Теоретичні основи процесів формування гранул у неоднорідному середовищі

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню наукової проблеми, пов’язаної із розробленням наукових засад формування гранул у неоднорідному середовищі, а саме розробленню науково-теоретичних основ впливу температури на формування пористої структури оболонки гранули; аналізу особливостей міжфазного теплообміну у системі «газ – тверда фаза» в умовах зважених шарів та математичному моделюванню процесу міжфазного теплообміну у гетерогенній системі «газ – тверда фаза», проведенню теоретичних та експериментальних досліджень процесів формування гранул та гідродинамічної структури руху газодисперсного потоку в багатоступеневих апаратах зваженого шару, математичному моделюванню кінетики формування оболонки при гранулюванні (чи капсулюванні) гранул, математичному моделюванню кінетики гранулювання у багатоступеневих поличних апаратах, проведенню теоретичних та експериментальних досліджень супутнього процесу сепарації твердих частинок із завислих шарів газовим потоком, проведенню ексергетичного аналізу з метою оцінки енергетичних витрат на процеси гранулювання методами прилювання у грануляційних баштах, обкочуванням у тарілчастих грануляторах, диспергуванням суспензій у псевдозріджений шар чи вихровий завислий шар, та на процес охолодження готових гранул у охолоджувачах різної конструкції з точки зору енергетичних втрат та ефективності використання енергії. Вперше створено науково-теоретичні основи для визначення температурного профілю у двошаровій гранулі, що дозволяє враховувати складні взаємодії між шарами гранули, теплопередачу, а також фізико-хімічні властивості використовуваних речовин. Теоретично проаналізовано вплив пористої структури оболонки на характер теплопровідності, включаючи комплексний аналіз взаємозв’язку між морфологією пор та ефективністю теплопередачі у шарі матеріалу. Представлено характеристику умов розмежування стадій теплоперенесення в системі «газ – тверда фаза» для псевдозріджених та завислих шарів. Створено науково-теоретичні основи формування гранул у багатоступеневих апаратах зваженого шару, що відкриває нові можливості для оптимізації процесів гранулоутворення у складних гетерогенних системах та сприяє підвищенню ефективності та якості виробництва гранульованих продуктів у різних галузях промисловості. Проведено ексергетичний аналіз для раціонального вибору конструкції охолоджувача гранул мінеральних добрив, що дозволяє систематично оцінити ефективність різних конструкцій охолоджувачів з точки зору енергетичних втрат та ефективності використання енергії. Набули подальшого розвитку науково-теоретичні основи процесу гранулювання, ускладненого умовами сепарації дрібних частинок, що дозволяє прогнозувати гранулометричний склад кінцевого продукту. Удосконалено методологічну основу теоретичного розрахунку розпаду струменів та теоретичного визначення розміру крапель рідини під впливом власних коливань у струмені рідини, а також методологічну основу теоретичного аналізу температурного профілю гранул мінеральних добрив уздовж радіуса цієї гранули до її центру, що дозволяє визначати динаміку зміни температури гранули при її конвективному охолодженні у грануляційній башті. Алгоритм розрахунків температурного профілю за допомогою диференційного рівняння теплопровідності Фур’є при граничних умовах 3-го роду передбачає отримання регресійних рівнянь для визначення сталих коефіцієнтів. Практичне значення роботи полягає у розробленні математичної моделі з чисельним алгоритмом та програмним забезпеченням для визначення величини виносу дрібних фракцій із псевдозріджених та завислих шарів, що дозволяє визначати гранулометричний склад ретуру та прогнозувати гранулометричний склад готового продукту. Рівняння для визначення величини виносу дрібної фракції мають емпіричний характер та враховують вплив швидкості газового потоку та швидкості витання твердих частинок. Таким чином, алгоритм розрахунку дозволяє підібрати оптимальний гідродинамічний режим псевдозрідження з метою отримання гранул заданого гранулометричного складу. Також розроблено методики термодинамічного та ексергетичного аналізів раціонального вибору певних типів охолоджувачів гранульованих мінеральних добрив. Запропонований метод враховує як термодинамічні показники – коефіцієнт охолодження, коефіцієнт рекуперації, термодинамічний коефіцієнт корисної дії, так і ексергетичні – ексергетичний коефіцієнт корисної дії. Такий підхід дозволяє більш коректно оцінити енергетичні витрати на процес охолодження дисперсних матеріалів та підібрати енергозберігаючу конструкцію апарата. Визначено конструктивно-технологічні параметри робочої камери поличного гранулятора зі зваженим шаром, що дозволяє реалізувати активний струменевий гідродинамічний режим зважування. Такий підхід сприяє покращенню ефективності технологічних процесів у промислових умовах і може мати значний вплив на підвищення конкурентоспроможності підприємств, які займаються виробництвом гранульованих продуктів. Практична значущість роботи підтверджена практичними рекомендаціями впровадження у виробництво малогабаритної мобільної установки для капсулювання мінеральних добрив на базі Товариства з обмеженою відповідальністю «Альянс», а також виконаними напрацюваннями дослідних зразків гранульованих добрив на органічній основі для Товариства з обмеженою відповідальністю «Білопілля Агросвіт» та напрацюванням дослідних зразків складнозмішаних (комбінованих) добрив спеціального призначення для Товариства з обмеженою відповідальністю «Аграрник».

The thesis addresses the scientific problem of developing the theoretical foundations for granule formation in heterogeneous environments. Specifically, it focuses on establishing the scientific-theoretical bases for the influence of temperature on the formation of the porous structure of the granule shell, analyzing the characteristics of interphase heat exchange in the «gas – solid phase» system under fluidized bed conditions, and mathematically modeling the interphase heat exchange process in a heterogeneous «gas – solid phase» system. The paper includes theoretical and experimental studies on the processes of granule formation and the hydrodynamic structure of gas-dispersed flow in multistage fluidized bed apparatuses. It also involves mathematical modeling of the shell formation kinetics during granulation (or encapsulation) of granules, the kinetics of granulation in multistage shelf apparatuses, and the accompanying process of solid particle separation from fluidized beds by gas flow. Furthermore, the thesis presents an exergy analysis aimed at evaluating energy expenditures for granulation processes using methods such as spraying in granulation towers, rolling in disc granulators, and suspending dispersions in fluidized or vortex fluidized beds. The research also evaluates the cooling of finished granules in different types of coolers from the perspective of energy losses and energy efficiency. For the first time, scientific-theoretical foundations have been established for determining the temperature profile in a double-layer granule, allowing for the consideration of complex interactions between granule layers, heat transfer, and the physicochemical properties of the materials used. The influence of the shell porous structure on the nature of thermal conductivity has been theoretically analyzed, including a comprehensive analysis of the relationship between pore morphology and heat transfer efficiency in the material layer. The conditions for delineating the stages of heat transfer in the «gas – solid phase» system for fluidized and suspended beds have been characterized. Scientific-theoretical foundations for granule formation in multistage fluidized bed apparatuses have been established, opening new possibilities for optimizing granulation processes in complex heterogeneous systems and improving the efficiency and quality of granulated product production in various industries. An exergy analysis has been conducted for the rational selection of mineral fertilizer granule cooler designs and are allowing for a systematic assessment of the efficiency of different cooler designs in terms of energy losses and energy use efficiency. The scientific-theoretical foundations of the granulation process, complicated by the conditions of fine particle separation, have been further developed and are eligible for the prediction of the granulometric composition of the final product. The methodological basis for the theoretical calculation of jet breakup and theoretical determination of droplet size under the influence of intrinsic oscillations in the liquid jet has been improved. As well as the methodological basis for the theoretical analysis of the temperature profile of mineral fertilizer granules along the radius to the center of the granule has been enhanced, enabling the determination of temperature dynamics during convective cooling in the granulation tower. The algorithm for calculating the temperature profile using the Fourier heat conduction differential equation under third-kind boundary conditions includes obtaining regression equations to determine constant coefficients. The practical value of the paper lies in the development of a mathematical model with a numerical algorithm and software for determining the amount of fine fraction carryover from fluidized and suspended beds, which allows for determining the granulometric composition of the return material and predicting the granulometric composition of the final product. The equations for determining the fine fraction carryover are empirical and consider the influence of gas flow velocity and solid particle entrainment velocity. Thus, the calculation algorithm allows one for selecting the optimal hydrodynamic mode of fluidization to obtain granules of the desired granulometric composition. A methodology for thermodynamic and exergy analyses of the rational choice of certain types of coolers for granulated mineral fertilizers has also been developed. The proposed method considers both thermodynamic indicators – cooling coefficient, recuperation coefficient, thermodynamic efficiency, and exergy indicators – exergy efficiency. This approach is eligible for a more accurate assessment of energy consumption for the cooling process of dispersed materials and the selection of an energy-efficient apparatus design. The design and technological parameters of the working chamber of a tray granulator with a fluidized bed have been determined and are eligible for the implementation of an active jet hydrodynamic fluidization regime. This approach enhances the efficiency of technological processes in industrial conditions and can significantly improve the competitiveness of enterprises engaged in the production of granulated products. The practical significance of the work is confirmed by practical recommendations for the implementation of a small-sized mobile unit for encapsulating mineral fertilizers based on «Alliance» LLC, as well as the development of experimental samples of organic-based granular fertilizers for «Bilopillya Agrosvit» LLC and the development of experimental samples of complex mixed (combined) fertilizers for special purposes for «Ahrarnik» LLC.