автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидромеханика дисперсных систем жидкость - твердое тело в роторно-вихревых аппаратах

г\ \У На правах рукописи

Мартынов Никита Валерьевич у'^

ГИДРОМЕХАНИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЖИДКОСТЬ-ТВЕРДОЕ ТЕЛО В РОТОРНО-ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

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

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Щупляк Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Доманский Игорь Васильевич

кандидат технических наук, Газиев Юрий Владимирович

Ведущая организация -

Научно-производственная фирма "МИКСИНГ" (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится декабря 1998 г. в <0 час. н; заседании диссертационного Совета Д 063.25.02 в Санкт Петербургском государственном технологическом институт (техническом университете) по адресу: 198013, г. Санкт-Петербург Московский пр., 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт Петербургского государственного технологического институт; (технического университета).

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью просим направлять по адресу. 198013, г. Санкт-Петербург Московский пр., 26, Ученый Совет.

Автореферат разослан

ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного ,/V

Совета Д 063.25.02 WH.A. Марцулевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы механической обработки дисперсных систем (измельчение, овализация, активация, перемешивание) в химической технологии являются широко распространенными и очень энергоёмкими, что и определяет значительный теоретический и практический интерес исследований в данной области.

Применяемое в настоящее время оборудование для реализации заданных процессов далеко не во всех случаях отвечает современному уровню развития науки и техники, что и определяет перспективность универсальных машин и аппаратов пригодных для использования в широком спектре гидромеханических процессов. Зачастую широкому внедрению такого оборудования препятствует отсутствие научно обоснованных методик применения и расчета.

Повысить интенсивность процессов в аппарате можно путем структурирования потоков и рационального использования гидродинамических эффектов в системах жидкость-твердое тело. Этого можно достигнуть с помощью вихревой организации движения обрабатываемых сред. Такое движение широко используется в науке и технике, и обеспечивает существенную интенсификацию процессов переноса массы, энергии, количества движения.

Предлагаемые для исследования роторно-вихревые аппараты -представляют сравнительно новый класс роторных аппаратов, в которых вихревое движение обрабатываемой среды возбуждается в канале, вращающемся вокруг внешней оси. В процессах измельчения малопрочных продуктов и овализации частиц, указанные аппараты обладают значительными преимуществами по сравнению с используемыми в промышленности, например барабанными мельницами или роторно-пульсационными аппаратами. Широкому промышленному внедрению роторно-вихревых аппаратов препятствует отсутствие общих методик расчета, которые исчерпывающе раскрывали бы закономерности движения фаз в рабочей зоне роторно-вихревого аппарата.

Сложность проведения натурного эксперимента в исследуемых аппаратах предполагает широкое использование различных методов математического моделирования. Имея достаточно точное описание

гидромеханических процессов в характерных рабочих зонах аппарата, можно проводить обоснованный выбор конструкции и режимных параметров оборудования, что приводит к экономии энергии, металла, трудовых затрат, к улучшению качества конечной продукции.

Цель работы. Создание высокоэффективных роторно-вихревых аппаратов для измельчения и овализации дисперсных материалов, в том числе потенциально опасных, в жидкофазных средах. Разработка научно-обоснованной методики их расчета на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Исследовано течение жидкости в рабочих каналах роторно-вихревых аппаратов, что позволило обосновано подойти к определению их геометрических размеров.

На основании математической модели движения дисперсных частиц в криволинейном потоке предложен механизм их взаимодействия со стенкой рабочего канала, исключающий её эрозионный износ, что подтверждено экспериментально.

Рассмотрена математическая модель взаимодействия частиц в суспензии, позволяющая определить оптимальное отношение твердой и жидкой фаз в рабочих каналах роторно-вихревых аппаратов, а также частоту взаимных соударений.

Предложена зависимость для определения критической скорости поверхностного (эрозионного) разрушения частиц.

Практическая значимость. Разработан программно-аппаратный комплекс с датчиком пьезоэлектрического принципа действия для изучения закономерностей распределения твердых частиц по скоростям и размерам в двухфазном потоке, отличающийся тем, что позволяет измерять скорость частиц в двух плоскостях одним датчиком. Практическая реализация метода выполнена с использованием ПЭВМ, что позволяет обрабатывать поступающую с датчиков информацию в масштабе времени близком к реальному.

Предложена методика инженерного расчета технологических и конструктивных параметров роторно-вихревых аппаратов, основные функциональные элементы которых выполнены в виде вихревых каналов, движение в которых индуцируется внешним по отношению к ним течением. Показана высокая эффективность процессов измельчения, овализации и смешения в изучаемых аппаратах.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании "Наука и технология силикатных материалов в современных условиях рыночной экономики" (Москва, 1995), VII конференции по теории и практике перемешивания в жидких средах (Санкт-Петербург, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, приложений и списка литературы. Материал диссертации изложен на 189 страницах (из них 15- приложения), содержит 46 рисунков и список литературы из 149 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы и определены основные направления исследований.

В первой главе анализируются гидромеханические способы интенсификации изучаемых процессов.

Целью оптимизации гидродинамического режима в изучаемых аппаратах является увеличение числа столкновений между частицами при сохранении максимальных относительных скоростей между ними. Для реализации этого режима необходимо создать значительные градиенты скоростей в несущей и дисперсной фазах. Получить такие градиенты за счет турбулентных пульсаций основного потока, в обычных условиях, невозможно, так как турбулентность оказывает наибольшее влияние на крупные частицы (реально >200 мкм), граничный размер которых зависит от характеристик основного потока, в частности от удельной диссипируемой мощности, и не может быть ощутимо уменьшен вследствие значительных энергозатрат. Взаимодействие частиц дисперсного материала с пограничным слоем, также характеризуемого значительными градиентами скоростей, но имеющего малую толщину, приводит к появлению массовых сил направленных поперек потока. Это должно обеспечивать равномерное распределение твердой и жидкой фазы по сечению рабочего канала. Поэтому основной задачей интенсификации гидромеханических процессов в исследуемых аппаратах является получение развитой омываемой поверхности аппарата, при условии сохранения

Рис. 1. Предлагаемый роторно-вихревой аппарат: 1 - внутренний ротор, 2 - внешний ротор, 3 - корпус

значительных осредненных скоростей основного потока, а такш согласование режимов нагружения дисперсных частиц с и> физико-механическими свойствами.

Далее в работе рассмотрены конструктивные особенности оборудования, предназначенного для проведения исследуемы) процессов. Показано, что к основным их недостаткам следует отнести или малую интенсивность обработки суспензии, или большое эрозионный износ элементов конструкции.

На основе проведенного анализа сформулированы требования I аппаратам, предназначенным для проведения исследуемых процессов I широком диапазоне технологических параметров и предложен; конструкция роторно-вихревого аппарата (РВА) (рис. 1). Аппарат имеет два коаксиально расположенных ротора вращающихся I противоположных направлениях. Конструкция обеспечивает постоянный межроторный зазор и позволяет снизить частоту вращения каждого из роторов, что способствует равномерном} тангенциальному распределению твердой фазы.

Изложение первой главы заканчивается постановкой задач! исследований, направленных на оптимизацию конструктивных I технологических параметров РВА.

Вторая глава посвящена описанию гидромеханики исследуемы? аппаратов.

Для изучения основных факторов, влияющих на щнамику движения жидко-;ти и дисперсных частиц в :анале РВА, с внешним 1еподвижным ротором, покоена плоская модель рис. 2): полость радиусом :1пр вращается с постоян-

гой угловой скоростью <црот

округ вертикальной оси ютора с радиусом Кро1, в

»езультате в полости .озбуждается вихревое (вижение.

Течение жидкости в юделыюй полости разденем на ламинарное ядро и фистенный пограничный лой, в месте сопряжения :оторых принимаем гипо-езу проскальзывания. Магматическое моделирова-[ие течения жидкости в по-юсти РВА проводилось на 'снове численного решения равнений Навье-Стокса, аписанных в полярной истеме координат, с учё-ом внешних центробежной Рц{ро^ и кориолисовой

сил инерции, и дис-

ретизированных методом онечных разностей на не-авномерной сетке. Полу-енные уравнения реша-

Рис. 2. Расчётная модель течения и схема действия сил инерции

Рис. 3. Схема сил, действующих на

дисперсную частицу в полости роторно-вихревого аппарата после взаимодействия со стенкой.

лись методом SIMPLER. В итоге показано, что при достаточно больших ¿урпт и углах раскрытия -/=40-120° линии тока несущей фазы в

полости приближаются к концентрическим окружностям, с центром совпадающим с геометрическим центром полости. Таким образом, радиальная составляющая скорости несущей фазы близка к нулю, а тангенциальная имеет следующий вид

D

* Пр

Уравнения движения частицы в проекции на оси полярной системы координат(г,Э), связанной с центром полости, записываются следующим образом: в направлении г

d, ч d2r 1 „ fdr42

f n 2 .__2 Ti 2 / J W4 2^

+, (2:

у(Лк-Ртв)'

2 R +r -Rr „ Лв de

Л0Т 2т +2-^-rdi + r'ldi, y

2-я-

в направлении 9 d. „ ч , d2# 1 „ i d^2

Г ч '

d. , ч f 2 . „ « „ dr „ dr

где R = -Jr2 + Rr2 -2-r Rr -cos#; Rr =Rpoi-Rnp-cos^J; k4«l

£ = 30 ■Re,"1 + 0.462, Res =

= V ^еРвый члеп в УРавнениях (2,3) представляет собо!

произведение массы частицы (с учетом присоединенной массь

жидкости) на её ускорение, второй член является силой гидродинамического сопротивления, третий член учитывает силы инерции (центробежные и кориолисовы силы, возникающие вследствие вращения суспензии относительно центра полости и вращения самой системы координат относительно оси ротора) и Архимеда. В уравнение (2) входит также и сила Магнуса, возникающая в результате собственного вращения частицы.

0,004

/ ^^^оЬог \ \

/____ ХИ

-0.004 -0.002 и 0.002У 0.004 1

\ 1 \ 1 /

\ | -0Л02

\ 3,

/ -01)04

•0° 180*

а) б)

Рис. 4. Траектории движения частицы в полости роторно-вихревого

аппарата: а) с начальными условиями г(0) = -у5-, ий(тв) (0) = 11д(ж) (о)

®тв = 0; б) с начальными условиями г(0) = К.пр, и„(тв)(0) = 0; 1 - <90 =0; 2- 6>0=гс/2; 3 - 0о=я:; 4- <90=3-тг/2(ртв=2000кг/мЗ, /?ж = 1000кг/м3, с1=100мкм, ¿эр01=314с-1, Крот=50мм, Лпр=5мм, Д=0.8, у =60°)

Вращательную составляющую скорости частица приобретает следующим образом - после взаимодействия со стенкой нормальная и тангенциальная составляющие скорости равны нулю и частица приобретает угловую скорость (до столкновения угловая скорость равна нулю), как после неупругого столкновения со стенкой

Для определения угловой скорости частицы воспользуемся уравнением сохранения момента количества движения. После несложных преобразований получаем

со.

в(т) = ©0-ехр[--|,

(5)

где а = -

1 d.

■Р к

60 v

Система уравнений (2,3,4) является "жёсткой" и не имеет аналитического решения. Численное решение данной системы без учета силы Магнуса и с учетом последней получено с помощью пакета Maple 5.4 многошаговым методом Гира. Характерные траектории движения частицы представлены на рис. 4. Таким образом, в РВА основным механизмом приводящим измельчению частиц являются столкновения последних между собой, при движении по пересекающимся траекториям.

О 5*-05 0.0001 0.00013 0.0002 0.00025 0Л00}

Рис. 5. Приобретение частицами вращательной составляющей скорости в пограничном слое: 1 - траектория приближения к стенке, 2 - траектория "отскока" вращающейся частицы; е - толщина пограничного слоя; /этв-2000кг/м3, рж=1000кг/м3, 4>=100мкм,

со„

т=105с-1, Rpot=50mm, Rbp=5mm, А =0.8, у =60°

Анализ взаимодействия частицы с пограничным слоем (рис. 5)

М и« Ж

при а>гв(т) = а>ж -сож ■ е а ,а?0=0, а>ж=0.5-—~- показывает,

что при определенных условиях последняя приобретает поперечную составляющую скорости намного раньше момента контакта со стенкой. Этим и объясняются экспериментальные данные, которые показывают, что в жидкой среде взаимодействие твердой абразивной частицы со стенкой канала роторно-вихревого аппарата пе приводит к заметному износу последнего. Поэтому, можно считать, что достаточно крупная частица при взаимодействии со стенкой -тормозится в пограничном слое, мгновенно приобретая при этом вращательную составляющую скорости, и далее под действием силы Магнуса отбрасывается обратно в поток, что полностью подтверждает применимость уравнения (4).

т„ К-ор

080 — 0.60 -

0.40 —

(1Э, МКМ

Рис. 6. Зависимость максимальной относительной высоты "отскока"

частицы после взаимодействия со стенкой от её размера, при /?тв=2000кг/м3, ¿>ж = 1000кг/м3, с1э=100мкм, о>рО1=105с-', Крот=50мм,

11пр=5мм, Л =0.8, у =60°

Следует отметить, что максимальная высота "отскока" частицы под действием силы Магнуса возрастает с уменьшением размера

последней (рис. 6). Таким образом, мелкие частицы классифицируются сразу после измельчения, что значительно интенсифицирует указанный процесс и уменьшает вероятность переизмельчения товарной фракции.

Важным параметром, определяющим способ измельчения дисперсного материала, является критическая скорость частиц при измельчении. В РВА преобладает измельчение истиранием, когда разрушающие напряжения возникают только в приповерхностном слое. Для малопрочных агломерированных частиц возможно также объемное измельчение. В обоих случаях измельчение происходит вследствие удара.

Следует отметить, что процесс разрушения частиц в РВА носит усталостный характер, то есть разрушение наступает при напряжениях меньших <7В, при определенном количестве циклов нагружения 1Ч1ГНапряжение разрушения можно аппроксимировать следующим выражением

N12

<7, = <7-1+(<Гож-ст.О-е < (6)

Каждому виду измельчения соответствует своя критическая скорость. Анализ явления удара между частицами, на основе теории упругого удара (теории Герца), позволил получить выражение для относительной скорости, при которой начинается поверхностное (эрозионное) разрушение

1,748- V ГО

Рт

Зависимость (7) позволяет определить критические скорости: усталостного разрушения (<тв = сг^) и однократного эрозионного разрушения (сгв = сгсж). Соответственно, при относительной скорости частиц ниже критической скорости усталостного разрушения измельчение вообще невозможно.

Для расчета технологических параметров РВА воспользуемся уравнением для частоты столкновений частиц в объеме V,

где = 2 • • с!э • (Япр2 - г„2| - объем "единичной" высоты. В канале

РВА частота столкновений между частицами определяется их относительной радиальной скоростью при движении в противоположных направлениях, а частота столкновений, вызванная различным гидродинамическим сопротивлением частиц - значительно меньше и в расчетах её можно не учитывать. Расчеты показывают, что приобретаемая частицами в момент "отскока" радиальная составляющая скорости намного превышает радиальную скорость до взаимодействия (рис. 7).

и.

ф»)

л Ц

ЬА

3 / / /

/ /

/

/

/ /

у*'

г,м

О.ССЗ

Г,М

Рис. 7. График зависимости относительной радиальной скорости

частиц при столкновении от её радиальной координаты: /?тв =5000кг/м3, рж=1000кг/мЗ,с1з=100мкм, юро1=314с-1, В.рот=50мм,

11пр =5мм, Я =0.8, у =60°, 1 - скорость частицы, при движении от

центра полости к стенке, 2 - от стенки полости к центру; 3 -относительная скорость

Следовательно, зависимость относительной скорости между частицами можно приближёно аппроксимировать прямой линией

и.,

литп«лиг(тв)=—(9)

Я-пр

Далее в работе рассмотрено отношение длины свободного пробега

частицы 1с к длине ее релаксации 15. Данное отношение должно быть немного больше единицы, так как в этом случае будет обеспечена максимальная относительная скорость в момент взаимодействия при максимальном числе соударений.

Для наиболее полного использования объёма РВА высота "отскока" частицы должно быть максимальной, тогда, максимум столкновений между частицами находится на радиусе немного меньшем половины радиуса канала. Следовательно, на этот же радиус приходится максимальная концентрация частиц в полости

VI- I-72-----'____ (Ю)

2 ) к.-Я-р^-с!/.^/-^

Соответственно, средняя частота столкновений между частицами в объеме "единичной" высоты V, составит

м К

"и~з "к/л-Сл+ОЧ' }

Используя положения теории размерностей запишем оптимальное объёмное отношение твёрдой и жидкой фаз в объёме "единичной" высоты У,

К , 3 /К-пр

'■-^-г1- тт1 ■ <12)

Для распространения зависимости (12) на весь объем аппарата требуется учесть разницу осевых скоростей между частицей и потоком

сз и.

1 = > (13)

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям, направленным на изучение гидромеханики РВА, а также конструированию этих аппаратов. Основной целью экспериментальной части являлось получение эмпирических данных, дополняющих и подтверждающих теоретические предположения, изложенные в предыдущих главах. Для реализации этой цели были разработаны и созданы экспериментальные установки, а так же ряд экспериментальных аппаратов.

Проведены исследования закономерностей диссипации энергии в РВА. Установлено, что с точки зрения упорядоченной структуры течения, наиболее оптимальной формой рабочего канала является цилиндрическая. Выработаны рекомендации для расчета потребляемой мощности вновь проектируемых аппаратов. Показано, что в рабочих режимах РВА диссипация энергии принимает стабильный характер и, соответственно, критерий мощности в этом случае можно считать постоянным.

Экспериментальное исследование динамики двухфазных и однофазных течений в вихревых каналах было проведено для проверки адекватности моделей, построенных во второй главе, реальной вихревой камерой.

В ходе изучения структуры однофазных потоков в модельной вихревой камере - выявлено, что характер течения и численные значения радиальной, и тангенциальной скоростей соответствует ранее принятым зависимостям. Коэффициент проскальзывания составляет -0.8. Рациональные значения угла у, обеспечивающие максимальные

о о

значения окружной скорости, следует выбирать из диапазона 60 -Н00 ,

о

но при углах раскрытия больших 70 нарушается структура потока, центр течения не совпадает с геометрическим центром камеры.

о

Поэтому в качестве оптимального значения у следует выбирать 60 .

Изучение структуры двухфазных потоков в модельной полости проводилось с помощью программно-аппаратного комплекса с датчиком пьезоэлектрического принципа действия. Комплекс позволяет производить одновременное измерение скоростей и масс частиц в радиальном и тангенциальном направлениях, в масштабе времени близком к реальному.

Пьезоэлектрический метод позволяет регистрировать удары отдельных частиц и определять их скорость, но до последнего времени его развитие сдерживалось большой сложностью расшифровки показаний датчика, так как энергия, передаваемая пьезоэлементу при ударе, далеко неоднозначно связана с энергией ударяющей частицы. В наибольшей степени близкими к действительности является измерение площади первичного пьезоэлектрического импульса, поскольку к

а) б)

Рис. 8. Процесс овализации частиц кварцевого песка (увеличено в 50 раз): а) исходные частицы, б) овализованные

X, мин

Рис. 9. Изменение степени дисперсности по "Клину" в процессе диспергирования фосфата хрома: • - бисерный диспергатор, ♦ - РВА («ро1=105с-<, Квр =6мм), ■ - РВА (<уро =314с-1, Кпр=4мм), ж -

РВА (а)рот=314с1, 11пр=6мм)

доменту остановки частицы вся ее кинетическая энергия переходит в 1нергик> деформации.

Скорость и масса частицы в момент удара определяется ледующими выражениями

гшах

|р(г)(1г

ио = —-, (13)

Р 1

т0 = к-^-5^-(14)

'*тах Л

|Р(г)с1г

У

где к - коэффициент пропорциональности, определяемый в ходе жспериментов. Так как, измерения происходят одновременно по двум доставляющим скорости, то для. уменьшения погрешности измерений массу частицы рассчитываем как среднеарифметическое от масс частицы, полученных в радиальном и тангенциальном направлениях.

Исследования выполненные с помощью пьезоэлектрического комплекса показали, что частица в рабочем канале РВА перемещается путем "прыжков", амплитуда которых может достигать радиуса полости, что полностью соответствует результатам математического моделирования.

Глава четвертая посвящена вопросам практического применения РВА для механической обработки дисперсных материалов. Предложена методика расчета РВА и даны рекомендации по их применению.

Получены данные по измельчению и овализации потенциально опасных веществ в РВА, которые подтверждают его высокую эффективность и безопасность.

Проведен процесс овализации частиц кварцевого песка, доказан малый эрозионный износ элементов конструкции аппарата.

Разработана установка для приготовления вододисперсионных красок, позволяющая совмещать процессы диспергирования пигментов и смешения красок. Приведены сравнительные данные по изменению

степени дисперсности фосфата хрома в процессе диспергирования РВА и бисерном диспергаторе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ путей интенсификации гидромеханичесю процессов в системах жидкость-твердое тело и выявлек определяющие параметры.

2. Численно и экспериментально исследовано течение жидкости канале роторно-вихревого аппарата. Выявлено, что при достаточ! больших частотах вращения ротора(ов) линии тока несущей фаз приближаются к концентрическим окружностям, с центра совпадающим с геометрическим центром полости.

3. Предложена математическая модель, определяющая движет одиночных частиц в канале роторно-вихревого аппарата. Показан что радиальные скорости частиц в канале могут значителы превышать тангенциальные. Определено и эксперименталы доказано, что частица в рабочем пространстве аппарата перемещает! путём "прыжков", высота которых может быть больше радиуса канал Численно исследован механизм взаимодействия частиц со стенкс рабочего канала, исключающий её эрозионный износ, чт подтверждено в экспериментах.

4. Построена математическая модель межчастично1 взаимодействия суспензии в рабочем канале роторно-вихрево1 аппарата. Она основана на сравнении длины свободного пробега длиной вязкой релаксации частицы и позволяет определит соотношение твердой и жидкой фаз в аппарате, а также частот соударений между частицами.

5. Предложена зависимость для определения критической скорост поверхностного (эрозионного) разрушения частиц.

6. На основе изучения закономерностей диссипации энергии аппаратах с различной геометрией полостей ротора, определен оптимальная форма канала и даны практические рекомендации да расчета потребляемой мощности вновь проектируемых аппаратов.

7. Разработан программно-аппаратный комплекс и методик

расшифровки сигналов с пьезоэлектрического датчика при исследовании гидромеханики двухфазных течений, которые позволяют проводить одновременное измерение скоростей и масс частиц, взаимодействующих с датчиком, по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Хранение и обработка информации полученной с датчика полностью автоматизированы.

8. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало адекватность построенных математических моделей реальным процессам, происходящим в роторно-вихревых аппаратах.

9. Предложена методика расчета аппаратов роторно-вихревого типа для гидромеханической обработки дисперсных материалов и даны практические рекомендации по выбору конструкции в зависимости от областей их применения. Разработана установка для диспергирования пигментов в процессах приготовления водо-дисперсионных красок, совмещающая процессы диспергирования и смешения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мартынов Н.В., Щупляк И.А., ВеригинА.Н. Метод вихревого самоизмельчения исходных компонентов в технологии керамики// //Наука и технология силикатных материалов в современных условиях рыночной экономики: Тез. докл. Всероссийского совещания/ Российс. хим.-техн. ун-т. им. Д.И.Менделеева.-М, 1995.-С. 71.

2. Мартынов Н.В. Пьезоэлектрический комплекс для исследования гидродинамики двухфазных течений// Неразрушающий контроль и диагностика: Тез. докл. 14 Российской научно-технической конференции/ Российское общество по неразрушающему контролю и диагностике,-М., 1996.-С. 155.

3. Мартынов Н.В., Веригин А.Н., Щупляк И.А. Моделирование гидромеханических процессов в роторно-вихревых аппаратах// Современные проблемы информатизации: Тез. докл. 2 Республиканской электронной научной конференции/ Ворон. Гос. педуниверситет.-Воронеж, 1997,-С. 139.

4. Мартынов Н.В., ВеригинА.Н., Щупляк И.А., ИшутинА.Г. Динамика тяжелой вращающейся частицы в полости роторно-вихревого аппарата// Прикладные аспекты совершенствования химических технологий и материалов: Тез. докл. Всерос. научно-практич. конф./ БТИ АлтГТУ.- Бийск, 1998. С. 91-93.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с - объемная концентрация твердых частиц; d3 - эффективный гидродинамический диаметр; h - зазор между цилиндрами; I - относительное содержание твердой фазы (объёмное); к»

коэффициент присоединенной массы; кщ и kt - эмпирические коэффициенты; 1с- длина свободного пробега частицы; ls - длина

вязкой релаксации частицы; N12 - число циклов нагружения; Q - объёмный расход суспензии; rm - высота "отскока" частицы; Рши -

максимальное усилие на грани пьезоэлемента, R - радиус; San -площадь поперечного сечения аппарата; Sk - поверхность контакта; U - скорость; Ur(mai) - радиальная скорость частицы сразу после

взаимодействия со стенкой; V - объём; Ф - сила инерции; у - угол раскрытия полости; к - коэффициент проскальзывания; V - кинематическая вязкость; р-плотность; Re-критерий Рейнольдса; ст-1 - предел выносливости; св - предел прочности; стСж - предел прочности при сжатии; гшц - время взаимодействия; ш - угловая

скорость; Ç - коэффициент гидродинамического сопротивления;

т

а - относительная; |P(r)dr - площадь пьезоэлектрического импульса.

о

Индексы: ß - коэффициент; 0 - тангенциальная(ый); F - поверхностная (эрозионная); к - симплекс подобия; г - радиальная(ый); s - относительная(ый); z - осевая; ж - относящийся к жидкой фазе; кр - критическая(ий); пр - относящийся к каналу; рот - относящийся к ротору; тв - относящийся к твёрдой фазе; 4 - относящийся к частице.

20.11.98г. Зак.120-75 РТП ИК «Синтез» Московский пр.,26

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Мартынов Никита Валерьевич

ГИДРОМЕХАНИКА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЖИДКОСТЬ-ТВЕРДОЕ ТЕЛО В РОТОРНО-ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ

05.17.08 - процессы и аппараты химической технологии

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Щупляк И.А.

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..........................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................6

ГЛАВА 1. Особенности механической обработки систем

жидкость-твердое тело........................................................................................7

1.1 Пути интенсификации гидромеханических процессов в системах жидкость-твердое тело.....................................................................................7

1.2 Особенности практической реализации гидромеханических процессов в системах жидкость-твердое тело......................................................................24

1.3 Постановка задачи исследования...............................................................37

ГЛАВА 2. Гидромеханика роторно-вихревых аппаратов..................................39

2.1 Гидродинамика однофазных вихревых потоков.......................................41

2.2 Движение частиц дисперсного материала.................................................63

2.3 Механическое взаимодействие частиц дисперсного материала...............97

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования.....................................................113

3.1 Описание экспериментальных установок и методики проведения исследований...............................................................................................114

3.2 Исследование закономерностей диссипации энергии в аппаратах роторно-вихревого типа.............................................................................127

3.3 Исследование структуры однофазных потоков в модельной

полости.......................................................................................................132

3.4 Исследование структуры двухфазных потоков в модельной

полости.......................................................................................................133

ГЛАВА 4. Практическое применение роторно-вихревых аппаратов для

механической обработки дисперсных материалов...........................144

4.1 Измельчение................................................................................................144

4.2 Диспергирование пигментов в процессах приготовления

в о до дисперсионных красок........................................................................148

4.3 Методика расчета роторно-вихревых аппаратов и рекомендации по их применению................................................................................................154

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.............................................................161

""ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................175

Приложение 1. Подпрограмма для расчета поля скоростей течения

в полости роторно-вихревого аппарата.............................................................175

Приложение 2. Аналитическое решение уравнения (2.60)..................................188

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - работа, затрачиваемая на измельчение;

с - объемная концентрация твердых частиц;

(1 - диаметр;

(¿э - эффективный гидродинамический диаметр;

Е - модуль упругости; энергия;

И - приложенная сила;

Ь - зазор между цилиндрами;

I - относительное содержание твердой фазы (объёмное);

Кн- коэффициент мощности;

Кд - константа скорости диспергирования;

Ь - характерный размер течения;

1 - длина свободного пробега частицы;

т - масса;

п - число оборотов ротора;

N - мощность;

N12 - число циклов нагружения;

р - давление; Р - сила удара;

<3 - объёмный расход суспензии; г - радиальная координата; Я - радиус;

Яе - критерий Рейнольдса; Б - площадь поверхности;

- критерий Стокса; Т - постоянная времени течения; Та - критерий Тейлора; и - пульсационная скорость; и - скорость; У - объём;

х - сближение частиц при ударе; степень дисперсности по "Клину"; М - крутящий момент; Ф - сила инерции; Э - эффективность процесса; 5 - толщина пограничного слоя; е - скорость диссипации энергии; у - угол раскрытия полости; г| - микромасштаб турбулентности;

Ф - коэффициент сферичности; X - коэффициент проскальзывания,

коэффициент сопротивления; )л - динамическая вязкость; коэффициент Пуассона; у - кинематическая вязкость; 0 - тангенциальная координата; р - плотность; ст - напряжение; ст-1 - предел вынослив ости; ав - предел прочности; аСж - предел прочности при сжатии; т - время;

со - угловая скорость; § - коэффициент гидродинамического сопротивления;

Нижние индексы

0 - тангенциальная(ый); Е - объёмная;

И - поверхностная(эрозионная); к - симплекс подобия;

тах - максимальная(ый); г - радиальная(ый); в - относительная(ый); г - осевая;

ап - относящийся к аппарату; ж - относящийся к жидкой фазе; кр - критическая(ий); п - относящийся к потоку; пр - относящийся к полости; рот - относящийся к ротору; с - относящийся к суспензии; сф - сферической частицы; тв - относящийся к твёрдой фазе; уд - удельная;

4, ч - относящийся к частице;

ВВЕДЕНИЕ

Процессы механической обработки дисперсных систем (измельчение, овализация и активация) в химической технологии являются широко распространенными и очень энергоёмкими, что и определяет значительный теоретический и практический интерес исследований в данной области.

Настоящая работа посвящена механической обработке дисперсных частиц в системах жидкость-твёрдое тело - измельчению, овализации, а также перемешиванию этих систем.

Применяемое в настоящее время оборудование для реализации заданных процессов далеко не во всех случаях отвечает современному уровню развития науки и техники. Фактически отсутствуют научно обоснованные методики применения и расчета оборудования для проведения широкого спектра механических процессов, что сказывается на эффективности их реализации.

Основной целью проектирования различного гидромеханического оборудования является повышение его эффективности. При этом необходимо добиться получения того же технологического эффекта на оборудовании меньшего объема, а значит и более дешевом, уменьшить время пребывания обрабатываемых компонентов в аппарате, то есть уменьшить технологический цикл и соответственно энергозатраты. Данная тенденция вскрывает некоторые недостатки, присущие традиционным методам проектирования химического оборудования, основанным на чисто эмпирических экспериментальных зависимостях, обычно в очень узкой области применения. Вышеуказанный подход является малопригодным для проектирования принципиально нового оборудования, и требует больших материальных затрат для своей реализации, а зачастую вообще не позволяет достигнуть сколько-нибудь приемлемого решения. Поэтому в настоящей работе акцент сделан на математическое моделирование происходящих в аппарате процессов, которое позволяет получить зависимости пригодные в более широком диапазоне. А экспериментальные исследования позволяют апробировать и уточнить полученные зависимости на практике.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИСТЕМ

ЖИДКОСТЬ - ТВЕРДОЕ ТЕЛО

1.1. ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ЖИДКОСТЬ-ТВЕРДОЕ ТЕЛО

Большинство технологических процессов химической технологии, протекающих в системах жидкость-твердое тело, требуют использования измельченной твердой фазы с целью, как повышения скорости гетерогенных процессов, так и получения дисперсных систем с заданными параметрами. Наиболее простым и распространенным способом для достижения данных результатов является механическое измельчение твердой фазы.

При системном анализе процессы измельчения определяются как процессы взаимодействия частиц различной формы и размеров с несущей средой, и между собой при наличии внешних воздействий на двух уровнях иерархии [1]. На начальном (микро-) уровне действуют внешние поверхностные и массовые силы, и силы взаимодействия, как между несущей и твердой фазами, так и между самими частицами. В результате этого в системе происходит перенос массы, импульса и энергии. Внешняя механическая энергия или энергия другого вида, превращенная в нее внутри системы, расходуется на работу сил молекулярного сцепления, преодоление сил внутреннего и внешнего взаимодействия, на накопление упругих деформаций, переходящих в пластические и во внутреннюю энергию. Частично энергия упругих деформаций создает в системе дефекты, микронаправления и микротрещины.

Среди разнообразных физических явлений микроуровня характерных для систем жидкость-твердое тело отметим эффект Ребиндера [2], заключающийся в понижении прочности твердых тел при наличии поверхностно-активных веществ, вследствие расклинивающего действия последних. Этим эффектом

также объясняется значительно меньшая агрегация измельченных частиц по сравнению с системами газ-твердое тело.

Протекание процессов измельчения существенно зависит от температуры; например, при снижении температуры большинство твердых веществ переходят из пластического состояния в хрупкое [3].

Совокупность эффектов и явлений на макроуровне определяет гидродинамическую структуру потоков в аппарате в целом. Определяющим эффектом на этом уровне являются конструктивные особенности самого аппарата. К последним можно отнести геометрию аппарата, тип и конструкцию рабочего органа, особенности подвода механической энергии.

В традиционных способах и устройствах разрушение материалов достигается механическим воздействием мелющих тел или частиц (кусков) того же материала. Элементарным актом процесса измельчения является создание в обрабатываемом материале предельных напряжений сдвига при сдавливании, ударе или срезе [4].

Для интенсификации изучаемых процессов необходимы избирательное воздействие на элементарные акты и увеличение объемной плотности вводимой энергии.

Предложены и исследованы разнообразные способы воздействия на обрабатываемую среду. Интенсификация обработки суспензий, в частности смешение и измельчение, в некоторых случаях сепарация и разделение, может происходить в результате:

- оптимизации гидродинамических режимов в аппарате [5,6,7,8];

- создания ударных волн в жидкости (кавитация, электрогидравлический эффект) [9];

- использования различных типов колебаний:

(акустических [10, 11], электромагнитных [9], механических [7, 12]);

- аэрации суспензий и наложение вибрации с целью получения колебательной системы жидкость-газ-твердое тело, где реализуется эффект Бьёркнесов (частицы пульсирующие в фазе притягиваются, а в противофазе отталкиваются) [13, 14];

- использования встречных и закрученных потоков [15, 16, 17];

- использования вихревых электромагнитных устройств, с магнитными мелющими (перемешивающими) телами в качестве рабочих органов [18].

Высокоэффективным часто оказывается применение комбинированных методов интенсификации.

Необходимо отметить, что при выборе для практического применения того или иного метода интенсификации процессов механической обработки суспензий приходится учитывать не только технологический эффект его использования, но и технологичность изготовления, и ремонтопригодность промышленного аппарата; загрязняем ость готового продукта, эрозионный износ конструкции; особенности эксплуатации. Все эти ограничения существенно сужают возможности выбора из многочисленных методов интенсификации.

При создании любых гидромеханических аппаратов с помощью оптимального для конкретных целей метода интенсификации, или их комбинации, можно добиться существенного улучшения их характеристик, включая уменьшение металлоёмкости, габаритных размеров, температуры поверхностей, обеспечить рост надежности эксплуатации и увеличить ресурс работы.

Однако выбор оптимального метода интенсификации определяется многими условиями, которые в каждом конкретном случае должны быть совместно учтены. Важнейшие из этих условий, по аналогии с процессами теплообмена [19], следующие:

1.Цели и задачи интенсификации процессов переноса в данном конкретном классе гидромеханических аппаратов.

2. Величина допустимых энергетических затрат на интенсификацию и вид располагаемой для этого энергии.

3. Гидродинамическая структура дисперсного потока в аппарате, распределение твердых частиц по сечению потока. Доступные способы управления структурой потока.

4. Технологичность изготовления аппарата, удобство и надежность в эксплуатации.

Рассмотрим эти условия подробней. 1. Задачи интенсификации гидромеханических процессов обычно заключаются: в увеличении производительности аппарата, в уменьшении его металло- и энергоемкости, габаритов; улучшение технологических параметров получаемых продуктов.

В нашем случае главной задачей интенсификации является увеличение производительности единичного аппарата при минимальных энергозатратах в расчете на 1 кг продукта, соответствующего технологическому заданию. Таким образом, эффективность реализации гидромеханических процессов в предлагаемых аппаратах определяется по формуле

N

Э = — т, [Дж/кг(готового продукта)] (1.1)

т

гдеИ - мощность, потребляемая приводом (приводами) аппарата, Вт; ш - масса готового продукта, кг; х - время обработки суспензии, с.

Интенсивность перемешивания в разных аппаратах принято сравнивать по величине удельной диссипируемой энергии [5]. Но, к сожалению, этот критерий не является универсальным и отражает в основном процесс перемешивания, а сравнение по этому параметру возможно только в пределах одной группы аппаратов, вследствие неравномерности рассеивания энергии в объеме аппарата, а величина этой неравномерности различна для разных групп

аппаратов. Дело осложняется еще и тем, что для процессов, где требуется механическое взаимодействие между частицами и заранее определенное распределение частиц по объёму аппарата, наряду с удельной диссипацией энергии, эффективность проведения процесса определятся также и чисто гидродинамическими, и геометрическими параметрами аппарата. 2. Анализ и проработка всего объекта в целом позволяет предположить в качестве основного вида энергии электрическую, а в качестве основного потребителя электрический привод вращения, возможно так же использование различных вспомогательных приводов для интенсификации гидромеханических процессов различными комбинированными методами (например вибраторов; ультразвуковых, магнитострикционных или пьезогенераторов). Мощность вводимую в аппарат оцениваем по формуле

хт tf-M-n

N = — = £• • тс, (1.2)

где п - число оборотов ротора, об/ мин;

М - крутящий момент, Н-м;

Kn- коэффициент мощности;

шс - масса суспензии в рабочей зоне аппарата, кг.

При этом удельная скорость диссипации энергии

U3

s = KN • —— « N , (1.3)

где и - характерная скорость течения, м/с; Ь - характерный размер течения, м.

При достаточно больших числах Рейнольдса (Ке>105) Ки ^сош!

В то же время, энергия, непосредственно затрачиваемая на реализацию технологического эффекта, зависит от количества твердых частиц и от степени

гидродинамического и силового взаимодействия, как между самими частицами, так и между частицами и несущей фазой.

Так как в нашем случае взаимодействие приводит к разрушению твердых частиц, что является технологической задачей, в качестве важных физических свойств среды проявляются прочностные характеристики измельчаемого материала. При этом можно ввести критерий подобия вида [20]

сг

(1.4)

Ргв-и

где сгв - напряжение разрушения, Па; Ртв-И2 - характерный динамический напор.

Следует отметить, что в каждом конкретном случае разрушению могут подвергаться, как монокристаллы, так и агломераты. Вследствие этого энергия может расходоваться соответственно на разрыв молекулярных и адгезионных контактов или их комбинации.

Таким образом, с помощью зависимости (1.4) представляется возможным связать прочностные характеристики обрабатываемого материала с характерной скоростью потока, а следовательно, и вводимой в аппарат энергией. 3. Гидродинамическая структура потоков (распределение твердых частиц по объему аппарата и, поля скоростей и жидкой фаз) во многих случаях определяет интенсивность гидромеханических процессов обработки суспензии. Вследствие, того что в рассматриваемых случаях обработка суспензии осуществляется за счет градиента скоростей, как твердой и жидкой фазы, так и твердых частиц между собой и элементами конструкции аппарата, то градиенты относительных скоростей можно считать движущей силой процесса механической обработки суспензий. Наиболее важными составляющими этой движущей силы могут являться области в аппарате, которые характеризуются значительными градиентами скорости основного потока - турбулентные характеристики течения и зона пограничного слоя.

Известно, что все течения жидкостей делятся на два резко различающихся типа: спокойные и плавные ламинарные и турбулентные, при которых гидродинамические величины (скорость, давление) беспорядочно пульсируют крайне не регулярно изменяясь в пространстве и во врем