Παραγωγή μικροσφαιριδίων διογκωμένου περλίτη: ανάπτυξη τεχνολογίας και μαθηματική μοντελοποίηση της διεργασίας

Abstract

Perlite is a naturally occurring volcanic siliceous rock which has the potential to expand between 4 and 20 times when heated beyond its softening point, due to the presence of 2-6% chemically bound water in its structure. During expansion, perlite acquires outstanding physical properties like low density, low thermal conductivity and high sound reduction index. In the industry, perlite expansion is performed in cylindrical vertical furnaces and the technique drawbacks affect product quality as well as process productivity and efficiency.The scope of the doctoral study has been the development of a new expansion method for the production of high quality expanded perlite microspheres. The main specifications of the new products are low loose bulk density, increased durability, and low water and oil absorption. As far as the grain morphology is concerned, spherical particle with closed structure and low specific surface area is required. In order to produce expanded perlite microspheres with the aforementioned characteristics, the precise control of the expansion process is necessary. In the framework of this study, a new expansion method has been developed and a new pilot-scale vertical electrical furnace for perlite expansion has been designed and constructed aiming to overcome the drawbacks of the conventional expansion method. The new perlite expansion method allows the milder, gradual heating of perlite grains, as well as the variation of perlite grain residence time in the heating chamber. In order to study the effect of furnace operating parameters on the chamber internal flow field, a mathematic model has been developed by the implementation of finite volumes method in commercial software (FLUENT®, ANSYS). The mathematical model enlightens the conditions that prevail in the heating chamber, especially air temperature and velocity and enables the investigation of the effect of operating conditions on them.A significant number of perlite expansion experiments have been performed in both vertical electrical and in conventional expansion furnace, in order to investigate the effect of expansion process in products quality. Perlite particles that had been expanded in the vertical electrical furnace are of high quality having significantly improved compression strength (in some cases exceeds 500%). Additionally, the particles water and oil absorption is the same and in some cases reduced by 20%, with narrower particle size distribution, lower resident water content. Aiming at the better understanding of the perlite expansion process in the new vertical electrical furnace, a mathematical model has been developed for the simulation of the process evolution in the new vertical electrical furnace. The dynamic model consists of ordinary differential equations for both air and particle heat and momentum balances, as well as nonlinear algebraic equations for both air and perlite melt thermophysical and transport properties. The expansion phenomenon has been simulated by a new steam bubble growth model that has been developed. The mathematical model probes the air temperature and velocity distribution within the vertical electrical furnace as well as the particle velocity, temperature and size along its trajectory inside the heating chamber.

Ο περλίτης είναι ηφαιστειακό πέτρωµα ρυολιθικής σύστασης µε χαρακτηριστική υαλώδη δοµή, αποτελείται κυρίως από πυρίτιο ενώ στην µάζα του περιλαµβάνει χηµικά δεσµευµένο νερό σε περιεκτικότητα 2-6%. Όταν ο περλίτης θερμαίνεται γρήγορα σε θερμοκρασία που ξεπερνά το σημείο μαλάκυνσης του διογκώνεται και αποκτά φαινόμενη πυκνότητα συνήθως μικρότερη από 150 kg∙m-3 και σημαντικές θέρμο- και ήχο-μονωτικές ιδιότητες. Σε βιομηχανική κλίμακα, η διόγκωση του περλίτη λαμβάνει χώρα σε κάθετες έμφλογες καμίνους, ενώ τα μειωνεκτήματα της μεθόδου επηρεάζουν τόσο τις ιδιότητες των προϊόντων όσο και την οικονομικότητα και αποδοτικότητα της διεργασίας.Σκοπός του παρόντος διδακτορικού είναι η ανάπτυξη µιας εξολοκλήρου νέας τεχνολογίας για την παραγωγή τεµαχιδίων διογκωµένου περλίτη υψηλής ποιότητας. Συγκεκριμένα, επιδιώκεται η παραγωγή ελαφροβαρών μικροσφαιριδίων διογκωμένου περλίτη, µε ικανοποιητική αντοχή και περιορισµένη απορροφητική ικανότητα. Τα ανωτέρω χαρακτηριστικά πληρούνται όταν ο διογκωµένος περλίτης έχει σφαιρικό σχήµα και περιορισµένο εξωτερικό ανοιχτό πορώδες. Για να επιτευχθεί αυτό, απαιτείται ο ακριβής έλεγχος της διεργασίας. Στη νέα µέθοδο διόγκωσης περλίτη που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής εφαρµόστηκε η Τεχνολογία Έµµεσης Θέρµανσης για την κατασκευή µίας νέου τύπου καµίνου για τη διόγκωση του περλίτη. Ο σχεδιασµός της νέας καµίνου διόγκωσης επιτρέπει την ακριβή ρύθµιση των συνθηκών που επικρατούν εντός του θαλάµου διόγκωσης και µέσω αυτού, του χρόνου παραµονής και της θερµοκρασίας των τεμαχιδίων. Σκοπεύοντας στη µελέτη της επίδρασης των παραµέτρων λειτουργίας της καµίνου στο πεδίο ροής εντός του θαλάµου διόγκωσης, πραγματοποιήθηκε αριθµητική προσοµοίωση της λειτουργίας της καµίνου µε τη μέθοδο πεπερασµένων στοιχείων στο πρόγραµµα FLUENT® µε στόχο τη µελέτη της κατανομής της θερμοκρασίας και της ταχύτητας του αέρα κατά μήκος του θαλάµου για διαφορετικά σενάρια λειτουργίας της καµίνου. Διενεργήθηκε σηµαντικός αριθµός πειραµάτων διόγκωσης στη νέα κάθετη ηλεκτρική κάµινο και σε συμβατική έµφλογη κάµινο διόγκωσης µε σκοπό την ανάλυση της διεργασίας στις δύο μεθόδους και τη σύγκριση των ιδιοτήτων των προϊόντων που προέκυψαν. Τα νέα προϊόντα παρουσιάζουν σημαντικά βελτιωμένη αντοχή σε συμπίεση που σε ορισμένες περιπτώσεις ξεπερνά το 500% και παρόμοια ή μειωμένη ύδρο- και έλαιο-απορροφητικότητα. Επιπλέον, χαρακτηρίζονται από στενότερη κοκκοµετρική κατανοµή, μικρότερο ποσοστό παραµένοντος νερού, μεγαλύτερο ποσοστό επαρκώς διογκωμένων κόκκων και σφαιρικό σχήμα με μειωμένο ανοικτό επιφανειακό πορώδες. Σκοπεύοντας στην εις βάθος κατανόηση της διεργασίας στη νέου τύπου κάμινο, αναπτύχθηκε ένα νέο µαθηµατικό µοντέλο που περιγράφει την διόγκωση ενός κόκκου περλίτη εντός της καµίνου. Για την προσομοίωση της διόγκωσης του κόκκου αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο, στο οποίο θεωρείται ότι στο κέντρο του κόκκου υπάρχει φυσαλίδα εντός της οποίας περιέχεται το επιδρών στην διόγκωση νερό. Το μαθηματικό μοντέλο προσφέρει την δυνατότητα διαμόρφωσης διαφορετικών σεναρίων μεταβάλλοντας τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της πρώτης ύλης αλλά και τις συνθήκες λειτουργίας της καμίνου διόγκωσης με τελικό σκοπό τη προσομοίωση της διεργασίας για διάφορες συνθήκες διόγκωσης και για περλίτη διαφορετικής χημικής σύστασης και υπολογίζει τη χρονική μεταβολή της ταχύτητας, θερμοκρασίας και διαμέτρου του κόκκου κατά μήκος της τροχιάς που διαγράφει εντός της καμίνου.