WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 13 |

DT 4q w2 = – скорость восходящего потока перемешиваемой среды, где значения её циркуляцион (D2 - dмrm ) ного расхода q определяются по формулам (1.6), (1.8) в зависимости от типа мешалки и значения GD.

Коэффициент турбулентного переноса Dт в случае Rвн > 0,1DH определяется по формуле (1.9), а в случае Rвн 0,1DH – по (1.5) или (1.7).

Таким образом, качество перемешивания малоконцентрированных суспензий в вертикальных емкостных аппаратах характеризуется:

1) относительной разностью массовой доли взвешенных частиц по высоте аппарата Xmax, определяемой в результате решения уравнения (1.15);

2) при Rвн 0,1DH и установке в аппарате мешалок с горизонтальными лопастями – отношением средней массовой доли твёрдой фазы к максимальной по радиусу аппарата в периферийной зоне XсрR = Xср/XR, которое определяется по соотношению (1.13).

1.2.3. Перемешивание высококонцентрированных суспензий Результаты исследований влияния концентрации твёрдых частиц на гидродинамические характеристики потока, коэффициент гидравлического сопротивления аппарата, а также на особенности подъёма частиц с днища аппарата [7] позволили авторам сделать вывод, что наличие твёрдых частиц в исследованных диапазонах концентраций (минимальная объёмная доля твёрдой фазы – 0,1, максимальная – 0,7) не оказывает существенного влияния на характер радиального распределения скорости. Следовательно, методика расчёта профиля окружной скорости и затрат мощности на перемешивание, применяемая для гомогенных сред, может быть использована и для высококонцентрированных суспензий.

Целью расчёта аппарата, применяемого для перемешивания высококонцентрированной суспензии, является проверка выполнения условия отсутствия осадка на днище аппарата f > fкр, Rвн 0,1DH ;

(1.16) Pe > Peпр, Rвн > 0,1DH, V02K(M ) где f = – частота пульсаций у поверхности осадка, скорость которых выше критической 5, т Vкр = dmaх 2gпр -1, которая обеспечивает подъём осадка с днища аппарата; пр – предельная объёмж ная доля твёрдой фазы в суспензии (пр 0,75, см. [2]); dmax – максимальный диаметр взвешенных частиц;

0, n(1 + 0,41 + 0,52 + 2 (1 + 1 + 2) lnGD ) dм 20 0, V0 = – пульсационная скорость среды у поверхно 0,68GD D сти осадка; K(M) – коэффициент, значение которого рекомендуется определять по графику на рис.

wocc1.105, где M = Vкр/V0; fкр = – критическая частота пульсаций скорости, обеспечивающая подъём прdmaх осадка с днища аппарата; wосс = wос (1 – ср)3 – скорость стеснённого осаждения взвешенных частиц, где скорость осаждения wос определяется по формуле (1.14); 0 = 0(ср, Ре) – объёмная доля твёрдой фазы у днища аппарата, для определения значения которой в [2] предлагается использовать график, предwocc H ставленный на рис. 1.116; Pe = – критерий Пекле; Dт – коэффициент турбулентного переноса, см.

Dт Xср (1.5), (1.7) или (1.9); ср = – средняя объёмная доля твёрдой фазы в суспензии; Хср – средняя (зат т ж данная) концентрация твёрдой фазы; = – средняя плотность суспензии;

т - Xср(т - ж ) µ0(0) 0 = – кинематическая вязкость суспензии у днища аппарата, где зависимость µ0(0) (диж (1- 0) + тнамической вязкости суспензии у днища аппарата от объёмной доли твёрдой фазы) представлена в [2] в виде графика на рис. 1.127; Репр = Репр(ср) – приведённое число Пекле, обеспечивающее отсутствие В результате аппроксимации этой зависимости получена функция -0,381 Vкр -0,7145 Vкр +2, V0 V.

K(Vкр V0)= e В результате аппроксимации этого графика получена функция cpPe(1,03- 0,27Pe - 0,01Pe2).

0(ср, Ре)= 1- e-Pe В результате аппроксимации этой зависимости получена функция µ0 = µж e4,16330+2,85560.

осадка на днище аппарата, значение которого рекомендуется определять по графику, приведённому на рис. 1.138, см. [2].

K 0, 0, Pe = 10– 0,Рис. 1.11. График зависимости объёмной доли твёрдой 0, 0,фазы у днища аппарата 0 от параметров ср и Ре 0,Pe = 0,0, 10–0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 М 0 0,1 0,2 0,3 ср Рис. 1.11. График зависимости объёмной доли твёрдой Рис. 1.10. График зависимости коэффициента K от фазы у днища аппарата 0 от параметров ср и Ре отношения пульсационных скоростей M = Vкр /VµсмD /µ; µсм /µ 0,1 0,2 0,3 0,4 ср, Рис. 1.12. График зависимости вязкости суспензии (µсмD, µсм) от объёмной доли твёрдой фазы (ср, 0) и вязкости жидкой фазы (µ) В результате аппроксимации этой зависимости получена функция.

Peпр = -1217,34 + 432,953 + 2,cp cp Репр 0,0,0,0,0, 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 ср Рис. 1.13. График зависимости приведённого числа Пекле от средней объёмной доли твёрдой фазы в суспензии Для процессов перемешивания высококонцентрированных суспензий проводится также расчёт распределения концентрации взвешенных частиц по высоте рабочего объёма аппарата. Распределение концентрации характеризуется степенью неоднородности распределения взвешенных частиц по высоте аппарата, выражение для вычисления которой получено в результате аппроксимации графической зависимости = (ср, Ре), см. [2], представленной на рис. 1.14:

(-5сp +ln(1,127Pe+0,013)). (1.17) = е Pe = 0,10– 0, 0, 0, 0,0, 0,10–0,1 0,2 0,3 0,4 ср Рис. 14. График зависимости степени неоднородности распределения твёрдой фазы по высоте аппарата от параметров ср и Ре Таким образом, качество перемешивания высококонцентрированных суспензий в вертикальных емкостных аппаратах характеризуется:

1) отсутствием или наличием осадка на днище аппарата, т.е. выполнением или невыполнением условия (1.16);



2) степенью неоднородности распределения взвешенных частиц по высоте аппарата, которая определяется по соотношению (1.17).

1.2.4. Перемешивание несмешиваемых жидкостей Целью перемешивания взаимно нерастворимых жидкостей в аппаратах с механическими мешалками, как правило, является получение эмульсий с размерами капель 0,1 – 3 мм или интенсификация массообмена. Основными параметрами качества перемешивания в системе жидкость–жидкость являются:

– средний диаметр капель дисперсной фазы;

– распределение концентрации дисперсной фазы по высоте аппарата.

При механическом перемешивании несмешиваемых жидкостей капли дисперсной фазы имеют различные размеры. Диаметр наибольших капель обычно не превышает 2 – 3 мм, наименьшие капли имеют размеры порядка 0,03 – 0,05 мм. Получение функций распределения капель по размерам по результатам экспериментов весьма трудоёмко, поэтому степень дисперсности чаще всего характеризуют величиной среднего поверхностно-объёмного диаметра капель. Анализ результатов измерений, выполненных различными методами [1], показывает, что средний диаметр капель дисперсной фазы dк является функцией диссипации энергии и поверхностного натяжения :

0, dк = 0,13 -0,4. (1.18) c При допущении о равномерном распределении энергии механического перемешивающего устройства в рабочей среде диссипация энергии в объёме аппарата определяется по соотношению N =, (1.19) cV где N – мощность перемешивания, определяемая по формуле (1.1); с – плотность сплошной фазы перемешиваемой среды.

Заметим, что необходимые для расчёта затрат мощности на перемешивание плотность и динамическая вязкость µ в данном случае определяются по формулам:

= д + с(1- );

µд µс µ = + 1,5, 1 - µд + µс где д – плотность дисперсной фазы; µд, µс – динамическая вязкость дисперсной и сплошной фазы; – концентрация дисперсной фазы.

Методика расчёта распределения дисперсной фазы в объёме аппарата аналогична методике расчёта распределения твёрдой фазы при перемешивании суспензий. Согласно [2], особенностью аппаратурного оформления процесса перемешивания в системе жидкость–жидкость является установка в аппарате отражательных перегородок, обладающих большим гидравлическим сопротивлением. Поэтому условие равномерного распределения дисперсной фазы по высоте аппарата имеет вид:

wкН Pe = 0,3, (1.20) Dт где Dт – осреднённый коэффициент турбулентного переноса, определяемый по соотношению (1.9); wк – средняя скорость осаждения (всплывания) капель, для расчёта которой используется уравнение Адамара – Рыбчинского [1] dк д - с g 3(µд + µс) wк =, (1.21) 18µс 2µд + 3µс полученное для случая ламинарного осаждения (всплывания) одиночной капли в невозмущённой жидкости. Уравнение (1.21) является приближённым, однако разброс опытных данных от результатов расчёта находится в пределах допустимой погрешности измерений [1].

Таким образом, качество реализации процесса механического перемешивания несмешиваемых жидкостей можно оценить по значению среднего диаметра капель дисперсной фазы, для определения которого рекомендована формула (1.18), а также по выполнению или невыполнению условия равномерного распределения дисперсной фазы по высоте аппарата (1.20).

1.2.5. Перемешивание газожидкостных систем Целью перемешивания в системах газ–жидкость, как правило, является интенсификация массообмена. Применение для этой цели емкостных аппаратов с перемешивающими устройствами целесообразно в тех случаях, когда требуется поглощение значительных количеств труднорастворимых газов, обычно с последующей химической реакцией между поглощённым газом и веществами, находящимися в растворе.

Ввод газа в аппарат и образование в нём газожидкостной смеси приводит к снижению мощности, потребляемой на перемешивание, вследствие уменьшения плотности среды в зоне лопастей мешалки.

Структура газожидкостной смеси в аппаратах с мешалками во многом зависит от интенсивности перемешивания, условий ввода газа и его расхода. В случае ввода газа через барботёр, расположенный под мешалкой, при низкой интенсивности перемешивания диспергирования газа практически не происходит и наблюдается его подъём в центральной части аппарата в виде крупных пузырей. Начало диспергирования газа и увеличения газосодержания соответствует некоторому минимальному уровню интенсивности перемешивания, который зависит от расхода газа, размеров аппарата и свойств фаз.

В условиях, когда интенсивность перемешивания в аппарате незначительно превышает порог диспергирования, основная масса подаваемого в аппарат газа диспергируется в виде мелких пузырьков и распределяется в части объёма аппарата, расположенной выше плоскости размещения мешалки, а область ниже мешалки не аэрируется. При увеличении частоты вращения устойчивость деления аппарата на аэрируемую и неаэрируемую зоны нарушается, и при превышении некоторого критического значения частоты вращения весь объём аппарата оказывается заполненным газожидкостной смесью. Критическое значение частоты вращения увеличивается с возрастанием расхода газа и высоты расположения мешалки над днищем аппарата.

Одним из требований конструктивного оформления процессов перемешивания газожидкостных систем является установка в аппаратах отражательных перегородок [2]. Для таких аппаратов характерно явление, оказывающее значительное влияние на интенсивность массообмена в системе газ–жидкость:





~ при частоте вращения выше некоторого значения n0 происходит самопроизвольный захват газа на поверхности перемешиваемой жидкости. Это явление наблюдается в тех случаях, когда верхний край отражательных перегородок выступает над уровнем перемешиваемой среды.

~ При значениях частоты вращения мешалки n > n0 перемешиваемая среда в аппарате представляет собой газожидкостную смесь со средним удельным газосодержанием Hг()- H =, Hг() где Нг() – высота слоя газожидкостной смеси в аппарате. В реальных условиях величина среднего газосодержания может составлять от 2 – 3 до 15 – 20 %. Она возрастает с увеличением частоты вращения мешалки, а также при повышении расхода газа. Наряду с частотой вращения мешалки и расходом газа, определенное влияние на величину газосодержания оказывают физические свойства фаз:

-VвспН () г wг = - Dт Dт wг +, (1.22) п Vвсп 1- e VвспHг() Vвсп wг + L+ 0,25Dтп Нг() 4Vг где п = – объёмная доля газовой фазы в приповерхностной зоне; wг = – приведёнVвсп + L Dная скорость газа, подаваемого в аппарат через барботёр, при его объёмном расходе Vг;

0, г -0,3 Vвсп = +grп 1- – скорость всплывания пузырей радиусом rп = 1,84 оп, проникающих в rп(ж -г) ж ж рабочий объём аппарата с поверхности при поверхностном натяжении на границе раздела фаз, плотностях жидкой и газовой фазы ж и г; Dт – осреднённый коэффициент турбулентной диффузии в рабочем объёме аппарата, определяемый по формуле (1.9), так как для процесса перемешивания газожидкостных систем применяются аппараты с отражательными перегородками или отражателями;

Dтп = 0,136D Dоп – коэффициент турбулентной диффузии в приповерхностной зоне рабочей среды;

оп = 0,1ом + wг g – локальная диссипация энергии, вносимой мешалкой и газом, в приповерхностной зо-27G n dм (KN n3dм) 0,38 + 0,62e не; ом = – усреднённая диссипация энергии, вносимой мешалкой, в рабочем V ж -0, объёме аппарата; = г + (1- )ж – плотность перемешиваемой среды; L = 0,88 0,2K(M) – ско ж оп рость пульсаций жидкости на поверхности перемешиваемой среды; K(M) – зависимость, график кото0, рой представлен на рис. 1.10, причём в данном случае М = Vвсп /Vп; Vп = 1,32 0,2 – пульсационная ж оп скорость, деформирующая поверхность.

Механизм дробления пузырьков газа в турбулентном потоке аналогичен механизму дробления капель при перемешивании взаимно нерастворимых жидкостей. Дробление рассматривается как результат действия разности динамических напоров, деформирующих пузырёк. Для определения диаметра пузырей dп в [1, 2] предложена следующая зависимость:

0,6 0, ж dп = 0,155 (ом)-0,4. (1.23) ж г Таким образом, качество реализации процесса механического перемешивания газожидкостных систем можно оценить по величине среднего газосодержания, для определения которого необходимо решить уравнение (1.22), а также по значению среднего диаметра пузырьков газовой фазы, определяемому по соотношению (1.23).

1.2.6. Перемешивание при растворении в системе жидкость–твёрдая фаза Растворение твёрдой фазы – это процесс, сопровождающийся переходом в раствор вещества, вводимого в аппарат в виде твёрдых частиц. При этом имеющиеся в составе частиц нерастворимые примеси незначительны и не образуют единой структуры.

Процесс растворения представляет собой совокупность последовательно протекающих стадий перехода вещества с поверхности твёрдого тела в раствор у поверхности раздела фаз и отвода растворённого вещества от поверхности в ядро потока в результате молекулярной и турбулентной диффузии. Как правило, стадия переноса растворённого вещества от границы раздела в ядро потока оказывается во много раз медленнее, чем стадия перехода вещества из твёрдой фазы в раствор, поэтому концентрация растворяющегося компонента на поверхности частицы может быть принята равной концентрации насыщения. В таких условиях скорость перехода вещества в раствор полностью определяется растворимостью вещества, площадью поверхности контакта, т.е. гранулометрическим составом частиц, а также коэффициентом массоотдачи на границе твёрдая фаза–жидкость со стороны жидкой фазы, зависящим от интенсивности перемешивания.

Один из подходов к описанию зависимости массоотдачи от интенсивности перемешивания связан с учётом воздействия маломасштабной турбулентности на структуру пограничного слоя вблизи поверхности частицы и обеспечивает возможность расчёта коэффициентов массоотдачи в аппаратах с мешалками различных конструкций с достаточной для практики точностью. В рамках этого подхода скорость массоотдачи от поверхности частицы, взвешенной в турбулентном потоке, определяется наличием молекулярной и турбулентной диффузии и выражение для определения коэффициента массоотдачи имеет вид:

0,(0) = 0,267, (1.24) Sc0,N где 0 = – удельная диссипация энергии в перемешиваемой среде; Sc = /Dм – число Шмидта; Dм – Vж коэффициент молекулярной диффузии; ж – плотность жидкости.

Заметим, что затраты мощности на перемешивание в данном случае определяются по формуле (1.1), где плотность перемешиваемой среды определяется по следующей формуле т ж =, (1.25) т - х0 (т - ж ) k X0i т i=где х0 = – расчётная начальная концентрация твёрдой фазы при начальной массовой k т ж + X0i (т - ж) i=концентрации частиц i-й фракции полидисперсной твёрдой фазы X0i; т – плотность частиц твёрдой фазы.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.