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 объемеэффективный массообменэксплуатационная 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 газжидкость — 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 системобзор и систематизация современных конструкций аппаратов предназначенных для получения трехфазных смесейизучение влияния принудительной подачи газа на жидкость с растворенным в ней поверхностно-активным веществомопределение минимальных скоростей мешалки для появления интенсивной вертикальной циркуляции смеси в аппаратеразработка конструкции смесителя на основе полученных данныхопределение оптимальных технологических параметров процессапроведение эксперимента с применением разработанного смесителяобработка результатов эксперимента с целью определения влияния режимных параметров работы смесителя на протекание процесса и качество готовой смесиразработка методики расчета процесса получения трехфазных смесейвнедрение 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 смесьвыявлено решающее влияние принудительной подачи газа в процессе получения трехфазных смесей в аппаратах с механическим перемешивающим устройствомразработана конструкция устройства для получения трехфазных смесей газ — жидкость — твердое, характеризуемых высоким содержанием твердой фазы, защищенная патентом Российской Федерациисоздана 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 смесиинженерная методика расчета рабочих процессов и энергетических характеристик аппаратов с мешалками для получения однородных, устойчивых трехфазных смесейтеоретические 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 смесителерезультаты экспериментальных исследований зависимости свойств смеси от технологических параметров процессаконструкция 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 «Энергоресурсосберегающие 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 № 2 236 348.

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».