ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
КОРНІЄНКО ЯРОСЛАВ МИКИТОВИЧ
УДК 628.5:66.002.8
УТИЛІЗАЦІЯ ПРОМИСЛОВИХ ВІДХОДІВ
ЧЕРЕЗ СТВОРЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА НОВИХ ДОБРИВ ДЛЯ ЕКОЛОГІЧНО БЕЗПЕЧНОГО ЗЕМЛЕРОБСТВА
Спеціальність 21.06.01 – Екологічна безпека
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ 2003
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному технічному університеті України
“Київський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України,
на кафедрі машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв.
Науковий консультант: доктор хімічних наук, професор Заграй Ярослав Михайлович, Київський Національний університет будівництва та архітектури, директор державного інженерно-екологічного комплексу
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Астрелін Ігор Михайлович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри технології неорганічних речовин та загальної хімічної технології, декан хіміко-технологічного факультету,
доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шурчкова Юлія Олександрівна, Інститут технічної теплофізики НАН України, головний науковий співробітник, заступник завідувача відділу тепломасообмінних процесів в дисперсних системах,
доктор технічних наук, професор Кулінченко Віталій Романович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри процесів і апаратів харчових виробництв.
Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра екології та охорони навколишнього середовища.
Захист відбудеться 12.05.2003 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 21, аудиторія 209.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, 03056, Київ-56, просп. Перемоги, 37.
Автореферат розісланий 25.03.2003 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05
кандидат технічних наук, професор | В.Я. Круглицька
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Існування та розвиток суспільства пов’язаний із збільшенням техногенного та антропогенного тиску на довкілля, що має негативні наслідки - збільшення обсягів промислових відходів та зниження родючості продуктивних земель. Так, загальний обсяг накопичених відходів у поверхневих сховищах України перевищує 25 млрд.т. Щорічний обсяг забруднення, який припадає на 1 км2 в Україні, у 6,5 рази вищий, ніж у США, та в 3,2 рази, ніж у всіх країнах ЄЕС.
Тут є велика частка і хімічної промисловості - 35 млн.т., в тому числі щорічно на вітчизняних виробництвах капролактаму утворюється до 500 тис. м3 водних розчинів сульфату амонію та до 100 тис. м3 аміачної води на виробництвах аміаку, а при видобутку і збагаченні вугілля і проведенні розкривних робіт утворюється біля 150 млн. м3 породи. У цих відходах міститься значна кількість азоту та гумінових речовин.
Для забезпечення своїх продовольчих потреб Україна змушена збільшити розораність своїх ґрунтів до 57%, що майже в 2 рази більше, ніж в розвинених країнах західної Європи і в 3 рази більше, ніж в США. Існуюча в світі система компенсації витрат поживних речовин в ґрунті базується на внесенні мінеральних добрив на рівні 300 і більше кілограмів діючої речовини на 1 га з оптимальним співвідношенням азотних, фосфорних і калійних компонентів. В Україні до 1990 р. вносилось 180 кг діючої речовини на 1 га азотних, фосфорних і калійних добрив у відповідних співвідношеннях, але, починаючи з 1996 р., цей показник зменшився більше, ніж в 7 разів і становить близько 21 кг д. р. на 1 га і це, в основному, азотні добрива. Сукупність дії цих факторів призвела до того, що за даними фахівців УААН, середній щорічний винос гумінових речовин в Україні за останні 80 років збільшився в 1,6 рази.
Тому утилізація рідких відходів через створення екобезпечної, енергоощадної технології виробництва і застосування гранульованих органомінеральних добрив з промислових відходів, що містять мінеральні поживні компоненти та гумінові речовини, доведення їх прямо до кореневої системи рослин та відновлення структури ґрунтів, дозволить вирішити важливу народногосподарську проблему – створення засад збалансованого екологічно безпечного землеробства.
Нова технологія утилізації відходів хімічної та вугледобувної промисловостей сприятиме підвищенню екологічної безпеки в промисловості та дозволить отримати нові гранульовані добрива із змінним співвідношенням поживних і гумінових речовин, які визначаються агроекологічними умовами регіону їх застосування.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в межах державної тематики:
Тема: “Определение оптимальных технологических параметров получения комплексных минеральных удобрений гумата-сульфата аммония ” (д/б №2051), № державної реєстрації 01910003550. Термін виконання: 1990-1991 р. Замовник – Міністерство освіти України.
Тема: “Дослідження кінетичних характеристик процесу зневоднення органомінеральних систем” (д/б №2139) № державної реєстрації 0196U009814. Термін виконання: 1996-1997 р. Замовник – Міністерство освіти України.
Тема: “Дослідження впливу гідродинамічних характеристик псевдозрідженого шару на процес тепло-масообміну” (д/б № 2/49 - 98) № державної реєстрації 0198U003090. Термін виконання: 1997-1998 р. Замовник: Міністерство України у справах науки і технологій.
Тема: “Розробка технології виробництва нового покоління комплексних органомінеральних добрив” (д/б № 109/473-97) № державної реєстрації 0197U017033. Термін виконання: 1997-1998 р. Замовник – Міністерство у справах науки і технологій.
Тема: “Доопрацювання та впровадження технології виробництва нового покоління азотно-гумінових добрив комплексної дії та агроекологічне обґрунтування їх застосування” (д/б №501/1047-97) № державної реєстрації 0198U003092. Термін виконання: 1997 – 1999 р. Замовник – Міністерство України у справах науки і технологій.
Тема: “Розробка теоретичних засад комплексних технологій утилізації відходів хімічної промисловості та енерго- та ресурсозбереження” (д/б №2323) № державної реєстрації 0198U001438. Термін виконання: 1998 – 1999 р. Замовник - Міністерство освіти та науки України.
Тема: “Розробка технічних пропозицій по проектуванню блочно-модульного агрегату по виробництву гранульованих органомінеральних добрив із стічних вод” (д/б №2423) № державної реєстрації 0100U000429.Термін виконання: 2000 – 2001р. Замовник - Міністерство освіти та науки України.
Тема: “Теоретичні засади процесів в дисперсних середовищах, як основа створення технології утилізації відходів і виробництва добрив для екобезпечного землеробства” (д/б №2546) № державної реєстрації 0102U000715. Термін виконання: 2002 – 2003 р. Замовник – Міністерство освіти та науки України.
Мета і задачі досліджень.
Метою дисертаційної роботи було створення засад нової концепції утилізації водних промислових відходів через розробку технології і апаратури для виробництва твердих композитів із заданими фізичними і фізико-хімічними властивостями для екобезпечного промислового і сільськогосподарського виробництва.
Поставлена мета визначила необхідність проведення комплексу багатопланових досліджень в дисперсних системах: кінетики зневоднення і грануляції рідких систем, процесів тепло- і масообміну та їх математичного моделювання, а також спеціальних досліджень з розробкою технології застосування нових добрив у відповідності до чинного закону державної реєстрації.
Для досягнення поставленої мети сформульовані такі завдання:
-
розробити теоретичні засади і моделі багатофакторних процесів в дисперсному середовищі при зневодненні і грануляції мінеральних гомо- і гетерогенних систем з домішками гумінових речовин;
-
дослідити механізми та умови трансформації дрібнодисперсної кристалічної речовини у тверду структуру, в яку можливо включати інші поживні, мінеральні та органічні компоненти під час надання їм заданих фізичних та фізико-хімічних властивостей;
-
дослідити механізм та умови протікання багатофакторних процесів масо- і теплообміну на змінній поверхні частинок дисперсної системи;
-
дослідити кінетику безперервного безрециклового процесу грануляції композитних складних систем з метою визначення області стійкого його проведення;
-
створити моделі і розробити методи визначення в’язко-пружних характеристик дисперсного середовища хаотичних структур;
-
розробити спосіб одержання різних модифікацій комплексних гранульованих органомінеральних добрив, виготовлених за індивідуальними рецептурами в залежності від агроекологічних умов регіонів їх застосування;
-
дослідити і обґрунтувати причини та умови формування плівки на змінній поверхні міжфазового контакту з метою створення адгезійно-сорбційних технологій утилізації водних промислових відходів через виробництво гранульованих складних органомінеральних добрив комплексної дії;
-
визначити вихідні дані для створення пілотної та дослідно-промислових установок з метою дослідження і розробки технології та апаратури утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумінових речовин через виробництво гранульованих органомінеральних добрив;
-
провести апробацію нової технології і апаратури для утилізації водних розчинів сульфату амонію і гумату амонію через виробництво органомінеральних добрив та визначити основні технологічні параметри, які забезпечують стійке протікання безперервного безрециклового процесу з одержанням гранульованого продукту із заданими фізико-хімічними властивостями;
-
розробити методики розрахунку основного та допоміжного обладнання для виробництва базових модифікацій органомінеральних добрив;
-
провести агродослідження та відповідні експертизи, необхідні для внесення нових добрив до державного реєстру України.
Об’єкт дослідження: процес створення композитів із заданими фізичними і фізико-хімічними властивостями з промислових відходів для забезпечення екологічної безпеки в промисловості та землекористуванні.
Предмет дослідження: утилізація рідких відходів шляхом застосування багатофакторних процесів зневоднення і грануляції складних гомо- і гетерогенних систем на змінній поверхні міжфазового контакту, умови, механізм та кінетика їх протікання, тепло- масообмінні, а також фізичні і фізико-хімічні перетворення.
Методи дослідження: системні теоретико-експериментальні дослідження, моделювання процесів, фізико-хімічні аналізи, масштабування від дослідної до пілотної та дослідно-промислової установки.
Наукова новизна одержаних результатів:
1.Розроблені нові принципи, методи, теоретичні засади та устаткування для утилізації водних промислових відходів, що підвищують екологічну безпеку в промисловості та сільськогосподарському виробництві шляхом зменшення техногенного тиску на довкілля при виробництві капролактаму та аміаку, видобутку вугілля, а також доведення до кореневої системи рослин відповідного складу поживних мінеральних і гумінових речовин, що визначаються агроекологічними умовами регіону. Встановлено суттєве підвищення врожайності сільськогосподарських культур при значному зменшенні вмісту в продуктивній частині врожаю нітратів, важких металів та радіонуклідів.
2. Вперше виконані системні аналітичні та експериментальні дослідження багатофакторних процесів формування плівки на змінній поверхні міжфазового контакту та адгезійно-сорбційної технології утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумінових речовин з одержанням твердих композитів із заданими фізичними і фізико-хімічними властивостями. Встановлено, що стійка кінетика процесу гранулоутворення при зневодненні і грануляції гомо- і гетерогенних систем здійснюється в апараті з псевдозрідженим шаром при створенні спеціальних технологічних умов проведення процесу за рахунок застосування оригінальних конструкцій основних вузлів гранулятора.
3. Розроблено фізичну і математичну моделі теплообміну при зневодненні і грануляції рідких систем у псевдозрідженому шарі. Чисельний розв’язок моделі дозволяє розрахувати температурне поле в апараті і визначити закономірність зміни градієнту температури по висоті апарата.
4. На основі методу фрактальних множин створено модель для визначення в’язко-пружних характеристик дисперсного середовища хаотичних структур, які враховують наявність локальних неоднорідностей при здійсненні багатофакторних процесів.
5. Вперше створена адгезійно-сорбційна промислова технологія утилізації рідких відходів через виробництво гранульованих органомінеральних добрив комплексної дії для екологічно безпечного землеробства із заданими фізико-хімічними властивостями, яка реалізована у вигляді промислової технології. Вироблені дослідні партії гранульованих азотно-гумінових добрив для проведення державних випробувань нових органомінеральних добрив, за результатами яких проведена їх реєстрація в Держхімкомісії України, а також одержано дозвіл Міністерства екології та природних ресурсів України для їх роздрібного продажу населенню (Посвідчення серія Б № 00440 від 21 серпня 2002 р.);
6. Вперше створено спосіб виготовлення комплексних гранульованих органомінеральних добрив за індивідуальними рецептурами в залежності від агроекологічних умов регіону їх застосування, захищений патентом України.
7. Розроблені методики розрахунку багатофакторних процесів і апаратів для їх проведення, а також вихідні дані для створення алгоритму керування процесом. Розроблено новий апарат комплексної дії для проведення багатофакторних процесів – гранулятор з псевдозрідженим шаром, захищений сімома патентами України.
8. Проведено екологічний моніторинг при випробуванні та розробці технології застосування нових добрив, який показав, що застосування цих добрив підвищує врожайність сільськогосподарських культур на 30-40% при одночасному зменшенні вмісту у продуктивній частині врожаю в 1,5 – 3 рази нітратів, важких металів та радіонуклідів.
Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані за такими напрямками:
-
відпрацьована технологія виробництва та виготовлено необхідну кількість дослідних зразків гранульованих органомінеральних добрив для проведення багаторічних агродосліджень в різних агроекологічних зонах;
-
визначено ефективні індивідуальні рецептури нових добрив для різних агрокліматичних регіонів та створено екобезпечну технологію їх застосування;
-
системно виконано весь цикл робіт від наукової розробки, лабораторної, пілотної та дослідно-промислової перевірки до постановки на виробництво гранульованих органомінеральних добрив з промислових відходів;
-
апробовано технологію виробництва гранульованих азотно-гумінових добрив на дослідно-промисловій установці ВАТ “Азот”, м. Черкаси. Вироблені дослідні партії добрив для проведення польових випробувань в господарствах Черкаської, Чернігівської та Житомирської областей;
-
встановлено, що застосування нових добрив забезпечує підвищення врожайності сільгоспкультур на 30-40% і одночасно зменшує в них вміст нітратів, важких металів та радіонуклідів в 1,5-3 рази;
-
зменшено енерговитрати та підвищено екологічну безпеку процесу виробництва нових добрив за рахунок впровадження нової концепції проведення багатофакторних процесів в одному апараті, конструкція якого захищена сімома патентами України;
-
економічний ефект від впровадження дослідно-промислової установки продуктивністю 20 тис. т. на рік становить 1,1 млн. грн. на рік;
-
запропоновано спосіб виготовлення гранульованих органомінеральних добрив із змінним вмістом мінеральних, гумінових речовин та мікроелементів для різних агроекологічних регіонів України, захищений патентом України;
-
проведено відповідні спеціальні дослідження та реєстрацію нових добрив в держхімкомісії України (Посвідчення серія Б № 00201 зареєстровано в Україні за номером №668 від 30 березня 2000 р.), а також одержано дозвіл Міністерства екології та природних ресурсів України для їх роздрібного продажу населенню (Посвідчення серія Б № 00440 від 21 серпня
2002 р.);
-
розроблено типорозмірний ряд нових гранульованих органомінеральних добрив із заданими властивостями для забезпечення екологічно безпечного землеробства для різних агроекологічних регіонів України, в тому числі і радіоактивно забруднених.
Особистий внесок здобувача.
Автором особисто запропоновано концепцію засад екологічної безпеки в промисловості і сільському господарстві через виробництво нових гранульованих органомінеральних добрив, теоретичні засади і спосіб виробництва гранульованих органомінеральних добрив при утилізації рідких відходів промисловості.
Автором проведено системні комплексні дослідження складних процесів, пов’язаних зі створенням теоретичних засад утилізації промислових відходів через розробку екобезпечної технології і апаратів для виробництва речовин із заданими властивостями та визначено умови переходу їх від кристалічної до твердої структури, яку можливо модифікувати необхідними органічними та мінеральними компонентами.
Вперше розроблені і обґрунтовані принципи та умови формування плівки на змінній поверхні міжфазового контакту та створена адгезійно-сорбційна технологія утилізації промислових відходів.
Створені фізична і математична моделі протікання багатофакторних процесів в дисперсному середовищі.
Особисто автором проведено дослідження кінетики безперервного безрециклового процесу зневоднення і грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі з різним вмістом поживних та гумінових речовин, що дозволило перевірити адекватність математичної моделі та визначити вихідні дані для розробки промислової технології.
За результатами експериментальних досліджень автором розроблена технологія утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумінових речовин через виробництво органомінеральних добрив та апаратурне оформлення промислової технології, проведена апробація промислової технології та вироблені дослідні партії для проведення польових випробувань нових добрив.
Автором запропонована математична модель для врахування збурень, які виникають внаслідок стохастичної зміни окремих технологічних параметрів при реалізації процесу в промислових умовах, що суттєво підвищує його екологічну безпеку.
Розроблена методика розрахунку основного нестандартного і допоміжного обладнання.
Створено новий апарат комплексної дії – гранулятор з псевдозрідженим шаром, захищений сімома патентами України.
Розробка засад екологічної безпеки в промисловості і сільському господарстві виконана разом з науковим консультантом д.х.н., проф. Заграєм Я. М. Агро-дослідження та визначення їх ефективності проводилось разом із завідувачем лабораторії Черкаського інституту агропромислового виробництва, м. Сміла, к.с-г.н. Буджераком А. І.
Апробація результатів дисертації.
Основні положення дисертації доповідались на: Науково-технічному семінарі “Оптимизация процессов сушки”, / 1983, Харків; Всесоюзній науково-технічній конференції “Процессы и оборудование для гранулирования микробиологического синтеза” / 1984, Тамбов; Всесоюзній науковій конференції “Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств” / 1985, м. Харків; Всесоюзній науково-технічній конференції “Процессы и аппараты микробиологических производств “Биотехника –86” / 1986, м. Грозний; Всесоюзній науково-технічній конференції “Дальнейшее совершенствование теории, техники и технологии” / 1987, м. Чернігів; VII Республіканській конференції “Повышение эффективности совершенствования процессов и аппаратов химических производств” / 1988, м. Львів; Всесоюзній науково-технічній конференції “Реахимтехника” – 3 / 1989, м. Дніпропетровськ; Всесоюзній нараді “Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов основной химии” / 1989; м. Суми; ІV Республіканській науково-технічній конференції “САПР и АСТП в химической промышленности” / 1991, м. Черкаси; Міжнародній конференції “Защита окружающей среды” / 1993, м. Київ; Науковій конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових і нафтопереробних виробництв” / 1993, м. Одеса; Науково-практичній конференції “Використання відходів виробництва” / 1999, с. Жобрин, Рівненська обл.; Науково-технічній конференції “Новые технологии и оборудование по переработке промышленных отходов и их медико-экологическое обеспечение” / 2001, м. Трускавець; CHISA-2002 “15th International Congress of Chemical and Process Engineering” / 2002, Praha, Czech Republic; IX научно-техническая конференция по моделированию в прикладных научных исследованиях “НЕДРА 2002” 2002, м. Одеса.
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 45 дру-кованих праць, у тому числі 1 монографія, 21 стаття у провідних фахових журналах, 2 авторських свідоцтва СРСР, 10 патентів України.
Структура дисертації: Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 286 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 457 сторінок, з них 294 сторінки друкованого тексту, 119 сторінок додатку, 162 рисунки та 33 таблиці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено зв’язок з науковими програмами, темами, планами, сформульовані мета та задачі досліджень, наведені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора, апробація результатів роботи.
Ключовими проблемами при вирішенні задач контрольованого і ефективного здійснення багатофакторних адгезійно-сорбційних процесів, які лежать в основі розробленої технології, є: метод контакту фаз, організація теплообміну, вплив температурних полів на кінетику безрециклового процесу гранулоутворення з композитних рідких систем, вплив конструкцій основних вузлів гранулятора на створення оптимальних умов проведення процесу.
Для вирішення цих проблем виконано комплекс системно пов’язаних досліджень з визначенням принципів і методів їх реалізації, а також створення теоретичних засад фізичних і математичних моделей багатофакторних процесів.
В розділах дисертації наведені результати комплексних системних досліджень з вирішення основної задачі - утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумінових речовин через виробництво твердих композитів із заданими фізико-хімічними властивостями.
У першому розділі наведено аналіз факторів негативного впливу на довкілля і, зокрема, техногенного характеру. Розглянуті підходи та існуючі технології утилізації промислових відходів. Аналіз джерел літератури показав, що відсутні відомості щодо комплексного вирішення утилізації рідких відходів, направлених на створення твердих композитів із заданими властивостями, для підвищення екологічної безпеки в промисловості та сільськогосподарському виробництві.
Внаслідок складності не вирішена основна наукова проблема: переходу від кристалічної до твердої структури, що містить мінеральні поживні та гумінові речовини. Сформульовані задачі досліджень.
У другому розділі наведені теоретичні засади фізичного та математичного моделювання багатофакторних процесів в дисперсному середовищі при зневодненні і грануляції рідких гомо- і гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі за адгезійно-сорбційним способом в апараті циліндричної форми.
Основними положеннями і складовими фізичної моделі є:
·
рідка фаза формується на розвиненій поверхні твердих нагрітих частинок, що є центрами грануляції, у вигляді надтонкої плівки за рахунок дії адгезійно-сорбційних сил;
·
теплота, яка підводиться до плівки рідини від нагрітої твердої частинки і зріджуючого агента – теплоносія, є достатньою для інтенсивного випаровування розчинника та утворення на її поверхні композитного мікрошару, який зумовлює збільшення її розмірів;
·
новоутворений на поверхні шар, що містить мікрокристали і мікрочастинки органічної речовини, частково стирається при хаотичному русі твердих частинок у псевдозрідженому шарі, що надає їм сферичну форму;
·
у псевдозрідженому шарі після зони зрошення існують вологі гранули, які поглинають теплоту за рахунок випаровування розчинника, та сухі, більш нагріті, які, навпаки, віддають теплоту;
·
вологі гранули розподіляються між сухими за нормальним законом розподілення;
·
гранули сферичної форми відносно нерухомі і розподілення їх у псевдозрідженому шарі підпорядковується середньостатистичному розподілу;
·
зіткнення гранул між собою носить короткочасний характер, тому кондуктивним теплообміном між ними можна знехтувати;
·
механізм теплообміну в теплоносії відбувається внаслідок вимушеної конвекції, а в гранулах теплопровідності;
·
теплоносій є нестисливою рідиною.
Відповідно до прийнятих припущень теплообмін в апараті описується відомими рівняннями математичної фізики в циліндричних координатах: рівняннями енергії, імпульсу руху в наближенні Буссінеска, безперервності та умовою Стефана на межі поверхня гранули – рідина.
Опис теплообміну у теплоносії і гранулах за допомогою вище згаданих рівнянь навіть при умові рівних значень проекцій швидкості теплоносія на координатні осі: Vr=V=Vz є загальним і досить складним. Тому запропонована постановка, яка ґрунтується на лінійному ортотропному рівнянні теплопровідності в циліндричних координатах із внутрішніми джерелами теплоти:
, 0rRo, 0zH, (1)
де t – температура теплоносія, z – апліката, R – радіус гранули, n – нормаль до поверхні, r, z - відповідні коефіцієнти ефективної теплопровідності у напрямках r, z; і = 1,2 - індекс теплоносія і гранули, відповідно; R0 – радіус апарата, м; H – висота псевдозрідженого шару.
Граничні умови:
·
на осі апарата другого роду -
; (2)
·
на основі апарата - першого роду – t(r)z=0 =t1, t(r)z=H=t2; (3)
·
на бічній поверхні - третього роду - -(t)t/n=(tр-t); (4)
·
між гранулами і теплоносієм – четвертого роду - t-=t+, qn--=qn+ (5)
знаки “-” і “+” означають, що розміри беруться зліва і справа від межі контакту.
Витрати теплоти, пов’язані з поглинанням її вологими гранулами при нагріві і випаровуванні вологи, враховувались як негативне внутрішнє джерело теплоти і визначались за виразом:
qv.гр = -f1(k,K,) (6)
де k - теплота пароутворення води, Дж/кг; K – константа вивантаження, с-1; - лінійна швидкість росту гранул, м/с.
Надходження теплоти від нагрітих сухих гранул враховувалось як позитивне внутрішнє джерело теплоти і визначалось за виразом:
qv.гр = f2(срг, K) (7)
срг – теплоємність гранул, Дж/(мК)
Вплив руху теплоносія на теплообмін враховувався введенням ефективних значень теплопровідності, що розрізняються за напрямом, і визначаються згідно підходів, запропонованих Х.Фандтом. Так, ефективна теплопровідність у напрямку осі z і радіуса r розраховувалась за виразами:
еф.тепл.Оz = пов + Oz.теч, (8) еф.тепл.Оr = пов + Or.теч, (9)
де пов - коефіцієнт теплопровідності нерухомого теплоносія , Oz.теч,Or.теч - коефіцієнти ефективної теплопровідності, зумовлені рухом теплоносія. Так, для напрямку OZ ефективна теплопровідність визначалась за виразом:
Oz.теч= сpwzk0, (10)
де wz - складова швидкості руху теплоносія в напрямку осі OZ; - визначальний розмір; k0 - коефіцієнт форми потоку у напрямку теплопереносу k0 = 0...1.
Методика чисельного рішення поставленої задачі ґрунтується на методі граничних елементів і дозволяє розраховувати температурні поля для будь-якої кількості гранул по горизонталі та вертикалі, а також локальні і середні коефіцієнти тепловіддачі. Так, для однієї гранули число граничних вузлів становить 204 і внутрішніх – 714, а для 42-х гранул (6 – по вертикалі і 7 – по горизонталі) число граничних вузлів – 3478 і внутрішніх – 5436, рис. 1.
Аналіз результатів розрахунку моделі показав, що:
·
Зміна технологічно прийнятих значень середнього коефіцієнту тепловіддачі, яка забезпечує ефективне протікання процесу зневоднення, відбувається всього на висоті 3-х горизонтальних шарів гранул. Саме ця область покладена в основу технологічного оформлення процесу і конструктивного рішення апарата. Починаючи з 3-го шару зміна середнього значення коефіцієнта тепловіддачі є не суттєвою, рис. 2;
·
Середній коефіцієнт тепловіддачі суттєво залежить від середнього діаметра Dср, так, при збільшенні еквівалентного діаметра гранул від 2,25мм до 5,5мм середній коефіцієнт тепловіддачі по шару зменшується приблизно в 2,6 рази.
Відповідність реальним процесам розробленої математичної моделі та дослідження кінетики процесу зневоднення і грануляції складних гетерогенних систем проводилось на пілотній установці.
Моделювання безпосередньо гранулятора псевдозрідженого шару здійснювалось за комірковим принципом шляхом умовного виділення елемента апарата, в якому основні геометричні параметри псевдозрідженого шару та газорозподільного пристрою були ідентичними параметрам промислової установки.
Теоретико – експериментальні дослідження показали, що форма комірки, яка відповідає умовам ідентичності, є паралелепіпед з розмірами А х В х Н = 0,11 х 0,29 х 1,30 м. Апарат виготовлений з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т, в нижній частині якого встановлено газорозподільний пристрій (ГРП). Для введення рідкої фази всередині псевдозрідженого шару розташований диспергатор. Завдяки застосуванню оригінальної конструкції ГРП у псевдозрідженому шарі створюються направлені цирку-ляційні потоки, схема яких наведена на рис. 3.
Регулювання часу перебування гранул в області IV здійснюється шляхом зміни швидкості вертикальних циркуляційних потоків, що дозволяє формувати задану товщину плівки на
поверхні гранул за рахунок сорбції.
В третьому розділі наведені результати теоретичних і експериментальних досліджень, визначених метою дисертації.
Так, встановлені ефективні оригінальні конструкції та оптимальні режими їх роботи: газорозподільного пристрою, диспергатора рідкої фази, апарата для селективного вловлювання і повернення в апарат центрів грануляції, які забезпечують стійку кінетику безперервного безрециклового процесу зневоднення і грануляції за адгезійно-сорбційним способом.
Визначення температурного поля у псевдозрідженому шарі здійснювалось при проведенні стаціонарного безрециклового безперервного процесу одержання азотно-фосфорно-гумінових добрив складу N:P:Га=20:20:0,7 з коефіцієнтом гранулоутворення 80%, рис. 4.
З рис. 4 видно, що температурний перепад для всіх трьох областей реалізується на висоті 20 мм, що дорівнює 8De, і підтверджує розрахунки температурного поля за створеною математичною моделлю.
Експериментально встановлено, що в області диспергування рідкої фази ІV температура псевдозрідженого шару знижується до температури “мокрого” термометра - 76С, що разом з інтенсивною циркуляцією матеріалу створює умови для формування надтонкої плівки рідини за рахунок дії адгезійно-сорбційних сил.
З урахуванням складних механізмів протікання багатофакторних процесів запропоновано визначити їх ефективність через вплив технологічних параметрів на коефіцієнт гранулоутворення дискретним диференційним рівнянням другого ступеня із запізненням впливу основних параметрів у вигляді:
, (11)
де n – число основних параметрів, які визначають стійкість кінетики безперервного безрециклового процесу наведених в табл. .:
-
температура шару Тш, С –Х1;
-
температура теплоносія в характеристичній точці на вході до псевдозрідженого шару, Твх, С – Х2;
-
приведена висота псевдозрідженого шару
– Х3;
де Рш – гідравлічний опір псевдозрідженого шару, Па;
De – еквівалентний діаметр твердих частинок в псевдозрідженому шарі, мм;
g – прискорення сили тяжіння, g=9,81 м/с2.
-
число псевдозрідження
– Х4,
де Wp, Wкр– відповідно, робоча і критична швидкості псевдозрідження;
–період запізнення впливу відповідного параметру.
Таблиця 1 –
Значення параметрів математичної моделі.
Параметр | Позначення | Значення
Середнє | відхилення
94,0 | 4,2
190 | 17
119 | 53
2,36 | 0,92
Так, для водних розчинів сульфату амонію, що містять 0,3% гумату амонію і 0,5% стабілізатора кінетики, математична модель адекватно описує експериментальні дані із середньоквадратичним відхиленням = 11% рівнянням:
(12)
З метою визначення області стійкого проведення безрециклового процесу гранулоутворення органомінеральних добрив для різних за хімічним складом робочих розчинів визначалась залежність коефіцієнта гранулоутворення від числа псевдозрідження KW і приведеної висоти псевдозрідженого шару Рш/(gDe).Так, для водного розчину, що містить: сульфату амонію 40%, гумату амонію – 0,7%, стабілізатора кінетики – 1%, експериментальна залежність наведена на рис. 5.
Оцінка області стійкої кінетики процесу одержання складних гранульованих органо-мінеральних добрив проводилось у вигляді коефіцієнта кінетичної стабільності, який визначався як відношення площ проекцій областей, на площину координат KW, : стійкої кінетики - Sоск, при 80% і проведення процесу – SD, при зміні коефіцієнта гранулоутворення в межах 50% 80%:
, (13)
Так, для азотно-гумінових добрив одержано кореляційну залежність:
,
яка визначає максимальне значення параметра при концентрації гумінових речовин в розчині
СГ = 0,3% і стабілізатора кінетики процесу гранулоутворення СС = 0,993% в інтервалі зміни
0,3 СГ 1,4% і 0,5 СС 2%.
Суттєвою ознакою якості гранульованого продукту є дисперсний склад. Визначення впливу технологічних параметрів на дисперсний склад гранульованого продукту проводилось за методом Г. Тагучі, згідно якому визначалось відхилення якості дисперсного складу від заданого у вигляді нормованої інтегральної функції втрати:
, (14)
де: - поточні значення еквівалентного діаметра, середньоквадратичного відхилення, асиметрії й ексцесу розподілу частинок готового продукту, що розраховуються за результатами ситового аналізу; - відповідні параметри заданого дисперсного складу продукту при значеннях Dmin= 1,5 мм, Dmax= 4,5 мм.
За результатами експериментальних досліджень кінетики процесу гранулоутворення робочих розчинів, склад яких наведений в табл. 2, визначено коефіцієнти в рівнянні (14): , , , , , , . В результаті цього рівняння (14) набуває виду:
(15)
Таблиця 2 –
Значення вихідних даних
№ Досліду | Концентрація сульфату амонію, % | Домішки, % | Початковий розподіл частинок
Гумату | Стабілізатора | , мм
1 | 40 | 0,3 | 1,0 | 3,01 | 0,67
2 | 40 | 0,7 | 1,0 | 2,81 | 0,76
3 | 40 | 1,0 | 1,0 | 2,10 | 0,51
Математичну модель (15) доцільно ідентифікувати дискретним диференційним рівнянням другого ступеня з запізненням впливу основних параметрів:
-
температури теплоносія на вході до псевдозрідженого шару, Твх, С – Х1;
-
температури псевдозрідженого шару у характеристичній точці, Тш, С – Х2;
-
гідравлічного опору псевдозрідженого шару, Рш, Па – Х3;
-
питомого навантаження загальної поверхні у псевдозрідженому шарі за вологою, af,
– Х4.
Діапазони зміни цих параметрів наведені в табл. 3.
Таблиця 3 –
Значення параметрів математичної моделі
Параметр | Позначення | Значення
Середнє | відхилення
193 | 13
95 | 5
2300 | 300
0,227 | 0,120
Рівняння математичної моделі для визначення функції втрат якості наведені в табл. 4.
Таблиця 4 –
Рівняння математичної моделі для визначення функції втрат якості
№ п/ч | Математична модель | Оцінка адекватності
М | М
1 | 0,706 | 0,226
2 | 0,601 | 0,470
3 | 0,683 | 1,478
Побудована за розрахунками моделей динаміка зміни функції втрат якості, рис. 6, дозволяє визначити вплив основних технологічних параметрів на дисперсний склад гранульованого продукту в різних кінетичних областях.
Таким чином, за результатами комплексних експериментальних досліджень проведена перевірка математичної моделі та визначені технологічні параметри стійкого безперервного безрециклового процесу при одержанні продукту заданого дисперсного складу, які стали вихідними даними для створення промислової технології та розрахунку апаратів для її реалізації.
В четвертому розділі наведено промислову технологію виробництва гранульованих органомінеральних добрив та технологічно-конструктивна концепція дослідно-промислової установки продуктивністю 20 тис. т. на рік, ВАТ “Азот”, м. Черкаси. Застосування гранулятора комплексної дії, спорядженого спеціально створеними пристроями газового розподілу зріджуючого агенту, введення рідкої фази в шар та вловлювання і повернення в апарат центрів грануляції, захищених патентами України, суттєво зменшило енерговитрати на процес і підвищило його екологічну безпеку.
Апробація нової промислової технології проводилась шляхом вироблення дослідних партій нових добрив з розчинів сульфату амонію виробництва капролактаму, які передавались для випробування в господарствах Черкаської, Житомирської і Чернігівської областей. Проведені діляночні та польові випробування показали, що застосування нових добрив збільшує врожайність основних сільськогосподарських культур на 35-40% з одночасним покращенням якості врожаю, зменшенні вмісту в них нітратів в 1,5 рази та радіонуклідів в 2-3 рази, що дозволило виростити радіаційно безпечну продукцію на ґрунтах із забрудненістю до 830 Бк/кг.
За результатами багаторічних агродосліджень та польових випробувань базових модифікацій гранульованих органомінеральних добрив фахівцями Черкаського інституту агропромислового виробництва УААН, м. Сміла, розроблена екобезпечна технологія їх застосування.
На підставі результатів агро- та спеціальних досліджень проведена реєстрація гранульованих органомінеральних добрив в держхімкомісії України (Посвідчення серія Б №00201 від 30 березня 2000 р.), а також одержано дозвіл Міністерства екології та природних ресурсів України для їх роздрібного продажу населенню (Посвідчення серія Б №00440 від 21 серпня 2002 р.). Базові модифікації цих добрив, виготовлених згідно способу, захищеного патентом України, наведено на рис. 7.
В п’ятому розділі наведено числові розв’язки математичної моделі теплообміну у псевдозрідженому шарі та проведена її ідентифікація.
Створена математична модель для визначення в’язко-пружних характеристик дисперсного середовища при наявності локальних неоднорідностей, існуючих в зоні диспергування рідкої фази як ізольовані кластери твердих частинок, покритих плівкою рідини, які при певних умовах можуть перейти у нескінчений кластер агрегованих частинок, що призведе до повної втрати стану псевдозрідження. Структура дисперсної системи наведена на рис. 8.
Моделювання хаотичної структури проводилось на базі ґраток з випадковим розподілом. Вузли ґраток моделювали мікронеоднорідості, а зв’язки між вузлами – їхні контакти із суміжними компонентами системи, які визначають макровластивості неоднорідного середовища. На основі ренормгрупового перетворення шляхом ітераційної процедури визначено умови утворення фрактальних множин, що мають два види конфігурацій зв’язків: з’єднуючі (ЗМ) і нез’єднуючі (НЗМ).
Моделювання структур проводилось у вигляді складної “краплі” на кожному кроці ітераційного процесу обчислення пружних властивостей, рис.9.
ЗМ – суцільний масив “пружної фази”, що містить включення сферичної краплі “м’якої фази”, рис. 9а, та НЗМ – суцільний масив “м’якої фази”, що містить включення сферичної краплі “пружної фази”,
рис. 9б.
Для розрахунку в’язко-пружних властивостей неоднорідної системи за допомогою ітераційного методу усереднення використовували формули Хашина–Штрикмана.
Так, для ЗМ модулі об'ємної пружності Kc і зрушення с на i+1 етапі відповідно визначаються за формулами:
, (16) , (17)
де
, (18)
і - відповідно, комплексні модулі об'ємної пружності і зрушення "пружної" фази, а - відповідно, комплексні модулі об'ємної пругкості і комплексний модуль зрушення "м'якої" фази.
Для НЗМ пружні властивості визначаються з формул (16)-(18) після заміни індексів cn і pi(1 - pi), де комплексні модулі визначалися за виразами:
, (19)
в яких уявна частина виразів характеризує пружну складову в’язкості твердого тіла.
В результаті розрахована відносна в’язкість дисперсного середовища /2 для множини твердих частинок, покритих рідинною плівкою з в’язкістю 1, розміщених в середовищі з в’язкістю 2 в інтервалі зміни їх відношення 2/1 = 0,0010,1. Це дозволить визначити умови стійкого проведення процесу та методи запобігання суттєвої зміни реологічних характеристик в різних областях псевдозрідженого шару.
Апробація створеної технології виробництва органомінеральних добрив на дослідно-промисловій установці показала, що на стійкість процесу негативно впливають технологічні параметри, зміна яких відбувається стохастично. Для врахування цього створена модель MatLab/Simulink з використанням додатку нечіткої логіки FuzzyLogikToolBox із спеціальною структурною схемою моделі, що в результаті забезпечило стійку кінетику безрециклового процесу гранулоутворення при стохастичній зміні технологічних параметрів, за рахунок формування адекватної дії керуючих впливів системою автоматичного керування процесом.
Таким чином, створені математичні моделі дозволяють визначити області інтенсивного теплообміну, умови забезпечення стійкого гідродинамічного режиму і способи керування процесом гранулоутворення за адгезійно-сорбційною технологією при довготривалій роботі установки в промислових умовах.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. На основі теоретико-експериментальних досліджень створені засади утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумінових речовин через розробку технології виробництва гранульованих органомінеральних добрив комплексної дії для екологічно безпечного збалансованого землеробства.
2. Вперше проведено комплекс системних взаємопов’язаних досліджень процесів, явищ, принципів і методів, які необхідно реалізувати при здійсненні адгезійно-сорбційної технології зневоднення і грануляції дисперсій, що містять водні розчини сульфату амонію, аміаку, гумату амонію та інших домішок.
3. Створені фізична і математичні моделі для розрахунку теплообміну та визначення умов стабільного протікання процесу, а також розрахунку реологічних характеристик псевдозрідженого шару при наявності локальних неоднорідностей. Для врахування впливу параметрів, які змінюються стохастично, запропоновано математичну модель на базі методу “нечітких множин”, яка є основою для створення алгоритму керування процесом, що підвищує його екологічну безпеку.
4. За результатами комплексних експериментальних досліджень визначено технологічні умови проведення ефективного процесу грануляції за створеною технологією з одержанням гранульованого продукту із заданими фізичними та фізико-хімічними властивостями, а також визначені вихідні дані для створення промислової екобезпечної технології.
5. Виконано комплекс науково-дослідних, проектно-конструкторських і монтажно-налагоджувальних робіт щодо розробки технологічних схем, розрахунку нестандартного та вибору типового обладнання промислової технології утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумінових речовин. Розроблені технологічний регламент виробництва нових добрив та технічні умови на гранульований сульфат амонію з домішками гумінових речовин.
Проведена апробація створеної технології виробництва гранульованих азотно-гумінових добрив шляхом утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумінових речовин в промислових умовах ВАТ “Азот”, м. Черкаси, та вироблена необхідна кількість цих добрив для проведення лабораторних, діляночних агродосліджень та польових випробувань в господарствах Черкаської, Чернігівської та Житомирської областей.
6. Разом з фахівцями Української аграрної академії наук проведено агродослідження різних модифікацій гранульованих органомінеральних добрив та визначені їх рецептури для різних агроекологічних зон України і розроблена технологія їх екобезпечного застосування.
7. На основі нових методів і принципів утилізації рідких відходів розроблено екобезпечний спосіб виробництва різних модифікацій гранульованих органомінеральних добрив із змінним співвідношенням поживних і гумінових речовин та заданими фізико-хімічними властивостями, захищений патентом України.
8. Створено принципово новий апарат – гранулятор комплексної дії, що підвищує екологічну безпеку процесу утилізації рідких промислових відходів, захищений сімома патентами України.
9. Економічний ефект від впровадження дослідно-промислової установки продуктивністю 20 тис. тонн на рік становить 1,1 млн. грн. за рахунок зменшення енерговитрат та підвищення її екологічної безпеки.
10. Проведено відповідні спеціальні дослідження та реєстрацію нових добрив в держхімкомісії України (Посвідчення серія Б №00201 від 30 березня 2000 р.), а також одержано дозвіл Міністерства України для їх роздрібного продажу населенню (Посвідчення серія Б №00440 від 21 серпня 2002 р.).
11. В цілому розроблені нові напрямки утилізації водних розчинів сульфату амонію, аміаку та гумату амонію через виробництво гранульованих органомінеральних добрив комплексної дії із
