для отримання рівномірних (монодисперсних) гранул азотних мінеральних добрив, в першу чергу, потрібно отримати рівномірні каплі розплаву в процесі диспергування плаву. При промисловому використанні цього методу виникає додаткова проблема в накладенні на струмені рідини потужного, фіксованого та високочастотного збурення. Завдяки цьому збудженню струмінь рідини розпадається на рівномірні каплі. В разі відсутності збурень діаметр отримуваних капель має статистичних характер.

Розроблення удосконаленої конструкції гранулятора та оптимізація режимних параметрів процесу диспергування дає можливість створити промисловий зразок обладнання для гранулювання плаву азотних добрив з поліпшеною гідродинамікою руху рідини в грануляторі та розпадом струменів плаву, що в кінцевому результаті дає змогу зменшити непродуктивні втрати енергоносіїв на стадії гранулювання.

Виходячи з цього, був проведений комплекс науково-дослідних робіт з метою створення обладнання для грануляції плаву азотних добрив, яке забезпечує можливість отримати на існуючих виробництвах баштовим методом монодисперсні гранул добрив. При виконанні науково-дослідної роботи:

  • виконаний патентний пошук по сучасним напрямкам створення грануляційного обладнання та визначені найбільш перспективні конструкції грануляторів плаву азотних та комплексних добрив;

  • проведений аналіз рівнянь стану рідини, уточнена математична модель руху плаву для відцентрових лопатевих грануляторів;

  • розглянуті можливості регулювання процесу розпаду течії за допомогою зовнішніх збурень;

  • розроблені основні принципи конструювання грануляторів;

  • створена методика інженерного розрахунку;

  • створена конструкторська документація дослідного зразка обладнання для грануляції плаву азотних добрив;

  • створений дослідній зразок обладнання для грануляції плаву азотних та комплексних добрив на їх основі;

  • проведені дослідження по оптимізації параметрів процесу диспергування: вивчення процесу диспергування модельних рідин на дослідному зразку;

  • вивчений вплив конструкції обладнання та гідродинамічних факторів на процес диспергування;

  • проведена апробація методик розрахунку корзин обертового гранулятора та оптимізація режимних параметрів процесу грануляції в умовах реального виробництва.

^ 1 АНАЛІЗ СТАНУ СУЧАСНОГО ВИРОБНИЦТВА АЗОТНИХ ДОБРИВ


1.1 Огляд конструктивних характеристик грануляційних башт

Аналіз світового досвіду одержання гранульованих азотних добрив показує, що сучасний стан виробництва цих туків характеризується двома основними способами одержання гранул: приллювання та грануляція. У світовій практиці для одержання гранул азотних добрив найпоширенішим є спосіб приллювання.

Спосіб приллювання, або баштовий спосіб отримання азотних добрив, характеризується диспергацією плаву аміачної селітри чи карбаміду на краплі в грануляційній башті, з наступним їхнім охолодженням і кристалізацією у тверді гранули в процесі вільного падіння у висхідному потоці холодного повітря. Схема отримання азотних добрив приллюванням наведена на рис.1.1.

Процес гранулювання плаву азотних добрив способом приллювання здійснюється в циліндричних баштах діаметром 12-24 м або прямокутних вежах з розмірами в плані від 811м до 1524 м. Висота польоту гранул 28-55 м для аміачної селітри та 50-90 м для карбаміду. В основному башти виконуються з монолітного залізобетону, зсередини футеровані кислототривкою цеглою; нижня частина вежі - днище виконується у вигляді усічених конусів, між якими є кільцеві зазори (щілини) для підсмоктування повітря у башту й очищення конусів від гранул азотного добрива. Нагорі башти встановлюється гранулятор, який має корзину конічної, циліндричної, сферичної або радіальної форми, на робочій (бічній або нижній) поверхні якої розміщені кілька тисяч отворів різного або однакового діаметра. На перекритті башти встановлені 1-6 вентилятори, що відсмоктують із неї повітря. В залежності від конструкції башти повітря до її внутрішнього об’єму подається безпосередньо з охолоджувача типу «киплячого шару» та через вікна, які розташовані в нижній частині по всьому периметру башти, або повітря безпосередньо надходить через ці вікна та піднімається по порожнині башти до витяжних вентиляторів. Загальній об’єм повітря, що подається до башти 250 - 700 тис. м3 в годину, яке на виході з неї містить мілкі дисперсні частки добрива [4].




Рисунок 1.1 – Схема приллювання азотних добрив: 1–грануляційна башта; 2 – відділення грануляції ( напірний бак, фільтр плаву, гранулятор); 3 – охолоджувач гранул типу «киплячого шару»; 4 – конуси; 5 – транспортер; 6 – грохот; 7–напірний вентилятор; 8 – очищувачі повітря; 9 – витяжні вентилятори. Потоки: I– плав азотного добрива; II – повітря; III – гранули з башти; IV– гранули товарної фракції; V– некондиційні гранули на переробку.


Струмені плаву, що витікають із отворів гранулятора, подрібнюються на краплі, які при падінні з висоти обмиваються холодним потоком повітря й застигають, формуючись у гранули, при цьому вони злегка підсушуються. Чим вище концентрація плаву й інтенсивніше охолодження його краплі, тим менше пор і тріщин утвориться в гранулах і тим вище стає їхня міцність.

У процесі гранулювання розплаву азотних добрив спостерігається налипання продукту в нижній частині башти. Для усунення цього явища конічну частину веж стали виконувати зі сталі й застосовувати вібраційні пристрої. При цьому в її нижній частині встановлюється спеціальний металевий каркас, не з'єднаний з корпусом башти. На такому каркасі змонтований сталевий конус, що складається із декількох поясів, кожний з яких закріплений на каркасі підвісками. На поясах конуса встановлюються вібратори. Вібратори, що приводяться в рух за допомогою передатних пристроїв електродвигуном, періодично включаються, і конус починає трястися. При цьому агломерати гранули, що прилипли на конус, відділяється від нього і скачуються донизу башти. На ділянках найбільшого зчеплення гранул з конусом на його внутрішню поверхню укладають металевий прут, що відбиває гранули при включенні вібраторів. Застосування вібраційних конусів у грануляційних вежах усунуло багато недоліків, властивим нерухливим конусам: різко скоротилися простої башт для очищення, відпала необхідність у важких фізичних роботах усередині веж при очищенні конусів, значно зменшилися витрати праці при експлуатації башт.

Температура гранул добрива на виході із грануляційної башти залежить від технічних умов здійснення процесу грануляції, питомого навантаження на башту, витрати та температури холодного повітря, висоти вільного падіння гранул і їх розміру. Температура гранул в нижній частині башти становить понад 80 С, тому в подальшому необхідно провести охолодження часток добрива. Гарячі гранули охолоджуються в апараті «киплячого шару». Це круглій або прямокутний апарат, що має секції, і решітку з отворами. Охолоджувачі гранул можуть бути як вбудовані в башту, так і «виносні» (побудовані поряд з баштою). Під решітку охолоджувача вентиляторами подається повітря; при цьому створюється псевдо зріджений шар гранул. Цей процес поєднують із до сушкою, нанесенням на поверхню гранул різних речовин. Для утворення киплячого шару досить, щоб лінійна швидкість агента (повітря), що охолоджує, була 0.9-1.2 м/сек. Це досягається застосуванням звичайних вентиляторів. Повітря після охолодження часток добрива попадає в грануляційну башту. В основному башти мають вбудовані охолоджувачі гранул типу «киплячого шару».

Повітря, що виходить із грануляційної башти, забруднене частками азотного добрива та аміаком. Для очищення цих потоків у верхній частині грануляційної башти розташовані паралельно працюючи промивні скрубери тарілчастого типу. Частина розчину виводиться на стадію нейтралізації або упарювання, і, отже, використовується для виробництва продукції. Очищене повітря відсмоктується із грануляційної вежі вентилятором і викидається в атмосферу.

Використання башт з діаметром 12-24 м або прямокутних веж з розмірами в плані від 811 м до 1524 м та висотою польоту гранул 28-55 м для аміачної селітри та 50-90м для карбаміду, з вбудованим в башту або винесеним за її межі охолоджувачем частинок типу «киплячого шару» площею 23-75м2 та витратою повітря – 250-700 тис. м3/год. пов’язане із спробами зменшити теплове навантаження на башту. Для диспергування плаву азотних добрив в цих виробництвах використовується від одного до восьми грануляторів продуктивністю 7-65 т/год., розмір гранул основної фракції – 2,1-3,2 мм, частка гранул основної фракції - 65-85 %. Такі великі розбіжності по висоті башт та кількості повітря, що подається для охолодження гранул, зумовлені необхідністю повної кристалізації краплі й охолодженням гранул у польоті до температури 70-90С для карбаміду та 90-130С для аміачної селітри.

Основний вплив на теплове навантаження на башту (тобто по висоті вежі й витраті повітря) має діаметр гранул. Так, для охолодження часток карбаміду із середнім діаметром 2,1 мм необхідна висота башти становить 64, 4-67,9 м, тоді як для часток діаметром 2,5 мм - 88, 4-97,5 м при фіксованих значеннях витрати й температури повітря;

Підвищення продуктивності башти по плаву карбаміду (при однакових значеннях діаметра гранул) істотно впливає на витрату повітря (55 т/год. – 441705 м3/год., 65 т/ч – 536124 м3/год.) і не потребує суттєвого збільшення висоти башти (до 4,5 м);

При обстеженні роботи грануляційних башт було відзначено, що за останній час ряд виробництв виконали заходи щодо підвищення потужності виробництв та збільшення середнього діаметру гранул товарної фракції. Підвищення потужності привело до роботи грануляторів на високих рівнях в них плаву, збільшення швидкості витікання рідини з отворів у турбулентному або перехідному режимі. Все це спричинило утворення «супутників» і, як наслідок, підвищення частки гранул фракції менш 1мм (1,2-3,0 %), а в деяких випадках і до переливів плаву із гранулятора. Самовільний розпад струменів також знижує зміст гранул фракції 2,0-4,0 мм до 58-84 % за рахунок збільшення частки часток розміром 1,7-2,0 мм до 20-40 % і, як наслідок, приводить до погіршенню якості продукції та збільшення викидів пилу азотних добрив в атмосферу. Окрім цього, підвищення навантаження по плаву приводить до збільшення швидкості його витікання та крапель-гранул, і, як наслідок, до зменшення часу падіння часток і зростання теплового навантаження на башту.

Збільшення середнього діаметру гранул товарної фракції з 2,0-2,5мм до 2,5-4,0мм за рахунок відсотка часток розміром 2,5-3,2мм до 50-80 % приводить до збільшення теплового навантаження на башту і, як наслідок, до погіршення якості продукції, злипанню гранул між собою, їх налипанню на конуса башти, дробленню гранул. Все це приводить до непродуктивних витрат продукції в вигляді пилу, що надходить в атмосферу та з некондиційними частками, які ідуть на повторну переробку.

До основних недоліків грануляційних башт можна віднести: порівняно висока температура гранул на виході з вежі (для охолодження); можливість використання їхнього обсягу приблизно тільки на 50%; великі капітальні витрати на будівництво, громіздкість. Ці недоліки частково обумовлені недосконалістю грануляційного обладнання.


1.2 Огляд існуючих конструкцій грануляторів

1.2.1 Класифікація грануляторів

Гранулятори плавів азотних добрив мають різну форму перфорованої оболонки (рис. 1.1). Зазвичай вони мають осьову симетрію.

По формі робочої частини (перфорованої оболонки) гранулятори плавів азотних добрив можна поділити на наступні типи:

  • циліндричні, які в свою чергу поділяються на:

  • циліндричні;

  • циліндричні ступеневі;

  • конічні, які в свою чергу поділяються на:

  • конічні

  • конічні із зворотними конусами;

  • конічні із гофрами;

  • кулястої форми, які в свою чергу поділяються на:

  • сферичні;

  • параболоїдальні;

  • чашоподібні;

  • ступеневі;

  • кулясті із гофрами;

За наявністю внутрішніх пристроїв в корзині гранулятора (перфорованої оболонки) їх можна класифікувати на:

  • без внутрішніх пристроїв;

  • з внутрішніми пристроями, які в свою чергу поділяються на:

    • з радіальними лопатами;

    • з незалежно обертовими лопатами;

    • з горизонтальними перегородками;

    • з лопатами гвинтового профілю;

    • із внутрішнім перфорованим циліндричним розподільником.

Окрім цього, гранулятори плавів азотних добрив поділяються на

      • статичні;

      • вихрові гранулятори з тангенціальним уведенням плаву в перфоровану оболонку;

      • вихрові гранулятори з турбіною для розкручування плаву;

      • динамічні або гранулятори, що обертаються

Обертання віброгранулятора сприяє розосередженню гранул по різних траєкторіях, завдяки чому поліпшуються умови теплообміну в грануляційній вежі, а також спрощується обслуговування віброгранулятора.

В останні роки перевагу в основному віддають відцентровим циліндричним і конічним грануляторам та грануляторам з чашоподібними оболонками. Це пояснюється простотою їх виготовлення й кращими показниками для одержання досить рівномірних крапель рідини або гранул.

Гранулятори всіх типів виготовляються з нержавіючої сталі. Товщина металу перфорованої оболонки - 1÷10мм.


1.2.2 Відцентрові гранулятори

Гранулятор відцентрового типу (рис. 1.2) обертається із частотою 6,7-7,5 1/с (400-450 об/хв.). При роботі таких грануляторів основне навантаження по гранулам лягає на відносно невеликий кільцевий простір башти, тоді як її центральний і бічний обсяги практично не працюють. Внаслідок різної кутової швидкості, навіть у випадку використання кращих відцентрових грануляторів, у башту диспергуються неоднакові по розмірах краплі плаву, на охолодження й формування яких потрібні різний час і різна висота польоту.

Відцентрові гранулятори [4-7] найкраще відповідають вимогам для грануляції плавів, що містять суспензії і для плавів складних добрив. Основними труднощами при гранулюванні плавів, що містять суспензії, є часті забивання отворів твердими частками. Відфільтрувати частки суспензії, що закупорюють отвори витікання, в ряді випадків не можливо, тому що ці частки суспензії є або складовою частиною добрива, або їх вводять у плав для зменшення злежуваності.

Відцентрові гранулятори показують добрі результати на баштах діаметром понад 15м.



Рисунок 1.2 – Відцентрові гранулятори циліндричної (а) і конічної форми (б)


1.2.3 Вихрові гранулятори

Особливістю таких грануляторів [4-7] є те, що вони мають рухомі лопаті, які знаходяться всередині перфорованої оболонки. За допомогою цих лопатей плаву надається обертальний рух, відносно нерухливої стінки оболонки. Тоді, змінюючи швидкість обертання лопатей та відносну швидкість плаву, можна регулювати значення тиску рідини в оболонці, що дає змогу в широких межах міняти перетин струменів рідини, які витікають із отворів оболонки. Тонкі струмені рідини можна одержувати при витіканні рідини з отворів значно більшого діаметра, чим у випадку, коли відносна швидкість. Це істотно підвищує надійність роботи гранулятора, дозволяє змінювати перетин струменів і, отже, краплі (гранули) шляхом зміни величини .

Надання плаву обертального руху, відносно нерухливої стінки оболонки, можна досягти внаслідок його тангенціального введення в перфоровану оболонку.




Рисунок 1.3 - Вихровий гранулятор з тангенціальним уведенням плаву 1 в перфоровану оболонку 2



Рисунок 1.4 - Вихровий гранулятор з турбіною для розкручування плаву: 1 - вал;

2 - вузол підшипників; 3 - вхід плаву; 4 - кріпильний фланець; 5 - нерухома перфорована оболонка; 6 - обертова турбіна


1.2.4 Статичні акустичні гранулятори

Виходячи з умов розвитку хімічної галузі України за часів СРСР, виробництва азотних добрив проектувалися та споруджувались під гранулятори конструкції НДІ «ХИММАШ». Для вітчизняних великотоннажних агрегатів аміачної селітри та карбаміду в НДІ «ХИММАШ» були створені два типи акустичних грануляторів АГ-З16 і АГ-З20 різної продуктивності й з різними (відповідно до розмірів грануляційних веж) розмірами зон зрошення. Ці гранулятори з 1975 р. серійно випускаються Димитровградським. заводом хімічного машинобудування. При порівняно малих габаритах (діаметр 320мм, вага 23кг) ці гранулятори мають продуктивність відповідно  16 і 20 т/ч по  готовому продукту й забезпечують  великотоннажні  виробництва обсягом 450 тис.т/рік. На базі серійних акустичних грануляторів в НДІ «ХИММАШ» були розроблені їх модифікації зі збільшеною продуктивністю до 25-30 т/год., які також експлуатуються на ряді заводів. Одержуваний на акустичних грануляторах продукт по гранулометричному складу перевищує вимоги ГОСТ 2-75 по товарній фракції гранул і по фракції 2-3мм. Так, за даними заводів, де працюють акустичні гранулятори, виробляється продукт в якому фракція 2-3мм становить 60-80%. Випробування акустичних грануляторів, а також обстеження, виконані за участю НДІ «ГИАП» і самих підприємств-виробників, показують на реальну можливість одержання практично монодисперсного продукту зі змістом гранул фракції 2-3 мм до 85%.

Були створені акустичні гранулятори для плаву карбаміду з метою підвищити однорідність продукту й вмісту у ньому фракції гранул 2-3мм. У порівнянні з гранулюванням аміачної селітри основна складність тут у тому, що в карбаміду більш висока теплота кристалізації. З огляду на труднощі охолодження й кристалізації гранул в умовах промислового виробництва діючих цехів розроблені акустичні гранулятори карбаміду з продуктивністю 6-8 т/год.[4-7].

Разом з тим, одержати продукт гарної якості з використанням грануляторів ^ НДІ «ХИММАШ» неможливо, виходячи із особливостей конструкції вібросистеми. Вібраційна система цих грануляторів розрахована для роботи на певному навантаженні по плаву. Зміни витрати плаву спричиняють відмову у роботі вібросистеми. Це приводить до вільного розпаду струменів. Крім того, зміни витрати плаву можуть приводити до роботи вібросистеми в нестабільному режимі, що приводить до розбіжності частотних характеристик вібросистеми зі швидкістю витікання плаву з отворів, що, у свою чергу, погіршує якість продукту.


1.2.5 Вібраційні гранулятори з верхнім мембранним випромінювачем

Віброгранулятори з верхнім мембранним випромінювачем коливань – це одна з перших конструкцій грануляторів вібраційного типу [4-7]. На рис. 1.5, показаний цей пристрій. Гранулятор має патрубок 1 для введення плаву, розподільну решітку 2, перфороване чашоподібне днище 3 з отворами для витікання плаву. У верхній частині порожнини днища є еластична або пружна мембрана 4, з'єднана за допомогою штока 5 з механічним або електродинамічним вібратором 8 тієї або іншої конструкції. Вібратор 8 установлений на амортизаційній підкладці 7. Чашоподібне перфороване днище кріпиться до корпуса фланцевим з’єднанням 6. Віброгранулятор працює таким чином. Плав по патрубку 1 через розподільну решітку 2 надходить у порожнину чашоподібного днища 3 і витікає у вигляді струменів з отворів днища 3 у грануляційну башту. Одночасно вібратор 8 через шток 5 приводить в дію мембрану 4, яка розташована в плаві, у коливальний рух із фіксованою частотою.

У порожнині днища 3 у плаву поширюються пружні хвилі. Це приводить до періодичної зміни тиску (напору) плаву перед отворами витікання й відповідно до періодичної зміни швидкості витікання плаву з отворів. При цьому на поверхні струменів плаву, що витікають зі змінною швидкістю, утворюються збурювання (звуження й розширення) із частотою, що дорівнює частоті вібратора. Якщо відстань між двома сусідніми звуженнями більше довжини окружності незбуреного струменя, то збурювання швидко росте під дією сили поверхневого натягу плаву, і струмінь розпадається на рівномірні краплі. Падаючи у вежі назустріч потоку холодного повітря, краплі плаву кристалізуються, перетворюючись у гранули.

При роботі на змушених коливаннях в якості мембрани може бути використаний фторопласт або гофрована нержавіюча сталь. При роботі в режимі резонансу мембрану виготовляють із титану або нержавіючої сталі. Мембрана може бути опуклої або плоскої форми, при цьому плоска мембрана простіше у виготовленні.



Рисунок 1.5 – Вібраційний гранулятор з мембранним випромінювачем


Віброгранулятор з мембраною-днищем. У цьому грануляторі мембрана, що випромінює коливання, являє собою плоску центральну неперфоровану частину чашоподібного днища (рис. 1.6). У перших конструкціях такого гранулятора кульковий вібратор був прикріплений під днищем у центрі [4–7]. Згодом вібратор 10 був винесений наверх і з'єднаний із центральною частиною днища стрижнем 3.



Рисунок 1.6 – Модифікація вібраційного гранулятора


Гранулятор працює в такий спосіб. Плав по трубі 11 по кільцевому каналу 9 через розподільник 5 (тієї або іншої конструкції) надходить у порожнину перфорованого днища 1 і витікає з отворів у цьому днищі. Центральна частина 2 днища 1 діаметром 100-300 мм виготовлена плоскою й без отворів. При роботі вібратора 10 днище 1, з'єднане зі стрижнем 3, вібрує, випромінюючи акустичні коливання в плав, що заповнює порожнину днища. Це приводить до дроблення струменів плаву на рівномірні краплі, як в описаному вище грануляторі.

Якщо в гранулятор разом із плавом попадає повітря, то пухирці повітря сепаруються на вільній поверхні плава й виходять із гранулятора через отвір 12. У корпусі 4 гранулятори встановлений п'єзометричний датчик 7 для контролю рівня плаву в грануляторі й регулювання навантаження. Для запобігання засмічування отворів витікання випадковими твердими частками й для сепарування пухирців повітря передбачена сітка 6. У башті гранулятор установлюється на опорне й ущільнювальне кільце 8.


1.2.6 Віброгранулятор з регулятором рівня плаву

Для стабілізації напору плаву перед отворами витікання розроблений віброгранулятор із простим і надійним поплавковим регулятором рівня плаву [3, 4, 6] (рис. 1.7). Цей гранулятор має вібратор 1, з'єднаний стрижнем 6 з перфорованим днищем 7, патрубок 2 для підведення плаву, датчик 3 напору, кришку 4. Для регулювання рівня в грануляторі передбачена поворотна заслінка 5, пов'язана з поплавком 6. У днищі 7 є отвори 8 для витікання плаву. Змінна фільтрувальна сітка 9 запобігає засмічуванню отворів 8 випадковими частинками, які можуть бути в плаву, і сепарує пухирці повітря. Розподільник 10 служить для рівномірного введення плаву. У верхній частині гранулятора передбачене фланцеве ущільнення 11. У грануляторі над вільною поверхнею плаву може підтримуватися заданий тиск повітря, що вводиться по патрубку 12.

При певному рівні плаву поплавок 6 спливає й прикриває поворотну заслінку 5, запобігаючи подальшому підвищенню рівня.



Рисунок 1.7 - Віброгранулятор з поплавковим регулятором рівня


Для тонкого регулювання пропускної здатності гранулятора при постійному рівні плаву над вільною поверхнею плаву створюється будь-який заданий тиск повітря, що надходить по патрубку 12. П’єзометричний датчик рівня 3 дозволяє контролювати загальний напір плаву перед отворами витікання.

Цей гранулятор забезпечує стабілізацію процесу гранулоутворення й високу якість гранул.


1.2.7 Віброгранулятори з гофрованим днищем

При грануляції плавів спостерігаються зіткнення рівномірних крапель, отриманих при вібродрібленні струменів, з утворенням гранул з подвоєною й навіть потроєною масою. Азотно-тукові заводи випробували віброгранулятори з отворами витікання від 0,8 до 1,4 мм. При цьому ситовим аналізом і візуальним контролем було встановлено, що кількість подвоєних гранул істотно залежить від діаметра отворів витікання, напору плаву перед отворами витікання, різниці між температурою плаву й температурою його кристалізації [5-7].

Застосування віброгранулятора із плоским перфорованим днищем дозволяє здійснити процес вібродроблення в більш широкому діапазоні навантажень. Однак такий віброгранулятор дає вертикальний вузький щільний факел гранул, що погіршує умови теплообміну й веде до їхніх зіткнень і злиття в польоті, налипанню на стінках вежі.

Усунути зазначені недоліки можна зміною форми перфорованого днища. Віброгранулятор із днищем у вигляді кільцевих, симетричних відносно вісі гофр, у яких на одному горизонтальному рівні просвердлені отвори, а їхні осі спрямовані під різними кутами до обрію (рис. 1.8).



Рисунок 1.8  Віброгранулятор з гофрованим днищем


На віброгранулятор встановлюється вібратор 8, який має обойму 9 від шарикопідшипника, тангенціальне уведення 10 для подачі стисненого повітря, сталева кулька 11, вільно розміщена у біговій доріжці обойми 9, пластину-резонатор 5, кріпильні пластини 7, болти 6, хомут 12 для кріплення, стрижень 4, закріплений гайкою 21 до нижньої частини гофрованого перфорованого днища 20 з отворами 19 для витікання плаву. Устя отворів розташовані в одній горизонтальній площині, але під різними кутами до обрію. На кришці 2 є додаткові вібратори 1 для створення крутильних коливань при роботі на плаву, що містить велику кількість часток шламу. Труба 13 служить для підведення плаву в гранулятор, а сітки 17, 18 призначені для рівномірного розподілу плаву перед отворами витікання та для ламінаризації потоку плаву. Патрубок 3 призначений для видалення газів із гранулятора. Фланці 15 і 16 служать для з’єднання нижньої й верхньому частин гранулятора, а фланець 14 для кріплення гранулятора в башті.

Віброгранулятор працює наступним чином. Плав по трубі 13, подається в гранулятор, проходить через розподільні сітки 17 та 18 і через отвори 19, просвердлені в днищі 20 витікає у вигляді струменів у башту або апарат, під різними кутами до обрію. Так як гирла отворів 19 розташовані в одній горизонтальній площині, a їх вісі за рахунок вісесиметричних гофрів розташовані під різними кутами до обрію, при роботі на будь-яких напорах швидкість витікання плаву із всіх отворів буде однакової, а факел розбризкування буде розширюватися, що поліпшує умови теплообміну й запобігає злиттю гранул у польоті.

Так як швидкість витікання плаву із всіх отворів однакова, то при роботі вібратора 8, що надає центральної частини днища 20 коливання заданої стабільної частоти, на струмені плаву будуть накладатися збурювання з однаковою довжиною хвилі. Це приведе до дроблення всіх струменів на строго рівномірні краплі й при малих напорах.

Стиснене повітря на вібратор 8 подається по тангенціальному уведенню 10. Взаємодіючи з кулькою 11, повітряний вихор надає кульці обертовий рух. Виникаюча відцентрова сила через стрижень 4 діє на центральну частину днища 20, де немає отворів.

При коливаннях центральної частини днища 20 у плаву, що заповнює гранулятор, і по днищу 20 поширюються пружні хвилі, що приводять до утворення регулярних збурень на струменях плаву, що приводить до розпаду струменів на строго рівномірні краплі. Замість кулькового пневматичного вібратора можна використовувати будь-який вібратор, наприклад електродинамічний або електромагнітний, або мембранний випромінювач коливань (його встановлюють над перфорованим днищем).

При використанні кулькового вібратора для узгодження частоти роботи вібратора з оптимальною релеєвською частотою можуть бути передбачені дві або більше пластини-резонатори 5, розрахованих на різні частоти. Властивість кулькового вібратора така, що він настроюється на частоту одного з резонаторів (залежно від тиску стисненого повітря, яке подається по патрубку 10). Міняючи тиск повітря перед патрубком 10, можна міняти частоту збурень струменів, що необхідно при зміні напору плаву перед отворами 19 більш ніж в 2 рази.

Використання описаного гранулятора доцільно при напорах плаву 0,3-0,1 м з одержанням гранул  2,5-3 мм. Однак для кристалізації таких великих крапель плаву необхідно збільшити час польоту гранул аміачної селітри у вежі до 5,5-7с [4, 5], що можливо або в результаті збільшення висоти або підвищення швидкості повітря у башті.


1.2.8 Обертові віброгранулятори

Коли неприпустима наявність у гранулометричному складі значної кількості гранул, що зштовхнулися («здвоєні» гранули), доцільно здійснювати обертання віброгранулятора за допомогою привода. При цьому кожна гранула буде рухатися по різних траєкторіях. Це зменшує кількість зіткнень гранул в 5-8 разів у порівнянні з даними для статичних грануляторів і при використанні отворів  1,2-1,5 мм дозволяє одержати практично монодисперсний продукт. Особливо важливо це при грануляції плаву карбаміду, тому що краплі подвоєної маси не встигають кристалізуватися у баштах висотою 20-30 м. Одна з конструкцій обертового віброгранулятора показана на рис. 1.9 [3-7]. Як вібратор можна застосувати сирену або кульковий вібратор. Застосування обертових віброгрануляторів - найбільш раціональний шлях одержання монодисперсних гранул у великих промислових масштабах.



Рисунок. 1.9  Обертовий вібраційний гранулятор: 1  вібратор; 2  мембрана; 3  перфорована оболонка; 4  отвору витікання; 5  порожній вал; 6  патрубок для введення повітря; 7  шків; 8  вузол підшипників; 9 – патрубок введення плаву; 10 - фланець


НДІ «ХИММАШ» розробив акустичний гранулятор обертового типу для грануляційних башт діаметром 16 м і центральним зрошенням. Позитивною якістю цього типу гранулятора є використання в ньому принципу обертання для розсіювання крапель плаву по різних траєкторіях у грануляційній вежі. Це дає можливість інтенсифікувати процес теплообміну в башті. Розсіювання крапель плаву по різних траєкторіях зменшує кількість їх зіткнень між собою й дозволяє зберегти однорідність гранул. В результаті цього на обертовому грануляторі, в порівнянні з статичним, кількість гранул фракції 2-3мм підвищується в середньому до 80-90%, за рахунок зниження великих і недостатньо охолоджених гранул фракції більше 3мм.


1.3 Основні напрямки вдосконалення грануляторів

В результаті проведення пошуку по встаткуванню для грануляції (диспергування) плаву азотних і комплексних добрив на їхній основі баштовим методом було виявлено, що даному типу встаткування приділяється належна увага вітчизняним і закордонними науково-дослідними й виробничими організаціями. Провідними країнами в області розробки такого типу грануляційного встаткування є Російська Федерація і Японія.

Найбільша кількість патентів видана на конструкції грануляторів, при роботі яких можливо одержувати мінеральні добрива поліпшеної якості, зокрема необхідного гранулометричного состава, що досягається за рахунок:

  • регулюванням рівня напору розплаву (швидкості витікання плаву з отворів) у напірній ємності або ємності гранулятора;

  • регулювання режимів гранулювання, таких як температурний режим, швидкість обігу ємності, при зміні параметрів вхідного й вихідного матеріалу, що надходить у гранулятор;

  • зміни фізик-хімічних властивостей гранульованих матеріалів (введення до складу плаву азотного добрива різноманітних порошкоподібних або рідких добавок, які поліпшують їхні якісні характеристики).

Другим напрямком модернізації грануляційного встаткування є вдосконалення їхньої конструкції:

  • усунення кристалізації плаву в грануляторах;

  • розширення діапазону виробничих навантажень при збереженні моно дисперсності готового продукту по гранулометричному составі;

  • застосування більше ефективних пристроїв при проведенні окремих операцій процесу гранулювання (розподільників плаву, прибудував для подачі й фільтрування плаву в грануляторі).

Окремі вдосконалення конструкції грануляторів спрямовані на забезпечення більше високої надійності в їхній роботі за рахунок:

  • зниження ерозійного зношування окремих поверхонь корпуса гранулятору;

  • зміни величини гідродинамічних впливів на деталі гранулятору;

  • виключення застійних зон при роботі гранулятора;

  • спрощення окремих елементів конструкції.


^ 2 ОСНОВНІ ЗАСАДИ РОЗРОБКИ ГРАНУЛЯТОРІВ


2.1 Основні принципи конструювання грануляторів

Теоретичні і експериментальні передумови дозволяють обґрунтувати конструкції відцентрових грануляторів для промислових плавів.

Чітко можна виділити три типи плавів, які використовуються при виробництві азотних та комплексних добрив баштовим методом.

1. Чисті плави малої в'язкості, в яких відсутні нерозчинні домішки, і плави з розчинними добавками. До цих плавів відносяться плави карбаміду і аміачної селітри без добавок і з розчинними добавками (сульфатні, доломітні).

2. Плави малої в'язкості ( ), в яких є значна кількість твердих добавок. До таких плавів відносяться плави аміачної селітри з добавкою РАП, а також плави, що містять до 0,5% механічних домішок.

3. Плави високої в'язкості до ( ) , що містять суспензії. До таких плавів можна віднести плави  суспензії складних добрив NPK, а також плав вапняно-аміачної селітри.

Основні вимоги, до грануляторів плаву:

  • одержання крапель рідини заданого розміру;

  • надійність в роботі;

  • максимальна рівномірність одержуваних крапель;

  • низька питома витрата енергії на розпилення рідини;

  • простота обслуговування;

  • можливість зміни продуктивності без погіршення дисперсності розпилення;

  • корозійна і ерозійна стійкість коли це необхідно.

Основні принципи конструювання грануляторів плаву і розпилювачів рідини, що задовольняють максимальній кількості перерахованих вище вимог, можна сформулювати, використовуючи уявлення про фізичну картину руху рідини в

порожніх перфорованих обертових оболонках і про особливості диспергування рідин на краплі.

Ці принципи в основному зводяться до наступного.

1. Враховувати особливості витікання рідини з отворів порожніх перфорованих обертових оболонок при обґрунтуванні діаметрів отворів витікання.

2. Використовувати можливість впливу конструктивними прийомами на внутрішню гідродинаміку перфорованих обертових оболонок, що дозволить керувати параметрами витікання рідини з отворів перфорованих обертових оболонок і, отже, якістю одержуваних гранул (крапель).

Враховувати особливості внутрішньої гідродинаміки перфорованих обертових оболонок на основі теоретичних положень, що дозволить обґрунтувати конструктивні прийоми, які запобігають забивання отворів відцентрових грануляторів і розпилювачів рідини.

3. Враховувати, що при гранулюванні плавів добрив максимальна швидкість руху капель повинна бути менше швидкості їх руйнування при відносному русі в повітрі, щоб краплі плаву не дробилися.


2.2 Вибір форми грануляторів плаву

В основному відцентрові гранулятори використовують в баштах діаметром 12-16 м. Найбільше поширення мають гранулятори циліндричної і конічної форми.

В таблиці 2.1 показаний розподіл питомого навантаження по перетині башти при роботі конічного і циліндричного грануляторів. Як видно з приведених значень, обидва гранулятори не дозволяють досягти рівномірного розподілу гранул по перетину грануляційної башти. Трохи гірше розподіляється навантаження при роботі циліндричного гранулятора. Це впливає на інтенсивність охолодження гранул однакового гранулометричного складу. При отриманні продукту однакового гранулометричного складу й однаковому навантаженню на башту (35 т/год) різниця в температурі гранул перед охолоджувачем киплячого шару, отриманих на циліндричному і конічному грануляторах, складає 3-17 °С, що є суттєвим.

Це пояснюється тим, що хоча в цих типів грануляторів гранулам надаються великі початкові швидкості, що інтенсифікує теплообмін на початковій ділянці траєкторії, але гірший розподіл гранул по перетину башти мають циліндричні гранулятори.

Таблиця 2.1 - розподіл навантаження по перетину вежі (16 м при роботі конічного і циліндричного та пропонованого грануляторів (навантаження 35 т/год)

Найменування

показника

Циліндричний гранулятор

Конічний гранулятор

Гранулятор, що пропонується

Діаметр факелу розпилу, м

  • максимальний

  • мінімальний


16,0

8,0


14,0

6,0


16,0

4,0

Діаметр вільної від продукту центральної частини башти, м

- максимальний

- мінімальний



12,0

4,0



6,0

3,0



1,0

0

Питоме навантаження, кг/м2·хв,

- максимальний

- мінімальний


90,0

0


46,0

0


32,0

1,3


Практика показує, що гранулятори циліндричної і конічної форм забезпечують одержання гранул досить високої якості. При виборі форми перфорованої оболонки розпилювача для розпилення рідини, доцільно надати рідині однакову початкову швидкість. В цьому випадку буде отриманий найбільш рівномірний розпил рідини.

Виходячи з цього, в обладнанні для грануляції плаву азотних добрив, робоча поверхня перфорованої оболонки корзини гранулятора виконана профільованою, що дає можливість більш рівномірно розподілити продукт по перетину башти.

2.3 Оптимальні режими процесу диспергування


Виходячи з проведених досліджень по диспергуванню рідин з перфорованої оболонки, оптимальними є наступні параметри:

1. Швидкість рідини, що витікає з отвору – 1,0-5,0 м/с.

2. Інтенсифікація гідродинаміки руху розплаву в об’ємі розподілювача та перфорованої оболонки гранулятора.

3. Відсутність застійних зон розплаву в об’ємі гранулятора.

4. Потужність випромінювача імпульсів  80-100 вт.

5. Амплітуда коливань випромінювача імпульсів – 0,3-1,0 мм.

6. Діапазон частот що генеруються випромінювачем імпульсів – 200-1200 Гц.

7. Максимально допустиме відхилення частоти від заданої  ±0,1%.

8. Відсутність повітря в плавові.

9. Дисперсність порошкоподібної добавки, що знаходиться в плавові азотного добрива, повинна бути менше 70 мкм.


2.4 Рекомендації щодо оптимальної конструкції дослідного зразка

Виходячи з проведених досліджень по диспергуванню рідин з перфорованої оболонки, оптимальними є наступні вимоги щодо конструкції грануляційного обладнання:

  1. Відсутність застійних зон в грануляторі для запобігання розподілу суспензії на складові компоненти.

  2. Наявність інтенсивного гідродинамічного руху рідини в зоні отворів перфорованої оболонки.

  3. Наявність обертання перфорованої оболонки для розподілу крапель по різним траєкторіям.

  4. Профілювання геометричної форми перфорованої оболонки гранулятора в залежності від параметрів грануляційної башти (діаметр охолоджувача «киплячого шару», висота польоту гранул в башті, початкова температура та витрата повітря в башті та ін.) для оптимізації теплового навантаження процесу.

  5. Підвищення стійкості матеріалу перфорованої оболонки для зменшення зносу отворів при диспергування суспензій.


3^ ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОЗРАХУНКУ ГРАНУЛЯТОРІВ


3.1 Рух потоку плаву у порожнині віброгранулятора

Основою розрахунків оптимального режиму роботи вібраційного гранулятора є визначення основних гідродинамічних параметрів рідинного розплаву, який рухається між двома обертовими оболонками [2-7].

В основі математичного опису руху в’язкої рідини лежить розв'язок задачі про рух цього середовища між двома оболонками, що обертаються. Однак існуючі дотепер рішення базувалися на допущеннях, які спрощують розв'язок, що в деяких випадках не дозволяло без методу послідовних наближень визначити геометричні розміри пристрою. Зокрема, необхідно було знати параметри в’язкого потоку на двох циліндричних поверхнях уздовж радіуса робочої камери, що приводить до невизначеності й деякої умовності одержуваних результатів.

Виходячи з цього, виникла необхідність провести уточнення математичної моделі гідродинаміки руху рідини в грануляторі та виконати комплекс науково-дослідних робіт з метою створення грануляційного обладнання, яке б забезпечило можливість отримання монодисперсних гранул азотних добрив з домішками на існуючих виробництвах баштовим методом.

При дослідженні роботи грануляторів для в’язких плавів перш за все цікавлять характеристики швидкості руху рідини, симетричного відносно осі обертання, і розподіл тисків в рідині, що заповнює без розривів простір між двома перфорованими коаксіальними циліндрами, що обертаються з різними кутовими швидкостями і (рис. 3.1). Рішення задачі про рух в’язкої рідини між двома непроникними циліндрами приведено в роботах [6].

Виходячи з того, що рідина, вийшовши з внутрішнього пористого циліндра з зовнішнім радіусом , рухаються в горизонтальній площині, перпендикулярно вертикальній осі обертання циліндрів і відсутня осьова складова швидкості рідини, рівняння Навье-Стокса руху рідини в циліндричних координатах і рівняння нерозривності для цього випадку будуть мати вигляд:



(3.1)


де - відстань від розглянутої частки об’єму рідини до осі симетрії;

- радіальна швидкість рідини;

- окружна швидкість рідини;

- тиск; - коефіцієнт турбулентної в'язкості;

- щільність рідини.




Рисунок 3.1- Схема руху рідини в просторі між двома коаксіальними перфорованими циліндрами, що обертаються


З рівняння нерозривності, та огляду на крайові умови, при ; автори отримали диференційне рівняння другого порядку



(3.2)


Виходячи з граничних умов на поверхнях циліндричних перфорованих облонок (при ;, ; ; ), та ввівши постійні інтегрування , і позначивши отримано рішення для знаходження окружної складової швидкості між двома циліндричними поверхнями


.

(3.3)


Але таке рішення звужує можливості розрахунку у тому випадку, коли потрібно якраз і визначити розміри радіусу однієї з оболонок.

З цієї точки зору цікавим буде отримання аналітичного рішення, яке б враховувало граничні умови тільки на одній з циліндричних оболонок. В такому разі стає можливим, задавши потрібне значення величини обертової швидкості, визначити радіус циліндричної оболонки, на якому буде досягнуто таку швидкість. Це дає змогу визначити розміри другої циліндричної оболонки, яка формує об’єм робочої камери апарата [8]. У такому разі, виходячи також із умови, що рішенням рівняння нерозривності є:




(3.4)


можна записати друге рівняння системи (3.1) у вигляді




(3.5)


Рішенням такого диференційного рівняння буде




(3.6)


Виходячи з припущення, що на радіусі похідна по радіусу практично дорівнюється 0, а значення , для визначення постійних та можна отримати систему рівнянь




(3.7)






(3.8)


рішенням якої буде




(3.9)


та




(3.10)


А у цілому рівняння для визначення обертової складової швидкості в’язкого середовища, у разі вихрової течії уздовж радіусу, має вигляд




(3.11)


Якщо порівняти отримані результати з рішенням для визначення обертової швидкості ідеальної рідини, що має вигляд , для значень



отримаємо наступні графічні залежності





Рисунок 3.2 - Зміна обертової швидкості уздовж радіусу перфорованої оболонки: верхня лінія – ідеальна рідина; нижня лінія – в’язке середовище.


Таким чином, отримані результати дають змогу отримувати більш точні результати розрахунку оболонок вібраційних грануляторів.


3.2 Розрахунок продуктивності обладнання

Обертові вібраційні гранулятори найкраще відповідають вимогам по отриманню монодисперсних прил, що дасть змогу оптимізувати теплове навантаження грануляційної башти та інтенсифікувати процес теплообміну за рахунок покращення розподілу крапель плаву по поперечному перетину башти.

Виходячи з рівняння для визначення коефіцієнта стиску струменя рідини при витіканні з отворів оболонки [6]




(3.12)


Розмір одержуваних крапель може бути знайдений по рівнянню


.

(3.13)


Швидкість при цьому може мати значну величину.

Якщо висота Н такого гранулятора буде менше висоти напору, створюваного плавом, що обертається, то всі отвори гранулятора будуть працювати на стійкому режимі витікання. Такий гранулятор може мати досить великі отвори витікання, що забезпечують одержання гранул заданого розміру.

Наближене рівняння, що дозволяє з достатньою точністю розраховувати продуктивність описаних грануляторів можна отримати з огляду на те, що гранулятори працюють при великих значеннях Re і можна зневажити збільшенням моменту імпульсу плаву в зазорі між лопатнями і перфорованою оболонкою.

Плав буде стікати з лопатнів, маючи момент імпульсу . З огляду на нестисливість рідини і прийняту умова збереження моменту імпульсу, можна знайти значення кутової швидкості рідини для будь-якого радіуса в зазорі


; .

(3.14)


Складовою відцентрового тиску, що виникає в результаті обертання рідини в зазорі, буде:


.

(3.15)


Загальний тиск, створюваний обертовою рідиною


.

(3.16)


Коли висота оболонки гранулятора мала, з достатньою точністю, як це прийнято для центрифуг, можна зневажити силою ваги і прийняти, що вільна поверхня рідини в грануляторі з радіальними лопатнями має циліндричну форму радіусом R. Тоді максимальна продуктивність циліндричного гранулятора при , буде


.

(3.17)


З умови збереження моменту імпульсу


.


Для масової продуктивності рівняння (3.17) прийме наступний вигляд:


.

(3.18)


3.3 Розрахунок розмірів отворів витікання

Краплі плаву, що утворюються при розпаді струменів плаву в відцентровому грануляторі обумовлені статичною нестійкістю форми рідкого циліндра  струменя під дією сил поверхневого натягу і випадкових збурень. Розмір гранул може бути визначений по формулі


.

(3.19)


Для мало в’язких рідин довжина хвилі максимальної нестійкості max = 4,51d, тому при розпаді струменів рідин з малою в'язкістю, наприклад води, розмір крапель по формулі, dк = 1,89d = l,89do.

В'язкість плаву азотних добрив, наприклад аміачної селітри, перед подачею на гранулятор (t 170 °С) більш ніж у 4 рази вище в'язкості води і складає [4]. Однак після витікання, ще до розпаду на краплі, струмінь плаву інтенсивно охолоджується, і в'язкість її підвищується в кілька разів. Очевидно, що довжина хвилі максимальної нестійкості і розмір одержуваних крапель плаву будуть залежати від в'язкості


.

(3.20)


Важко провести які-небудь виміри температури і в'язкості плаву в струмені, що виливається з отвору в оболонці на різних відстанях від отворів, щоб по формулі (3.20) розрахувати значення . Однак спостереження показують, що для плаву аміачної селітри, що розпорошується в башту при температурі на 4-10 °С вище температури кристалізації, діаметр одержуваних гранул у 2,2-2,5 рази більше діаметра струменів, з яких вони утворюються. При розпаді струменів плаву аміачної селітри, температура якого близька до температури його кристалізації, розмір гранул може досягати трьох-чотирьох діаметрів струменя.

Якщо розпадається струмінь плаву, температура якого дорівнює температурі кристалізації або переохолоджений плав, то замість сферичних утворяться циліндричні частки.

З огляду на це розмір гранул може бути визначений по рівнянню


,

(3.21)


де 1 - відношення площі. перетину струменя fстр в місці розпаду до площі. отвору витікання fотв.

Тоді розмір отвору витікання


.

(3.22)


Отже, величина 1 визначається коефіцієнтом стиску струменя відповідно до рівняння приведеного в залежності (3.12) і додатковим стиском 2 при русі струменя щодо обертової оболонки після витікання. Цей додатковий стиск тим більше, чим довша суцільна частина струменя від отвору витікання до місця розпаду.

В загальному випадку (при обертанні плаву та перфорованої оболонки) проекції ліній струму і траєкторій струменів плаву, що витікають з отворів перфорованої обертової оболонки приведені на рис. 3.3. Швидкість витікання плаву з отворів перфорованої оболонки близька до окружної швидкості. Тому шлях, що проходить струмінь поблизу оболонки за час  між утворенням двох гранул, що витікають друг за другом, буде пропорційний довжині дуги “a”, а шлях, що пройдений за час  (на лінії струму), у місці розпаду на краплі, буде дорівнює довжині дуги b.




Рисунок 3.3 - Горизонтальні проекції ліній струму (спіралі) і траєкторії (прямі лінії) струменів рідини, що витікають з обертового розпилювача або гранулятора


Тому відношення перетину струменя через час  у місці її розпаду до перетину струменя на виході з отвору витікання буде:


.

(3.33)


Чим більше кінематична в'язкість плаву, тим більше час розпаду і довжина суцільної частини струменя. Таким чином, з урахуванням рівняння (3.33) діаметр отвору витікання в обертовому перфорованому грануляторі або розпилювача буде:


.

(3.34)


По наведеним рівнянням були проведені розрахунки діаметра гранул в залежності від параметрів процесу диспергування плаву на обертових вібраційних грануляторах. Результати розрахунків приведені на графіках.




Рисунок 3.4 – Графік залежності діаметру гранул від швидкості обертання корзини гранулятора




Рисунок 3.5 – Графік залежності діаметру гранул від швидкості обертання корзини гранулятора



Рисунок 3.6 – Графік залежності діаметру гранул від швидкості обертання корзини гранулятора




Рисунок 3.7 – Графік залежності діаметру гранул від частоти вібрації при швидкості обертання корзини гранулятора n=55 об/хв.




Рисунок 3.8 - Графік залежності діаметру гранул від частоти вібрації при швидкості обертання корзини гранулятора n=60 об/хв.




Рисунок 3.9 - Графік залежності діаметру гранул від частоти вібрації при швидкості обертання корзини гранулятора n=65 об/хв.

Як видно з приведених графіків суттєвий вплив на діаметр отримуваних гранул має частота вібрації, яка накладається на струмені рідини, що витікають з перфорованої оболонки.


3.4 Розрахунок потужності привода відцентрових грануляторів

Отвори витікання відцентрового гранулятора розподіляють звичайно рівномірно і свердлять по нормалі до поверхні оболонки. У цьому випадку потужність на розпорошення рідини гранулятором будь-якої форми може бути визначена відповідно до закону збереження моменту імпульсу по рівнянню [6]


,

(3.35)


де - щільність рідини, що розприскується;

- площа перфорованої поверхні;

- площа перфорованої поверхні гранулятора, віднесена до одного отвору витікання;

- об'ємна витрата одного отвору витікання, розташованого в області .


При конкретних розрахунках у рівняння (3.35) необхідно підставити значення q(r) і , що відповідають розглянутому випадкові. Так, наприклад, потужність для випадку розпорошення рідини циліндричним гранулятором з радіальними лопатями




(3.36)


буде




(3.37)


Якщо впливом сили ваги на витрату рідини з отвору можна зневажити, то рівняння (3.37) спроститься


.

(3.38)


Рівняння (3.37) є точним. У такому написанні воно враховує гідравлічні втрати в середині розпилювача, які практично неможливо розрахувати і врахувати, якщо розрахунок потужності вести через залежність для кінетичної енергії рідини. Аналогічно з рівняння (3.35) можуть бути отримані формули для розрахунку потужності на розбризкування рідини конічним, сферичним або іншими розпилювачами.

Сумарна потужність привода буде складатися зі знайденої потужності на розпорошення, потужності на створення нової поверхні (утворення струменів рідини), потужності на тертя розпилювача при обертанні в навколишнім середовищі, потужності вентиляційних утрат, потужності , що витрачаються в механізмах привода.

Складові потужності привода визначаються властивостями рідини, що розпорошується, і конструктивними особливостями розпилювача і можуть бути розраховані відомими методами. Для тихохідних грануляторів плаву потужностями можна зневажити.


^ 4 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОЗРАХУНКУ ГРАНУЛЯЦІЙНОЇ БАШТИ


При розрахунку грануляційних башт основними процесами, які впливають на параметри установки є:

- гідромеханічні процеси (траєкторія, швидкість, час польоту гранул);

- теплообмінні процеси між твердими частками розплаву й повітряним потоком.

Для визначення розмірів башти і її теплового розрахунку необхідно знати траєкторії, швидкість, час і висоту падіння гранул.


4.1 Швидкість руху гранул у башті

Швидкість руху гранул у башті змінюється від uo= 3-5 м/с до wвит, що залежить від режиму обтікання, розміру й щільності гранул. Для обчислення wвит у будь-якому режимі обтікання сферичних часток зручно користуватися формулою [9]




(4.1)


Система диференціальних рівнянь для двомірного руху часток у будь-якому режимі їхнього обтікання середовищем має вигляд




(4.2а)


(4.2б)


Рішення системи (4.2) відповідно до завдань балістики для частки, що вилітає під кутом про до обрію, у вигляді інтегралів було вирішено в роботі [10]

,

(4.3)

,

(4.4)



(4.5)


де R характеризує розміри, масу частки й щільність середовища;




,

(4.6)





Для визначення значень р і С стосовно до рішення завдань балістики були складені таблиці так званих балістичних інтегралів. Зі збільшенням шляху польоту й наближенням траєкторії рухи гранул до стрімкого падіння значення р стають більше 100. У цьому випадку пропонується (р) прийняти рівним р2 і інтеграли складати із двох частин: від 0 до 100 брати по таблицях, а від 100 до р обчислювати [11].

Для наближених розрахунків автори пропонують у всьому інтервалі зміни р замінити (р) на р2 і для обчислення чотирьох параметрів, що цікавлять, використовувати формули


,

(4.7)

,

(4.8)

,



(4.9)



(4.10)

де , , - щільність, діаметр і швидкість твердих часток;

g - прискорення вільного падіння;

w 0 - швидкість середовища.

Рівняння (4.7)-(4.10) описують рух частки в нерухливому повітрі. У вежах повітря рухається зі швидкістю 0,3-0,4 м/с, і, так як швидкість падіння гранул у десятки разів перевищує швидкість повітря, для інженерних розрахунків ці рівняння можна застосувати.

Результати розрахункової траєкторії руху гранул в башті наведені на рис.4.1.



Рисунок 4.1 – Залежність діаметра факела розпилу від висоти падіння гранул при швидкості витікання плаву з перфорованої оболонки 2м/с і швидкості обертання гранулятора 55 об./хв. для різних кутів витікання струменів θ, град. 1– θ = 0; 2 – θ = 22,5; 3– θ = 45; 4 – θ = 90.

Отримані результати свідчать про необхідність врахування параметрів руху повітря в грануляційній башті при розрахунках траєкторії руху гранул [12].


4.2 Теплообмін

У процесі падіння гранул в башті відбувається два види теплообміну:

1) у грануляційних вежах - нестаціонарний теплообмін між одиночними, падаючими з наростаючою швидкістю сферичними краплями-гранулами й зустрічним потоком повітря, ускладнений внутрішнім джерелом тепла у вигляді теплоти кристалізації й наступних модифікаційних переходів ( у випадку аміачної селітри);

2) в охолоджувачі з киплячим шаром - нестаціонарний теплообмін між групами часток і потоком повітря, у складних умовах, що безупинно, змінюються і швидкостей руху обох фаз.

Рішення цих завдань наштовхується на труднощі, обумовлені взаємозв'язками рядів факторів, що ускладнює або унеможливлює одержання аналітичних математичних рівнянь, і відсутністю кількісних залежностей по кінетиці тепло виділень кристалізаційних процесів, характер протікання яких для різних речовин різний.


4.2.1 Теплообмін у процесі гранулювання

Теоретичні розробки методу теплового розрахунку кристалізації сферичних крапель розплавів, дають можливість уявити собі фізичну картину процесу, обчислити час затвердіння продукту й висоту грануляційної башти.

Струмені розплаву на відстані 2-20 см від отвору, тобто через 0,02-0,06с, уже розриваються на краплі, тому відводом тепла від струменя можна зневажити. За 1 с падіння краплі відстань між ними досягає величини, при якій взаємний гідродинамічний вплив стає незначним. Щільність зрошення поперечного перерізу башти розплавом така, що падаючі краплі-гранули й у горизонтальному напрямку не роблять помітного взаємного впливу на їхнє обтікання повітряним потоком. Тому при визначенні конвективного коефіцієнта тепловіддачі конв можна виходити із закономірностей, установленої для одиночної частки.

Внутрішній термічний опір крапель-гранул добрив порівняно невеликий і приблизно лише на 5-15 % гальмує відвід тепла. Однак у більшості випадків врахування внутрішньої теплової задачі необхідний тому, що при просуванні фронту кристалізації вглиб гранули, що вже встигла ствердіти, шар речовини продовжує прохолоджуватися й, до моменту завершення кристалізації, середня температура гранули в цілому виявляється значно нижче кр, а отже, доводиться відводити тепла більше, ніж qкр.


4.2.2 Конвективний теплообмін між сферичним тілом і газовим потоком

У результаті гідродинамічної особливості, що спостерігається при обтіканні сфер газовим потоком, теплова взаємодія між ними нерівномірно по поверхні тіла. Воно більше інтенсивно на лобовій півсфері, зверненої до потоку, і істотно нижче в кормовій її частині через відрив потоку від поверхні сфери.

Теплообмін вивчався у двох напрямках: у макроскопічних дослідженнях оцінювали загальну кількість переданого тепла й визначали середній коефіцієнт тепловіддачі, у мікроскопічних - локальні значення конв на поверхні.

Макроскопічні дослідження виконувалися двома методами: в одному закріплені частки обмивалися потоком газів або рідини, в іншому частки рухалися зустрічно або попутно з потоком середовища.

Дані експериментів із закріпленими частками узагальнені [13], і для випадку теплообміну з газовим потоком запропонована формула, застосовна для ламінарної й турбулентної областей


Nu = 2+ 0,69Re0,5Pr0,33

(4.11)


Дані для часток, що рухаються в газовому потоці, апроксимуються наступними критеріальними залежностями [3]


При 30<Re< 480 з точністю  14,2 %

(4.12)

Nu=0,186Re0,8




При 480<Re< 2000 з точністю  10,6 %

(4.13)

Nu=1,14Re0,5





У роботі [14] показане значне розходження в інтенсивності процесів на лобовій і кільватерній сторонах частки. Для оцінки відносної інтенсивності локального переносу тепла використана безрозмірна група, названа числом Фрослінга




(4.14)


4.2.3 Пошарова кристалізація розплаву при кр=const

Останнім часом особливий розвиток одержала теорія нестаціонарної теплопровідності, що протікає в умовах рівномірного конвективного відводу тепла від поверхні тіла (так звані граничні умови 3 роду), і від теплового балансу на поверхні твердої й рідкої фаз (граничні умови Стефана), у припущенні, що швидкість кристалізації залежить лише від інтенсивності тепловідводу й протікає при кр=const. Була записана система рівнянь Фур'є для переносу тепла у твердій фазі


при R < r < rш

(4.15)


конвективного теплообміну між поверхнею тіла й зовнішнім середовищем


при r = rш

(4.16)


гранична умова Стефана на між фазній поверхні


при r = R

(4.17)


і початкової умови


при  = 0  = кр при 0  r  rк

(4.18)

де rк, r і R - відповідно радіус кулі, перемінний радіус кулі й границі кристалізації;

, - коефіцієнт теплопровідності й теплоємність твердих часток;

qкр - питоме тепло кристалізації частки;

 - коефіцієнт теплопередачі;

 - температура твердих часток.


Наведена система рівнянь не має аналітичного рішення. Конкретні завдання можуть обчислюватися приблизно різними методами, з яких найбільші застосування одержав метод кінцевих різниць; ступінь точності рішення звичайно залежить від обраного тимчасового кроку розрахунку й обліку різних факторів, що впливають.

У роботі [15] автор, вдало сполучивши змінні величини рівнянь (4.15)-(4.18) у безрозмірні комплекси, привів систему до наступного виду:


(при R* < r* < 1)

(4.19)

(при r* =1)

(4.20)

(при r* = R*)

(4.21)

при * = 0 = 1 (при 0  r*  1)

(4.22)


де - безрозмірна температура;

- безрозмірний час;

- відносна тепломісткість твердої фази;

- безрозмірні радіуси.


Отримані залежності дозволяють провести розрахунок теплового навантаження на башту з похибкою ±15%.


^ 5 ДОСЛІДНА ЧАСТИНА


5.1 Спонтанне каплеутворення

Грануляція речовин шляхом диспергування їх розплаву в порожнину башти є одним з найпоширеніших способів одержання азотних мінеральних добрив. При цьому, показники роботи цих виробництв по енергетичній ефективності потребують поліпшення якісних параметрів роботи існуючого встаткування. Значна частина виробництв має діаметр башт понад 15м і висоту падіння гранул 50-55м, тоді як діаметр факелу розпила крапель гранулятором становить 5-8м. В наслідок цього робочій об’єм башти використовується не ефективно, так як теплообмін між гранулами, що падають та висхідним потоком холодного повітря протікає в незначному об’ємі, частки добрива в кінці польоту мають високу температуру, що приводить до їх руйнування при падінні на робочі поверхні низу башти, комкуванню та налипанню продукту на конуса. Виходячи з цього, виникає потреба в розробці диспергаторів (грануляторів) плаву, які б дозволяли отримувати факел розпилу 15-22м. Створення таких грануляторів пов’язане з підвищенням швидкості витікання плаву з отворів перфорованої оболонки. Для визначення необхідної потужності вібраційної системи та інтенсивності її коливань, характеристик струменя та процесу капле утворення були проведені досліди по виявленню умов стабільності струменя рідини в залежності від різних режимів її витікання з отвору.

Дослідження гідродинамічних параметрів процесу витікання рідини з герметичного, вертикально розташованого циліндричного резервуара, простійного поперечного перетину проводились через регульовані по діаметру отвори на дні й бічній поверхні. В якості рідини використовувалась вода та модельна рідина, яка мала щільність, в’язкість та коефіцієнт поверхневого натягу близькі до аналогічних показників плаву азотного добрива. Досліди проводилися на одиночному отворі. Швидкість витікання рідини з отвору регулювалася шляхом змінювання висоти розташування напірної ємності перед герметичним циліндричним резервуаром з отвором. Підтримання постійного рівня рідини в напірній ємкості досягалося завдяки наявності системи переливу. В ході проведення дослідів змінними параметрами були напір модельної рідини перед отвором та його діаметр, склад модельної рідини і кут до горизонту під яким вона витікає з циліндричного резервуару. Параметром, який визначався, була довжина суцільної частини струменя рідини. Результати досліджень приведені в таблиці.




Рисунок 5.1 – Схема дослідної установки: 1 – напірна ємність; 2 – герметичний вертикальний циліндричний резервуар; 3 – прийомна ємність; 4 – насос.


В ході проведення дослідів по вивченню гідродинамічних характеристик процесу витікання рідини з отвору було виявлено залежність довжини суцільної частини струменя від діаметру отвору та швидкості витікання (напору) рідини. При цьому було відмічено, що довжина суцільної частини струменя рідини для діаметра отвору 1,27мм при напорах від 250мм до 500мм мала тенденцію до збільшення, при напорах від 500мм до 2500мм мала тенденцію до зменшення, при цьому, при напорах від 2000мм до 2500мм довжина суцільної частини струменя рідини була менше, ніж при напорах в інтервалі 250мм - 500мм.

Для отвору діаметром 2,17мм довжина суцільної частини струменя рідини при напорах від 250мм до 500мм мала тенденцію до різкого зменшення, при напорах від 500мм до 2500мм мала тенденцію до збільшення, при цьому, при напорах від 500мм до 2000мм довжина суцільної частини струменя рідини була менше, ніж при напорі 250мм.

Це свідчіть про те, що для її подрібнення не потрібно накладати більш потужні імпульси. Аналогічні результати були отримані для модельної рідини.



Рисунок 5.2 – Довжина суцільної частини струменя рідини


Проведені досліди підтверджують можливість створення грануляторів плаву азотних добрив з діаметром факелу розпилу гранул понад 15м, які дадуть можливість отримувати гранули в вузькому фракційному діапазоні, без підвищення потужності вібратора; отримувати максимальну кількість частинок з найбільшим розміром, що може охолодитись в цій башті; забезпечити можливість регулювати розміром крапель в залежності від температури повітря. В результаті цього, теплове навантаження на вежу буде близьким до оптимального, що дозволить зменшити налипання частинок на робочих поверхнях башти, і, як результат, зменшити непродуктивні витрати енергоносіїв на повторну переробку некондиційного продукту та з викидами пилу азотних добрив в атмосферу, а також покращити екологічну ситуацію в районі виробництва.


5.2 Уточнення коефіцієнта стискання рідини

Значення коефіцієнту стискання рідини в отворах, при її витіканні з перфорованої оболонки, необхідне для розрахунку діаметру цих отворів та розміру гранул. В наведених в розділі 3 залежностях значення коефіцієнту стискання рідини рекомендується брати 0,9.

При дослідженні гідродинамічних параметрів процесу витікання рідини з перфорованих оболонок було відмічено не спів падання розрахункових та фактичних значень продуктивності корзин. Виходячи з цього були проведені досліди по уточненню витрати рідини з отворів.

Схема дослідної установки аналогічна та наведена на рис. 5.1. Досліди проводилися на одиночному отворі. Швидкість витікання рідини з отвору регулювалася шляхом змінювання висоти розташування напірної ємності, перед циліндричним резервуаром з отвором. Підтримання постійного рівня рідини в напірній ємкості досягалося завдяки наявності системи переливу. В якості рідини використовувалась вода та модельна рідина, яка мала щільність, в’язкість та коефіцієнт поверхневого натягу близькі до аналогічних показників плаву азотного добрива. В ході проведення дослідів змінними параметрами були: напір модельної рідини перед отвором та його діаметр, склад модельної рідини і кут до горизонту під яким вона витікає з циліндричного резервуару. Параметром, який визначався, була швидкість витікання рідини. По результатам досліджень розраховані фактичні значення коефіцієнту стискання рідини, які приведені на графіках.





Рисунок 5.3 – Коефіцієнт стиску струменя рідини




Рисунок 5.4 – Теоретичні та дослідні значення критерію Рейнольдса


5.3 Радіус розкриття факела вібраційного гранулятора

Дослідження параметрів факелу розпорошення крапель, який створює корзина вібраційного гранулятора, при витіканні з неї рідини, необхідне для оптимізації місця розташування обладнання з метою запобігання налипанню продукту на несучі балки перекриття внутрішнього об’єму вежі, оптимізації процесу крапле утворення та зменшення викидів пилу в атмосферу.

Досліди проводилися на стенді, схема якого наведена нижче. Схема експериментального стенду приведена на рис. 5.5. Стенд складається з:

  • корпуса 1;

  • гранулятору 2;

  • ємності 3;

  • насоса для подачі модельної рідини 4;

  • вентиля 5;

  • приладу для вимірювання об’єму рідини, що подається 6.

До складу гранулятору 2 входить: перфорована оболонка, патрубок для подачі рідини; підшипниковий вузол; розподілювач рідини з лопатками; вібратор з датчиком та приладом контролю вібрації; мотор-редуктор з приладом керування частотою струму (для зміни швидкості обертання ротору). Вимірювач тиску рідини в перфорованій оболонці.

Стенд працює наступним чином.

Модельна рідина заливається в ємність 3. Включається насос 4 і, за допомогою вентиля 5, встановлюється фіксована подача модельної рідини. Кількість модельної рідини, яка подається, в гранулятор 2 фіксується приладом для вимірювання об’єму 6.

Потрапляючи до гранулятору, модельна рідина через фільтр-розподільник надходить до перфорованої оболонки, звідки через отвори виливається до внутрішньої порожнини корпуса 1, а звідти до ємності 3. Зміна швидкості обертання ротора з лопатками відбувається за допомогою приладу керування частотою струму «Альтівар» в лінії подачі електричного струму на мотор-редуктор. Вимірювання рівня рідини в перфорованій оболонці виконується за допомогою приладу «Метран».





Рисунок 5.5 – Схема дослідного стенду:

1 – корпус; 2 – гранулятор; 3 – ємність; 4 – насос для подачі модельної рідини; 5 – вентиль; 6 – прилад для вимірювання об’єму рідини, що подається.


В якості модельної рідини використовувалась вода. Підтримання постійного рівня рідини в корзині гранулятора досягалося завдяки фіксованій її подачі . В ході проведення дослідів змінними параметрами були рівень (напір) рідини в корзині гранулятора та швидкість її обертання. Параметром, який визначався, була траєкторія струменя рідини. Результати досліджень приведені на рис.5.6.





швидкість витікання рідини 1,47 м/сек., обертання корзини гранулятора відсутнє;



швидкість витікання рідини 2,15 м/сек., при швидкості обертання корзини гранулятора 60 об/хв.;



швидкість витікання рідини 2,73 м/сек., обертання корзини гранулятора відсутнє;



швидкість витікання рідини 2,15 м/сек., при швидкості обертання корзини гранулятора 60 об/хв.;


Рисунок 5.6 – Радіус розкриття факела вібраційного гранулятора


5.4 Випробування гранулятора в умовах виробництва

5.4.1 Залежність гранулометричного складу аміачної селітри від частоти вібрації

Отримання показників що до гранулометричного складу аміачної селітри проводились на агрегаті АС-60, який мав наступні характеристики:

Таблиця 5.1 – Технічні характеристики агрегату АС-60



п/п

Найменування параметра

Одиниці виміру

Значення

1

2

3

4

1

Робоча продуктивність башти

т/год.

30-45

2

Припустимі пульсації продуктивності плаву

%/сек.

±5

Продовження табл. 5.1

1

2

3

4

3

Розміри башти:







- діаметр

м

16

- висота польоту гранул

м

33

4

Максимальна температура повітря на вході у башті

°С

45

5

Витрата повітря через башту сумарний;

нм3/год.

416 610

6

Діаметр охолоджувача типу «киплячого шару»

м

5,5

7

Механізм вивантаження продукту з башти




транспортер

8

Характеристика плаву:







- температура

°С

140

- концентрація плаву

%

99, 5-99,7

- наявність твердих включень розміром більше 0,4мм

%

відсутні

9

Зміст добавки (згідно ГОСТ 2081-92):

%

0,1 -0,2

10

Система очищення повітря (тип)




«волога», з

примусовою тягою


Залежність гранулометричного складу аміачної селітри від частоти вібрації наведена на рис. 5.7.



Рисунок 5.7 – Гранулометричний склад продукту


5.4.2 Залежність гранулометричного складу карбаміду від частоти вібрації

Отримання показників що до гранулометричного складу карбаміду проводились на агрегаті АК-70, який мав наступні показники:

Склад плаву:




- вміст основної речовини, % мас., не менш

99,3

- вміст води, % мас., не більше

0,5

- вміст добавки, % мас., не більше:




- формальдегіду

0,2

- гумінових речовин

0,15

Властивості плаву:




- температура плаву карбаміду на вході, С

135-142

- температура кристалізації, С

129-132

- теплота кристалізації, кДж/кг

241,5

- в'язкість плаву, мПас

2,58

Параметри грануляційної башти:




- висота польоту гранул, м

70

- діаметр грануляційної башти, м

12

- діаметр охолоджувача «киплячого шару», м

8,4

- витрата повітря через башту, м3/година

300000

- витрата повітря через охолоджувача «киплячого шару», м3/год.

200000

- розрахункова літня температура зовнішнього повітря, С

21


Залежність гранулометричного складу карбаміду від частоти вібрації наведена на рис.5.8




Рисунок 5.8 – Гранулометричний склад продукту


5.4.3 Залежність міцності гранул аміачної селітри від діаметра гранул

При проведенні порівняльних випробувань грануляторів конструкції НДІ «ХИММАШ» («НИИК») та типу ВВГ було відмічене збільшення міцності гранул цільової фракції, які отримують на грануляторах типу ВВГ. Це можна пояснити більшою гомогенністю структури гранул, внаслідок зменшення в них газопарових включень.

Результати досліджень наведені на рис.5.9.







Сторінка1/2
Дата конвертації25.12.2012
Розмір0.88 Mb.
ТипДокументы
  1   2
Додайте кнопку на своєму сайті:
uad.exdat.com


База даних захищена авторським правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
звернутися до адміністрації
Документи