автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация перемешивания в аппаратах с использованием решетки крыловых профилей

На правах рукописи

БОРИСОВ АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В АППАРАТАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕШЕТКИ КРЫЛОВЫХ ПРОФИЛЕЙ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

МОСКВА 2003

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Инженерной Экологии.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Соловьев А. В. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дильман В. В. доктор технических наук, профессор Тимонин А, С.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт удобрений и инсектофунгицидов

Защита диссертации состоится 25 сентября 2003 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212Д45.01 в Московском Государственном университете инженерной экологии по адресу: 107066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат диссертации разослан V-i " ¿t^Z.. 2003 года

Ученый секретарь

^.ЗЗЗОзи

ОКУПАЯ XA¡JAK I (МИСТИКА Г'АКОТЫ

Актуальность работы. Запросы различных отраслей промышленностм постоянно опережают внедрение s практику эффективного смесительного оборудования. 13о многом это объясняется тем, что изменились представления о возможностях самого процесса смешения, который становится способом получения материалов с комплексом требуемых свойств. Все чаще процесс смешения рассматривают как целостную химико-технологическую систему, 8 которой оборудование является центральным звеном. К такому оборудованию предъявляются требования обеспечения непрерывности технологического процесса, регулирования параметров смешения в широком диапазоне, простоты ч надежности аппарата. Одним из основных требований можно считать достижение максимальной эффективности работы аппарата. Под эффективностью перемешивания понимают технологический эффект перемешивания. Из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором достигается определенный технологический эффект при меньших затратах энергии.

Особенностью аппаратов с мешалками является сложность гидродинамических явлений, протекающих при перемешивании, что затрудняет возможность решения системы дифференциальных уравнений движения жидкости, и, как следствие, затрудняет теоретическое определение поля скоростей.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка теоретических основ и экспериментальное исследование метода увеличения интенсивности перемешивания.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи: ■ Теоретическое определение поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

- Разработка конструкции аппарата для реализации теоретической модели метода интенсификации перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой.

- Проведение экспериментов для подтверждения теоретических выводов на практике.

Научная новизна,

- Предложен новый метод интенсификации перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой.

- Разработана конструкция аппарата для реализации данного метода.

- Предложена методика решения системы уравнений Навье-Стокса в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

Практическая ценность.

- Обоснована теоретически и подтверждена практически возможность интенсификации процесса перемешивания в аппарате цилиндрической формы с не пользованием решетки крыловых профилей. Г™~-----——-----—

I рос. национальная' f ЦП 1>Л и от г. к А | С. Петербург

- Создана экспериментальная конструкция перемешивающего устройства, позволяющая изменять параметры решетки крыловых профилей во время проведения эксперимента.

- Получены экспериментальные данные о повышении интенсивности перемешивания без дополнительных энергетических затрат.

Апробация работы. Доклады на конферет(иях

1. Соловьев A.B., Борисов A.B. Способ увеличения эффективности перемешивания с использованием комбинированного вихря Рэнкина И В кн.: VX Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях». - Тамбов: ТГТУ, 2002.

2. Соловьев A.B., Борисов A.B. Способ увеличения эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием модели комбинированного вихря Рэнкина // В кн.: Международная конференция «Инженерная защита окружающей среды». - М.: МГУИЭ, 2002.

Статьи в журналах и научных сборниках

[. Соловьев A.B., Борисов A.B.. Кутепов A.M. Метод определения поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы И Сборник научных статей под редакцией академика РАН A.M. Кутепова и доктора технических наук Д.А. Баранова. - М.: МГУИЭ, 1998 - с. ¡26 - 127.

2. Соловьев A.B., Борисов A.B. Увеличение эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием комбинированного вихря Рэнкина // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2002, № 10.

3. Соловьев AB.. Борисов A.B. Исследование эффективности перемешивания в аппарате цилиндрической формы с использованием решетки крыловых профилей И Химическое и нефтегазовое машиностроение,

- 2003, №6.

На защиту выносятся:

- Предложения по увеличению эффективности работы мешалки в аппаратах цилиндрической формы.

- Конструкция аппарата с использованием решетки крыловых профилей.

- Экспериментальные данные по зависимости:

- потребления электрической энергии установкой от конструкции аппарата и числа оборотов мешалки;

- поля температур в аппарате от конструкции аппарата и времени.

Объем работы. Диссертация содержит введение, три главы и выводы, 112 страниц машинописного текста, список литературы 80 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ-: РАБОТЫ

Введение. Обоснование, актуальность работы, наложены цель, основные -задачи исследования, научная новизна. практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе исследуется состояние вопроса интенсификации процесса перемешивания на данный момент. Изучены сравнительные характеристики различных типов мешалок по критерию мощности с целью определения наиболее простого и энергетически выгодного типа мешалки. Рассмотрено влияние различных составляющих поля скоростей на интенсивность перемешивания, в том числе и меридиональной циркуляции жидкости в аппарате. Проведено исследование различных конструкций аппаратов с мешалками для выявления достоинств и недостатков.

В результате анализа состояния вопроса установлено, что подавляющее большинство исследователей увеличивают интенсивность перемешивания следующими методами:

- используют мешалки, которые создают значительную аксиальную циркуляцию;

- применяют различные внутренние устройства, изменяющие поле скоростей в аппарате в сторону увеличения осевой и радиальной составляющей скорости;

- используют аппараты со сложным движением рабочего органа, препятствующим созданию в аппарате установившегося движения.

При использовании выше перечисленных методов возникают следующие проблемы: .

- применение более дорогостоящих типов мешалок;

- увеличение энергетических затрат иа проведение процесса перемешивания;

- снижение надежности аппарата за счет усложнения конструкции.

Дпя.реще'нйя дануых проблем необходимо разработать конструкцию аппарата, которая Обладала бы следующими свойствами;

- позволяла использовать наиболее простой и дешевый тип мешалки;

- изменяла поле скоростей в аппарате, не увеличивая энергетических затрат;

- имела.минимум подвижных частей.

Насущной "задачей в настоящее время является не просто интенсификация процесса перемешивания, но увеличение эффективности. Это требование подразумевает под собой проведение перемешивания с большей интенсивностью при прежнем уровне затрат энергии. Одним из определяющих критериев является простота изготовления аппарата, его составных частей, а, следовательно, и относительно невысокая его стоимость.

Вторая глава посвящена решению системы уравнений Навье-Стокса для аппарата цилиндрической формы с мешалкой и описанию метода увеличения интенсивности перемешивания.

Умение теоретически определит!, поле скоростей позволит огнепгп. на

вопрос, можно ли пренебрегать осевой и радиальной составляющими скорости.

При решении трехмерных та дач в цилиндрических координатах в условиях осевой симметрии производные по (р равны нулю

dtp dtp dtp dtp где Ур К., У,. - составляющие поля скоростей, (р, г, г - цилиндрические координаты.

Уравнения Навье-Стокса для установившегося течения имеют вид ЗУ, v\ | dp

йг

P dr

Г

дГ. ,, —- + V dr

at'

Приступим

fir

к

■ + У.

ЗУ. 1 ф -= ----il+ 1/. дк,

& о ft:

эс, . К. У

(1)

dz

- + ~

построению алгоритма решения методом

последовательных приближений, начиная с уравнения неразрывности

д(г ■!■',) l д(г ■ К)

= 0

(3)

э>- ее

При работе мешалки в цилиндрической емкости образуются два тороидальных вихря (рис. 1}, наличие которых означает, что вертикальная составляющая скорости меняет знак. Центр вихря совпадает с нулем У~, как функции радиуса. Такое распределение по радиусу хорошо аппроксимируется цилиндрической функцией 1ц(аг).

Наличие двух тороидальных вихрей противоположного знака (рис. 1) определяет знак вертикальной составляющей скорости вблизи оси т. в нижней части аппарата снизу вверх, а в верхней части аппарата сверху - вниз, таким образом в плоскости вращения мешалки У. меняет знак, т. е. обращается в нуль. Кроме того, и на дне, и на крышке скорость также обращается в нуль (аппарат залит под крышку) в соответствии с гипотезой

прилипании. Такое изменение скорости по вертикали можно аппроксимировать функцией

Параметр «Ь» найдем, исходя из граничных условий, принимая Ь-2к1Н (начало координат выбрано на дне аппарата, залитого под крышку), где И -высот аппарата,

Следует учесть, что внутри данной системы нет источников и стоков н

Рис. ! Линии тока. Вертикальный разрез, (автор Орлов В.А.)

расход равен нулю. Мэ этого следует:

п

Примем первое приближение для I;, аппроксимируя эту функцию выражением, качественно описывающим экспериментальное распределение вертакальной составляющей скорости в аппаратах с мешалкой, расположенной в центре и залитых под крышку:

V. - Л ■/„(да-)-втфг) (5)

Учитывая равенство (6):

(6)

найдем а = где у, - первый нуль функции ¡/(яг), Н - радиус аппарата.

Зная К, можно найти У, из уравнения неразрывности (3):

е,

Уг =-А---/,(аг)-со&(Ьг)

(7>

Исключая давление из уравнений Навье-Стокса, получаем уравнение (8), которое, кроме известных V. и V,., включает в себя лишь одно слагаемое, содержащее

дг{ дг дг ) дг{ дг ' йг )

(8)

\_JK_

г 8г

откуда окружная составляющая скорости (9)

2-у

■(1 + ^)

а-) Ь

Последний параметр А можно определить из условия (10), принимая среднее по высоте.

дУ.

_Ч_

дг

(10)

где <у„ - угловая скорость вращения мешалки.

Осталось воспользоваться уравнением (11) из которого по найденным значениям V,. и Кр находим V. во втором приближении. Далее всю процедуру повторяют по описанной схеме.

<> - (к У I. т г , Сравнение экспериментальных л теоретические данных для окружной

(М)

:' ...им. м

Тейрсгипескйч

Е}@ 1 ) МП IК.I' 1.'П1.[,Ц'

Рис. 2 Зависимость относительной окружной составляющей скорости ^/»■■З-^ ■ п) от радиуса при = 10' Ко = 0.15 м - радиус аппарата, мешалка расположена на половине высоты жидкости (с1Л, - 0. ¡4 м - диаметр

мешалки).

По аналогии с методом определения поля скоростей в аппарате цилиндрической формы рассмотрим одну из составляющих поля скоростей в отдельности от остальных. Возможность расщепления уравнений движения возникает, поскольку хшу}- 0, о чем свидетельствуют

исследования, в которых найдено поле окружных скоростей У¥(га). Через учитывается влияние лопастей мешалки на У„ К. которые выражаются через функцию тока Стокса Взаимосвязь между и в цилиндрической системе координат описывается уравнением (!2),

'в1, а1 I аУ э (VI \

&г + с>г' г а-) ¥ /

Изменение окружной составляющей скорости У? по радиусу чаще всего описывают на основе модели «комбинированного вихря Рэнкина»,

Рассмотрим вихрь Рэнкина диаметром, 2г„ ось которого совпадает с осью цилиндрического сосуда диаметром 2Я„.

Поскольку ротор скорости щ постоянен по модулю в области /■</;,, поток вектора ал через нормальное сечение вихря Рэнкина равен п . Щ, Ьудем считать -ггот поток положительным, если он направлен вертикально вверх.

Наряду с этим центральным вихрем наедем в рассмотрение область i; < г < t\, где гх >. заполненную равномерно распределенными отрицательными вихрями, i.e. такими, что гоН'--ио. направлен вертикально вниз, причем потребуем, чтобы

щ - (г,3 -if )=■<«, -г02 (13)

Иными словами, положительный поток вихря Рэнкина должен полностью компенсироваться отрицательным потоком вихрей, заполняющих кольцевой зазор между цилиндрами г = I] и г = г, (рис. 3). Согласно теореме Стокса (14) в этом случае циркуляция в области г, < г < /?0 должна быть равна

нулю, поскольку поток ротора скорости в этой зоне равен нулю.

ыяг2 = У-2-кг (14) Учитывая центральную симметрию построенной модели, приходим к выводу, что сама скорость в указанной

области, прилегающей непосредственно к стенке сосуда, также равна нулю. Жидкость здесь неподвижна, несмотря на то, что при < гг она движется.

Выясним, какова зависимость скорости от радиуса для данного комбинированного вихря. Поскольку циркуляция равна потоку ротора скорости, можно записать следующие уравнения скорости для каждой зоны:

Рис. 3 Расположение положительного и отрицательного потоков вихрей.

2

2-r

Г =^dL

■/;,' - (г2 -t\2)-а>2

2-r

г <rn

г < t- < р

г.

(15)

V = 0, п<> <[< ъ силу условия (13)

Графическое представление зависимости скорости от радиуса, а также ро гора скорости от радиуса приведено на рис. 4.

Конечно, в реальном аппарате, где присутствуют еще осевая и радиальная составляющая скорости, жидкость в области, непосредственно

примыкающей к стенке аппарата, неподвижной быть не может, но благодаря отсутствию окружной составляющей, результирующая скорость значительно уменьшится.

(О

щ

О

-0)2 ..

Рис. 4 Зависимость скорости от радиуса и ротора скорости от радиуса, соответствующая уравнению^ (IS).

В зависимости от ширины кольца >-( < г < г2 и его положения внутри сосуда возможны различные варианты эпюры скоростей.

Г1

Га

Рис, 5 Зависимости скорости от радиуса и ротора скорости от радиуса, соответствующая уравнениям (16).

Так, если = /?, т. е. вихревое кольцо отрицательного знака примыкает непосредственно к стенке аппарата, получаем следующую систему уравнений:

у , < < г, (16)

2 - г

2т

В этом случае зависимость скорости от радиуса представлено графиком на рис. 5.

Возникает вопрос, как практически реализовать течение, соответствующее рассмотренной теоретической схеме. Один из возможных способов создания «вихревого кольца» состоит в использовании решетки крыловых профилей (рис. 6), расположенной в этой области. Данный метод использует эффект возникновения циркуляции вокруг крылового профиля при обтекании его жидкостью.

Подбирая должным образом параметры решетки, можно обеспечить необходимую величину циркуляции.

Очевидно, аппарат такого типа будет иметь явные преимущества по сравнению с аппаратами, обладающими оребрением около стенок. Действительно, крыловой профииь, обтекаемый под малым углом атаки обладает неизмеримо меньшим коэффициентом сопротивления, нежели ребро жесткости, образующее ушл 90° с набегающим потоком. Кроме того, вихри, возникающие за ребром жесткости, непосредственно примыкают к стенке сосуда что соответствует графической зависимости, изображенной на рис. 5, Легко видеть, что в соответствии с < 16) касательное напряжение на стенке в этом случае не равно нулю. Оребрение обладает еще одним серьезным недостатком - увеличением расхода энергии, потребляемой на перемешивание (следствие большого угла атаки жидкостью ребра жесткости).

Третья глава работы посвящена проверке адекватности математической модели эксперименту, изучению влияния решетки крыловых профилей на энергетические характеристики аппарата, интенсивность перемешивания и воронкообразование.

Для изучения эффективности работы мешалки в аппарате цилиндрической формы с использованием решетки крыловых профилей воспользуемся методом на основе градиента температур. Это метод количественной оценки

Рис. 6 Графическое представление эффекта возникновения циркуляции вокруг крылового профиля.

качества работы мешалок основан на определении времени перемешивания, необходимого для выравнивания температуры жидкости после тога, как в какую-либо часть аппарата в жидкость было введено известное количество тепла (например, определенное количество жидкости более высокой температуры). Продолжительность перемешивания определяют интервалом времени, протекающим с момента создания температурного градиента при введении теплового импульса до выравнивания температуры.

В качестве объекта исследования была выбрана система вода - растительное масло. Нагретое растительное масло (температура 100 °С), объемом 0,5 л подается в резервуар с охлажденной водой (температура 6.6 °С) в течение 25 секунд. Объем охлажденной воды равен 15,5 л. Благодаря большой разнице объемов и медленной подаче масла процесс теплопереноса в данной системе протекает достаточно медленно, что позволяет с достаточной точностью фиксировать промежуточные состояния в течение всего эксперимента.

Для проведения экспериментов разработана установка (рис, 7), состоящая нз следующих элементов: 1 - штатив для крепления электродвигателя; 2 - зажим для изменения глубины погружения мешалки; 3 -электродвигатель с регулируемой частотой оборотов (100 - 500 об/мин); 4 -вал для крепления мешалки к электродвигателю; 5 - цилиндрическая емкость, диаметром 300 мм и высотой 250 мм; 6 - решетка крыловых профилей; 7 - ртутный термометр (диапазон 0 - 55 цена деления шкалы 0,1 °С); 8 -штатив для крепления емкости с растительным маслом; 9 - емкость с расти-

тельным маслом; 10 - запорный вентиль; 11 - ртутный термометр (диапазон 55 - í05 "С. цена деления шкалы 0,1 "О); 12 - трубопровод для подачи масла в цилиндрическую емкость; [3 - амперметр: 14 - вольтметр. В качестве перемешивающего устройства использовалась ра д и ал ьно-л о па стная мешалка (с/„=80мм, h.„~20мм).

Конструкция решетки крыловых профилей (рис. 8) позволяет изменять глубину погружения решетки и угол атаки крылового профиля во время проведения эксперимента.

Рис. 8 Внешний вид решетки крыловых профилей.

Делать выводы о характере движения жидкости около стенки аппарата в случае использования решетки крыловых профилей и без нее можно на основании фотоснимков, изображенных на рис. 9 а) и 6). Получить представление о соотношении и К можно по характеру отклонения ниток, приклеенных к стенке, от горизонтальной плоскости.

а) 6)

Рис. 9 Фотография характера движения в области, прибегающей к стенке аппарата а) fíej ¡шшетки. 6) с решеткой

На рис. 9 а) нитки расположены параллельно дну аппарата. Из этого следует, что 1у ~ У,? (!',,; - результирующая скоростей (-'',, и К). На рис. Ч б) иитки расположены пол углом к дну аппарата. На уровне мешалки этот угол составляет примерно 60". Следовательно, в центральной части аппарата больший вклад в результирующую скорость У^ вносит осевая составляющая.

Ввиду уменьшения скорости вблизи стенки аппарата следует ожидать уменьшения затрат энергии на перемешивание. Но, с другой стороны, помещая решетку крыловых профилей в аппарат, мы вносим дополнительное гидравлическое сопротивление. Сравнение энергетических затрат в первом и во втором случае позволяет выяснить, какой из данных факторов преобладает.

Сравнение производилось по потреблению электрической мощности установкой. Измеряя напряжение и силу тока, электрическую мощность можно рассчитать по формуле:

=1-и-соыр (17)

где / - сила тока, V - напряжение, соз<р = 0.8 - характеристика двигателя. ^

Процентное изменение энергии в аппарате с решеткой крыловых профилей по сравнению с аппаратом без решетки представлено в таблице 1. Таблица I

1 число оборотов об/мин решетка из 8-ми крыловых профилей решетка из 15-ти 1 крыловых профилей |

(00 - 1.6% - 0,8 %

150 - 1.7 % - 0.4 %

200 - 1.6% - 2.9 %

250 - 0.4 % - 0.8 % |

Как видно из результатов, в случае использования решетки крыловых профилей прироста потребления мощности не наблюдается, и даже наоборот, происходит ее уменьшение.

Следующая серия экспериментов направлена на изучение влияния решетки крыловых профилей на интенсивность перемешивания (частота вращения мешалки - 100 об/мин).

Полученные экспериментальные данные могут быть' описаны эмпирической формулой:

а ■

08)

1 + (6т')3

где (- температура в аппарате, т - время.

Для определения коэффициентов а, Ь, и с использовался метод наименьших квадратов. Окончательно уравнений имеют вид (19) -- для аппарата без решетки крыловых профилей, (20) - для аппарата с решеткой из 15-ти крыловых профилей. (?.!)~ддя аппарата с решеткой из 8-ми крыловых

О Экспериментальные данные 5ел решетки грылоных профилей

"ГсмяерЛтурй, соотнитстиующАя параметру "с" "" - тенрзературл жспс^чсмтэ

'■'■"' Т£ырс1нч£1к*и ;дщ зии<<1ы ] £ Ое» рвццгцш кры мши^л. 11 [И*|ии

Рус. }0 Зависимость температуры воды от времени в аппарате без решетки крыловых прт^шей.

' Тсмпиртурп. систвсгстнумщан параметру "с"

МикснмАлытая 1'«ш1ерат-у|и* чкелеримечггэ *** 'Ссиротичссцай кривд? дли решьлкм из I 5-ти крыловмк н]>офилей 'Г^ч^рсгй'р^к^ крянаи для решетки К'МИ •срылйпи* прификсы

Рш\ 11 Зависимость температуры воды от времена а аппарате с решеткой

кр ы.ч оаых пр{ )фг (. V с й.

профилей.

15=7.7-

(10)

1+(0.02 г)

/ = 7.6-

! +(0.033- т)2

(20)

( = 7.6-

I +(0.042 -¡г)3

(21)

Графики, соответствующие уравнениям 19, 20, 21 представлены на рис,10 и рис.11. На графиках по оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат-температура в °С.

Как видно из эмпирической формулы (18), температура, равная параметру с (обозначена на графиках 10 и 11 сплошной горизонтальной линией), будет достигнута при г = Следовательно, для сравнения интенсивности перемешивания воспользуемся температурой, на 5% меньше температуры, соответствующей параметру с и назовем ее максимальной. Максимальная температура обозначена на графиках 10 и П пунктирной горизонтальной линией.

Анализируя результаты, можно видеть, что в случае использования решетки крыловых профилей мы имеем значительное увеличение интенсивности перемешивания. Если в аппарате без решетки потребовалось 3 минуты 20 секунд для достижения максимальной температуры, то при использовании решетки из ¡5-ти крыловых профилей уже 2 минуты 30 секунд, а при использовании решетки из 8-ми крыловых профилей I минута 50 секунд. Т.е. при использовании решетки из 8-ми крыловых профилей иртенсивность перемешивания увеличилась на45%.

Конечная температура в аппарате без решетки крыловых профилей -7.7 °С, а с решеткой - 7.6 °С, так как 0.1 °С требуется на нагрев конструкции решетки.

При вращательном движении жидкости в аппаратах с мешалками наблюдается образование центральной воронки. Оребрение является одним из наиболее эффективных методов уменьшения воронки, но обладающее рядом недостатков. Одним из них является тот факт, что несмотря на более широкое распространение в промышленности аппаратов без внутренних устройств, экспериментальные исследования проводятся преимущественно в аппаратах с перегородками (что приводит к отклонению от геометрического подобия). Попытки учета отклонений от геометрического подобия путем введения экспериментальных поправок приводят к сложным эмпирическим уравнениям с узким диапазоном применимости.

Использование решетки крыловых профилей лишено данного недостатка, при этом влияет на образование воронки в сторону ее уменьшения (рис. 12),

а) б)

Рис. 12 Вид воронки: а) аппарат веч решетки крыловых профилей, б) аппарат с решеткой крыловых профилей (число оборотов - 250).

Рекомендация по расчету аппарата с решеткой крыловых профилей. На основании экспериментальных данных можно сделать вывод, что в случае использования аппарата с решеткой крыловых профилей происходит незначительное изменение потребления энергии (<5%). Следовательно, расчет энергии, затрачиваемой в единицу времени для аппарата с решеткой крыловых профилей можно выполнять, используя формулы, разработанные для аппарата без решетки крыловых профилей.

Принимая во внимание методы моделирования и масштабирования аппаратов с мешалками, воспользуемся симплексом &езразмерном виде д,,я аппарата с ргглгткай т геометрического подобия ¿._„и кршовых профилей.

для перехода от лабораторной установки к аппаратам различного размера. Симплекс геометрического подобия F представляет собой отношение одноименных линейных размеров промышленного аппарата и модели. Используя данный симплекс и оставляя неизменной одну из величин (число оборотов мешалки, удельную мощность и т.д.), можно определить время гомогенизации для аппарата, отличающегося по размерам от модели.

OTjuCMftlUttt >

Рис. 13 Зависимость температуры от времени с

j|;i рис. 13 проставлена зависимость ял я аппарата с решеткой ич К-ми крыловых профилей, позволяюшля определить температуру к атшр;ме в любой момент времени, зная аремя перемешивания и, наоборот, зная температуру - определить время, необходимое ял я ее достижения.

По оси абсцисс отложена величина т/г,. -- относительное время, nie г.. - ПО с - время гомогенизации (рис.1 I). по оси ординат - величина

____i.^.-—, - относительная температура, где /„ = 6.6 °С - начальная

Uу -0*0.95

температура эксперимента, ^ = 7.6 °С - конечная температура эксперимента.

Определив с помощью симплекса геометрического подобия время гомогенизации, можно от относительного времени перейти к текущему времени Конечную температуру эксперимента можно определить из теплового баланса и, следовательно, перейти к текущей температуре процесса.

Зависимость, подобную изображенной на рис. 11, можно построить и для аппарата с решеткой из 15 - крыловых профилей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан метод увеличения интенсивности перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой, состоящий в перераспределении составляющих поля скоростей в сторону увеличения осевой и радиальной.

2. Предложено одно из конструктивных решений с использованием решетки

крыловых профилей для реализации данного метода.

3. Разработана экспериментальная установка для изучения влияния параметров решетки крыловых профилей иа интенсивность перемешивания.

4. Получены экспериментальные данные о повышение эффективности пере-

мешивания. подтверждающие правильность теоретических выводов. В данном случае можно говорить именно об эффективности перемешивания, так как данный метод интенсификации не приводит к увеличению энергетических затрат.

5. Получено частное решенне системы уравнений Навье - Стокса для аппарата цилиндрической формы с мешалкой, залитого под крышку. Решение представляет собой комбинацию синуса, косинуса и функций Бесселя. Это позволяет, в отличие от модели вихря Рэикииа. учитывать в расчетах не только окружную составляющую поля скоростей, но осевую и радиальную.

Подписано в печать , 2003 г. Формат 60x84/

Тираж /о&жъ. Заказ за Объем /1 Г п. л.

ОНО "Алыюиресс" тел 306-96-99/8-926-212-84-22

РНБ Русский фонд

2006-4 37697

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1 Сравнительная характеристика различных типов мешалок по критерию мощности.

1.2 О влиянии различных составляющих поля скоростей на интенсивность перемешивания.

1.3 Нетиповые конструкции аппаратов.

1.4 Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА

УВЕЛИЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ РАБОТЫ МЕШАЛКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕШЕТКИ КРЫЛОВЫХ ПРОФИЛЕЙ.

2.1 О соотношении составляющих поля скоростей в аппарате цилиндрической формы.

2.2 Метод определения поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

2.3 Способ увеличения интенсивности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием модели комбинированного вихря Рэнкина.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

В АППАРАТЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕШЕТКИ КРЫЛОВЫХ ПРОФИЛЕЙ.

3.1 Методы определения качества перемешивания.

3.1.1 Применение красящих веществ.

3.1.2 Использование электропроводности.

3.1.3 Использование теплоты растворения.

3.1.4 Использование разности плотностей.

3.1.5 Использование градиента температур.

3.2 Выбор метода определения качества перемешивания и описание экспериментальной установки.

3.3 Изучение изменения поля скоростей.

3.3.1 Фотографический метод.

3.4 Изучение изменения электрической энергии, затрачиваемой на перемешивание.

3.5 Экспериментальное исследование влияния решетки крыловых профилей на теплоперенос.

3.6 Исследование особенностей воронкообразования при использовании решетки крыловых профилей.

3.7 Рекомендации по расчету аппарата с решеткой крыловых профилей.

Запросы различных отраслей промышленности постоянно опережают внедрение в практику эффективного смесительного оборудования [1]. Во многом это объясняется тем, что изменились представления о возможностях самого процесса смешения, который становится способом получения материалов с комплексом требуемых свойств. Все чаще процесс смешения рассматривают как целостную химико-технологическую систему, в которой оборудование является центральным звеном [2]. К такому оборудованию предъявляются требования обеспечения непрерывности технологического процесса, регулирования параметров смешения в широком диапазоне, простоты и надежности аппарата. Одним из основных требований можно считать достижение максимальной эффективности работы аппарата. Под эффективностью перемешивания понимают технологический эффект перемешивания [4]. Из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором достигается определенный технологический эффект при меньших затратах энергии [5]. Воспользуемся данным определением для сравнения эффективности работы аппаратов различных конструкций.

Особенностью аппаратов с мешалками является сложность гидродинамических явлений, протекающих при перемешивании, что затрудняет возможность решения системы дифференциальных уравнений движения жидкости, и, как следствие, затрудняет теоретическое определение поля скоростей.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка теоретических основ и экспериментальное исследование метода увеличения интенсивности перемешивания.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи:

- Теоретическое определение поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

- Разработка аппарата для реализации теоретической модели метода интенсификации перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой.

- Проведение серии экспериментов для подтверждения теоретических выводов на практике.

Научная новизна.

- Предложен новый метод интенсификации перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой.

- Разработана конструкция аппарата для реализации данного метода.

- Предложена методика решения системы уравнений Навье-Стокса в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

Практическая ценность.

- Обоснована теоретически и подтверждена практически возможность интенсификации процесса перемешивания в аппарате цилиндрической формы с использованием решетки крыловых профилей.

- Создана экспериментальная конструкция перемешивающего устройства, позволяющая изменять параметры решетки крыловых профилей во время проведения эксперимента.

- Получены экспериментальные данные о повышении интенсивности перемешивания при прежних энергетических затратах.

Апробация работы.

Доклады на конференциях

1. Соловьев А.В., Борисов А. В. Способ увеличения эффективности перемешивания с использованием комбинированного вихря Рэнкина // В кн.: VX Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях». - Тамбов: ТГТУ, 2002.

2. Соловьев А.В., Борисов А.В. Способ увеличения эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием модели комбинированного вихря Рэнкина // В кн.: Международная конференция «Инженерная защита окружающей среды». - М.: МГУИЭ, 2002.

Статьи в журналах и научных сборниках

1. Соловьев А.В., Борисов А.В., Кутепов A.M. Метод определения поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы // Сборник научных статей под редакцией академика РАН A.M. Кутепова и доктора технических наук Д.А. Баранова, 1998 - Москва: МГУИЭ. - с. 126 - 127.

2. Соловьев А.В., Борисов А.В. Увеличение эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием комбинированного вихря Рэнкина // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2002, №10.

3. Соловьев А. В., Борисов А. В. Исследование эффективности перемешивания в аппарате цилиндрической формы с использованием решетки крыловых профилей // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2003, №6.

На защиту выносятся:

- Предложения по увеличению эффективности работы мешалки в аппаратах цилиндрической формы.

- Конструкция аппарата с использованием решетки крыловых профилей.

- Экспериментальные данные по зависимости:

-потребления электрической энергии установкой от конструкции аппарата и числа оборотов мешалки; -поля температур в аппарате от конструкции аппарата и времени.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан метод увеличения интенсивности перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой, состоящий в перераспределении составляющих поля скоростей в сторону увеличения осевой и радиальной.

2. Предложено одно из конструктивных решений с использованием решетки крыловых профилей для реализации данного метода.

3. Разработана экспериментальная установка для изучения влияния параметров решетки крыловых профилей на интенсивность перемешивания.

4. Получены экспериментальные данные о повышение эффективности перемешивания, подтверждающие правильность теоретических выводов. В данном случае можно говорить именно об эффективности перемешивания, так как данный метод интенсификации не приводит к увеличению энергетических затрат.

5. Получено частное решение системы уравнений Навье - Стокса для аппарата цилиндрической формы с мешалкой, залитого под крышку. Решение представляет собой комбинацию синуса, косинуса и функций Бесселя. Это позволяет, в отличие от модели вихря Рэнкина, учитывать в расчетах не только окружную составляющую поля скоростей, но осевую и радиальную.

1. Богданов В. В., Христофоров Е. К, Клоцунг Б. А. Эффективные малообъемные смесители. Л.: Химия, 1989. с 4.

2. Богданов В. В., Красовский В. Н. Системный подход к исследованию процессов смешения эластомеров // ЖПХ. 1984, №9, с. 2020-2025.

3. Василъцов Э. А., Ушаков В. Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. -Л.: Машиностроение, 1979. с. 7

4. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987. - 496 с.

5. Процессы и аппараты химической технологии / Под ред. Кутепова A.M. М.: Логос, 2001, т.2, 599 с.

6. Rostan М., Pharamond J.C. Techniques de l'inginieur // Agitation. Melange. -A5900, 1980, P. 1-20.

7. Перемешивающие устройства для жидких неоднородных сред. Термины и определения. ГОСТ 22577-77. Введ. 01.01.1978 г.

8. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Типы и основные параметры. ГОСТ 20680-75. Введ. с 01.01.1977 г.

9. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами, вертикальные. Метод расчета. РТМ 26-01-90-76. Введ. с 01.07.1977 г.

10. Жгун Г. Г., Ушаков В. Г., Брагинский Л. Н. Расчет мощности в аппаратах с фрезерными мешалками // Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для технологическихпроцессов, 1977, с. 185-190.

11. Кафарое В. В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1972. 494 с.

12. Мешалки для высоковязких и неньютоновских сред. Области применения и метод расчета. РТМ 26-01-59-73. Введ. с 01.07.1974 г.

13. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. JL: Химия, 1975, 384с.

14. Жуковский Н.Е. Вихревая теория гребного винта. M.-JL: Гостехиздат, 1950, 239 с.

15. Холанд Ф., Чапмен Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов. М.: Химия, 1974.

16. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. -Л.: Госхимиздат, 1963,416 с.

17. Nagata S., Yamamoto К., Ujihara М. Flow patters of liquid in a cylindrical mixing vessel without bafflers 11 Mem. Fac. Eng. Kyoto Univ. 1958. - V.20, Pt.4.

18. Брагинский Л. H. О распределении окружных скоростей жидкости и глубине воронки в аппаратах с мешалками // ТОХТ. 1967, т. I, № 3, с. 675 - 681.

19. Брагинский Л. Н., Бегачев В. И. О взаимосвязи между окружной скоростью жидкости и мощности при перемешивании // ТОХТ. 1972, т. VI, № 2, с. 260 -268.

20. Мудрое А. Г. Пространственные перемешивающие устройства. Казань: Татарское книжное издательство, 1984, 175 с.

21. Мудрое П. Г. Пространственные механизмы с вращательными парами. -Казань: Татарское книжное издательство 1976, 264 с.23 . А. с. №863378. Мешалка. /П. Г. Мудров, А. Г. Мудров. Опубл. в Б. И. №34, 1981

22. А. с. №854350. Тестомесильная машина. /П. Г. Мудров, А. Г. Мудров. Опубл. в Б. И. 30, 1981

23. Чепура К В., Орлов В. А. Определение расхода энергии на перемешивание в жидких средах механическими мешалками // Метод, указан, к лаб. работе. -М.: 1977.

24. Бортников И. И., Таганов Н. И., Павлушенко И. С., Мильченко А. И., Михалев М. Ф. Некоторые характеристики аппаратов с прецессионным движением мешалки // Химическое и нефтехимическое машиностроение. -1967, №6, с. 21-23.

25. Nagata S. Mixing. Principles and applications. Tokyo: Halsted press book, 1975, 458 p.

26. Мельников В.И. О движении жидкости в мешалке // Тр. НИИХиммаш. -1954, Сб.16, с. 105-120.

27. Ушаков В. Г., Невелич В. В., Василъцов Э. А. Смесительно-реакционноеоборудование для производств нефтехимической промышленности // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1973, с. 285-290

28. Ушаков В. Г. Оборудование для синтеза и обработки пластических масс и синтетических каучуков. М.: НИИхиммаш, 1980, с. 3-8.

29. Городецкий И. Я., Васин А. А,, Олевский В. М., Лупанов П. А. Вибрационные массообменные аппараты. М.: Химия, 1980. 189 с.

30. Бабинцева Б. Л., Лосик В. И. К расчету конвективного теплообмена в аппаратах с виброперемешиванием // ЖПХ. 1980, т. 53, №11, с. 2475-2478.

31. Семенов В. М., Осипов А. В. Влияние параметров колебаний на массообменные процессы в системе жидкость твердое тело при виброперемешивании // Теория а практика перемешивания в жидких средах. - М.: НИИТЭхим, 1982, с. 139

32. Слезкин Н. А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Государственное издательство технико-теоритической литературы, 1955, с. 132.

33. Гзовский С. Я. Исследование кинематики потока при перемешивании жидкостей радиально-лопастными мешалками // Химическое машиностроение. 1959. - № 6. - с. 13-19

34. Nagata S., Jokoyama Т., Joshira N. Mem. Fac. Engng Kyoto Univ., 1955, т. 17, № 3, с. 175-186

35. Nagata S., Jokoyama Т., Joshira N. Ibid., 1959, т. 21, № 3, с. 260 269

36. Aiba S. Flow patterns of liquids in agitated vessels // AIChE Journal. 1958. -V.4, № 4, p. 485-491

37. Карасев И. H. Некоторые вопросы расчета якорных мешалок и выбора их конструкции // Теория и практика перемешивания в жидких средах. -М.: НИИТЭИ, 1971, с. 30-31

38. Демьянова Е. М., Павлушенко И. С. Исследование движения жидкости в гладкостенном аппарате с мешалкой // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ 1973, с. 24 - 26

39. A\.Rushton J. К, Costich Е. W., EverettН. J. Chem. Eng. Progr., 1950, с. 395-476

40. Орлов В. А. Исследование структуры и скоростей потоков жидкости в аппаратах с радиально-лопастными мешалками при наличии отражательных перегородок. Автореф. канд. дисс. - МИХМ. - 1972,24 с.

41. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, с. 648

42. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. -Л.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, с. 247-252

43. Кафаров В.В., Огородник И.М. Определение профиля скоростей в аппаратах с мешалками // Хим. и нефт. маш. 1967. - №1. - с. 22-24.

44. Kramers Н., Baars G. М., Knoll W. Н. A comparative study on the rate of mixing in stirred tanks // Chem. Eng. Sci. 1953. - V2, №l. p. 32-42

45. Kneule F. Die prufung von ruhrern durch doslichkeits bestimmung 11 Chem. Eng. Techn. 1956. -Bd. 28, №3. - p. 221-225

46. Tobias C. W., EisenbergM., Wilke C. R., Electrochem. Soc., 1952, c. 359-365

47. Mohle W., Chem.-Ing.-Techn., 1952, c. 494-500

48. Глуз М.Д. О радиальной скорости течения перемешиваемой жидкости // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1976, с. 5-7

49. Парафейко Н.И. и др. Исследование интенсивности циркуляции жидкости в аппарате с мешалкой // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1976, с. 18 - 22

50. Антуфъев В. М., Веденеев В. А. Интенсификация теплообмена путем искусственной турбулизации потока жидкости в трубах // Химическое и нефтехимическое машиностроение. 1974, №1, с. 16-18

51. Рисович А. И., Соломятин С. Я. Теплогидродинамические характеристики и эффективность вставок-смесителей в круглой трубе // Изв. вузов. Энергетика. 1979, №3, с. 64 - 69

52. Дилъман В. В., Шульц Э. 3. Полуэмпирическая теория продольного рассеяния вещества в потоке жидкости // ТОХТ. 1968, т. II, №1, с. 84-91

53. Барабаш В. М., Кокотов Ю. В., Пивоваров М. А. Математическое моделирование процессов крупномасштабного переноса в барботажных аппаратах // ТОХТ. 1981, т. XV, №5, с. 650-658

54. Брагинский JI. Н., Бегачев В. И., Барабаш В. М. Перемешивание в жидкихсредах. JI.: Химия, 1984.- 336 с.

55. Бахтюков В. М. Исследование работы струйных реакционных аппаратов. -Автореф. канд. дисс., МИХМ, 1967, 22 с.

56. Городецкий И. Я., Васин А. А., Олевский В. М., Лупанов П. А. Вибрационные массообменные аппараты. М.: Химия, 1980, с. 3-8

57. Соловьев А. В., Борисов А. В. Увеличение эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием комбинированного вихря Рэнкина // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002, №10. - с. 8 - 9.

58. Дильман В. В., Жиляева Т. А. Исследование продольного перемешивания при барботаже в проточных реакторных колоннах // Химия и технология топлива и масел. М.: Химия, 1965, №12, с. 36-40.

59. Идельсон Н. И. Способ наименьших квадратов и теория математической обработки наблюдений. -М.: Геодезиздат, 1947.

60. Чеботарев А. С. Способ наименьших квадратов с основами теории вероятностей. ОНТИ, 1936.

61. Ющенко А. П. Способ наименьших квадратов. Изд. «Морской транспорт», 1956.

62. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М.: Физмат, 1962.

63. Соловьев А. В., Чепура И. В., Сиделъников И. И.О меридиональной циркуляции в смесителях // Труды МГАХМ, Выпуск 1. 1997, с. 62.

64. Соловьев А. В., Борисов А. В., Кутепов А. М. Метод определения поляскоростей в аппаратах цилиндрической формы // Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий. 1998, с. 126 - 127.

65. Соловьев А. В., Борисов А. В. Эффективность перемешивания в цилиндрическом аппарате с использованием решетки с крыловыми профилями // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003, №6, с. 8 -9.

66. Жуковский Н.Е. Аэродинамический расчет аэропланов. М.: Упр. ВВФ, 1917, 20 с.

67. Жуковский Н.Е. Теоретические основы воздухоплавания / Под ред. Ветчинкина В.П., Ченцова Н.Г. -М.: Гостехиздат, 1925, 306 с.

68. Чаплыгин С.А. Гидродинамика. Аэродинамика // Собрание сочинений. М.-Л.: Гостехиздат, 1948, т.2, 644 с.

69. Чаплыгин С.А. Избранные работы по теории крыла. M.-JL: Гостехиздат, 1949, 275 с.

70. Чаплыгин СЛ., голубев В.В. К теории предкрылка и закрылка // НКТП СССР. Глав. упр. авиац. пром. Труды Центр. Аэродинамического ин-та им. Жуковского. М., 1935, вып. 171, 39 с.

71. Чаплыгин С.А., Лаврентьев А.Л. О подъемной силе и сопротивлении длинного плоского крыла в предположении срыва с его верхней поверхности. M.-JL: Гостехиздат, 1933, 26 с.

72. Муратов О.В., Фомин В.В. Описание трехмерного поля скоростей ваппаратах с мешалками // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1982, с. 8 - 10

73. Царева А.А., Лабутин А.Н. и др. Исследование структуры потоков в промышленных реакторах с перемешиванием // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1986, с. 7 - 9

74. Глуз М.Д., Павлушенко КС. Аналитический метод расчета поля скоростей в аппаратах с мешалками // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1973, с. 26 - 30

75. Харахаш В.П., Туманов Ю.В. Оценка эффективности механических мешалок для процессов перемешивания жидких сред // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1971, с. 38 - 44

76. Браверман Г.Б., Гзовский С.Я. Исследование эффективности и определение оптимальных параметров при перемешивании жидкости радиально-лопастными мешалками // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1971, с. 101 - 103

77. Мильченко А.И. Мешалки с прецессионным движением вала // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1971, с. 73 - 79

78. Михайлов Г.Г. и др. Опыт эксплуатации винтовых мешалок в многовальных аппаратах большой единичной мощности // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1982, с. 116-117