Поэтапное гранулирование твердой фракции сброженного птичьего помета в шнековом грануляторе. Анализ ТФ по степени дисперсности частиц. Структурно-механические свойства прессуемого материала. Построение реологической и механической моделей его поведения.
При низкой оригинальности работы "Исследование влияния структурно-механических свойств твердой фракции сброженного птичьего помета на процесс влажного гранулирования", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
В шнековом грануляторе необходимо выделить четыре этапа обработки материала (рисунок 1): I - этап загрузки материала; он служит для принятия поступающего материала, его захвата и продвижения в глубь корпуса; III - этап изменения структурно-механических свойств материала (материал приобретает вязкопластическое состояние); На этапе изменения структурно-механических свойств материала (III) под действием давления в материале полностью разрушаются межчастичные связи. На этом этапе материал приобретает свойства вязкопластического тела и начинает течь. Анализ ТФ СПП по степени дисперсности твердой фракции показывает, что в материале содержится треть высокодисперсных частичек и при воздействии на прессуемый материал механических сил сжатия (напряжения) в нем происходит следующее.
Введение
Исследования специалистов [1] показывают, что перспективным направлением развития переработки птичьего помета является создание малоотходного или полностью безотходного ресурсосберегающего производства. Примером подобной технологии является ресурсосберегающая технология переработки птичьего помета, разработанная сотрудниками кафедры «Машины и технологии АПК» Ставропольского государственного аграрного университета [2]. В ее основе лежит биологическое разложение органического вещества птичьего помета в условиях отсутствия кислорода - анаэробное сбраживание.
Одним из не решенных вопросов в технологической линии является этап получения гранулированных органических удобрений. Данный этап решает очень важную задачу - дальнейшего использования питательного и энергетического потенциала твердой фракции сброженного птичьего помета (ТФ СПП), которая в настоящее время имеет спрос на рынке удобрений.
Метод исследования. Для реализации поставленной задачи нами предлагается конструкция шнекового гранулятора, представленная на рисунке 1.
В шнековом грануляторе необходимо выделить четыре этапа обработки материала (рисунок 1): I - этап загрузки материала; он служит для принятия поступающего материала, его захвата и продвижения в глубь корпуса;
II - этап сжатия, уплотнения материала;
III - этап изменения структурно-механических свойств материала (материал приобретает вязкопластическое состояние);
IV - этап формования материала (движение материала сквозь фильеры матрицы).
Принцип работы шнекового гранулятора можно описать так. Прессуемый материал, поступающий в шнековый гранулятор через загрузочное окно (I этап). На втором этапе (II) материал постепенно сдавливается (деформируется), происходит его уплотнение и частичное разрушение межчастичных связей. На этапе изменения структурно-механических свойств материала (III) под действием давления в материале полностью разрушаются межчастичные связи. При этом идет образование структур с преобладанием сил притяжения частиц дисперсной фазы, т.е. мельчайшие частички органики вступают с молекулами жидкости в фазовые контакты, и происходит их «сращивание» в результате диффузионных процессов под действием напряжения. На этом этапе материал приобретает свойства вязкопластического тела и начинает течь. Далее прессуемый материал поступает в фильеры матрицы, где он формуется в гранулы (IV этап).
Обоснование конструктивных параметров шнекового гранулятора и определение оптимальных технологических режимов процесса прессования ТФ СПП должны быть основаны на общих закономерностях его поведения, что предполагает обязательное знание структурно-механических свойств ТФ СПП, а также ее объемных деформационных свойств, характеризующих поведение материала при всестороннем сжатии.
Исследование структурно-механических свойств ТФ СПП. ТФ СПП является дисперсной системой. Все дисперсные системы состоят из двух и более фаз. Согласно классификации В. Оствальда [3] исследуемый материал (ТФ СПП) вначале процесса гранулирования можно отнести к гетерогенной твердообразной дисперсной системе (ТДС). Данная система вначале процесса прессования состоит из трех фаз: твердой фазы - органических частичек, жидкой фазы - жидкости и газовой фазы - воздушных пузырьков. По мере продвижения прессуемого материала по гранулятору происходит механическое воздействие на него и воздушные пузырьки выходят, поэтому в дальнейшем будем рассматривать данную дисперсную систему уже состоящую из двух фаз.
В качестве дисперсной фазы в ней выступает твердая органика, которая составляет 55…60 %, а в качестве дисперсной среды - жидкость, составляющая 40…45% [4]. Обозначим такую дисперсную систему как Т/Ж. Поскольку в материале содержание твердой фракции значительно больше, чем жидкой, поэтому данная система по своему характеру является высококонцентрированной ТДС.
Важным свойством подобных систем является дисперсность частичек (их размер), входящих в ее состав. Анализ фракционного состава ТФ СПП показал, что это многокомпонентный состав, имеющий сложную структуру, которая определяется различной степенью дисперсности слагающих его частиц (рисунок 2).
Размеры частичек варьируются в широком диапазоне. Так, частички размером от 2 до 3 мм и свыше составляют 12 %. Они представлены волокнами растительного происхождения. Частички размером от 1 до 2 мм в ТФ СПП составляют 19 %. Они представлены частичками кормов и мелкими минеральными примесями - песком. Частички размером от 0,1 до 1 мм составляют самое большое количество - 36,8 %. В их состав входят более мелкие органические примеси.
Остальная часть ТФ СПП размером менее 0,1 мм составляет 32,2 % и представлена бактериями метаногенной ассоциации и мельчайшими органическими примесями. Следовательно, по степени дисперсности ТФ СПП обладает широким спектром, так как в нем присутствуют частички с размерами от микрогетерогенных величин с размером от 10-7 до 10-5 м (бактерии метаногенной ассоциации) до гетерогенных, размер которых превышает 10-5 м и более (различные частички органического и минерального происхождения).
Анализ ТФ СПП по степени дисперсности твердой фракции показывает, что в материале содержится треть высокодисперсных частичек и при воздействии на прессуемый материал механических сил сжатия (напряжения) в нем происходит следующее. В объеме материала - дисперсной системы с жидкой дисперсионной средой происходит формирование структур с нарушением агрегативной устойчивости. При этом идет образование структур первого типа с преобладанием сил притяжения частиц дисперсной фазы, т.е. мельчайшие частички органики вступают с молекулами жидкости в фазовые контакты, и происходит их «сращивание» в результате диффузионных процессов под действием напряжения.
При воздействии на материал напряжений основным структурно-механическим свойством его является вязкость (внутреннее трение или мера сопротивлению течения). Для изучения структурно-механических свойств таких дисперсных систем используют методы реологии, в основе которых лежат три идеальных закона [5].
Первый закон определяет идеально упругое твердое тело Гука и представляет собой спиральную пружину. Энергия, затраченная на деформацию, накапливается в теле и может быть возвращена при разгрузке. Такое поведение тела выражается реологической моделью [6]: , (1) где G - коэффициент пропорциональности или модуль сдвига, Па;
? - деформация материального тела.
Идеально вязкому телу Ньютона соответствует второй закон, механическую модель которого можно представить в виде гидравлического поршня, перемещающегося в цилиндре с жидкостью. Ее отличие состоит в том, что в ней напряжения пропорциональны скорости деформации и уравнение состояния такого ньютоновского тела можно записать в виде: . (2)
При возникновении в дисперсном теле структурных преобразований их течение становится неньютоновским. Этому соответствует третий реологический закон [6]. Эффективная вязкость таких дисперсных систем при постоянной температуре зависит от скорости деформации и напряжения сдвига. К ним относятся неньютоновские аномально вязкие тела. В качестве математической модели для описания таких тел используется реологическое уравнение вязко-пластичного тела Оствальда-Вейля или Оствальда-де Валя: , (3) где k - коэффициент консистенции, зависящий от природы материала;
n - индекс течения материала.
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования различных авторов показали, что реальные тела обладают всеми тремя свойствами. Поэтому для выявления характеристики ТФ СПП в процессе влажного гранулирования необходимо провести исследования ее свойств.
Результаты исследования. В грануляторе ТФ СПП находится в условиях нарастающего сжатия, а при подходе к матрице - в условиях всестороннего сжатия. Совокупность упругих, вязких и пластических характеристик ТФ СПП поможет определить принятую реологическую модель. С этой целью рассмотрим зависимость скорости сдвига прессуемого материала от напряжения сдвига. Кривая имеет сложный характер (рисунок 3). В ней отражается влияние реологических свойств материала в процессе его деформации.
Как видно из зависимости, при постоянном напряжении сдвига ? большем, чем значение предельного напряжения сдвига ?к1 имеет место мгновенная упругая деформация ТФ СПП (точки 0-1). Внешнее воздействие на материал не нарушает прочности его структуры. В данный промежуток времени действия напряжения сдвига на прессуемый материал подчиняется закону Гука. Это можно охарактеризовать как действие спиральной пружины. Напряжение сдвига растет от 0 до 3 КПА, скорость сдвига равна 0, эффективная вязкость имеет максимальное значение, равное 10,0 Па·с. Участок 1-2 соответствует I этапу прессования (рисунок 3).
Рисунок 3 - Зависимость скорости сдвига ? и логарифма эффективной вязкости ?эф от напряжения сдвига ? ТФ СПП
Затем наступает предельное значение напряжения сдвига, начинается упругая (эластическая) деформация ТФ СПП (точки 1-3). Этот этап можно разделить на два участка. Первый - точки 1-2 характеризуется постепенным разрушением структуры в материале, нарушением межфазных связей в нем. Этап характеризуется началом течения материала с проявлением наибольшей эффективной и пластической вязкостью. Смоделировать поведение материала можно элементом Кельвина-Фогта. Значение скорости сдвига при увеличении напряжения сдвига от 3 до 9,3 КПА постепенно увеличивается до 0,7 с-1. Эффективная вязкость ТФ СПП в пределах участка уменьшается от максимального значения 10,0 до 9,1 КПА·с. На участке 2-3 структура материала начинает лавинно разрушаться. При этом напряжение сдвига растет до значения 22,8 КПА, скорость сдвига составляет 3,5 с-1, а значение эффективной вязкости снижается практически в два раза и достигает значения 4,7 КПА·с. Материал на этом участке начинает обладать другими структурно-механическими свойствами - он начинает течь. II этап соответствует процессу прессования (рисунок 1).
Далее рассмотрим участок 3-4. На нем в материале начинается лавинное разрушение его структуры - происходит течение материала с наименьшей пластической вязкостью. Материал приобретает полностью свойства псевдопластического тела. При резко увеличивающемся напряжении сдвига до 40,5 КПА, также увеличивается скорость сдвига в 2,9 раз и достигает значения 10,0 с-1. Эффективная вязкость снижается незначительно до минимума - 4 КПА·с. Этот участок соответствует III этапу прессования ТФ СПП в шнековом грануляторе (рисунок 1), который проходит в предматричной зоне, где располагается зона пластикации и нагнетающая лопасть.
Участок 4-5 характеризуется ньютоновским течением материала с постоянной вязкостью. На нем несколько увеличивается напряжение сдвига до 48 КПА, и скорость сдвига достигает значения 13,8 с-1, при этом значение эффективной вязкости материала остается практически на том же уровне и равна 3,8 КПА·с. Закономерности движения материала в зоне пластикации шнекового гранулятора и далее в фильерах матрицы можно рассматривать как движение ньютоновской жидкости в стационарном режиме. Этот участок соответствует IV этапу прессования материала - формованию из материала гранул (рисунок 1).
Выявленная закономерность кинетики деформации ТФ СПП состоит из последовательно соединенных элементов механических моделей: элемента Гука с модулем упругости G, Ньютона с вязкостью ?эф и пластического элемента Сен-Венан (рисунок 4).
Приложение напряжения ? к объединенной модели, которое превышает предельное напряжение сдвига ?к1, приведет к деформированию упругого элемента на некоторую величину деформации и модуль сдвига вычисляется по формуле:
Рисунок 4 - Объединенная механическая модель течения ТФ СПП
(4) где ? - приложенное напряжение сдвига, КПА;
- относительная величина мгновенной упругой деформации.
В это же время в шнековом грануляторе начинается медленное течение в вязком элементе ?"0. Этот участок медленного течения ТФ СПП представлен кривой 1-2 на рисунке 3. Вязкость упругого последействия определяли по формуле: (5) где - изменение скорости эластической деформации на участке 1-2, характеризуемое изменение тангенса угла ? наклона касательной к этому участку, с-1.
К моменту времени, соответствующему точке 3, развитие упругой деформации полностью заканчивается и далее наблюдается вязкое течение, выражающееся аппроксимированной прямой 2. Скорость течения на этом участке пропорциональна напряжению (? < ?1k2) и обратно пропорциональна наибольшей пластической вязкости по Шведову, которую определяли по формуле: (6) где - скорость нарастания деформации течения, с-1.
Составленная механическая модель, представленная на рисунке 4, является моделью Гершеля-Балкли и практически совпадает с механической моделью Бингама, та как отражает физическую суть процесса, происходящего в шнековом грануляторе.
Объединенная модель, представленная на рисунке 4 описывается реологическим уравнением при ? < ?1k2
. (7)
По характеру кривой течения , изображенной на рисунке 4, ТФ СПП может быть отнесена к твердообразным вязкопластическим дисперсным системам, а ее формование может рассматриваться как пластическое деформирование и течение псевдопластического материала.
Подтверждением вышеописанному служат построенные нами три реологические кривые течения ТФ СПП (рисунки 5-7). Их сравнивали с помощью степенного уравнения Гершеля - Балкли
, (8) где ?0 - предельное напряжение сдвига, КПА;
Рисунок 5 - Зависимость напряжения сдвига ? от скорости сдвига ТФ СПП в равномерных шкалах
Рисунок 6 - Зависимость напряжения сдвига ? от скорости сдвига ТФ СПП в логарифмических шкалах
Рисунок 7 - Зависимость эффективной вязкости ?эф от скорости сдвига ТФ СПП в логарифмических шкалах
В1 - коэффициент пропорциональности вязкости при градиенте скорости равном единице, Па·с;
n - индекс течения материала.
При ?0=0 уравнение 8 приобретает вид степенного уравнения Оствальда-де Виля: , (9) при n=1 - Шведова-Бингама, а В*1 представляет собой коэффициент пропорциональности при градиенте скорости .
Обозначив через m=1-n скорость разрушения структуры, а через безразмерный градиент скорости, получим
, (11)
, (12) где ?эф - эффективная вязкость, Па·с.
Согласно классификации [6] поведение кривых (рисунки 5-7) соответствуют псевдопластическому твердообразному телу. Кроме того, из уравнения регрессии кривой на рисунке 7, где значение -m = -0,2989, после использования формулы m=1-n получаем n равное 0,7, что меньше, чем единица. Такое значение индекса течения прессуемого материала характеризует его как псевдопластическую твердообразную систему.
Выводы. Исследование реологических свойств прессуемого материала - ТФ СПП показали, материал является твердообразным псевдопластическим телом и обладает всеми его свойствами. Аномальное поведение вязкости материала обусловлено структурированием системы и изменением структуры в процессе его деформации. При достижении напряжения сдвига более 20 КПА материал начинает течь. Вязкость становится независимой от скорости сдвига и приминает минимальное значение равное 4 КПА·с. Таким образом, в этом диапазоне ТФ СПП ведет себя как ньютоновская жидкость. Экстраполяция участка 4-5 до пересечения с осью абсцисс позволила определить предел текучести ТФ СПП по Бингаму, который равен 17,5 КПА, и характеризует число и прочность межчастичных контактов и прочность его структуры. Широкая область текучести (разность ?max - ?min) предельных вязкостей ТФ СПП обуславливает важное технологическое его свойство - формуемость (гранулируемость). гранулирование прессуемый реологический помет
Список литературы
1. Интенсификация анаэробного сбраживания птичьего помета / Марченко В.И. // Техника в сельском хозяйстве. 2011. № 6. С. 27-29.
2. Ways to intensify the process of anaerobic digestion of poultry manure in a bioreactor / Marchenko V.I., Sidelnikov D.A., Gritsai D.I., Gerasimov E.V., Shvetsov I.I. / Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Т. 7.№3. С. 1913-1918.
3. Мачихин Ю.А. Инженерная реология пищевых материалов / Ю.А. Мачихин, С.А. Мачихин. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 216 с.
4. Гранулятор для прессования птичьего помета / Сидельников Д.А., Герасимов Е.В., Белый Ю.В. // Сельский механизатор. 2015.№1. С. 28-29.
