автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка методов расчета и совершенствование конструкции многовальных реакторов для производства минеральных удобрений

МОСКОВСКОЕ НАУЧНО-ПРШЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ШШИНОСТРСЕНИЯ ШО "НИИШШШ"

На правах рукописи.,

ТАРАСОВ Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МНСГОВАЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ ДЛл ПРШЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ . "

05.17.08 - Процессы и аппараты химической'технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наун

Москва - 1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском и конструкторском институте химического машиностроения - НИИхиммаш.

Научный руководитель .кандидат технических наук, доцент Карасев Игорь Никитович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Макаров Юрий Иванови кандидат физико-математических наук Гамазов Николай Иванович

Ведущее предприятие - Государственный институт по проек тированию заводов, основной химической промышленности.

Защита состоитоя "29" декабря 1992 г. на заседании специализированного совета К 137.03.01 в Московском научнд-производственном объединении химического машиностроения по адресу 125015, г. Москва,. Б.Новодмитровская ул., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИхишаша.

Автореферат разослан "27" ноября 1992 г.

Ученый секратарьлслециализированного совета, кандидат' технических наук . К-Ао^^с. * » Л.Л.Павловский

I 9Т1<>/! I - 3 - ¡ . •

' ОБ1Щ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Б технологических линиях по производству минеральных удобрений нашли применение аппараты, перемешивание в которых осуществляется несколькими перемешивающими устройствами (ПУ; - многовальные. Наиболее широко данные аппараты используются в качестве реакторов для разложения фосфатного сырья в производстве экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК). В настоящее время ожидается большой объем работ по реконструкции данных реакторов, вызванный как заменой морально устаревшего и изношенного оборудования, так и освоением новых технологических процессов из-за изменения номенклатуры выпускаемой продукции, применения оолее бедного сырья и т.п. В свя^и с э*им разработка методов расчета ыноговальных реакторов является актуальной задачей. Ее решение позволило бы, во-первых, обоснованно расчитывать важнейшие характеристики цноговального реактора, во-вторых, исследовать применимость существующих конструкций в той или иной технологической процессе, в-третьих, выбирать конструктивные параметры многовального реактора для проведения заданного технологического процесса.

Кроцо того, одной из характерных тенденций развития тзхни-. ки в области аппаратурного оформления процессов получения минеральных удобрений является всо более широкое применение для различных цолей низконапорных осевых циркуляторов. Их применение в данной области связано с определенными особенностями перекачиваемой среды (высокая коррозионность, содержание твердой фазы и др.), что затрудняет использование при конструировании известных решений. Следовательно, необходимо экспериментальное изучение влияния конструктивных параметров циркулятора на. его гидрав-

лическую характеристику в упомянутых условиях.

Цель работы. Целью настоящей работы явилось построение нетематической модели процесса перемешивания в ыноговальном аппарате, получение уравнений, связывающих конструктивные параметр! ыноговального аппарата с полем скоростей перемешиваемой в нем жидкости и разработка на их основе методики расчета, а так хе изучение влияния конструктивных параметров рабочего колеса цир-кулятора на его гидравлическую характеристику в области высоки: значений коэффициента быстроходности.

Научная новизна. Предложена математическая модель для описания осредненного течения жидкости при перемешивании в много-вальнон аппарате, получены формулы, связывающие конструктивные параметры аппарата со значениями скорости жидкости. Катемати-ческая модель позволяет учитывать характерные особенности конструкции ыноговального аппарата и процесса перемешивания« а именно: эксцентричность расположения ПУ и их взаимное влияние.

В результате экспериментальных исследований изучено влияние конструктивных параметров рабочего колеса циркулятора на его гидравлическую характеристику, получено допускаемое значение радиального зааора в области высоких значений коэффициента ..быстроходности.

: ' : Практическая ценность работы» На основе теоретического ^ анализа и экспериментальных исследований разработана методика расчета многовальных аппаратов, позволяющая: -

- обоснованно выбрать такие важнейшие конструктивные пара метры как количество периферийных ШТ. и радиус их установки;

- исследовать' применимость существующей конструкции для. данного технологического процесса;

- прогнозировать последствия проводимой реконструкции или аварийной ситуации;

- определять конструкцию визконапорного циркулятора о заданной гидравлической характеристикой.

Использование результатов работы, результаты работы использованы: , •

- при разработке технического предложения "Реактор aiitio-фосфата для Саиаркаядского химзавода";

- при расчета и проектировании циркулнторов для реакторз ЭФК Нелеузовского хпизавода;

- при расчета.и проектировании циркулятора для реактора ЗФК Алиалыкского хпизавода..

Апробация работы. Основные научные результаты, излолешшэ в диссортации, докладывались на У1 Всесоюзной конференции "Теория и практика перемешивания в аядкпх средах" (Ленинград, 1990г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ.

Структура и обт>ец работ». Диссертация, состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Обцдй объем работы составляет 116 страниц, в той числе 101 страница основного текста, включая 31 рисуноЕ: и 3 таблицы, список литературы (79 наименований) п прилогения на 15 страницах с актами о внедрении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается значение выбранной темы, показывается ее актуальность и формулируются основные напралония исследования.

В перг^о.'; главе диссертационной работы рассмотрены типовые конструкции многовальных аппаратов, нашедших применение в промышленности. Анализируются современные тенденции в развитии аппаратурного- оформления процессов получения минеральных удобрений, в частности отмечается все более широкое применение низконапорных циркуляционных устройств с рабочим колесом осевого типа. Представлены обзор и анализ работ, которые посвящены проблемам перемешивания не только в многовальных аппаратах, но и в аппаратах с одним ПУ, результаты которых имею® значение для рассматриваемой темы.

На основе проведенного анализа 'Сформулированы цель и зада чи исследования.

Во второй главе предложена матекгатическая модель течения жидкости при перемешивании в ыноговальном реакторе. Б наиболее общем случае предполагается наличие системы периферийных НУ я центрального, установленного в диффузоре.

Течение жидкости в объеме реактора, обусловленное действи ем перемешивающих устройств, является трехмерным, число Рей-нольдса имеет порядок 1сЛ- 10^, т.е. соответствует развитому турбулентному режиму. Так как на микроуровне процесс во много! определяется характеристиками турбулентности, его можно считач аналогичным имеющему место в аппаратах с одним ПУ. Специфика многовального аппарата проявляется да макроуровне, поэтому нами рассматривается осредненное течение перемешиваемой гшдкостг которая при течении в масштабах аппарата считается идеальной.

Поле скоростей в многовальном реакторе V рассматриваете! как суперпозиция полей скоростей, индуцируемых центральным ПУ V" и системой периферийных ПУ 1Г".

у^у^у' (I)

В цилиндрической системе координат с осью 02 , совпадающей с осью аппарата выражение (I) записывается в виде:

^ = (2) гга = г^' ^

На основании экспериментальных данных по замеру скоростей и визуализаций потоков, известных из литературы, сделано предположение о. том, что центральное ПУ создает преимущественно ме-ридианальное течение, поэтому' Уы - 0 . , при этом течение считается осеоимы*тричным, т.е.

По характеру линий тока данное течение аналогично течнию, создаваемому диполем, причеы в силу осесимиетричности достаточно рассмотреть течение в произвольной плоскости , проходящей через ось 01 .

Система периферийных ПУ создает течение в плоскости пер-

•'.■'. ' ц " _ та пГ И

пендикулярной оси 02 , поэтому Я^ =0 , причеы =

II С7 г. '

ЭТГг_

но течению, индуцируемому системой вихрей

4 0 .По характеру линий тока данное течние аналогич-

Поле скоростей течния. сосдаваеного центральным ПУ.

Потенциал скоростей в точке 1х, У) безграничной плоскости при наличии в точке (х',у') диполя мощностью ^И имеет вид

со3 0

где , а 0 есть угол между

проведенной из точки Дх',у') в,точку и.у) прямой р и осью

диполя.

В рассматриваемом случае диполь расположен в плоскости 10ъ (рис.!) и его ось совпадает с осьюОЕ , причем прямые % = Кси ъ-0 должны быть непроницаемыми, т.е.

Уг 1_п =0

N= = 0 =0

Применяя известный метод отражения, получаем течение, имеющее потенциал вида

где -Р, - - ^

>р — а*г1_ .

Тг ~~ гтг (гг + (г+2')арлг >

л л г-г'

Используя выражение (5) для потенциала, получаем уравнение для составляющих скорости:

' ^ ~ эг ^

или

чг' - , 1г-2ЬУг+т?)

г/г-г') (г-2<Щг-*') _ Г

I гг-2(2+г')* , (г-28с)г-2(г+г,)г-иъ~ 2Л-Цгг+(2+г')г)5'г ((г-2(?с^+(г+г')г)5/г"

■ + {г-1')2)т |

(гг+(т!-г,)2)5/г СГг-2/?с)г ■

Поло скоростей течения, создаваемого периферийными ПУ. »

Комплексный потенциал скорости системы вихрей, расположения в точках О^Хк+Ц/к - П и безграничной плоскости имеет вид

Комплексный потенциал системы п вихрей, расположенных внутри окружности |г|=Кс (рис. 2) имеет вид

где Ку=1ак1 - радиус окружности, на которой расположены вихри. При этом выполняется условие непротекания границы

110)

рис.Т.'Отобоэяенис пипол«

Рис.З.Отобппхвний сиогрун г.лхоеЯ.

Составляющие скорости определяются на основании

пг - Т

Переход в цилиндрические координаты осуществляется преобразованием

Va'^-VisUloL +2ryCDSa

1£С0$с( + (12)

Окончательно получаем выражения для окружной и радиальной со< тавляющик скорости

k^rYf -г-*'™«-«') г-ъ-юС«'«*) Л . '

Ry Ку '

113)

■ й?

Гг/ lb у

Ry У

Поле скоростей в многовалъном реакторе.

Для того, чтобы замкнуть системы уравнений (7) и (13) необходсмо определить входящие в них величины J* ч Г.

Момент диполя ¿л , в силу приближенного характера аналиг определяется как произведение объемной производительности ц(

трального ПУ на длину диффузора ' Ч

j4=2jrQs . . ш

Причем JU > 0 при работе центрального ПУ "вниз" и ;

Л<0 при работе^вверх". '

Поле скоростей, индуцируемое круглым цилиндрическим вихрем, аналогично поло скоростей, индуцируемому точечный вихрем равной интенсивности. Поэтому интенсивность вихрей Г опреде-хяется как интенсивность вихря радиуса 1?о , вращающегося с угловой скоростью

2

Г = ^15)

Причем-Г>0 при вращении против часовой стрелки и Г<0 при вращении по часовой стрелке.

Для определения поля скоростей в случае установки центрального ПУ без диффузора, необходимо поместить вихрь соответствующей интенсивности в начало координат., Граничное условие будет выполнено также и при наложении на течение произвольной циркуляции, т.е. течения с особенностью на бесконечности.

В третьей и четвертой главах представлены методы экспериментальных исследований, описание экспериментального оборудования, полученные результаты и их анализ.

Целью экспериментальных исследований являлось, во-первых, проверка полученных результатов теоретического анализа поля скоростей течения зидкости при перемешивании в многовальноц реакторе и, во-вторых, исследования влияния конструктивных параметров рабочего колеса циркуллтора на его гидравлическую характеристику. В соответствии с поставленными задачами экспериментальное оборудование включало в себя два стенда: модель ыно-говального аппарата и установку для определения гидравлических параметрова циркулятора. .

' Модель многовального аппарата была выполнена геометричес-.

ки подобной промышленному реактору для производства ЭФК объемом 900 и3 конструкции НШхиммаш в масштабе 1:10. Рабочий объем модели 0,75 м3. Корпус аппарата для удобства наблюдений был выполнен из оргстекла..Конструкция рамы позволяла изменять радиус установки периферийных ПУ и их количество, а также высоту расположения от дна сосуда.

В качестве рабочей аидкости использовалась вода. Измерение скорости жидкости в различных точках модели аппарата проводилось с помощью трубки Пито с вторичным прибором, которым являлся нидкостной манометр.

На рис.3 представлены результаты замеров скорости и их сопоставление о расчетными значениями. ' Установка для определения

гидравлических параметров цир-кулятора представляет собой цилиндрический сосуд, выполненный из .оргстекла, в котором, смонтирован корпус циркулятора, соединенный с напорным трубо- ; проводом. В корпусе располагались сменные рабочие колеса, установленные на вертикальном валу. Установка оборудована системой типа мотор-весы, для измерения реактивного момента, возникающего на валу и.средствами измерения напора и подачи, создаваемых рабочим колесом. ■

и

с 0,6

Д<г

V

0.2

Г

/ Г N

/ А ■ к

у / V N »

У У к

0,2

йк

О, В /

Рис.3. Распределение скорости . вицкости по радиусу:

1- при вращения валов ПУ в сторону;

2- ппг4 воощении валов .ПУ в р ше сгоррни; .. ..

Размеры и конструктивные параметры исследованных рабочих колес приведены в таблице I. Рабочей жидкостью являлась вода. Частота вращения колес изменялась от IDO об/мин до 580 об/мин.

Влияние конструктивных параметров рабочего колеса на гидравлическую характеристику изучалась путем сопоставления напорных характеристик колес, имеющих различные значения варьируемого конструктивного параметра. Таковыми являлись: количество лопастей, густота решетки профилей лопастей, втулочное отношение и радиальный зазор между корпусом и колесом.

В результате исследований было установлено, что при выборе таких конструктивных параметров, как количество лопаете;!, густота решетки и втулочное отношение следует использовать имеющиеся в литературе данные по проектированию рабочих колес осевого типа.

' Исследование влияния радиального зазора проводилось путем сравнения характеристик колес разного диаметра, устанавливаемых в один и тот ив корпус циркулятора. Величина зазора изменялась от 2 до 8,5 мм. Для удобства сопоставления результатов •рассматривается величина относительного зазора

Определенный таким образом зазор изменялся в опытах от 0,06 до 0,32 мм. При этом было отмечено, что изменение относительного зазора в интервале от 0,06 до 0,1 связано с незначительным ростом потерь. Дальнейшее увеличение зазора приводит к резкому падению напора при увеличении расхода (Рис. 4). Таким образом, значение величины радиального зазора для низконапорных осевых циркуляторов следует зыбирать из условия

(16)

Таблица I

й Диаметр Число Диаметр Втулочное Густота

колеса, лопастей, втулки, отношение решетки

и шт. н профиле!

I 0,130 з 0,070 0,538 0,3

2 Ü.I3Ü . 6 0,070 0,538 0,6 '

3 0,135. * 0,070 0,518 0,6

0.D5 • ". 6 0,070 0,518 1,1

5 0,135 .. .;■ 5.. 0,070 0,518 1,1

. 6 0,123 " 5' ' 0,070 .0,569 ■V 'М

7 0,130 0,065 . ;0,500 ' 0,6

8 0,130 ' *7 ' 0,042 0,323 . 0,6

Рис. 4 Напорные характеристики Рио. 5. Графики функции и кривые взмечет« мощности Г при различных И ■

колес К 5 (a) a i б (ó)

В пятой главе показаны основные направления использования 1зультатов теоретического анализа, получены уравнения, связы-нощие конструктивные параиетры многовалыюго аппарата со ско-ютью перемешиваемой в нем жидкости, на их основе построена »тодика гидродинамического расчета иноговальных реакторов.

Скорость жидкости на стенке аппарата-

Додотавляя в уравнения ¿7) и ;ЦЗ) значение радиуса »лучаеи, что. г!. _л ^у тг 'I

Таким образом, можно положить

1 - Г Г_{__ ./ то\

МЛ Н-яТ^Г ^ ¿7 и ;

•Производная функции скорости по .ее равна

ад - г эь^-ык) ,

зтрудно показать, что Йсг соъ^-Ык) V о( }

«у»

рл и в точках , <Х -^Г производная равна

улю и иеняот знак, т.о. данные точки являются точками экстре-умо функции скорости. Причем при с(=о(< имеет место иакси-

/!1 СКОРОСТИ

п г _ Гп +

<Ж = ГГ

ри <л = -р игicoт место минимум скорости 7Г - Гп £с

Лз анализа выражений (20) и (21) следует, что увеличению идиуса установки при Фиксированном количестве ¡17 зодст к узо-

личению неравномерности скорости жидкости на стенке аппарат;

■ tun Ifmar - 00 ; Vfnin 5=0 l<

В свою очередь увеличение количества ПУ при фиксированной р( диусе установки приводят к,выравниванию значений скорости

Um Vmax ~00 ) tim VmCn

П-»во П-foo

со

В качестве характеристики неравномерности скорости вве, на величина относительной разности мевду максимальным и мин мальным значениями скорости

(

_ Vmax — lfm in ,omM" 1W • \f+(-ff

•Как видно из графиков функций 1рис. 5), с ув

личением Л растут значения , при которых относитесь разность значений скорости невелика.

Разрешив уравнение 124) относительно , получаем

Ру = / 1-Si-yw . (

Таким образом, задавшись некоторыми значением относите ной разности, мы получаем связь иеаду количеством перемеши цих устройств п и относительным радиусом их установки. Пол жив, например, )(отн—№ » получим значения относительногс диуса установки для некоторых значений Ч .

л 1 2 3 k 5. 6 7 8 9

ßc 0,U89 0,298 0,U8 0,5 ЧЬ 0,616 0,668 0,707 0,739 0,76^

Сопоставление мощности, оаг'рачиваемой на перемешивание аппарате с одним центральным ПУ и многовальном аппарате го же диаметра было проведено из условия создания равной орости на стенке.

В результате получено неравенство

Я"*- У

ууГ" $1-Хотн 126)

Таким образом, суммарная мощность ПУ, установленных в мно-вальном аппарате менызе мощности, потребляемой одним ПУ, соз-ющим такую же скорость на стенке аппарата.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получены уравнения, описывающие поле скоростей течения |Дкости при перемешивании в многовальном реакторе. Согэставле-16 расчетных и опытных значений скорости жидкости указывает

I удовлетворительное совпадение результатов.

2. Получены формулы, связывающие конструктивные параметры юговального аппарата со скоростью перемешиваемой в нем жид-юти. Установлена взаимосвязь между количеством периферийных

г и радиусом окружности их установки , которая позволяет про->дить обоснованный выбор данных параметров при проектировании.

3. Показано преимущество многовальной схемы при суспенди-)вании по сравнешга о аппаратом о одним ПУ, за счет достиже-т равных показателей при меньших затратах мощности.

Разработана методика гидродинамического расчета много-зльных реакторов. (

5. Изучено влияние конструктивных параметров'рабочего ко-зса циркулятора на его гидравлическую характеристику в облас-и высоких значений.коэффициента.быстроходности. В,результате

экспериментальных исследований получено допускаемое значение величины радиального зазора.

6. Результаты работы использованы: при разработке технического предложения "Реактор аммофо фата для Самаркандского химзавода";

при разработке циркулятора для реактора ЭФК Алмалыкског химзавода;

при разработке циркуляторов для роактора ЗФК Мелеузовск го химзавода, которые в количестве 2-х итук изготовлены и вн дрены.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

V - полная скорость жидкости, м/с; 1/« - окружная состав; ющая скорости жидкости, и/с;1Г% - радиальная составляющая скорости жидкости, м/с-осевая составляющая скорости жидкости, м/с;^ - потенциал скорости, м2/с; W - комплексный i тенциал скорости; JJ - момент диполя, uVc; Г - интенсивно« вихря, м2/с; f?c - радиус сосуда,м; Ру - радиуо окружности установки периферийных ПУ, u; п количество периферийных I шт; Q - объемная производительность ПУ, подача циркулятора, м3/с; Н - напор, м; S - длина диффузора, u; R0 - радиуо круглого цилиндрического вихря, м; Щ - угловая скоромь вращения вихря, I/c; ty - радиуо колеса циркулятора, ы; 1¿ - радиус втулки колеса циркулятора, и; S - радиальный зазор между концами лопастей колеса и корпусом циркулятора, Хотя - относительная разность между максимальным и минимал ным значениями скорости жидкости на стенке аппарата.

Основные положения диссертационной работы излояены в юдующих публикациях: '

1. Тарасов С.Н., Карасев И.Н., Попов H.A., Дукор И.А. ;сл9довани0 течения аидкости при перемешивании з ыноговальных шаратах //'Химическое и нефтяное машиностроение, 1991, .№ 10, . 6-8. .

2. Тарасов С.Н., Карасев H.H., Попов H.A., Пестов A.C., гкор И.А. Разработка иотеыатичеокой подели для определения здродинампческих параметров перемешивания в ыноговальных ап~ зратах // Тез. докл. У1 Всесоюзной конференции. Теория и прайма переиешивания_э кидких средах, октябрь 1990-г. Ленинград. -

1990, d. 35-36.

3. Карасев И.Н.; Тарасов С.Н. Разработка программного здуля САПР ЛУ иноговалвных аппаратов // Депонированные науч-ае работы. Указатель ВИНИТИ, 1988, Кз 2, о. 186.

•Л, Карасев И.Н., Михайлов Г.Г., Тарасов С.Н. Расчет гур-инных мешалок с расширявшийся к пернфории лопастями для мно-: эвальных аппаратов // Депонированные научные работы. Указа-зль ВИНИТИ, 1988, »2, о. 185.

5. Отчет ШШхтшаи. Циркуляторы для реактора ВФК и випар-ых аппаратов'Целэузовского химзавода, ¡заключительный. : яв. 029000529II, ВНТЙЦ, 1990.

6. Отчет НИйхишаш. Циркулятор низконапорный производи-эльноотью 1500 и3/ч для рециркуляции пульпы в реакторе ЭФК. аключательный. Инв. ft 02860089503, ВН1НЦ, 1989.