Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пути совершенствования аппаратов для механического перемешивания жидких сред . 9
1.1 Анализ процесса перемешивания жидких сред 9
1.2. Тенденции развития техники механического перемешивания жидких сред . 17
1.3. Методы описания гидродинамики роторных аппаратов 27
1.4. Процессы переноса вещества и теплоты при перемешивании жидких сред 46
1.5. Постановка задачи исследования 58
Глава 2. Теоретические основы описания перемешивания в роторных аппаратах при больших скоростях диссипации энергии 60
2.1. Диссипация энергии в пространствено-неоднородном турбулентном потоке... 60
2.2. Определение скорости диссипации энергии в роторном аппарате 65
2.3. Массоперенос в дисперсных средах при больпшх скоростях диссипации энергии ... 70
2.4. Влияние неоднородности турбулентного потока на перенос пассивной примеси в аппарате... 75
2.5. Оценка качества перемешивания 82
Глава 3. Экспериментальное исследование перемешивания при больпшх скоростях диссипации энергии 95
3.1. Описание экспериментальной установки... 95
3.2. Исследование диссипации энергии при механическом перемешивании в роторных аппаратах 104
3.3. Исследование переноса пассивной примеси при перемешивании 118
3.4. Растворение твердых частиц в роторных аппаратах при больших скоростях диссипации энергии 134
3.5. Определение коэффициента теплопередачи в роторном аппарате 146
Глава 4. Методика определения основных технологических параметров роторных аппаратов 149
Основные результаты работы 161
Литература. 163
Приложения 173
- Тенденции развития техники механического перемешивания жидких сред
- Массоперенос в дисперсных средах при больпшх скоростях диссипации энергии
- Исследование диссипации энергии при механическом перемешивании в роторных аппаратах
- Методика определения основных технологических параметров роторных аппаратов
Введение к работе
Механическое перемешивание является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии, а аппараты с механическими перемешивающими устройствами - доминирующий тип аппаратов для обработки жидких сред.
Механическое перемешивание остается наиболее эффективным способом интенсификации гидродинамических процессов и процессов тепло- и массообмена. Это объясняется высоким коэффициентом полезного действия механических перемешивающих устройств, простотой и надежностью их конструкций. Кроме того, накоплен большой опыт в изучении и математическом описании процессов, происходящих при перемешивании.
За последние годы в области фундаментальных исследований гидродинамики и процессов переноса в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами достигнут значительный прогресс. Работы, выполненные В.В. Кафаровым, П.Г. Ромашовым, Ф. Стренком, В.Г. Ушаковым, В.М. Барабашом, Н.Н. Куловым и другими учеными позволили проникнуть в физический механизм перемешивания и рассмотреть его различные стороны с единых теоретических позиций.
Не смотря на это существует разрыв между достижениями в обласні создания новых материалов и разработки технологий и возможностями оборудования для их осуществления. Это прежде всего касается проведения высокоинтенсивных процессов (особенно в потенциально опасных средах), а также осуществление сложных реакций в гетерогенных средах. Повышение требований к качеству получаемых продуктов влечет за собой повышение требований к качеству и скорости перемешивания. Именно это определяет значимость исследований, направленных на создание аппаратов, позволяющих управлять интенсивностью процесса. К таким аппаратам можно отнести реакторы роторного типа, способне обеспечить большую
интенсивность перемешивания за счет высокой скорости диссипации механической энергии.
Решение поставленной задачи предполагает в первую очередь углубленное изучение влияния макро- и міжроструктурьі турбулентности на закономерности перемешивания и эффективность проектируемого оборудования. Проблемы влияния устойчивых когерентных образований и фрактальной структуры турбулентных потоков на процессы переноса в них, хотя и рассматриваются в теоретической гидродинамике, но до сих пор не имеют инженерного приложения. В связи с этим весьма актуальными остаются в настоящее время работы, связанные с изучением механизмов протекания процесса перемешивания в роторных аппаратах при больших скоростях диссипации энергии и применением достижений теоретической гидродинамики к разработке научно-обоснованных методов их расчета.
Цель работы. Изучение процессов, вызываемых механическим перемешиванием жидких сред в роторных аппаратах при больших скоростях диссипации энергии и разработка научно обоснованной методики определения их технологических параметров на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований является основной целью данной работы.
Научная новизна. Теоретические исследования процессов переноса, протекающих при перемешивании в роторных аппаратах, проведены с использованием единого подхода, основанного на применении в качестве определяющего параметра скорости диссипации энергии. Для анализа закономерностей диссипации энергии в различных гидродинамических режимах течения предложен метод, опирающийся на элементы теории диссипативных систем. Показано, что выражение для расчета скорость! диссипации энергии в турбулентном потоке может быть определено,'исходя из представлений о фрактальности турбулентности. В работе также обоснованы способы экспериментальной оценки фрактальной размерности поля диссипации энергии и определения значения локальной скорости ее
диссипации. Установлены зависимости коэффициентов тепло- массоотдачи и
продольного перемешивания от фрактальной размерности поля диссипации
энергии. Впервые изучена работа роторных аппаратов в диапазоне скоростей \ О
диссипации энергии до 1000 Вт/кг. Разработан способ оценки качества 1 *
перемешивания, позволяющий определить по значениям концентрации) |
целевого компонента в пробе размеры неперемешанных областей. ' 4
Практическая ценность. Результаты исследований, представленных в диссертационной работе имеют достаточно общий характер и могут быть использованы для моделирования и проведения расчетов многих типов механических перемешивающих устройств, работающих с жидкими средами.
Аппараты рассмотренных конструкций могут быть применены в ряде современных технологий: производстве силикатного стекла, диспергировании пигментов, нитровании, сульфировании и сульфатировании.
Разработанные в диссертации инженерные подходы к определению основных технологических параметров роторных аппаратов нашли конкретные приложения в расчете реактора для промывки суспензий в производстве ряда полимеров, а также при выполнении расчетов роторного аппарата для проведения реакций с большим тепловыделением.
Тенденции развития техники механического перемешивания жидких сред
Аппараты, в которых реакционной средой является жидкость, довольно часто используют в химической промышленности. Процессы в жидкой среде могут протекать в однофазной системе, так и в двухфазной (эмульсиях или суспензиях). Для их интенсификации широко используют механические перемешивающие устройства.
При гомогенных процессах перемешивание необходимо для выравнивания температур и концентраций по объему аппарата, что обеспечивает равномерное протекание реакций.
При гетерогенных процессах использование перемешивающих устройств обеспечивает суспензирование твердой фазы, диспергирование жидкостей и газов. Кроме того, перемешивание создает достаточно высокие скорости жидкости у тешюпередающих поверхностей, что способствует улучшению условий теплообмена.
Разнообразие технологических процессов, использующих перемешивание, обуславливает разнообразие механических перемешивающих устройств.
Наиболее часто применяются аппараты, перемешивающим устройством которых являются вращающиеся мешалки различных конструкций.
В общем случае мешалки принято делить на быстроходные и тихоходные. К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешажй различных типов, а также специальные виды мешалок, например дисковые, лопастные, фрезерные [12]. Основное действие этих перемешивающих устройств заключается в приведении жидкости в движение путем создания крупномасштабных потоков. В зависимости от формы лопаток (лопастей) и способа их установки быстроходные мешалки могут создавать радиальный, осевой и радиально-осевой потоки жидкости.
Результаты исследования гидродинамических условий в аппарате, возникающих при использовании быстроходных мешалок, приведенные различными авторами [14, 65] показывают, что наибольшие скорости и самая большая турбулизация потока жидкости наблюдается в пространстве, описываемом вращающейся мешалкой. В связи с этим некоторые авторы [65] сЛ предлагают выделять в объеме аппарата две зоны - зону мешалки, в которой происходит наиболее интенсивное перемешивание жидкости, и зону циркуляции, в которых перемешивание является слабым и жидкость течет с меньшими скоростями.
Ввиду небольшого размера мешалок (Dm / Da = 1/4:1/3, где Dm , Da -диаметр мешалки и аппарата соответственно) в этом случае объем аппарата используется крайне неэффективно. В целях увеличения активного перемешивания аппараты с быстроходными мешалками снабжаются различными элементами, приводящими к возникновению мелкомасштабных потоков. К таким элементам относятся перегородки, направляющие элементы, местные сопла и т.д. Кроме того, используются различные приемыД / приводящие к увеличению пространства, занимаемого мешалкой. Для этого устанавливают на валу несколько мешалок, используют шарнирно закрепленный вал и планетарные мешалки [12].
К главным достоинствам аппаратов с быстроходными мешалками относятся простота конструкции и удобство в эксплуатации. Кроме того в химической технологии накоплен большой объем опытных данных, позволяющий проектировать аппараты со стандартными мешалками этого типа.
Недостатком, в силу указанных выше причин, является крайне неоднородная структура потока, создаваемого быстроходной мешалкой. В результате в данном типе аппаратов передача энергии к обрабатываемой среде оказывается весьма незначительной ( 1 Вт/кг) и неравномерной по объему (до 20% энергии диссипируется в области мешалки, 50% - в потоке от лопастей и 30% - в остальном объеме), что затрудняет проведение процессов, требующих интенсивного воздействия.
При перемешивании высоковязких жидкостей используются тихоходные мешалки [14]: скребковые, ленточные, рамные, шнековые и т.д. Они создают главным образом окружной поток жидкости, т.е. жидкость вращается вокруг оси аппарата. Однако в отличии от быстроходных мешалок, тихоходные имеют размеры, сравнимые с размерами аппарата. Поэтому при их использовании достигается более равномерное распределение подводимой энергии в объеме аппарата. Но и в аппаратах с этими перемешивающими устройствами не удается получить большую скорость диссипации энергии.
Желание получить большие значения вводимой энергии и обеспечить управляемость гидродинамикой аппарата привело к созданию схем перемешивания, использующих несколько быстроходных и (или) тихоходных мешалок одновременно. Аппараты с такими перемешивающими устройствами, обладая несомненными достоинствами, являются однако сложными и менее надежными в эксплуатации, что накладывает ограничения на область их использования.
Кроме указанных типов, определенное распространение получили также вибрационные мешалки. Особенность данного типа перемешивания связана с генерацией мелкомасштабных потоков в результате механических (крутильных или поступательных) колебаний перемешивающего органа. При этом достигается хорошая равномерность диссипации подводимой энергии в объеме обрабатываемой среды [58]. Вибрационные мешалки обычно выполняются в виде диска с отверстиями специальной формы (для поступательных колебаний) либо в виде диска с лопастями (для крутильных колебаний). Однако создание циркуляционного потока виброперемепшванием достаточно затруднено.
Массоперенос в дисперсных средах при больпшх скоростях диссипации энергии
Как было показано в гл.1 наиболее перспективным является метод, при котором для описания массообмена используются представления теории локальной изотропной турбулентности. В этом случае коэффициент массоотдачи определяется как функция скорости диссипации энергии, затрачиваемой на перемешивание. Рассмотрим массоотдачу от твердой частицы, взвешенной в турбулентном потоке жидкости, воспользовавшись подходом, развитым в [56]. Определим поток вещества j (кг/м2с) от единицы площади поверхности частицы в направлении у по нормали к ней. При этом согласно гипотезе Ландау [46] о характере затухания турбулентных пульсаций в пограничном слое будем считать, что коэффициент турбулентной диффузии Dt определяется где 6Q - толщина вязкого подслоя, UQ - характерная скорость на внешней границе. Тогда поток вещества В свою очередь [56] где X - равновесная концентрация (концентрация насыщенного раствора), кг/м3; X - текущая концентрация раствора, кг/м3; F(y) - функция, определяемая геометрическими условиями. Если 5Q мало по сравнению с геометрическими размерами тела, то можно считать F(y)=l. Тогда интегрируя (54) получаем Будем считать, что перенос в пограничном слое осуществляется пульсациями, размер / которых меньше характерного максимального масштаба L турбулентности, но больше микромасштаба А, (X = (v3/e)1/4). В этом случае, согласно теории Колмогорова-Обухова характерная скорость U/ пульсаций размера / имеет вид Скорость UQ на границе подслоя можно определить Если безразмерную толщину вязкого подслоя определить так же, как и в случае течения у твердой стенки [46], то Выражая из (57) и (58) величины 6Q И UQ И подставляя в (54), получаем Подставляя в (59) є из (41 в) будем иметь
В полученное уравнение входят два параметра, характеризующие гидродинамические условия в аппарате - средняя скорость диссипации в массе жидкости энергии є и фрактальная размерность поля ее диссипации d. Причем, если рост диссипируемой энергии однозначно приводит к росту коэффициента массоотдачи, то изменение d оказывает более сложное влияние на значение р. Увеличение значения d приводит к увеличению влияния вязкости и уменьшению влияния диссипации энергии. Эта особенность полученного уравнения может объяснить известный факт интенсификации растворения частиц при использовании медленно вращающихся мешалок большого диаметра: тихоходные мешалки при той же диссипируемой энергии, что и быстроходные, создают поток с меньшим значением d. Как видно из (60), в этом случае значение р будет больше для тихоходной мешалки. Следует заметить также, что различие в значениях коэффициента массоотдачи, определенных по формулам (25) и (60) должно проявляться при скорости диссипации энергии » 1 Вт/кг. Однако малые значения диссипируемой энергии (до 1 Вт/кг) не позволили авторам [5] экспериментально обнаружить отклонения в значении коэффициента массоотдачи от вида (25).
Еще одной характерной особенностью уравнения (60) является то, что в соответствии с ним коэффициент массоотдачи зависит от единственного геометрического параметра - макромасштаба турбулентных пульсаций L, и не зависит от размера растворяемых частиц. В [6] отмечалось, что скорость растворения не зависит от размера частиц, если толщина вязкого подслоя % меньше диаметра частиц. Выполнение этого условия следует ожидать в том случае, если размер частиц существенно больше минимальных пульсаций. На практике гранулометрический состав в начальный момент времени и в течении основной части процесса растворения соответствует указанному условию. Поэтому оказывается возможным использовать уравнение (60) при расчете кинетики растворения в исследуемых аппаратах.
Следует отметить, что полученное уравнение при d- 3 хорошо согласуется с выражениями для коэффициента массоотдачи, предлагаемыми в [8, 56 ], которые можно рассматривать как его частный случай.
Исследование диссипации энергии при механическом перемешивании в роторных аппаратах
При проведении опытов на аппарате №1 с гладкими роторами учитывалась возможность возникновения трех гидродинамических режимов: ламинарного течения, ламинарного течении с макровихрями и турбулентного течения.
Для аппаратов с этим типом роторов число Рейнольдса принималось Граница устойчивости ламинарного течения определялась аналогично [29] по формуле Верхняя граница устойчивости Re течения с вихрями Тейлора определялась экспериментально по изменению характера диссипации энергии и контролировалась визуально. При этом получено Данный результат с приемлемой точностью согласуется с данными, имеющимися в литературе по исследованию устойчивости вихрей Тейлора [48]. При проведении опытов с ротором, обеспечивающим относительный зазор 0.18, были реализованы все три гидродинамических режима. На опытах с глицерином при всех скоростях вращения ротора течение оставалось ламинарным. Экспериментальные значения скорости диссипации для этого режима хорошо согласуются с рассчитанными по формуле (43). При использовании в качестве рабочей среды водного раствора глицерина был реализован переход к режиму с вихрями Тейлора. Характер диссипации энергии при наличии ламинарных макровихрей сохраняется прежним и коэффициент скорости диссипации при этом Коэффициент пропорциональности для (107) определен на основе статистической обработки экспериментальных данных. В результате получено В опытах с водой и ацетоном исследовано возникновение и эволюция турбулентного течения. Обработка полученных при этом результатов была направлена на определение величины фрактальной размерности поля диссипации энергии d и коэффициента у.
Наилучшее совпадение экспериментальных величин диссипируемой энергии и рассчитанных по (40) достигается, если d=2.76 у= 0.1. Аналогичные исследования были проведены при других относительных зазорах между ротором и корпусом. Типичные графики зависимости скорости диссипации энергии от числа Рейнольдса представлены на рис. 14. При относительном зазоре равном 0.4 на водном растворе глицерина образование макровихрей наблюдалось в середине рабочих скоростей ротора. Этому соответствует изгиб на графике зависимости скорости диссипации энергии от числа Re на рис. 14 б. Когда относительный зазор принимает значения 0.84 и 1.36 то значения коэффициента скорости диссипации, рассчитанные по (43) и (108) отличаются незначительно.
По этому при расчетах для ламинарного режима и режима с вихрями Тейлора использовалась одна формула вида (43). Результаты опытов на аппарате с гладкими роторами обобщены в виде зависимости коэффициента скорости диссипации от Re и представлены в логарифмических координатах на рис. 15 и 16. Изменение угла наклона линий на них соответствует переходу от одного гидродинамического режима к другому. Из них видно, что во всем диапазоне чисел Рейнольдса до Rexpi совпадение расчетного и опытного значений коэффициентов удельной энергии весьма хорошее. Для различных размеров роторов отклонение составило: -для2й/Е р 0.84-10%; - для 2h/Dp 0.84 - 30%. Причем при 2h/Dp 0.84 экспериментальное значение Ке как правило меньше, чем рассчитанное по (43). Это связано, вероятно, с ростом влияния краевых эффектов, которое не учитывается при выводе формулы (43), но которые по данным [69] должны проявляться при п/Н 0.1, то есть для аппаратов с большим относительным зазором. При Re Reiq i в аппарате наблюдается образование макровихрей. Однако, если в опытах с относительным зазором 0.18 и 0.4 переход к турбулентности при ReKp2 весьма четкий, то при больших зазорах область
Методика определения основных технологических параметров роторных аппаратов
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики и процессов переноса в вертикальных роторных аппаратах позволяют предложить рекомендации для определения их основных технологических параметров.
Прежде всего отметим, что мы не ставим задачи разработать универсальную модель технологического расчета роторных аппаратов. Методы расчета теплообмена и массопереноса в различных системах достаточно широко представлены в литературе. То же самое относится и к методам математического моделирования. Но все они кроме общих, инвариантных относительно конкретного аппарата алгоритмов используют, как правило, данные, относящиеся к определенному типу аппаратов (аппарату). Эти данные представляют собой различного вида зависимости для определения оптимальных конструкции и геометрических размеров аппарата, расчета потребляемой мощности, коэффициентов тепло- и массоотдачи и так далее. Поэтому мы попытались определить соответствующие параметры для роторных аппаратов, которые могут быть использованы в известных математических моделях и методиках расчета. Алгоритм проектирования в общем виде представлен на рис. 31.
Исходными данными для расчета (блок 1) являются технологические параметры: физико-химические свойства и расход компонентов, тепловой эффект реакции и т.д. На их основе выбирается конструкция ротора (блок 2), наиболее подходящая для реализации конкретного процесса.
Сформулируем некоторые общие рекомендации по режимам работы и конструкции роторных аппаратов.
Основными типами роторов, которые мы рекомендуем к использованию, являются гладкий ротор, ротор с дисками и ротор со стержнями.
Выполненные исследования позволяют рекомендовать использование аппаратов сгладким ротором для интенсификации теплообмена, а также для проведения массообменных процессов в однофазных системах и системах жидкость-жидкость при небольшом различае в плотностях перемешиваемых веществ.
Аппараты с дисковым ротором являются эффективными для тепло- и масообменных процессов как в однофазных так и двухфазных системах (жидкость- жидкость и жидкость-твердое). Однако не следует использовать эту конструкцию для обработки суспензий при большой разности плотностей жидкости и твердых частиц. При моделировании аппаратов с дисковым ротором, работающих в проточном режиме следует учитывать их следующую особенность: диски существенно уменьшают проходное сечение аппарата. Это приводит к возрастанию локальной скорости осевого потока, который может существенно повлиять на перемешивание и инициировать явление "проскока". В связи с этим для проточного режима работы лучше подходят ротора со стержнями, которые практически не меняют сечение аппарата и сочетают интенсивное переменивание с небольшим продольным переносом.
Аппараты со стержневым ротором могут использоваться для тех же процессов, что и аппараты с другими типами роторов. Кроме того, ротор этого аппарата обладая хорошей диспергирующей способностью позволяет использовать их для формирования и перемешивания эмульсий с существенной разностью плотностей жидкостей, и для проведения процессов в системах жидкость-газ. Ротора со спиральным расположением стержней возможно применять для суспендирования тяжелых частиц. При этом у днища спиральная линия должна быть восходящей.
Интенсификация перемешивания в аппаратах со стержневыми роторами кроме того, возможна при использовании упруго-закрепленных или упругих (например из полимерных материалов) стержней. В этом случае может быть реализован режим синхронизации срыва вихрей со сержней, сопровождающийся их колебаниями со значительной амплитудой и частотой. Аппараты со стержневым ротором, хотя и являются наиболее сложными в изготовлении, но позволяют получить наибольший технологический эффект.
Следующим важным этапом является определение геометрических размеров аппарата и мощности привода (блок 3). Будем характеризовать роторные аппараты следующими геометрическими размерами (рис. 12)
