Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ДОЗИРОВАНИЕ И СМЕШИВАНИЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ: КРАТКИЙ ОБЗОР РОССИЙСКИХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Осипов А.А. 1 Першина С.В. 1
1 ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет
ДОЗИРОВАНИЕ И СМЕШИВАНИЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ: КРАТКИЙ ОБЗОР РОССИЙСКИХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Осипов А.А., Першина С.В. Проведен анализ научных исследований процессов дозирования и смешивания, проведенных в России за последние 40 лет. Поскольку интенсивность и эффективность данных процессов зависит от углов и коэффициентов трения, а также от характера движения сыпучего материала, в обзоре рассмотрены также методы определения указанных характеристик. Рассмотрены устройства для экспериментального определения углов и коэффициентов трения сыпучих материалов. Даны основы энергетического принципа описания движения сыпучего материала в потенциальных силовых полях. Проведен анализ способов смешивания сыпучих материалов. Особое внимание уделено явлению сегрегации частиц и обсуждаются пути использовании данного явления для интенсификации процесса смешивания. Обсуждается идея упорядоченного смешивания. Основное внимание уделено точности дозирования. Отмечено, что основной недостаток систем непрерывного дозирования – динамические воздействия на весовой датчик. Рассмотрена технология двухстадийного дозирования и ее принципиальное отличие от традиционных способов. При анализе перспектив использования данной технологии отмечается: существенное повышение точности, простота и надежность аппаратурного оформления. Обсуждаются преимущества двухстадийного дозирования при реализации процессов смешивания.
сыпучий материал
коэффициенты трения
энергетический принцип
смешивание
дозирование
точность дозирования
1. Баранцева, Е.А. Процессы смешивания сыпучих материалов: моделирование, оптимизация, расчет / Е.А. Баранцева, В.Е. Мизонов, Ю.В. Хохлова// ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». Иваново. – 2008. – 116 с.
2. Борщев В.Я. Основы безопасной эксплуатации технологического оборудования химических производствБорщев В.Я., Кормильцин Г.С., Промтов М.А., Тимонин А.С. Учебное пособие. – Тамбов: Издательство ТГТУ, 2011. – 188 с.
3. Генералов М.Б. Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ — М.: Академкнига, 2004. — 397 c.
4. Генералов, М. Б. Механика твердых дисперсных сред в процессах : учеб. пособие для вузов. Калуга : Изд-во Н. Бочкаревой, 2002. - 592 с.
5. Демин О. В. Приготовление смеси сыпучих материалов в двухвальных лопастных смесителях/О.В.Демин, Д.О.Смолин, В.Ф.Першин// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. №4. С.6-8.
6. Демин О.В. Интенсификация смешивания сыпучих материалов в лопастном смесителе/ О.В.Демин, Д.О.Смолин, В.Ф.Першин // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2012. Т.55. №8. С. 108-111.
7. Дёмин О.В. Оперативное управление процессом смешивания / О.В. Дёмин, О.Д. Смолин, В.Ф. Першин // Вопросы современной науки и практики. Ун-т им. В.И. Вернадского. – 2012. - №4. – С. 356-366.
8. Демин О.В., Першин В.Ф., Свиридов М.М. Управление технологическим процессом в одновальном лопастном смесителе// Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2009. - № 7. – С. 16-17.
9. Ди Дженнаро А.И., Першина С.В., Першин В.Ф. Определение коэффициента внутреннего трения сыпучих материалов при различных значениях плотности // Вопросы современной науки и практики. Ун-т им. В.И. Вернадского. – 2011. - №3. – С. 366-368.
10. Классен, П.В., Грищаев И.Г. Основы техники гранулирования / М. : Химия, 1982. – 272 с.
11. Машиностроение : энциклопедия. Т. IV–12 : Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. / М.Б. Генералов [и др.] ; под общ. ред. М.Б. Генералова. – М. : Машиностроение. – 2004. – 832 с.
12. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих матери¬алов. М., 1973. 215 с.
13. Минаев, Г.А., Першин В.Ф. Моделирование процесса гранулирования методом окаты-вания//Теорет. основы хим. технологии.–1989.– Т. 24, № 1. – С. 91–97.
14. Першина С.В. Весовое дозирование зернистых материалов: монография / С.В.Першина, А.В.Каталымов, В.Г.Однолько, В.Ф.Першин. - М.: Машиностроение, 2009.-260с.
15. Першина С.В. К вопросу промышленного использования углеродных наноматериалов / С.В. Першина, В.Ф. Першин, А.Г. Ткачев, А.И. Шершукова А.И.// Приборы. Издатель: СОО «Международное НТО приборостроителей и метрологов». 2007. № 10. – С. 57-60.
16. Першин В. Ф. Моделирование процесса смешения сыпучего материала в поперечном сечении вращающегося барабана // Теорет. основы хим. технол. 1986.-Т. 20, №4. С. 508-513.
17. Першин, В.Ф. Модель процесса смешивания сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана // Теорет. основы хим. технологии. – 1989. – Т. XXIII, № 3.– С. 370–377.
18. Першин, В.Ф. Моделирование процесса классификации в барабанном грохоте // Теорет. основы хим. технологии.–1989.–Т. XXIII, № 4. – С. 499–505.
19. Першин, В.Ф. Энергетический метод описания движения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося цилиндра // Теорет. основы хим. технологии. – 1988. – Т. XXII, № 2. – С. 255–260.
20. Першин, В.Ф., Минаев Г.А. Использование энергетического подхода при определении режимов движения сыпучего материала во вращающемся барабане // Теорет. основы хим. технологии. – 1989. – Т. XXIII, № 5. – С. 659–662.
21. Першин, В.Ф. Моделирование процесса смешения сыпучего материала в поперечном сечении вращающегося барабана // Теорет. основы хим. технологии. – 1986. – Т. ХХ, № 4. – С. 508–513.
22. Першин, В.Ф. Модель процесса смешивания сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана // Теорет. основы хим. технологии. – 1989. – Т. XXIII, № 3.– С. 370–377.
23. Першин, В.Ф. Моделирование процесса классификации в барабанном грохоте // Теорет. основы хим. технологии.–1989.–Т. XXIII, № 4. – С. 499–505.
24. Першин В.Ф. Переработка сыпучих материалов в машинах барабанного типа / В.Ф.Першин., С.В.Першина, В.Г.Однолько. - М.: Машиностроение, 2009.-220с.
25. Першин В.Ф., Селиванов Ю.Т. Моделирование процесса смешивания сыпучих материалов в циркуляционных смесителях непрерывного действия // Теорет. основы хим. технологии. – 1989. – Т. XXIII, № 3.– С. 370–377.
26. Пестов, И. Е. Физико-механические свойства зернистых и порошкообразных химических продуктов / И.Е. Пестов. – М. : Изд-во АН СССР, 1947. – 33 с.
27. Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование. В 5 т. Т. 2. Механические и гидромеханические процессы / Д.А.Баранов [и др.]; под ред. А.М.Кутепова.–М. : Логос, 2001. – 600 с.
28. Рухов, А. В., Аладинский А.А. Разработка испарителя жидких и сжиженных углеродсодержащих веществ для технологической схемы производства углеродных волокнистых наноматериалов // Интернет-журнал «Науковедение». – 2013. – № 4 (17) [Электронный ресурс]. – URL : http://naukovedenie.ru/PDF/86tvn413.pdf, свободный – Загл. с экрана.
29. Свиридов М.М., Першин В.Ф. Конструкции смесителей сыпучих материалов, обеспечивающих стабильный уровень качество смеси // Химическое и нефтегазовое машиностроение, № 8, 1999. - С.13-15.
30. Свиридов М.М., Першин В.Ф. Упорядоченный способ приготовления смеси // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. Иваново. 2008. – Том 51, № 6. – С 66-69.
31. Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф. Некоторые аспекты практического использования циркуляционных смесителей сыпучих материалов // Химическая промышленность сегодня. 2011. № 2. С. 51-56.
32. Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф. Исследование влияния осевого движения на процесс не-прерывного смешивания сыпучего материала во вращающемся барабане //Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология, 2003. Т.46. № 7. С. 42-45.
33. Селиванов Ю.Т. Расчет и проектирование циркуляционных смесителей сыпучих материалов без внутренних перемешивающих устройств. – монография/ Ю.Т. Селиванов, В.Ф. Першин М.: Машиностроение-1, 2004. 119 с.
34. Селиванов Ю.Т., Дурнев А.С., Поляков Б.Е. Повышение эффективности работы циркуляционных смесителей за счет упорядоченной загрузки компонентов // Вестник ТГТУ. 2012. Т. 18. № 2. С. 396-404.
35. Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф., Дурнев А.С. Расчет регламента загрузки компонентов в циркуляционные смесители // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2011. №1. С.16-19.
36. Ткачев А.Г., Маслов С.В., Першин В.Ф. Механическая классификация катализаторов для производства углеродных наноматериалов /А.Г. Ткачев, // Вестник ТГТУ, 2007, Т.13. № 3. - С. 741-746.
37. А.с. 1226000 СССР, МКИ3 G 01В 3/56. Устройство для определения углов естественного откоса сыпучих материалов / В.Ф. Першин, Е.А. Мандрыка, А.Н. Цетович (СССР). – № 3776750/25–28 ; заявл. 30.07.84 ; опубл. 23.04.86, Бюл. № 15.
38. А.с. 1472757 СССР МКИ3 G 01 B 11/26. Способ определения угла естественного откоса сыпучего материала / Н.М. Казанский, А.Д. Ишков, В.Ф. Першин, А.Н. Цетович, Е.А. Мандрыка (СССР). – № 4106564/25–28 ; заявл. 22.05.86 ; опубл. 15.04.89, Бюл. № 14.
39. А.с. 1083069 СССР МКИ G 01В 5/24. Устройство для определения углов естественного откоса и обрушения сыпучих материалов / М.П. Макевнин, В.Л. Негров, В.Ф. Першин, М.М. Свиридов (СССР). – № 3531902/25–28 ; заявл. 31.12.82 ; опубл. 30.03.84, Бюл. № 12.
40. А.с. 1478101 СССР МКИ G 01 N 19/02. Способ определения коэффициента трения движения сыпучего материала / В.Ф. Першин, Г.А. Минаев (СССР). – № 4191624/25–28 ; заявл. 06.02.87 ; опубл. 07.05.89, Бюл. № 17.
41. А.с. 1430819 СССР МКИ G 01 N 3/56. Способ определения угла трения покоя сыпучих материалов / В.Ф. Першин, Г.А. Минаев, В.Л. Негров (СССР). – № 4190913/25–28 ; заявл. 04.02.87 ; опубл. 15.10.88, Бюл. № 38.
42. Патент 95843 РФ, U1, МПК G01F 1/00. Информационно-измерительная система для определения коэффициента внешнего трения сыпучего материала / С.В.Першина, А.И. Ди Дженнаро., С.В. Мищенко, С.А. Егоров, В.Ф.Першин. 2010. Бюл. №19.
43. Патент 2478420 РФ, С2, Способ непрерывного приготовления многокомпонентных смесей и устройство для его реализации . МПК В01F 3/18, Першин В.Ф., Селиванов Ю.Т., Дурнев А.С.. 2013. Бюл. № 10.
44. А.с. 1326323 СССР, МКИ В01 F 9/02. Способ приготов¬ления смеси сыпучих материалов/В.Ф. Першин (СССР).- № 3834337/31-26; Заявлено 02.01.85; Опубл. 30.07.87, Бюл. № 28.
45. А.с. 1297895 СССР МКИ В01 F3/18. Способ приготовления многокомпонентных смесей сыпучих материалов / В. Ф. Першин (СССР) - № 3861237/31-26; Заявлено 02.01.85; Опубл. 23.03.87, Бюл. №11.
46. Пат. 2138783 Российская федерация, С1, МКИ G 01 F 11/00. Способ непрерывного дозирования сыпучих материалов / В.Ф. Першин, С.В. Барышникова; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. Техн. ун-т.- № 98110906/28; заявл. 02.06.98; опубл. 27.09.99, Бюл. № 27.
47. Пат. 2251083 Российская федерация, С2, МКИ G 01 F 11/00 Способ непрерывного дозирования сыпучих материалов устройство для его осуществления / В.Ф.Першин, С.В.Барышникова, Д.К.Каляпин, А.А.Осипов; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. Техн. ун-т.-№ 2003109774/28; заявл. 07.04.03; опубл. 27.04.05, Бюл. № 12.
48. Патент 102110 РФ, U1, МПК G01F 11/00. Устройство для непрерывного весового дозирования сыпучих материалов // С.В. Першина, А.И. Ди Дженнаро, А.С. Егоров, А.А. Осипов, В.Г. Однолько, В.Ф. Першин. 2011. Бюл. №4.
49. Патент 113353 РФ, U1, МПК G01F 11/00. Устройство для непрерывного двухстадийного дозирования углеродных наноматериалов // С.В. Першина, А.И. Ди Дженнаро, В.Г. Однолько В.Г., А.А. Осипов, В.Ф. Першин, П.М. Явник. 2012. Бюл. № 4.
50. Патент 131477 РФ, U1, МПК G01F 11/00, Устройство для двух-стадийного непрерывного дозирования сыпучих материалов // С.В. Першина С.В., С.А. Егоров С.А., В.Г. Однолько В.Г., В.Ф. Першин, П.М. Явник . 2013. Бюл. №24.

Сыпучие материалы используются практически во всех отраслях промышленности и в сельском хозяйстве [3, 4, 11, 27, 28]. Процесс смешивания является одной из ключевых операций многих технологических процессов. Смешивание всегда сопровождается процессом дозирования компонентов, поэтому эти два процесса целесообразно рассматривать вместе. Интенсивность процесса смешивания и качество готовой смеси существенно зависят от физико-механических свойств компонентов и характера их движения в рабочем объеме смесителя. Таким образом, при анализе научных исследований процессов дозирования и смешивания необходимо также рассматривать исследования физико-механических свойств сыпучих материалов и их движение в рабочем объеме смесителя.

Физико-механические характеристики сыпучих материалов

Обычно выделяют четыре группы свойств: механические, физические, химические, технологические. Углы и коэффициенты трения, которые оказывают наиболее сильное влияние на движение сыпучего материала можно отнести, как к физико-механическим, так и к технологическим характеристикам. В настоящее время на практике наиболее часто используют следующие углы и коэффициенты трения: угол естественного откоса; угол обрушения; угол трения движения; угол трения покоя; статический коэффициент внешнего трения; кинематический коэффициент внешнего трения; коэффициент внутреннего трения.

Углом естественного откоса называется угол между горизонтальной поверхностью и образующей конуса насыпанного на нее сыпучего материала. Углом обрушения называется угол, образующийся при обрушении слоя в результате удаления подпорной стенки. Широкое использование этих характеристик в технике для определения наклона стенок при конструировании бункеров, контейнеров, воронок, течек, желобов, хранилищ [28] объясняется простотой и наглядностью их измерения. Основной недостаток большинства приборов заключается в том, что формирование углов естественного откоса и обрушения происходит на жестком гладком основании, а не слое частиц. Кроме этого сложно обеспечить постоянную скорость движения частиц при формировании конуса из сыпучего материала. Указанные недостатки устранены специально разработанных способах и устройствах [37, 38].

Достаточно часто для расчетов параметров движения сыпучего материала используют углы и коэффициенты трения покоя и движения [24]. Эти углы определяют на устройстве [39], которое состоит из барабана, на прозрачной торцовой стенке которого установлен подвижный флажок, а на основании - угловая шкала. Барабан приводится во вращение приводом. Внутри барабана установлена лопасть, ссыпающий край которой совпадает с осью вращения барабана. Анализируемый материал засыпают в барабан и включают привод вращения. После того, как барабан совершает 2-3 оборота, привод вращения выключают в тот момент, когда начинается ссыпание материала с лопасти. По окончанию ссыпания материала с лопасти по шкале определяют угол наклона открытой поверхности материала к горизонту - угол трения движения a д. Далее, перемещают флажок в точку пересечения линии открытой поверхности с обечайкой барабана и повторно включают привод барабана. Привод выключают в тот момент, когда начинается ссыпание материала с лопасти. По положению флажка определяют угол наклона открытой поверхности материала к горизонту, при котором началось ссыпание материала - это угол трения покоя a п. Эти углы можно определять и во вращающихся непрерывно лабораторных установках [40, 41]. Коэффициенты трения движения и покоя используются: при описании движения во вращающихся барабанах как круглого [19], так и произвольного поперечного сечения [20]; при моделировании процессов смешивания [21, 22], гранулирования [14], классификации [23], дозирования [14].

Для определения внутреннего трения зернистого материала используют прибор Дженике [9], который состоит из трех кольцевых секций, установленных одна на другую. Материал засыпают в секции и выравнивают по краю верхней секции. Далее на материал через прижимную плиту передают усилие для его уплотнения, равное последующей нагрузке затем 10-15 раз поворачивают прижимную плиту вокруг вертикальной оси на угол 30-45 градусов, добиваясь однородного уплотнения материала в секциях. После этого верхнюю секцию сдвигают вместе с материалом. Далее на материал укладывают опорную плиту, на которую устанавливают гирю с определенным весом. В результате действия вертикальной нагрузки Р, в зернистом материале возникают определенные нормальные напряжения. Посредством винтового привода на верхнюю секцию передают сдвигающее усилие, величина которого фиксируют динамометром. В результате действия горизонтальной нагрузки G, в зернистом материале возникали касательные напряжения. Величину усилия G увеличивают до тех пор, пока верхняя секция сдвинется относительно нижней. Коэффициент внутреннего трения рассчитывают исходя из соотношений горизонтальной и вертикальной нагрузок.

Для определения кинематического коэффициента внешнего трения разработана информационно-измерительная система [42], в которой секция устанавливается на тележку и соединяется через пружину и датчик силы с неподвижной опорой. Тележка соединена с лебедкой, которая обеспечивает скольжение сыпучего материала относительно тележки с постоянной скоростью, что является необходимым условием при определении кинематического коэффициента трения.

Движение сыпучего материала

В настоящее время при описании движения сыпучего материала во вращающемся барабане используется либо "одночастичный" подход, при котором рассматривается равновесие отдельной частицы, либо метод "вязких течении" [24], согласно которому движение сыпучего материала рассматривается как течение вязкопластичной среды. Первый подход дает хорошие результаты только при описании свободного движения, а основной недостаток второго подхода - необходимость определения эмпирических коэффициентов на лабораторных установках. Для устранения этих недостатков была выдвинута гипотеза [19] о том, что система, состоящая из большого числа контактирующих друг с другом частиц, находящихся в поле потенциальных сил, стремится, а при установившемся режиме движения достигает такого состояния, при котором ее потенциальная энергия минимальна. Экспериментально данная гипотеза была проверена, как для вращающихся смесителей, так и для вибрирующих.

Смешивание сыпучих компонентов

Первая, научно обоснованная монография по смесителям была написана профессором Макаровым Ю.И. [12], которая фактически положила начало использованию математического аппарата случайных марковских процессов при моделировании процессов смешивания. Данный подход успешно развивается и используется, как для периодических [16, 17], так и непрерывных [24, 25, 32, 43] процессов смешивания. Математические модели, построенные на основе марковских цепей легко реализуются на ЭВМ, что позволяет организовывать численные эксперименты и определять рациональные режимные и геометрические параметры смесителей [1, 33].

Особое место в исследовании и моделировании процесса смешивания занимает сегрегация, т.е. разделение компонентов. До недавнего времени сегрегация при смешивании считалась однозначно отрицательным явлением, но в конце прошлого века принципиально новые решения в организации процессов смешивания, в которых явление сегрегации используется для интенсификации процесса смешивания и гарантированного повышения качества готовой смеси [44, 45]. Основная идея данных способов и устройств заключается в том, что загрузку ключевого компонента (компонента склонного к сегрегации) осуществляют в область рабочей камеры, расположенную диаметрально противоположно той области, где в результате длительного смешивания концентрируется этот компонент. Указанные способы могут быть реализованы в циркуляционных смесителях, как с вращающейся рабочей камерой [31, 35, 43], так и с неподвижной камерой, вращающимися рабочими органами [5, 6, 7, 8].

Еще одним перспективным направлением повышения качества смешивания и снижения энергозатрат является упорядоченное смешивания, когда компоненты загружаются в строго определенном порядке, например слоями [29, 30].

Особо следует отметить, что математические модели процесса смешивания входят в модели процессов гранулирования и классификации [13, 18, 36].

Дозирование сыпучих материалов

Изменение интенсивности загрузки компонентов и организация упорядоченного смешивания требует принципиально новых решений в способах и устройствах для непрерывного весового дозирования [14]. Кроме высокой точности дозатор должен обеспечивать требуемое изменение производительности. Серийно выпускаемые дозаторы не удовлетворяют данным требованиям, поэтому был предложен способ двухстадийного дозирования [46]. Сущность данного способа заключается в том, что на первой стадии порционным весовым дозатором формируются отдельные порции сыпучего материала весом ΔР, а на второй стадии эти порции через промежутки времени ΔТ подаются в устройство, которое преобразует эти порции в непрерывный поток. Производительность непрерывного дозирования Q = ΔР / ΔТ. Повышение точности дозирования происходит за счет того, что при формировании порций нет динамических воздействий на весоизмерительный датчик. Поскольку производительность непрерывного дозирования зависит от веса одной порции и промежутка времени можно легко и практически в любое время ее изменить. Для реализации способа разработан ряд конструкций [48, 49, 50].

Выводы

Для повышения эффективности процессов дозирования и смешивания сыпучих материалов необходимо:

- разрабатывать новые способы и устройства для экспериментального определения кинематических коэффициентов внутреннего трения сыпучих материалов;

- совершенствовать энергетический подход к описанию движения сыпучих материалов в сложных силовых полях;

- продолжить исследования по организации упорядоченного смешивания компонентов склонных к сегрегации;

- провести исследования весового порционного дозирования с целью повышения точности двухстадийного весового непрерывного дозирования сыпучих материалов и упрощения аппаратурного оформления данной технологии.

Рецензенты:

Рухов А.В, д.т.н., зам. генерального директора по науке ООО «Нанотехцентр», г.Тамбов;

Ярцев В.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов.


Библиографическая ссылка

Осипов А.А., Першина С.В. ДОЗИРОВАНИЕ И СМЕШИВАНИЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ: КРАТКИЙ ОБЗОР РОССИЙСКИХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16105 (дата обращения: 08.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074