автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процесса экстрагирования гуминовых кислот в роторном импульсном аппарате

На правах рукописи

СТЕПАНОВ Андрей Юрьевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ В РОТОРНОМ ИМПУЛЬСНОМ АППАРАТЕ

Специальность 05.17.08 «Процессы и аппараты химических технологий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2014 I 005559413

005559413

Работа выполнена на кафедре «Технологические процессы, аппараты и тех-носферная безопасность» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).

Научный руководитель Промтов Максим Александрович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Баранов Дмитрий Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии»

Казуб Валерий Тимофеевич, доктор технических наук, профессор, Пятигорский медико-фармацевтический институт — филиал ГБОУ ВПО «Волгоградский государственный медицинский университет», заведующий кафедрой «Физика и математика»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

университет инженерных технологий»

Защита состоится 26 декабря 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

Электронная почта d.sov21202@tstu.ru, факс (4752)-63-20-24.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотек® ФГБОУ ВПО «ТГТУ», с авторефератом диссертации - на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ТГТУ» ЬИрУу^утЛвШ.ги и ВАК Минобрнауки РФ ЬИр:Лу\у\у.vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан « 2<? » 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета \\ V Нечаев Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гуминовые кислоты (ГК) применяются как составляющие красителей, ингибиторов коррозии, лекарственных препаратов, буровых растворов, стимуляторов роста растений. Разработка технологий и оборудования для интенсификации процесса экстрагирования ГК в водные растворы из различного гуматосо-держащего сырья имеет большую актуальность для химической, пищевой, фармацевтической, аграрной и других отраслей промышленности.

Перспективным научно-техническим направлением является разработка высокоэффективных аппаратов с многофакторным воздействием на обрабатываемую среду за счет дискретного ввода в рабочую зону импульса энергии большой плотности. К оборудованию, реализующему импульсное воздействие для процессов экстрагирования, относят роторные импульсные аппараты (РИА), принцип работы которых основан на нестационарности потоков энергии и вещества. Для интенсификации процесса экстрагирования ГК актуально совершенствование и научное обоснование методов расчета основных характеристик РИА, исследование комплексного воздействия РИА на суспензию гуматосодержащего сырья, разработка технологий и оборудования.

Цель работы — исследование и интенсификация процесса экстрагирования гуми-новых кислот в роторном импульсном аппарате.

Задачи исследования:

— анализ процесса экстрагирования в роторном импульсном аппарате для интенсификации процесса экстрагирования гуминовых кислот из гуматосодержащего сырья;

— анализ методов расчета, разработка и применение программных продуктов для расчета параметров роторного импульсного аппарата, влияющих на интенсивность процесса экстрагирования;

— экспериментальные исследования и уточнение кинетических закономерностей процесса экстрагирования гуминовых кислот из биогумуса в роторном импульсном аппарате;

— разработка новых конструкций роторных импульсных аппаратов для интенсификации процесса экстрагирования;

— экспериментальные исследования и разработка технологии экстрагирования гуминовых кислот из биогумуса и получения жидких гуминовых удобрений.

Научная новизна. Разработана и экспериментально подтверждена технология экстрагирования гуминовых кислот из биогумуса с получением жидких гуминовых удобрений.

Экспериментально определены коэффициенты критериального уравнения для расчета массопередачи в процессе экстрагирования гуминовых кислот из биогумуса в РИА.

Для расчета производительности и мощности РИА определен вид поправочной функции и эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние центробежных сил и вязкости на течение жидкости в полости ротора.

Впервые экспериментально исследовано влияние обработки суспензии гуминовых удобрений в РИА на клетки бактерий, спор и мицелия грибов, микроскопических грибов, которое показало их многократное снижение.

Практическая значимость. Доказана эффективность применения РИА для интенсификации процесса экстрагирования ГК из биогумуса.

Разработана программа расчета на ЭВМ полей скоростей и давления в РИА (Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010612236).

Разработаны новые конструкции РИА для обработки суспензий, защищенные патентами РФ на полезную модель № 130877 и 147138.

Рекомендации по соотношению основных параметров РИА (5 </р с / ар с < 10;

250 <ЛР/ 5 < 1250; 5 < /гр с / ар с < 15; 144 <2 1 Лр <480) используются для изготовления

и эксплуатации РИА в ООО «Амальтеа-Сервис» (Москва).

Разработана технологическая схема и даны рекомендации по соотношению твердой и жидкой фаз суспензии (4 < Ь / б < 10) для процесса экстрагирования ГК из биогумуса, принятые к внедрению в ООО «Биогумус» (Тамбов).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на восьми международных научных конференциях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента и свидетельство на программу для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация включает введение, четыре главы, основные выводы и результаты, список литературы (147 наименований) и приложения. Работа изложена на 121 странице основного текста, содержит 64 рисунка, 5 таблиц и 11 приложений.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель и задачи научного исследования.

В первой главе представлен анализ процесса экстрагирования в РИА, описаны методы экстрагирования ГК из гуматосодержащего сырья, выполнен анализ методик расчета основных характеристик РИА (расход жидкости, мощность для вращения ротора, скорость и ускорение потока жидкости).

Во второй главе дается анализ процесса экстрагирования в РИА. Для экстрагирования в системе «твердое-жидкость» в условиях интенсивного смешения и высокоскоростных режимов движения фаз относительно друг друга, характерных для РИА, коэффициент массоотдачи рассчитывается по известной формуле

Для определенного вида суспензии и извлекаемого вещества критерий Шмидта Яс изменяется в очень малом диапазоне. Для увеличения коэффициента массоотдачи необходимо увеличивать удельную энергию е.

В процессе экстрагирования основное воздействие на обрабатываемую суспензию происходит в зазоре между ротором и статором и в канале статора РИА.

Удельная энергия импульса давления в объеме суспензии в канале статора в период его совмещения с каналом ротора, определяется по формуле

Удельная энергия импульса давления зависит в основном от скорости и ускорения потока жидкости в канале статора, длительности времени совмещения канала ротора с каналом статора, времени перекрытия канала статора.

Удельная энергия в зазоре между ротором и статором определяется по формуле

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Р = 0,267е ' вс

,0,25е„-0,75

(1)

е2 =дг/(ри,),

где = 2лЛ5(/?р +8/2) - объем зазора между ротором и статором, м3.

Формула для определения затрат мощности может быть записала в виде

N = А

0,2 / ^0,7 а.

Лу

®3рДрЧ> (4)

Р.

где А = к\\х/р ; В = к2ц/р.

Эмпирические коэффициенты А и В зависят от конструктивного исполнения ротора, вязкости и плотности жидкости.

Удельная энергия в зазоре между ротором и статором зависит от радиуса ротора, угловой скорости ротора, величины зазора, количества каналов в роторе и статоре, вязкости и плотности жидкости, высоты ротора. Наибольшее влияние на удельную энергию в зазоре оказывает величина скорости совмещения канала ротора с каналом статора (шЛр)3.

Суммарные удельные энергозатраты при обработке жидкости в активных зонах РИА определяются по формуле

е = гЕ[ +уе2 , (5)

где у — коэффициент, зависящий от конструкции аппарата и показывающий соотношение транзитного расхода жидкости через зазор и расхода жидкости через каналы ротора и статора при их совмещении.

Коэффициент у можно определить при сравнении расхода жидкости для полностью совмещенных каналов ротора и статора и перекрытых каналов ротора и статора при подаче жидкости в аппарат от внешнего насоса.

По аналогии с методикой, используемой для расчета процесса экстрагирования из твердого в жидкость в электроимпульсных аппаратах, уравнение массопередачи по жидкой фазе может быть представлено в виде

с1М = 1(1с = Кс (ср - = (ср - с) УжЖ. (6)

Коэффициент массопередачи для жидкой фазы А'„ ;'-го концентрационного интервала (цикла обработки) определяется по формуле

11^срг ж

где Дсн, = ср - сН1; Дск/ = ср - Ь=УЖ р; Дсср/ =(Асш-Лс^/ЦД^,/Дск/)-

В качестве равновесной концентрации ср принимается предельное значение концентрации ГК в жидкости для конкретных условий процесса экстрагирования.

На основе анализа закономерностей экстрагирования ГК в РИА критериальное уравнение для расчета коэффициента массопередачи можно представить в виде

{8)

где Яс = иЯряр/ц ; = Л:су£/с2р/(Оэфр).

На основе анализа уравнения (8) можно сделать вывод, что коэффициент массопередачи зависит в основном от скорости совмещения канала ротора с каналом статора (ш/?р), характерного размера каналов ротора и статора а и времени генерирования импульса давления в канал статора Коэффициенты в критериальном уравнении (8) определяются на основании экспериментальных исследований.

Для расчета кинетических уравнений процесса экстрагирования в РИА необходим расчет скорости и ускорения потока жидкости в канале статора. Течение потока жидкости в каналах РИА можно описать системой уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока. Частным случаем уравнений Навье-Стокса является уравнение Бернулли.

Для расчета скорости и ускорения потока жидкости в каналах ротора и статора на основе системы уравнений Навье-Стокса и неразрывности использовались программные продукты ПехРОЕ и АЫБУЗ СРХ. Известное нестационарное уравнение Бернулли решалось численным методом Рунге-Кутта. Для реализации этих методов была разработана специальная компьютерная программа (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2010612236 «Программа расчета полей скоростей и давлений потоков жидкости в каналах роторного импульсного аппарата»).

По разработанному сценарию программный продукт Р1ехРОЕ (свободный доступ) производит операции, необходимые для преобразования системы дифференциальных уравнений в частных производных в модель для расчета методом конечных элементов и представления результатов расчета в графической форме.

На рисунке 1 поясняются геометрические параметры модели каналов ротора и статора в двухмерной системе координат. Задача решалась при следующих граничных условиях: Р = Рр + Рц - давление на входе жидкости в каналы ротора; Р = Рс - на выходе из канала статора; ¥х = 0, Уу = 0 — скорость на поверхностях каналов ротора и статора и в зазоре между ротором и статором (границы участков показаны на рис. 1 утолщенной линией). На рисунке 2 представлен пример поля скорости в каналах РИА, рассчитанного программой Е1ехРПЕ.

Программный продукт ANS YS CFX (Лицензионное соглашение № 616773 между CADFEM-CIS и ФГБОУ ВПО «ТГТУ») основан на методе контрольных объемов, дающем высокую точность и использующем вычислительный блок по давлению. Вычислительный блок ANSYS CFX использует сетку конечных элементов (числовые значения в узлах сетки) и формирует уравнения для конечных объемов, которые обеспечивают сохранение значений потока. На рисунке 3 представлен пример результата расчета объемного поля скорости в каналах ротора и статора РИА в системе ANSYS.

ViSvin.i* Пои № Z',:> кс - -¡о v j .я

Рис. 1. Геометрические параметры каналов ротора и статора

х

Рис. 2. Пример поля скоростей в каналах РИА, рассчитанного программой ПехРОЕ

Используя данные скорости, ускорения и давления потока жидкости в каналах статора, полученные на основе решения уравнения Бернулли численным методом и программными продуктами ПехРЭЕ и АИБУБ СРХ при одинаковых геометрических и технологических параметрах, был выполнен анализ точности их решения. Изменение скорости и ускорения потока жидкости в канале статора от времени показаны на рис. 4.

Illlil

iSSäi Ш Iis: 13 Iii 11

ш» шт шт

«I

ж -

я»

ША

>1« ч*-*;

0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005

VV л1

1"' н

П

V

о 0,0го1 0,0002 0,0003 0.0004 0.0005 0,000й

0,000« г, с

dy/dt, uis? 0,03 0,02

0,01

_ . а

- - -0,01 -о м -0,0? -0,04 -0,05 ■0,06 -0,07 -0,08 -ода l.e

Рис. 3. Пример поля скоростей в каналах РИА, рассчитанного программой А^Ув

Рис. 4. Изменение скорости и ускорения потока жидкости во времени:

1 - численное решение уравнения Бернулли; 2 - решение уравнений Навье-Стокса программным продуктом ЛЫБУБ СРХ; 3 - экспериментальные данные

Анализ результатов, представленных на рис. 4, показывает, что разница в результатах расчета скорости и ускорения потока жидкости в канале статора РИА при численном решении уравнения Бернулли и при решении уравнений Навье-Стокса программным продуктом ANS YS CFX не превышает 10%. Точные данные скорости и давления в каналах ротора и статора по времени и координатам позволяет получить программный продукт ANSYS.

Рекомендации по выбору основных параметров и характеристик РИА используются для изготовления и эксплуатации РИА в ООО «Амальтеа-Сервис» (Москва).

На основе анализа зависимостей скорости и ускорения потока жидкости в канале статора установлено, что наибольшее влияние на гидродинамические параметры потока имеет скорость совмещения канала ротора с каналом статора ю/?р, величина зазора между ротором и статором S, давление на входе в канал ротора Рр.

На рисунке 5 показана зависимость удельной энергии е от параметров <»Rp и 8. На рисунке 6 показан график зависимости коэффициента массоотдачи от диссипации энергии в канале статора. На основе анализа зависимостей s = /(шRp, S, ß) можно сделать вывод, что уменьшение величины зазора между ротором и статором 8 и увеличе-

ние скорости совмещения канала ротора с каналом статора соЛр приводят к увеличению

величины удельной энергии е и увеличению коэффициента массоотдачи для процесса экстрагирования целевого компонента из твердой фазы в жидкость р.

При увеличении скорости совмещения канала ротора с каналом статора уменьшается время генерирования импульса давления и время нахождения объема жидкости в канале статора, что способствует увеличению удельной энергии в объеме суспензии и росту коэффициента массоотдачи.

е, Вт/кг 1!®0!

р, м/с 9,0014 ;

0.00121

!),(»!

0,МОК

о,ом< <

о,«»4 ».ООО'1

1п(Р), м/с

I

-6,8

¡5 20 юЛ, м/с

Рис. 5. Зависимость удельной энергии от лилейной скорости совмещения каналов ротора и статора прп различной величине зазора между ротором и статором:

1 - 5 = 0,0001 м; 2 - 5 = 0,0002 м; 3 - 8 = 0,0003 м

0

-7,2

1-7/)

1-7,6

1-г»

О

.................и«

*!» НЮО

209 400 «00

е, Вт/кг

Рис. 6. Зависимость коэффициента массоотдачи р от удельной энергии е:

1 - Р =/(£);

2-1п(Р)=/(8)

В третьей главе дано описание экспериментального стенда и представлены результаты исследований по определению эмпирических коэффициентов критериальных уравнений процесса экстрагирования гуминовых кислот в РИА.

Для определения эмпирических коэффициентов в уравнении (8) были проведены экспериментальные исследования экстрагирования ГК из биогумуса в РИА, результаты которых показаны на рис. 7.

БИЛ О3

Рис. 7. Изменение концентрации ГК в водном растворе в зависимости от количества циклов обработки в РИА:

1-иО = 4;2-1Ю = 5-, 3-Ш=\0\ 4-ЬЮ =

15

200 ///] -104

Рис. 8. Зависимость числа Шервуда от безразмерного времени экстрагирования:

/ - ЬЮ = 4; 2 - ЬЮ = 5,3- ЬЮ = 10; </ - ЬЮ = 15. Точки - экспериментальные данные

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных позволил установить коэффициенты А, Ь, е, g,f для уравнения (8).

БЬу = 193 • 10_б8с0'3311е0'7 ; (9)

Яе = (1,2...26) • 103; ЬЮ = 4..А5; Шх = (50...200) • 104.

На рисунке 8 показана расчетная зависимость модифицированного числа Шервуда по уравнению (8) и точки, полученные на основе экспериментальных данных по уравнению ЯЬ,, = Ксл,/ (Оэфр). Уравнение (9) удовлетворительно описывает процесс экстрагирования гуминовых кислот из биогумуса в воду, реализуемый в РИА. Расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает 10%.

Для реализации процесса экстрагирования в РИА необходимо рассчитать производительность аппарата и потребляемую мощность.

Средний расход жидкости через один канал статора за время его совмещения с каналом ротора (¿х и за время, когда канал статора перекрыт 02, определяется по формулам:

а =1^'е(0Л)]; Ж = У(№). (10)

Общий расход через все г каналы статора и ротора (2Полн равен

епо™=(е1+б2)-'2ш/2л. (п)

Для учета центробежной силы и вязкости жидкости при ее течении в полости ротора без лопаток необходимо ввести поправочную функцию / (со, Лр, ц) для расчета расхода жидкости через РИА:

^=Qnoяn+f(^RP^). (12)

Поправочная функция /(со, /?р, р) определяет влияние центробежных сил на течение жидкости в полости ротора без внутренних лопаток. Центробежные силы, действующие на жидкость внутри ротора, в основном зависят от радиуса ротора /?р и его угловой скорости вращения со.

Экспериментальные исследования влияния параметров со, /?р и р позволили определить вид функции/(со, /?р, ц) для уравнения (12):

/(соДр,р) = ^(соДр)3 +д:2(соДр)2 +х3соДр + хА ; (13)

л, = 3,5-Ю-1; = -0,02; х3 = 0,25; х4 = 1 для ц = 0,001...0,030 Па с; х4 = 0,1 для ц = 0,031...0,070 Па с; хь х2, дг4 - эмпирические коэффициенты, учитывающие размерность и влияние со, 7?р и р на О.

Зависимости расхода жидкости от линейной скорости совмещения канала ротора с каналом статора со/?р показаны на рис. 9

Важной характеристикой РИА является потребляемая мощность для вращения ротора без учета механических потерь, которую можно представить формулой (4).

Результаты расчета по формуле (4) сопоставляли с экспериментальными данными для определения эмпирических коэффициентов А= В = к2ц/р:

- для жидкостей с р = 0,001...0,030 Пас

кх =8,5-10", ¿2 = 3,6105;

- для жидкостей с р = 0,031... 0,070 Па с

= 2,45-1010, к2 = 1,73 1 04.

Зависимости потребляемой мощности от линейной скорости совмещения канала ротора с каналом статора соЛр показаны на рис. 9.

О, м7ч

7 6,5 6

5,51 51 4,51 4} 3,5 {

з!

!,5|.............

2 0 5

V'

И)

1$

20

25

Л', Вт гКЮОО ,,-> %00 / 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 ¡000

™ аЯ, м/с

Рис. 9. Зависимость расхода жидкости (кривые 1,2) и потребляемой мощности (кривые 3,4) от линейной скорости ротора:

1,3- вода (ц = 0,0018 Па с, р = 1000 кг/м3); 2,4 — масло (ц = 0,059 Па с, р = 930 кг/м3). Точки - экспериментальные данные, линии — расчет

В четвертой главе описаны новые конструкции РИА и технология экстрагирования ГК из биогумуса для получения жидких гуминовых удобрений

При обработке суспензий в РИА одна из существенных проблем - это заклинивание ротора при налипании твердых частиц на рабочие поверхности ротора и статора. Необходимы конструкции РИА, позволяющие регулировать зазор между ротором и статором без разборки аппарата, обеспечивать высокую скорость и ускорение потока жидкости в каналах ротора и статора. Разработан и запатентован РИА дискового типа с наклонными каналами в дисках ротора и статора. Для снижения гидравлического сопротивления в каналах ротора и статора их оси отклонены от центральной оси дисков статора и ротора на угол 0° < а < 90°, а также отклонены в сторону, противоположную направлению вращения, от радиального луча, перпендикулярного центральной оси дисков статора и ротора, на угол 0° < р < 90°.

Разработана и запатентована конструкция РИА, в которой на торцевых стенках ротора с внутренней стороны выполнены торообразные выступы и впадины. Пульсации давления и скорости потока в радиальном направлении при движении жидкости в роторе вызывают вихреобразования и кавитацию в полости ротора. Интенсивная гидродинамическая обработка жидкости внутри полости ротора повышает эффективность обработки жидкости.

Проведены экспериментальные исследования по экстрагированию ГК в воду и приготовлению жидких гуминовых удобрений в установке на базе РИА, исследовано расслоение суспензии жидких гуминовых удобрений. В результате проведенных экспериментов по экстрагированию ГК из биогумуса в РИА и в аппарате с ленточной мешалкой получены данные по выходу ГК (рис. 10).

Рис. 10. Концентрация гуминовых кислот в воде при обработке суспензии биогумуса:

обработка в емкостном аппарате с ленточной мешалкой: 1 - рН = 7,5,2 - рН = 12,6; обработка в РИА: 3 - рН = 7,6, шЛр = 13 м/с;

4-рН= 12,5, мЛр= 13 м/с;

5 - рН = 7,6, шДр = 39 м/с;

6 — рН = 12,5, <вДр = 39м/с

Анализируя данные на рис. 10, можно сделать вывод, что в РИА процесс экстракции ГЬС происходит интенсивнее. При экстрагировании ГК из биогумуса в водно-щелочной раствор (рН=12,5) концентрация ГК составила 4,21 г/л. При обработке в аппарате с ленточной мешалкой концентрация ГК составила 0,65 г/л.

Выход ГК при обработке водно-щелочной суспензии биогумуса в РИА в 6,5 раз выше по сравнению с экстрагированием в емкостном аппарате с ленточной мешалкой. Выход ГК при обработке водной суспензии биогумуса (без добавления щелочи) в 2,2 раза выше по сравнению с экстрагированием в емкостном аппарате с ленточной мешалкой. Совместные механическое, гидродинамическое и химическое воздействия на суспензию биогумуса при обработке в РИА дают синергетический эффект для интенсификации процесса экстрагирования ГК.

Графики расслоения образцов гуминовых удобрений из суспензии биогумуса показаны на рис. 11. При обработке суспензии биогумуса в РИА наблюдается меньшее выделение воды в суспензии по сравнению с суспензией, обработанной ленточной мешалкой. Средний размер частиц обработанной суспензии биогумуса не превышает 10 мкм.

С, г/л 4,5 4 ?

3.5 'Г '

з К

2,5 Г' 2 ;' 1,5 к ! . 0,5 : О >

'1.21

¡1111

Рис. 11. Процесс выделения воды в суспензии биогумуса, обработанной в аппаратах:

I - емкость с ленточной мешалкой (шДи = 0,8 м/с); 2 - РИА (юйр = 13 м/с); 5-РИА (сойр = 26 м/с);

4 - РИА (юДр = 39 м/с);

5 - РИА (юйр = 39 м/с), водно-щелочной раствор;

б-емкость с ленточной мешалкой (шД„ = 0,8 м/с), водно-щелочной раствор

Дола выдсзиашедся коды, ыя 100 1

160

t, Ч

Одной из проблем при производстве жидких 1уминовых удобрений (ГУ) из торфа и биогумуса является присутствие в растворе готовой продукции живых клеток бактерий и спор грибов. При длительном хранении ГУ такие микроорганизмы способны

активно расти и размножаться. Их развитие и накопление продуктов жизнедеятельности могут приводить к снижению качества готовой продукции. Удобрение на основе торфа выбрали для исследования по обеззараживанию жидких ГУ, как содержащее большое количество спор грибов и бактерий по сравнению с удобрениями на основе биогумуса.

При анализе пробы суспензии ГУ после пяти циклов обработки в РИА установлено, что содержание клеток бактерий — кокки и бактерий — палочки в пробах ГУ многократно уменьшилось. Обработка в РИА суспензии ГУ на основе торфа также способствует снижению численности грибных спор.

Эффективность дезинфицирующего действия обработки в РИА жидких ГУ была подтверждена сокращением общего содержания клеток бактерий, спор и мицелия грибов, а также уменьшением численности жизнеспособных микроскопических грибов. Применение РИА для интенсификации процесса экстрагирования ГК позволяет повысить их концентрацию в водной суспензии биогумуса и получить долгохранящиеся жидкие ГУ.

Разработана технология получения жидких ГУ из биогумуса. Разработанный РИА для производства жидких ГУ из биогумуса и рекомендации по процессу экстрагирования и приготовления водной дисперсии биогумуса приняты к внедрению в ООО «Биогумус» (Тамбов).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выполнен анализ процесса экстрагирования в РИА и показана эффективность его применения для интенсификации процесса экстрагирования ГК из гуматосодержа-щего сырья.

2. Установлено, что для увеличения коэффициента массоотдачи и интенсификации процесса экстрагирования гуминовых кислот в РИА необходимо увеличивать удельную энергию в канале статора и в зазоре между ротором и статором РИА. Удельная энергия возрастает при увеличении скорости и ускорения потока жидкости в РИА.

3. Выполнен анализ методов расчета скорости, ускорения и импульсного давления потока жидкости в канале статора РИА с применением программных продуктов ПехРОЕ и АК8У8 СРХ и численным методом решения уравнения Бернулли. Установлено, что данные значений скорости и ускорения, адекватные экспериментальным данным, позволяют получить численный метод решения нестационарного уравнения Бернулли и программный продукт АЫЗУБ СРХ.

4. Разработан программный комплекс на базе программы расчета на ЭВМ полей скорости и давления в РИА (Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2010612236), позволяющий определять в численном и графическом виде скорость, ускорение, давление потоков жидкости, а также расход и мощность.

5. Для расчета производительности и мощности РИА определен вид поправочной функции и эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние центробежных сил и вязкости на течение жидкости в полости ротора.

6. Уточнены критериальные зависимости расчета коэффициента массопередачи по жидкой фазе при экстрагировании ГК в РИА. Экспериментально получены коэффициенты критериального уравнения процесса экстрагирования ГК из биогумуса в РИА.

7. Разработаны новые конструкции РИА для процесса экстрагирования, защищенные патентами РФ на полезную модель № 130877 и 147138.

8. Рекомендации по соотношению основных параметров РИА (5</р>с/арс< 10; 250 < Лр / 8 < 1250; 5 </гр,с/ар.с< 15; 144 <г/Лр<480) используются для изготовления и эксплуатации РИА в ООО «Амальтеа-Сервис» (Москва).

9. Изучено влияние обработки в РИА суспензии ГУ на клетки бактерий, спор и мицелия грибов, а также микроскопических грибов. Дезинфицирующее действие обработки жидких ГУ в РИА было подтверждено многократным сокращением общего содержания клеток бактерий, спор и мицелия грибов, а также уменьшением численности жизнеспособных микроскопических грибов.

10. Разработана технологическая схема и даны рекомендации по соотношению твердой и жидкой фаз суспензии (4 < /./С < 10) для процесса экстрагирования ГК из биогумуса, принятые к внедрению в ООО «Биогумус» (Тамбов).

Условные обозначения:

Р — коэффициент массоотдачи, м/с; § - величина зазора между ротором и статором, м; е-удельная энергия, Вт/кг; ц - коэффициент динамической вязкости, Пас; р - плотность жидкости, кг/м3; о — удельная поверхность контакта фаз, м2/м3; со — угловая скорость ротора, с а — характерный размер каналов статора и ротора, м; Ь, е, / п, т, к\, к2— эмпирические коэффициенты; с — концентрация целевого компонента в жидкой фазе, кг/(кг р-ра); ср, сн, ск - равновесная, начальная и конечная концентрации экстрагируемого вещества в растворе, кг/(кг р-ра); с1 — характерный размер частиц, м; Оэф — эффективный коэффициент диффузии, м"/с; О — масса твердой фазы, кг; / - концентрационный интервал, цикл; Кс — коэффициент массопередачи, кг р-ра/(с-м2); КСУ. — коэффициент массопередачи по жидкой фазе (объемный), кг р-ра/(с-м3); I. - масса

жидкости, кг; N - затраты мощности на вращение ротора, Вт; Рц — центробежное давление, Па; Рс - давление на выходе из канала статора, Па; /?р - радиус внешней поверхности ротора, м; Ке = (уф) / ц — критерий Рейнольдса; Кец = (ш/?р2р) / ц - центробежный критерий Рейнольдса; 5- площадь поверхности контакта фаз, м2; 8с - ц/(р£)эф) - критерий Шмидта; = А'сД.р/(Оэфр) -число Шервуда по жидкой фазе; Л'0 - площадь сечения канала статора, м2; Г - время экстрагирования, с; - время совмещения каналов ротора с каналами статора, с; /2 — время нахождения объема жидкости в канале статора, с; V — скорость жидкости в канале статора, м/с; Уж - объем жидкой фазы, м3; О — расход жидкости, м3/с; >с — скорость звука в жидкости, м/с.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Степанов, А. Ю. Компьютерная система расчета роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2011. - Т. 17, № 1. - С. 83 - 88.

2. Степанов, А. Ю. Сравнительный анализ методов расчета роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов // Вопросы современной науки практики. Университет им. Вернадского. - 2012. - № 3(41) - С. 365 - 370.

3. Степанов, А. Ю. Кавитационное обеззараживание жидких органических удобрений / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2012. - Т. 18, № 4. - С. 899 - 904.

4. Степанов, А. Ю. Характеристики потока жидкости в каналах проточных гидродинамических статических кавитаторов / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2013. -Т. 20, №4. -С. 562-569.

Публикации в других изданиях'.

5. Степанов, А. Ю. Технологический комплекс на базе роторного импульсного аппарата для приготовления жидких органических удобрений / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // Химическая промышленность. - 2014. - Т. 91, № 1. - С. 27 - 29.

6. Степанов, А. Ю. Применение ANSYS для расчета гидродинамического смесителя/А. Ю. Степанов//ANSYS Advantage.-2011,-№ 15.-С. 61-63.

7. Степанов, А. Ю. Расчет основных параметров течения жидкости в роторном импульсном аппарате / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, М. В. Сундуков // ММТТ-23 : сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф. - Саратов : Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2010. -Т. 8.-С. 168-169.

8. Степанов, А. Ю. Моделирование гидродинамики потока в статических смесителях / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, М. В. Сундуков // ММТТ-23 : сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф. - Саратов : Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2010. - Т. 8. -С. 145 - 147.

9. Степанов, А. Ю. Моделирование течения потока жидкости в каналах роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов // ММТТ-25 : сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. - Волгоград : Изд-во Волг. гос. техн. ун-та, 2012. - Т. 10. -С. 56-58.

10. Степанов, А. Ю. Экстрагирование биологически активных веществ в дисперсии биогумуса при многофакторном воздействии / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, О. В. Ириков // Современные энергосберегающие тепловые технологии (Сушка и термо-влажностная обработка материалов) СЭТТ-2011 : тр. IV Междунар. конф. - М. : Изд-во МГАУ. - Т. 2 - С. 91 - 94.

11. Степанов, А. Ю. Расчет параметров, характеризующих эффективность работы роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26 : сб. тр. XXVI Междунар. науч. конф. - Саратов : Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2013. - Т. 8. - С. 145 - 147.

12. Степанов, А. Ю. Кавитационные технологии дезинфекции и очистки жидкостей / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2013. - Т. 4. - С. 219 - 227.

13. Степанов, А. Ю. Исследование гидродинамики и закономерности эмульгирования при течении потока жидкости через диск с каналами / А. Ю. Степанов, Н. А. Лунева // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития : сб. науч. ст. молодых ученых, аспирантов и студентов / Тамб. гос. техн. ун-т. - Тамбов, 2011. - Вып. II. -С. 344.

14. Степанов, А. Ю. Кавитационное обеззараживание жидкостей / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов // Решение региональных экологических проблем : материалы Меж-дунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во ИП Чеснокова А. В. - 2011. - С. 126 - 128.

15. Степанов, А. Ю. Воздействие кавитации на биогумус и гуминовые кислоты / А. Ю. Степанов, А. В. Алешин // Теоретическая и экспериментальная химия жидкофаз-ных систем (Крестовские чтения) : тез. докл. VII Всероссийской школы-конференции молодых ученых. - Изд-во «Иваново», 2012. - С. 53-54.

16. Степанов, А. Ю. Обеззараживание жидкостей с использованием роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, А. В. Алешин, Г. В. Ионов // Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2013. - Т. 2. - С. 12 - 14.

17. Степанов, А. Ю. Экологические аспекты применения водо-топливных эмульсий / А. Ю. Степанов, А. В. Алешин, Г. В. Ионов // Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2013. - Т. 2. - С. 41 -47.

18. Степанов, А. Ю. Интенсификация массообменных процессов в производстве биодизеля при помощи проточного гидродинамического смесителя / А. Ю. Степанов, А. В. Алешин, Г. В. Ионов // Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2013. - Т. 2. -С. 30-36.

19. Степанов, А. Ю. Моделирование течения потока жидкости в каналах роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов // Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества : сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2013. - Т. 2. - С. 41 - 47.

20. Степанов, А. Ю. Исследование устойчивости к расслоению донного ила, обработанного в роторном импульсном аппарате / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития : сб. науч. ст. молодых ученых, аспирантов и студентов. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013.-Вып. IV.-С. 173- 176.

21. Степанов, А. Ю. Экстрагирование гуминовых кислот в роторном импульсном аппарате / А. Ю. Степанов, А. В. Алешин, Г. В. Ионов // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития : сб. ст. науч. конф. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013. - С. 144 - 147.

22. Степанов, А. Ю. Экстрагирование гуминовых кислот из сапропеля в роторном импульсном аппарате / А. Ю. Степанов, А. В. Алешин // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития : сб. докл. конф. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2014. - Вып. V. - С. 210 - 212.

23. Степанов, А. Ю. Исследование гидромеханического воздействия на суспензию биогумуса в роторном импульсном аппарате / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // ПРЭТ-2014 : Междунар. науч.-техн. конф. - Иваново : Изд-во Иван, гос. хим.-технол. ун-та, 2014. — С. 489 - 492.

24. Степанов, А. Ю. Моделирование процесса экстрагирования гуминовых кислот из биогумуса в роторном импульсном аппарате / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов,

А. В. Алешин // ММТТ-27 : сб. тр. Междунар. науч. конф. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2014.-Т. 8.-С. 157- 159.

25. Степанов, А. Ю. Расчет коэффициента массотдачи процесса экстрагирования в роторном импульсном аппарате / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // ММТТ-27 : сб. тр. Междунар. науч. конф. Т. 8. — Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2014. - С. 159-161.

26. Степанов, А. Ю. Расчет энергетических параметров роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, А. В. Алешин // Междунар. конф. с элем, науч. школы. - Тамбов : Изд-во ИП Чеснокова А. В., 2014. - С. 118 - 120.

Патенты и свидетельство на программу для ЭВМ'.

27. Пат. 130877 Российская Федерация, МПК B01F 7/00. Роторный импульсный аппарат [Текст] / Промтов М. А., Степанов А. Ю., Алешин А. В. ; заявитель и патентообладатель М. А. Промтов. -№ 2013107869/05 ; заявл. 21.02.13 ; опубл. 10.08.13, Бюл. № 22 (II ч.). -2с.: ил. 3.

28. Пат. 147138 Российская Федерация, МПК B01F 7/28. Роторный импульсный аппарат [Текст] / Промтов М. А., Степанов А. Ю., Алешин А. В. ; заявитель и патентообладатель М. А. Промтов. - № 2014117787/05 ; заявл. 30.04.14.

29. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612236. Программа расчета полей скоростей и давлений в каналах роторного импульсного аппарата / А. Ю. Степанов, М. А. Промтов, М. С. Сундуков. - 25.03.2010.

Подписано в печать 24.10.2014. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 493

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14 Тел./факс (4752) 63-81-08, 63-81-33. E-mail: izdatelstvo@admin.tstu.ru