автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамика и массопередача при кристаллизации солей из растворов в классифицирующих кристаллизаторах

РГ8 ОД . ■ '

З 0 МІ)Г ШЗ КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

На правах рукопису УДК 66.015.23: 66.065.096.5: 66.065.52 (088.8)

о - 4

ВРАГОВ Анатолій Петрович

ГІДРОДИНАМІКА І МАСОПЕРЕДАЧА ПРИ КРИСТАЛІЗАЦІЇ СОЛЕЙ ІЗ РОЗЧИНІВ В КЛАСИФІКУЮЧИХ КРИСТАЛІЗАТОРАХ

о

Спеціальність 05.17.08 - Процеси і апарати

* . , хімічної технології _

- _

І ' . '

' ■ • 'і * . АВТОРЕФЕРАТ дисертації *на здобуття вченого ступеня . доктора технічних наук

' ' і Київ —1993

Робрта виконана в Сумському фіз'.іко-тєхнололічному інституті-

с

Офіційні опоненти:. доктор, технічних, наук» професор '

. * ' • и _ _ ■ . ІХг Олєйнік

' доктор технічних науісг професор

. ■ ’ М.І»-*Павліиев-

: ' • доктор технічних наук,, професор,

. ’ - академік АН- ТІІУ В.Г. Пономаренко '

Ведуча 'організація: Державний. неуково-досліді^Мй і ’

• _ • • проектний інститут хімічних *

• - . ' технологій "Хімтехнологія”,

.. . м. Сєверодонещж' Луганської 'обл.' '

. І * - • - 5

' , ' ■ • 4 • І • .

' •. - <1 - - І

20

Захист відбудеться ГІ " уовтня ' 1993 р. о 14 ~~ годині.

на засіданні спеціалізованої'вченої ради Я 068.14.06 при ' ■ • . ■ ’

Київському політехнічному інститутів за адресою: 252056,

м. Київ - 56, проспект Перемоги, 37, "політехнічний інститут,

корпус 21,■ аудиторія 2І2„ . 1 - .

З дисертацією . можна ознайомитись в- бібліотеці інституту..

' . , " * \ - » Автореферат розісланий . " 8 " л и гг н я 1993 р.

Вчений секретар ' ^

спеціалізованої , . - ;

вченої ради» .професор В.Я. Круглицька

А Н О Т '.А Д .1 Я"

Виконано комплекс розрахунково-теоретичних, аналітичних та експериментальних досліджень процесу масової кристалізації сТзлей із розчинів в класифікуючих кристалізаторах з метою узагальнення основних закономірностей процесів гідродинаміки та масопередачі в стислих умовах взаємодіючих* фаз, розробки методики розрахунку кристаловиро-щувачів і створення нових конструкцій класифікуючих кристалізаторів охолоджуючого і випарюючого типів. *

Досліджені та уточнені деякі фізико-хімічні та гідродинамічні властивості висококощентрованих і пересичених зодно-сол’ьових розчинів, одержані розрахункові/залежності для визначенняя густини і динамічної в"язкості висококощентрованих розчинів 12 солей.

На основі досліджень гідродинаміки лсевдозрідженого шару кристалів у перехідному рейші обтікання зерен виявлені умови гідравліч-

о ної сепарації та класифікації кристалів в залежності від відношення діаметрів часток, порізності шару основної монофракціт і режиму обтікання зере^. Одержані розрахункові залежності для визначення локальних параметрів лсевдозрідженого кла^Лікованого шару кристалів в циліндричних та циліадрокоиічних вирощувачах. З урахуванням локальної порізності шару і масової частки окремих монофракцій кристалів вираховується загальна висота змуленого шару кристалів.

На аснові виконаних досліджень закономірностей масопередачі в класифікованій суспензії одержані розрахункові залежності для визначення локальних поверхневого та об"емного коефіцієнтів масопередачі в залежності від локальної порізності змуленого шару, діаметра і режиму обтікання зерен, фізико-хімічних і дифузійних властивостей взаємодіючих фаз. Виконана оптимізація гідродинамічних та масрпере-носних локальних параметрів процесу росту кристал .-і в в залежності від діаметра зерен і режиму їх обтікання.

Розроблена методика інженерного розрахунку класифікуючих кристалізаторів в урахуванням модуля полідисперсності питаючих кристалів, ■оптимальних параметрів процесу для ттродукційної монофракції, розроблені алгоритми і програми розрахунку циліндричних та циліндро-коніч-них кристаловирощувачів з використанням 20М.

' Виділені і реалізовані в нових, розроблених автором конструкціях класифікуючих кристалізаторів основні принципи інтенсифікації і бптимізації процесів росту і гідравлічної класифікації кристалів. Окремі конструкції розроблених класифікуючих кристалізаторів впроваджені в промисловість з реальним економічним ефектом'.' '

' ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОШТИ

Актуальність проблеми. Серед поширеної групи- кристалізаційного обладнання для проведення процесів масової кристалізації, солей, із розчинів, одним із ефективних, і перспективних видів е класифікуючі кристалізатори, які дозволяють одержувати крупнокристалічний продукт однорідного гранулометричного складу з високими показниками якості і споживчих властивостей.. Відмічаючи значні наукоаі і практичні досягнення в розробці теорії процесів масової кристалізації і вдосконаленні кристалізаційної техніки, які узагальнені в працях вітчизняних- і зарубіжних, вчених,.треба зазначити, що не було проведено комплексного дослідження-і узагальнення-, закономірностей функціонування класифікованого змуленого шару, умов сепарації, класифікації і росту кристалів в кристаловирощувачах класифікуючих кристалізаторів. Відсутність узагальнюючої науково-технічної інформації по теорії процесу, відсутність, достатньо обгрунтованої методики розрахунку класифікуючих кристалізаторів стримує розробку, розрахунок-і впровадження в промисловість нових видів цієї ефективної техніки- Тому розробка теоретичних основt дослідження і узагальнення-закономірностей процесів гідродинаміки і масопередачі в класифікуючих кристалізаторах-, розробка методики технологічного^і конструктивного розрахунку апаратів на основі принципів оптимізаціГ локальних: параметрів процесу у класифікованому псевгеозрідженому шарі становлять актуальну науково-•технічну проблему, яка мав також, важливе народно-господарське значення в підвищенні якості вироблених кристалічних продуктів, в інтенсифікації і_вдосконаленні технології виробництва мінеральних: солей і добрив, а також продукції малотонажної хімії.

Робота над даною тематикою виконувалась відповідно з: '

- координаційним планом найважливіших НДР вузів по процесах і

апаратах хімічних виробництв і кібернетики хіміко-технологі;-ших процесів на 1983-88 p.p. з проблеми 4.10 /додаток до приказу Мінвузу СРСР № І від 3.01.1963 р./ї •

-координаційним планом'АН~СРСР~на 1986-1990 р. по теоретичних основах, хімічної технології - проблема 2.27.2.13.6 "Розробка теоретичних основ і апаратури кристалізаційних методів очистки в розчинах?

- координаційним планом найважливіших ЦДР Мінвузу СРСР на. 19861990 p.p. з напряму кристалізації із розчинів і газової фази;____________

- тематичними завданнями підприємств Міністерства по виробництву мінеральних добрив і Міністерства хімічної промисловості.. “

Мета роботи полягав в розрахунково-теоретичному і експериментальному дослідженні, а також- ¡узагальненні закономірностей гідродина—

мік'.т та масопередачі при кристалі каці У солей із розчинів в псевдозтп дженсму к.часифі кованому шарі кристяліі', виявлення кінетичних лскаль-ь’їх характеристик і оптимальних параметрів процесу в залежності від гідродинамічного резздму обтікання зерен, масообмінких та фізико-хім:-чних характеристик взаємодіючих фаз; розробка методики інженерного розрахунку і оптимізація робочого сб"ему циліндричних і циліндро-нснічних кристаловирощувачів, розробка алгоритмів і програм розрахунку апаратів на ЕОМ; розробка нових прогресивних конструкцій класифікуючих кристалізаторів, в яких використані основні принципи інтенси-. фік-'ції та оптимізації процесів росту і гідравлічної класифікації і які дозеоллють отримувати кругшокристалічні продукти однорідного гранулометричного складу з високими показниками якості; реалізація результатів досліджень і розробок апаратури з промисловості. •

Наукова новизна. На основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень одержані слідуючі наукові результати:

- розроблена математична модель гідродинамічної взаємодії витаючих кристалі з з шсхідким потоком розчину у перехідному режимі обтіканні зерен для циліндричних і циліндро-конічних апаратів;

- сформульовані і виявлені основні умови осадження, класифікації, сепарації і виносу кристалів в псевдозрідженому шарі, одерітані залежності для кількісних розрахунків локальних гідродинаміч:5’:-: '^рамет-рів класифікованого змуленого шару кристалів у циліндричних і цилін-?дро-конічних апаратах, одержано рівняння для розрахунку оптимальної порізності, при якій досягається максимальний ефект взаємодії фаз;

- одержані рівняння для розрахунку основних характеристик псевдо-зрідаеногі шару, які однозначно зв''язуготь параметри системи з режимом обтікання зерен, ступенем розширення змуленого шару, а також фі-зико-хімічними властивостями взаємодіючих фаз;

- розроблені номограми для експресного розрахунку локальних параметрів окремих монофракцій зерен для циліндричних і циліндро-коніч-них апаратів в залежності від параметрів продукційної монофранції;

- розроблена математична- модель-масообмінної взаємодії витаючих кристалів з потоком пересиченого розчину, одержані рівняння для розрахунку локальних значень поверхневого і об"вмного коефіцієнтів масо-передачи з урахуванням порізності і гідродинамічних^характеристик змуленого шару;

- сформульовано, експериментально установлене і вивчене явище

досягнення максимальної об"ємної інтенсивності масопередачі в змуле-ному шарі зерен в залежності від, його порізності,, діаметра зерен і режиму їх оГтіканняг • - -

а - '

- одержані залежності для кількісних розрахунків, локальних коефі-

цієнтів масояерадччі з урахуванням оптимальної порізності іяару;

- запропоновані критгріальні рівняння для розрахунку поверхневих коефіцієнтів масопередачі в стиснених умовах змулейого шару з 'урахуванням ступеню його розширення і режиму сстікання зерен;

- розроблена математична модель формування гранулометричного гі

склад?, об"єму і маси змуленого шару кристалів у циліндричних і ци-ліндро-конічних кристаловироцувачах для заданих параметрів роботи апарата у безперервному режимі; . -

- сформульовані і розроблені основні методи інтенсифікації! і оптимізації процесів гідравлічної класифікації і росту криот“д-з в псйвдозрідженому шарі, які забезпечують одержання крупнокристаліч-них продуктів однорідного гранулометричного складу;

- досліджені і vзaгaльнeнi розрахунковими залежностями деякі властивості висококонцентрованих зодно-сольових розчинів 12 солей /динамічна в"язкість і густина/.

Практична цінність. На базі проведених наукових досліджень одержані слідуючі практичні результати:

розроблена методика інженерного розрахунку крготалі забійних установок і класифікуючих кристалізаторів на задану потужність і бажаний розмір продукційних кристалів, результати розроблених методик включені в навчальний посібник, використовувалис; в практиці промислового проектування, а також в навчальному процесі для курсового і дипломного проектування;.

- розроблені алгоритми і програми розрахунків на ЕС'Л циліндричних і циліндро-кснічних кристаловирощувачів;

- розроблені нові конструкції одно- і двухступеневих класифікуючих кристалізаторів охолоджуючого і випарюючого типів, в яких використані методи інтенсифікації процесів росту кристалів;

- впроваджені в промисловість на підприємствах кр^їн СНГ класифікуючі кристалізатори випарюючого типу для одержання сульфату амонію із капролактамових лугів з реальним зкономічним ефектом. Одержана на цьому обладнанні продукція атестована вищою категорією якості

- кристалізаційні установки з класифікуючими кристалізаторами охолоджуючого типу впроваджені на підприємствах для одержання мінеральних солей і хімічних реактивів.

Економічний ефект від використання результатів дослідження в промисловості становить більше 800 тис. крб. яа рьс /в цінах до 1990 р./ деякі роботе знаходяться в стадії впровадження.

Апробація роботи. Основні результати рдботи доповідались на еллду тих нарядах і конференціях: Всесоюзній науково-технічній нараді по

дослідженню процесів тепло- і масообміну в киплячому шарі /м» Іваново, 1959 р./; 4-й і 7-й Республіканських науково-технічних кон-

ференціях "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" /м. Харків, 1976 р., м. Львів, іЗой р./; Всесоюзній науковій конференції "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств"

- ПАХТ-65 / м. Харків, 1965 р./; 1-й Всесоюзній конференції по

, створенню і впровадженню сучасних апаратів з активними геодинамічними режимами / м. Москва, 1977 р./; І - 4-й Всесоюзних науково-технтчк.х нарадах "Пуі.. совершенствования, интенси(|икации и йовы-шэния надежности аппаратов в основной химии" / м. Суш, 1980, 1982, 196о, 1989 р.р./і Всесоюзній конференції по росту кристалів / м. Харків, 1932 р./; Всесоюзній конференції "Современные проблемы химической технологии" / м. Красноярськ, 1986 р./;. Всесоюзних наукових хсн*ї;?єнцгях "Современные машины и аппараты химических производств" - "Хкмтехника - 63" / м. Ташкент, 1933 р./, "Химтехника -

* 68" / м. Чимкент, 1958 р./; 3-й і 4-й Всесоюзних конференціян по масовій кристалізації і кристалізаційним методам розділення сумішей / м. Черкаси, 1985 р., .г. Іваново, 1990 р./.

Діюча модель "Кристалізаційна установка безперервної дії1,' як приклад нової техніки, демонструвалась на ВДНГ УССР у 1983 р. і відзначена дипломом 2-го ступеня.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладений в 76 наукових працях, в тому числі - І навчальний посібник, 51 журнальних статте« і тез доповідей, 15 авторських свідоцтв на винаходи, б.звітів по закінчених НДР, зареєстрованих у ВЦНІІ, в яких рзтор був науковим керівником. '

Структура і об"дм тюботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних виснозків» списка літератури з 253 най-~ мекувакь та додаткіР. Ос :овний змісі роботи викладений на 240 сторінках машинописного тексту, включає 80 рис., таблиць та блон-схем 'алгоритмів розрахунків. Загальний об"ем роботи Збб сторінок.

’ ЗМІСТ' РОБОТИ

петзкюму розділі, коротко розглянуті основні питання стану теоретичних основ процесів масової кристалізації солей із розчинів у змуленому шарі кристалів, які включають.етапи одержання пересиченого розчклу з контрольованим рівнем перенасичення, утворення егійют зародків, а також колективного росту кристалів. Проведено аналіз роботи діючих у промисловості класифікуючих кристалізаторів,

. типові пскструкцт! лих апаратів охолоджуючого і випарю-

ючого типів, відмічені недоліки в роботі апаратів, вказане ь.ь недостатність ¡луковз-технічної інформації по ргзрахунку і пр^ектуванн цього виру техніки, на відсутність ¿остатньо обгрунтоване* методик: розрахунку класифікуючих кристалізаторів, '

' Особливістю сучасних процесів масової кристалізації солей із розчинів є використання активних гідродинамічних режимів взаємодії розчину з дисперсною фазою, перехід на безперервні способи виробництва, використання апаратури великої одиничної потужності і об"єму, вдосконалення технології ’і апаратурного оформлення стадій виробництва, справляючих вирішальний вплив на матеріальні і енергетичні витрати, на якість і споживчі властивості готової продукції.

Масова кристалізація солей із розчинів в класифікуючих кристалізаторах е багатостадійним процесом, гкий включає етапи одержання пересиченого розчину з^контрольованизл рівнем пересичення, утворення стійких зародків і їх подальший ріст до розмірів кристалів потрі бного ступеню дисперсності і,г заданою інтенсивністю.

Для промислової реалізації процесів" одержання крулнокристаліч-них солей із розчинів в класифікованому ємуленому шарі кристалів одержане в апаратурно-процесних одиницях кристалізаційної установки пересічення розчину не повинне, перевищувати гсашчкого рівня, визначазмого по рівнянню Сіновієца для розчинів, які не включають в собі свердої фази, або по залежності Пономаренка ї співавторами для розчинів з витаючими частками твердої фази. Рівень десягазмого перенасичення розчину в присутності твердої фази знижується, при цьому також знижується швидкість гомогенного зародкоутзоренач, цо є важливою передумовою для одержання крупнокристалічгах продуктів.

В розділі коротко розгл 'куті найважливіші властивості кристалізату і концентрованії:: водно-сольових розчинів, які в найбільшій мірі впливають на гідродинаміку і масопередачу у псевдозрідженому тарі кристалів, відмічається недостача даних і відсутність розрахункових рівнянь для визначення густини і в"язкості жсококс.центрованих розчинів в залежності від концентрації і температури.

Аналізуючи опубліковані дані по гідродинамічні” взае.мод-ї фас у псеццозрідженому шарі, відмічається, щсРлараметри змуленого шару визначаються по середньому розміру витаючих в апараті частинок, а розрахункова порізність змуленого шару задається довільно в діапазоні £= 0,65-0,75, що в кінцевому результаті призводить до пер-нищення робочого об'єму апарата в 2-3 рази в порівнянні з оптимальним. Найбільш достовірною і часто використовуємо?; в розрахунках гідродинаміки вважається формула Тодеса і співавторів

Для моделювання і розрахунку локальних гідродинамічних параметрі ч змуленого тару кристалів в класифікуючому кристалізаторі формула Тодеса не підходить навіть для циліндричних апаратів і зовсім неприємлива для циліндро-кснічких кристаловирощузачів.

Аналізуючи роботи по масопередачі в псевдозрідаеному шарі, відмічається, що на швидкість росту кристалів впливають інтенсивність відносного руху взаємодіючих фаз, пересичення і температура розчину, розмір часток і маса витаючих кристалів, природа і фізико-хімічні властивості розчинника і кристалізусмої солі. Швидкість кристалізації більшості неорганічних солей із розчинів з помірною в"язкістю лімітується дифузійн~-конвективною стадією. Узагальнення експериментальних даних по масопередачі дається в критері альній формі, при ::ъсму відмічається, ідо з розрахункових залежностях стиснені умови ззаємодіх фаз не виражені в явній формі, що затруднюз їх використання.

На основі аналізу робіт по розрахунку і проектуванню класифікуючих кристалізаторів відмічається, Що наявні методики не враховують в комплексі усі зпливаючі на роботу апарату фактори, а саме: ке враховується зміна локальних параметрів кристалів по висоті апарата, не враховується ефект класифікації кристалів, зміна лекальних об'ємних коефіцієнтів масопередачі по висоті кристаловирощувача,

_ Таким чином, на основі аналізу стану проблеми кристалізації солей із розчинів в класифікуючих кристалізаторах, виявлені задачі дослідження і сформульована мета роботи, викладена в її загальній характеристиці .

В другому розділі подані результати- досліджень деяких властивостей висококонцентрованих водно-сольових розчинів, зокрема досліджені і узагальнені дані по густині і динамічній в"язкості, приведено опис інтерферометричного методу визначення складу концентрованих розчинів і використрчня його для визначення граничного пересичення не-розмішуваних розчинів. Суть запропонованого методу інтерферометричного визначення складу концентрованих розчинів полягає в тому, що об'єктом порівняння використані менш концентровані водні розчини досліджуємо? саг:, пги цьому експериментально було виявлено, що показник акали приладу в залежності від температури розчину залишається сталою величиною в інтервалі температур зід 8-І0°С' вище температури насичення розчину до температури на 3-5 °С нижче її, тобто для двох розчині однієї солі різної концентрації показники заломлення в залежності- зід температури не змінюються до початку разового переходу,_з той же час показання шкал;; приладу змінюються-в залежності .чід концентрації, досліддуємого розчину.

На базі побудованих проградуйованих графіків з використанням розчинів порівняння різі.зї концентрації і юовет різкої ДОВЖИНИ 'КОН-центрац-ю розчинів визначали з точністю 0,02-0,05 % мас. при'загальній концентрації розчиненої солі в розчині в межах 24-46 % мас.

Інтерферометричний метод аналізу розчинів дозволив також визначити граничне перенасичення деяких розчинів в статичних умовах по температурі утрати сталості коефіцієнту заломлення. Дня нерозміпіу-ваних розчинів нітрату калію, сульфату амонію, нітріту натрію в інтервалі температур 20-40 °С граничне перенасичення складає 1015 г/літр, в той час як для розмішуваних розчиніз в при .нооті незначної кількості витаючих кристалів воно складає 3-5 г/літр.

Для розчинів нітріту натрію і алюмо-амонійного галуну пров°дені дослідження граничкого пересиченш в умовах їх розмішування і поступового охолодження в герметичній колбі, при цьому виявлено, ще абсолютне пересичення розчинів в даних умовах було нижчим, чим в нероз-мішуваних в кюветах при одинаковїй швидкості охолодаєнні розчинів.

З метою уточнення густини насичених розчинів деяких солей і експресного визначення їх складу були проведені досліди по вивченню характеру зміни густини в залежності від концентрації і температури. Одержані дані були узагальнені з граничним відхилення?/ до - 3 кг/м^ слідуючим рівнянням . '

Рр ~ А + / і /

де А, В, С - коефіцієнта, які враховують властивості позчинемої солі; X- концентрація розчину, % мас. В приведеній таблиці дані значення коефіцієнтів для 12 солей і межі дії рівняння /І/.

Для використання в практичних розрахунках потрібні дані по динамічній в"язкості концентрованих і-насичених розчинів, в зв"язку з чим були проведені експериментальні1 і аналітичні дослідження. , Результати досліджень були узагальнені.на ЕОМ рівнянням ,

уМр = А,ехр[(Ва/Т) +СаЦ* /„2/ де уЧа- в"язкгсть води при температурі розчину; А0, В0, С0- константи, які залежать від властивостей розчиненої солі; /- - моля-льна концентрація розчину. В таблйЩ- приведені значення констант для 14 солей і межі дії рівняння ....

В третьому -розділі розглянуті, досліджену і узагальнені закономірності гідродинаміки класифіковане.'о псе*розрідженого шару кристалів у кристаловирацувачах класифікуючих кристалізаторів, проаналізовані і кількісно- описані умови сепарації і ^класифікації крлеталіа змуленому шарі, одержані рівняння для визначення локальних параметрів класифікованої кристалічної суспензії в цилівдричних і цилівдре-

іонічних апаратах на основі ftорулн дисперсності і параметрів змуле-іого шару продукційної монофракці1; кристалів.

В розділі’ аналізується стан класифікованої суспензії в висхідному потоці розчину. Під дівю інерційних, масових і в"язкістних сил створюються умови, при яких тверді частинки розділені рідинним прошарком і набувають можливості пц^міщуватися в об'ємі змуленого ша-Енергія, яка віддається потоком» витрачається на розширення і під::л'■.•'чия зерен в підвішеному стані, на подолання сил тертя і опс ■ ру ¿¡ередоБша. Використовуючи модель взаємопроникаючого, протитечій-ного стислого руху фаз в змуленому шарі, складена система диферен-ційних рівнянь кількості руху по фазах з урахуванням сил опор/

^ /з/

о-$аФ+і4 /

' /5/

де f(€)~ коефіцієнт опору в стислих умовах,^(£)= fj£.K ;

К - показник стислості, який залежить зід форми і розміру частинки.

Для-стислого руху фаз в ‘дяорідному парі монодисперсних кульових частинок система рівнянь вирішується і приводиться до формули

?(£) UL » d4 є (А-Р,)9> . . t / 6 /

яка в критеріальній формі та вигляд

■ <ff£) £е2 = ^-/Ь£3- /7/

З-урахуванням величини (б) одержане рівняння

у0 ReZ~ jAr-£c3,**) /8/

описує закон розширення монодисперсного змуленого -шару.твердої фази в висхідному потоці рідаш. Враховуючи залежність коефіцієнта від режиму обтікання частинок, рівняння /8/ представлене в узагальненому виді ^ _ д

9 / /

де Е - показник стислості, враховуючий режим обтікання зерен і фізико-хімічні властивості взаємодіючих фаз; А - коефіцієнт, який залежить від режиму обтікання частинок.

Рівняння /9/ можна використати в практичних розрахунках при виз-начеі ні коефіцієнту А і показника Z . . ■

На основі проведеного аналізу знайдено, що в змуленому шарі кристалів щільністю jO =1200-3000 кг/м^ з розміром зерен 0,3-3,0 мм, псевдозріджених насиченими розчинами, в більшості випадків гідродинамічна взаємодія фаз характеризується перехідним режимом обті-

канни зеррн, обмеженим-діапазоном чисел Архімеда Зь<Лг<І (Я.

В результаті порівняльного аналізу опублікованих даних по визначенню коефіцієнту опору середовища в умовах віль.іого і стисненого осадження зерен в перехідному режимі їх обтікання було встановлено, що початковій ділянці перехідного режиму в діапазоні чисел Рейнольдса 2<Ке<40 переважають сили в''язкістного тертя, а на'основній ділянці перехідного режиму в діапазоні чисел 40<£е< 5СС переважаючими стають інерційні сили, при яких проявляється вплив*зворотно-вихрових течій. За уточненими даними рекомендовано вираховувати коефіцієнт-опору з більшою точністю по слідуючим рівнянням: для діапазону чисел Архімеда 36<Лг< 2500 і відповідно чисел Рейнольдса 2<г^е<40

У о - 24/Яе0', /10/

для діапазонів чисел і 40^Ке<500 '

. , ° = 7,5 ¿Ке*1* /п/

"- с

Рівняння ДО/ і /II/ задовільно корелюються з експериментальними даними інших досліджень, при цьому середнє відхилення розрахованих значень відносно екпериментальнкх не перевищує - 3,8 %.

ЗраговуЬчи значення коефіцієнту опору, одержані критеріальні рівняння. для розрахунків швидкості тільного .осадження частинок для виділених ділянок перехідного режиму їх обтікання і котрі мають вигляд:

для діапазону чисел 36<Дґ< 2500 і 2*іК£<40

Л2/

для діапазоні з чисел 2500</?Г<Ю5 і 40<£Є<500 .

ЛЄс -0,335Лг0.’6^ /із/

Результати багаточисяльшх експериментальних досліджень по#розши- ' ренню псевдозрідгзного шару твердих частинок в умовах однорідного зму-леного шару в літературі узагальнені рівнянням

и = и0£\ /14/

яке зв"язуе швидкість розчину в вільному поперечному стченкі апарату з швидкістю вільного осадження зерен і порізністю змуленого шару.

В результаті аналізу опублікованих в літературі і на основі обробки одержаних експериментальних даних п:: розширенню псевдосріджених моно- і полідисперсних частиної- для перехідної області обтікання зерен в діапазоні чисел Архімеда 36</?Г'<І0^ нами знайдено, що показник ступеню в рівняннях /9/ і /14/ е достатньою точністю мокна .вирахувати по залежності ___. а£ “ .

. /15/

.3 .уряууяяннзи Апрмут? ../15і ..^жтрргальче ?елег.ні -

сл і дуючий вигляд: для діапазону чисел Архімрда 36<Лґ< 2500

Re = о, 10S йґ°'7Ч^/А^ов /10/

для діапазон”- чисел Архімеда 2500<Аг< 10°

Re = 0,Z3SAr0^&s'z/fi:r°'06 /17/

вирішуючи рівняння /І6/-/І7/ відносно робочої швидкості розчину з вільному поперечному січенні циліндричного апарату, а також відносно порізності однорідного змуленого шару для монофракції зерен знайдено: для діапазону чисел 36<Лг< 2500

и ~о,62з d1^(pH -ppo’7S£^oyj>;~yu;-s‘,

/18/

Е = [1,542. ^е^/Аг°^]^ооє . /19/

для діапазону ;пк-"Л 2500

и - /,4« ^"(р.-рГ'^Ур^Г, ш

£»¿(,234 Яе''а/й /21/

Рівняння /16/—/21/ дозволяють розрахувати локальні паряметізи ‘.муленого класифікованого ша-у окремих мопофракціГ: кристалів з залежності від росііру зерен і режиму їх обтікання.

Аналізуючи змулє:-:ий зернистий шар як проточну систему, складену із зерен середнього розміру <іі, (І:, <іу, через яку рухається розчин, зрсглекі слідуючі припущення:_а/ основною, переважно представленого з шарі в монофра:-дія зерен сзред:-:оого діаметра о(і , порізність зму-деногс шару цієї монофракції відповідно ; б/ в ьлжзерчовому про-:тосі основної фракції розподілені частинки менших розмірів, при цьому ‘х ое"<зл:на концентрація нес.іачна і не впливав на порізність £,; я/ під згиивом діючих сил частинки в змуленому шарі рухаютьгя без

зіткнень і взаємно"не впливають одна на одну.

Сепарація частинок діаметром сіс ,■ а тим більше діаметром сІу,

:з змуленого шару зі^оувает-ся у тому випадку, коли дійсна локальна івидкіоть рос лну між зернами перевищує швидкість вільного осадження зерен .екших розмірів, при цкому-зг справедливою умова

‘-^<£ ~ &Ц.1 ~ -5 О. /22/

Гі..л течії розчину чере. зернистий шар із заданою гторізністю дій-ч’ч лзицкість середовища в міжзерновсму просторі дорівнює

ии1^и/е,. /23/

Замінивп"? і одержаній залежності лвипкіїтть розчину через рівнян-я "А/, знайшли ... ,,

.. ии. - о, _ /24/

Відносна швидкість руху г т. відношенню до швидкості віль-

чого осадження зерен виражається залежністю

иот„ = Uu1 -и = ио,£?'"]-иоіЄ.*' = /25/

Виразизши рівняння /25/ через відношенню швидкостей ’

Ьісгн /~и.01~ (V-<£.,) ^ /26/

ьзявши першу похідну відносно £ і прирівнявши її нули, знайслк оптимальну порізність змуленого дару, при якій швидкість відносного руху фаз в стиснених умовах досягає максимальної величини

£0„T = (Z-1)/Z.. ' /27/

З урахуванням знайденої-тю різня низ /15/ величини 2 . для перехідного режиму обтікання зерєь одержано *

&om ~ 1~ 0,13Z3Ar?'OG /28/

Розглянувши ВЇДНОСф' шввдкгсть вільного осадження зерен різного .розміру в висхідному потоці для перехідного режиму їх обпікання, одержана залежність, враховуюча відношення діаметрів частинок

’ ; /29/

де р - показник, величина якого залежить від режиму обтікання зерен для діапазону чисел 36</ІҐ* 2500 р= 1,34* для діапазону чисел Ар-хімєда ?503</Зг<105 р= 0,89..

ha основі аналізу сил, діючих «а окремі кульові частинки різних розмірів в міжзерновому просторі змуленого тару основної фракції зерен в стислих умовах їх обтікання, одержано рівняння.

У-ч = tt01[e^4] - (dc/dXJiO, ■ /ЗО/

яке формулює умови сепарації і класифікації кристалів в змуленому шарі в перехідному режимі їх обтікання. . . •

Якщо в змуленому шарі • основної конофракції -знаходяться частинки менших розмірів, то використовуючи рівняння /¿З/ -можна вирахувати розміри часток, які сепаруються в верхні зони змуленого шару.

З урахуванням величини показників Zip, для діапазоі і чисел 36<{/?Г... .Дг^)< 2500 рівняння /30/ має вигляд '

'SI/

розв"язавш яке для.граничного випадку, коли рівняння у фігурних дужках наближається де нуля, знайдений максимальний діамес; зерен, які сепаруються в конкретних гідродинамічних умовах

db,*d, ^ т

Аналогічно, для діапазону чисел 2500<^/7__________одержані

иівкгняя відповідно ‘

" .* / /*/ r ~£(S,Z/Ar.c'ot) 1 ] > /, sO,89 І п

' 1 -(di/d,) ■ ]>уО, /33/

<*«* = di£< - * - /34/

Для випадків, коли діаметр зерен, що сепаруються, '..чоплюеться діапазоном чисел 36<ЙК< 2500, а основна монофракція ,^г.рн зїьсі діапазоном чисел 2500<^Г|< 10^, то з урахуванням лзняння /12/, одержане гг?2/Аг°.06)-Л ,, <-■>

ич/иаі={&і ' 1 -о,зіСФМ,)1'^Аг^1 }щ /зч/

С(ім =¿,3*4 '35/

На рис. І подано графік, який дозволяє виявити умови с-зпараці“ зерен в залежності від порізності змуленого шару, числа Архімеда .для основне; монсфракції зерен і відношення діаметрів

Умовою виносу зерен діаметром ¿¿у із циліндричного апарату в рівняння и = и<,у = використовуючи яке разом з рінкянням

/29/, знайдені діаметри частинок, дні виносяться із апарату: для діапазону чисел 36<(АГу,... 2500

Ы ¡.з,а*/Аг°.°б

а<,-а,є, , 1 ^ .о//

для діапазону чисел 25СО<(ЛГу....ЙГ1)<1СЪ

’ с1у = <£1£?а*/*г<0’°‘ /38/

Для випадків, коли діаметр зерен, які виносяться, охоплюється діапазоном чисел Зб<Лгї<2500, а діаметр основної фракції кристалів охоплюється діапазоном чисел 250С <^<10^, одержано

. =2,33сі, ЄЇМ/ЙГі°'°Удг°^ /39/

На ;ис. 2 подані резул>тати розрахунків по рівняннях /32/, /34/, /36/ : /37/-/39/, при цьому видно, що по ьірі збільшення -поріз-

ності змуленого шару основної фракції кристалів діаметри відсенаро-ваних і ВИ.ЧОСИМИХ зерен наближаються до діаметра крупних зерен, тобто із звільненням порізності шару, основної продукційної фракції зерен збільшується інтенсивність сепарації і класифікації дрібних кристалів, підвищується однорідність гранулометричного складу продукційної фракції витав-ж кристалів. ’

З умовах сталого режиму гідравлічної класифікації за розмірами частинок для кожної монофрахції^зерен з розмірами , в.г , .... оіц ‘установляться відповідно локальні порізності змуленого шару <£,, <=,, ..... &і, п^и ць-му враховано, що для практично незмінних при

кристалізації згістивостей розчину, залишається справедливою залежні сть

Для циліндричного апарату швидкість розчину у вільному січенні по висоті з лишається незмінною, при цьому_^ля різних фракцій зерен справедливе відношення И = ие,Є^ = їіогв£,'і із якого витікав

" и«^оі'=£?‘/£,21. • /40/

Розр"язавши рівняння /40/ відносно локальної порізності, одер-

’ 0,2 °'3 °>4 0,5, 0,6 0,7 Й,Б

Рис. І.-До розрахунків умов сепарації кристалів у змуленому

. ТЛг^г /3У І /35/ : А - значення комплексу

ьі ' л І В - значення комплексу (сіг/сі,)1^

Аг,

- Рис. к. Залежність діаметрів сепарованих (о(,и): , унесених (с(у)частинок від параметрів змуленого шару основної монофракці! кристалі:

а .та залежності: дая діапазону чисел Архімеда '36 < (йг^... .Лг,)< 2500

£.=[<£, (¿</гі0в'2"/7г,о’ов7^М)°',ї /41/

для діапазону чисел 2500^{/?П. .... ^гі) < 10® •

£,-/г.^мГ'Л!*“Г:'/Ч*'’ /42/

Для випадків, коли монофракція змулених шарів зідсепарованих ристаліз охоплюються діапазоном, чисел 36</7г^< 2500, а продукційна ^ юнофракція кристалів характеризується діапазоном чисел 2500<^^<10;?

тй№*° ■ /•а/

За результатами виконаних на ЕОМ розрахунків побудована номогра-іа. яка дозволяв експресно розраховувати робочу швидкість розчину, «кальну порізчтсть гмулзних шарів окремих мснофракцій зерен, а також ііаметр зерен, зинесених потоком розчину із апарату з залежності від іараметрів змуленого пару продукційної монофракції кристалів. •

Одержані рівняння були експериментально перевірені на лтутшз приготовлених сумішах частинок з підфарбовані"™ проміжними монофрахиін?«і -зерен. Досліди підтвердили, ідо в умовах псевдозрідженогсьшару при рівномірному розподілі розчину по січенню апарату спостерігають^ класифікація части,іОк із чітко вираженою межею між монофракціями.

МетодичниГ: підхід і одержані виїде залежності були зижориита?.і для розрахунків параметрі з зкулєнсго шару .кристалів, псевдозріджзних у циліндро-конічному кристаловирощувачі. ■

. Течія висхідного потоку розчину в конічній секції апарату а кутом розксиття конусу </<20° (рис. 3) продовжує носити безвідривний ха-рактзп. Використовуючи рівняння нерозривності потоку для краплинної рідини, виразимо залежність між швидкостями потоку на зхсді в конічну секцій і в проміжному січенні конусу, яка в безрозмірній формі •

мав вигляд (ч/аіНЗіМ = [і+2Ні ЦМгУьу: /44,

Яндо в конічній сечці2 псевдозрідаєна монодиспярсна фракція коис,-таліз, то звидкість зисхтдкого;.опт.ону розчину в січеннях 1—1 і 2-2 може бути виражена через рівняння /14/, прк цьому, відповідне 'Ц1~ио1 £^г/^г’/‘"е і иі-иаі£І‘г/йг°'°* V відношення, швидкостей дорігш» 1Л,/иг -Ч£,/£і)^Г’в!М- /-../45/

^різгазрчя рівняння /44/ і /45/, а також згтоішуючи тотожність . відкссно локальне! пссізкості щуленого пару &с ,. едеркзли .; _ '

' £г = £і/[іцс*ю/2г¥:™а<:°*'\'\ -:г:Уу4&/

НгГгис. 4 показано зміну лекальної пері знос і г- січегпясг: конічної секції а залежності від нідизпеншт (Ьс/Ві), луга-лзоахоаттяг.їа^

Рис. 3. '

Розрахункова схема параметрів хласифікованого змуленого шару кристалів е цилівдро-конічному кристалоЕирощувачі: А - подача розчину; Б - відведення розчицу на циркуляцію; В - відведення кристалічної суспензії; Г - відведенню надлишку розчину.

Пі/В;

,56 7

<ЧЛ'(Л

6,4/0

Рчс. 4. Зі'і ка яохс.адьнсї нерівності мокодисперсного змуленого шару кристалів у залежності еід параметрів продукційнсії фракції (сіі , Сі, АП,) 1 ВІДНСШЄНКЯ. геометричних розмірів (Ні/І>і) і кута розкшгтя конусу (¿¿) : 20° - 1, 2, 4; 16° -3, о;

- ‘ - ' . Д2° - 6, У. 6.

іг/су і числа Архімеда для. монсфракції етистдлів. , .

Рівняння /46/ дозесляє знайти висоту конічної секції і діаметр розташованої зице циліндричної секції, якщо задана або умовами роботи апарату сбмеяенл порізяість смуленого шару £,.= £* в зоні переходу суспензії з конічної секції з циліндричну. .

У промисловій практиці з цкліндро-кснічних зирощувачах функціонує омулений аар палідислєрсмсс кристалі з. . ■

Для счулєного пару частинок діаметром с(*, псєвдозріджених на вході а конічну сзкпію з січенні 1-І (рис. -3), швидкість потоку розчину дорівнює Іи=ий1 ЕЇг/Аг“‘°\ а для змуленого шару-частинок діаметром в.:, псзвдозоіддених з січенні 2-2 конічної секції,

„і 2/л„ О 05

відповідно дорізнкз Ьіі~1іоі Ес « Відношення швидкостей розтину

■ = ^в, ^г/^у . /47/

Присіанхавчи залежності /44/ і /47/, одержимо

(М„/иЖ"МгГ‘/^'Аг<’'°‘'> ‘[1^9мул,]* т

Враховуючи рівняння /29/, підставляючи його з залежність- /48/ і розв'язуючи її відносно локальної порізності <££ , для-діапазону чисел Архімеда "о <(Аґ.-/) ^ )< 2500 зьайшли

б,.•'«/

Рівняння /49/ дозволяє визначити діаметр частинок, які виносяться із конічної секції гірк заданій її висоті. Приймаючи £¿-1,0 і /і; = Нк , І 00зв"язукчи РІВНЯННЯ /49/ відносно с(і = с(у , одержали

' ло/

Різнякня /49/ дозволяє також знайти висоту конічної секції. якщо відомі діаметр Еитаючих частинок і порізність £і~Єв для змуленого пару на ділянці переходу суспензії із конічно? секції з циліндричну, при цьому'одейжали

-1} ■

відповідним чином для діапазону чисел-Архімеда ’¿'о,ЗС'<(А>\....Ап,) ^

сі у - с£, £<-*'85/Й/>’ ^2Як1$&/2)/£гТ?гі - /53/-

Нарешті, якщо з конічній секції. апарату фукхці снуя зм^лечий- ідас . частинок, охоплених діапазоном чисел.' 36 <(Я^...*#>)< 25С0,-/ а,-;С, зхсді а конічну секція функціонує- продуяційна- монос^8кпгж..крясїаді&ї*.

, охоплена діапазоном чисел 2500</5,”<Юа,.. то зя^о^смогсз-аняілогі1-:-них викладеним вища, перетворені*»,..одержали:-

£ -/> Г і, ¿5 (їітМ,)0'25* )(ЛсМ,У’'е

1 1 і. 4г,С'°*а(і +2И; і9(«/2)/В,У’3** і і, /54/

^=2,3?^^8^о'°^0'^[/+2«к^6^/^]^ /55/

Зазначимо, ще розрахункові рівняння для визначення величин £• і £Ху для конічних секцій відрі здаються від подібних рівнянь для циліндричних секцій присутністю в знаменнику параметричного комплексу сГ --- [і +2Ь; Ц(^/г)/Ві1 , ЯКИЙ знижує луг-іні величини -

•З урахуванням відзначеного зроблено висновок, ідо е конічних секціях кристаиовирощузачів процеси сепарації і класифікації кристалів загальмовані і протікають в умовах більшої стислості змуленого шару.

В дисертації' педан^ розроблені автором номограми, котрі дозволяють експресно розраховувати параметри змуленого шару кристалів, поевдозріджених у конічній секції кристаловкрощувача, а таксж знаходити діаметр частинок, які виносяться із апарату.

З четвертому розділі викладені результати дослідаень і їх узагальнення по інтенсивності масопередзчі у зеленому класифікованому с?-рі кристалів. На базі об'ємного коефіцієнта масопередачі, з урахуванням- локальної порізносїі змуленого шару, діаметра зерен, режиму їх

■ обтікання і фізикоч.імічних властивостей взаємодіючих фаз виконана оптишгація параметрів'процесу ігри сталі зації і рг*>очого об"єму крис-тадОБкрощувача. Розроблені математичні моделі масообмін ої взаємодії кристалів з потоки розчину з урахуванням локальних характеристик змуленого шару кристалів, а також математична- модель формування гранулометричного оклад>г, сб”еї'у і маси зщуленого класифікованого шару кристалі в кодсталовирощувачах класифікуючих кристалізаторів з залежно-

сті від потужності апарату і заданого розміру продукційних кристалів.

Аналізуючи процес масопередачі.в виділеному елементарному об"емі змуленого шару монодиспгрсних• частинок .середнього діаметра сі: і середньої поріоновді Є і для сталого процесу масопередачі одержане рівняння в диференційній формі' *

Сік, /56/

(СИ-С,)

яке в загальному виді не вирішується із-за невідомості закономірностей зміїні розчинності солі і локального пересичення розчину, а також іміни ^пкальїпгх значень- порізкості і сб"ємикх коеЛіцієнтів масопередачі. Яї^о для деякого ; оо‘”єму змуленого шярзг монодисперснчх криста- . лі в лр*4нвдг -лінійний закон ¿йїіаи дізчої і рів’їевткюї концентрації, тс інтегруючи різкяккя /56/ модна знайти висоту змуленого шару окремої мокофрзкції зерен ' ' -

'■ - А; = Іп (А С„і /а С*<- ) : /57/

Тоді загальний об"єм змулєного класифікованого шару з декількома монофракціями. витаючих кристалів знртодиться по залежності '

Ке = 2 У«; = [Єі Ні 5 Сп (Л Сні/а Скі )/Д.]. /59/

Для розрахунків робочого об”ему класифікуючого кристалізатора потрібні експериментальні дані відносно значень локальних об'ємних . коефіцієнтів масопередачі в залежності від локальної порізності зму-леного шару і середнього діаметра витаючих кристалів.

Об"є ний коефіцієнт і/ясопередачі для кристалів деяких солей був знайдений експериментально в залежності від впливаючих факторів -шви-кості потоку розчину, діаметра зерен і порізності змулєного шару. Для інших досліджених солей він був розрахований з залежності від експериментально знайдених > зефіціентів масопередачі на поверхню кристалів - поверхневого коефіцієнту - згідно рівняння

А* = ьМі/лС'р- Узі = 6 угд. (і-єО/оІні. /60/

Ка рис. 5 і б представлені експериментальні дані по кристалізації алюмо-амонійног галуну, подібні дані одержані і для інших солей. - ■

Аналіз одержаних результатів показав, що об"ем'тій коефіцієнт ма-сспередачі має більш еисокі значення для кристалів меншого розміру і досягає максимального значення в інтервс. гі порізностей змуленого шару £ = 0,6.. .0,7к, а потім знижується особливо помітно при погізно-стях £>0,75. Встановлено, що для крупних частинок об"емний коефіцієнт масопередачі в мешій мірі залежить від порізності змуленои шару в порівнянні з дрібними частинками. Збільшення об"ємного коефіці--єнту масопередачі при порізкостлх £ = 0,6-0,? е результатом досягнення найбільшої гідродинамічної взаємодії фаз, при якіл наступає повне розкриття поверхні зростаючих кристалів, а рух розчину і частинок, безперервна зміна їх взаємного „т'ПзгаЕування зменшують товщину дифузійного підшарку, що в кінцевому результаті зябезпечує інтенсивну масо-передачу в одиниці сб"єму. І.ри більш високих порізностях змулєного шару знижується відносна швидкість руху фаз, хоча повергнений коефіцієнт продовжує зростати, в той же час зменшення об"ємної концентрації зерен і поверхні фазового контакту в одиниці об"єму змулєного шару призводить до яниження ефеістинності кристаловирсяувачя.

Одержані ззульгати -ули узагальнемт критеріальними рівняннями. . Швидкість масопередачі між висхідний ¡іоток' ! пересиченого розчіпну і змуленим шар» крмста’іів для дифузійно-контрельозаних процесів визначається гідродинамічними умовами вг-.аємодії фаз-та їх фізико-хі-міч:-згми властивостями. Енолериментзльн: далі трвдиі,.йно яорелоються

0,5 , 0,6 0,7 0,8 0,9

У ■ ' ' ' 5 " '.'У"'

Рис. 5, Залежність об’ємного коефіцієнта масопередачі СД) при кристалізації алюмо-амонійного валуну від порізності змулєного шару і діаметрів витаючих кристалів: І - 0,62; 2 - 0,89; 3 - 1,4 мм.

1 2 : 3 . 4 , - V 5. • .. е ••

: ' У ‘ * . ■ ■' (й/є)-іог п^

Рис. в, Залежність .об'ємного {/{) і поверхне- , ЙОГО (Ю коефіцієнтів масопередачі при кристалізації алюмо-амоніййиго галуну від швидкості руху розчину і діаметрів витаючих кристалів;

І - 0,62; .2 - 0,69;; 3 - 1,4 мм:

критеріальними рівняннями виду Млл= / (%е,є, Рг») і М/в=/'(Ле,0-£). Рга), але у багатьох випадках рог-кид даних досягає - 50 %. ■ '

В літературі відоме рівняння Аксельруда

- (0Т65- 0,9) Ре°^ Ргл°’3; -/б-/

яке дозволяє знайти шеидкість мясопередачі для ві.іьно витаючих частинок, це я рівняння іноді використовують і для визначення коефіцієнтів масопередачт з стиснених умовах зиуленого шару частинок.

Враховуачи, що для умов стисненої взаємодії фаз в змуленому шарі справедли' ї рівняння = 7сев £ , вк^азивш число Рейнольдса через зал еності /І6/-/І7 і з урахуванням середнього значення коефіцієнту рівняння /51/ приведено до виду: для діапазону чисел Архі-

Мв"Ч 36</ІГ< 250^ • .

Яи,= 0 26 /¡г°-33 Рп»0’3* /62/

для діапазону чисел Архімеда 25О0<Яг<"0^ / -

Ми*=0,4ЄЗ Рг°’™ ггЛ/Аг^€ ' /63/

Експериментальні дані для декількох-систем кристг и-рорчин-були нанесені на графік (ІЇи2>ІРг'°,ІЗ)=г(Аг,&)- рж. ?. при цьому була досягнута добра відповідність.експериментальних і розрахункових величин, розкид даних у сеоедньоцу не перевищував і 6,9 % для всієї області перехідного режиму'обтікання к£ :сталів. ■

Використовуючи залежності /62/-/63/ і виразивши числа Архімеда

і Прандтля дифузійного через параметри фізико-хімічннх властивостей, були одержані функціональні залежності д.ті розрахунків поверхи вого коефіцієнту масоїг’редачі: для діапазону чисел ЗЬ< Аг< 2500 . .

д=о,бзгіГд''°‘й-А)"’л:'"£г-зд'">;-" . /64/

для діапазону чисел- 2Ь00<Аг< ІО5 Д. = 0,855 (рк ~рР,У'3,£])°’е Хоч поверхневий коефіцієнт гласопередачі і характеризуй інтенсивність взаємодії витаючих кристалів з текучі;:/ розчином, він все я- не дозволяє визначити оптимальні параметри процесу яасопередачт в змиленому шарі з урахуванням гідродинамічних обставин. -

Мірою оптимальності процесу, прийнято максимальне значення об"ем-ного коефіцієнту масопередачі а урахуванням стиснених уиов взаємодії фаз, порізкогті зм^ленсго шару і режиму обтікання зерен. -

Виразивши об"ємний коефіцієнт масопередачі через говерхневий коефіцієнт, діаметр зерен і число Архімеда, едерьалн рівняння для розрахунків локальних об"ємних коефіцієнтів масопередачі; для діапазону чисел Архімеда 35</?г< 2500 -

6 / .0,05 О.Зо

/сї« Л,

/65/

20 ■ {О

6

а 4

сГ

2

і

0,6 ол

«*

0.2

0,1^-. ю

г -т .г-гтггг — Г ■ Т'"1 '1 ГГТІ - - • -і 1 гтгттт у~* £ ^-0.5 г~о,8 -»•0,7 го,е :

' І- Яг-ІОО^ ||||||^

■ -

/і 1/ ■ . -

•»••-V — / _ -

- /А ■х' • , ■ ■ -

- // .тст -Д' • ' ^

—: і і і і—,і., і.і-л. і і і і і 111 1 1 1 1 1 1 І 1 1 ...1 , |._1 1..1.4 1.1,

4 6 10 1 * 6 10 2 4 6 Ю . 2 4 6 Ю* Дг

Рис, 7. Узагальнення і порівняння експериментальних даних і розрахункових залежностей по масо-передачі в змуленому шарі кристалів: І - по залежності і експериментальним данім. Ансельруд«} .

2 - по рівнянням (62)-(бЗ) і експериментальни’- інчм; 3 - область оптимальних значень об"емних

Д = 7.12 Е (І -£) £?"<°/А, а ОІ/Аг у* /66/

для діапазону чисел Архімеда 2500<Аґ<Ю^ '

Д = 12,73 Е (}-г)Є2-6//,г°’°Є/Дг°;“ /67/

дослідження функцій /66/-/67/ на екстремум дозволило знайти граничні оптимальні значення порізності змуленого шару в залежності від числа Архімеда, які для процесу масопереда'-сг в перехідному режимі обтікання кристалів знаходяться по рівнянню

Єопт ~ 2,є/(Л,6+/)г°'ое). /60/

Підставленням функції /68/ в рівняння /66/-/67/, одержані функціональні залежності для розрахунку оптимального' об"ємного коефіцієнту масопередачі, орієнтованого на продукційну монофракцію зерен.

Результати проведених досліджень узагальнені.на^графікові - .

рис. 7 - в, координатах (/¡и^/Рг^ ) - ¿(Аг, £) ,: особливістю якого . являється те, що інтенсивність масопередачі в змуленому шарі описується сімейством кривих, кожна із котрих залежить від порізності змуленого шару, числа Архімеда і режиму обтікання ь>рен. На графікові ■ виділена область оптимальних значень коефіцієнтів масопередачі.

ГГ'ятий розділ присвячений розробці методики інженерного розрахунку, розробці блок-схем, алгоритмів і програм .розрахунку на ЕОН циліндричних і цилівдро-конічних кристаловирощувачів класифікуючих кристалізаторів.

Основною задачею розрахунку класифікуючого кристалізатора являється зизначення параметрів процесу, забезпечуючих стаціонарне функціонування змуленого шару кристалів в умовах їх гідравлічної класифікації , а також досягнення оптимальних умов для росту кристалів.

У залежності від продуктивності апарату, вимог до гранулометричного складу і розмірів зерен продукційних кристалів, з урахуванням фізико-хімічних властивостей кристалізуємо! солі кристаловирощувачі класифікуючих кристалізаторів проектують циліндричної або циліндро-конічної форми. Циліндричні кристаловирощувачі забезпечують одержання продукту більш однорідного гранскладу з розміром зерен;0,8-І,5 мм. Цкліндро-кокічні кристаловирощувачі використовуються в установках велико” одиничної потужності, диапазок витаючих кристалів в них більшій і досягає 0,3-3,0.мм, середній т.озмір одержуваних продукція-, них кристалів дорівнге 2,0 - 2,0 мм.

В дисертації розроблений пoфpaкцiйн:;', «*;тсд розрахунку параметрів процесу кристалізації, при цьому зрі-оіекі припущення, що в умовах гідравлічної класифікації обидві взаемод ■ фази "рухаються назустріч одна одній б режикі ідеального витісненн”. допускається також, що ут-

ворені в ітооцесі кристалізації зародкові кристали циркулюють у циркуляційному циклі, ггри цьому частина з них розчиняється або уловлюється, а частина підростає до розміру частинок, здатних затриматись у верхній секції кристаловироцувача,,в подальшому вони приймають участь у рості в об”ємі змуленого шару кристалів. °

В основу розрахунків об"аму змуленого шару кристалів і формування гранулометричного складу кристалічної суспензії в кристало-вирощувачі рзяті продуктивність апарату і середній діаметр продук-ційних кристалів, а також баланс числа частинок, які по мірі росту перетікають із верхніх зон змуленого шару у нижче розтг >ані.

* Гранулометричний склад класифіковане" кристалічної суспензії, витаючої в об"ємі кристаловирощувачаявляє собою безперервну функцію розподілу в діапазоні розмірів зерен від діаметра унесених в циркуляційний цикл частинок до діаметру вивантажуваних із апарату продукційних кристалів. Тому, по аналогЦ з методом, який використовується в ситовому аналізі, весь об"ем змуленого ша\’у кристалів, починаючи з продукційної фракції, розділений на окремі монофракції з розміром зерен в монофракції від d^ до du , при цьому модуль дисперсності зерен ДЛЯ монофракції дорівнює (¿Hi/dei)* гш

Тоді число монофракцій змуяених шарів для діапазону витаючих в апараті кристалів, з урахуванням прийнятого модуля, дорівнює п = ài (dK/dy)/in\/Jo - 8,686 tn (d* /dy). /69/

* ■ Середній розмір зерен окремої монофракції взятий ~к середньо-геометрична величина із максимального і мінімального діаметрів частинок і flopiaacj dci = '/dm dBі' ■ .

Виразивши максимальний діаметр зерен на нижній межі, змуленого шару і-тої монофращії через діаметр продукційних кристалів, знайдено dHi=djC°\[ÏQ‘y а -мінімальний розмір зерен тієї ж.монофракції на верхній межі' відповідно дорівнює dSi = d> /(™\[Т(РУ.

В умовах стаціонарного-процесу кристалізації число перетікаючих по мірі росту кристалів із верхніх qон змуленого шару^рязта-шовані нідаїе шари залишається незмінним в любому попзречному січенні по висоті апарату, при цьому справедлива залежність J*

М— ^ — ... [. — ’ - G_ ’

'~xdifl, ' rtdfjpK ~.........~ jrofj? Д ‘ 7

Одночасно, в період перебування кристалів .* межах змуленого шару однієї окремої монофракції., зерен, приріст їх власної, маси до-РІШЮ п / Відношення (ріці™ має смисл масової частки викриста-

лізованої солі в межах об"е'му розглянуто^ монофракції кристалів.

¿¿аса викристалізозаної солі пов"язана з об"емом змуленого шару і масою всіх зерен в даній монофра.адіі залежністю

Д Мі = Д. ■ ДСсл-Уві ~ /С^~^і)рк • /72/

Порівнюючи залежності /71/,0 /72/ і вирішуючи їх сумісно, знайдені об"ем зщуленого ша-у окремої монофракції, кристалів . ' /73/ а також маса всіх кристалів, витаючих в об"емі змуленого шару даної монофракції зер^н ■ _

. [(<&-*«’)№]- т

Поеігий робочий об"ем змуленого шару кристалів в циліндричному кристаловироцувачі дорівнює ■■■-■. ■ ^

• V«-? Т&гг $№-чіУа], /,5/

а загальна маса кристалів в робочому об"ємі кристаловирощувача

М.‘ $ м* *^г ЕІо-^-^Ул,]. т/

Особливістю розробленого методу розрахунків кристаловирсщувача являється також те, що об"ем і маса змуленого шару продукційної монофракції кристалів розраховані за оптимальними параметрами для цієї монофракції, в якій викристалізовується основна маса солі.

' Розроблені блок-схема, алгоритми і програма розрахунків на ЕОМ параметрів процесу кристалізації і робочого об"ему циліндричного кристьловирощувача, які представлені в дисертації.

Проектний розрахунок цилівдро-конічного криеталовирощувача проводиться аналогічним методам, але лов"язаний з переборюванням труднощів, обумовлених більш швидкою зміною параметрів змуленого шару кристалів в конічній секції і складністю визначення висоти і об"ему змуленого шару окремої монофракції кристалів.

Для одержанні цільового продукту однорідного гранулометричного складу доцільно нижню секцію проектувати циліндричною і в ній розміщувати до половини об"єйу змуленого шару продукційної монофракції кристалів, решта об"ему змуленого шару розміщується в конічнії", секції з частковим виходом його у верхню цилівдричну секцію.

Визначення параметрів і 'о6"вму змуленого шару окремих монофра-кцій кристалів в. конічній секції проводиться для середнього діаметра зерен методом послідовного приближення на основі параметрів змуленого шару у вхідному січенні конусу і масової частки викрис-

талізованої солі, для прискорення розрахунків розроблена підпрограма. В дисертації приьедекі блок-схеми, алгоритми і програми розрахунків на ЕОМ циліндро-конічного кристаловирощувача.

У шостому розділі на основі загальних закономірностей процес;/ кристалізації і з урахуванням особливостей процесу у класифікованому змуленому шарі кристалів сформульовані основні принципи інтенсифікації гідродинаміки і масопередачі, які базуються на такі основні положення: -

- при установленому режимі гідравлічної класифікації кристалів утруднюється' ріст дрібнокристалічних фракцій внаслідок .дносу останніх з зони з низьким залишковим пере .иченням розчину, для вирівнювання полів швидкостей і пересичення розчину по висоті апарату використаний принцип вертикального секціочування по зонах росту

з ’/рахуванням модуля полідисперсності кристалів;

- дая забезпечення інтенсивного масообміну між витаючими кристалами і потоком розчину необхідно забезпечити потріб.-.у локальну порізність змуленого шару. Регулювання величини порізності шару і інтенсивності гідравлічної взаємодії між фазаш досягається --міною швидкості висхідного потоку, регулюванням реж.-і.гу циркуляції розчину, зміною площі поперечного 'січення апарату;

- інтенсивний ріст кристалів можливий в умовах оптимального пересичення розчину при практично відсутньому спонтанному утворенні

»зародків. Регулювання рівня пересичення і швидкості його утворення /осягається за рахунок зміни кратності циркуляції гюячину і швидкості його охолонення - для-охолоджувальних - або швидкості випарювання розчинника - для випарюючих - систем;

- регулювання і підвищення рівня пересиченості розчину, посту-паючого в змулені шари проміжних і дрібнокристалічних фракцій кристалів, реалізується за допомогою додаткового переохолодження ро-зчицу у вбудованих між секціями додаткових теплообмінних пристроів (для апаратіз охолоджуючого типу) ,"або за допомогою л кального відбору і подачі в змулений шар частини.пересиченого розчину (для випарюючих апаратів) ;

••О ММ" , -

- гтг -нцип пргскореного вирощування кристалів промішених фракцій передбачав Створення оптимальних умон'для росту дрібних кристалів,

відбір дрібнокристалічних фракцій тя зон їх літзищ&ного .-.а?.-личення з низьким рівнем пересичення розчину і подачі їх на дорощування з зони з підвищеним рівнем пересичення розчину, а також, органі зал:> циркуляції дрібнокристалічних фракцій між‘зонами росту кристал^-

з низьким і високим рівнем пересиченості розчину;

- принцип достатньої поверхні фазового контакту потребує підтримки в апараті стабільного об"єму змуленого шару кристалів, який забезпечить практично повне використання пересиченості розчицу при мінімальній швидкості утворення зародків по гетерогенному механізму.

Сформульовані принципи інтенсифікації процесу кристалізації солей реалізовані в розроблені« нових конструкціях класифікуючих "ри-сталізаторів, захищених авторськими свідоцтвами,- Розроблені конструкції кристалізаторів розподілені на дві групи по способу одержанні? пересиченого розчину, а саме: на класифікуючі кристалізатори охолоджуючого і класифікуючі кристалізатори випарюючого тиг.ів. По конструктивному признаку розроблені апарати одно-, двох- і багато-секційні, по технологічному признаку - з зовнішніми і внутрішніми циркуляційними контурами по розчину і по кристалічній суспензії.

В розділі розглянуті нові, захищені авторськими свідоцтвами, способи бдержання кристалічних речовин з покращеними' показника}.® якості і споживчих властивостей.

У розділі приводяться технологічні схек/ і коротко освітлюються результати дослідно-промислових випробувань двухсещійних класифікуючих кристалізаторів для одержання нітрату калію і алюмо-амоній-ного галуну. Впроваджена у виробництво алюмо-амонійного галуну кристалізаційна установка безперервної дії забезпечила реальний економічний ефект за рахунок приросту потужності і покращення якості готової продукції. Приведена принципова технологічна схема кристалізаційно ї установки з випарюючим класифікуючим кристалізатором, розробленим в співдружності з спеціалістами Кемеровської філії ДІАП і впровадае^лм на декількох заводах у цехах переробки відходів виробництва капролактаму у кристалічний сульфат амонію. Економічний ефект від впровадження одного агрегату складав більше 50 тис* крб. в масштабі цін 1983 р. , всього впроваджено 12 агрегатів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

І. Виконано комплекс розрахунково-теоретичних, експериментальних і аналітичних досліджень процесу масової кристалізації солей із розчинів в класифікованому зіщуленому шарі кристалів, направлений на узагальнення закономірностей процесу, створення, розробку

і розрахунок нових зразків класифікуючих кристалізаторів, використання яких у промисловості дозволяє виробляти крупчокристалічні солі і добрива однорідного гранулометричного складу з покращеними показниками якості і споживчих властивостей.

'І. Ліослїджйнт , уточнені і узагальнені деякі властивості високо-

ІС2НИ2КИ'П0В2НИ£ 'І г-Г<ДгігУ-ййЖБРТЮЗШїНТВ. 0Д5БЖйНІ

C

розрахункові рівняння для визначення густини і динамічної в""зкості виоококонцйшрованих-і насичених розчинів в1 залежності від їх кон-пенгтзації і температури. Відповідно до висоноконцентрованкх розчинів розроблена і експериментально перевірена методика інтерферомет-ричного аналізу для визначення їх складу і величини граничного пересичення розчину.о •

3. На основі досліджень закономірностей гідродинаміки змулєного шару кристалів в циліндричних і циліндро-конічних„апаратах:

- сформульовані і виявлені умови гідравлічної сепарації і класифікації кристалів при стисненій взаємодії фаз, визначений діапазон розмірів зерен, витаючих в апаратах в залежності .від параметрів зеленого шару продукційної монофракції кристалів;

- одержане рівняння для розрахунку оптимальної порізності .змуле-ного шару, прл якій досягається максимальний ефект взазмодгї фаз; •

-'одержані розрахункові зале&ностісдля визначення локальних параметрів окремих монофракцій зерен змулєного шару по висоті циліндричних і циліндро-конічних кристаловироцувачів в залежності від параметрів змулєного шару продукційної моеофракці? кристалів;

_ - одержані критеріальні .рівняння для розрахунків гідродинамічних параметрів зіщуленого цару з врахуванням його порізності, діаметра і режиму сотіканш зерен і фізико-хімічних властивостей фаз;

- розроблені номографічні методи експресного розрахунку параметрів класифікованого змулєного тару окремих .монофракці й зерен.

, 4. На основі проведених досліджень закономірностей масопередачі у класифікованому змуленому шарі кристалів установлено:

- масова кристалізація досліджених неорганічних солей і5 найменувань із розчинів з помірною в”язкістю (до. 15 сП) і в темпера- • турному діапазоні 20-45 °С лімітується дифузно-конвективною стадією;

- при пересиченнях розчину в діапазоні 3-5 кс/v? і достатній масі зерен у змуленому шарі здебільшого проходить чистий ріс° кристалів без помітних слідів гомогенного зародкоутаорення,

- розроблена математична модель масообмінної взаємодії витаючих кристалів з потоком пересиченого розчину, на базі якої одержані рівняння для розрахунків локальних значень поверхневого і об"дмно-ко коефіцієнтів масопередачі з урахуванням локальних гідродинамічних характеристик змулєного шару кристалів;

- сформульоване, експериментально досліджене і узагальнене розрахунковим рівнянням явище г ¡гягнення максимальної об”ємної інтенсивності масопередачі в змтленому шарі моноди..:п-- остх зерен в залежності від діаметра зере.'- і ревиму їх об:':нанчя, причому, із

'.7. Врагов A.Il. повышение эффективности работы классифицирующих кристаллизаторов / Новые процессм и аппараты химической технологии. Расширенные тезисы докладов Всесоюзной конферен. "Современные проблемы 'сим. технологии". Т. I. Красноярск, 1986.-С.292-294.

'¿0. Врагов А..П. Расчет параметров взвешенного слоя кристаллов в цилиндрических кристаллорастителях классифицирующих кристаллизаторов.

/ Процессы в дисперсных средах. Межвузовский сборник научных трудов. Иваново, ЙХТИ, 1986. - С.'62-65.

ГГ. Врагов А.П. Шевченко А.С» Гидродинамика расширения полидис-персного взвешенного слоя в восходящем потоке жидкости. Депонированная рукопись. УкрНИИНТИ № 366 - Ук 87. 20 с.

30. Врагов А.П. К расчету скорости восхотящего потока раствора эо взвешенном слое кристаллов.Журнал прикл. химии. Т. 60, ff 9.

Л.: Наука, IS87. - С. 2007-2013.

31. Врагов А.П. Расчет режимов гидравлической классификации и сепарации кристаллов во взвешенном слое з цилиндрических аппаратах. Журнал прикл. химии. Т. 60, J? 9. Л.; Наука, 1987. - C.20I3-2QI9.

32. Врагов А.П., Шевченко A.C. О влиянии гидродинамических факторов на скорость роста кристаллов в мокэдисперсном взвешенюм слое. Депонированная рукопись. УкрНИИНТИ, N* 3344 Ук - 87. 10 с.

33. Врагов А.П. К расчету оптимальных параметров процесса массо-еЗмена при кристаллизации солей из растворов. Журнал- прикл. ишии.

Т. 61, ’i 4. Л.:Наука, 1988. - С. 794-799.

34. Врагов А.П. Проектирование и расчет кристаллизационных установок с классифицирующими кристаллизаторами. УМК ВО, Киев, 1988. 84с.

35. Врагов А.П.. Расчет оптимальных параметров процесса кристалли-

зации солей из растворов во взвешенном слое и разработка прогрессивных конструкций классифицирующих кристаллизаторов / Современные машины и аппараты химических производств "Химтехника - 88", секция 3. Чимкент, 1988, с. 199-204. ____ _

. A.C. № 1389802 СССР, МКИ3 В 0ID , 9/02. Классифицирующий кристаллизатор / Врагов А.П., Шевченко A.C., опубл. БИ К* 15, 1988.

37 . A.C. ?? 1433951 СССР, МКИ3 С/О 5/В 7/00. Способ получения кормового дааммонийфоефата / Врагов А.П., Кичигин Д.5., Дабазюк B.C., Курбатов А.Н. Закзл. ZS-°4- 1936г., опубл. БИ № 40, 1988.

38. Врагов А.П. Расчет параметров взвешенного слоя дисперсной фазы, псевдоожиженной в цилиндроконическом аппарате. Журнал прикл. химии.

Т. 62, 9 3. Л.: Наука, 1989, с. 563-569. .

39. Врзгов А.П. Расчет параметров процесса кристаллизации и объема взвешенного слоя кристаллов в классифицирующем кристаллизаторе. Журнал прикл. химии. Т. 62, .й 6. JI.: Наука, 1989. С. 1284-1290.

40. Врагов А.П. Алгоритм и программа расчета на ЭВМ цилиндрического классифицирующего кристаллизатора. / Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии. Тезисы докладов Всесоюзного совещания. Секция I. Суш, 1989, с. 121-122.

41. Врагов А.П. К оценке условий сепарации и о^ачдения кристаллов в классифицирующем кристаллизаторе. Tat.! же, с. 113

42. Врагов А.П. Механизм и условия сепарации криста., ¡v. в гидровзвешенном слое. / Процессы в зернистых чредах. Межвузовский сборн. научных трудов. Иваново, ГОСТИ, 1989, с. 125-132.

43. Врагов А.П. Номографический метод расчета параметров апне-шегиого слоя кристаллов в классифицирующем кристаллизаторе. Химическая промышленность, W 5, 1990, с. 304-305.

44. Врагов А.П. Расчет и оптимизация параметров процесса кристаллизации и размеров цилиндрического классифицирующего кристаллизатора // Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной конференции по »исковой кристаллизации и кристаллизационным методам рс эдедения смесей. Иваново, ИХТИ, 1990, с. 99.

45. Врагов А.П. Распределение параметров г!:дрозЗБеш.-:ного слоя по высоте классифицирующего-кристаллизатора. Там же, с.123.

• 46. Врагов А.П. Динамика роста кристаллов при кристаллизации в

гидровзвешенном классифицированном слое. / Гетерогенные процессы химической технологии. Кинетика, динамика, явлеьля переноса. Меквуэов, сборник научных трудов. Иваново, ИХТИ, 1990. С. 120-125.

' 47. Врагов А.П.. Анализ распределения параметров взвешенного ело; кристаллов по высоте классифицирующего кристаллизатора. Журнал прикладной химии. Т. -64, J? 7, 1991. С. 1408-1414.

48. Врагов А.П., Михайловский Я.Э. Расчет цилиндроконического крясталлорастителя классифицирующего кристаллизатора, с использованием ЭВМ // Химическое машиностроение: расчет, конструирование, технология. Киев, УМК ВО, 1992. C. 4-II.

■ 49. Зрагов А П. О расчете коэффициента межфазовогс массообмена

в'гидровзвешенном слое дисперсной фаз:,:. Журнал прикладной химии.

Т. 65, № 10. Д.: Наука, 1992. - С.2232-2239

Л