126334 (Сушіння глини у нерухомому шарі)

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

РИМАР Тетяна Іванівна

УДК 66.047.45

Сушіння глини у нерухомому шарі

05.17.08 – процеси й обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті „Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ханик Ярослав Миколайович

завідувач кафедри хімічної інженерії,

Національний університет „Львівська політехніка”,

м. Львів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Марценюк Олександр Степанович

професор кафедри „Процеси і апарати харчових виробництв та технології консервування”,

Національний університет харчових технологій, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент

Лабай Володимир Йосифович

доцент кафедри „Теплогазопостачання та вентиляції”,

Національний університет „Львівська політехніка”,

м. Львів.

Захист відбудеться „14” квітня 2008 р. о 12 ⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 при Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів – 13, пл. Св. Юра, 9, корпус 9, ауд. 214.

Із дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів – 13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий «11» березня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Атаманюк В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Стрімкий розвиток галузей промисловості будівельних матеріалів вимагає реконструкцію технічної бази, подальше впровадження енергозберігаючих технологічних процесів і виробів покращеної якості. Одним із енергоємних процесів у цій галузі є сушіння, що характеризується низьким коефіцієнтом використання теплової енергії.

Керамічні матеріали, одержані із глиняних мас, володіють високою довговічністю, простотою виготовлення, і тому займають одне з перших місць серед інших будівельних матеріалів. Їх піддають сушінню та випалюванню, на що витрачається величезна кількість енергії. Частка енергозатрат на сушіння перевищує 20 % від всіх затрат палива і електроенергії.

Забезпечення України первинними енергоносіями власного видобування не перевищує 37–39 %, які внаслідок застарілих технологій і значного фізичного зношування обладнання використовуються неефективно. Надзвичайно важливим є завдання комплексного й раціонального використання сировини, тобто впровадження безвідходних технологічних процесів, що має першочергове екологічне значення та забезпечує охорону навколишнього природного середовища. Обсяг промислових відходів з кожним роком зростає. Відомо, що тільки в атмосферу нашої планети щорічно викидається майже 1 млрд. т різних речовин. В зв'язку з проблемами забезпечення країни енергоносіями та економного їх використання, розроблення енергозберігаючих технологій є вкрай необхідним практично для всіх галузей промисловості.

Тому питання інтенсифікації процесу з метою впровадження енергозберігаючих технологічних процесів, зниження затрат на сушіння, а також створення компактних високопродуктивних агрегатів для зневоднення різноманітних матеріалів, є актуальною науково-технічною задачею і потребує свого вирішення. Вирішенню цих завдань присвячена дисертаційна робота, тема якої з урахуванням переліченого є актуальною і доцільною для галузей промисловості будівельних матеріалів.

Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри хімічної інженерії Національного університету „Львівська політехніка” з проблем „Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0194U029586).

Мета і задачі дослідження. Вивчення закономірностей сушіння дисперсних колоїдних капілярно-пористих матеріалів, на прикладі глини, та шляхів його інтенсифікації, а саме: зменшення питомих енергетичних затрат на процес, підвищення якості одержаного матеріалу та зменшення антропогенного впливу на довкілля.

Для цього необхідно виконати такі задачі:

1. Вивчити гідродинаміку під час руху теплоносія крізь сухий та вологий шари кускової полідисперсної глини та глини, сформованої у вигляді частинок циліндричної форми.

2. Вивчити кінетику сушіння матеріалу (глини) у нерухомому шарі у вигляді полідисперсних кусків та частин циліндричної форми.

3. Обґрунтувати механізм сушіння глини у нерухомому шарі.

4. Узагальнити та порівняти одержані результати досліджень кінетики сушіння у нерухомому шарі.

5. Вивчити кінетику конвективного сушіння кускової полідисперсної глини та узагальнити результати досліджень.

6. Спроектувати обладнання для сушіння глини у нерухомому шарі та розробити методику розрахунку його геометричних параметрів.

Об‘єкт дослідження – гідродинаміка та тепломасообмін під час сушіння кускової полідисперсної глини та глини, сформованої у вигляді частинок циліндричної форми у нерухомому шарі.

Предмет дослідження – вплив параметрів процесу на гідродинамічні та кінетичні показники сушіння у нерухомому шарі.

Методи дослідження – для досліджень гідродинаміки сухого та вологого шарів дисперсних матеріалів використовували гідродинамічний аналіз. Дослідження кінетики сушіння та визначення біжучої вологості матеріалу здійснювали ваговим методом. Теоретичні розрахунки та обробку експериментальних даних виконували за допомогою комп‘ютерних програм Excel, Graf4Win, Corel Draw.

Наукова новизна.

- Узагальнено гідродинаміку шару сухого дисперсного матеріалу циліндричної форми та одержано залежність для визначення гідравлічного опору.

• Встановлено, що швидкість руху теплоносія для досліджуваних структурних модифікацій шару під час його сушіння змінюється незначно в часі і приблизно дорівнює швидкості руху за умов сухого матеріалу внаслідок явища сідання матеріалу.

• Теоретично обґрунтовано кінетичні залежності сушіння у нерухомому шарі кускової полідисперсної глини та частин правильної форми.

• Уточнено розрахункові залежності, що прогнозують кінетику сушіння глини у нерухомому шарі в умовах першого та другого періодів та отримано кінетичні коефіцієнти для рівнянь, що дозволяють прогнозувати кінетику сушіння у нерухомому шарі у першому періоді та розрахувати зміну вологості матеріалу до досягнення критичної вологості.

• Одержано критеріальні рівняння, за якими можна розрахувати коефіцієнти масовіддачі для сушіння глини у нерухомому шарі.

• Встановлено коефіцієнти сушіння, відносні коефіцієнти сушіння, що дають змогу прогнозувати процес сушіння глини у нерухомому шарі у другому періоді.

• Виконано порівняльний аналіз кінетики процесу та енергетичних затрат досліджених методів зневоднення з існуючими методами і встановлено суттєву перевагу сушіння у нерухомому шарі як за питомими енергозатратами так і екобезпечністю.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано спосіб сушіння дисперсних матеріалів у нерухомому шарі, на який одержано деклараційний патент України на корисну модель (Патент України № 20931 u). Отримано математичні залежності, що дають змогу прогнозувати та розрахувати процес сушіння та визначити його оптимальні умови. На основі результатів досліджень розроблено конструкцію установку безперервної дії для сушіння у нерухомому шарі, яку передано на ЗАТ „Львівський керамічний завод” м. Львів для впровадження у виробництво.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні досліджень гідродинаміки та кінетики сушіння дисперсних матеріалів у нерухомому шарі як в експериментальному, так і в аналітичному плані, а саме: аналіз джерел літератури, підбір та апробація методик дослідження, виконання експериментальних досліджень, математична обробка отриманих результатів з гідродинаміки та кінетики процесу, оформлення статей та заявки на одержання деклараційного патенту на корисну модель, доповіді на наукових конференціях. Постановка завдання та формулювання висновків виконувались під керівництвом наукового керівника д.т.н., професора Ханика Я.М.

Апробація основних результатів дослідження дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: VI міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП „Промислова гідравліка та пневматика” (Львів – 2005); конференції „Совершенствование процессов и оборудования пищевых и химических производств” (Одеса – 2006); Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми екологічної безпеки” (Кременчук – 2006); конференції "Підвищення енергетичної ефективності харчових та хімічних виробництв" (Одеса – 2007); IV науково-практичній конференції „Поступ в нафтопереробній та нафтохімічній промисловості” (Львів – 2007).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 11 друкованих працях, 9 з них – у фахових виданнях, тез доповідей – 1 та деклараційний патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків по роботі, списку джерел літератури, додатків. Матеріали роботи викладено на 146 сторінках тексту, містять: рисунків – 73, таблиць – 4, список літератури містить 125 джерел. Додатки складають 17 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність зневоднення колоїдних капілярно-пористих матеріалів, на прикладі глини, та доцільність застосування сушіння в нерухомому шарі, викладено мету роботи і задачі досліджень, наукову новизну та практичну цінність дисертаційної роботи, наведено інформацію про апробацію отриманих результатів роботи, публікації, структуру та обсяг роботи, основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі „Огляд літературних джерел” виконано критичний аналіз існуючих методів сушіння дисперсних матеріалів, закономірності протікання конвективного, радіаційного зневоднення колоїдних капілярно-пористих матеріалів (глини). Проаналізовано механізм та особливості перебігу сушіння в умовах фільтрації теплоносія листових матеріалів, виробів складної форми, дисперсних матеріалів, наведено його переваги та недоліки. Обґрунтовано вибір способу сушіння в умовах фільтрації теплоносія крізь шар висушуваного матеріалу. На основі такого аналізу визначено мету та задачі досліджень.

Другий розділ „Характеристика об‘єкта дослідження та методики проведення експериментів” обґрунтовано вибір досліджуваного матеріалу (дисперсної глини), наведено його характеристику та дисперсний склад. Представлено схеми та опис експериментальних установок з сушіння у нерухомому шарі, конвективним та радіаційним методами. Розроблено методики проведення експериментальних досліджень сушіння у нерухомому шарі: гідродинаміки під час руху теплоносія крізь шар сухого та вологого матеріалу, кінетики сушіння за різних параметрів процесу (температури, швидкості руху теплоносія крізь шар та висоти шару досліджуваного матеріалу). Представлено методики дослідження кінетики конвективним та радіаційним способами.

У третьому розділі „Гідродинаміка процесу сушіння глини” наведено результати досліджень гідродинаміки під час руху теплоносія крізь шар сухої кускової полідисперсної глини та монодисперсні шари глини, сформованої у вигляді частин циліндричної форми різних діаметрів. Встановлено, що ці залежності мають параболічний характер (рис. 1, 2).

Під час дослідження встановлено вплив діаметра циліндричної частинки глини на гідравлічний опір шару. Із збільшенням d частинки гідравлічний опір шару зменшується: для шару матеріалу Н = 0,13 м та фіктивної швидкості руху теплоносія м/с гідравлічний опір шару з частинами розміром (d h = 0,006 0,01 м) становить ДС = 980 Па, а для частин (d h = 0,012 0,015 м) – ДС = 620 Па, тобто змінюється у 1,6 раза (рис. 2). Причиною цього є те, що із збільшенням діаметра частин, еквівалентний діаметр шару збільшується, внаслідок чого і спостерігається зменшення гідравлічного опору.