A Study of the Interaction of Bulk Material Particles in a Cascade Gravitational Mixer

Full Text

Введение

Гравитационное смешивание сыпучих материалов в настоящее время широко распространено в различных отраслях промышленности. Для его реализации используются смесители, в которых смешиваемые компоненты перемещаются под действием силы тяжести вдоль корпуса и многократно циркулируют и перераспределяются в общем объеме смеси. Достоинства гравитационных смесителей – простота устройства и эксплуатации, отсутствие движущихся частей и низкие энергозатраты. В целях интенсификации процесса смешивания в гравитационных смесителях используют также дополнительное воздействие на сыпучий материал в виде распыления, наслоения слоев смешиваемых частиц, неравномерности движения частиц, удара струи сыпучего материала о рабочий орган смесителя и т.д. [1].

Механизм процесса смешивания сыпучих материалов является очень сложным и зависит от большого числа факторов, основными из которых являются конструктивные особенности смесителя и режим его работы. Как правило, процесс смешивания сыпучих материалов реализуется в результате активного взаимодействия частиц. Качество готовой смеси в значительной степени зависит от взаимного столкновения частиц друг с другом, с корпусом смесителя и его рабочими элементами [2 – 5].

Компьютерное моделирование процесса взаимодействия частиц сыпучих материалов в гравитационном смесителе

Для разработки эффективных конструкций смесителей необходимо располагать данными об изменении кинетических и динамических характеристик частиц сыпучих материалов в процессе их взаимодействия в смесителе. Однако такие данные в некоторых случаях либо трудно определить путем проведения прямого эксперимента, либо вообще невозможно получить. В таких случаях в исследовательской практике достаточно широко применяется вычислительный эксперимент, отличающийся высокими прогностическими возможностями.

В настоящей работе проведено исследование процесса взаимодействия частиц сыпучих материалов в гравитационном смесителе с помощью компьютерного моделирования.

В работе [6] разработан смеситель для сыпучих материалов, в котором смесь требуемого качества формируется в процессе интенсивного перемещения перемешиваемого материала по вертикальному цилиндрическому корпусу. Существенное повышение эффективности процесса смешивания обеспечивается за счет использования устройств, установленных друг над другом по высоте корпуса (рис. 1). В качестве таких устройств применяются разрыхлители потока сыпучего материала, с помощью которых в смесителе организуются множество параллельных разрыхленных потоков материала. Интенсификации перемешивания параллельных потоков материала способствуют также наклонные кронштейны, установленные каскадами c противоположными углами наклона в зазоре между пересыпными воронками и корпусом смесителя. В результате обеспечивается интенсивное взаимопроникновение частиц сыпучего материала и улучшается качество готового продукта за счет однородного объемного распределения частиц материала в корпусе смесителя.

 

Рис. 1. 3D-модель каскадного гравитационного смесителя сыпучего материала

 

Исследование взаимодействия частиц сыпучих материалов в разработанной конструкции смесителя проведено с использованием метода дискретных элементов, позволяющего отслеживать траекторию движения каждой частицы с учетом взаимных столкновений частиц, а также их контакта со стенками оборудования [7 – 10].

Компьютерное моделирование с помощью метода дискретных элементов реализовано в программе Altair EDEM. На первом этапе в программу импортирован чертеж разработанного устройства для смешивания сыпучих материалов из Autodesk Fusion 360. Затем в программу введены исходные данные, описывающие работу смесителя, заданы тип и основные свойства частиц сыпучего материала для анализа поведения частиц в смесителе в активном гидродинамическом режиме в программе Altair EDEM. Для наглядного графического представления движения частиц материала, перемешиваемых в устройстве, им присваиваются различные цвета. Программа выдает видеофайл, иллюстрирующий движение частиц сыпучего материала в корпусе смесителя.

Результаты моделирования и обсуждение

Исследование взаимодействия частиц сыпучего материала в смесителе проведено при различных соотношениях смешиваемых компонентов: 1 : 1, 1 : 3 и 1 : 5. В качестве модельных материалов использованы частицы полиэтилена и полистирола. В процессе смешивания в корпусе смесителя наблюдается активное взаимодействие частиц, приводящее к изменению количества их взаимных контактов. При движении вдоль корпуса смесителя частицы вступают во взаимодействие с соседними частицами и поверхностями рабочих элементов установки, хаотически меняют свои скорость и направление движения, импульс. Метод дискретных элементов позволяет учитывать положение и направление движения каждой частицы и проводить перерасчет ее кинематических и динамических параметров через определенный промежуток времени с учетом взаимодействия с другими частицами.

Зависимости изменения числа контактов частиц в процессе их смешивания представлены на рис. 2. Как следует из рисунка, с течением времени процесса смешивания сыпучих материалов наблюдается более интенсивное взаимодействие частиц. Кроме того, в процессе исследования установлено, что при практически одинаковом ходе полученных графических зависимостей при разном соотношении компонентов смеси имеет место различная интенсивность взаимодействия частиц.

 

Рис. 2. Число контактов частиц во времени при соотношениях смешиваемых компонентов: 1 ‒ 1 : 1; 2 ‒ 1 : 3; 3 ‒ 1 : 5

 

При большем соотношении смешиваемых компонентов с течением времени количество контактов несколько уменьшается (см. рис. 2, кривые 2 и 3), что обусловлено взаимодействием частиц в более стесненных условиях. Следует отметить, что приведенные графические зависимости отражают все контакты и перекрытия между частицами (перекрытие двух контактирующих частиц оценивается как деформация, необходимая для того, чтобы они физически могли находиться в их фактической конфигурации).

На рисунке 3 представлено изменение во времени нормальной силы, действующей на частицу. Под нормальной понимается сила, возникающая при непосредственном контакте частиц друг с другом в корпусе смесителя. В начальный момент времени наблюдается быстрое увеличение, а затем уменьшение силового воздействия на частицу, которое через некоторое время практически стабилизируется на определенном уровне. Это свидетельствует о достаточно стабильном силовом воздействии на частицы в рабочей камере смесителя. Причем величина нормальной силы незначительно зависит от соотношения смешиваемых компонентов. В то же время следует отметить, что при соотношении смешиваемых компонентов 1 : 1 (см. рис. 3, кривая 1) величина нормальной силы, действующей на частицы, несколько меньше по сравнению с другими соотношениями.

Результаты компьютерного моделирования подтверждают, что в разработанной конструкции каскадного смесителя частицы компонентов смеси активно взаимодействуют друг с другом при различном их соотношении.

Увеличение скорости взаимодействия потоков смешиваемых частиц, как правило, вызывает возрастание скорости процесса смешивания и приводит к повышению однородности смеси. Вследствие этого большой практический интерес имеет возможность прогнозирования кинетических характеристик частиц смешиваемых материалов, таких как скорость движения частиц и их кинетическая энергия.

Известно, что качество смешивания в значительной мере зависит от кратности перемещения в смесителе объема смешиваемых материалов. Кратность перемещения частиц в свою очередь в значительной степени определяется скоростью их перемещения. На рисунке 4, а, представлены зависимости изменения скорости движения частиц материала, участвующих в процессе смешивания. Очевидно, что скорость движения частиц на одной ступени перемешивания в каскадном гравитационном смесителе с течением времени существенно меняется от максимального значения на входе до минимального на выходе.

 

Рис. 3. Изменение нормальной силы, действующей на частицы, во времени при соотношениях смешиваемых компонентов:  1 ‒ 1 : 1; 2 ‒ 1 : 3; 3 ‒ 1 : 5

 

Это обусловлено увеличением числа контактов частиц в процессе их движения вдоль корпуса смесителя и, соответственно, роста сопротивления, вызываемого взаимодействием с окружающими частицами. Вследствие этого для повышения эффективности процесса смешивания необходимы дополнительные воздействия на поток материала с помощью разрыхлителей, обеспечивающих условия для более интенсивного перераспределения частиц в смешиваемом объеме.

Степень активности взаимных перемещений частиц сыпучего материала определяет интенсивность протекания в нем процесса перемешивания. Следовательно, для интенсификации процесса смешивания необходимо обеспечивать такие условия взаимодействия частиц, которые способствуют повышению энергии их взаимных перемещений. Поэтому значительный практический интерес представляет прогнозирование значений кинетической и полной (сумма кинетической энергии, кинетической энергии вращения и потенциальной энергии частицы) энергии частиц сыпучего материала в процессе смешивания [11, 12].

В процессе взаимодействия частицы изменяют свою кинетическую энергию (см. рис. 4, б), что обусловлено их активным взаимодействием как с окружающими частицами, так и с рабочими органами смесителя в процессе смешивания. Причем величина кинетической энергия частиц при равном соотношении смешиваемых компонентов больше, чем при других условиях перемешивания. Это обусловлено более высокой скоростью частиц в менее стесненных условиях взаимодействия.

 

Рис. 4. Зависимости скорости (а) и кинетической энергии (б) частиц во времени при соотношениях смешиваемых компонентов: 1 ‒ 1 : 1; 2 ‒ 1 : 3; 3 ‒ 1 : 5

 

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что в разработанной конструкции каскадного гравитационного смесителя, характеризующейся активным гидродинамическим режимом, обеспечиваются достаточно стабильные условия взаимодействия частиц сыпучих материалов, а также имеются хорошие возможности для интенсификации процесса смешивания.

Заключение

EDEM-моделирование позволяет изучить поведение среды, состоящей из частиц, движущихся независимо друг от друга и взаимодействующих с другими частицами в точках их контакта. Проведено компьютерное моделирование взаимодействия частиц сыпучих материалов с помощью метода дискретных элементов. Получены графические зависимости основных характеристик взаимодействия частиц смешиваемых материалов в программе Altair EDEM. Показана возможность прогнозирования поведения частиц сыпучих материалов при их взаимодействии в каскадном гравитационном смесителе. Полученные результаты моделирования могут быть использованы при проектировании гравитационных смесителей.

About the authors

V. Ya. Borshchev

TSTU

Author for correspondence.
Email: borschov@yandex.ru

доктор технических наук, профессор кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»

Russian Federation, Tambov

T. A. Sukhorukova

TSTU

Email: borschov@yandex.ru

аспирант кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»

Russian Federation, Tambov

H. Faarour

TSTU

Email: borschov@yandex.ru

аспирант кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»

Russian Federation, Tambov

V. S. Makarov

TSTU

Email: borschov@yandex.ru

студент, кафедра «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»

Russian Federation, Tambov

References

Supplementary files