Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий icon

Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий




НазваниеОсновные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий
Зеленский Владислав Евгеньевич
Дата конвертации21.04.2015
Размер233.38 Kb.
ТипАвтореферат диссертации
источник


На правах рукописи
Зеленский Владислав Евгеньевич

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА

ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМ

В АППАРАТАХ С МЕШАЛКАМИ

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2002

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном
технологическом институте (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Смирнов Николай Николаевич
Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Барабаш Вадим Маркусович
Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Доманский Игорь Васильевич

доктор технических наук, профессор Шариков Юрий Васильевич
Ведущая организация – ОАО "Институт Гипроникель"
Защита диссертации состоится " _____ " _______________ 2002 г.
в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.230.06 в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) по адресу: 198013, Санкт-Петербург, Московский проспект, д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Отзывы на автореферат (в одном экземпляре, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 198013, Санкт-Петербург, Московский проспект, д.26, СПбГТИ (ТУ), Ученый совет.
Автореферат разослан " _____ " _______________ 2002 г.
Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.230.06

канд. физ.-мат. наук, доцент Чесноков Ю.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Тенденции развития современной химической и смежных отраслей промышленности демонстрируют постоянное повышение уровня сложности технологических процессов, в которых все большее применение находят многофазные гетерогенные системы. Наиболее интересным и сложным случаем (с точки зрения исследований и практического применения) является система жидкость - газ - твердое тело. Анализ зарубежной литературы, материалов международных конгрессов и конференций свидетельствует о значительном увеличении исследовательских работ в области аппаратурного оформления процессов перемешивания трехфазных систем, анализа особенностей гидродинамики, тепло- массопереноса и масштабного перехода. Актуальность исследований в этой области также подтверждается потребностями промышленности в современном оборудовании и новых технологических процессах.

Область применения трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело в настоящее время достаточно широка: различные каталитические процессы (включая окисление углеводородов); технологии извлечения пород и редкоземельных металлов в горнодобывающей и химической промышленности; процессы ферментации и обработки культуральных сред; очистка сточных вод; технологические процессы в пищевой, фармацевтической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Дальнейшее развитие и совершенствование процессов, протекающих в трехфазных системах, связано с разработкой инженерных методов расчета и выбором аппаратуры, обладающей высокой технологичностью, экономичностью и надежностью.
Цель работы. Исследование основных закономерностей взаимного влияния фаз при механическом перемешивании трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело. Анализ механизмов переноса твердых частиц и газовых пузырей в трехфазных системах. Создание типовой методики расчета процессов перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками.
Научная новизна. На основе анализа основных закономерностей процесса перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело в аппаратах с мешалками получены зависимости для определения условий формирования таких систем. А именно – соотношения для расчета минимальной частоты вращения мешалки, обеспечивающей отсутствие деления аппарата по высоте на аэрируемую и неаэрируемую зоны и отсутствие осадка твердых частиц на днище аппарата. Разработан метод расчета среднего газосодержания трехфазных систем, основанный на учете основных физических явлений, происходящих в системах жидкость - газ - твердое тело. Предложена система уравнений для расчета кинетики растворения твердых частиц в трехфазных системах.

Проанализированы механизмы подъема твердых частиц из осадка при перемешивании трехфазных систем и суспензий в аппаратах с отражательными перегородками. Получены соотношения для расчета минимальной частоты вращения мешалки, обеспечивающей отсутствие осадка твердой фазы при перемешивании суспензий мешалками с вертикальными и наклонными лопастями в аппаратах с отражательными перегородками.

Предложен метод расчета мощности, затрачиваемой на перемешивание систем жидкость - газ и жидкость - газ - твердое тело, основанный на учете реальных физических характеристик рабочей среды (через среднее газосодержание и плотность смеси), что позволяет исключить из практики инженерных расчетов графические корреляции и аппроксимационные зависимости, имеющие ограниченную область применения.
Практическая ценность. Приведены рекомендации по аппаратурному оформлению процессов перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело. Предложена наиболее обоснованная компоновочная схема аппарата с механическим перемешивающим устройством. Разработан метод комплексного расчета процессов перемешивания трехфазных систем с массовым содержанием твердых частиц до 50 %.

Результаты исследований использованы ЗАО НПФ "Миксинг" при расчете и проектировании аппаратов с мешалками объемом 0,1  1000 м3.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на 12-ой международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, 30 ноября - 3 декабря 1998), на 12-ой международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Великий Новгород, 1 - 4 июня 1999), на семинаре "Массо- и энергоперенос в технологических процессах" РХО им. Д.И. Менделеева (Санкт-Петербургское отделение, секция ТОХТ, СПбГТИ (ТУ), 23 марта 2000), на 14-ом Международном конгрессе по химической технологии CHISA (Прага, 27 - 31 августа 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из вводной части, четырех глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Материал изложен на 191 странице (из них 7 – приложения), содержит 49 рисунков, список литературы составляет 102 наименования (из них 63 – иностранные источники).


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассмотрена актуальность исследования трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело. Проведен анализ различных классов аппаратов, применяемых для обработки трехфазных систем; показаны основные технологические и эксплуатационные преимущества аппаратов с механическими перемешивающими устройствами и принудительной подачей газа.
Первая глава посвящена обзору и анализу литературы. Показано состояние вопросов, посвященных перемешиванию суспензий и газожидкостных систем, поскольку перемешивание трехфазных систем традиционно принято рассматривать как два параллельных процесса – суспендирование твердых частиц и диспергирование газа:

– проанализированы существующие подходы к анализу и расчету процессов суспендирования твердых частиц в аппаратах с отражательными перегородками и без них.

– рассмотрены физические условия формирования газожидкостных систем; требования, предъявляемые к конструкциям аппаратов; методы расчета мощности, среднего газосодержания и размеров пузырей.

Обобщены результаты исследований процессов перемешивания трехфазных систем. Проведен анализ известных конструкций аппаратов с механическими перемешивающими устройствами, способов введения газа и типов мешалок. Определена наиболее целесообразная компоновочная схема аппарата: цилиндрический сосуд с плоским или эллиптическим днищем; четырьмя стандартными отражательными перегородками; стандартной турбинной мешалкой и кольцевым барботером, расположенным на уровне мешалки (высота расположения мешалки над днищем аппарата равна диаметру мешалки).

Представлены имеющиеся в литературе сведения по особенностям контакта дисперсных фаз в трехфазных системах. Показано, что: во-первых, взаимодействие твердых частиц и пузырей газа может приводить к возникновению флотационных эффектов, простой деформации пузырей и деформации пузырей с последующим их разрывом (то есть к установлению меньшего среднего размера пузыря, по сравнению с системой жидкость - газ); во-вторых, взаимодействие твердых частиц друг с другом при высоких концентрациях твердой фазы (стесненные условия) вызывает снижение интенсивности турбулентности рабочей среды.

Кроме того, приведены результаты, касающиеся влияния газовых пузырей и твердых частиц на гидродинамику системы. Установлено, что в большинстве случаев присутствие газовой фазы в суспензии приводит к снижению плотности среды, что вызывает падение мощности, затрачиваемой на перемешивание. Это в свою очередь приводит к изменению характеристик турбулентного переноса, которые определяют условия подъема и переноса твердых частиц в рабочем объеме аппарата. Наличие твердой фазы в газожидкостной системе, как правило, вызывает снижение среднего газосодержания рабочей среды. Таким образом, литературные данные свидетельствуют о том, что непосредственный контакт и взаимное влияние дисперсных фаз в наиболее общем случае может определять гидродинамические особенности течения гетерогенной среды в аппарате.
В заключение литературного обзора сформулированы основные выводы, определены направления и задачи исследовательской работы:

1. Исследовать условия отсутствия осадка твердых частиц при перемешивании суспензий в аппаратах с отражательными перегородками.

2. Рассмотреть основные закономерности контакта и взаимного влияния дисперсных фаз в турбулентном потоке трехфазной пульпы.

3. Решить задачу, связанную с расчетом среднего газосодержания среды и его распределения по высоте аппарата, что позволит перейти к определению затрат мощности на основе учета реально протекающих процессов и физических характеристик рабочей среды.

4. Проанализировать механизм переноса твердых частиц в трехфазных системах и получить расчетные зависимости, позволяющие определять условия отсутствия осадка на днище аппарата.

5. Разработать инженерные методы расчета процессов перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело с массовым содержанием твердой фазы до 50 %.
Во второй главе представлен теоретический анализ процессов механического перемешивания суспензий, газожидкостных систем и систем жидкость - газ - твердое тело.
Рассмотрены механизмы процессов суспендирования твердых частиц в аппаратах с отражательными перегородками при использовании мешалок с вертикальными и наклонными лопастями.
Выдвинуто предположение о том, что при относительно равномерной газовой нагрузке на лопасти мешалки (что имеет место только при расположении кольцевого барботера на уровне мешалки) величина локального газосодержания в области мешалки примерно соответствует величине среднего газосодержания в аппарате. Это позволило предложить аналитический метод расчета мощности, затрачиваемой на перемешивание газожидкостных систем.
Проведен анализ условий формирования трехфазных систем, поскольку одновременное присутствие в рабочем объеме аппарата различных по своей природе дисперсных фаз предъявляет определенные требования не только к конструкции аппарата, но и к условиям реализации самого процесса:

, . (1)

Для корректно подобранной конструкции аппарата выполнение условий диспергирования и распределения газа в рабочем объеме, как правило, не составляет большого труда (значение величины в широком диапазоне содержания твердой фазы предложено определять как для обычной газожидкостной системы). Особую сложность при перемешивании трехфазных систем представляет вопрос, связанный с определением условий, при которых на днище аппарата отсутствует осадок твердых частиц и достигается заданное распределение твердой фазы в рабочем объеме. При этом главная проблема заключается в сложном характере взаимодействия элементов дисперсных фаз – твердых частиц и пузырей газа.
Рассмотрено взаимодействие твердых частиц и газовых пузырей в турбулентном потоке трехфазной пульпы.

При перемешивании систем жидкость - газ - твердое тело дисперсные фазы вступают в непосредственный контакт либо благодаря силам инерции, либо под действием диффузионных сил различной природы. Оценить способ взаимодействия (соударение или захват) в каждом конкретном случае можно по соотношению, применяемому во флотационной технологии:

. (2)

Если диаметр частицы больше критического, то ее столкновение с пузырем происходит благодаря силам инерции, если же меньше – то частица взаимодействует с пузырем в результате эффекта зацепления (захвата).

Диаметр пузырьков в газожидкостных системах в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) по литературным данным составляет 0,410-3  2,010-3 м; для случая (10-6 м2/с; 10-3 Пас; 1500  3000 кг/м3; 1000 кг/м3; 0,410-3 м) критический размер твердых частиц составит 41,47  82,99 мкм. Для воздушно-водной системы без ПАВ максимальный диаметр пузырей по литературным данным составляет 5,510-3 м; исходя из этого (10-6 м2/с; 10-3 Пас; 1500  3000 кг/м3; 1000 кг/м3; 5,510-3 м) критический размер частиц составит – 11,19  22,38 мкм. Таким образом, для большинства практически важных случаев твердые частицы размерами 12  83 мкм и более плотностью 1500  3000 кг/м3 взаимодействуют с газовыми пузырями (0,410-3  5,510-3 м) за счет сил инерции.

Сравнение поверхностной энергии пузыря и кинетической энергии частицы обычно проводят по величине критерия Вебера. Для оценки величины этого критерия необходимо определить относительную скорость движения пузыря и частицы. Учитывая влияние частиц друг на друга в ходе процесса осаждения (условие стесненности), а также тот факт, что при газосодержании свыше 6  8 % расстояние между пузырями оказывается весьма близким к размеру самого пузыря – условия совместного течения дисперсных фаз можно считать стесненными. При этом основное влияние на частицы и пузыри оказывают соответственно скорости осаждения и всплывания. Характерной особенностью течения в аппарате с отражательными перегородками и стандартной турбинной мешалкой является наличие четырех циркуляционных контуров, в каждом из которых можно выделить центральную и периферийную зоны, в которых частицы и пузыри движутся либо в одном направлении, либо в противоположном. Следовательно, минимальное значение относительной скорости движения дисперсных фаз можно определить как разность скорости всплывания пузырей и скорости осаждения частиц, а максимальное значение – как их сумму.

При газосодержании, не превышающем 20 %, скорость всплывания пузырей газа в аппаратах с мешалками составляет в среднем 0,2  0,3 м/с. Скорости осаждения твердых частиц размерами 150  1000 мкм, плотностью 1500  3000 кг/м3 и массовым содержанием 0,05  0,5 лежат в пределах от 0,0067 до 0,153 м/с. Максимальная величина относительной скорости движения частиц и пузырей для рассмотренных вариантов составляет 0,2067  0,453 м/с. Тогда, значения критерия Вебера () составят 0,13  8,55.

Величина критического значения критерия Вебера (3,0) имеет определенный физический смысл, заключающийся в том, что при 3,0 твердые частицы могут деформировать поверхность пузыря, но не обязательно разрывать его. Если бы в результате количественных оценок полученная величина превышала критическую более чем в несколько раз или на порядок, то можно было бы утверждать, что частицы твердой фазы дробят пузыри газа. Однако на данном этапе анализа процессов перемешивания трехфазных систем для рассматриваемых условий, сделано допущение об отсутствии дробления пузырей твердыми частицами, то есть допущение об идентичности размеров пузырей в газожидкостных системах и трехфазных пульпах. Исходя из этого, средние размеры пузыря в аэрируемой воздухом водной суспензии (150  1000 мкм; 1500  3000 кг/м3; 0,05  0,5) как и в системе вода - воздух составляют около 4,510-3 м.

В условиях отсутствия дробления при обтекании пузыря суспензией в наиболее общем случае может происходить закрепление твердых частиц на тыльной поверхности пузыря – явление флотации. Из литературы известно, что вероятность флотации твердых частиц находится в зависимости от относительной скорости движения частиц и пузырей; установлено, что при 0,17 м/с твердые частицы к пузырям не прилипают. Нетрудно заметить, что полученная относительная скорость движения дисперсных фаз (0,2067  0,453 м/с) превышает диапазон относительных скоростей фаз при флотации: 0,020,17 (м/с). На основании этого сделано предположение о том, что флотационные эффекты в рассматриваемых процессах практически отсутствуют. Причиной такой разницы между относительными скоростями движения дисперсных фаз во флотационных процессах и процессах перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками является то обстоятельство, что в большинстве случаев технология флотационных процессов не предусматривает четкого соблюдения условий отсутствия осадка твердых частиц на днище аппарата, а сосредоточение газовой фазы в верхней части аппарата (эффект зонирования) является даже благоприятным.
Проанализировано влияние твердой фазы на газосодержание трехфазной системы.

При механическом перемешивании среды пульсационные характеристики потока в первую очередь определяются внешним источником турбулизации – перемешивающим устройством. По данным визуальных наблюдений в результате постоянной деформации свободной поверхности жидкости в аппаратах с мешалками происходит непрерывный процесс возникновения и захлопывания небольших турбулентных вихреобразований – "каверн", сопровождающийся увлечением газа в слой жидкости (явление естественной аэрации). В основу анализа процесса увлечения газа в слой пульпы при перемешивании трехфазных систем положен тот факт, что при захвате газа определяющей является только область свободной поверхности жидкости. То есть без доли поверхности, занятой твердыми частицами и газовыми пузырями.

При интенсивном перемешивании, которое подразумевает выполнение условий суспендирования твердых частиц и распределения газа по всей высоте аппарата, в объеме приповерхностной зоны единичной высоты площадь поверхности, занимаемая жидкостью, в идеальном случае выражается как

. (3)

В литературе принято считать, что наличие тяжелой дисперсной примеси подавляет турбулентную структуру потока рабочей среды, при этом наибольшее влияние на пульсационные характеристики непрерывной фазы оказывает содержание твердых частиц. Особенно сильно это влияние может проявляться в области свободной поверхности – деформируемой границы раздела фаз, где затухают турбулентные пульсации потока, создаваемые перемешивающим устройством. Исходя из этого, пульсационная скорость жидкости в приповерхностной зоне в присутствии твердых частиц определяется эмпирическим уравнением:

. (4)

Следует отметить, что масштаб наименьших деформаций поверхности жидкости в присутствии твердой фазы отличается от масштаба наименьших деформации поверхности жидкости без твердых частиц .

Исходя из уравнения баланса расхода газовой фазы в приповерхностной зоне газожидкостного слоя, было получено соотношение для определения газосодержения в приповерхностной зоне трехфазной пульпы:

, (5)

где .

При использовании однопараметрической диффузионной модели для описания процесса переноса пузырей газа по высоте аппарата, получены зависимости для определения среднего газосодержания и расчета объемной доли газовой фазы по высоте аппарата:

,
(6)

. (7)

Как и в методике для систем жидкость - газ, расчет предусматривает итерационную процедуру по высоте газожидкостного слоя .
Проведен анализ условий подъема твердых частиц с днища аппарата при перемешивании трехфазных систем.

Характерной особенностью структуры потоков, создаваемой стандартной турбинной мешалкой в аппарате с отражательными перегородками, является визуально наблюдаемое постоянное образование и затухание вихревых структур различного масштаба в замкнутых циркуляционных контурах и в области, расположенной непосредственно под мешалкой. Эти наблюдения, а также сведения об экспериментальных измерениях отдельных составляющих скорости потока и локальных значений диссипации энергии позволили предположить, что процессы переноса в данных условиях обусловлены пульсациями сплошной среды. При этом перенос твердых частиц в вертикальном направлении в придонной области вызван пульсациями давления, которые в свою очередь порождены пульсациями продольной составляющей скорости. В этих условиях подъем твердых частиц в вертикальном направлении в придонной области может быть описан вероятностным диффузионно-пульсационным механизмом.

Как и при перемешивании суспензий в данном случае рассмотрена область вблизи осадка твердой фазы, где имеет место торможение процессов переноса. Сопоставление геометрических размеров элементов фаз: частиц – 150  1000 мкм (1510-5  10010-5 м), пузырей – 0,4  5,5 мм (4010-5  55010-5 м) и величины , которая не превышает по литературным данным  10-5 м, позволяет сделать вывод о том, что газовая фаза в рассматриваемой области практически отсутствует. Косвенным подтверждением этого предположения являются известные из литературных источников результаты исследований процессов теплообмена от газожидкостных систем к поверхности теплообменного элемента. Было установлено, что основное термическое сопротивление сосредоточено в вязком пристенном слое жидкости, который не содержит крупных газовых пузырей. При расчете коэффициентов теплоотдачи в литературе рекомендуется применять зависимости, полученные для жидкостей при отсутствии дисперсной газовой фазы, поскольку характер затухания турбулентных пульсаций в тонком пристенном слое сохраняется практически таким же, как и при течении жидкости.

Таким образом, ввиду отсутствия газовой фазы в области , поведение слоя твердых частиц вблизи днища аппарата можно считать идентичным поведению слоя частиц в суспензиях.

Тогда для определения условий подъема твердых частиц можно использовать уравнение для нормальной составляющей пульсационной скорости, обеспечивающей отсутствие осадка твердой фазы на днище аппарата с отражательными перегородками

. (8)

Принимая во внимание известное из литературы соотношение, можно записать:

. (9)

Преобразуя (9), с учетом соотношения для оценки толщины вязкого подслоя, можно получить следующее выражение

. (10)

С другой стороны, суммарная диссипация энергии

, (11)
обусловлена двумя источниками – перемешивающим устройством:

, (12)
и потоком газа:

. (13)

Выражая из (12) мощность, затрачиваемую перемешивающим устройством, и преобразуя уравнение (11), можно записать

. (14)

Связь мощности, потребляемой на перемешивание, с условиями перемешивания, характеристиками рабочей среды и оборудования описывается зависимостью

, (15)
где плотность трехфазной пульпы определяется по соотношению

, (16)
а среднее газосодержание – рассчитывается по уравнению (6).

Из равенства выражений (15) и (14), с учетом (10) получено соотношение для минимальной частоты вращения мешалки, при которой осадок твердых частиц на днище аппарата отсутствует:

. (17)

Следует отметить, что наличие двух источников энергии, вносимой в систему, равно как и присутствие дополнительной дисперсной газовой фазы приводит к изменению характеристик макромасштабного турбулентного переноса, в частности – коэффициента турбулентной диффузии, что непосредственно отражается на распределении частиц в рабочем объеме аппарата.

Учет влияния газовой фазы и особенностей компоновки аппарата позволил не только получить соотношение для определения условий отсутствия осадка твердой фазы на днище аппарата, но и оценить степень однородности распределения твердых частиц по высоте аппарата при перемешивании трехфазных систем.
Произведена оценка влияния газовой фазы на процессы массопереноса между жидкой и твердой фазой на примере растворения твердых частиц.

Введение газа в рабочий объем аппарата сопровождается дополнительным подводом энергии. Однако, энергия, внесенная газом в систему, как правило, на порядок ниже энергии, вводимой перемешивающим устройством, поэтому существенного увеличения интенсивности массопереноса не может наблюдаться. Наоборот – происходит уменьшение плотности среды, а следовательно – снижение мощности, затрачиваемой на перемешивание, что и ведет к некоторому снижению интенсивности переноса массы по сравнению с системой жидкость - твердое тело. Наиболее распространенный способ описания массоотдачи при механическом перемешивании связан с учетом воздействия маломасштабной турбулентности на структуру слоя вблизи поверхности частицы. В рамках данного подхода коэффициент массоотдачи от поверхности частиц, взвешенных в турбулентном потоке, предложено определять через суммарное значение диссипации энергии в рабочем объеме аппарата и величину молекулярной диффузии вещества в жидкости:

. (18)
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям, обработке и анализу результатов.

Приведено описание лабораторной установки, а также методики постановки и проведения экспериментов. Выбраны критерии визуального отсутствия осадка твердой фазы на днище аппарата для случаев перемешивания суспензий мешалками с вертикальными и наклонными лопастями в аппаратах с отражательными перегородками, а также для случая перемешивания трехфазной пульпы. Опыты проводились в аппаратах с рабочим объемом 3 и 8 литров. Расход газа доходил до 1800 л/час. В качестве сплошной жидкой фазы применялась вода, а в качестве газовой фазы – воздух. В экспериментах использовались частицы кварцевого песка (2640 кг/м3) размерами 250  300 мкм, 550  600 мкм, 700  850 мкм, 850  1000 мкм и стеклянные шарики – (2460 кг/м3) 900 мкм. Массовое содержание твердой фазы составляло от 5 до 50 %.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных, полученных в результате исследований, свидетельствует о возможности использования предложенных моделей в практике инженерных расчетов.
В четвертой главе приведена методика расчета процессов перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело в аппаратах предлагаемой конструкции (схема аппарата приведена в описании первой главы).

Представлена структурная схема методики расчета (рис. 1) и перечень необходимых исходных данных.




Рис. 1 Структурная схема методики расчета
ВЫВОДЫ
1. Рассмотрены физические условия формирования трехфазных систем в аппаратах с мешалками. Экспериментально подтверждено, что условие отсутствия деления аппарата по высоте на аэрируемую и неаэрируемую зоны для трехфазных систем можно определять как для обычной газожидкостной системы. Получены расчетные зависимости для определения минимальной частоты вращения мешалки, обеспечивающей отсутствие осадка твердой фазы на днище аппарата.

2. Проанализированы основные закономерности контакта и взаимного влияния дисперсных фаз при перемешивании трехфазных систем в аппаратах с мешалками. Показано отсутствие флотационных эффектов, а также отсутствие дробления пузырей твердыми частицами. Исходя их последнего результата, размеры пузырей в трехфазных системах принимаются идентичными размерам пузырей в двухфазных газожидкостных системах. Разработан метод расчета среднего газосодержания трехфазных систем с массовым содержанием твердой фазы до 50 %.

3. Приведены рекомендации по аппаратурному оформлению процессов перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело. Предложена наиболее обоснованная компоновочная схема аппарата с мешалкой: цилиндрический сосуд с плоским или эллиптическим днищем; четырьмя стандартными отражательными перегородками; стандартной турбинной мешалкой и кольцевым барботером, расположенным на уровне мешалки (высота расположения мешалки над днищем аппарата равна диаметру мешалки). Показана эффективность применения такой конструкции барботера в технологических процессах с высоким содержанием твердой фазы (до 50 % по массе).

4. С целью установления механизмов переноса твердых частиц при перемешивании трехфазных систем проведены исследования процессов перемешивания суспензий в аппаратах с отражательными перегородками. Показано, что при использовании мешалок с наклонными лопастями подъем осадка твердой фазы обусловлен вовлечением твердых частиц в общий циркуляционный поток (циркуляционный механизм). При перемешивании суспензий турбинными мешалками с вертикальными лопастями подъем твердых частиц с днища аппарата, оснащенного отражательными перегородками, обусловлен пульсациями продольной составляющей скорости течения суспензии (диффузионно-пульсационный механизм). Для каждого из рассматриваемых случаев получено выражение для расчета минимальной частоты вращения мешалки, обеспечивающей отсутствие осадка твердой фазы на днище аппарата.

5. Предложен метод расчета мощности, затрачиваемой на перемешивание двухфазной газожидкостной и трехфазной систем в аппаратах с модернизированной конструкцией газораспределительного устройства, основанный на учете реальных физических характеристик рабочей среды (через среднее газосодержание и плотность смеси), что позволяет исключить использование приближенных эмпирических зависимостей, имеющих ограниченную область применения.

6. Разработана комплексная методика расчета процессов перемешивания трехфазных систем в аппаратах рассматриваемой конструкции. Предложена система уравнений для расчета кинетики растворения твердых частиц в трехфазных системах.

7. Результаты работы использованы ЗАО НПФ "Миксинг" при расчете и проектировании следующих аппаратов: реактора объемом 0,1 м3 для синтеза фармацевтического продукта (заказчик – ОАО "Олифен"); механических перемешивающих устройств для емкостей объемом 1000 м3, предназначенных для выщелачивания серебросодержащей руды на участке цианирования отделения гидрометаллургии горно-обогатительного комбината месторождения "Лунное" (заказчик – ОАО МНПО "Полиметалл"); ферментатора объемом 0,16 м3 (заказчик – ЗАО "Валмед").

Основное содержание диссертации изложено в следующих
публикациях:


  1. Барабаш В.М., Зеленский В.Е. Перемешивание суспензий. // ТОХТ.- 1997.- Т. XXXI, № 5.- С. 465 - 471.

  2. Барабаш В.М., Смирнов Н.Н., Зеленский В.Е. О механизме переноса твердой фазы при перемешивании трехфазных систем. / Сб. тез. докл. 12 -ой международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии. Часть 5. IX молодежная конференция РХО им. Д.И. Менделеева и Проблемного Совета ТОХТ РАН "Процессы и аппараты химической технологии", "Технологические процессы с твердой фазой".- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1998.- С. 92 - 93.

  3. Барабаш В.М., Смирнов Н.Н., Зеленский В.Е. О влиянии газовой фазы на подъем твердых частиц при перемешивании трехфазных систем.
    / Процессы, аппараты и машины пищевой технологии: Межвуз. сб. науч. тр.- СПб.: Санкт-Петербургская государственная академия холода и пищевых технологий, 1999.- С. 15 - 19.

  4. Барабаш В.М., Смирнов Н.Н., Зеленский В.Е. Растворение твердых частиц в трехфазных системах. / Математические методы в технике и технологиях: Тез. докл. 12-ой международной научной конференции. Том 4. Секция 10: Моделирование и оптимизация технико-экономических и технологических процессов.- Великий Новгород: НовГУ, 1999.- С. 128 - 129.

  5. Барабаш В.М., Зеленский В.Е. О перемешивании трехфазных систем. / Металлургические технологии и экология. Металлургия - 2000: Тез. докл. конференции.- СПб.: ГУП "Руда и металлы", 2000.- С. 46 - 47.

  6. Barabash V.M., Smirnov N.N., Zielenski V.-E. Liquid - gas - solid mixing in stirred vessels. // In.: Proc. 14th Int. Congress of Chem. and Process Eng. (CHISA). Praha, Czech Republic.- 2000.- Poster P1.48.- p. 14. Summary: Part 3 (Mechanical and heat transfer; Processes and equipment).- P. 150.


Основные условные обозначения:
- диаметр газового пузыря, м; - диаметр мешалки, м; - диаметр частиц, м; - критический диаметр твердых частиц, (при частицы не могут взаимодействовать с пузырями за счет сил инерции) м; - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; - частота пульсаций, необходимая для подъема частиц из осадка, с-1; - гравитационная постоянная, м/с2; - высота слоя газожидкостной смеси в аппарате, м; - текущая высота, м; - коэффициент массоотдачи от твердых частиц, м/с; - частота вращения мешалки, с-1; - частота вращения мешалки, при которой отсутствует деление аппарата по высоте на аэрируемую и неаэрируемую зоны, с-1; - минимальная частота вращения мешалки, обеспечивающая отсутствие осадка твердых частиц на днище аппарата при перемешивании трехфазных систем, с-1; - мощность, затрачиваемая на перемешивание рабочей среды, Вт; - расход газа через барботер, м3/с; - площадь поверхности, занимаемая жидкостью, м2; - площадь свободной поверхности, м2; - относительная скорость движения частицы и пузыря, м/с; - нормальная составляющая пульсационной скорости, м/с; - критическая продольная пульсационная скорость, необходимая для подъема твердых частиц, м/с; - пульсационная скорость жидкости в присутствии твердых частиц, м/с; - пульсационная скорость жидкости без твердых частиц, м/с; - рабочий объем аппарата, м3; -скорость всплывания газового пузыря, м/с; - приведенная скорость газа, м/с; - среднее массовое содержание твердой фазы в рабочей среде, в долях; - коэффициент, характеризующий степень неизотропности течения в аппарате с отражательными перегородками, величина которого составляет 0,6; - толщина слоя, сопоставимая по величине с толщиной вязкого подслоя, м; - диссипация энергии, Вт/кг; - суммарная диссипация энергии, Вт/кг; - динамическая вязкость среды, Пас; - кинематическая вязкость среды, м2/с; - плотность фазы или среды, кг/м3; - поверхностное натяжение на границе раздела жидкой и газовой фаз, Н/м; - среднее объемное газосодержание, в долях; - среднее объемное содержание твердой фазы в рабочей среде, в долях; - относительная масса дисперсной примеси ; - коэффициент мощности; - критерий Шмидта; - критерий Вебера;- функция Лапласа.
Индексы:

G- обозначение относится к газовой фазе; GL- обозначение относится к газожидкостной системе; L- обозначение относится к жидкой фазе; P- обозначение относится к твердой фазе; S- обозначение относится к суспензии (система жидкость - твердое тело); SG- обозначение относится к трехфазной системе (суспензия - газ); - локальное значение величины; П- значение величины в приповерхностной зоне; 0- значение физической величины в области , масштаб которой сопоставим с масштабом области вязкого подслоя.




Похожие:

Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconУрок по темам: Подгруппа кислорода» и«Основные закономерности протекания химических реакций»
Повторительно-обобщающий урок по темам: Подгруппа кислорода» и «Основные закономерности протекания химических реакций»
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий icon§ Информационные процессы Основные информационные процессы
Основные информационные процессы – это получение, хранение, передача и обработка информации
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconXiii научно-практическая конференция «первые шаги в науку»
Но, вторгаясь в природные процессы своими антропогенными источниками, человек нередко нарушает закономерности их протекания, вызывает...
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconЗадача. Начальная концентрация вещества а 0,5 моль через 3 с 2 Моль. Определите среднюю скорость реакции
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых...
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconОтчет по реализации программы
Воспитательный и образовательный процессы в школе строятся на основе личностно-ориентированного подхода с использованием современных...
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconДанин Д. С. Неизбежность странного мира
Все процессы в природе конечны, кроме процесса бытия самой природы, не имеющего во времени и пространстве ни начала, ни конца
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconПриказ № от 2013г. Основные требования к школьной одежде и внешнему виду обучающихся
Настоящие Основные требования направлены на устранение признаков социального и религиозного различия между обучающимися, эффективную...
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconПримерные требования к образовательным учреждениям, реализующим основные общеобразовательные программы начального общего образования в части минимальной оснащённости образовательного процесса и оборудования учебных помещений
Овательного процесса в школе. Обеспечение средствами обучения регламентировано Приказом Министерства образования и науки РФ от 4...
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconСамостоятельная работа обязательная аудиторная
...
Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий iconСовмещенные опоп уп станочник 3г. 5мес. (1 курс)
План учебного процесса совмещенных опоп нпо 250401. 03 Станочник деревообрабатывающих станков и 270839. 01 Монтажник санитарно-технических,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©ex.kabobo.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации