Совершенствование процессов получения гранулированного материала с использованием распылов битума в новом способе производства асфальтобетонных смесей

Большинство процессов химической технологии реализуется в гетерогенных системах, в частности^ в двухфазных системах жидкость — газ.

В настоящее время в различных отраслях химической промышленности, медицине, электронной промышленности все большее распространение получают производственные технологии с использованием диспергированных вязких жидкостей. В области химической технологии диспергирование вязкой жидкости относится к сфере гидромеханических процессов [1].

Лимитирующей величиной практически во всех процессов, связанных с тепломассопередачей, процессов сушки, адсорбции и ряда других является поверхность раздела фаз [1]. При диспергировании жидкостей с требуемыми размерами капель образуется большая поверхность контакта фаз, что является важным требованием в задачах химико-технологических процессов.

Основными проблемами, связанными с диспергированием вязких жидкостей, являются трудность регулирования дисперсности распыливаемой жидкости, так как вязкость оказывает основное влияние на распад струи, внутренние силы трения затормаживают переток жидкости из сужения в расширение, что приводит к удлинению струи, продолжительность образования капель возрастает. Разрушение струи — это динамический процесс, при котором жидкость теряет сплошность (дробится, распадается, разбрызгивается, диспергируется) под действием механических сил на отдельные капли (брызги, жидкие частицы, мелкодисперсную фазу), либо в объеме возникают внутренние каверны (пузыри, полости, пустоты). Вязкие жидкости, как правило, относятся к сложным жидкостям, которые в условиях некоторых видов течения демонстрируют гидродинамическое поведение, необъяснимое в рамках ньютоновской модели жидкости. В связи .с этим все описания разрушения струй или капель вязких жидкостей основываются на экспериментальных методах исследования реологических свойств и поверхностных особенностей жидкости в экстремальных условиях, например, при высоких температурах.

Часто возникает трудность в распылении вязкой жидкости без использования дополнительного распыляющего агента, что осложняет процесс.

Следует отметить, что в химической, фармацевтической промышленности, строительной индустрии методы диспергирования вязких жидкостей находят широкое применение при получении гранулированного продукта. Это связано с тем, что с каждым годом происходит ужесточение требований к качеству продукта и приходится изыскивать приемы совершенствования известных процессов гранулирования и разрабатывать новые, более эффективные, способы. Новые способы гранулирования должны обеспечивать получение готового продукта с повышенными качественными показателями (гранулометрический состав, прочность гранул, слеживаемость, рассыпчатость, пылимость и т. п.).

В настоящее время практически отсутствуют конструкции устройств, обеспечивающих высокое качество распыливания вязких жидкостей, растворов с последующим гранулированием. Наиболее целесообразными для этих целей являются аппараты с использованием устройств, в которых зоны распыливания, смешивания и уплотнения связаны транспортной системой. В частности, это в полной мере относится к новому способу получения асфальтобетонной смеси, согласно которому предварительно распыливают битум в слой минерального порошка для осуществления процесса смешивания, гранулируют полученную смесь уплотнением в перфорированных ячеечных устройствах и смешивают с нагретой крупнодисперсной частью асфальтобетонной смеси в определенном соотношении.

Однако, ввиду малой изученности процессов образования дисперсных потоков, отсутствия универсальной физической модели смешивания твердеющих частиц с мелкодисперсными порошками, а также процессов последующей деаэрации, необходимы теоретические и экспериментальные исследования этих процессов. Это позволит сформулировать рекомендации по конструированию аппаратов такого типа и созданию методов их расчета.

Цели работы. Математическое описание процессов диспергирования высокотемпературного битума, смешивания его капель с минеральным порошком, механического уплотнения смеси в валково-ленточном аппарате для получения гранулированного материала с заданными свойствами, проведение цикла опытных исследований и на основе полученных данных — разработка методики расчета производительности устройства для получения гранул.

Научная новизна работы.

Представлено математическое описание механизма распыливания вязкой жидкости — битума — при высокой температуре согласно стохастическому подходу с учетом расширения факела распыла и физико-механических характеристик материала.

Впервые с использованием компьютерного метода, основанного на обработке цветных фотографий, получены основные дисперсные характеристики распыленных потоков вязкой жидкости: средние значения диаметров капель битума и данные о распределениях их числа по различным признакам.

Представлено математическое описание и предложен рациональный способ организации процесса смешивания твердеющих капель битума с порошком.

Теоретическими и опытными исследованиями определены основные параметры уплотнения и гранулирования смеси в валково-ленточном аппарате, что позволило создать методику расчета производительности аппарата для получения комплексных гранул из частиц битума и минерального порошка.

Совместно с ОАО «Асфальтобетонный завод № 4 «Капотня», г. Москва проведены испытания гранулированного материала с получением образцов асфальтобетона. По результатам исследований получен патент РФ на способ производства асфальтобетонной смеси.

Разработан ряд новых устройств для диспергирования вязких жидкостей с последующим смешиванием с сыпучим материалом-порошком.

На защиту выносятся следующие положения:

— математическое описание механизма распыливания вязкой жидкости с учетом расширения факела распыла, физико-механических характеристик рабочего материала, конструктивных и режимных параметров работы форсунки;

— новый метод определения дисперсных характеристик с помощью компьютерной обработки фотографий;

— математическое описание процесса смешивания твердеющих капель битума с порошком и выбор рациональной схемы взаимодействия компонентов;

— основные результаты опытных и теоретических исследований процесса уплотнения смеси в валково-ленточном аппарате со сферической матрицей;

— новый способ получения асфальтобетонной смеси на основе гранулированного битума, в разработке которого автор принимал непосредственное участие.

Практическая ценность работы.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложен новый способ получения асфальтобетонной смеси с использованием распыленного битума, последующего его смешивания с г порошкообразным компонентом и гранулированием смеси. Полученные на его основе образцы асфальтобетона превышают показатели стандарта по прочности и водостойкости. Выполнен технический проект опытно-промышленного аппарата, соответствующий описанию нового способа.

Предложена методика расчета производительности валково-ленточного аппарата для задач химической и других отраслей промышленности.

Разработаны новые подходы к описанию процессов диспергирования вязких жидкостей и смешивания их капель с мелкодисперсными порошками.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа полученных результатов, в соответствии с которыми теоретические и опытные данные имеют удовлетворительное совпадение.

Личный вклад автора. Диссертантом разработаны математические модели, выполнен весь объем экспериментальных исследований, проведены необходимые расчеты, обработаны и проанализированы результаты, сформулированы выводы по каждому разделу работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XXIII и XXIV научных конференциях стран СНГ «Дисперсные системы» в Украине (г. Одесса, 2008, 2010 гг.) — на XXI, XXII, XXIII международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008, 2010 гг.- Псков, 2009 г.) — на международной научной конференции МГОУ «Химия и экология. Развитие науки и образования» (Москва, 2010 г.) — на IX международной научной конференции ИГХТУ «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» (Иваново, 2010 г.) — на 59−62 региональных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и магистрантов высших учебных заведений с международным участием «Молодежь. Наука. Инновации» (Ярославль, 2006;2010 гг.).

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях, а также на ОАО «Асфальтобетонный завод № 4 «Капотня», г. Москва. Математическое моделирование осуществлялось с помощью уравнений механики, гидромеханики, вероятностных и статистических методов. Проведение расчетов, обработка результатов эксперимента, численные и аналитические решения уравнений выполнено с помощью программных продуктов.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 статьи в реферируемых отечественных периодических изданиях, рекомендуемых ВАК, 4 патента на изобретение и 8 тезисов доклада.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы — 164 с. основного текста, включая рисунки и таблицы, с приложениями и списком литературы из 82 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана усовершенствованная технология получения гранулированного материала, предусматривающая диспергирование жидкого битума до размеров капель 50−1800″ мкм, смешивание его с минеральным порошком в соотношении наполнительгбитум от 1:4 до 1:5 и механическое уплотнение полученной смеси в валково-ленточном аппарате со сферической матрицей с целью получения заданных размеров гранул.

2. На основе стохастического подхода создана математическая модель процесса образования разреженного потока частиц распыленного жидкого битума. Получен явный вид дифференциальных функций распределения числа частиц по их углам рассеивания и диаметрам. Выявлено, что основное влияние на средние характеристики распыла оказывают как параметры системы (сопловой зазор форсунки, давление воздуха, расход битума), так и физико-механические характеристики распыляемого материала.

3. Впервые для определения дисперсных характеристик распылов битума применен* компьютерный метод обработки цветных фотографий с использованием программы Ит^е.!, с помощью которого были подтверждены полученные теоретические зависимости. Показано, что соотношение средних диаметров капель битума с1ю /?/20 = 0,75- с/10 /?/30 = 0,64- ?/10 / ё2г = 0,44 сохраняется для всех проведенных опытов.

4. Теоретические исследования на основе системного подхода к моделированию процессов смешивания позволили выбрать рациональный вариант подачи порошка в зону смешивания — с помощью эластичных пересекающихся бил. Получены зависимости коэффициента вариации концентрации от конструктивных и режимных параметров процесса. Опытными исследованиями выявлен коэффициент слеживаемости комплексных частиц битума с минеральным порошком. Показано, что размеры слипшихся комков материала ие препятствуют его дальнейшему использованию.

5. Разработан валково-ленточный уплотнитель со сферической матрицей и предложена методика расчетапроизводительности аппаратадля получения гранулированного материала в зависимости, от режимных параметров и требуемой степени уплотнения.

6. Наоснове модели деаэрации тонкодисперсныхматериалов получена зависимость функции порозности от декартовых координат, временного параметра, физико-механических характеристик уплотняемой смеси и показано, что на степень уплотнения: смеси оказывают существенное влияние, размеры валка и скорость движения ленты;

7. Совместно с ОАО-«Асфальтобетонный завод № 4 «Капогня», г. Москва проведены испытания образцов асфальтобетона на основе гранулированного битума. Экспериментально подтверждено, что применение в составе асфальтобетонных смесей гранулированного битума приводит к повышению прочности, — плотностии водостойкости асфальтобетона. По результатам исследований получен патент РФ на новыйспособ производства асфальтобетонной смеси, на базе которого разработан технический проект опытно-промышленного аппарата.

81 Предложен ряд новых аппаратовзащищенных патентами РФ, в которых реализован процесс распыливания битума при высокой температуре с последующим смешиванием его твердеющих частиц с мелкодисперсным порошком.