Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

На правах рукописи

Специальность 05.17.08. - «Процессы и аппараты химических технологий»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кинетика и математическое моделирование процесса сушки термолабильных материалов в виброаэрокипящем слое

Дегтярев Андрей Александрович

Тамбов 2010

Работа выполнена на кафедре «Химические технологии органических веществ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ТГТУ)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент, Брянкин Константин Вячеславович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Туголуков Евгений Николаевич

доктор физико-математических наук, профессорШибков Александр Анатольевич

Ведущая организация

Научно-исследовательский институт химикатов для полимерных материалов (ОАО «НИИхимполимер»), г. Тамбов

Защита состоится «____» ______________ 2010 г. в ______ часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.260.02 при Тамбовском государственном техническом университете по адресу: 392020, г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1., ауд. 60.

Отзыв на автореферат, в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106,
ГОУ ВПО ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета, с авторефератом диссертации, дополнительно

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.М. Нечаев

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Производство синтетических красителей и пигментов является одним из основных направлений промышленного органического синтеза. К выпускным формам данной продукции предъявляются высокие требования по качественным характеристикам: высокая концентрация целевого вещества, однородность дисперсного состава, чистота, цветность, термо- и светостойкость. В связи с этим, а также принимая во внимание снижение транспортных расходов при перевозке и технологичность их последующего использования все полупродукты предлагаются к реализации в сухом, порошкообразном виде.

Для получения выпускных форм органических красителей и их полупродуктов используются процессы термического обезвоживания (сушки) паст, растворов, суспензий.

Органические вещества термолабильны, и при термическом воздействии на высушиваемый материал происходят изменения в химической структуре готового продукта, поэтому расчет технологических параметров процесса сушки нельзя делать без учета процесса термической деструкции материала.

Таким образом, исследование кинетики и разработка математической модели процесса сушки полупродуктов органических красителей (ПОК) в виброаэрокипящем слое, учитывающей кроме собственно процесса сушки, процесс термической деструкции термолабильного вещества является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (код 2.1.2.309, 2.1.2.1648), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг».

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование кинетики процесса сушки термолабильных материалов на примере полупродуктов органических красителей и разработка математической модели процесса сушки в виброаэрокипящем слое, позволяющей найти зависимости между параметрами процесса сушки и количеством целевого вещества, подвергшегося термической деструкции.

Для достижения цели работы были сформулированы и решены следующие задачи:

- исследовать кинетику процесса сушки термолабильных полупродуктов органических красителей в виброаэрокипящем слое;

- разработать математическое описание процесса сушки термолабильных материалов на примере полупродуктов органических красителей в виброаэрокипящем слое с учетом их термодеструкции;

- произвести идентификацию и оценку адекватности предложенного математического описания реальному процессу;

- на основе разработанного математического описания предложить инженерную методику оценки выхода по целевому веществу термолабильных материалов при различных технологических параметрах процесса сушки в виброаэрокипящем слое;

- разработать методику определения удельной энергии связи полупродуктов органических красителей с водой, позволяющую обходится без сложного приборного обеспечения и дающую адекватные результаты в широком диапазоне температур и влагосодержаний материала.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались индикаторные методы исследования гидродинамики процесса, методы математической физики, теории вероятностей и математической статистики, численной математики, квантовой химии, компьютерной химии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработано математическое описание совмещенного процесса сушки и термической деструкции материала в виброаэрокипящем слое;

- предложена обобщенная эмпирическая зависимость для расчета скорости сушки для периода прогрева, первого и второго периодов сушки, позволяющая рассчитать значения температуры высушиваемого материла с погрешностью, не превышающей 3-6 ?С;

- разработан алгоритм расчета оптимальных параметров процесса сушки, обеспечивающих минимальное разложение целевого вещества;

- разработана методика определения энергии и вида связи влаги с материалом на основе квантово-химического подхода.

Практическая ценность:

- получены кинетические характеристики процесса термической деструкции основного вещества ПОК, сопровождающего процесс сушки. Их сопоставление с кинетикой процесса сушки позволяет сделать вывод, что для термического обезвоживания выделенных групп ПОК наиболее целесообразно использовать метод сушки с интенсивным удалением влаги до заданной конечной влажности;

- исследовано поведение разработанной математической модели процесса сушки при варьировании начальной температуры и скорости сушильного агента, а также термолабильных свойств целевого вещества;

- разработана инженерная методика расчета процесса сушки термолабильных материалов, осложненного термическим разрушением целевого вещества, позволяющая определить выход по целевому веществу при заданных технологических параметрах процесса сушки и свойствах высушиваемого материала;

- выданы практические рекомендации по организации и совершенствованию стадии обезвоживания в производствах ПОК, в том числе: 1) технические решения по совершенствованию стадии сушки с учетом термической устойчивости ПОК, позволяющие получать продукт с заданной конечной влажностью при сохранении концентрации целевого компонента, внедрены в производствах ФМП, анилида АУК и Гамма-кислоты на ОАО «Пигмент» (г. Тамбов), их реализация позволила достичь сокращения длительности стадии сушки на 20-40 %; 2) разработанная методика анализа органических материалов по определению формы и величины энергии связи влаги с высушиваемым материалом переданы для использования на ОАО «Пигмент», г. Тамбов.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика 2006» (Новочеркасск, 2006); Международная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные исследования в сфере критических технологий» (Белгород, 2007); XXI Международная научная конференция ММТТ-21 (Саратов, 2008); XXII Международная научная конференция ММТТ-22 (Псков, 2009); Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы естественных наук» (Тамбов, 2009); 6-ая международная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2009); II Всероссийская научная конференция (с международным участием) «Научное творчество ХХI века» (Красноярск, 2010); Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2010); Международный научно-технический семинар «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010); II-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Бизнес, наука и образование: перспективы развития».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научные работы, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы включающего 161 наименование. Основная часть работы изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 5 таблиц и приложения.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории и техники процесса сушки термолабильных материалов в виброаэрокипящем слое, методы моделирования гидродинамического режима, кинетики процесса сушки и кинетики реакций термического разложения материала при сушке, факторы, влияющие на термическую стойкость органических соединений, классификация полупродуктов органических красителей по их термической стойкости, подходы к квантово-химическому расчету свойств молекулярных систем.

По результатам анализа литературных данных были сделаны выводы о применимости однопараметрической диффузионной модели для описания гидродинамики виброаэрокипящего слоя. Было показано, что термолабильными органическими веществами считаются следующие: целевое вещество имеет одну или несколько непрочных связей; имеются примеси, замедляющие процесс сушки или катализирующие процесс деструкции. Обосновано проведение процесса сушки термолабильных материалов при активном гидродинамическом режиме, близком к идеальному вытеснению, чему удовлетворяет виброаэрокипящий слой. Выявлено, что процессы деструкции термолабильных полупродуктов органических красителей имеют гетерогенный характер и протекают в кинетической области.

Сформулированы задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Вторая глава посвящена разработке математического описания процесса сушки термолабильных материалов в виброаэрокипящем слое.

При составлении математического описания полагаем, что известны начальные параметры потоков материала и сушильного агента, дисперсный состав высушиваемого материала, параметры виброаэрокипящего слоя (коэффициент теплообмена, высота и длина слоя, плотность распределения времени пребывания материала и сушильного агента в аппарате, параметры вибрации).

Математическая модель процесса сушки в виброаэрокипящем слое для термолабильных материалов, должна определять зависимость выхода по целевому веществу (Щ) и его конечного влагосодержания (uk) от технологических параметров процесса, физико-химических свойств сред и начальных параметров процесса.

При составлении математического описания процесса сушки, осложненного термодеструкцией, в виброаэрокипящем слое были приняты следующие допущения:

- частицы материала имеют шарообразную форму;

- градиентом температуры и влагосодержания по радиусу частицы материала пренебрегаем;

- потоком тепла в газовой фазе, обусловленным теплопроводностью, ввиду его малого значения пренебрегаем;

- температура и влагосодержание материала и сушильного агента постоянны по ширине аппарата;

- теплоемкости веществ, участвующих в процессе постоянны;

- теплопотерями в окружающую среду пренебрегаем;

- истирание, унос материала из аппарата и налипание на стенки не учитываем;

- потоки вещества и энергии, обусловленные химическими процессами не учитываем;

- материал равномерно распределен по всему объему аппарата;

- формирование застойных зон не рассматривается.

Количество целевого веществ, не претерпевшего деструктивные превращения при термической обработке, определяется величиной выхода по целевому веществу (Щ), численно равному отношению массы целевого вещества в потоке материала к массе целевого вещества в эквивалентном потоке на входе в аппарат:

.

Выражая начальную массу целевого вещества через массу абсолютно сухой частицы и концентрацию целевого вещества в абсолютно сухой частице, а действующую массу через количество вещества и молярную массу зависимость для выхода по целевому веществу принимает вид:

Величина выхода по целевому веществу может принимать значения от 0, соответствующее полному разложению целевого вещества, до 1, соответствующее полной сохранности целевого вещества.

Для описания неоднородности температуры и влагосодержания частицы материала в точке (?) введем величину put - плотность распределения частиц по влагосодержанию и температуре, которая должна удовлетворять условию нормированности на единицу:

,

где U и T области существования переменных u и t. Это условие должно выполняться для всех точек (?) по длине слоя.

Разложение целевого вещества высушиваемого материала представляет собой гетерогенный процесс химического окисления, проходящий в кинетической области. Уравнение кинетики такого процесса:

.

Уравнение (4) содержит три параметра, которые могут изменятся в ходе процесса: диаметр поверхности фронта химической реакции (df), концентрация целевого вещества в частице (C) и температура частицы (t).

Выражая диаметр поверхности фронта химической реакции из объема частицы, занимаемого целевым веществом, количества целевого вещества и его концентрации, считая концентрацию целевого вещества, как функцию отношения количества вещества к его объему, постоянной, уравнение (4) преобразуется к виду:

.

Решая дифференциальное уравнение (5) можно найти количество вещества в частице материала, подвергшегося деструкции, в любой точке аппарата, и, следовательно, выход по целевому веществу на выходе из него.

Для описания гидродинамики дисперсной фазы принимаем идеальное перемешивание частиц материала в направлении перпендикулярном направлению движения и диффузионное перемешивание с коэффициентом диффузии D? по направлению движения частиц материала, что соответствует однопараметрической диффузионной модели.

Для описания гидродинамики сушильного агента принимаем отсутствие перемешивания в направлении перпендикулярном движению, и диффузионное перемешивание с коэффициентом диффузии Dch в направлении движения сушильного агента.

Зависимости для определения скорости движения и коэффициента диффузионного перемешивания дисперсного материала учитывают влияние на их величины параметров вибропсевдоожижения. Для определения скорости движения дисперсного материала принимаем зависимость:

,

где - линейное перемещение частицы вдоль лотка за один период колебаний.

Коэффициент диффузионного перемешивания материала определяем по зависимости, предложенной Чупруновым С.Ю.:

,

где коэффициент b индивидуален для каждого вещества.

Скорость движения газовой фазы находится по его массовому расходу:

.

Скорость удаления влаги из материала определяется как поток влаги через элемент поверхности:

.

Для первого периода сушки характерно условие равенства потока тепла, подводимого к материалу и затрачиваемого на испарение влаги, для второго периода будем использовать степенную зависимость от влагосодержания.

Скорость сушки напрямую зависит от соотношения температур материала и мокрого термометра, поэтому правомочно использование следующей аппроксимации:

.

Коэффициент k1 определяется эмпирически. Тогда зависимость для аппроксимации скорости сушки для всех периодов:

Для составления материального баланса процесса сушки по влаге высушиваемого материала рассмотрим функцию плотности распределения частиц по влагосодержанию и температуре (put) в 4-х мерном гильбертовом пространстве независимых переменных ?, h, u, t (две геометрические координаты, координата по влагосодержанию и координата по температуре).

Выделим в этом пространстве произвольную область VUT с границей ?VUT и n - внешней нормалью к поверхности ?VUT.

Опишем поток функции put внутрь области VUT через поверхность ?VUT.

Поток, обусловленный движением частиц материала по оси ?:

.

Поток, обусловленный диффузией частиц материала по оси ?:

.

По оси h происходит полное перемешивание материала, следовательно поток в элемент VUT по оси h будет отсутствовать (точнее его сумма будет равна нулю), нулю будет равна и производная функции put по h.

Поток, обусловленный процессом сушки частиц:

,

где cos(n,?), cos(n,h) и cos(n,u) косинусы углов между нормалью n и осями ?, h, u.

Полный поток через поверхность ?VUT будет равен интегралу по поверхности суммы всех потоков:

.

По формуле Остроградского-Гаусса, принимая допущение о независимости коэффициентов v? и D? от геометрических координат, интеграл по поверхности (15) преобразуется в интеграл по объему:

.

Внутренние источники (стоки) функции put внутри области VUT отсутствуют (следствие требования нормированности функции put), следовательно, интеграл (16) равен нулю. Ввиду произвольности области VUT нулю равно и подынтегральное выражение, преобразуя которое получаем:



Выражение (17) описывает материальный баланс процесса сушки по влаге высушиваемого материала.

Рассуждая аналогичным образом, получаем выражение, описывающее материальный баланс по влаге для сушильного агента:

.

Тепловой баланс процесса сушки по высушиваемому материалу выражается уравнением:

соответственно по сушильному агенту:

где функции tc и xc зависят от координат u и t; реальные влагосодержание и температура сушильного агента в точке (?, h) определяются по формулам:

Граничные условия для уравнений теплового и материального балансов процесса сушки термолабильного материала в виброаэрокипящем слое: сушка термолабильный органический краситель

Влагосодержание материала на выходе из аппарата:

Уравнение для расчета количества целевого вещества в частице (5), преобразуется к виду:

.

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований.

Определен коэффициент диффузии сушильного агента процесса сушки ПОК в виброаэрокипящем слое методом анализа функции отклика газа-трассера в сушильном агенте при ступенчатом его возмущении. Исследования проводились на экспериментальной установке (рис. 1), состоящей из аппарата виброаэрокипящего слоя (1); датчика частоты колебаний (2); вибратора (3); баллона с газом (4); газоанализатора (5); газового ротаметра (6); вентиляторов (7,8); клапанов (9,10); индикатора часового типа (11); электрокалорифера (12). В качестве индикатора использовался углекислый газ. Параметры процесса: амплитуда колебаний 0.008 м; частота колебаний 15 Гц; материал ФМП; скорость газа 0.13-0.3 м/с.

По экспериментальным значения полученной кривой вымывания (I-кривой) рассчитывались значения для C-кривой, и по дисперсии C-кривой рассчитывался коэффициент диффузии.

Среднее значение коэффициента диффузии газа составило 0.0064 м2/с.

Энергия гидратации ПОК определялась путем численного эксперимента.

Эксперимент проводился для 4 выбранных ПОК: И-кислота, Гамма-кислота, фенил-метил-пиразолон (ФМП), анилид ацетоуксусной кислоты (анилид АУК).

Основой метода является моделирование взаимодействия молекулы ПОК и молекул воды, с использованием квантово-химического подхода к определению характеристик молекулярных систем.

Используемое программное обеспечение: операционная система - Ubuntu 9.10 «Karmic Koala», версия ядра 2.6.31-16; построение начальной геометрии молекул и создание исходных данных для расчета - Gabedit 2.2.0-1; квантово-химический расчет - PCGAMESS 7.1F FireFly; визуализация экспериментов - MacMolPlt 7.4-1.

Используемые методы расчета: оптимизация геометрии - RHF (ограниченный Хартри-Фока); расчет энергии - MP2 (Хартри-Фока с поправкой второго порядка теории возмущений Меллера-Плессета).

Используемые базисные наборы (по классификации Попла): оптимизация геометрии одиночных молекул - 3-21G*; оптимизация геометрии молекулярных систем - 3-21+G*; расчет энергии - 6-31++G**.

Рассчитывались энергии молекулярных систем ПОК-вода и по разнице энергии молекулярной системы и суммы энергий отдельно взятых молекул определялась энергия гидратации. Опыты проводились с системами, включающими до 4 молекул воды

Анализ полученных результатов (табл. 1) позволяет сделать вывод, что для И-кислоты минимальную энергию имеют системы с молекулой воды, гидратирующей сульфогруппу. При гидратации гидрокси- и аминогруппы образуются системы с более высокой энергией, которые тоже могут быть стабильными (т. н. локальные минимумы), однако вероятность их образования с точки зрения термодинамики гораздо ниже. Также было установлено, что присутствие в системе более одной молекулы воды приводит к образованию кластерных структур, связанных с молекулой ПОК, причем такие системы обладают более низкой энергией и следовательно более устойчивы, чем системы без образования кластеров или с «неполными» кластерами, включающими в себя не все молекулы воды.

Учет энергии гидратации начинается с некоторого влагосодержания, uE, при котором происходит переход от удаления влаги из пор и капилляров к удалению адсорбированной влаги, для виброаэрокипящего слоя из-за сравнительно малого размера частиц, и соответственно небольшого капиллярного сопротивления переносу влаги, можно принять равенство данного влагосодержания критическому. Критическое влагосодержание для виброаэрокипящего слоя ukr = 0.01-0.06, следовательно аппроксимацию энергии гидратации нужно проводить по первым двум точкам.

Для выбранных ПОК, энергия, затрачиваемая на испарение влаги во втором периоде увеличивается в 2-2.5 раза по сравнению с первым.

Определение аппроксимационных коэффициентов уравнения кинетики процесса сушки k1 и k2 проводилось путем сравнения экспериментальных данных по кинетике процесса сушки с расчетными данными.

Экспериментальные исследования кинетики проводилось группой под руководством д.т.н., проф. Леонтьевой А.И. на большой циркуляционной сушилке, установленной на кафедре «Химическая инженерия» ГОУ ВПО ТГТУ, по методике разработанной д.т.н., проф. Коноваловым В.И.

Для сравнения расчетных и экспериментальных данных преобразуем математическое описание для сушки неподвижного образца, для чего воспользуемся зависимостями:

,

.

где F - площадь тепломассообмена высушиваемого материала,

m - масса абсолютно сухого материала.

Коэффициент k1 определялся путем варьирования его значения и вывода дисперсии экспериментальной и расчетной температур для периода прогрева.

Исследования проводились для 4 ПОК: И-кислота, Гамма-кислота, ФМП и анилид АУК.

Значения коэффициентов k1 составили: И-кислота и Гамма-кислота - 0.69, ФМП - 0.45, анилид АУК - 0.72.

Коэффициент k2 подбирался таким образом, чтобы наиболее точно сопоставить значения экспериментальной и расчетной температуры материала при ее максимальном значении, сравнение проводилось визуально. При этом изначально делалось предположение о значении коэффициента k2 по кривым зависимости скорости сушки от влагосодержания материла.

Значения коэффициента k2 для И-кислоты и Гамма-кислоты составило 0.76, для ФМП - 0.9, для анилида АУК - 1.

Экспериментальное определение кинетических характеристик процессов деструкции осуществлялись в условиях совмещенного процесса сушки и разложения целевого вещества.

Механизм процесса деструкции предполагался гетерогенным, проходящим в кинетической области. В расчет брались данные по конечной стадии процесса сушки, с высокой температурой и небольшим влагосодержанием образца, а также жесткой структурой, при которой не происходит расширения/сжатия высушиваемого материла. Концентрация целевого компонента в материале (C, моль/м3) предполагалась постоянной.

Энергия активации и порядок реакции определялся (табл. 2) по зависимости логарифма скорости химической реакции от температуры в минус первой степени.

Значения порядков реакций процесса деструкции подтверждают гипотезу о течении процесса в кинетической области.

В четвертой главе составлена численная схема для решения уравнений математической модели, проведена оценка адекватности математического описания процесса, исследовано поведение модели при варьировании параметров процесса и предложена инженерная методика расчета процесса.

Для системы дифференциальных уравнений в частных производных (17)-(20) предложена численная схема на основе комбинации схемы Кранка-Николсон и схемы трапеций с экстраполяцией по Ричардсону. Уравнение (35) аппроксимируется схемой Хойна.

Для варьирования параметров процесса сушки, и поиска точек, обеспечивающих минимальное разложение целевого вещества при заданном конечном влагосодержании, используется метод Нелдера-Мида (методом деформируемого симплекса), с введением ограничения (меньшее либо равное заданному влагосодержание на выходе из аппарата) методом штрафных функций.

Проверка адекватности проводилась путем сравнения экспериментальной и расчетной кривых температуры высушиваемого материала.

Экспериментальные исследования проводились для 2-х ПОК: ФМП и анилид АУК (рис. 2).

Анализ результатов показал, что среднеквадратичное отклонение экспериментальных и расчетных данных для процесса сушки составляет 2-2.5 С, для второго периода 3-6 С, максимальное отклонение для процесса в целом составило 5-9 С (рис. 2).



Рис. 2 Экспериментальные и расчетные значения температуры, а - ФМП,

Оценка влияния параметров процесса деструкции на выход по целевому веществу проводилась на нескольких модельных веществах с фиксированными характеристиками кинетики процесса деструкции (n, EA, ko).

Исследования показали, что для всех модельных веществ максимальное значение выхода по целевому веществу наблюдается при минимальном значении температуры и максимальной скорости сушильного агента.

Разработана инженерная методика расчета процесса сушки термолабильных материалов в виброаэрокипящем слое, позволяющая рассчитать выход по целевому веществу в зависимости от параметров процесса сушки. Методика учитывает скорости деструкции и скорости сушки.

Для этого вводится понятие относительной скорости деструкции (Rv), равной отношению скорости деструкции к скорости сушки для одиночной частицы, выраженной в моль/с:

.

Исследование зависимости Rv от параметров процесса сушки и выхода по целевому веществу проводилось варьированием начальной температуры и скорости сушильного агента.

По данным исследования была получена диаграмма зависимости критерия Rv от выхода по целевому веществу и от параметров процесса (рис. 3).

Таким образом, по полученной диаграмме, можно зная физико-химические свойства вещества (теплоемкость, плотность, энергию связи с водой, энергию активации и порядок процесса деструкции) и параметры процесса сушки (скорости движения, коэффициенты диффузии и начальные температуры материала и сушильного агента, параметры вибрации, геометрические характеристики аппарата) рассчитать критерий Rv, и по его значению определить выход по целевому веществу при данных параметрах процесса.

Основные выводы и результаты работы

1. Исследована кинетика процесса сушки термолабильных полупродуктов органических красителей в виброаэрокипящем слое, экспериментально определены коэффициент диффузии сушильного агента при движении его через виброаэрокипящий слой, аппроксимационные коэффициенты уравнения кинетики сушки и кинетические характеристики процесса деструкции для выбранных ПОК.

2. Предложена обобщенная эмпирическая зависимость для расчета скорости сушки для периода прогрева, первого и второго периодов сушки.

3. Разработана методика определения формы и величины удельной энергии связи ПОК с водой, основанная на квантово-химическом подходе.

4. Разработана математическая модель процесса сушки термолабильных материалов в виброаэрокипящем слое, на примере ПОК, с учетом их термодеструкции. Проведена оценка ее адекватности, среднеквадратичное отклонение экспериментальной и расчетной температуры влажного материала составило 2-2.5 ?С, максимальное отклонение составило 5-9 ?С.

5. Для решения уравнений математической модели составлена численная схема и, на ее основе, предложен алгоритм расчета оптимальных параметров процесса.

6. Исследовано влияние термолабильных свойств высушиваемого материала и параметров процесса сушки на выход по целевому веществу.

7. Предложена инженерная методика расчета процесса сушки термолабильных материалов в виброаэрокипящем слое, позволяющая оценить выход по целевому веществу при принятых технологических параметрах процесса.

8. Технические решения по совершенствованию стадии сушки ПОК, внедренные на производствах ОАО «Пигмент» (г. Тамбов), позволили достичь сокращения длительности стадии сушки для ФМП на 20,6 %, для анилида АУК - на 41,4 %, Гамма-кислоты - 29,1 %.

Основные обозначения

? и h - координаты по длине и высоте слоя, м; L, H и B -длина, высота и ширина слоя материала, м; ф - координата по времени, с; u - влагосодержание материала, кг/кг; up и ukr - равновесное и гигроскопическое влагосодержание материала, кг/кг; xс - влагосодержание сушильного агента, кг/кг; t - температура материала, С; tm - температура мокрого термометра, С; v? и vh - скорости движения материала и сушильного агента, м/с; Gc - массовый расход сушильного агента по абсолютно сухому веществу, кг/с;

D - коэффициент диффузии материала, м2/с; put - плотность распределения частиц по влагосодержанию и температуре; ds - диаметр одиночной частицы высушиваемого материала, м; N - количество частиц материала в элементе объема, шт/м3; Ss - площадь одиночной частицы, м2; ms - масса абсолютно сухой одиночной частицы, кг; M - молярная масса вещества, кг/моль; - массовая доля целевого вещества в смеси, кг/кг;
С - концентрация целевого вещества, моль/м3; - количество вещества, моль;

ko - предэкспоненциальный множитель; n - порядок реакции; EA - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К); vvl - скорость сушки, кг/(м2•с); mvl - масса влаги, кг; r - удельная теплота испарения влаги, Дж/кг; Е - удельная энергия связи влаги с материалом, Дж/кг; F - площадь тепломассообмена, м2;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2•К); с - теплоемкость абсолютно сухого материала, Дж/(кг•К); - плотность абсолютно сухого материала, кг/м3; е - порозность слоя; А - амплитуда колебаний решетки, м; f - частота колебаний, Гц; Щ - выход по целевому веществу; Rv - относительная скорость деструкции.

Индексы: о - начальные значения параметров; с - сушильный агент; v - пар; a - вода; k - конечные значения параметров; s - одиночная частица материала; vl - влага; q - целевое вещество.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Дегтярев, А.А. Математическое описание процесса сушки полупродуктов органических красителей (на примере Гамма-кислоты) / А.А. Дегтярев, А.А. Коваленко // Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика 2006»: Сб. статей - Новочеркасск, 2007.

2. Вервекин, А.С. Математическая модель процесса сушки в вальце ленточных сушилах / А.С. Вервекин, А.А. Дегтярев, А.А. Коваленко, М.М. Загорная // Труды ТГТУ: Сборник молодых ученых и студентов. Вып. 20. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2007. - с. 17-21.

3. Дегтярев, А.А. Математическое моделирование процесса сушки, осложненного разложением целевого вещества / А.А. Дегтярев // Сборник статей магистрантов, выпуск 9. - Тамбов: ОАО «Тамбовполиграфиздат», 2007. - с. 84-87.

4. Дегтярев, А.А. Математическая модель процесса сушки на примере вальце-ленточных сушилок / А.А. Дегтярев, А.А. Коваленко // Инновационные исследования в сфере критических технологий: сборник материалов Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов / под ред. С.Ю. Боруха, В.М. Геращенко. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2007. - с. 41-45.

5. Брянкин, К.В. Описание процесса сушки термолабильных продуктов при прямоточном движении материала и сушильного агента / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев, Д.М. Ковальчук, М.М. Загорная // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сборник трудов XXI Международной научной конференции: в 10 т. Т. 3. Секции 2, 6 / под общ. ред. В.С. Балакирева. - Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. - с. 58-60.

6. Брянкин, К.В. Моделирование процессов сушки при перекрестном движении потоков материал - сушильный агент для термолабильных продуктов / К.В. Брянкин, Н.П. Утробин, А.А. Дегтярев // «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2008». - М.: Издательство ВИМ, 2008. - с. 323-324.

7. Дегтярев, А.А. Определение скорости сушки термолабильных продуктов / А.А. Дегтярев, М.Ю. Субочева // Труды ТГТУ: сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 22. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. - с. 26-30.

8. Брянкин, К.В. Математическое моделирование процесса сушки термолабильных материалов в кипящем слое / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев, Н.Е. Пахлова, И.В. Панова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сборник трудов XXII Международной научной конференции: в 10 т. Т. 9. Секция 10 / под общ. ред. В.С. Балакирева. - Псков: Изд-во Псков. гос. политехн. ун-та, 2009. - с. 125-127.

9. Брянкин, К.В. Моделирование процесса сушки термолабильных материалов при перекрестном движении материала и сушильного агента / К.В. Брянкин, А.И. Леонтьева, А.А. Дегтярев // В мире научных открытий. - 2009. - № 6. - с. 12-16.

10. Леонтьева, А.И. Факторы, влияющие на стабильность концентрации целевого компонента в продукте при термическом воздействии / А.И. Леонтьева, К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // В мире научных открытий. - 2009. - № 6. - с. 16-21.

11. Брянкин, К.В. Учет неоднородности распределения частиц материала при сушке в кипящем слое / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Наука на рубеже тысячелетий. Сборник материалов 6-ой международной научно-практической конференции. - Тамбов: Тамбовпринт, 2009. - с. 120-121.

12. Брянкин, К.В. Исследование гидродинамики потоков в виброаэрокипящем слое / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Актуальные проблемы естественных наук: материалы международной заочной научно-практической конференции. - Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2010. - с. 101-104.

13. Леонтьева, А.И. Исследование процесса сушки полупродуктов органических красителей под вакуумом / А.И. Леонтьева, К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Вестник ТГТУ. - 2010. - Том 16. № 2. - С. 326-331.

14. Брянкин, К.В. Применение диффузионной модели для описания гидродинамики процесса сушки в виброаэрокипящем слое / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Научное творчество ХХI века: сборник трудов II Всероссийской научной конференции (с международным участием). Красноярск // В мире научных открытий. - 2010, №4 (10), Часть 4. - с. 99-100.

15. Брянкин, К.В. Моделирование процесса сушки термолабильных полупродуктов органических красителей с учетом энергии гидратации / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Современные направления теоретических и прикладных исследований `2010: сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. Том 5. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2010. - с. 24-27.

16. Брянкин, К.В. Исследование термодеструктивных превращений, протекающих при температурном воздействии на полупродукты органических красителей / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Казанская наука. 2010. № 1. - с. 14-18.

17. Брянкин, К.В. Оценка удельной энергии связи полупродуктов органических красителей с водой / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Международный научно-технический семинар «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов»: материалы семинара; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО ВЛГТА. - Воронеж, 2010. - с. 51-57.

18. Брянкин, К.В. Исследование процесса сушки полупродуктов органических красителей в режиме пневмотранспорта / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. - 2010. - № 4-6(29). - С. 324-327.

19. Брянкин, К.В. Оценка эффективности процесса сушки полупродуктов органических красителей нафталинового ряда в режиме пневмотранспорта / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Молодой ученый. - 2010. - № 5 (16). Т. 1. - С. 41-45.

20. Брянкин, К.В. Особенности расчета материального баланса процесса сушки термолабильных материалов в кипящем слое / К.В. Брянкин, А.А. Дегтярев // Бизнес, наука и образование: перспективы развития: сборник трудов II-ой Всероссийской научно-практической конференции. - Тамбов: Изд-во «Тамбовпринт», 2010. - С. 20-22.

21. Леонтьева, А. И. Оценка термической устойчивости полупродуктов органических красителей / А. И. Леонтьева, К. В. Брянкин, А. А. Дегтярев // Химическая технология. - 2010. - № 7. - С. 412-419.

22. Брянкин, К. В. Метод определения формы и энергии связи полупродуктов органических красителей с влагой на основе квантово-химического подхода / К. В. Брянкин, А. А. Дегтярев // В мире научных открытий. - 2010. - № 5 (11). Часть 1. - С. 72-77.

23. Брянкин, К. В. Подходы к формированию классификации полу-продуктов органических красителей по термостойкости / К. В. Брянкин, А. И. Леонтьева, А. А. Дегтярев // Химия и химическая технология. - 2010. - Т. 53. № 11. - С. 90-94.

24. Орехов, В. С. Химическая технология органических веществ : учебное пособие : в 4 ч. / В. С. Орехов, М. Ю. Субочева, А. А. Дегтярев, Д. Н. Труфанов. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. - Ч. 4. - 80 с.

Размещено на Allbest.ru

...