postheadericon Дослідження впливу температури на процес гранулювання екструзією

Автори: Д.В. Риндюк, С.Ю. Лементар

Виробництво твердого біопалива є актуальною потребою для паливно-енергетичного комплексу будь-якої розвиненої країни світу, а отже виникає необхідність в дослідженнях, що дали б змогу розкрити особливості процесу при гранулюванні паливних гранул.

В роботі [1] було розглянуто проблему визначення оптимальних техніко-технологічних параметрів процесу гранулювання дисперсних матеріалів екструзією та отримані залежності впливу основних параметрів вузла пресування гранулятора (рис.1) на якість кінцевого продукту – гранулу.

Рис. 1. Схема роботи вузла пресування шнекового гранулятора-екструдера. (1 — бункер; 2 — циліндр; 3 — шнек; 4 — нагрівач; 5 — формуюча головка).

 

Незалежно від апаратурного оформлення процесу гранулювання значний вплив на формування гранул має температура матеріалу, який гранулюється: підвищення температури сприяє збільшенню густини гранул, а також  зменшенню енерговитрат на процес пресування [2].

Як відомо, основними складовими сировини для виробництва твердого біопалива є целюлоза, геміцелюлоза та лігнін. Лігнін, як аморфний полімер, є свого роду сполучним між фібрилами целюлози, надаючи міцності і жорсткості клітинній стінці (якщо целюлоза за своїми властивостями відповідає арматурі, то лігнін, що має високу міцність на стиск, — бетону). При низьких температурах процесу (до 160 °С) переважаючими є реакції гідролітичного розкладання вуглеводів деревини та часткова деполімеризація лігніну з утворенням низькомолекулярних фрагментів. Підвищення температури процесу посилює ступінь деструкції вуглеводів деревини, а тим часом з реакціями деполімеризації лігніну починають конкурувати реакції його реполімеризаціі. Тому при зміні температури технологічного процесу до 150-170 °С кількість лігніну в деревині зменшується, а зі збільшенням температури процесу кількість лігніну помітно зростає, досягаючи 33-36% [3-7].

Метою даної роботи є дослідження впливу температури матеріалу на якість (густину) кінцевого продукту (гранули) з урахуванням конструкційних та технологічних параметрів обладнання для його ущільнення в процесі пресування екструзією.

Для вирішення поставленої задачі запропоновано провести багатофакторний експеримент та розробити математико-статистичну модель залежності густини паливних гранул, вироблених з соняшникового та гречаного лушпиння, стружки дуба та сосни, пшеничної соломи та висівок від температури сировини, тиску пресування та діаметру каналу прес-матриці.

ρ = f(t,P,d)

де ρ – щільність гранул, кг/м3;

t – температура сировини, °С;

P – тиск пресування, МПа;

d – діаметр каналу прес-матриці.

Факторний експеримент другого порядку, що використовується для опису нелінійних об’єктів, в нашому випадку, представляється поліномом [8]:

y=b0+b1x1+ b2x2+ b3x3+ b4x1 x2+ b5x1 x3+ b6x2 x3+ b7x1 x2 x3+ b8x12+ b9x22+ +b10x32

Таблиця 1

Інтервали варіювання

Інтервали варіювання

x1 (t, °C) x2 (P, МПа) x3 (d, м)

Нульовий рівень

100

175

0,024

Крок варіювання

80 125

0,016

Нижній рівень

20 50

0,008

Верхній рівень

180 300

0,04

На рис. 2. представлена схема лабораторної установки для дослідження впливу температури на процес ущільнення сировини.

Пресування проводили за допомогою гідравлічного пресу в прес-матриці 4 зі змінним діаметром пуансона 8 — 40 мм при швидкості пресування 0,005 м/с. Температуру прес-матриці регулювали за допомогою зміни напруги, що подавалась на електроспіраль 2 ізольованої прес-матриці 4. Температуру прес-матриці вимірювали термопарою 6, з’єднаною з потенціометром постійного току 5. Тиск вимірювали за допомогою манометра.

Рис.2. Схема лабораторної установки для дослідження впливу температури на процес ущільнення сировини. 1 – автотрансформатор; 2 – спіраль електронагріву;      3 – пуансон; 4 – прес-матриця; 5 – потенціометр;             6 – термопара; 7 – зразок

Рис.2. Схема лабораторної установки для дослідження впливу температури на процес ущільнення сировини.
1 – автотрансформатор; 2 – спіраль електронагріву; 3 – пуансон; 4 – прес-матриця; 5 – потенціометр; 6 – термопара; 7 – зразок

 Експеримент був проведений для наступних типів сировини: лушпиння соняшника та гречки, стружки дуба та сосни, пшеничної соломи та висівок.

В результаті математико-статистичної обробки проведених експериментів отримано рівняння регресії (табл. 2), що описують залежність густини гранули ρ, кг/м3 від температури сировини t, °С, тиску пресування P, МПа та діаметра каналу прес-матриці d.

Таблиця 2

Результати математико-статистичної обробки експериментів

tabl (aticle)

 На базі отриманих рівнянь регресії побудовано поверхні відгуку (рис. 3), які дають уяву про вплив температури, діаметру каналу прес-матриці та тиску пресування на густину гранул.

poverhni(aticle)

Аналіз представлених залежностей показав, що зі збільшенням температури сировини від 20 до 160°С спостерігається підвищення густини отриманих гранул. Це обумовлено інтенсифікацією процесу розчинення лігніну при підвищенні температури.

Слід зазначити, що подальше зростання температури сировини понад  160°С є недоцільним, оскільки мало впливає на збільшення густини гранул, а отже призводить до зайвих енергозатрат.

Також експериментально підтверджено, що підвищення тиску пресування та зменшення діаметру прес-матриці забезпечує зростання густини гранул.

Отримані результати доцільно використовувати в якості рекомендацій при організації технологічного процесу гранулювання дисперсних матеріалів екструзією та конструюванні відповідного обладнання.

 

Список літератури:

  1. Rindyuk D.V. The  method  of  determina-tion of   the  optimal     pa-rameters  of   dispersed ma-terials granulation through consolidation / D.V. Rindyuk  , S. Y. Lementar   // Food and Environment Safety — Journal of Faculty of Food Engineering, Ştefan cel Mare University – Suceava, Volume XI, Issue 2, Year: 2012 Vol: 11, Issue: 2, Pages: 15 -18.
  2. Классен Н. П. Основы техники гранулирования / Классен Н. П., Гришаев И. Г., Шомин И.П. – М.: Химия, 1982. – 272 с.
  3. 3. Боголицын К. Г. Экологически безопасные технологии химической переработки древесины / К. Г. Боголицын, Т. Э. Скребец // The 5th international forum «Aims for future of engineering science»: Proceeding, May 2-8, 2004. – Paris, France, 2004. – p. 475–478.
  4. 4. Буров А. В. Органосольвентный процесс делигнификации / А. В. Буров, А. В. Бейгельман, Т. Л. Луканина // Бум. пром-сть. – 1989. – № 2. – С. 15–16.
  5. 5. Практические работы по химии древесины и целлюлозы / [Оболенская А. В. [и др.]. – М.: Лесн. пром-сть, 1965. – 441 с.
  6. 6. Скребец Т. Э. Изменение свойств диоксанлигнина после щелочной обработки в присутствии этанола / Т. Э. Скребец, К. Г. Боголицын, Д. Г. Чухчин, С. А. Вербицкая // Лесн. журн. – 2004. – № 3. – С. 106–110. – (Изв. высш. учеб. заведений).
  7. 7. Dahlmann G. Solvent pulping – the no-odor approach to chemical pulping / G. Dahlmann, M. C. Schroeter // Междунар. симпозиум «PapFor-92»: тез. докл. – 1992. – С. 297–315.
  8. 8. Федоров В. В. Теория оптимального  эксперимента (планирование  регрессионных экспериментов) / Федоров  В. В. – М.: Наука, 1971. – 312 с.

Коментарі закрито.

Напрями роботи кафедри
  • Виробництво біодизельного палива
  • Виробництво паливного біоетанолу в умовах цукрового заводу
  • Газогенераційна установка для термохімічної переробки відходів АПК
  • Грануляція твердих біопалив
  • Виробництво біогазу в умовах цукрового заводу
Корисні посилання

Сайт НУХТ

Сайт Навчально-наукового інженерно-технічного інституту ім. акад. І.С.Гулого

Сайт бібліотеки НУХТ