Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления и результаты исследований процессов перемешивания двухфазных и трехфазных систем в аппаратах с мешалками 13
1.1. Перемешивание двухфазных систем 13
1.1.1. Перемешивание систем жидкость - твердое тело 13
1.1.1.1. Суспендирование в аппаратах с мешалками 14
1.1.1.2. Распределение твердых частиц в рабочем объеме аппарата 24
1.1.2. Перемешивание систем жидкость -газ 27
1.1.2.1. Затраты мощности при перемешивании систем жидкость - газ... 28
1.1.2.2. Формирование систем жидкость - газ 32
1.1.2.3. Среднее газосодержание среды и размеры пузырей 35
1.2. Перемешивание трехфазных систем 42
1.2.1. Рекомендации по конструктивному оформлению аппаратов с мешалками, предназначенных для перемешивания трехфазных систем 43
1.2.2. Взаимодействие газовых пузырей и твердых частиц в трехфазных системах 54
1.2.2.1. Влияние газовой фазы на гидродинамику системы жидкость - твердое тело 64
1.2.2.2. Влияние твердых частиц на систему жидкость - газ 73
Глава 2. Теоретический анализ процессов механического перемешивания суспензий, систем жидкость - газ и жидкость - газ - твердое тело 77
2.1. Моделирование процессов суспендирования твердых частиц в аппаратах с отражательными перегородками 77
2.1.1. Перемешивание суспензий мешалками с наклонными лопастями 78
2.1.2. Перемешивание суспензий мешалками с вертикальными лопастями 83
2.2. Перемешивание систем жидкость-газ 89
2.3. Моделирование процессов перемешивания систем жидкость - газ - твердое тело 92
2.3.1. Формирование трехфазных систем 92
2.3.2. Анализ взаимного влияния дисперсных фаз 93
2.3.2.1. Взаимодействие твердых частиц и газовых пузырей в турбулентном потоке трехфазной пульпы 93
2.3.2.2. Влияние твердых частиц на газосодержание системы 97
2.3.3. Условия подъема твердых частиц с днища аппарата при перемешивании трехфазных систем 105
2.3.4. Влияние газовой фазы на массообмен между жидкой и твердой фазами при механическом перемешивании 110
Глава 3. Экспериментальные исследования, обработка и анализ результатов 113
3.1. Лабораторная установка и методика проведения экспериментов 113
3.2. Перемешивание суспензий в аппаратах с отражательными перегородками 118
3.2.1. Суспендирование твердых частиц мешалками с наклонными лопастями 118
3.2.2. Суспендирование твердых частиц мешалками с вертикальными лопастями 124
3.3. Исследование системы жидкость-газ 131
3.4. Формирование и перемешивание трехфазных систем.. 133
3.4.1. Исследование воздействия содержания твердых частиц на среднее газосодержание пульпы 134
3.4.2. Исследование процесса суспендирования твердых частиц при перемешивании трехфазных систем 137
3.4.3. Исследование процесса растворения твердых частиц при перемепшвании трехфазных систем 157
Глава 4. Методика расчета процессов перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело 161
Выводы 173
Литература 175
Приложение
- Рекомендации по конструктивному оформлению аппаратов с мешалками, предназначенных для перемешивания трехфазных систем
- Моделирование процессов перемешивания систем жидкость - газ - твердое тело
- Перемешивание суспензий в аппаратах с отражательными перегородками
- Методика расчета процессов перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело
Введение к работе
В последние десятилетия в химической технологии особое внимание исследователей привлекают процессы, протекающие в трехфазных системах жидкость - газ - твердое тело [1 - 3]. Перспективность данных систем обусловлена тем, что все большее развитие получают многофазные гетерогенные процессы, в которых физико-химические превращения целевого компонента требуют присутствия нескольких фаз в одном аппарате.
Трехфазные системы жидкость - газ - твердое тело находят применение во многих каталитических процессах, включая окисление углеводородов; используются в пищевой, фармацевтической, целлюлозно-бумажной промышленности, при обработке культуральных сред и в процессах ферментации; широко применяются в технологии извлечения пород и редкоземельных металлов в горнодобывающей и химической промышленности. Обострившиеся экологические проблемы поставили в ряд важнейших такие процессы, как обработка сточных вод и абсорбция газов. Дальнейшее развитие и совершенствование указанных процессов связано с разработкой аппаратуры, обладающей высокой технологичностью, экономичностью и надежностью.
В основу классификации существующих аппаратов, используемых для обработки трехфазных систем, могут быть положены способы подведения энергии [3] и условия формирования поверхности контакта фаз [4]:
с образованием межфазной поверхности за счет энергии компримированно-го газа (барботажные и газлифтные аппараты);
за счет энергии насосов, осуществляющих циркуляцию жидкости (инжекци-онно-струйные аппараты);
за счет энергии механического устройства, перемешивающего жидкость (самовсасывающие заглубленные мешалки и механические аэраторы);
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 комбинированного газа или насосов используют в тех случаях, когда требуется большой рабочий объем жидкости, а создаваемой кинетической энергии достаточно для обеспечения необходимых условий пневматического или струйного перемешивания. Достоинством этих аппаратов является простота конструкции и возможность рециркуляции газа. Их недостатки - сравнительно низкие интенсивность массопереноса и однородность распределения дисперсных фаз, постепенное засорение и зарастание мелких отверстий в барботерах, соплах и форсунках, а также их абразивный износ под воздействием твердых частиц.
Следует отметить и такое явление, характерное для колонных аппаратов с трехфазным псевдоожижением, как "усадка слоя": слой с взвешенными частицами сжимается при увеличении расхода газа, что часто ограничивает режимы работы аппарата. Кроме того, для барботажных систем аэрации, газлифтных и струйных аппаратов необходимы дорогие и сложные в обслуживании компрессорные машины и специальные насосные станции [3, 5, 6].
Высокие скорости массопереноса и степень использования целевого компонента достигаются в емкостных аппаратах с механическими перемешивающими устройствами. Однако для самовсасывающих мешалок возникают сложности в управлении и оптимизации процессов, а с увеличением диаметра сосуда резко увеличиваются затраты мощности. Последнее можно отнести и к пневмомеханическим системам, сочетающим барботер (для принудительной подачи газа) с механическим перемешивающим устройством. Следует заметить, что применение подобных систем является более предпочтительным благодаря увеличению интенсивности перемешивания за счет турбулизации среды мешалкой и диспергированной газовой фазой, особенно в условиях поглощения значительных количеств трудно растворимых газов.
В отличие от других классов оборудования, аппараты с мешалками обладают существенными преимуществами: высокая степень однородности рас-
пределения дисперсных фаз в рабочем объеме; эффективный тепло- и массооб-мен; эксплуатационная гибкость и широкие технологические возможности. Существует также и ряд недостатков, таких как узкий интервал времени пребывания компонентов и механическая эрозия вспомогательного оборудования под действием твердых частиц. Кроме того, наличие непосредственно в реакционном объеме движущихся частей требует сложных уішотнительньгх устройств и квалифицированного обслуживания, особенно при работе аппаратов под давлением или с агрессивными средами.
При оценке и сравнении эффективности различных классов аппаратов необходимо сравнивать не только производительность и энергетические затраты, но и учитывать влияние машиностроительных, технологических и режимных параметров. Так, для проведения технологических процессов со средами переменной и высокой вязкости, а также в случае высокого содержания твердой фазы (более 10 % по объему) применение барботажных и струйных систем не рекомендуется [5]. В пищевой и фармацевтической промышленности для проведения процессов в стерильных условиях почти исключительно применяются аппараты с механическими перемешивающими устройствами [5, 7]. К преимуществам последних следует отнести и возможность легкого регулирования технологических параметров в ходе самого процесса, что затруднительно для других классов аппаратов. Эффективность конструкций можно определять также по величине основных гидродинамических и тепло- массообменных характеристик. Тем не менее, оценить всю совокупность параметров для сравнения в большинстве случаев не представляется возможным. Одной из причин, тормозящих решение этого вопроса, является отсутствие надежных теоретически обоснованных методик расчета и инструментальных методов измерения локальных и интегральных гидродинамических и тепло-массоообменных характеристик, как в лабораторных, так и в промышленных условиях.
Практический опыт использования разнообразного оборудования для обработки трехфазных систем показывает, что аппараты с механическими пе-ремепшвающими устройствами обладают значительными преимуществами и являются наиболее перспективными техническими системами [1, 3, 5], исключение составляют лишь редкие случаи с особыми требованиями [3]. Тем не менее, и в ряде подобных случаев применяются аппараты со специальными конструкциями мешалок, которые создают пониженные напряжения сдвига при интенсивном перемешивании [8]. Несмотря на то, что аппараты с мешалками применяются в рассматриваемых процессах уже давно [1 - 11], в научно-технической литературе, посвященной многофазным гетерогенным процессам, основное внимание уделяется, как правило, струйным реакторам и барботаж-ным колоннам. Это связано, по-видимому, с тем, что в отличие от инжекцион-но-струйного и пневматического перемешивания, механическое перемешивание является процессом чрезвычайно сложным по теоретическому описанию [3, 6]. Следует отметить, что если вопросы механического перемешивания двухфазных систем жидкость - твердая фаза и жидкость - газ в литературе освещены достаточно широко [1 - 11], то информация по механическому перемешиванию трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело носит ограниченный характер. Поэтому, при описании процессов переноса в трехфазных системах в большинстве работ используются эмпирические и полуэмпирические зависимости, применение которых, как правило, ограничено условиями проведения экспериментов. В процессе проектирования оборудования для работы с трехфазными системами специалисты также вынуждены использовать данные, полученные для двухфазных систем; при этом в расчетах допускаются значительные погрешности, связанные с отсутствием учета взаимного влияния фаз.
Таким образом, существует значительный разрыв между теоретическими основами для расчета и широким практическим использованием данного класса оборудования. В связи с этим, представляется целесообразным проведение
комплексных исследований по изучению процессов формирования и перемешивания трехфазных систем в аппаратах с мешалками, что должно способствовать созданию необходимых инженерных методов расчета рассматриваемых процессов.
Рекомендации по конструктивному оформлению аппаратов с мешалками, предназначенных для перемешивания трехфазных систем
Выбор оптимальной конструкции аппарата для перемешивания систем жидкость - газ - твердое тело является принципиальной задачей, поскольку способ подведения газа и тип перемешивающего устройства определяют основные характеристики и гидродинамику системы [52]. Именно поэтому данной теме было посвящено значительное число исследовательских работ. Одним из первых в литературе был рассмотрен вопрос о способе введения газа в суспензию.
Авторы [47] предложили для этих целей самовсасывающую четырехло-пастную мешалку из полых труб, совмещенную с пропеллером на одном валу -как эффективный способ одновременного диспергирования газа и суспендиро-вания частиц. В результате исследований было получено эмпирическое соотношение для минимальной частоты вращения мешалок, при которой частицы оказывались в суспендированном состоянии в присутствии газовой фазы:
Эти авторы впервые исследовали влияние изменений геометрических параметров аппарата на поведение трехфазной системы: диаметр сосуда изменялся в пределах 0,20 ч- 0,60 м; диаметры обеих мешалок были равны и составляли 0,06; 0,09; 0,120 м; отношение hM/dM принималось равным 0,5 и 1,0. В
качестве твердой фазы использовались - кварц плотностью 2600 кг/м3 с пятью классами размеров частиц 60 ч-1600 мкм и железо плотностью 6040 кг/м3 также с пятью классами размеров частиц 50 ч- 315 мкм; массовое содержание твердой фазы не превышало 30 %.
Следует отметить, что какие-либо переменные, учитывающие подачу газа в аппарат, в полученном соотношении отсутствуют. Эксперименты, выполненные авторами на промьшшенном аппарате объемом около 6,0 м3 (D =2,0 м; dM =0,4 м; QG =120 м3/час; рР =2500 кг/м3; dP =100 мкм; xs =0,1), подтвердили работоспособность уравнения (1.2.1) и показали, что для рассматриваемой конструкции аппарата газ оказывает незначительное влияние на работу мешалок.
Автор [48] предположил другое устройство для ввода газа и перемешивания среды: турбинная самовсасывающая мешалка, под которой расположена пропеллерная или стандартная турбинная мешалка Раштона. Исследования гидродинамики трехфазной системы позволили получить соотношение для определения минимальной частоты вращения мешалок, при которой обеспечивалось суспендирование твердых частиц в присутствии газовой фазы: где К - коэффициент, учитывающий тип нижнего перемешивающего устройства: 1,14 - для турбинных мешалок и 3,23 - для пропеллерных.
Одним из недостатков предложенной конструкции оказалось наличие застойной зоны по газу в области днища аппарата, что автор признавал нежелательным явлением и которое рекомендовал устранить одним из двух способов. Во-первых, уменьшить объем застойной зоны, понизив уровень расположения самовсасывающей мешалки; во-вторых, подавать газ не через самовсасывающую мешалку, а в застойную зону. Второй вариант - более предпочтительный, так как понижение уровня верхней мешалки приводит к ухудшению перемешивания в верхней части аппарата и снижению газосодержания.
Авторы [49] рассматривали барботажные колонны, аппараты с турбинными мешалками и инжекционно-струйные петлевые реакторы, отдавая предпочтение последним. Для аппаратов с мешалками авторы посчитали наиболее целесообразным применение стандартной турбинной мешалки Раштона и бар ботера в виде трубки для ввода газа под мешалку. В ходе исследований на экспериментальном аппарате (D=0,33 м; dM =0,132 м; hM =0,066 м) была выявлена пропорциональность мощности и приведенной скорости газа:
NSG (WQ) 3, последняя изменялась в пределах 0,01 -=- 0,10 м/с. Авторы наблюдали снижение газосодержания и удельной поверхности контакта жидкой и газовой фаз в присутствии стеклянных шариков dP =100 ч- 200 мкм с объемным содержанием частиц до 16 %. Однако, никаких соотношений, количественно описывающих поведение трехфазных систем, авторами [49] представлено не было.
В работе [50] изучали динамику потоков, энергетические характеристики, газосодержание и режим захлебывания в аппаратах диаметром 0,45 м с различными системами аэрации: с турбинной мешалкой и кольцевым барботером, расположенным под ней; с самовсасывающей четырехлопастнои мешалкой из полых труб и пропеллером на одном валу; с двумя четырех лопастными мешалками также расположенными на одном валу, причем одна из них (поверхностный аэратор) располагалась вблизи свободной поверхности жидкости. Диаметр мешалки составлял dM=0,15 м; R=3; высота установки нижней мешалки hM = dM/2. В качестве твердой фазы были использованы частицы железа, корунд и стеклянные шарики с массовым содержанием твердой фазы до 30 %. Авторы также не приводят никаких корреляций или эмпирических зависимостей, а рекомендуют использовать самовсасывающую мешалку только в случае низкого газосодержания, систему с поверхностным аэратором для среднего газосодержания, а для больших расходов газа и широкого практического использования - стандартную турбинную мешалку Раштона с обычным кольцевым барботером.
Моделирование процессов перемешивания систем жидкость - газ - твердое тело
Одновременное присутствие в рабочем объеме аппарата различных по своей природе дисперсных фаз предъявляет определенные требования не только к конструкции аппарата, но и к условиям реализации самого процесса. Так, критерием формирования трехфазных систем является выполнение условий: где п- текущая частота вращения мешалки, с"1; nG- частота вращения мешалки, при которой отсутствует деление аппарата по высоте на аэрируемую и неаэри-руемую зоны, с"1; n Q- минимальная частота вращения мешалки, обеспечивающая отсутствие осадка твердых частиц на днище аппарата при перемешивании трехфазной системы, с"1.
Значение величины nG в широком диапазоне изменения содержания твердой фазы можно определить по зависимости (1.1.17) как для обычной газожидкостной системы. Небольшое содержание твердой фазы (xs 0,15) не оказывает влияния на условие распределения газа. При xs 0,15 это условие может достигаться при несколько меньших частотах вращения мешалки [55]. Этим фактом вполне можно пренебречь, что даст некоторый расчетный инженерный запас по частоте вращения мешалки и позволит увеличить локальное газосодержание в придонной области.
Для корректно подобранной конструкции аппарата выполнение условий диспергирования и распределения газа в рабочем объеме, как правило, не составляет большого труда. Особую сложность при перемешивании систем жидкость - газ - твердое тело представляет вопрос, связанный с определением уело вий, при которых на днище аппарата отсутствует осадок твердых частиц и достигается заданное распределение твердой фазы в рабочем объеме.
При этом главная проблема заключается в сложном характере взаимодействия дисперсных фаз - твердых частиц и пузырей газа. Как показал обзор литературы, целый ряд происходящих в этих системах явлений так и не получил количественного или качественного описания: окончательно не решены вопросы о возможности дробления твердыми частицами пузырей газа и о возникновении флотационных эффектов; количественно не описано влияние содержания твердой фазы на газосодержание трехфазной пульпы. Решение этих вопросов позволит в дальнейшем перейти к описанию процесса суспендирования твердых частиц и созданию инженерных методов расчета процессов перемешивания трехфазных систем.
При перемешивании систем жидкость - газ - твердое тело дисперсные фазы вступают в непосредственный контакт либо благодаря силам инерции, либо под действием диффузионных сил различной природы [66]. Оценить способ взаимодействия (соударение или захват) можно по соотношению (1.2.5): где dp - критический диаметр твердых частиц (частицы меньшего размера не могут взаимодействовать с пузырями за счет сил инерции), м.
Диаметр пузырьков в газожидкостной системе в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) по данным [43] составляет 0,4 ч- 2,0 мм; для случая (vL =10-6 MVC; p,L = 10"3 Па-с; рР =1500 ч- 3000 кг/м3; pL =1000 кг/м3; dR =0,4-10-3 м) критический диаметр твердых частиц составит dP =41,47 ч- 82,99 мкм. Для воздушно-водной системы без ПАВ максимальный диаметр пузырей составляет [67] 5,5 мм; исходя из этого (vL =10-6 м2/с; ць =10"3 Па-с; рр =1500 -г 3000 кг/м3; pL =1000 кг/м3; dB =5,5-10-3 м) критический диаметр частиц составит - d =11,19 ч- 22,38 мкм. Таким образом, для большинства практически важных случаев твердые частицы размерами 12 ч- 83 мкм и более плотностью 1500 ч- 3000 кг/м3 взаимодействуют с газовыми пузырями (dB =0,4-10- ч- 5,5-Ю- м) за счет сил инерции. Сравнение поверхностной энергии пузыря и кинетической энергии частицы обычно проводят по величине критерия Вебера, см. выражения (1.2.3) - (1.2.4).
Для оценки величины этого критерия необходимо определить относительную скорость движения пузыря и частицы. Учитывая влияние частиц друг на друга в ходе процесса осаждения (условие стесненности), а также тот факт, что при газосодержании свыше 6 ч- 8 % расстояние между пузырями оказывается весьма близким к размеру самого пузыря [42], - условия совместного течения дисперсных фаз можно считать стесненными. При этом основное влияние на частицы и пузыри оказывают соответственно скорости осаждения и всплы-вания. Характерной особенностью течения в аппарате с отражательными перегородками и стандартной турбинной мешалкой Раштона является наличие четырех циркуляционных контуров, в каждом из которых можно выделить центральную и периферийную зоны, в которых частицы и пузыри движутся либо в одном направлении, либо в противоположном. Следовательно, минимальную величину относительной скорости движения дисперсных фаз можно определить как разность скорости всплывания пузырей и скорости осаждения частиц, а максимальную величину - как их сумму.
Перемешивание суспензий в аппаратах с отражательными перегородками
Для определения условий отсутствия осадка на днище аппарата по зависимости (2.1.6) необходимо в первую очередь определение угла откоса осадка а, который может быть найден экспериментально - ввиду непосредственной зависимости от высоты расположения мешалки над днищем аппарата. Определение угла откоса осадка производилось по высоте осадка у стенок аппарата и диаметру центрального пятна, лишенного осадка.
Результаты визуальных наблюдений показали, что при значительном удалении трехлопастной мешалки от днища аппарата hM l,5dM ее воздействие на осадок после образования центрального пятна крайне ослаблено, при этом угол откоса осадка а практически соответствует углу естественного откоса - аЕ. По мере приближения мешалки к днищу аппарата ее воздействие на осадок усиливается, увеличивается диаметр центрального пятна, возрастают высота осадка у стенок корпуса аппарата и угол а.
При использовании турбинной мешалки с наклонными лопастями в аппарате создается два типа движения среды: двухконтурная циркуляция (над и под мешалкой), а также общий циркуляционный контур от мешалки к днищу аппарата и от днища к свободной поверхности жидкости. Можно предположить, что в наиболее общем случае на подъем твердых частиц существенное влияние оказывают как поток основной циркуляции (по типу лопастных мешалок с наклонными лопастями), так и пульсационное движение среды (по типу турбинной мешалки с вертикальными лопастями). В случае низкого расположения турбинной мешалки с наклонными лопастями нижний циркуляционный контур (под мешалкой) оказывается ослабленным и превалирующей является осевая циркуляция среды. По мере возрастания частоты вращения мешалки на днище аппарата образуются центральное пятно и периферийное кольцо осадка твердой фазы. При hM l,5dM проявляется ощутимое воздействие двухкон турной циркуляции, при этом на днище наблюдается образование центрального холмика, который исчезает с увеличением частоты вращения мешалки.
В результате экспериментов по определению зависимости угла откоса осадка а от высоты расположения мешалок с наклонными лопастями в диапазоне 0,5 hM/dM 1,5 (см. рис. 3.2.1) было получено соотношение:
Зависимость минимальной частоты вращения трехлопастной мешалки (nmin), обеспечивающей отсутствие осадка частиц на днище аппарата, от высоты расположения мешалки представлена на рис. 3.2.2. Для турбинной мешалки с наклонными лопастями аналогичную зависимость демонстрирует рис. 3.2.3. Влияние объемного содержания твердых частиц на условия отсутствия осадка при использовании этих мешалок представлено на рис. 3.2.4.
Из приведенных графических зависимостей следует, что с увеличением высоты расположения мешалки, а также содержания твердой фазы увеличивается частота вращения мешалки nmin, обеспечивающая отсутствие осадка на днище аппарата. Принципиальньїм также является диаметр и конструктивные особенности (тип) мешалки с наклонными лопастями.
Из сопоставления опытных и расчетных значений частоты вращения мешалки nmin получена информация о коэффициенте К в выражении (2.1.2) для коэффициента местного гидравлического сопротивления суспензии при повороте потока. В исследуемых диапазонах объемного содержания твердой фазы независимо от типа мешалки и конструктивных параметров аппарата численное значение коэффициента К примерно равно 15. Этот результат не противоречит
Точки - экспериментальные данные. фазы (для мешалок с наклонными лопастями): данным [23], полученным для потока водно-песчаной суспензии в поворотном колене круглого сечения с радиусом, равным трем радиусам сечения, где значение коэффициента К имеет порядок величины от 20 до 40.
Таким образом, предложенная модель подъема твердых частиц в аппаратах с отражательными перегородками и мешалками с наклонными лопастями является замкнутой, согласуется с экспериментальными данными и может быть использована в практике инженерных расчетов [99].
При перемешивании суспензий турбинными мешалками с вертикальными лопастями условия подъема осадка с днища аппарата существенным образом отличаются от условий подъема твердой фазы при использовании мешалок с наклонными лопастями [99]. На рис. 3.2.5 и 3.2.6 представлены зависимости минимальной частоты вращения мешалки, обеспечивающей отсутствие осадка на днище аппарата, от высоты расположения мешалки и объемного содержания твердой фазы. Полученные результаты демонстрируют отсутствие какого-либо влияния высоты расположения стандартной турбинной мешалки Раштона (с шестью вертикальными прямыми лопастями) на условия подъема твердой фазы в аппарате с отражательными перегородками. Экспериментальные данные также свидетельствуют о том, что с увеличением объемного содержания твердой фазы в суспензии до 30 %, частота вращения мешалки, обеспечивающая отсутствие осадка на днище аппарата, увеличивается примерно в 1,2 ч-1,5 раза.
Методика расчета процессов перемешивания трехфазных систем жидкость - газ - твердое тело
Исследования процессов массопередачи в барботажных аппаратах [82] свидетельствуют о том, что присутствие газа в системе жидкость - твердое тело изменяет характер зависимости массопереноса между твердой и жидкой фазами. Это связано [82] с тем, что по мере увеличения приведенной скорости газа, с одной стороны, возрастает турбулизация пограничного слоя вблизи частицы, что увеличивает интенсивность переноса массы, а с другой стороны, увеличение среднего газосодержания приводит к блокированию части активной поверхности частиц газовыми пузырями, что в целом снижает интенсивность переноса массы.
Аналогичные процессы происходят в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами и принудительной подачей газа. Основное отличие заключается лишь в том, что в последних величина среднего газосодержания не превышает 20 % - следовательно - влияние газа на массоперенос должно быть менее значительным, что нашло подтверждение в исследованиях [79]. Несмотря на то, что введение газа в рабочий объем аппарата сопровождается дополнительным вводом энергии, увеличения интенсивности массопереноса не наблюдается, поскольку энергия, внесенная газом в трехфазную систему, как правило, на порядок ниже энергии вводимой перемешивающим устройством. Наоборот - снижение плотности среды и, следовательно, мощности, затрачиваемой на перемешивание, приводит к некоторому снижению коэффициента массоотдачи. В целом, как свидетельствуют данные работ [56, 57, 79, 96, 97], массообменные процессы между жидкой и твердой фазами в трехфазных системах жидкость - газ - твердое тело незначительно отличаются от процессов, протекающих в двухфазных системах жидкость - твердое тело.
Для более точного описания процесса рассмотрим его подробнее на примере растворения твердых частиц, как наиболее простом примере массооб менных процессов между жидкой и твердой фазами. Основными задачами перемешивания среды в данном случае является суспендирование твердых частиц и распределение дисперсных фаз в рабочем объеме аппарата.
Наиболее распространенный способ описания зависимости массоотдачи от интенсивности перемешивания [11, 30, 56, 57, 96, 98] связан с учетом воздействия маломасштабной турбулентности на структуру слоя вблизи поверхности частицы. В рамках этого подхода коэффициент массоотдачи от поверхности частиц, взвешенных в турбулентном потоке, определяется [11, 98] осредненным значением диссипации энергии в единице массы перемешиваемой среды и величиной молекулярной диффузии в жидкости.
С учетом вышесказанного, для процесса растворения твердых частиц в трехфазной системе жидкость - газ - твердое тело (по аналогии с растворением в системе жидкость - твердое тело), запишем соотношение где к- коэффициент массоотдачи, м/с; єЕ- суммарная диссипация энергии в аппарате (Вт/кг), определяется по выражению (2.3.35); Sc= vL/DM - критерий Шмидта; DM - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с.
Время полного растворения твердых частиц с диаметром dp составляет: где С - концентрация насыщения, кг/м3.
Описание кинетики растворения монодисперсных частиц возможно [98] на основе следующего уравнения где С - относительная концентрация твердой фазы в растворе; г - текущее время, с.
Для проверки выдвинутых теоретических положений целесообразно провести экспериментальные исследования кинетики растворения твердых частиц в трехфазной системе.
Экспериментальная часть исследований проводилась в лаборатории ЗАО НПФ "Миксинг". Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 3.1.1. В качестве аппаратов были использованы стеклянные цилиндрические сосуды с плоским дном, оборудованные четырьмя стандартными отражательными перегородками. Сосуды устанавливались на опорной раме таким образом, чтобы ось сосуда совпадала с валом перемешивающего устройства. За поведением осадка твердой фазы велись визуальные наблюдения при помощи зеркала и осветительной лампы, установленных под прозрачным дном сосуда. Вал перемешивающего устройства приводился в движение асинхронным электродвигателем переменного тока типа АИР-63-В4 (N = 0,37 кВт; пном=1230 об/мин.; coscp = 0,7; кпд =68 %). Частота вращения вала регулировалась электронным преобразователем частоты NORDAC-compact типа SK 370/2 NC фирмы "Nord" (Германия). Электродвигатель через преобразователь частоты подключался к сети переменного тока напряжением 220 В.
Перемешивание суспензий осуществлялось в аппарате диаметром D = 0,3 м с высотой заполнения 0,25 м. В экспериментах использовались трехлопастная мешалка (ум =30) типа 01 [33], создающая нисходящий поток в центральной зоне аппарата; стандартная турбинная мешалка Раштона с шестью вертикальными прямыми лопастями ( у м =90) - открытая турбинная мешалка
