Кристаллизация перегретых расплавов индивидуальных веществ на различных охлаждаемых поверхностях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Суконкин, Владимир Петрович

• Суконкин, Владимир Петрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Суконкин, Владимир Петрович

Введение.

Основные условные обозначения.

Глава 1. Анализ литературных данных по вопросам кристаллизации расплавов.

1.1. Основные особенности кристаллизации расплавов.

1.2. Отверждение легкокристаллизующихся расплавов.

1.2.1. Кристаллизация на плоских поверхностях.

1.2.2. Кристаллизация на цилиндрических поверхностях.

1.2.3. Кристаллизация на сферических поверхностях.

1.3. Отверждение расплавов, склонных к переохлаждению

1.4. Отверждение бинарных и многокомпонентных расплавов.!.

1.5. Экспериментальные исследования процесса кристаллизации на охлаждаемых поверхностях.

1.6. Исследования процесса кристаллизации методами моделирования.

1.7. Аппаратурное оформление процесса отверждения расплавов.

1.8. Выводы.'.

Глава 2. Кристаллизация расплавов на плоских охлаждаемых поверхностях.

2.1. Теоретический анализ процесса кристаллизации при постоянном перегреве расплава.

2.1.1. Стадия простого охлаждения.

2.1.2. Стадия кристаллизации.

2.1.3. Анализ полученных зависимостей.

2.2. Теоретический анализ процесса кристаллизации без перегрева расплава.

2.2.1. Стадия простого охлаждения.

2.2.2. Стадия кристаллизации.

2.2.3. Анализ полученных зависимостей.

2.3. Экспериментальные исследования процесса кристаллизации на плоской охлаждаемой поверхности.

2.3.1. Схема установки и методики исследований.

2.3.2. Экспериментальные данные.

Глава 3. Кристаллизация при стенании плёнки расплава по плоской охлаждаемой поверхности.

3.1. Теоретическое описание процесса.

3.1.1. Стадия простого охлаждения.

3.1.2. Стадия кристаллизации.

3.1.3. Анализ полученных зависимостей.

3.2. Экспериментальные исследования.

3.2.1. Схема установки и методика экспериментов.

3.2.2. Результаты экспериментов и их обсуждение.

Глава 4. Кристаллизация при стекании плёнки расплава по охлаждаемой трубе.

4.1. Теоретическое описание процесса.

4.1.1. Стадия простого охлаждения расплава.

4.1.2. Стадия кристаллизации.

4.2. Анализ влияния технологических параметров на ход процесса кристаллизации.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кристаллизация перегретых расплавов индивидуальных веществ на различных охлаждаемых поверхностях»

Процесс кристаллизации расплава, как известно, широко используется в различных отраслях промышленности: химической, пищевой, металлургической, коксохимической, нефтехимической, и др. Изучению его закономерностей посвящено значительное число публикаций. Однако, несмотря на это данный процесс всё же остаётся слабо изученным. Это объясняется, с одной стороны, его сложностью, а с другой стороны, разнообразием методов и способов его реализации.

Закономерности процесса кристаллизации сильно зависят от компонентного состава расплава и способов его охлаждения. Для индивидуальных (однокомпонентных) веществ при охлаждении расплавов, чаще всего имеет место так называемый «направленный» рост кристаллической фазы. В данном случае кристаллы первоначально возникают на охлаждаемых поверхностях кристаллизаторов, а далее кристаллизация происходит в виде монолитного слоя, толщина которого постепенно увеличивается во времени. При этом фронт кристаллизации с определённой скоростью перемещается в глубь расплава.

Для бинарных и многокомпонентных расплавов возможны два механизма кристаллизации. При малых градиентах температуры обычно происходит зарождение и рост кристаллов во всём объёме расплава -наблюдается так называемая «массовая» кристаллизация, а при значительных градиентах температуры имеет место «направленный» рост кристаллов.

Темой данной диссертационной работы является исследования кинетических закономерностей процесса кристаллизации перегретых расплавов на поверхности различных охлаждающих элементов. При этом были изучены следующие варианты рассматриваемого процесса: кристаллизация подогреваемого и не подогреваемого расплава на плоских поверхностях, кристаллизация перегретого расплава, стекающего в виде тонкой плёнки по плоским и цилиндрическим вертикальным поверхностям.

Исследования проводились применительно к кристаллизации расплавов индивидуальных, легко кристаллизующихся веществ. Для таких веществ кинетика процесса кристаллизации определяется в основном интенсивностью теплопередачи в системе.

Целью проводимых исследований являлась разработка достаточно точных инженерных методов расчёта рассматриваемых процессов. Полученные теоретические уравнения были сопоставлены с экспериментальными данными, а также с имеющимися в литературе теоретическими зависимостями.

Предложенные теоретические модели могут быть использованы как при расчёте кристаллизаторов для гранулирования и отверждения расплавов, так и при расчёте аппаратов для глубокой очистки веществ от примесей методами фракционной кристаллизации расплавов на различных охлаждаемых поверхностях.

Автор выражает большую благодарность кандидату технических наук Касымбекову Б.А. за помощь, оказанную при выполнении данной диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБ ОЗНАЧЕНИЯ ак - коэффициент температуропроводности кристаллической фазы; ар - коэффициент температуропроводности расплава; ск - теплоёмкость кристаллической фазы; сст - теплоёмкость материала стенки; • • - ■ ср - теплоёмкость расплава; /- поверхность; h - высота (протяжённость) элемента; hH - протяжённость участка простого охлаждения; k - коэффициент теплопередачи от расплава к хладагенту;

LK - теплота кристаллизации вещества;

R - радиус формы, трубы; г — текущий радиус; г - радиус фронта кристаллизации;

QaK - аккумулированная теплота;

Qa.i - теплота, выделяющаяся при изменении теплосодержания кристаллического слоя;

Оа. 2 - теплота, выделяющаяся при изменении теплосодержания стенки аппарата;

Окр - теплота фазового превращения;

Qохл - теплота, отводимая хладагентом;

Ор - теплота, поступающая из расплава; s - толщина слоя расплава;

S„ - ширина охлаждаемой поверхности; t - текущая температура; tKp - температура кристаллизации вещества; t„ - температура поверхности стенки; tp - температура расплава; tpo - исходная температура расплава; tpH - температура расплава в конце стадии простого охлаждения; tc - температура охлаждающего агента;

Vj, - линейная скорость роста кристаллов;

Vp - объёмный расход расплава; w3 - скорость зарождения; w„ - средняя скорость плёнки; х - координата, размер; ар - коэффициент теплоотдачи от расплава к границе раздела фаз; ас - коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту;

SK - толщина кристаллического слоя;

8» - толщина плёнки;

San - толщина стенки;

Atp - перегрев расплава;

Дtpo - перегрев расплава в начале процесса;

Лк - коэффициент теплопроводности кристаллической фазы;

Лр - коэффициент теплопроводности расплава;

Лст - коэффициент теплопроводности стенки; лр - коэффициент динамической вязкости расплава; рк - плотность кристаллической фазы; рр - плотность расплава; рст - плотность материала стенки; г- продолжительность процесса. т„ - продолжительность стадии простого охлаждения.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Суконкин, Владимир Петрович

ВЫВОДЫ

1. Теоретически рассмотрены два варианта проведения процесса кристаллизации перегретых расплавов на плоских охлаждаемых поверхностях: при поддержании постоянного перегрева расплава и при переменном перегреве расплава, когда температура расплава в процессе кристаллизации понижается за счёт теплообмена расплава с границей раздела фаз. При этом получен ряд теоретических зависимостей, описывающих динамику процесса кристаллизации.

2. Используя полученные теоретические зависимости, выполнен анализ влияния различных параметров (величины исходного перегрева расплава, температуры охлаждающего агента, толщины слоя расплава, интенсивности внешнего и внутреннего теплообмена и др.) на ход процесса кристаллизации. Проанализировано также влияние различных допущений на кинетику процесса кристаллизации.

3. Проведены экспериментальные исследования процесса кристаллизации перегретых расплавов на плоском охлаждаемом элементе при различных режимах проведения процесса. Произведено сопоставление опытных и расчетных данных. Показано, что неучёт перегрева расплава и термического сопротивления со стороны хладагента может привести к значительному завышению расчетных данных. . .

4. Теоретически рассмотрен процесс кристаллизации при стекании плёнки расплава по плоским и цилиндрическим охлаждаемым поверхностям.

5. Используя полученные зависимости, выполнен анализ влияния различных параметров на кинетику плёночной кристаллизации. Произведено сопоставление расчетных и опытных данных.

6. Полученные теоретические зависимости могут быть использованы для расчётов ёмкостных, барабанных, дисковых и плёночных кристаллизаторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Суконкин, Владимир Петрович, 2003 год

1. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники кристаллизации расплавов,-М.:Химия.1975.-346с.

2. Маллин Д.У. Кристаллизация.-М.:Металлургия.1965.-342с.

3. Матусевич Л.Н. Кристализация из растворов в химической промышленности.-М.:Химия.1968.-304с.

4. Бэмфорд А.В. Промышленная кристаллизация.-М.:Химия.1969.-240с.

5. Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности.-М.: Химия. 1979.-344с.

6. Вильке Н.Г. Методы выращивания монокристаллов.-М.:Мир.1968.-423с.

7. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники фракционной кристаллизации.-М.:Химия. 1982.-304с.

8. Кидяров Б.И., Кинетика образования кристаллов из жидкой фазы. Новосибирск. :Наука. 1979.-134с.

9. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., КольцоваЭ.М. Системный анализ процессов химической технологии//Процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы.М.,Наука,1983.-368с.

10. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкости.'-М.:изд.АН СССР. 1945.-430с.

11. Данилов В.И. Строение и кристаллизация жидкости.Киев.-изд.А.Н. УССР.1959.-586с.

12. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки.-М.:Машгиз.1960.-435с.

13. Лыков А.В. Теория теплопроводности.-М.:Высшая школа. 1967.-593с.

14. Любов Б.Я. Теория кристаллизации в больших объёмах.- М.: Наука. 1975.-252с.

15. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки.М.: Машиностроение.т.2,1979.-335с.

16. Рубиннггейн Л.И. Проблема Стефана. Рига.:3ваизгне.1967.-457с.

17. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твёрдых тел.-М.:Высшая школа. 1985.-480с.

18. Макоткин А.В. Исследование процесса кристаллизации расплавов на охлаждаемой поверхности вращающегося барабана.-Канд.дисс.М., МИТХТ,1973, -130с.

19. Пароконный В.Д. Исследование закономерностей кристаллизации расплавов на охлаждаемых поверхностях.-Канд.дисс.М.,МИТХТ,1978, 150с.

20. Правниченко В.В. Кристаллизация расплавов веществ, склонных кпереохлаждению, на охлаждаемых поверхностях.Канд.дисс.М.,МИТХТ, 1984,-с. 195.

21. Карташов Э.М., Любов Б.Я. Аналитические методы решения краевых задач уравнения теплопроводности в области с движущимися границами//Изв.АН СССР.Сер.Энергетика и транспорт,1974,№6,с.83-111.

22. Карташов Э.М., Нечаев В.М. Метод функций Грина при решении краевых задач уравнения теплопроводности в нецилиндрических областях/ЯТрикл. матем. и мех.ГДР,1978,№58,-с.199-208.

23. Квальвассер В.И., Рутнер Я.Ф. Метод нахождения функции Грина краевых задач уравнения теплопроводности для отрезка прямой сравномерно движущимися границами//Докл.АН СССР,1964,т. 156,№6,-с.1273-1276.

24. Мартынов Г.А. О распространении тепла в двухфазной среде призаданном законе движения границ фаз//Журн. техн. физики, 1955,т.25, №10,-с. 1754-1767.

25. Антимиров М.В., Геллер З.И. Решение тепловых задач при движении границы по закону /?^//Инж.-физ. журн.,1964,т.7,№9,-с.57-63.

26. Карташов Э.М., Любов Б.Я. Метод решения обобщённых тепловых задач в области с границей, движущейся по параболическому закону//Журн. тех. физики, 1971 ,т.61 ,№1,-с.З-16.

27. Любов Б.Я., Картащов Э.М. Метод решения краевых задач диффузии для области с границей, движущейся по произвольному закону//Изв. вузов, Сер.Физика,1970,№12,-с. 97-101.

28. Гринберг Г. А. Об одном возможном методе подхода к рассмотрению задач теории теплопроводности, диффузии, волновых и им подобных при наличии движущихся границ и о некоторых иных его приложениях// Прикл. матем. и мех.,1967,т.31,№2,-с.393-403.

29. Карташов Э.М. Об одной задаче диффузии в области с подвижной границей// Теплофизика высоких температур,1967,№2,-с.308-316.

30. Дорошенко А.П. Асимптотическое решение первой краевой задачи с подвижной границей//Изв. АН Казах,ССР,Сер. Физ.-матем.,1970,№5,-с.76-78.

31. Коздоба Л.А. Электромоделирование температурных полей в деталях судовых энергетических установок.-К:1964.-с.292.

32. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем.-М.:1971,-с.286.

33. Heertjes P.M., Ong T.I. Crystallisation of Water by Undirectional cooling//Brit. Chem.Eng.,vol.5,1960,p.413-419.

34. Лейбензон Л.С. Руководство по нефтепромысловой механике. ГНТИ.1931,-с.149.

35. Гельперин Н.И., Носов Г.А., Макоткин А.В. Охлаждение расплавов на охлаждаемой поверхности валковых кристаллизаторов.//ТОХТ, т.7,№6,1973,-с.870-877.

36. Goodman T.R., The Heat Balance Integral and its Application to the Problems Involving a Change of Phase/mans. ASME, vol.80,1958,-p.84-94.

37. Тамарин B.M. Исследование теплообмена при кристаллизации из расплава//Хим. и нефт. маш.,№2,1965,-с.24-27.

38. Лукьянов B.C. Методика расчёта промерзания грунта.-М: Трансжелдориздат. 1957,-с.28.

39. Иванцов Г.П. Теплообмен между слитком и изложницей.-М: Метаплургиздат. 1951,-с.40.

40. Любов Б .Я. Вычисление скорости затвердевания металлического слитка// Докл.АН СССР,1949,т.68,№5,-с.847-850.

41. Любов Б.Я., Ройтбуру А.Л., Тёмкин Д.Е. Математический анализ процесса кристаллизации в телах простейшей формы//Рост кристаллов,т.3,1961,-с.68-74.

42. Ковнер С.С. Об одной задаче теплопроводности//Журнал геофизики,т.3,№1,1933,-с.32-41.

43. Ткачёв А.Г., Данилова Г.Н. Теплообмен при намораживании льда// Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества,Л. М.Госэнергоиздат, 1953,-с. 198-208.

44. Лейбензон Л.С. К вопросу об отвердевании земного шара из первоначально расплавленного состояния//Изв. АН СССР,Сер. Геогр и геофизика,1939.№6,-с.625-660.

45. Юшков П.П., Ржевская В.Б. Намораживание слоя льда заданной толщины при натекании жидкости на охлаждённую цилиндрическую поверхность

46. ИФК,т.27,№4,1974,-с.667-671.

47. London A.L., Seban R.A. Rate of Ice Fonnation//Trans.ASME,vol.65,№7, 1943, -p.771-779.

48. Чижёв Г.Б. Вопросы теории замораживания пищевых продуктов.М: Пищепромиздат. 1956.-е. 142.

49. Гельперин Н.И., Носов Г.А., Филиппов В.В. Продолжительность процесса кристаллизации расплава при контакте с жидким хладоагентом /Яруды МИТХТ,т.2,вып. 1,1972,-с. 114-121.

50. Филиппов В.В. Исследование некоторых закономерностей кристаллизации расплавов органических веществ.-Канд.дисс.М., МИТХТ,1972,-с.201.

51. Иванцов Г.П. Температурное поле вокруг шарообразного, цилиндрического и иглообразного кристалла, растущего из переохлаждённого расплава//ДАН СССР,т.58,№4,1947,-с.567-569.

52. Любов Б.Я. Об оценке величины переохлаждения на границе раздела фаз при кристаллизации//Рост кристаллов,т.5,М.,Наука,1965,-с.100-105.

53. Видин Ю.В., Колосов В.В., Журавлёв П.В. К исследованию теплообмена в стекающей плёнке жидкости.//Теплообмен и гидродинамика, Красноярск, 1981 ,-с.75.

54. Heertjes P.M., de Leew den Bouter J.A. Subcooling effect in a crystallisation system//Chem. and Piec. Eng.,1965,v.46,№12,-p.654-658.

55. Гельперин Н.И., Носов Г.А., Пароконный В.Д. Кристаллизация при наличии переохлаждения расплавов на границе раздела фаз//ЖВХО им. Д.И.Менделеева, 1976,т.21 ,№3,-с.351 -356.

56. Пономаренко В.Г., Бей В.И., Потебня Г.Ф. О кинетике кристаллизации расплавов на охлаждаемой стенке//ТОХТ, 1981 ,t.XV,№4,-c.63 1.

57. Самойлович Ю.А. Динамика переохлаждения пространственно -однородного расплава в условиях неизотермической кристаллизации.// Труды ВНИИМТ.М.,Металлургия, 1970,№21 ,-с.27-33.

58. Пономаренко В.Г., Потебня Г.Ф., Бей В.И. Кинетика кристаллизации расплавов на охлаждаемой стенке//Пром.теплотехника,1981,т.З,№5,-с.42-47.

59. Хоршев В.И. Исследование процесса разделения бинарных смесей путём сочетания процессов кристаллизации и плавления.-Канд.дисс.М., МИТХТ,1980,-с.162.

60. Бочвар А.А., Кузьмина В.В.//Изв АН СССР,ОТН,1946,№10,-с.1459-1463.

61. Гельперин Н.И., Носов Г.А., Макоткин А.В.//Учёные записки МИТХТ, т. 1,-с. 130-134.

62. Рекомендуемые технические материалы к ОСТ26 -01 1431 -76, УкрНИИХИММАШ, Харьков,1982,-с.132.

63. Heertjes P.M., De Leenden Bouter J.A. Subcooling Effects in a Crystallisation System//Chem. and Process Eng.,v.46,№12,1965,-p.654-658.

64. Вольфсон Б.Н., Барабанный охладитель для пека, нафталина, серы и других процессов коксохимии//Кокс и химия,1939,№9,-с.41-44.

65. Лапин И.В. и др. О тепловых изменениях в процессе кристаллизации чистых органических веществ на охлаждаемой поверхности//ТОХТ,т.УП, ХЬ6,1973,-с.864-867.

66. Короткое Н.П., Моторов Н.П., Скворцов А.А., Акименко А.Д. Промышленное применение непрерывной разливки стали. Л., Судпромиздат.,1958,-с. 152.

67. Новосёлов В.Ф., Черликин В.И. Остывание горячих нефтей и нефтеподуктов в остановленных трубопроводах//Тр. МИНХ и ГП им. Губкина, вып.23,1958,-с.130-141.

68. Тамарин В.М. Исследования теплообмена при кристаллизации из расплава//Теплофизика и теплотехника,Киев^АН УССР,1964,-с.21-27.

69. Вольфсон Б.Н. К расчёту кристаллизаторов для расплавленных веществ// Хим. пром.,№9,1962,-с.658-659.71. Ёлкин Л.Н., Лекае В.М. Барабанные кристаллизаторы//Тр.МХТИ им.Д.И.Менделеева, вып.33,1961,-с.151-160.

70. Chaty I.C., O'Hern Н.А. An Engineering Studu of the Rotary Drum Crystallizer //AlChe lorn, vol.10,№1,1964,-p.74-79.

71. Гельперин Н.И., Таран A.B., Лапшенков Г.И. Отверждение серы на охлаждаемых поверхностях (на примере барабанных кристаллизаторов) //Химия и технология неорганических производств., М, МИТХТ,1979, т.1Х, вып. 1,-с. 100-104.

72. Черняев Ю.Л., Фракционная кристаллизация расплавов на поверхности вращающихся элементов.-Канд.дисс.,М.;МИТХТ,1989,-с. 176.

73. Казакова Е.Н. Грануляция и охлаждение в аппаратах с кипящим слоем.М: Химия. 1973.-с.99.

74. Morrison М.Е. Numerical Evaluation of Temperature Profils and Interface Position in Filaments Undergoing. Solidification//AIChe I.,vol. 16,№1,1970, -p.57-65.

75. Oliver D.R. The Effects of Natural Convection on Viscons Flow Heat Transferin Horizontal Tubes//Chem. Eng. Sci.,vol. 17,1962,-p.335-350.

76. Гельперин Н.И., Лапшенков Г.И., Таран А.Л., Таран А.В. К методике решения задач нестационарной теплопроводности при наличии фазового перехода на сетках резисторов//ТОХТ,1976,т.Х,№5,-с.785-787.

77. Таран А.Л. Исследование процесса кристаллизации однокомпонентных расплавов методом электроаналогии.-Канд. дисс.,М.,МИТХТ,1976,-с.287.

78. Таран А.В. Исследование процесса кристаллизации веществ, склонных к переохлаждению.-Канд. дисс. М.,МИТХТ,1978,-с.257.

79. Бобков В.А. Производство и применение водного льда.М:Госторгиздат. 1961.-с. 165.

80. Покровский Н.К. Холодильные машины и установки.М:Пищ. промышленность. 1960.-c.556.

81. Белявский В.Е., Туманский, А.С., Абарурова Т.П. Лакокрасочные материалы и их применение.,1963,№6,-с.70-76.

82. Туманский А.С., Гельперин Н.И., Аграненко С.А. Лакокрасочные материалы и их применение, 1968,№2,-с.59-63.

83. Казулин Н.А., Шапиро А .Я., Гавурина Р.К. Оборудования для производства и переработки пластических масс.Л.:Химия.1967.-с.783.

84. Рудакова Н.Я., Тимошина А.В., Черепнёва Е.И. Производство парафина.М. :Гостоптехиздат. 1960.-е. 130.

85. Колянд Л.Я. Улавливание и переработка химических продуктов коксования.,Харьков, Металлургиздат, 1962,-с.468.

86. Брон Я.А. Переработка каменноугольной смолы.М.:Металлургиздат. 1963.-c.272. ■

87. Улавливание и переработка химических продуктов коксования// Справочник коксохимика,т.З,М,Металлургиздат,1966,-с.391.

88. Сенюта В.Н. и др., Кокс и химия,1969,№5,-с.46-48.

89. Лунин О.Г., Черноиванник А.Я. Оборудование предприятий кондитерской промышленности.М.:Пищепромиздат. 1963 .-с.451.

90. Гуревич С.Г., Ильященко Г.А., Свириденко С.Х. Машины для переработки термопластичных материалов.М.Машиностроение. 1965.-с.384.

91. Завгородний В.К., Калинчев Э.Л., Марам Е.И. Литьевые машины для термопластов и реактопластов.М.:Машиностроение.1968.-с.376.

92. Белопухов А.К. и др. Литьё под давлением.М.:Матгиз.1962.-с.399.

93. Вынту В. Технология нефтехимических производств.М.:Химия.1968.-с.350.

94. Шахова Н.А., Бахтин Л.А., Соколовский А.А. Хим.пром.,1965,№8,-с.594-596.

95. Шахова Н.А. и др. Хим. пром.,1968,№6,-с.444-446.

96. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям.М.:Наука. 1976.-c.576.

97. Свалов Г.Н. Хим. и нефт. маш.,1969,№4,-с.16-18.

98. Холл Дж., Уатт Дж. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений.М.:Мир.1979.-с.312.

99. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии (под ред. В .Г. Айнпггейна), М.:Химия,1999,к1 ,-с.888.