Совершенствование процесса и математическое описание получения трехфазной смеси в лопастном смесителе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Голубь, Григорий Николаевич

• Голубь, Григорий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Голубь, Григорий Николаевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса и математическое описание получения трехфазной смеси в лопастном смесителе»

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

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Голубь, Григорий Николаевич

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Голубь, Григорий Николаевич, 2005 год

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