автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Математическое моделирование и оптимизация процесса термофлотационного разделения суспензий

Введение. Содержание диссертации, основные идеи, научная новизна и практическая значимость

Глава 1. Математическое моделирование процессов флотационного разделения суспензий

1.1. Основные принципы флотационного разделения суспензий

1.2. Экономическая эффективность термофлотации в комплексных технологических процессах

1.3. Модели образования и роста пузырьков

1.4. Модели взаимодействий в комплексе пузырек-частица

1.5. Модель транспорта твердой фазы

1.6. Модель абсорбции газовой смеси

1.7. Модель десорбции газовой смеси

1.8. Модульный принцип построения модели 25 Выводы по главе 1 и постановка задач диссертационного исследования

Глава 2. Экспериментальные исследования

2.1. Материалы и методы

2.2. Экспериментальные установки для изучения процессов флотации

2.3. Кинетика образования и роста пузырьков

2.4. Распределение пузырьков по размерам и динамика его изменения

2.5. Эксперименты по разделению микробиологических суспензий

Выводы по главе

Глава 3. Математическая модель процесса термофлотационного разделения

3.1. Анализ сил, действующих на комплекс пузырек-частица

3.2. Представление термофлотатора в виде ячеечной модели

3.3. Описание модулей математической модели

3.4. Алгоритм расчета уравнений модели и его описание

3.5. Идентификация модели и проверка ее адекватности реальному процессу

3.6. Исследование режимов ведения процесса термофлотации 85 Выводы по главе

Глава 4. Оптимизация работы термофлотатора в технологическом процессе

4.1. Общая постановка задачи оптимизации

4.2. Задача оптимизации конструктивных параметров и технологических режимов термофлотатора

4.3. Описание метода оптимизации

4.4. Результаты оптимизации 98 Выводы по главе 4 101 Выводы по диссертации 102 Литература 104 Приложение

Содержание диссертации, основные идеи, научная новизна и практическая значимость

Разделение суспензий - одна из важнейших проблем в биотехнологии, а также в химической, микробиологической и других отраслях промышленности. Чаще всего решение этой проблемы проводится традиционными методами:

- осаждением твердой фазы в поле центробежных сил;

- осаждением в поле гравитационных сил;

- использованием мембранных технологий и фильтров;

- флотацией твердой фазы.

Однако существует определенный класс суспензий, для разделения которых применение этих методов мало эффективно или вообще невозможно. Речь идет о суспензиях с близкими физическими характеристиками жидкой и твердой фаз и малым размером частиц. В том случае, когда твердая и жидкая фазы имеют близкие плотности, отстаивание и центробежное осаждение малоэффективны (.Лысцов 1968), а малый размер частиц твердой фазы, порядка 10"6 м, затрудняет фильтрование {Мужиков 1980). В процессах напорной и струйной флотации обычно не удается получить пузырьки диаметром менее 2-3 мм., которые так же не флотируют частицы такого размера.

Повышение эффективности разделения таких суспензий возможно на основе использования методов термофлотации, которые изучены пока недостаточно полно. Отсутствие необходимых расчетных зависимостей и математических моделей для подобных процессов не позволяет с одной стороны осуществлять их комплексный анализ, а с другой - проводить расчеты и оптимальное проектирование оборудования и технологических процессов.

По этой причине тему диссертационного исследования «Математическое моделирование и оптимизация процесса термофлотационного разделения суспензий» следует считать актуальной. Научной новизной работы обладают:

- разработанная автором методология проведения экспериментов в процессе термофлотации и выявленные закономерности кинетики роста газовых пузырьков;

- анализ условий взаимодействия в системе «пузырек газа - флотируемая частица»;

- разработанная автором математическая модель термофлотационного разделения суспензии, учитывающая основные особенности процесса, выявленные экспериментально (кинетика роста газовых пузырьков, динамика их распределений по размерам, частота образования пузырьков при различных интенсивностях нагрева суспензии, относительное постоянство концентраций суспензий в нижней и верхней частях аппарата, закономерности абсорбции газовой смеси);

- результаты анализа этой модели и, в частности, выявленный механизм переноса твердой фазы на пузырьках и условия насыщения по твердой фазе.

Практическая значимость определяется: экономической эффективностью процесса термофлотационного разделения в комплексных технологиях типа «ферментация - разделение суспензий - сушка и получение готового продукта»; оптимизацией и выбором технологических параметров процесса; получением расчетных зависимостей для проектируемых аппаратов.

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты работы обсуждались на Международном конгрессе по биотехнологии «Biotechnology 2000», 3-8 сентября 2000 года, Берлин, ФРГ; III и IV межвузовских научных конференциях «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» , Тамбов, 1999, 2000; научно-методической конференции «Современные энергосберегающие технологии и оборудование», Москва, 2-4 февраля 1999 года.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы. Текст диссертации дополнен рисунками и приложением.

1. Allgood G.O., Cannght G.S., Brown C.H., Hamel W.R. Dynamic modeling and froth flotation and vacuum filtration imit // ISA Trans. 1982. V. 21. № 3. P. 45-43.

2. Arzamastsev A. The mathematical model of the bacterialbiomass termoflotation process // Preprints of papers of tlie 6th Int. Conf. on Computer AppHcation in Biotechnology (IFAC/ GarmischParten-Kirchen. Germany, 14-17 May 1995. P. 278-281.

3. Buevich Yu. A., Webhon B.W. Dynamics of vapour bubblesin nucleate boiling // hit. J. Heat. Mass Transfer. 1996. V. 39. P. 24092426.

4. Epstein P.S., Pies set M.S. On the Stability of Gas Bubblesin Liquid-Gas Solution // J. Chem. Phys. 1950. V. 18. № 11.

5. Fields P.P., Fryer P.J., Slater N.K.H., Woods G.P. Adsorptive bubble fractionation of bacteria in a bubble column fermenter // Chem. Eng. J. 1983. V. 27. № 1. P. 3-11.

6. Forster H.K., Zuber N. Dynamics of vapor bubbles andboiling heat transfer // AlChE Journal. 1955. № 1. P. 531-535.

7. Mitrovic J. Das Abreissen von Dampfblasen an festenHeizflachen// Int. J. Heat Mass Transfer. 1983. V. 26. P. 955-963.

8. Qiu D., van der Geld C.W.M. Bubble shapes anddetachment radius prediction // Paper presented at the Convective Flow and Pool Boilmg Conference, Irsee, Geraiany. May 18-23, 1997.

9. Rayleigh O.M. On the pressure developed in a ligued duringthe collapse of a spherical cavity // Phyl. Mag. 1917. V. 34. № 200, P. 94-98.

10. Sluyter W.M., Slooten P.C., CopraiJ C.A., Chesters A.K.The departure size of pool-boiling bubbles from artificial cavities at moderate and high pressmes // Int. J. Multiphase Flow, 1991. V. 17. P. 153-158.

11. Van der Geld C.W., van Helden W.G., Boot P.G. On theeffect of the temperature bomidary condition on singi bubble detacliment in flow boiling // Convective Flow Boiling, edited by J. Chen. Taylor & Francis, 1996. P. 149-154.

12. Van Helden W.G.J., Van der Geld C.W.M. Boot P.G.M.Forces on singl bubble growing and detaching a flow along a vertical wall // Int. J. Heat Mass Transfer. 1995. V. 38. № H . p. 2075-2088.

13. Van Stralen S.Y.D. & Cole R. Boiling PheiioimensWashington: Hemisphere, 1979. V. 1, 2.

14. Zeng L.Z., Klausner J.F., Bemhard DM., Mey R. A unifiedmodel for the predicttion of bubble detachment diameters in boilhig systems. - II. Flow boiling // hit. J. Heat Mass Transfer. 1993. V. 36. P. 2271-2279.

15. Аиба т., Хемфри A., Mwumc H. Биохимическая технология и аппаратура. М.: Пищевая пром-сть, 1975. 286 с.

16. Айнштейн В.Г. и др. Общий курс процессы и аппаратыхимической технологии: В 2 кн. М.: Химия, 1999. 2648 с.

17. Аметистов Е.В. Клименко В.В., Павлов Ю.М. Кипениекриогенных жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1995. 400 с.

18. Аметистов Е.В., Юшменко В.В., Павлов ЮМ. Кипениекриогенных жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1995. 400 с.

19. Андреев А.А., Брызгалов Л.И. Производство кормовыхдрожжей. М.: Лесная пром-сть, 1986. 248 с.

20. Арзамасцев А.Л. К расчету поверхности контактагаз-жидкость в аэротенке // Химическая технология. 1984. №4. 37-40.

21. Арзамасцев A.A. Термофлотационное разделение микробных суспензий // Ферментная и спиртовая пром-сть. 1984. № 5. 37-41.

22. Арзамасцев A.A. Термофлотационное разделение микробных суспензий: моделирование и исследование явления // Вести. ТГУ. Сер. Естественные и технические науки. Тамбов, 1996. Т. 1. Вып. 2. 126-132.

23. Арзамасцев A.A., Дудаков В.П. Компьютерное моделирование и исследование процесса термофлотационного разделения микробных суспензий // Вестн. ТГУ. Сер. Естественные и технические науки. Тамбов, 1997. Т. 2. Вып. 2. 94-96.

24. Арзамасцев A.A., Дудаков В.П., Рудобашта СП. Модель роста пузырьков газа в процессах флотации // Журнал прикладной химии. 2000. Т. 73, Вып. 1 100-102.

25. Арзамасцев A.A., Попов И. Метод расчета межфазнойповерхности в системе газ-жидкость при барботаже // Современные машины и аппараты химических производств: Тез, докл. 3-й Всесоюзн. науч. конф. "Химтехника-83". Ташкент, 1983. Ч. 5. 139-141.

26. Арзамасцев A.A., Попов B.C., Бодров В.И. Расчет объемного коэффициента массопередачи в ферментерах с барботажной аэрацией // Ферментная и спиртовая пром-сть. 1983. № 5. 32-36.

27. Бабский ВТ., Копачевский Н.Д., Мъшкис А.Д. и др.Гидромеханика невесомости. М.: Наука, 1976. 504 с.

28. БекерМ.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология. М.: Агропромиздат, 1990. 334 с.

29. Боришанский В.М., Жохов К.А. Отрыв пузырька от поверхности нагрева // Инженерно-физический журнал (1АФЖ). 1968. Т. 15. № 4 . 599-604.

30. Бояринов A.M., Кафаров В.В. Методы оптимизации вхимической технологии. М.: Химия, 1975. 575 с.

31. Брандт Б.Б., Перазич Д.И. Режим обтекания жидкостью газовых пузырьков больпхих размеров // ИФЖ. 1966. Т. 10. № 2 . 197-200.

32. Бэтчелор Дэю. Введение в динамику жидкости. М.;Мир, 1973.758 с.

33. Вассерман И.М. Химическое осаждение из растворов.М.: Химия, 1980. 207 с.

34. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов КВ. Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: Наукова думка, 1987. 264 с.

35. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов КВ. Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: Наукова думка, 1987. 264 с.

36. Вопросы физики кипения / Под ред. И.Т. Аладъева. М.:Мир, 1964. 443 с.

37. Гелъперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1981. 812 с.

38. Рончарук В. В., и др. Коагуляция, флокуляция, флотация и фильтрование в технологии водоочистки // Химия и технология воды. 1998. Т. 20. Вып. 1. 19-28. 1.l l

39. Гончару к В. В., Сотскова Т.З. Равновесные и неравновесные поверхностные силы в процессе флотации мелких частиц // Химия и технология воды. 1998. Т. 20. Вып. 2. 117-125.

40. Григорьев В.А., Павлов Ю.М. Кипение криогенныхжидкостей. М.: Энергия, 1977.

41. Дерягин Б.В., Духин С., Рулев H.H. Микрофлотация.М.: Химия, 1986. 112 с.

42. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Смачивающие пленки. М.:Наука, 1984. 156 с.

43. Дудаков В.П., Арзамасцев A.A. Математическая модельпроцесса физической абсорбции трехкомпонентной газовой смеси // Вести. ТГУ. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 1997. Т. 2. Вып2. 214-215.

44. Духин С, Рулев H.H., Лещов Е.С., Еремова Ю.Я., Отрицательное влияние силы инерции на кинетику флотации малых частиц и флотационную водоочистку // Химия и технология воды. 1981.Т. 3 . № 5 . 387-395.

45. Железняк A.C., Иоффе И.И. Методы расчета многофазных жидкостных реакторов. Л.: Химия, 1974. 320 с.

46. Жужиков В.А. Фильтрование: теория и практика разделения суспензий. М.: Химия, 1980. 400 с.

47. Забродский А.Г. Технология и контроль производствакормовых дро>юкей на мелассной барде. М.: Пищевая пром-сть, 1980. 272 с.

48. Зубарева Г.И., Адеее СМ., Радушев А.В., Гомзи-ковА.И., Зубарев М.П. Очистка сточных вод от ионов металлов флотацией с применением гидразидов алифатических кислот // Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. Вып. 2. 271-275.

49. Игнатьева Г.П. Аэрация во флотомашине с осевымимпеллером для обогащения калийных руд // Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. Вып. 7. 1160-1163.

50. Игнатьева Г.П. Кинетика флотации в механическойфлотомащине//Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. Вып. 8. 1331-1333. ИЗ

51. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1976. 463 с.

52. Курочкииа М.И. Взвешенный слой в химической промышленности. Л.: Химия, 1972. 80 с.

53. Курцман Е.Д. Об уравнениях Рэлея роста газового пузырька в условиях конечного объема жидкости // ИФЖ. 1968. Т. 15. № 1 . 165-167.

54. Кутателадзе С, Стырикович М.А. Гидродинамикагазожидкостных систем. М.: Энергия, 1976.

55. Кутепов A.M. и др. Химическая гидродинамика: справочное пособие. М.: Бюро Квантум, 1996. 336 с.

56. Кухарев Б.Ф. и др. Аминоспирты на основе винилооксиэтилового эфира глицидола и аммиака и их флотационные и флокуляционные свойства // Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. Вып. И. 1919-1921.

57. Кухарев Б.Ф. и др. Синтез и флотационные свойства 2(2-винилоксиалкил)амино.-2-пентен-4-онов // Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. Вып. 9. 1574-1576.

58. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена приразвитом пузырьковом кипении // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1963. № 1. 58-71.

59. Лабунцов Д.А. Современные представления о механизме пузырькового кипения // Теплообмен и физическая гидродинамика. М.: Наука, 1974. 98-115.

60. Лабунцов Д.А. Теплообмен при пузырьковом кипениижидкости // Теплоэнергетика. 1959. № 1 2 . 19-26.

61. Лабунцов ДА., Ягов В.В. Динамика паровых пузырейпри низких давлениях // Труды МЭИ. Вып. 268. М., 1975. 1632.

62. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. К вопросу о скорости ростапаровых пузырей при кипении // Труды МЭИ. Вып. 268. М., 1975. 3-15.

63. Лабунцов ДА., Ягов В.В. Механика простых газожидкостных структур. М.: МЭИ, 1975. 92 с.

64. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Об условиях отрыва паровыхпузырьков при кипении в области низких приведенных давлений // ТВТ. 1988. Т. 26. №6. 1233-1236.

65. Лысцов И.Р. Разделение жидкостей на центробежныхаппаратах. М.: Машиностроение, 1968. 144 с.

66. Лятхер В.М., Прудовский A.M. Гидравлическое моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1984. 392 с.

67. Малиновская Т.А. и др. Разделение суспензий в химической промышленности. М.: Химия, 1983. 264 с.

68. Малиновская Т.А. Разделение суспензий в промышленности органического синтеза. М.: Химия, 1971. 318 с.

69. Новаковская С. Справочник технолога дрожжевогопроизводства. М.: Пишевая пром-сть, 1973. 288 с.

70. Плановский А.Н., Николаев. П.И. Процессы и аппаратыхимической технологии. М.: Химия, 1987. 496 с.

71. Понтрягин Л.С. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1976.

72. Присняков В.Ф. Рост пузырей в жидкости // ИФЖ.1970. Т. 18. № 5 . 844-848.

73. Работнова И.Л., Лирова А., Ризенберг Д. Флотацияклеток дрожжей candida utilis под воздействием низкого значения рН среды // Прикладная биохимия и микробиология. 1997. Т. XIII. Вып. 3. 377-381.

74. Ромм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976.С. 654.

75. Романков П.Г. и др. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. СПб.: Химия, 1993. 233 с.

76. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханическиепроцессы химической технологии. Л.: Химия, 1982. 288 с. 8L Рудобашта СП. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980. 248 с.

77. Рудобашта СП., Дудаков В.П., Арзамасцев A.A. Математическое моделирование процессов флотационного разделения суспензий (обзор) // Вести. ТГУ. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 1999. Т. 4. Вып. 1. 96-100.

78. Рудобашта СП., Карташов Э.М. Диффузия в химикотехнологических процессах. М.: Химия, 1993. 209 с.

79. Русанов A.C. и др. Поверхностное разделение веществ.Л.: Химия, 1971. 184 с.

80. Сандуляк A.B. Магнито-фильтрационная очистка жидкостей и газов. М.: Химия, 1988. 132 с.

81. Скатецкий В.Г. Математическое моделирование физико-химических процессов. Минск: Вышэйш. шк., 1981. 144 с.

82. Сжотскова Т.З., Баженов Ю.Ф., Голик ГА. Взаимодействие мелких частиц с газовыми пузырьками при напорной флотации // Химия и технология воды. 1984. Т. 6. № 1. 17-22.

83. Скотскова Т.З., Гутовская В.В., Голик ГА, ЛозинскийA.M., Кулъский Л.А. Исследование закономерностей флотации мелких частиц в присутствии ионогенных ПАВ // Химия и технология воды. 1981. Т. 3. № 5. 396-399.

84. Скотскова Т.З., Леиренко A.B., Гутовская В.В., Кулъский Л.А. Влияние электрокинетического потенциала коллоидных частиц на степень их извлечения при флотационной водоочистке // Химия и технология воды. 1979. Т. 1. № 1. 6-9.

85. Скрылёв Л.Д., Перлова О.В., Небеснова Т.В. Флотационное выделение тонкоэмульгированого трибутилфосфата // Химия и технология воды. 1999. Т. 21. Вып. 3. 315-319.

86. Скрылёв Л.Д., Стрельцова Е.А., Скрылёва Т.Л. Флотационное выделение катионных ПАВ алкилкарбоксилатами калия // Химия и технология воды. 1998. Т. 20. Вып. 3. 311-315.

87. Скрылёв Л.Д., Стрельцова Е.А., Скрылева Т.Л., Влияниедлины цепи углеродного радикала ПАВ на эффективность их флотационного выделения из растворов // Химия и технология воды. 1984. Т. 6. № 1. 22-23.

88. Суший M C , Скиртымонский A.M., Ровный З.Б. Определение истинного содержания сухих веществ в барде // Ферментная и спиртовая пром-сть. 1982. № 4. 13-14.

89. Федоткин М.М., Константинов СМ., Терещенко A.A.Об отрыве парового пузыря и расчете отрывного радиуса // ИФЖ. 1973. Т. 24. № 5 . 831-835.

90. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1984. 368.

91. Хоблер П. Массопередача и адсорбция. М!; Л.: Химия,1964. 278 с.

92. Шкидченко A.M. и др. Физиолого-биохимические изменения дрожжей Candida tropicalis при культивировании в режиме аутотермостата//Микробиология. 1974. Т. 43. 276-281.

93. Шуняева О.Б., Зюзина О.Б. Совершенствованиеспособа биологической очистки послеспиртовой мелассной барды // Труды молодых ученых ТГТУ. Тамбов, 1997. 313-316.

94. Ягов В.В. Зарождение и рост паровых пузырей в объеме жидкости и на твердой поверхности // Парожидкостные потоки. Минск: ИТМО, 1977. 34-45.

95. Ягов В.В. Научное наследие Д.А. Лабунцова и современные представления о пузырьковом кипении // Теплоэнергетика. 1995. № 3 . 2-10.

96. Ягов В.В. О предельном законе роста паровых пузырейв области весьма низких давлений (большие числа Якоба) // ТВТ. 1988. Т. 26. № 2 . С, 335-341.

97. Ягов В. В. Физическая модель и расчетное соотношениедля критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкостей в большом объеме // Теплотехника. 19881 №6. 5359.

98. Ягов В.В., Лузин В.А. Приближенная физическая модель кризиса кипения при вынужденном движении насыщенной жидкости // Теплоэнергетика. 1985. №3. 2-5.

99. Яровенко В.Л. и др. Биологическая очистка меласснойбарды с получением кормового продукта // Ферментная и спиртовая пром-сть. 1984. № 1. 12-14.

100. Яровенко В.Л., Ровинский Л.А. Моделирование и оптимизация микробиологических процессов спиртового производства. М.: Пищевая пром-сть, 1978. 247 с.