Интенсификация перемешивания в аппаратах с использованием решетки крыловых профилей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Борисов, Алексей Викторович

• Борисов, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Борисов, Алексей Викторович

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1 Сравнительная характеристика различных типов мешалок по критерию мощности.

1.2 О влиянии различных составляющих поля скоростей на интенсивность перемешивания.

1.3 Нетиповые конструкции аппаратов.

1.4 Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА

УВЕЛИЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ РАБОТЫ МЕШАЛКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕШЕТКИ КРЫЛОВЫХ ПРОФИЛЕЙ.

2.1 О соотношении составляющих поля скоростей в аппарате цилиндрической формы.

2.2 Метод определения поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

2.3 Способ увеличения интенсивности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием модели комбинированного вихря Рэнкина.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

В АППАРАТЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕШЕТКИ КРЫЛОВЫХ ПРОФИЛЕЙ.

3.1 Методы определения качества перемешивания.

3.1.1 Применение красящих веществ.

3.1.2 Использование электропроводности.

3.1.3 Использование теплоты растворения.

3.1.4 Использование разности плотностей.

3.1.5 Использование градиента температур.

3.2 Выбор метода определения качества перемешивания и описание экспериментальной установки.

3.3 Изучение изменения поля скоростей.

3.3.1 Фотографический метод.

3.4 Изучение изменения электрической энергии, затрачиваемой на перемешивание.

3.5 Экспериментальное исследование влияния решетки крыловых профилей на теплоперенос.

3.6 Исследование особенностей воронкообразования при использовании решетки крыловых профилей.

3.7 Рекомендации по расчету аппарата с решеткой крыловых профилей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация перемешивания в аппаратах с использованием решетки крыловых профилей»

Запросы различных отраслей промышленности постоянно опережают внедрение в практику эффективного смесительного оборудования [1]. Во многом это объясняется тем, что изменились представления о возможностях самого процесса смешения, который становится способом получения материалов с комплексом требуемых свойств. Все чаще процесс смешения рассматривают как целостную химико-технологическую систему, в которой оборудование является центральным звеном [2]. К такому оборудованию предъявляются требования обеспечения непрерывности технологического процесса, регулирования параметров смешения в широком диапазоне, простоты и надежности аппарата. Одним из основных требований можно считать достижение максимальной эффективности работы аппарата. Под эффективностью перемешивания понимают технологический эффект перемешивания [4]. Из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором достигается определенный технологический эффект при меньших затратах энергии [5]. Воспользуемся данным определением для сравнения эффективности работы аппаратов различных конструкций.

Особенностью аппаратов с мешалками является сложность гидродинамических явлений, протекающих при перемешивании, что затрудняет возможность решения системы дифференциальных уравнений движения жидкости, и, как следствие, затрудняет теоретическое определение поля скоростей.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка теоретических основ и экспериментальное исследование метода увеличения интенсивности перемешивания.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи:

- Теоретическое определение поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

- Разработка аппарата для реализации теоретической модели метода интенсификации перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой.

- Проведение серии экспериментов для подтверждения теоретических выводов на практике.

Научная новизна.

- Предложен новый метод интенсификации перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой.

- Разработана конструкция аппарата для реализации данного метода.

- Предложена методика решения системы уравнений Навье-Стокса в аппаратах цилиндрической формы с мешалкой.

Практическая ценность.

- Обоснована теоретически и подтверждена практически возможность интенсификации процесса перемешивания в аппарате цилиндрической формы с использованием решетки крыловых профилей.

- Создана экспериментальная конструкция перемешивающего устройства, позволяющая изменять параметры решетки крыловых профилей во время проведения эксперимента.

- Получены экспериментальные данные о повышении интенсивности перемешивания при прежних энергетических затратах.

Апробация работы.

Доклады на конференциях

1. Соловьев А.В., Борисов А. В. Способ увеличения эффективности перемешивания с использованием комбинированного вихря Рэнкина // В кн.: VX Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях». - Тамбов: ТГТУ, 2002.

2. Соловьев А.В., Борисов А.В. Способ увеличения эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием модели комбинированного вихря Рэнкина // В кн.: Международная конференция «Инженерная защита окружающей среды». - М.: МГУИЭ, 2002.

Статьи в журналах и научных сборниках

1. Соловьев А.В., Борисов А.В., Кутепов A.M. Метод определения поля скоростей в аппаратах цилиндрической формы // Сборник научных статей под редакцией академика РАН A.M. Кутепова и доктора технических наук Д.А. Баранова, 1998 - Москва: МГУИЭ. - с. 126 - 127.

2. Соловьев А.В., Борисов А.В. Увеличение эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием комбинированного вихря Рэнкина // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2002, №10.

3. Соловьев А. В., Борисов А. В. Исследование эффективности перемешивания в аппарате цилиндрической формы с использованием решетки крыловых профилей // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2003, №6.

На защиту выносятся:

- Предложения по увеличению эффективности работы мешалки в аппаратах цилиндрической формы.

- Конструкция аппарата с использованием решетки крыловых профилей.

- Экспериментальные данные по зависимости:

-потребления электрической энергии установкой от конструкции аппарата и числа оборотов мешалки; -поля температур в аппарате от конструкции аппарата и времени.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Борисов, Алексей Викторович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан метод увеличения интенсивности перемешивания в аппарате цилиндрической формы с мешалкой, состоящий в перераспределении составляющих поля скоростей в сторону увеличения осевой и радиальной.

2. Предложено одно из конструктивных решений с использованием решетки крыловых профилей для реализации данного метода.

3. Разработана экспериментальная установка для изучения влияния параметров решетки крыловых профилей на интенсивность перемешивания.

4. Получены экспериментальные данные о повышение эффективности перемешивания, подтверждающие правильность теоретических выводов. В данном случае можно говорить именно об эффективности перемешивания, так как данный метод интенсификации не приводит к увеличению энергетических затрат.

5. Получено частное решение системы уравнений Навье - Стокса для аппарата цилиндрической формы с мешалкой, залитого под крышку. Решение представляет собой комбинацию синуса, косинуса и функций Бесселя. Это позволяет, в отличие от модели вихря Рэнкина, учитывать в расчетах не только окружную составляющую поля скоростей, но осевую и радиальную.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Борисов, Алексей Викторович, 2003 год

1. Богданов В. В., Христофоров Е. К, Клоцунг Б. А. Эффективные малообъемные смесители. Л.: Химия, 1989. с 4.

2. Богданов В. В., Красовский В. Н. Системный подход к исследованию процессов смешения эластомеров // ЖПХ. 1984, №9, с. 2020-2025.

3. Василъцов Э. А., Ушаков В. Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. -Л.: Машиностроение, 1979. с. 7

4. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987. - 496 с.

5. Процессы и аппараты химической технологии / Под ред. Кутепова A.M. М.: Логос, 2001, т.2, 599 с.

6. Rostan М., Pharamond J.C. Techniques de l'inginieur // Agitation. Melange. -A5900, 1980, P. 1-20.

7. Перемешивающие устройства для жидких неоднородных сред. Термины и определения. ГОСТ 22577-77. Введ. 01.01.1978 г.

8. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Типы и основные параметры. ГОСТ 20680-75. Введ. с 01.01.1977 г.

9. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами, вертикальные. Метод расчета. РТМ 26-01-90-76. Введ. с 01.07.1977 г.

10. Жгун Г. Г., Ушаков В. Г., Брагинский Л. Н. Расчет мощности в аппаратах с фрезерными мешалками // Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для технологическихпроцессов, 1977, с. 185-190.

11. Кафарое В. В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1972. 494 с.

12. Мешалки для высоковязких и неньютоновских сред. Области применения и метод расчета. РТМ 26-01-59-73. Введ. с 01.07.1974 г.

13. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. JL: Химия, 1975, 384с.

14. Жуковский Н.Е. Вихревая теория гребного винта. M.-JL: Гостехиздат, 1950, 239 с.

15. Холанд Ф., Чапмен Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов. М.: Химия, 1974.

16. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. -Л.: Госхимиздат, 1963,416 с.

17. Nagata S., Yamamoto К., Ujihara М. Flow patters of liquid in a cylindrical mixing vessel without bafflers 11 Mem. Fac. Eng. Kyoto Univ. 1958. - V.20, Pt.4.

18. Брагинский Л. H. О распределении окружных скоростей жидкости и глубине воронки в аппаратах с мешалками // ТОХТ. 1967, т. I, № 3, с. 675 - 681.

19. Брагинский Л. Н., Бегачев В. И. О взаимосвязи между окружной скоростью жидкости и мощности при перемешивании // ТОХТ. 1972, т. VI, № 2, с. 260 -268.

20. Мудрое А. Г. Пространственные перемешивающие устройства. Казань: Татарское книжное издательство, 1984, 175 с.

21. Мудрое П. Г. Пространственные механизмы с вращательными парами. -Казань: Татарское книжное издательство 1976, 264 с.23 . А. с. №863378. Мешалка. /П. Г. Мудров, А. Г. Мудров. Опубл. в Б. И. №34, 1981

22. А. с. №854350. Тестомесильная машина. /П. Г. Мудров, А. Г. Мудров. Опубл. в Б. И. 30, 1981

23. Чепура К В., Орлов В. А. Определение расхода энергии на перемешивание в жидких средах механическими мешалками // Метод, указан, к лаб. работе. -М.: 1977.

24. Бортников И. И., Таганов Н. И., Павлушенко И. С., Мильченко А. И., Михалев М. Ф. Некоторые характеристики аппаратов с прецессионным движением мешалки // Химическое и нефтехимическое машиностроение. -1967, №6, с. 21-23.

25. Nagata S. Mixing. Principles and applications. Tokyo: Halsted press book, 1975, 458 p.

26. Мельников В.И. О движении жидкости в мешалке // Тр. НИИХиммаш. -1954, Сб.16, с. 105-120.

27. Ушаков В. Г., Невелич В. В., Василъцов Э. А. Смесительно-реакционноеоборудование для производств нефтехимической промышленности // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1973, с. 285-290

28. Ушаков В. Г. Оборудование для синтеза и обработки пластических масс и синтетических каучуков. М.: НИИхиммаш, 1980, с. 3-8.

29. Городецкий И. Я., Васин А. А,, Олевский В. М., Лупанов П. А. Вибрационные массообменные аппараты. М.: Химия, 1980. 189 с.

30. Бабинцева Б. Л., Лосик В. И. К расчету конвективного теплообмена в аппаратах с виброперемешиванием // ЖПХ. 1980, т. 53, №11, с. 2475-2478.

31. Семенов В. М., Осипов А. В. Влияние параметров колебаний на массообменные процессы в системе жидкость твердое тело при виброперемешивании // Теория а практика перемешивания в жидких средах. - М.: НИИТЭхим, 1982, с. 139

32. Слезкин Н. А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Государственное издательство технико-теоритической литературы, 1955, с. 132.

33. Гзовский С. Я. Исследование кинематики потока при перемешивании жидкостей радиально-лопастными мешалками // Химическое машиностроение. 1959. - № 6. - с. 13-19

34. Nagata S., Jokoyama Т., Joshira N. Mem. Fac. Engng Kyoto Univ., 1955, т. 17, № 3, с. 175-186

35. Nagata S., Jokoyama Т., Joshira N. Ibid., 1959, т. 21, № 3, с. 260 269

36. Aiba S. Flow patterns of liquids in agitated vessels // AIChE Journal. 1958. -V.4, № 4, p. 485-491

37. Карасев И. H. Некоторые вопросы расчета якорных мешалок и выбора их конструкции // Теория и практика перемешивания в жидких средах. -М.: НИИТЭИ, 1971, с. 30-31

38. Демьянова Е. М., Павлушенко И. С. Исследование движения жидкости в гладкостенном аппарате с мешалкой // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ 1973, с. 24 - 26

39. A\.Rushton J. К, Costich Е. W., EverettН. J. Chem. Eng. Progr., 1950, с. 395-476

40. Орлов В. А. Исследование структуры и скоростей потоков жидкости в аппаратах с радиально-лопастными мешалками при наличии отражательных перегородок. Автореф. канд. дисс. - МИХМ. - 1972,24 с.

41. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, с. 648

42. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. -Л.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, с. 247-252

43. Кафаров В.В., Огородник И.М. Определение профиля скоростей в аппаратах с мешалками // Хим. и нефт. маш. 1967. - №1. - с. 22-24.

44. Kramers Н., Baars G. М., Knoll W. Н. A comparative study on the rate of mixing in stirred tanks // Chem. Eng. Sci. 1953. - V2, №l. p. 32-42

45. Kneule F. Die prufung von ruhrern durch doslichkeits bestimmung 11 Chem. Eng. Techn. 1956. -Bd. 28, №3. - p. 221-225

46. Tobias C. W., EisenbergM., Wilke C. R., Electrochem. Soc., 1952, c. 359-365

47. Mohle W., Chem.-Ing.-Techn., 1952, c. 494-500

48. Глуз М.Д. О радиальной скорости течения перемешиваемой жидкости // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1976, с. 5-7

49. Парафейко Н.И. и др. Исследование интенсивности циркуляции жидкости в аппарате с мешалкой // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1976, с. 18 - 22

50. Антуфъев В. М., Веденеев В. А. Интенсификация теплообмена путем искусственной турбулизации потока жидкости в трубах // Химическое и нефтехимическое машиностроение. 1974, №1, с. 16-18

51. Рисович А. И., Соломятин С. Я. Теплогидродинамические характеристики и эффективность вставок-смесителей в круглой трубе // Изв. вузов. Энергетика. 1979, №3, с. 64 - 69

52. Дилъман В. В., Шульц Э. 3. Полуэмпирическая теория продольного рассеяния вещества в потоке жидкости // ТОХТ. 1968, т. II, №1, с. 84-91

53. Барабаш В. М., Кокотов Ю. В., Пивоваров М. А. Математическое моделирование процессов крупномасштабного переноса в барботажных аппаратах // ТОХТ. 1981, т. XV, №5, с. 650-658

54. Брагинский JI. Н., Бегачев В. И., Барабаш В. М. Перемешивание в жидкихсредах. JI.: Химия, 1984.- 336 с.

55. Бахтюков В. М. Исследование работы струйных реакционных аппаратов. -Автореф. канд. дисс., МИХМ, 1967, 22 с.

56. Городецкий И. Я., Васин А. А., Олевский В. М., Лупанов П. А. Вибрационные массообменные аппараты. М.: Химия, 1980, с. 3-8

57. Соловьев А. В., Борисов А. В. Увеличение эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием комбинированного вихря Рэнкина // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002, №10. - с. 8 - 9.

58. Дильман В. В., Жиляева Т. А. Исследование продольного перемешивания при барботаже в проточных реакторных колоннах // Химия и технология топлива и масел. М.: Химия, 1965, №12, с. 36-40.

59. Идельсон Н. И. Способ наименьших квадратов и теория математической обработки наблюдений. -М.: Геодезиздат, 1947.

60. Чеботарев А. С. Способ наименьших квадратов с основами теории вероятностей. ОНТИ, 1936.

61. Ющенко А. П. Способ наименьших квадратов. Изд. «Морской транспорт», 1956.

62. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М.: Физмат, 1962.

63. Соловьев А. В., Чепура И. В., Сиделъников И. И.О меридиональной циркуляции в смесителях // Труды МГАХМ, Выпуск 1. 1997, с. 62.

64. Соловьев А. В., Борисов А. В., Кутепов А. М. Метод определения поляскоростей в аппаратах цилиндрической формы // Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий. 1998, с. 126 - 127.

65. Соловьев А. В., Борисов А. В. Эффективность перемешивания в цилиндрическом аппарате с использованием решетки с крыловыми профилями // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003, №6, с. 8 -9.

66. Жуковский Н.Е. Аэродинамический расчет аэропланов. М.: Упр. ВВФ, 1917, 20 с.

67. Жуковский Н.Е. Теоретические основы воздухоплавания / Под ред. Ветчинкина В.П., Ченцова Н.Г. -М.: Гостехиздат, 1925, 306 с.

68. Чаплыгин С.А. Гидродинамика. Аэродинамика // Собрание сочинений. М.-Л.: Гостехиздат, 1948, т.2, 644 с.

69. Чаплыгин С.А. Избранные работы по теории крыла. M.-JL: Гостехиздат, 1949, 275 с.

70. Чаплыгин СЛ., голубев В.В. К теории предкрылка и закрылка // НКТП СССР. Глав. упр. авиац. пром. Труды Центр. Аэродинамического ин-та им. Жуковского. М., 1935, вып. 171, 39 с.

71. Чаплыгин С.А., Лаврентьев А.Л. О подъемной силе и сопротивлении длинного плоского крыла в предположении срыва с его верхней поверхности. M.-JL: Гостехиздат, 1933, 26 с.

72. Муратов О.В., Фомин В.В. Описание трехмерного поля скоростей ваппаратах с мешалками // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1982, с. 8 - 10

73. Царева А.А., Лабутин А.Н. и др. Исследование структуры потоков в промышленных реакторах с перемешиванием // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1986, с. 7 - 9

74. Глуз М.Д., Павлушенко КС. Аналитический метод расчета поля скоростей в аппаратах с мешалками // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1973, с. 26 - 30

75. Харахаш В.П., Туманов Ю.В. Оценка эффективности механических мешалок для процессов перемешивания жидких сред // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1971, с. 38 - 44

76. Браверман Г.Б., Гзовский С.Я. Исследование эффективности и определение оптимальных параметров при перемешивании жидкости радиально-лопастными мешалками // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1971, с. 101 - 103

77. Мильченко А.И. Мешалки с прецессионным движением вала // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1971, с. 73 - 79

78. Михайлов Г.Г. и др. Опыт эксплуатации винтовых мешалок в многовальных аппаратах большой единичной мощности // Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭИ, 1982, с. 116-117