Анализ процесса водоэмульсионного гранулирования высоконаполненных полимерных систем методом конечных элементов

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №°18

УДК 621.66, 621.6.035, 621.6.04

А. А. Динисламова, И. А. Абдуллин, С. С. Ившин, Ю. И. Федоров, О. Б. Бородина, Э. Ф. Кравченко

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВОДОЭМУЛЬСИОННОГО ГРАНУЛИРОВАНИЯ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ

ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Ключевые слова: водоэмульсионное гранулирование, полимерные системы, анализ, метод конечных элементов.

Рассмотрен метод конечноэлементного анализа процесса водоэмульсионного гранулирования высоконаполненных полимерных систем на примере системы НЦ-дисперсный наполнитель (степень наполнения 96% по массе).

Keywords:aqueous emulsion granulation, polymer systems, analysis, finite element method.

The method offinite element analysis aqueous emulsion granulation process highly filled polymer systems on an example of the system NC-particulate filler (degree offilling of 96% by weight).

Введение

Водоэмульсионная технология получения гранул высоконаполненных полимерных систем является достаточно новым направлением в технологии переработки подобных систем и недостаточно изученным. Процесс отработки технологии базируется на эмпирических методах исследования кинетики и гидродинамики процесса, установления закономерностей изменений технологических параметров и критериев качества. Для реализации данного метода принято использовать реакторы с лопастной мешалкой погружного типа.

В настоящее время ведется множество исследований, направленных на моделирование работы лопастных мешалок погружного типа в качестве смесителей сыпучих компонентов, суспензий, эмульсий и т.д. [1-5]. В основе оценки качества смешения лежит анализ распределения полей скорости потоков, распределения компонентов смеси, параметров турбулентности.

Схожесть процессов смешения и гранулирования с использованием погружных мешалок дает возможность применения основных методов оценки качества смешения для оценки качества и выхода деловой фракции гранул.

Оборудование и методы исследования

Анализ процесса водоэмульсионного гранулирования осуществлялся с использованием программного комплекса ANSYSFLUENT [6]. Практическая реализация данного метода проводилась на базе установки, основным элементом которой является 4-хгранный реактор с лопастной мешалкой погружного типа, представленной на рис. 1.

1 - реактор-диспергатор, 2 - мешалка, 3 - реостат, 4 -термометр, 5 - термостат, 6 - штатив

Рис. 1 - Схема лабораторной установки получения гранулированных составов

Экспериментальная часть

Построение модели осуществлялось с использованием МИР метода. Для задания движения потоков внутри реактора использована турбулентная к-ш модель SST (ShearStressTransport) Ментера. Эта модель является объединением двух моделей к-е и к-ш, работающих в разных областях расчетной зоны. Использование к-ш модели во внутренних частях пограничного слоя позволяет использовать SST модель напрямую. В свободном турбулентном потоке модель Ментера ведет себя как к-е, тем самым избегая обычной проблемы к-ш модели - она слишком чувствительна к начальным условиям турбулентного потока. На рисунке 2 представлены результаты моделирования процесса гранулирования системы НЦ-дисперсный наполнитель (96%).

6.091 е-002 З.ЗЗЗе-002 2.411е-002 1.517е-002 9.546е-003 б.ООбе-ООЗ 3.779е-003 2.37ве-003 1.496е-003 9.413е-004

^ 0.0125 0.0375

Рис. 2 - Результаты расчетов распределения скорости движения гранул в дисперсионной среде: а - вид сбоку; б - вид сверху

Анализ распределения уровня скорости и направления движения гранул показывает, что

а

Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №18

основным гранулообразующим фактором является кинетическая энергия соударения частиц материала с лопастями мешалки, стенками реактора и между собой в пристеночной области воронки, что определяет большую роль геометрии исполнительных устройств.

Изменение кинетической энергии взаимодействия на прямую зависит от скорости движения частиц, определяемой движением лопастей мешалки.

На рис. 3 представлен график изменения скорости движения частиц материала в дисперсионной среде с увеличением скорости вращения лопастей мешалки вдоль радиуса реактора при постоянном модуле.

Рис. 3 - Зависимость скорости движения частиц материала от скорости вращения мешалки по радиусу реактора

Анализ диаграммы распределения скоростей показывает, что с увеличением числа оборотов мешалки помимо увеличения скорости движения самих частиц происходит смещения поля максимальных скоростей в пристеночную область реактора, за счет увеличения диаметра воронки, тем самым увеличивая степень взаимодействия между частицами материала и стенкой реактора.

Комбинирование расчетных и экспериментальных техник позволяет выявить взаимосвязи характеристик гранулированного продукта и технологического режима его получения. На рисунке 4 представлено изменение дисперсионного состава гранулированного полимерного продукта, содержащего 96% наполнителя, с увеличением расчетной скорости движения частиц.

© А. А. Динисламова - аспирант каф. технологии изделий из пиротехнических и композиционных материалов КНИТУ; И. А. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. технологии изделий из пиротехнических и композиционных материалов КНИТУ, ilnur@kstu.ru; С. С. Ившин - аспирант той же кафедры; Ю. И. Федоров - программист ЦНИТ КНИТУ, snchar@rambler.ru; О. Б. Бородина - аспирант каф. технологии изделий из пиротехнических и композиционных материалов КНИТУ; Э. Ф. Кравченко - магистр, аспирант той же кафедры.

© A. A. Dinislamova - postgraduate student of the Department "Technology Of Products From Pyrotechnic And Composite Materials" KNRTU; I. A. Abdullin - Dr. Sci. (Tech.), professor, head of the department TPPCM KNRTU, ilnur@kstu.ru; S. S. Ivshin - postgraduate student of the Department "Technology Of Products From Pyrotechnic And Composite Materials" KNRTU; Y. I. Fedorov -programmer CNIT KNRTU, snchar@rambler.ru; O. B. Borodina - postgraduate student of the Department "Technology Of Products From Pyrotechnic And Composite Materials" KNRTU; E. F. Kravchenko - master, post-graduate student of the Department "Technology Of Products From Pyrotechnic And Composite Materials" KNRTU.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Размер гр анул, мкм 0,006 м/с • 0,06015 м/с

0,06845м/с 0,0815м/с

Рис. 4 - Изменение гранулометрического состава продукта

Показано, что с увеличением скорости движения частиц и как следствие кинетической энергии их взаимодействия, происходит процесс измельчения, в результате чего происходит снижение доли крупных фракций (700-1000 мкм) и увеличение доли мелких (0-300 мкм).

Применение данной модели позволяет оценить влияние геометрии исполняющих устройств и модуля реактора на изменения гидродинамики процесса.

Литература

1. Елизаров Д.В. Приближенный расчет кинетических параметров массопереноса в аппаратах с перемешиванием дисперсной фазы в сплошной среде / Д.В. Елизаров,

B.В. Елизаров, Мерзляков С.А., Дьяконов С.Г. // Вестник технол. ун-та 2015. Т.18, №.20 С.83-87.

2. Елизаров Д.В. Прототипирование массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз. Дисс. д-ра техн.наук. КНИТУ, Казань, 2016.

3. Войтович Р. Моделирование движения жидкости в аппарате с мешалкой: влияние модели турбулентности / Р. Войтович, А.А. Липин // Химия и химическая технология 2014 т.57, в.1. С.108-112.

4. Газизуллин Н.А. Расчет поля скорости при течении вязкоупругой жидкости в аппарате с мешалкой // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. №1-2

C.373-377.

5. Газизуллин Н. А. Гидродинамика потоков, создаваемых лопастной мешалкой // Вестник Казанского технологического университета. 2012. №2 С.59-61.

6. ANSYSFLUENT 12.0 User'sGuide / ANSYS, Inc., 2009.2070 с.