автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование процесса и математическое описание получения трехфазной смеси в лопастном смесителе

На правах рукописи

Голубь Григорий Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНОЙ СМЕСИ В ЛОПАСТНОМ СМЕСИТЕЛЕ

05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Научный руководитель:

Доктор технических наук, доцент Мурашов Анатолий Александрович.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Падохин Валерий Алексеевич, Доктор технических наук, профессор Володин Николай Иванович.

Ведущая организация:

ОАО «Фритекс», г, Ярославль.

Защита диссертации состоится 21 апреля 2005 г. В 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при Ярославском техническом университете по адресу: 150053, г. Ярославль, Московский проспект 88, аудитория Г-219.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ярославского государственного технического университета.

Автореферат разослан 21 марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия во многих отраслях промышленности находит широкое применение процесс получения смесей, представляющих собой систему газ - жидкость - твердое. Перспективность данного направления обусловлена возможностью получения материалов с новыми свойствами и осуществление физико-химических превращений целевого компонента при необходимости присутствия нескольких фаз в одном аппарате. Трехфазные системы газ - жидкость - твердое находят применение в каталитических процессах, при обработке культуральных сред и в процессах ферментации, при извлечении пород и редкоземельных металлов, при получении строительных материалов с повышенными тепло- и звукоизоляционными свойствами и воздухонасыщенных пищевых материалов.

Аппараты с мешалками обладают рядом преимуществ по сравнению с другими устройствами для получения трехфазных смесей: высокая степень однородности распределения фаз в рабочем объеме; эффективный массообмен; эксплуатационная гибкость и широкие технологические возможности. Благодаря этим преимуществам наряду с низкой себестоимостью изготовления и простоте эксплуатации, применение аппаратов с мешалками для приготовления трехфазных смесей широко распространено. При этом теоретическое описание указанных процессов в аппаратах с мешалками весьма неоднозначно.

Цель работы. Целью настоящей работы создание математических моделей и разработка на их основе методики инженерного расчета новой лопастной мешалки для получения трехфазных смесей.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи, направленные на совершенствование процесса смешения:

- создание математической модели процесса аэрирования смеси жидкость -твердые частицы в аппарате с лопастной мешалкой с принудительной подачей газа на жидкость с растворенным в ней поверхностно-активным веществом (ПАВ);

- экспериментальное исследование процесса аэрирования смеси жидкость -твердые частицы;

- проверка адекватности разработанных математических моделей опытным данным, полученным на лабораторных установках;

- разработка конструкции лопастного смесителя с принудительной подачей газа на жидкость с растворенным в ней ПАВ;

- создание на основе теоретических и экспериментальных исследований методики инженерного расчета лопастного смесителя и выявлении оптимальных технологических параметров процесса.

Научная новизна работы.

- разработана математическая модель процесса получения трехфазных систем газ - жидкость - твердое с применением принудительной подачи газа в аппарате с механическим перемешивающим устройством, полностью погруженным в смесь;

- выявлено решающее влияние принудительной подачи газа в процессе получения трехфазных смесей в аппаратах с механическим перемешивающим устройством;

- разработана конструкция устройства для получения трехфазных смесей газ - жидкость - твердое характеризуемых высоким содержанием твердой фазы, защищенная патентом Российской Федерации;

- создана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета оптимальных режимных и конструктивных параметров смесителя для получения трехфазных смесей.

На защиту выносятся следующие положения.

1. математическая модель получения трехфазной смеси в лопастном смесителе;

2. результаты экспериментальных исследований зависимости свойств смеси " от технологических параметров процесса;

3. конструкция и метод расчета лопастного смесителя для получения трехфазных смесей.

Практическая ценность работы.

1. Использование разработанного лопастного смесителя позволяет получать трехфазные смеси с высокими содержанием твердой фазы (до 60%);

2. Создана методика инженерного расчета, которая находит использование при разработке оборудования для получения трехфазных смесей в химической и других отраслях промышленности

Достоверность полученных результатов.

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, а также удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальным данных.

Апробация работы.

Основные разделы работы докладывались на международной конференции по химической технике в г. Краков (Польша) в 2003 г. и Международной конференции «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», г. Иваново 2004 г.

Публикации.

По материалам выполненных исследований опубликовано пять научных

работ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы Общий объем работы 101 стр., в том числе 93 стр. основного текста, включая рисунки, таблицы и список литературы из 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, приведены данные о структуре работы, сформулированы основная цель и задачи исследования

Первая глава состоит из двух разделов, в первом из которых рассматриваются физические условия получения двухфазных систем газ-жидкость Во втором разделе дан анализ конструкций основных аппаратов с мешалками для получения трехфазных систем газ - жидкость - твердое и описано влияние газовой фазы и твердых частиц на поведение смеси вцелом В результате делается вывод о преимуществах способа принудительной подачи газа для получения трехфазных смесей с высоким содержанием твердой фазы в аппаратах с мешалкой и необходимости разработки математической модели данного процесса

Вторая глава состоит из 2 разделов В первом разделе рассматривается модетирование процесса перемешивания трехфазной системы газ - жидкость -твердое Критерием формирования трехфазных систем является выполнение условия

где - частота вращения мешалки, - частота вращения мешалки, при которой обеспечивается устойчивая аэрация всей рабочей области аппарат, Птт минимальная частота вращения мешалки, при которой отсутствует осадок твердых частиц на днище аппарата при перемешивании трехфазных систем

(1)

о

О <> - О_о

о •„ о

Рис 1а. Принципиальная схема процесса

На рис 1а представлена принципиальная схема процесса получения трехфазной смеси с принудительной подачей газа В емкость заливается жидкость с

растворенным в ней поверхностно-активным веществом (ПАВ). В аппарате установлены наклонные лопасти, вращение которых приводит к формированию циркуляционного контура от днища аппарата к свободной поверхности жидкости и от свободной поверхности к днищу за счет естественного осаждения смеси под действием силы тяжести. В рабочую емкость через загрузочное приспособление подаются твердые частицы, которые за счет турбулентного характера движения жидкости распределяются но рабочему объему аппарата. В верхней части аппарата установлены вращающиеся форсунки, через которые под давлением подается газ Газ увлекается за счет циркуляционного движения смеси жидкость - твердое частицы и. вследствие этого, происходит газонасыщение смеси. Такое конструктивное решение в отличие барботирования позволяет избежать засорения устройств для подачи газа при получении смесей с высоким содержанием твердой фазы.

За счет принудительной подачи газа на свободной поверхности образуются «каверны» с масштабом деформации Я (рис. 16)

Рис. 16.

Масштаб Я может быть определен из равенства капиллярного давления жидкости и некоторого давления, обусловленного движением газа.

(2)

I а п® верхностное натяжение на

где - пульсационная скорость м а с ш т а í границе раздела жидкой и газовой фаз.

Предполагаем, что происходит интенсивное перемешивание, когда выполняются условия суспендирования твердых частиц и распределение газа по всей высоте аппарата Тогда, в объеме поверхностной зоны единичной высоты площадь поверхности, занимаемой жидкостью с учетом площади поверхности, занимаемой «каверной», в идеальном случае определяется по формуле:

5«=(1 о)

Связь пульсационной скорости с диссипацией энергии принудительной подачи газа в приповерхностной зоне имеет вид:

Тогда для величины Я с учетом формул (2) и (4) получаем выражение.

л = 2.3{а/р,т.(е(;у

(5)

При перемешивании трехфазных систем газ - жидкосчь - твердые частицы наибольшее влияние на пульсационные характеристики оказывает содержание твердых частиц. Особенно сильно это влияние проявляется в области свободной поверхности - деформируемой границы раздела фаз, где затухают турбулентные пульсации потока, создаваемые перемешивающим устройством. Исходя из этого, пульсационная скорость, деформирующая поверхность жидкости в присутствии твердых частиц определяется выражением:

и = и.

1

(6)

1 + П

где - относительная масса твердых частиц.

Масштаб пульсаций V в присутствии твердой фазы отличается от масштаба л и определяется из соотношения:

Учитывая, что объем захватываемого пузыря Ув приблизительно равен объему каверны , который составляет половину объема сферы радиусом, равным

масштабу пульсаций V , получим выражение:

1 4

В КП8 ^ ^

(8)

В результате можно рассчитать диаметр пузыря (!", проникающего в пульпу СО свободной ппре.ттпгти

[v7

¿Ц =2-у— =1,587-1'. (9)

Частота пульсаций скпгюг.ти мяг.тптаба V вычисляется из соотношения:

, ч

/,= — ■ (10) V

Частота возникновения деформаций для единичной поверхности жидкости выражается через частоту пульсаций по формуле:

Л =1ХД =

яу

(И)

Предполагаем, что пульсационные скорости имеют нормальный закон распределения. В результате частота захвата пузырей со свободной поверхности равна:

К захвату пузыря, образовавшегося при захлопывания «каверны», могут приводить не все пульсации масштаба V , а лишь те из них, скорость которых превышает скорость всплывания пузыря. В условиях, когда объемная концентрация газа (ро превышает 5%, скорость всплывания пузыря, строго говоря, должна определятся с условием стесненного характера движения пузырей:

-<рсу. (13)

Показатель степени п зависит от физико-механических характеристик жидкости. Скорость свободного всплывания пузырей определяется формулой:

2а

рс) i а

(14)

'gj \ У

Учитывая,* что объем захватываемого пузыря приблизительно равен половине объема сферы радиуса V , с учетом выражения (12) можно определить

приведенную скорость газа в приповерхностной области для единичной

свободной поверхности :

к

5™ 1 2 3 Л

(15)

Для описания процесса переноса дисперсной газовой фазы по высоте аппарата используется однопараметрическая диффузионная модель, которая предполагает отсутствие градиента концентрации дисперсной фазы по радиусу аппарата и существование неоднородности лишь в осевом направлении. В этом случае перенос пузырей газа по высоте аппарата может быть описан уравнением:

(16)

д( ' ди2

Граничные условия для уравнения (16) составляются из условия баланса переноса газа в приповерхностной зоне:

(17)

и условия отсутствия источника подачи газа на дне аппарата.

Исходное уравнение (16) с учетом граничных условий (17) приводится к обыкновенному дифференциальному уравнению 1-го порядка для определения среднего газосодержания слоя:

цк-к*., ^

Я 11(14

а

(¡1 дл

Начальные условия для уравнения (18) записываются в виде:

(18)

Интегрирование уравнения (18) с начальными условиями (19) позволяет найти изменение среднего газосодержания слоя от времени перемешивания.

При получении трехфазной смеси характерным является распределение твердых частиц только в жидкой фазе. Предположим, что суспендированная частица движется в поле изотропной гомогенной турбулентности и вихревое движение подчиняется закону Колмогорова-Обухова. Тогда рассеиваемая частицей энергия в окружающую среду определяется формулой:

.Л-л

Я1

осО

рь

(20)

где - скорость осаждения твердых частиц.

Энергия, рассеиваемая твердой частицей, восполняется через перемешивающее устройство. Поэтому энергию, подводимую частицам твердой фазы, взвешенным в жидкости, можно рассчитать по формуле:

= (21) где плотность трехфазной смеси определяется выражением:

р:а={\- № ~ я>: К + фгрз ■ (22)

С другой стороны, мощность, затрачиваемую на перемешивание можно вычислить по формуле:

(23)

С учетом формул (20) и (23) получим соотношение для минимального числа оборотов вращения мешалки, при котором осадок твердых частиц на днище аппарата отсутствует:

и. =

(24)

Согласно данным исследований Козловой Е.Г., в условиях, когда объемная концентрация твердой фазы <рв превышает 5%, скорость осаждения твердой частицы должна определяться с учетом стесненного характера движения частиц.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований и сопоставление теоретических и опытных данных получения трехфазной смеси в лопастном смесителе с принудительной подачей газа.

Эксперименты по получению трехфазных смесей проводись в аппаратах диаметром 0,3 м и 0,6 м, с объемом заполнения 16 л и 160 л соответственно. Для подачи газовой фазы использовался пневматический распылитель. В экспериментах

использовалась двухлопастная мешалка с углом наклона и диаметром

Высота расположения мешалки над днищем аппарата во всех опытах

Газовая фаза нагнеталась компрессором с

равнялась

Рис 2 Зависимость минимального числа оборотов мешалки, обеспечивающего суспендирование твердых частиц, от объемного содержания твердой фазы

Рис 3 Сопоставление теоретических и расчетных данных зависимости предельного газосодержания смеси от расхода принудительной подачи газа

производительностью ()с =30 л/мин. Расход газа через распылитель регулировался пробковым поворотным краном и измерялся ротаметром.

В качестве сплошной жидкой фазы применялась вода с растворенным в ней поверхностно-активным веществом, а в качестве газовой фазы - воздух. Опыты проводились с частицами кварцевого песка.

На рис. 2. приведено сопоставление расчетных и опытных данных по определению минимальной частоты вращения мешалки, необходимой для отсутствия осадка твердых частиц на дне аппарата. Приведенные данные свидетельствуют о том,

что с ростом объемного содержания твердой фазы значение Пшш возрастает.

Расхождение теоретических и опытных данных не превышает 14%.

На рис. 3 приведено сопоставление теоретических и опытных данных по изменению среднего газосодержания смеси с течением времени. Приведенные данные показывают, что при некотором интервале времени перемешивания наступает насыщение смеси газом и в дальнейшем газосодержание смеси практически не изменяется. Причем, с увеличением массовой доли твердых частиц величина предельного газосодержания уменьшается. Расхождение теоретических и опытных данных не превышает 12%.

На рис. 4. приведено сопоставление теоретических и опытных данных зависимости предельного газосодержания смеси от расхода принудительной подачи газа. Данные показывают, что имеет место явление насыщения смеси газом, когда увеличение расхода принудительной подачи газа не изменяет величину предельного газосодержания смеси.

Рис. 4 Сопоставление теоретических и расчетных данных зависимости предельного газосодержания смеси от расхода принудительной подачи газа

В практическом применении газосодержание трехфазной смеси и равномерное распределение газа не может полностью определить характеристики конечного продукта ввиду наличия большого количества параметров, влияющих на процесс По этой причине определение характеристик готовой смеси от технологических параметров процесса осуществляются методами планирования экспериментов в среде Statistica 6 0 Использовался симплексный план для смесей В качестве технологических параметров для процесса получения легких теплоизоляционных материалов на основе минерального вяжущего рассматривалось отношение весовых расходов минерального вяжущего и заполнителя, процентное содержание поверхностно-активного вещества в жидкости и отношение объемных расходов жидкой и твердой фаз В качестве основной характеристики готового материала принималась теплопроводность

В четвертой главе приведена схема нового лопастного смесителя с принудительной подачей газа для получения трехфазных смесей и инженерная методика его расчета

Патент №2216148 Рис.5 Лопастной смеситель

Схема смесителя представлена на рис. 5. В лопастном смесителе могут быть получены как аэрированные высококонцентрированные суспензии, так и порадованные магериалы, отличающиеся высоким содержанием твердой фазы.

Устройство содержит емкость 2 с загрузочным и выгрузочным приспособлениями, привод и основание 1 на днище емкости, а по оси емкости закреплен пневматический распылитель. В верхней части емкости размещен корпус 3 с крышкой 4. Емкость снабжена выводным штуцером с краном 7 и растворопроводом 8. Внутри емкости по ее оси установлен распылитель 9, состоящий из полого вала 10, вращающегося в подшипниковом корпусе 11. Воздух подается по трубе с вентилем 15. На валу 10 крепится расположенный наклонно к горизонтальной плоскости цилиндрический корпус 19, закрытый сверху крышкой 20. К крышке 20 присоединена трубка 21 для подвода воздуха из сальника. Воздух поступает в плоскость между крышкой 20 и конической крышкой 22. Далее воздух проходит в кольцевые проточки корпуса 19, из которых в форсунки 23, установленные на образующей корпуса.

Инженерная методика расчета может быть использована в процессах получения трехфазных смесей со средним объемным содержанием частиц твердой фазы и средним объемным газосодержанием

Целью расчета является:

- проверка выполнения условий формирования трехфазной системы -отсутствия осадка твердой фазы на днище аппарата;

- определение среднего газосодержания рабочей среды и его изменения с течением времени;

- расчет мощности, затрачиваемой на перемешивание рабочей среды;

- определение оптимальных технологических параметров процесса получения трехфазной смеси.

Конструктивными параметрами аппарата являются: диаметр аппарата рабочий объем v ; высота заполнения , коэффициент сопротивления мешалки диаметр мешалки высота лопасти мешалки коэффициент

геометрического подобия

Технологическими параметрами аппарата являются: частота вращения мешалки Л; расход газа, подаваемого через распылитель 0,в; среднее массовое содержание твердой фазы в рабочей среде средний диаметр пузырей газа процентное содержание ПАВ в жидкой среде, производительность аппарата

Физико-химические характеристики фаз: плотность жидкой фазы р1; динамическая вязкость жидкой фазы поверхностной натяжение на границе

жидкой и газовой фаз плотность газовой фазы плотность частиц твердой

фазы диаметр частиц твердой фазы коэффициент неизотропности течения в аппарате /? .

Расчет аппарата осуществляется в следующей последовательности.

Задаются значения диаметра и рабочего объема аппарата.

1. По формуле (24) определяется минимальная частота вращения мешалки, при которой отсутствует осадок твердых частиц на днище аппарата.

2. Рассчитывается приведенная скорость газа, подаваемого через распылитель

(25)

Определяется диссипация энергии, вносимой газом

(26)

3. По формулам (9, 15) находится диаметр газовых пузырей, проникающих в рабочую среду с поверхности и приведенная скорость газа в поверхностной области.

4. Мощность, затрачиваемая на перемешивание суспензии, определяется по формуле (21).

Диссипация энергии, вносимой мешалкой:

рУ

(27)

Локальная диссипация энергии, вносимой мешалкой в поверхностной зоне: „л

= 0,1 .

(28)

5. По формуле (14) определяется скорость всплывания пузырей и находится локальный коэффициент турбулентной диффузии

6.Расчитывается коэффициент турбулентной диффузии

(30)

где

ун =4-^ + 1. (31)

7. Решается дифференциальное уравнение (16) с начальными условиями (17). Определяется время 1п, при котором наступает насыщение смеси газом. Вычисляется производительность аппарата:

р.у

(32)

Если заданная производительность не достигается, то вновь выбираются диаметр аппарата, его высота заполнения, рабочий объем. Расчет повторяется снова. Следует отметить, что необходимое среднее газосодержание смеси (р^, среднее

массовое содержание твердой фазы в рабочей среде Л и процентное содержание

ПАВ, влияющее на поверхностной натяжение жидкости, находится из планирования эксперимента.

Основные выводы и результаты работы.

1. Выявлены физические условия формирования трехфазных систем в аппарате с мешалкой при использовании принудительной подачи воздуха для аэрирования суспензии. Показано отсутствие флотационных эффектов и дробление пузырей твердыми частицами.

2. Разработан метод расчета среднего газосодержания трехфазных систем с массовым содержанием твердой фазы до 60% с учетом стесненного характера всплывания пузырей газа.

3 Получены расчетные зависимости для определения минимальной частоты вращения мешалки, обеспечивающей отсутствие осадка твердой фазы на днище аппарата, с учетом стесненного характера осаждения твердых частиц. Показано, что с ростом объемного содержания твердой фазы значение минимальной частоты вращения мешалки так же возрастает.

4. С целью установления механизмов переноса твердой и газовой сред при перемешивании трехфазных систем проведены экспериментальные исследования перемешивания суспензий в мешалке с наклонными лопастями и принудительной подачей газовой фазы. Установлено, что при некотором значении времени перемешивания наступает явление насыщения суспензии газовой фазой, когда дальнейшее время пребывания смеси в аппарате не влияет на величину газосодержания.

5. Предложен метод расчета мощности, затрачиваемой для перемешивания трехфазных систем в лопастной мешалке с принудительной подачей газа, что позволяет исключить использование эмпирических зависимостей.

6. Разработана методика расчета процесса получения трехфазной смеси с лопастной мешалке с массовым содержанием твердой фазы до 60% и газосодержанием до 60%.

7. Разработана новая конструкция лопастной мешалки с принудительной подачей газа для получения трехфазных смесей, защищенная патентом РФ.

8. Новый лопастной смеситель для получения трехфазных систем опробован в производстве теплоизоляционных материалов ОАО «Ярнефтехимстрой» и в производстве воздухонасыщенных пищевых продуктов ЗАО «Ярославлькондитер».

Список трудов по теме диссертации.

1. Голубь Г.Н., Мурашов АА., Зайцев А.И. Модель смешения трехфазной среды в лопастном смесителе. // Материалы VI международной научной конференции «Теоретическое и экспериментальное описание химической аппаратуры». Тезисы докладов. - Краков: 2003. - с. 181-185.

2. Голубь Г.Н., Зайцев А.И., Мурашов АА Новое устройство для получения поризованных смесей // Материалы IV международной конференции молодых ученых, преподавателей, аспирантов и докторантов, старшеклассников и студентов «Актуальные проблемы современной науки», -Самара: 2003. - с 96-98.

3. Голубь Г.Н., Мурашов АА., Виноградова ЕА. Оптимизация процесса получения пористых материалов в лопастном смесителе. // Материалы

международной научной конференции «Энерго- ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства». Тезисы докладов, - Иваново: ИГХТУ, 2004, Т. 2, - с. 93-94.

4. Голубь Г.Н., Мурашов АА, Попков АН., Бекенев В А. Исследование получения поризованных материалов в лопастном смесителе. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология, - Иваново: 2004, Т47., Вып 6. - с 123-125.

5. Патент РФ №2236348 С1. МПК В 28 С 5/38. Устройство для приготовления пенобетона / Голубь Г.М., Мурашов А.А., Зайцев А.И., Миронов Б.А. -0публ.20.09.2004.

Основные условные обозначения.

- диаметр аппарата, м;

- коэффициент турбулентной диффузии,

- высота слоя газожидкостной смеси в аппарате, см;

Им - высота расположения мешалки над днищем аппарата, м;

- часгота вращения мешалки;

- расход газа, м3/с;

v - рабочий объем аппарата, м3;

- скорость осаждения твердых частиц; £ - диссипация энергии, Вт/кг;

¿¡м - коэффициент сопротивления мешалки;

р - плотность фазы или среды, кг/м3;

(У - поверхностное натяжение на границе раздела жидкой и газовой фаз, Н/м;

<ра - среднее объемное газосодержание, в долях;

Лицензия ПД 00661 от 30.06.2002 г. Печ. л. 1. Заказ 511. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

05 i û5.21

• 559

л v

2 2 V,.

Основные условные обозначения.

Введение.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ В АППАРАТАХ С МЕШАЛКАМИ.

1.1. Получение двухфазной системы газ — жидкость в аппаратах с мешалками.

1.1.1. Формирование систем газ - жидкость.

1.1.2. Газосодержание среды и размеры пузырей.

1.1.3. Затраты мощности на формирование систем газ - жидкость

1.2. Перемешивание трехфазных систем газ - жидкость - твердое в аппаратах с мешалками.

1.2.1. Конструктивное оформление аппаратов с мешалками для перемешивания трехфазных систем.

1.2.1.1. Аппараты периодического действия.

1.2.1.2. Аппараты непрерывного действия.

1.2.2. Суспендирование в аппаратах с мешалками.

1.2.3. Взаимодействие газовых пузырей и твердых частиц.

1.2.4. Распределение твердых частиц в объеме аппарата.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ - ТВЕРДОЕ В ЛОПАСТНОМ СМЕСИТЕЛЕ.

2.1.Моделирование процесса перемешивания трехфазной системы газ — жидкость - твердое.

2.1.1. Формирование трехфазных систем.

2.1.2. Определение газосодержания и размера пузырей при получении трехфазной смеси.

2.1.3. Условия подъема твердых частиц со дна аппарат при перемешивании трехфазных систем.

2.2. Физическая модель характеристик трехфазной смеси в зависимости от технологических параметров.

2.2.1. Функции отклика и факторы.

2.2.2. Корреляция и проверка значимости уравнения регрессии и коэффициентов уравнения регрессии.

2.2.3. Выбор плана эксперимента.

Выводы по главе.

ГЛАВАЗ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Исследование процесса получения трехфазных смесей с использованием принудительного воздухововлечения в смесь.

3.1.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов.

3.1.2. Исследование процесса суспендирования в лопастном смесителе.

3.1.3. Исследование процесса получения трехфазной смеси в лопастном смесителе с использованием принудительной подачи воздуха.

3.2. Исследование зависимости характеристик трехфазной смеси от технологических параметров процесса.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ЛОПАСТНОГО СМЕСИТЕЛЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ГАЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ СМЕСЕЙ.

4.1. Описание конструкции смесителя.

4.2. Расчет смесителя.

4.3. Пример расчета смесителя.

Актуальность проблемы.

В последние десятилетия во многих отраслях промышленности находит широкое применение процесс получения трехфазных смесей, представляющих собой трехфазную систему газ - жидкость - твердое [1-3]. Перспективность данного направления обусловлена возможностью получения материалов с новыми свойствами и осуществление физико-химических превращений целевого компонента при необходимости присутствия нескольких фаз в одном аппарате. Трехфазные системы газ - жидкость - твердое находят применение в каталитических процессах, при обработке культуральных сред и в процессах ферментации, при извлечении пород и редкоземельных металлов, при получении строительных материалов с повышенными теплоизоляционными свойствами и воздухонасыщенных пищевых материалов. В основу классификации существующих аппаратов, используемых для получения трехфазных смесей, могут быть положены способы подведения энергии [4] и условия формирования поверхности контакта фаз [5]:

1. с образованием межфазной поверхности за счет энергии компримированного газа (барботатные и газлифтные аппараты);

2. за счет энергии насосов, осуществляющих циркуляцию жидкостей (инжекционно-струйные аппараты);

3. за счет энергии механического устройства, перемешивающего жидкость (самовсасывающие заглубленные мешалки);

4. за счет одновременного ввода энергии в рабочую среду мешалкой и газовой фазой (аппараты с мешалками и принудительной подачей газа). Аппараты с образованием межфазной поверхности за счет энергии компримированного газа и насосов используют в тех случаях, когда требуется большой рабочий объем жидкости. При использовании барботажных систем аэрации, газлифтных и струйных аппаратов необходимы дорогие и сложные в обслуживании компрессорные машины и специальные насосные станции. Для самовсасывающих мешалок возникают сложности в управлении и оптимизации процессов, а с увеличением диаметра рабочей емкости резко увеличиваются затраты мощности.

Аппараты с мешалками обладают рядом преимуществ: высокая степень однородности распределения фаз в рабочем объеме; эффективный массообмен; эксплуатационная гибкость и широкие технологические возможности. Однако имеющиеся конструкции аппаратов с мешалками требуют сложных уплотнительных устройств, которые ненадежны в работе и склонны к зарастанию при работе с твердыми частицами.

Благодаря вышеуказанным преимуществам наряду с низкой себестоимостью изготовления и простоте эксплуатации, применение аппаратов с мешалками для приготовления трехфазных смесей широко распространено. При этом теоретическое описание указанных процессов в аппаратах с мешалками весьма неоднозначно. Таким образом, обобщение теоретических и экспериментальных данных о процессе получения трехфазных систем газ -жидкость - твердое в аппаратах с мешалками и выработка обобщающей методики расчета является актуальной и перспективной задачей, как в научном, так и в практическом аспекте.

Цели и задачи исследования.

Несмотря на то, что аппараты с мешалками применяются для перемешивания трехфазных систем уже давно [6-9], в научно-технической литературе, посвященной многофазным гетерогенным процессам, основное внимание уделяется, как правило, струйным реакторам и барботажным колоннам. Это связано с тем, что в отличие от инжекционно - струйного и пневматического перемешивания, механическое перемешивание в аппаратах с мешалками является процессом чрезвычайно сложным по теоретическому описанию [10,11]. Следует также отметить, что информация по механическому перемешиванию трехфазных систем газ — жидкость - твердое носит ограниченный характер. Поэтому, при описании процессов переноса в трехфазных системах в большинстве работ теоретически решаются только частные вопросы, а для описания самого процесса переноса используются эмпирические или полуэмпирические зависимости [12-15]. В процессе проектирования оборудования для работы с трехфазными системами часто используются данные, полученные для двухфазных систем, которые требуют уточнения в связи с присутствием взаимного влияния фаз.

Таким образом, при расчете процесса перемешивания трехфазных гетерогенных систем в аппаратах с мешалками используются как результаты чисто теоретических исследований, так и эмпирические зависимости.

Цель работы заключается в изучении процесса получения трехфазных систем газ — жидкость — твердое в аппаратах с мешалками, разработке конструкции смесителя и создании методики расчета данного процесса. Для этого решались следующие задачи: анализ существующих теоретических описаний процесса получения трехфазных систем; обзор и систематизация современных конструкций аппаратов предназначенных для получения трехфазных смесей; изучение влияния принудительной подачи газа на жидкость с растворенным в ней поверхностно-активным веществом; определение минимальных скоростей мешалки для появления интенсивной вертикальной циркуляции смеси в аппарате; разработка конструкции смесителя на основе полученных данных; определение оптимальных технологических параметров процесса; проведение эксперимента с применением разработанного смесителя; обработка результатов эксперимента с целью определения влияния режимных параметров работы смесителя на протекание процесса и качество готовой смеси; разработка методики расчета процесса получения трехфазных смесей; внедрение результатов работы на практике.

Научная новизна: разработана математическая модель процесса получения трехфазных систем газ - жидкость - твердое с применением принудительной подачи газа в аппарате с механическим перемешивающим устройством, полностью погруженным в смесь; выявлено решающее влияние принудительной подачи газа в процессе получения трехфазных смесей в аппаратах с механическим перемешивающим устройством; разработана конструкция устройства для получения трехфазных смесей газ - жидкость - твердое, характеризуемых высоким содержанием твердой фазы, защищенная патентом Российской Федерации; создана научно обоснованная и экспериментально проверенная методика инженерного расчета оптимальных режимных и конструктивных параметров смесителя для получения трехфазных смесей.

Практическую ценность представляют: новая конструкция смесителя для получения трехфазных смесей газ — жидкость - твердое с целью повышения качества смеси; инженерная методика расчета рабочих процессов и энергетических характеристик аппаратов с мешалками для получения однородных, устойчивых трехфазных смесей; теоретические и экспериментальные результаты по расчету смесителей для получения трехфазных смесей, применяемые для обработки технологических процессов;

Положения, выдвигаемые на защиту: математическая модель получения трехфазной смеси в лопастном смесителе; результаты экспериментальных исследований зависимости свойств смеси от технологических параметров процесса; конструкция и метод расчета лопастного смесителя для получения трехфазных смесей.

Публикации.

Материалы диссертации изложены и обсуждены на Международной научной конференции «Теоретическое и экспериментальное описание химической аппаратуры» (Краков, 2003 г.), международной конференции молодых ученых, преподавателей, аспирантов и докторантов, старшеклассников и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара: 2003.), Международной научной конференции «Энерго -ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (г. Иваново, 2004 г.), а так же опубликованы в статье «Исследование получения поризованных материалов в лопастном смесителе». (Известия ВУЗов. Химия и химическая технология, - Иваново: 2004) и получен Патент РФ №2236348

Основное содержание диссертации опубликовано в пяти публикациях и одном авторском свидетельстве.

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 6 таблиц, 25 рисунков, список литературы, включающий 98 ссылок, в том числе 26 иностранных. Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов. Первая глава посвящена литературному обзору существующих подходов к описанию процессов получения трехфазных систем в аппаратах с мешалками и

Основные выводы и результаты работы.

1. Выявлены физические условия формирования трехфазных систем в аппарате с мешалкой при использовании принудительной подачи воздуха для аэрирования суспензии. Показано отсутствие флотационных эффектов и дробление пузырей твердыми частицами.

2. Разработан метод расчета среднего газосодержания трехфазных систем с массовым содержанием твердой фазы до 60% с учетом стесненного характера всплывания пузырей газа.

3. Получены расчетные зависимости для определения минимальной частоты вращения мешалки, обеспечивающей отсутствие осадка твердой фазы на днище аппарата, с учетом стесненного характера осаждения твердых частиц. Показано, что с ростом объемного содержания твердой фазы значение минимальной частоты вращения мешалки так же возрастает.

4. С целью установления механизмов переноса твердой и газовой сред при перемешивании трехфазных систем проведены экспериментальные исследования перемешивания суспензий в смесителе с наклонными лопастями и принудительной подачей газовой фазы. Установлено, что при некотором значении времени перемешивания наступает явление насыщения суспензии газовой фазой, когда дальнейшее время пребывания смеси в аппарате не влияет на величину газосодержания.

5. Предложен метод расчета мощности, затрачиваемой для перемешивания трехфазных систем в лопастном смесителе с принудительной подачей газа, что позволяет исключить использование ' эмпирических зависимостей.

6. Разработана методика расчета процесса получения трехфазной смеси в лопастнм смесителе с массовым содержанием твердой фазы до 60% и газосодержанием до 60%.

7. Разработана новая конструкция лопастного смесителя с принудительной подачей газа для получения трехфазных смесей, защищенная патентом РФ.

8. Новый лопастной смеситель для получения трехфазных систем опробован в производстве теплоизоляционных материалов ОАО «Ярнефтехимстрой» и в производстве воздухонасыщенных пищевых продуктов ЗАО «Ярославлькондитер».

94

1. Nauman Е. В., Etchells A. W., Tatterson G. В., Mixing is a pragmatic, high -technology discipline impacts all areas of processing. // Chem. — Eng. — Progress. - 1988.84, №3, c. 58-69.

2. GVS Fachausschuss "Mehphasenstomung". // Chem. — Eng. - Techn. -2002.74, № 4, c. 473-475/.

3. Теория и практика массообменных процессов и химической технологии. Марушкинские чтения. Материалы 2 международной научной конференции. Уфа 30.10.01-01.11.01. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2001 - 199 с.

4. Соколов В. Н., Доманский И. В. Газожидкостные реакторы. — JL: Машиностроение, 1975 -214 с.

5. Аткинсон Б. М. Биохимические реакторы. — М.: Пищевая промышленность, 1979 280 с.

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

7. Кафаров В. В., Клипиницер В. А., Жерновая И. М Перемешивание в гетерогенных системах жидкость газ - твердое тело. Теория и практика перемешивания в жидких средах. Тезисы доклада 2 всесоюзной конференции, Черкассы, 1973. -М.: НИИЭХИМ. 1973, с. 229-236.

8. Брагинский Л. Н., Бегачев В. И., Барабаш В. М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984 - 336 с.

9. Стренк Ф. Л. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975-384 с.

10. Tatterson G. Mixing theories. // Chem. Eng. - Progr. 1993.89, № 11, c. 9-10.

11. Kikuchi Ken-Ichi, Ishida Kazuhiko, Enda Shigeyuki, Takahashi Hiroshi. Gasliquid mass transfer in two-and threefase up flows through a vertical tube. // Can.-J.-Chem.-Eng. 1995.73, № 6, c. 826-832.

12. Mitrovic. Milan. Transport phenomena in multiphase systems. // J. Serb. -Chem. - Soc. 1996.61, № 4-5, c. 233-251.

13. Вшиневецкая О. E., Барабаш В. M., Кулов Н. Н. Массоотдача от твердых частиц в аппарате с мешалкой. // Теоретические основы химических технологий. 1996.30, №5, с. 485-492.

14. Wang Linfu. Ein Dreiphasen Ruhrkessek - Reaktor model mitchemischer Reaktion beliebiger Ordnung. // Chem. Techn. 1995.47, № 6, c. 302-305.

15. Детков В. П. Аэрированные суспензии для цементирования схватки. М.: Недра, 1991-170 с.

16. Горлов Ю. П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. М.: Высшая школа., 1989, 384 с.

17. Зейфман М. И. Изготовление силикатного кирпича и силикатных ячеистых материалов. М.: Стройиздат, 1990- 184 с.

18. Van Dierendonck L. L., Fortuit J. M. H., Vanderboss D. The specific contacttViarea in gas-liquid reactor. In.: Proc. 4 European Symp. On the Chem. Reaction. Eng. Brussels, Belgium. 1968, c. 205-211.

19. Chapman С. M., Neinow A. W., Cooke M., Middleton J. C. Particle-Gas-Liquid Mixing In stirred Vessels. Part II: Gas-liquid mixing. // Chem. Eng. -Res.-Des. 1983.61, №2 - c. 82-95.

20. Барабаш В. M., Брагинский JI. Н., Горбачева Г. В. О расчете газосодержания в аппарате с мешалками. // Теоретические основы химических технологий. 1987.21, №5 с. 654-660.

21. Edited by Kulov N. N. Gas (Vapor) Liquid Systems. Chapter G.: Hydrodynamics and mass transfer in agitated gas-liquid systems. Nova science publishers Inc. New York. 1996 c. 215-265.

22. Кафаров В. В. Процессы перемешивания в жидких средах. М.: ГНТИХЛ. 1949-88 с.

23. Calderbank P. Н., MOO Joung М. В. The continuous phase heat and mass transfer properties of dispersions. // Chem. - Eng. - sci. 1961.16 №1 s. 39-45.

24. Zlokarnik M., Judat H. Tubular and propeller stirrerson effective stirrer combination for simultaneous gassing and suspending. // Chem. Eng. -Techn. 1969.41 №23 c. 1270-1273.

25. Беляков H. Г. Исследование массопередачи в трехфазных системах газ-жидкость твердое тело в аппаратах с механическим перемешиванием. Диссертация кандидата технических наук НИИОП и К. Москва 1979 -200 с.

26. Karten Н., Zechner P. Slurry reactions. // Germ. Chem. Eng. 1979.2 с. 220227.

27. Wiedmann J.-A., Steiff A., Weinspach P.-M. Experi mantal investigations of suspension, dispersion, power, gas hold-up and flooding characteristics in stirred gas-solid-liquid systems (slurry reactors). // Chem. Eng. Commum. 1980.6 c. 245-256.

28. Wiedmann J.-A., Steiff A., Weinspach P. -M. Fluid dynamics of stirred three phase reactors. // Germ. Chem. Eng. 1981.4 c. 125-136.

29. Патент № 2173257 CI РФ. МКИ В 25 С 5-38. Смеситель для получения ячеистобетонной смеси. / Удачкин И. Б., Гусенков С. А., Макаров А. Н., Удачкин В. И., Смирнов В. М., Галкин С. Д., Ерофеев В. С. Опубл. 10.09.2001.

30. Патент № 2124437 С1 РФ. МКИ В 28 С 5/38. Устройство для приготовления быстротвердеющих ячеистых строительных смесей на основе минерального вяжущего. / Шамис Е. Е., Волков Л. А., Зубко В. Е., Дудко О. В. И др. Опубл. 10.01.99.

31. А. с. № 1784466 А1 СССР. МКИ В 28 С 5/38. Устройство для приготовления поризованных строительных смесей. / Федынин Н. И. -Опубл. 30.12.92. Бюл. № 48

32. Патент № 2081099 С1 РФ. МКИ В 28 С 5/16. Способ приготовления поризованной строительной смеси и устройство для его осуществления (варианты). / Коротышевский О В., Шкуридин В. Г. Опубл. 10.06.97. Бюл. № 16

33. Патент № 2136490 С1 РФ. МКИ В 28 С 9/00. Линия для изготовления сверхлегкого бетона. / Вотинцев В. С., Герасимов А. Г., Козлов П. А., Матвеев В. В., Миронова Т. Ф. Опубл. 10.09.99.

34. Патент № 2148494 С1 РФ. МКИ В 28 С 5/38. Способ и устройство для приготовления пенобетона. / Иваницкий В. В., Гудков Ю. В., Ахундов А. А., Чернов О. Д. Опубл. 10.05.2000.

35. Патент № 2115551 С1 РФ. МКИ В28 С 5/14. Пенобетоносмеситель типа «ПБС-3». / Куцемелов И. Б., Коломацкий С. И., Коломацкий Е. И. и др. -Опубл. 20.07.98

36. Патент № 2136492 С1 РФ. МКИ В 28 С 5/38. Установка для приготовления пенобетонной смеси. / Гудков Ю. В., Денисов Г. А., Ахундов А. А., Иваноицкий В. В., Чернов О. Д. Опубл. 10.09.99.

37. Патент № 2120855 С1 РФ. МКИ В 28 С 5/16. Смеситель непрерывного действия. / Удачкин И. Б., Пылаев А. Я., Щукин Г. Е., Степнов О. П. -Опубл. 27.10.98

38. Патент № 2080993 С1 РФ. МКИ В 28 С 5/38. Способ непрерывного приготовления пенобетонной смеси и устройство для его осуществления. / Пылаев А. Я. Опубл. 10.06.97.

39. А.с. № 1761512 А1 СССР. МКИ В 28 С 5/38. Установка для приготовления пенобетона. / Степаненко В. В., Лычаков В. И., Тур К. Л., Гончар В. Ф., Иваницкий В. В., Бурьянов А. Ф., Корчагин В. Ф., Савин Ю. Н. Опубл. 15.09.92. Бюл. № 34.

40. А.с. № 1636030 А1 СССР. МКИ В 01 F 7/08. Дозатор-смеситель сыпучих материалов. / Миразанашвили К. А., Таруашвили Д. К., Мепаришвили Г. Ш., Гоготишвили Ц. А. Опубл. 23.03.91. Бюл. №11.

41. А. с. № 1645167 А1 СССР. МКИ В 28 С 5/38. Смеситель. Довнар Н. И., Довнар В. Ф. Опубл. 30.04.91. Бюл. № 16.

42. Kneule F. Die erzeugung von suspensionen in ruhrwerken. // Chem. Ingr. Techn.-1956.-Bd. 28, Nr. 1.- c. 221-224.

43. Zwietering T.N. Suspending of solid particles in liquid by agitators. // Chem. Eng. Sci.-1958.- V. 8, No 3/4.- P. 244 254.

44. Baldi G., Conti R., Alaria F. Complete suspension of particles in mechanically agitated vessels. // Chem. Eng. Sci.-1978.- V. 33, No 1.- c. 21 25.

45. Raghava Rao, Rewatkar V.B., Joshi J.B. Critical impeller speed for solid suspension in mechanically agitated contactors. // AIChE J.-1988.- V. 34, No 8.- c. 1332-1340.

46. Bao Yuyun, Huang Xionglin, Shi Litian, Wang Yingchen. Mechanism of offbottom suspension of solid particles in a mechanical stirred tank. Chin. J. Chem. Eng: 2002.10 № 4, c. 476-479.

47. Козлова Е.Г. Перемешивание высококонцентрированных полидисперсных суспензий: Дис. канд. техн. наук. / ЛенНИИхиммаш. -Л., 1988.-211 с.

48. Барабаш В.М., Брагинский Л.Н., Козлова Е.Г. Применение аппаратов с перемешивающими устройствами для перемешивания высококонцентрированных суспензий. // ТОХТ.-1990.- Т. XXIV, № 1.- С. 63-71.

49. Барабаш В.М., Зеленский В.Е. Перемешивание суспензий. // ТОХТ.-1997.-Т. XXXI, №5.-С. 465-471.

50. Зеленский В. Е. Основные закономерности процесса перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками. Дис. канд. техн. наук. С.-Петербургский гос. технол. ин-т. (технол. универ.). Санкт-петербург. 2002 г. 200 с.

51. РД 26-01-90-85. Механические перемешивающие устройства. Метод расчета.- М.: Изд. СОЮЗХИММАШ, 1985.- 256 с.

52. Kurten Н., Zechner P. Slurry reactors. // Germ. Chem. Eng.-1979.- V. 2.- с. 220 -227.

53. Frijlink J.J. Physical aspects of gassed suspension reactors.- Delft Technical University, Netherlands.-1987.-174 c.

54. Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины и аппараты.- М.: Недра, 1982.-200с.

55. Machon V., Pacek A.W., Nienow A.W. Influence of physical properties on mean bubble size in stirred aerated vessels. // In.: Proc. 12th Int. Congress of Chem. and Process Eng. Praha, Czech Republic.-1996.- PI.22.-12 c.

56. Coy С. Гидродинамика многофазных систем.- M.: Мир, 1971.- 536 с.

57. Брагинский Л.Н. Распределение твердых частиц по высоте в аппаратах без отражательных перегородок. // ТОХТ.-1968.- Т. П, № 1.- С. 146 -150.

58. Фортье А. Механика суспензий.- М.: Мир, 1971.- 264 с.

59. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт: основы расчета.- М.: Недра, 1980.-293 с.64