ГРАНУЛИРОВАННОЕ УДОБРЕНИЕ НА ОСНОВЕ ТОРФА
GRANULAR FERTILISER BASED ON PEAT

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к области создания высокоэффективных гранулированных органических удобрений на основе торфа.
Уровень техники.
Известно гранулированное органо-минеральное удобрение "ОРМИН", содержащее компост на основе куриного помета и древесных опилок, минеральные удобрения и в качестве добавки - носителя микроэлементов - содержит природный цеолит в количестве 5-10 мac.%. (авт. св. CCCP N1819413, опубл. 24.04.90 г.).
Данное гранулированное удобрение обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью. Это удобрение является аналогом для обоих заявленных изобретений.
Известно также гранулированное удобрение, содержащее торф в количестве 90 мас.% и минеральные удобрения в количестве 10 мас.% (заявка на авт. св. СССР N2504324/30 - 15, опубл. 1977 г.).
Данное гранулированное удобрение обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью. Это удобрение является аналогом для обоих заявленных изобретений.
Прототипом является гранулированное удобрение на основе торфа, содержащее гранулы, и гранулы выполнены из торфа и связующего. Связующее - природный цеолит (патент РФ 2121489, опубликованный 10.11.1998).
Прототип обладает малой механической прочностью. Это не позволяет сохранять их целостность при транспортировке, хранении и внесении в почву.
Прототип обладает малой низкой водостойкостью, что не позволяет увеличить время их растворения в земле и время полезного действия на растения.
Это удобрение является прототипом для обоих заявленных изобретений.
Признаки прототипа, которые схожи с признаками обоих заявленных изобретений: гранулированное удобрение на основе торфа, содержащее гранулы, и гранулы выполнены с использованием торфа, связующего.
Раскрытие изобретения.
Задачей обоих изобретений является увеличение времени действия гранулированного удобрения на растения в почве.
5
5
У первого изобретения задача решается за счет того, что гранулированное удобрение на основе торфа содержит гранулы, и гранулы выполнены с использованием торфа, связующего, и от прототипа отличается тем, что связующее выполнено в виде смеси воды и торфа, причем смесь воды и торфа, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10 Па до 25·10 Па.
5
5
У второго изобретения задача решается за счет того, что гранулированное удобрение на основе торфа содержит гранулы, и гранулы выполнены с использованием торфа, связующего, и от прототипа отличается тем, что связующее выполнено в виде смеси воды, торфа, гидрофобного вещества, в частности октадециламина, причем смесь воды, торфа, гидрофобного вещества, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·10 Па до 25·10 Па.
Техническими результатами обоих изобретений являются:
существенное повышение твердости гранул, что позволяет сохранять их целостность при транспортировке, хранении и внесении в почву;
существенное повышение стойкости гранул к воздействию влаги, что позволяет увеличить время их растворения в земле и время полезного действия на растения.
Все технические результаты подтверждены экспериментально.
Перепад давления «Р» определяется по формуле:
,
где Р1 - давление на входе диспергатора;
Р2 - давление на выходе диспергатора.
В зависимости от конструкции диспергатора Р1 может быть больше Р2 и наоборот.
В качестве жидкости используют воду, в частности техническую воду, речную воду, различные водные растворы, водные смеси.
5
5
Для первого изобретения смесь жидкости и торфа один раз или несколько раз пропускают через диспергатор. Для второго изобретения смесь жидкости, торфа и гидрофобного вещества один раз или несколько раз пропускают через диспергатор. Экспериментально подтверждено, что при перепаде давления на диспергаторе от  0.1·10 Па до 25·10 Па в диспергаторе проходит процесс кавитации.
Проходящая через диспергатор смесь подвергается кавитационной обработке - воздействию высокого давления в тысячи атмосфер и высокой, в несколько тысяч градусов, температуры. Кавитационная обработка смеси осуществляется в зоне или зонах кавитации диспергатора.
Такой диспергатор часто называют кавитатором.
В торфе содержится лигнин, и в смеси жидкости с торфом также содержится лигнин. В диспергаторе при указанных перепадах давления в процессе кавитации происходит повышение концентрации лигносульфоновых кислот, пиролиз лигнина с образованием смол и полукоксов. Чем дольше смесь подвергают диспергации, тем больше получают из лигнина лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов.
Торф является углеродосодержащим материалом.
После диспергации (обработки смеси в диспергаторе) получают чрезвычайно эффективное связующее на основе лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов, полученных из лигнина.
Эксперименты, которые провели авторы, показали, что с увеличением времени диспергационной обработки смеси в конечном итоге твердость и влагостойкость полученных в дальнейшем гранул растет.
Так, при однократной обработки смеси (50% воды и 50% торфа, содержащего 50% влаги, то есть 75% воды и 25% сухого торфа по весу) в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных гранул составляет величину 125-130 НВ. При десятикратной обработке смеси в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных гранул составляет величину 230-250 НВ.
Процентное отношение воды и торфа может быть различное, в зависимости от конструкции диспергатора и мощности привода диспергатора или насосной установки.
В заявке мы описываем гранулированное удобрение. Гранулы, для упрощения сушки и улучшения использования, могут изготавливать полыми внутри. Полость используется для размещения в ней семени или семян.
Кроме того, гранулы могут изготавливать в форме торфяных трубок, пластинок, цилиндров, шариков, кусков и др.
Перечень фигур чертежей.
На фиг.1 представлен продольный разрез диспергатора с одним каналом для движения жидкости.
На фиг.2 представлен продольный разрез диспергатора, у которого один канал для движения жидкости разделяется на два канала, а затем эти два канала соединяются в один канал.
На фиг.3 представлен продольный разрез диспергатора с каналом для движения жидкости. Участок с уменьшающимся проходным сечением канала на своей поверхности, соприкасающейся с потоком жидкости, содержит область, содержащую чередующиеся по длине области выступы и углубления, причем область содержит один выступ, высота которого больше высот остальных выступов.
На фиг.4, 5 и 6 представлены различные формы выступов и углублений.
На фиг.7 представлен диспергатор, который применялся при изготовлении связующего.
На фиг.8 представлено прямоугольное сечение А-А канала диспергатора.
На фиг.9 представлено сечение Б-Б тела, которое разделяет канал на два канала.
На фиг.10 представлен вид сбоку на гранулу.
На фиг.11 представлено поперечное сечение В-В гранулы.
На фиг.12-15 представлены различные формы поперечных сечений гранул.
На фиг.16 представлена схема установки для получения связующего.
На фиг.17 представлена фотография двух гранул на основе торфа с отверстиями.
Осуществление изобретения.
В общем случае гранулы могут быть выполнены с использованием торфа, древесных опилок, древесной стружки, древесного угля, помета, мела, картона и связующего.
Далее приведем примеры получения гранул из торфа. Примеры описывают эксперименты, которые авторы провели при разработке изобретений.
Производство гранулированного удобрения проходит несколько стадий.
1 стадия. Предварительная подготовка торфа.
На стадии предварительной подготовки торфа производится его просеивание для исключения попадания в оборудование (технологическую линейку) частиц, размеры которых могут привести к засорению технологической линии. Размер частиц обусловлен используемым оборудованием. Так, на опытной технологической линии на торфоперерабатывающем предприятии максимальный диаметр частиц торфа, поступающего в диспергатор, не превышает 10 мм.
После этой стадии часть торфа поступает на оборудование по подготовке смеси для получения связующего, а остальная часть используется непосредственно для последующего получения торфяных гранул.
Оборудование по производству гранул допускает использование торфа с частицами больших размеров, чем допускает диспергатор. Например, при производстве кускового торфа с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000 максимальный размер частиц торфа, поступающих на формование, не превышает 0,5 от диаметра формуемого куска, что соответствует 10 мм или 25 мм в зависимости от диаметра мундштуков на формовалике, то в этом случае торф, поступающий для производства связующего, либо проходит дополнительное просеивание, либо просеивание этого торфа выделяется в отдельную линию.
2 стадия. Подготовка смеси торфа с водой. Изготовление связующего.
2.1. Предварительное перемешивание воды с торфом в определенной пропорции для подачи этой смеси на диспергатор. Это может облегчить автоматизацию процесса и повысить эффективность работы диспергатора (кавитатора).
Предварительно подготовленная смесь в нужной пропорции подается в приемный бак на входе диспергатора (кавитатора), после чего посредством насоса смесь забирается из приемного бака, подается в диспергатор, а затем после диспергатора поступает обратно в приемный бак. Обработка смеси диспергатором (кавитатором), в зависимости от его конструкции и требованиям к качеству выходной смеси, происходит в один или несколько циклов. При многоцикличном режиме обработанная смесь после диспергатора поступает обратно в приемный бак несколько раз, например два, три, десять раз.
2.2. Возможна работа без предварительного перемешивания воды с торфом. Без предварительной подготовки в приемный бак диспергатора заливается вода. Торф засыпается в воду при работающем диспергаторе (кавитаторе).
2.3. Возможна предварительная подготовка смеси непосредственно в приемном баке (перемешивание с помощью лопатки), но это займет некоторое время, в течение которого диспергатор (кавитатор) работать не будет.
2.4. Для второго изобретения в смесь добавляют гидрофобное вещество.
5
3 стадия. Перемешивание торфа и подготовленной (обработанной в диспергаторе) смеси - связующего. Время перемешивания зависит от способа формовки гранул. Например, при формовке гранул низким давлением (например, с использованием валковых прессов), когда необходимо обеспечить, чтобы формуемая масса не прилепала к форме, время перемешивания может достигать 15 мин. При прессовании гранул с использованием шнековых или других прессов (например, с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000), когда обеспечивается достаточно высокое (более 2·10 Па) давление на смесь, время перемешивания резко снижается.
4 стадия. Формирование гранул осуществляется с использованием формовочных машин различного конструктивного выполнения с последующей сушкой готового гранулированного удобрения.
Вышеописанный процесс гранулирования удобрения на основе торфа аналогичен процессу гранулирования или брикетирования торфа как топлива. Следует отметить, что при необходимости гранулированное удобрение на основе торфа может использоваться в качестве топлива.
Пример изготовления связующего.
Исходный материал:
10 кг измельченного торфа с влажностью 50% (5 кг - торфа и 5 кг воды);
8 кг воды.
Загрузка диспергатора исходным материалом.
Сначала в приемный бак 55 (см. фиг.16) заливается вода, включается насос 56 и посредством насоса вода прокачивается через диспергатор 57. Вода из приемного бака 55 проходит через диспергатор, а затем возвращается в приемный бак 55. Постепенно, примерно в течение 3 минут, в приемный бак при работающем насосе и диспергаторе засыпается измельченный торф (это делается для того, что бы входной патрубок диспергатора не забился). Время обработки смеси после засыпки всего торфа составляет 2 минуты. После этого связующее для получения гранулированного удобрения готово. При реализации второго изобретения в воду добавляют 1% (по весу) октадециламина.
Пример смешивания связующего с торфом.
Смеситель - бетономешалка.
На 32 кг торфа (с влажностью 50%) берется 5-8 кг связующего.
Перемешивание в течение 15 мин.
Количество возможных замесов - 3 замеса в час.
Пример прессования.
Далее полученная смесь торфа со связующим поступает в валковый пресс. Через пресс можно пропустить до 30 кг смеси в минуту. С учетом 70% выхода гранул - 20 кг гранул в минуту. Оставшиеся 30% смеси возвращаются в пресс. Малая производительность и малый выход обусловлены необходимостью регулировки подачи смеси на валки. Из-за липкости смеси происходит ее прилипание к стенкам приемного бака пресса (бак не приспособлен к смеси с такой вязкостью), и шнек подачи малоэффективен, так как рассчитан на менее липкую смесь. Приходится одному рабочему постоянно находится над приемным устройством пресса и регулировать подачу.
В процессе экспериментальных работ был проведен сравнительный анализ заявленных гранул с аналогами на основе отходов древесного угля.
Гранулированное удобрение на основе отходов древесного угля, древесной муки, связующего - лигносульфоната, 80% водно-известково-глиняной смеси. Этот состав наиболее стоек к воздействию влаги по сравнению со всеми известными торфяными и древесными гранулами. Его показатели твердости и стойкости к влаге являются максимально возможными для современных торфяных гранул. Поэтому авторы решили сравнить характеристики заявленных гранул именно с этим удобрением. Причем в экспериментах изготавливались экспериментальные образцы в форме гранулы с отверстием. Смотри фото на фиг.17.
Результаты сравнения размещены в таблице 1. В таблице значения твердости и стойкости к воздействию влаги являются средними значениями по десяти измерениям. Всего было изготовлено 30 экспериментальных гранул по первому изобретению, 20 экспериментальных гранул по второму изобретению, а также 30 гранул - аналога.
Таблица 1
Сравнительный анализ заявленных гранул с их аналогами
№
Состав гранулы
Твердость по Бринеллю, НВ
Стойкость к воздействию влаги, час*
1
Заявленное гранулированное удобрение. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (5 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе.
150
90
Влажность высушенных гранул 15%.
2
Заявленное гранулированное удобрение. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (8 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе.
180
140
Влажность высушенных гранул 15%.
3
Заявленное гранулированное удобрение. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе.
210
165
Влажность высушенных гранул 15%.
4
Заявленное гранулированное удобрение. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (1%), полученное после обработки** в диспергаторе.
210
840
Влажность высушенных гранул 15%.
5
Заявленное гранулированное удобрение. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (10%), полученное после обработки** в диспергаторе.
210
Более 2000
Влажность высушенных гранул 15%.
6
Удобрение на основе отходов древесного угля и древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 20% водно- известково-глиняная смесь.
35
3
Влажность высушенных гранул 15%.
7
Удобрение на основе отходов древесного угля и древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 60% водно- известково-глиняная смесь.
55
5
Влажность высушенных гранул 15%.
8
Удобрение на основе отходов древесного угля и древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 80% водно- известково-глиняная смесь.
75
7
Влажность высушенных гранул 15%.
*) время полного разрушения гранул, полностью помещенных в сосуд с водой.
**) пятикратная обработка смеси в диспергаторе.
Сравнительный анализ гранул авторами проводился во время проведения экспериментов с топливными элементами на основе торфа (см. патент РФ 2413755).
3
Удельный вес получаемых гранул из торфа составляет величину от 0.4 до 1.5 т/м.
Для существенного (как видно из таблицы 1) повышения стойкости гранул к воздействию влаги в связующее может быть добавлен октадециламин или другое гидрофобное вещество. При использовании октадециламина (1%, 10% и более в связующем) время нахождения гранул (без разрушения) в воде составляет - месяцы. Количество гидрофобного вещества, в частности октадециламина, в связующем может быть от 0.1 до 10%. Вышеприведенные данные подтверждены результатами экспериментов.
5
5
В книге Ганиев P.Ф., Кормилицын В.И, Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания. - М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008 г., 116 стр. приведены конструктивные схемы диспергаторов. В книге на стр.35 приведены режимы работы диспергатора при смешивании воды с мазутом. Приведены данные по перепадам давления на диспергаторе от 2.21 до 12.85 атм от 2.21·10 Па до 12.85·10 Па.
5
5
Впоследствии при создании смеси воды и торфа в экспериментах фиксировались режимы работы в более широком диапазоне перепадов давлений, а именно от 0.1·10 Па до 25·10 Па. Этот проверенный диапазон и вошел в данное изобретение.
5
При перепаде давления на диспергаторе 0.1·10 Па наблюдался (визуально) режим кавитации. Диспергатор для этих экспериментов был выполнен из органического стекла. Изменялось давление в заявленном диапазоне путем открытия или перекрытия заслонки на трубопроводе подачи смеси от насоса в диспергатор.
5
5
5
5
5
С целью повышения качества связующего целесообразно повышать перепад давления на диспергаторе от 0.1·10 Па и выше. Для малых установок целесообразно использовать малогабаритные диспергаторы (с расходом 1-7 т/час). При этом приемлем режим диспергации при перепаде давления от 0.1·10 Па до 2.5·10 Па. На крупных промышленных установках целесообразно использовать крупногабаритные диспергаторы (с расходом 25-50 т/час) и обеспечивать перепад давления от 2.0·10 Па до 25·10 Па.
В исследованиях при создании связующего использовались различные соотношения воды и торфа. В таблице 2 приведены некоторые примеры исходного состава компонентов связующего. Для подачи смеси в диспергатор использовался центробежный насос. Данные в таблице округлены до целых.
Таблица 2
Состав связующего
№
Вес торфа, кг
Влажность торфа, %
Вес воды, кг
1
15
50
5
2
10
50
8
3
8
50
10
4
1
50
20
5
0.1
50
30
6
25
50
5
При использовании на крупных промышленных предприятиях крупногабаритных диспергаторов подачу в них смеси торфа и воды целесообразно осуществлять мощными плунжерными насосами. При этом общее содержание воды в исходной смеси может быть уменьшено до минимума, практически до значения влажности используемого торфа.
По нашим данным смесь №6 в таблице 2 - это предельная смесь, которая может прогоняться центробежным насосом через диспергатор. Смесь по вязкости напоминает негустую сметану.
Для гранулирования может быть использован любой торф (низинный, верховой, переходный), соответствующий по общетехническим свойствам требованиям к торфу как сырью для производства органических удобрений, влажностью от 45 до 75%.
Гранула - твердое вещество размером от 5 мм до 100 мм.
Для изготовления торфяных гранул могут применяться не только торф, но и другие вещества, в частности древесные опилки, древесная стружка. При этом торфа в грануле по весу должно быть больше 50% от веса гранулы.
Размер гранулы - расстояние между наиболее удаленными ее частями.
На фиг.10 представлен вид сбоку на гранулу.
Ниже приведены примеры выполнения гранул.
Гранула может выполняться длиной от 5 мм до 60 мм. Поперечное сечение гранулы может быть выполнено в виде круга (см. фиг.11). Диаметр границы поперечного сечения гранулы может быть от 3 мм до 50 мм. На фиг.12-15 представлены различные формы поперечных сечений гранул. Гранулы целесообразно выполнять с отверстиями (см. фиг.17). При использовании удобрения по назначению в отверстия гранул помещают зерна.
На производстве авторами отработаны гранулы с диаметром поперечного сечения 30 мм и 50 мм и диаметром отверстия 10 мм и 20 мм (см. фото на фиг.17). Экспериментально отработаны гранулы диаметром от 3 мм до 50 мм.
Таким образом, при реализации изобретений будет обеспечено существенное повышение твердости гранул. Это позволит сохранить их целостность при транспортировке, хранении и внесении в почву. Это важно при обеспечении точной дозировки при внесении гранул в почву.
Также будет достигнуто существенное повышение стойкости гранул к воздействию влаги. Это позволяет увеличить время их растворения в земле и время полезного действия на растения. Основным недостатком аналогов является то, что во время дождей гранулы размываются, удобрение вымывается из слоя почвы, где располагаются семена и корни растений. У заявленного удобрения этот недостаток отсутствует.
У второго изобретения в гранулах присутствует гидрофобное вещество. Это вещество повышает стойкость гранул к воздействию влаги (см. строки 4 и 5 таблицы 1) при сохранении их прочностных характеристик.
Главным элементом технологической линии по производству заявленного гранулированного удобрения является диспергатор.
Авторами конструктивно отработан диспергатор (см. фиг.1-9).
Дадим определения, касающиеся диспергатора и процесса диспергирования.
Диспергатор - устройство для смешивания двух и более веществ.
Диспергирование - перемешивание. В заявленном диспергаторе перемешивание смеси осуществляется за счет ее кавитации.
Область интенсивного диспергирования - область в потоке смеси, где происходит интенсивное перемешивание смеси. Эту область интенсивного диспергирования еще называют рабочей областью диспергирования, или областью кавитации, или зоной кавитации, или зоной интенсивного диспергирования.
Корпус диспергатора - основной элемент диспергатора, в котором расположен канал или каналы для движения жидкости, в частности смеси, содержащей торф и воду. Смесь может содержать и другие компоненты.
Смесь - продукт смешения, механического соединения каких-либо веществ.
Смесь воды и торфа будем называть просто смесью.
Жидкая смесь - продукт смешения, механического соединения каких-либо жидких веществ.
Под термином "канал" понимается полое пространства или полость, например, в виде трубы.
Канал в диспергаторе для движения смеси - пространство или полость, например в виде трубы, по которой движется смесь во время работы диспергатора. Канал содержит участки, в частности участок с уменьшающимся проходным сечением канала, участок с увеличивающимся проходным сечением канала. Канал диспергатора содержит минимальное проходное сечение канала, за которым во время работы диспергатора образуется область кавитации или область интенсивного диспергирования внутри канала.
Участок с уменьшающимся проходным сечением канала - участок канала, у которого по длине канала (по направлению движения смеси или жидкости в диспергаторе) площадь проходного сечения канала уменьшается. Определение «участок с уменьшающимся проходным сечением канала» описывает устройство канала в статическом состоянии.
Участок с увеличивающимся проходным сечением канала - участок канала, у которого по длине канала (по направлению движения смеси или жидкости в диспергаторе) площадь проходного сечения канала увеличивается. Определение «участок с увеличивающимся проходным сечением канала» описывает устройство канала в статическом состоянии.
Участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала - участок по длине канала (по направлению движения смеси в диспергаторе), на котором проходное сечение от одного поперечного сечения до другого поперечного сечения уменьшается.
Участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала - участок по длине канала (по направлению движения смеси в диспергаторе), на котором проходное сечение от одного поперечного сечения до другого поперечного сечения увеличивается.
Проходное сечение канала - поперечное сечения канала, через которое проходит смесь. Поперечное сечение канала является частью сечения диспергатора, которое построено перпендикулярно к продольной оси канала на рассматриваемом участке. Проходное сечение характеризуется площадью проходного сечения.
Диспергатор, изображенный на фиг.1, содержит корпус 1 с каналом 2 для движения воды, жидкой смеси, смеси, и канал, по направлению движения смеси, содержит участок с уменьшающимся проходным сечением канала 3 (протяженность участка обозначена позицией 4), минимальное проходное сечение канала 5, участок с увеличивающимся проходным сечением канала 7 (протяженность участка обозначена позицией 8).
Термин «по направлению движения смеси» обозначает то, что участки расположены один за другим (на фиг.1 - это слева направо) по направлению движения смеси во время работы диспергатора.
На фиг.2 участки 20 и 26 расположены один за другим по направлению движения смеси. На фиг.2 участки 23 и 27 также расположены один за другим по направлению движения смеси.
Направление движения смеси на фиг.1 обозначено позицией 10, а на фиг.2 обозначено позицией 19.
Рифли - бороздки на поверхности канала.
Поперечные рифли - рифли, выполненные на поверхности канала в поперечном направлении (под углом 90°) относительно продольной оси канала.
Направление движения смеси в канале - направление от входа в диспергатор до выхода из диспергатора.
Канал диспергатора на своей поверхности, соприкасающейся с потоком смеси (смотри, например, патент РФ №2293599) может содержать область.
Область - часть поверхности канала ненулевой площади.
Протяженность области - длина области в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала (по прямой линии между крайними точками области).
Протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением канала - длина участка (по прямой линии между крайними точками) в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала.
Протяженность участка с увеличивающимся проходным сечением канала - длина участка (по прямой линии между крайними точками) в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала.
Дадим определение выступу.
Прежде всего, строят продольное сечение, проходящее через интересующую область на поверхности канала. Линию пересечения плоскости и поверхности канала называют границей продольного сечения. Выступ определяется на границе продольного сечения, в частности на границе продольного сечения канала, или участка канала, или области на поверхности канала.
Если в сечении между двумя точками, одновременно принадлежащими границе сечения и срединной линии границы сечения, между границей сечения и срединной линией расположена часть сечения, то говорят, что между указанными точками на границе сечения расположен выступ. Также говорят, что сечение содержит выступ на участке границы сечения или на границе сечения между двумя точками расположен выступ. Это определение (мы в нем заменили поперечное сечение на продольное сечение) опубликовано в Интернете по адресу: http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Дадим определение углублению.
Прежде всего, строят продольное сечение, проходящее через интересующую область на поверхности канала. Линию пересечения плоскости и поверхности канала называют границей продольного сечения. Углубление определяется на границе продольного сечения, в частности на границе продольного сечения канала, или участка канала, или области на поверхности канала.
Если в сечении между двумя точками, одновременно принадлежащими границе сечения и срединной линии границы сечения, между границей сечения и срединной линией расположена область (пространство), примыкающая к границе сечения и не являющаяся сечением, то говорят, что между указанными точками расположено углубление. Это определение опубликовано в Интернете по адресу: http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Чередующиеся по длине выступы и углубления - это когда за выступом следует углубление и т.д., при этом выступов не менее двух и углублений не менее двух.
Поверхность, соприкасающаяся с потоком смеси, - внутренняя поверхность канала, которая контактирует с потоком смеси.
Перепад давления на диспергаторе - разность показаний манометров на входе и на выходе диспергатора при его работе.
Диспергатор содержит корпус 1 (см. фиг.1) с каналом 2 для движения смеси, и в качестве смеси используют смесь, содержащую воду и торф или воду, торф и гидрофобное вещество; канал, по направлению движения смеси, содержит участок с уменьшающимся проходным сечением канала 3 (протяженность участка обозначена позицией 4), минимальное проходное сечение канала 5.
Поперечное сечение, которое построено перпендикулярно к продольной оси канала и проходящее через минимальное проходное сечение канала 5, обозначено позицией 6 (обозначено пунктиром на фиг.1).
Позицией 7 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала (протяженность участка обозначена позицией 8.
Участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала на своей поверхности 9, соприкасающейся с потоком 10 смеси, содержит область 11 (см. фиг.2), содержащую чередующиеся по длине области выступы 12 и углубления 11, причем область содержит один выступ 14, высота которого больше высот остальных выступов на этой области.
Область 11 расположена на расстоянии 15 (см. фиг.3) от минимального проходного сечения канала 5. В частном случае область расположена на расстоянии 0.1 мм - это расстояние из диапазона значений от 0.001 до 1 мм. Чем ближе область 11 к сечению 5, тем меньших размеров она может быть.
Протяженность области составляет величину L, которую определяют по формуле:
L=nS,
где n - величина, принимающая значение от 0.1 до 0.5;
S - протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением по длине канала.
При S=100 мм L может принимать значения 10, 15, 20, 30, 40, 50 мм. Могут быть и другие протяженности.
Область интенсивного диспергирования обозначена позицией 16 на фиг.3.
На фиг.2 изображено продольное сечение диспергатора. Диспергатор содержит корпус 17 (см. фиг.2) с каналом 18 для движения смеси.
Канал по направлению движения 19 смеси разветвляется на два канала. При этом первый канал содержит участок 20 с уменьшающимся проходным сечением канала (протяженность участка обозначена позицией 21), минимальное проходное сечение канала 22. Позицией 26 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине первого канала.
Второй канал содержит участок 23 с уменьшающимся проходным сечением канала (протяженность участка обозначена позицией 24), минимальное проходное сечение канала 25.
Позицией 27 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине второго канала.
Диспергатор может быть выполнен так, что содержит канал 28 (см. фиг.1) для подачи жидкости (или газа, пара) в область интенсивного диспергирования. Подавать могут гидрофобное вещество. Также подавать могут воздух, что способствует увеличению азота в связующем и в грануле в целом.
На фиг.2 изображен диспергатор, и диспергатор выполнен так, что содержит два канала 29 и 30 для подачи жидкости (или газа, пара) в области интенсивного диспергирования за сечениями 22 и 25. Тело, которое разделяет канал на два канала, выполнено в виде трубы 40 с двумя каналами (отверстиями) 29 и 30.
На фиг.4-6 представлены чередующиеся выступы и углубления различных видов. Выступы с наибольшей высотой обозначены позициями 31, 32 и 33.
Высота выступа 31 обозначена позицией 39. Высота малого выступа обозначена позицией 37. Высота замеряется от срединной (средней) линии 34 см.
http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Кроме того, на фиг.5 и 6 срединные линии обозначены позициями 35 и 36.
Глубина углубления 38 также замеряется от срединной линии.
Выступы и углубления могут выполняться прямоугольной, трапециевидной, треугольной, круглой формы (практически любой формы) в продольном сечении канала. Глубина углубления может составлять величину 0.005 ÷ 5 мм, при толщине корпуса диспергатора, превышающей глубину углубления не менее чем на 10%. Высота выступа может составлять величину 0.005 ÷ 5 мм при диаметре проходного сечения канала, превышающем высоту выступа не менее чем на 100%.
Выступ с максимальной высотой выполнен таким образом, что его высота превышает высоту наименьшего по высоте выступа в 1.1÷10 раз.
На поверхности канала, соприкасающейся с потоком смеси, могут быть выполнены поперечные рифли. Рифли могут выполняться прямоугольной, треугольной, круглой (или округлой) формы в продольном сечении канала. Глубина рифлей может составлять величину 0.005 ÷ 5 мм, если позволяет толщина корпуса диспергатора.
Геометрические характеристики выступов, углублений и рифлей выбираются из условий обтекания их потоком смеси, а именно с учетом скорости потока, давления торможения, плотности смеси, а также от того, где расположены выступы, углубления (рифли) относительно минимального проходного сечения.
Главная задача этих устройств - максимальное возмущение потока перед зоной интенсивного диспергирования (кавитации), как у стенок канала, так и в глубине потока смеси.
На практике (на момент подачи данной заявки на экспертизу в ФИПС) апробированы конструкции диспергаторов с диаметром канала от 5 до 100 мм, длиной сужающегося участка (участка с уменьшающимся проходным сечением по длине канала) от 50 до 1000 мм, глубиной рифлей и углублений от 0.001 до 5 мм, высотой выступов от 0.001 до 5 мм.
При этом глубины величиной 0.001÷0.004 мм дают малый эффект. Лучше выполнять глубины начиная с величины 0.005 мм и глубже. Высоты выступов величиной 0.001÷0.004 мм также дают малый эффект. Лучше выполнять высоты выступов начиная с величины 0.005 мм и выше.
Экспериментально подтверждено, что заметный (по приборам и визуально) эффект дает выступ с максимальной высотой когда его высота превышает высоту наименьшего по высоте выступа в 1.05÷10 раз. Однако превышение на 5% дает малый эффект. Лучше, чтобы высота наибольшего по высоте выступа превышала высоту наименьшего выступа в 1.1÷10 раз.
Перемешивание потока 10 смеси в диспергаторе осуществляется при взаимодействии ее с выступами 12, 14 и углублениями (рифлями) 13 и в зоне интенсивного диспергирования смеси (в зоне кавитации) 16. См. фиг.3.
В процессе обтекания смесью выступов 12, 14 и углублений 13 поток смеси перемешивается (можно сказать - турбулизируется). Причем выступы малой высоты осуществляют перемешивание вблизи внутренней поверхности канала. А выступ большой высоты перемешивает слои потока, движущиеся ближе к центру потока.
Далее, двигаясь по участку канала с уменьшающимся проходным сечением по длине канала (по сужающейся части канала) 3 (см. фиг.3), смесь ускоряется до скорости 10 м/с и выше. Экспериментально апробирован разгон смеси до скорости более 50 м/с.
Скорость смеси увеличивается, а давление в потоке уменьшается. Уменьшение давления ниже давления насыщенного пара вызывает появление паровых пузырьков в зоне (области) потока 16. В дальнейшем смесь тормозится - попадает в область повышенного давления. Торможение происходит на участке с увеличивающимся проходным сечением по длине канала - за сечением 5.
При торможении смеси паровые пузырьки (кавитационные пузырьки) охлопываются, обеспечивая при этом эффективное дробление компонентов смеси и их перемешивание.
На фиг.1 показан канал 28. По этому каналу в зону кавитации (интенсивной кавитации) может подаваться жидкость, газ или пар. Например, при работе диспергатора по каналу в зону интенсивной кавитации подают водяной пар. Подача пара существенно интенсифицирует кавитационные процессы в диспергаторе.
Или при работе диспергатора по каналу в поток жидкости на участке с увеличивающимся проходным сечением по длине канала подают водяной пар.
На фиг.2 показаны два канала 29 и 30. По этим каналам в зону кавитации может подаваться жидкость, газ или пар.
Авторами проведены сравнительные испытания диспергаторов с различными конструкциями выступов и углублений.
При разработке заявки были проведены эксперименты на диспергаторе с прозрачным корпусом. Конструкция диспергатора аналогична конструкции, приведенной на фиг.1 и фиг.3. Смесь прокачивалась через диспергатор с помощью насоса.
Область, содержащая чередующиеся по длине области выступы и углубления, расположена на расстоянии 0.1 мм от сечения 5 (см. фиг.3). Протяженность области - 20 мм, ширина области - 10 мм. Количество выступов - 20. Количество углублений - 19.
Выступы выполнены высотой 0.5 мм. Один выступ, расположенный в центре области, - регулируемый по высоте и имеет возможность подниматься на высоту 5 мм над срединной линией границы продольного сечения. Диаметр этого выступа 2 мм.
Протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением канала 40 мм.
Протяженность участка с увеличивающимся проходным сечением канала 40 мм.
Диаметр проходного сечения канала на входе в диспергатор и на выходе из диспергатора 60 мм.
Диаметр минимального проходного сечения 5 мм.
Протяженность зоны 16 интенсивной кавитации обозначена позицией 41.
Протяженность зоны определялась визуально через прозрачный корпус диспергатора. При работе диспергатора на различных режимах протяженность зоны составляла величину от 3 до 7 мм.
В эксперименте изменялись высота регулируемого выступа и скорость движения жидкости (50% солярки и 50% воды).
На входе и выходе диспергатора установлены манометры. Скорость потока регулировалась задвижкой, расположенной в трубопроводе между насосом и диспергатором.
Скорость потока измерялась с помощью гидрометрической вертушки типа ИСП-1.
Результаты экспериментов приведены в таблице 3.
Анализ таблицы показал, что с увеличением высоты выступа скорость потока в минимальном проходном сечении, которая обеспечивает установление интенсивной кавитации, уменьшается. Это позволяет снизить мощность насоса для прокачки смеси через диспергатор до 20%.
Кроме того, с увеличением высоты выступа наблюдается увеличение объема (зоны) области интенсивного диспергирования в смеси при движении ее внутри канала. Это повышает качество диспергирования.
Эксперименты показали, что увеличение числа выступов увеличенной высоты до 2, 3 и т.д. в одном продольном сечении не приводит к усилению эффекта.
Таблица 3
Зависимость скорости установления интенсивного диспергирования от геометрических характеристик выступов и углублений (обеспечивается перепад давления на диспергаторе 2.1 атм)
№
Высота регулируемого выступа, мм
Скорость потока в минимальном проходном сечении, м/с
Протяженность зоны интенсивной кавитации, мм
1
Выступы отсутствуют
19.0
3
2
0.5
18.0
3
3
0.6
17.5
3
4
0.65
17.5
3
5
1.0
16.7
4
6
1.5
16.3
4
7
2.0
16.0
5
8
2.5
15.7
5
9
3.0
15.3
5
10
3.5
14.3
6
11
4.0
14.0
6
12
4.5
13.8
7
13
5.0
13.3
7
На фиг.7 представлен диспергатор, который применялся при испытаниях и отработке процесса получения связующего. Этот же диспергатор применялся для отработки процессов получения жидких топлив на основе мазута и воды.
Канал 42 имеет прямоугольную форму (см. фиг.8). Позицией 43 обозначено тело, которое разделяет канал на два канала. В испытаниях скорость потока смеси на входе в диспергатор принимала значения от 6 до 20 м/с. Позицией 44 также обозначено тело, которое разделяет канал на два канала. Тело 43 повернуто на 90° относительно тела 44. За телом 43 отверстия 45 (диаметр 1÷2 мм) для подачи в канал (в зону кавитации) компонентов смеси. Компоненты подводятся по трубе 46. За телом 44 отверстия 49 (диаметр 1÷2 мм) для подачи в канал (в зону кавитации) компонентов смеси. Компоненты подводятся по трубе 47. По трубе 48 в поток также может подаваться компонент смеси.
Канал имеет высоту 50 и ширину 51. В экспериментах канал имел ширину 8÷20 мм, высоту 4÷10 мм. Диаметр тела 43 имел значение 4÷10 мм. Диаметр 52 тела 44 имел значение 4÷6 мм.
Скругления канала 53 и 54 рассчитывались по методике, приведенной на стр.38÷44 источника: Рихтер Л.А. Газовоздушные тракты тепловых электростанций. - М.: Энергия, 1969. Скругления обеспечивают безотрывный поворот потока, что важно для поддержания стабильной кавитации.
Таким образом, заявленное гранулированное удобрение по сравнению с прототипом обеспечивает:
- существенное повышение твердости гранул;
- существенное повышение стойкости гранул к воздействию влаги.