WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЁТА И МОДЕЛИРОВАНИЕ МАЛООБЪЁМНЫХ РОТОРНЫХ ДЕЗИНТЕГРАТОРОВ- СМЕСИТЕЛЕЙ

Специальность 05.17.08 - “Процессы и аппараты химических технологий”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа - 2008

Работа выполнена на кафедре «Оборудование нефтехимических заводов» филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Шулаев Николай Сергеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Умергалин Талгат Галеевич;

кандидат технических наук

Лактионов Алексей Алексеевич.

Ведущая организация

ОАО «Сода», г. Стерлитамак.

Защита состоится «24» сентября 2008 года в 15-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «___» _____ 2008 года.

Ученый секретарь совета Абдульминев К.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Перемешивание в жидких средах является одним из наиболее распространённых способов организации и интенсификации процессов в различных отраслях промышленности.

Всё чаще процесс смешения рассматривают как целостную химико-технологическую систему, в которой оборудование является центральным звеном. К такому оборудованию предъявляются требования обеспечения непрерывности технологического процесса, регулирования параметров смешения в широком диапазоне, простоты и надёжности аппаратурного оформления.

К перспективным аппаратам смешения, отвечающим вышеперечисленным требованиям и имеющим небольшие габариты при высокой производительности, относятся малообъёмные роторные смесители. Отличительная особенность данных смесителей – это возможность достижения значительных величин деформаций и напряжений сдвига, обеспечивающих существенное увеличение поверхности раздела смешиваемых компонентов, концентрацию значительного количества энергии в малых объёмах оборудования, что обусловливает высокое качество смешения. Среди малообъёмных роторных смесителей широкое распространение получили различные варианты конструктивного исполнения роторно-пульсационных аппаратов.

Разработка и совершенствование конструкций малообъёмных роторных смесителей для интенсификации процессов химических технологий являются актуальной проблемой. Решение этой проблемы невозможно без понимания и адекватного описания совокупности физико-химических явлений, происходящих в технологических установках, и влияния конструктивных параметров аппаратов на эти процессы. В связи с этим особую актуальность приобретает разработка методов расчета и математического моделирования смесительных аппаратов, что позволит проектировать и создавать оптимальные конструкции для конкретных технологических процессов.

Учитывая сложность протекающих процессов при обработке жидких сред в малообъёмных роторных смесителях, оценивать эффективность процессов смешения целесообразно с точки зрения энергозатрат, которые в данном случае наиболее полно соответствуют количественным характеристикам проводимого процесса и определяют изменения свойств обрабатываемой среды.

Цели работы:

Разработка конструкции малообъёмного роторного смесителя для перемешивания неоднородных сред. Создание математической модели, связывающей основные геометрические параметры аппарата и свойства обрабатываемой среды с затратами мощности, необходимой для достижения заданных значений степени диспергирования.

Основные задачи исследования:

  1. Разработка конструкции малообъёмного роторного дезинтегратора-смесителя для перемешивания неоднородных сред.
  2. Создание математической модели, связывающей основные геометрические параметры аппарата и свойства обрабатываемой среды с затратами мощности.
  3. Разработка экспериментальной установки для исследования малообъемных роторных дезинтеграторов-смесителей;
  4. Исследование возможности применения предложенной математической модели на практике.
  5. Проведение экспериментальных исследований малообъёмного роторного дезинтегратора-смесителя в конкретных процессах химической технологии с целью оптимизации технологических режимов и внедрения в производство.


Научная новизна

Разработана математическая модель, связывающая основные геометрические параметры аппарата и свойства обрабатываемой среды с затратами мощности. Экспериментально установлены факторы, влияющие на обработку неоднородных сред в малообъёмных роторных дезинтеграторах-смесителях для процессов карбонизации содового и кальцийсодержащего растворов, а также очистки дихлорэтана от побочных продуктов. Определены оптимальные по энергозатратам скорости вращения ротора, величины зазоров между вращающимися и неподвижными дисками и количество рабочих ступеней аппарата.

Практическая значимость

Разработана конструкция малообъёмного роторного дезинтегратора-смесителя (патенты РФ № 59441, № 60880, № 64943, № 66228), использование которого позволит повысить эффективность процессов смешения и массообмена.

Применительно к производственным условиям Стерлитамакского ОАО «Каустик» по результатам разработки внедрены:

  1. Малообъёмный роторный дезинтегратор-смеситель в процессе удаления побочных продуктов из дихлорэтана в производстве винилхлорида.
  2. Малообъёмный роторный дезинтегратор-смеситель в процессе карбонизации стоков гипохлорита кальция с получением химически осаждённого мела.

Применительно к производственным условиям ООО «Стерлитамакский завод катализаторов» по результатам разработки внедрен малообъёмный роторный дезинтегратор-смеситель в процессе растворения парамолибдата аммония и нитрата никеля (II).

Достоверность и обоснованность

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованной в ней нормативной базой, обоснованно апробированными современными экспериментальными и расчётными методами, сходимостью экспериментальных и расчётных данных.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались:

  1. На Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2006» (г. Ухта, 2006 г.);
  2. Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в развитии топливно – энергетического комплекса» (г. Уфа, 2007 г.);
  3. ХI региональном конкурсе научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа (г. Уфа, 2007 г.);
  4. IV Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности»

(г. Санкт-Петербург, 2007 г.).

Публикации

Основное содержание работы изложено в 15 публикациях, 4 из которых - патенты РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, основных выводов, списка использованных источников из 116 наименований и приложений. Общий объём диссертации составляет 117 страниц (без учёта приложений), содержит 44 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, ее научная и практическая значимость, сформулированы основные задачи исследований и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрены основные показатели процесса перемешивания. Дан краткий анализ конструкций дисковых мешалок, аппаратов и устройств с рабочими элементами в виде дисков. Показано, что рассмотренным конструкциям присущи следующие недостатки: невысокая производительность из-за низкой пропускной способности отдельных элементов аппарата; неэффективное воздействие на обрабатываемую среду со стороны рабочих органов аппарата; невозможность оперативного изменения параметров обработки среды (например, изменение зазора между дисками); повышенное потребление мощности на преодоление гидродинамических сопротивлений из-за наличия выступающих частей над дисками; узкая область применения (например, только для систем «жидкость-жидкость» или «жидкость-твёрдое тело»); сложность конструкции аппарата.

Разработанная конструкция малообъёмного роторного дезинтегратора-смесителя позволяет свести к минимуму вышеперечисленные недостатки. Предлагаемый малообъёмный роторный дезинтегратор-смеситель состоит из загрузочного и разгрузочного патрубка, неподвижного цилиндрического корпуса, в объёме которого жёстко зафиксированы перфорированные диски, расположенные поочерёдно с аналогичными по конструкции перфорированными дисками, закреплёнными на вращающемся роторе (рисунок 1). Отверстия перфорированных дисков могут быть ориентированы под различным углом в направлении от центра к периферии. На рисунке 1 отверстия ориентированы под углом 45°. Пара, состоящая из одного подвижного и одного неподвижного диска, составляет рабочую ступень аппарата.

Малообъёмный роторный дезинтегратор-смеситель выполнен с возможностью регулирования зазора между подвижными и неподвижными перфорированными дисками с помощью регулирующего устройства.

Малообъёмный роторный дезинтегратор-смеситель работает следующим образом. Под действием массовых сил или искусственно создаваемого избыточного давления обрабатываемая смесь перемещается от загрузочного патрубка к разгрузочному патрубку. При движении через перфорированные диски обрабатываемая смесь подвергается интенсивному механическому и гидродинамическому воздействию с проведением процесса диспергирования и перемешивания. Интенсивность механического воздействия достигается относительно высокой частотой вращения ротора и возникающим в связи с этим высокотурбулентным движением обрабатываемой среды в зазорах между вращающимися и неподвижными перфорированными дисками и за счёт принудительного перекрытия каналов течения обрабатываемой среды с возникновением значительных значений

градиента скорости и давления.

а) б)

1 – загрузочный патрубок, 2 - разгрузочный патрубок, 3 - неподвижный цилиндрический корпус, 4 - перфорированные диски, 5 – регулирующее устройство

Рисунок 1 – Малообъёмный роторный дезинтегратор-смеситель (а) и вариант исполнения его перфорированного диска (б)

Отверстия в роторе и статоре, созда­вая осевой поток, непрерывно ориентируют элементы объёма среды перпендикулярно направлению сдвигового воз­действия, а также дробят потоки на малые объемы, способствуя значительному увеличению площади поверхности раздела и равномерному распределению элементов объема обрабатываемой смеси в аппарате. Кроме того, поскольку материал обрабаты­вается в малом зазоре, в нем возникают большие скорости сдвига, что позволяет достичь высокой интенсивности деформационного воздействия.

Возможность изменения величины зазора между вращающимися и неподвижными дисками с помощью перемещения ротора в вертикальном направлении посредством вращения регулировочной гайки, позволит получать на выходе из аппарата дисперсные частицы требуемых размеров.

Во второй главе описывается разработка математической модели для малообъёмных роторных дезинтеграторов-смесителей.

В качестве критерия эффективности процесса смешения выбран удельный расход энергии, который наиболее полно соответствует количественным характеристикам проводимого процесса и проявляется в изменениях свойств обрабатываемой среды.

При разработке математической модели рассматривался случай движения жидкости в аппарате, когда один диск вращается, а второй неподвижен. На рисунке 2 приведена схема движения жидкости в зазоре между двумя перфорированными дисками малообъёмного роторного дезинтегратора-смесителя. Течение вязкой несжимаемой жидкости между проницаемыми дисками стационарное. Движение жидкости представлено в цилиндрической системе координат r,, z, причем ось z совпадает с осью вала.

1 – неподвижный диск, 2 – вращающийся диск

Рисунок 2 – Схема движения жидкости в зазоре между двумя дисками малообъёмного роторного дезинтегратора-смесителя

Для решения задачи о движении жидкости введены некоторые допущения:

1 Учитывая осевую симметрию (ось z совпадает с осью вала),.

2 Зазоры между валом и дисками, дисками и корпусом настолько малы, что течением жидкости через эти зазоры пренебрегаем, в этом случае составляющая скорости по оси r равна нулю.

3 Отверстия в дисках не вносят заметных возмущений в картину течения.

4 Движение жидкости установившееся, т.е..

5 Массовыми силами пренебрегли, т.е. Fr= Fz= F=0.

С учётом введённых допущений из уравнения движения вязкой жидкости и уравнения непрерывности, записанных в цилиндрической системе координат, были определены составляющие скорости и , м/с.

, (1)

где

G

-

массовый расход обрабатываемой смеси, кг/с;

-

плотность смеси, кг/м3;

n

-

число отверстий на диске;

Sотв

-

Pages:     || 2 | 3 |






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