научная статья по теме ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В АППАРАТАХ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В АППАРАТАХ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 5, с. 529-540

УДК 66.011.001.57

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В АППАРАТАХ

С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ © 2011 г. С. Г. Дьяконов, В. В. Елизаров, Д. В. Елизаров, Д. А. Кириллов

Казанский государственный технологический университет pd@nchti.ru Поступила в редакцию 22.03.2011 г.

Рассматривается вариационный метод определения оптимальных параметров аппаратов с перемешиванием жидкой фазы на основе математической модели кинетики растворения или кристаллизации мелких твердых частиц. В качестве критерия оптимизации принимается производительность аппарата, которая лимитируется потоком вещества через пограничный слой на поверхности твердых частиц. Решается задача оптимизации процесса дегазации крошки каучука в аппарате с мешалкой.

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование промышленных аппаратов с перемешивающими устройствами для процессов растворения или кристаллизации мелкодисперсной твердой фазы сводится к определению типа мешалки, диаметра аппарата и мешалки, мощности на валу привода. Число оборотов мешалки обычно задается, выбирается тип и конструкция перемешивающего устройства, мощность двигателя. Скорость растворения и кристаллизации определяется экспериментально или на основе эмпирических зависимостей. Выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров аппарата целесообразно проводить из условия максимальной производительности, при заданных гранулометрических характеристиках твердых частиц и мощности двигателя.

В процессах растворения твердых частиц, выщелачивании или кристаллизации производительность процесса лимитируется скоростью переноса вещества через пограничный слой на поверхности частиц и скоростью переноса внутри частиц. Структура пограничного слоя на поверхности частиц зависит от гидродинамического режима перемешивания жидкости в аппарате. При проектировании оптимальной конструкции аппарата и перемешивающего устройства необходимо создать в объеме жидкости гидродинамический режим, который обеспечит однородное распределение твердых частиц в объеме жидкости и максимальный поток вещества через пограничный слой на поверхности частицы. Пограничный слой на элементах мелкодисперсной твердой фазы в потоках с внешней турбулентностью сочетает в себе черты, характерные для ламинарного и турбулентного пограничных слоев, и может классифицироваться как псевдоламинарный [1, 2]. В предлагаемой работе на основе уравнений кинетики процессов растворе-

ния и кристаллизации [2] рассматривается вариационный метод определения оптимальных параметров промышленных аппаратов с перемешиванием.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

При малой концентрации частиц в объеме жидкости (<10%) для определения скорости растворения и роста частиц, их размеров достаточно рассмотреть перенос вещества через пограничный слой из раствора к отдельной частице при кристаллизации или, наоборот, с поверхности частицы в раствор при растворении. Скорость роста и растворения частицы по диффузионному механизму записывается в виде уравнения

% = --^-Р( - ), (1)

Ат 3фгр,

где ф_£. и фу — поверхностный и объемный коэффициенты формы твердой частицы; — плотность частицы, I — линейный размер (диаметр частицы или

длина грани кристалла); в — среднее значение коэффициента массоотдачи в растворе; с, сш — концентрация вещества на поверхности частицы и в растворе.

Интегрирование уравнения (1) по времени т, начиная от т = т0, начала процесса, позволяет определить размер частицы в момент времени т:

I = Iсг - [т^Р (( - с»)

3(Рг Р

(2)

Здесь приведена движущая сила для процесса растворения частицы. Коэффициент массоотдачи в

рассчитывается по величине потока вещества в пограничном слое на поверхности элемента:

Р =

Б дС

. ду II 0

Кс4 - с«),

(3)

где с — распределение концентрации в пограничном слое; у — поперечная координата пограничного слоя.

Для расчета коэффициента массотдачи, согласно (3), устанавливается распределение концентрации С в пограничном слое и объеме аппарата с^. Уравнения переноса импульса и массы в пограничном слое на поверхности частицы приведены в [2] и в подвижной системе координат записываются в виде

2 —2 2 д и + = +ке ди

дц 12 д^2 " ш дп\

2 —2 2 д с дС = ±ре дС

дп\2 12 д£,2 " ® дп'

(4)

V и„ ди

5 дп

= (и ')2'

П = 1

откуда

ди дц

ц = 1

2 ^ ^ = Ти2Яе3.

V

Яе6 =

и^5

V

Ти

= и = 1 /2г:'.\Л

'•"да *""да

( Е = N = Км р п3 йм (6)

иЛ 15/ V V

и = — Ти2Яе58т2я:п + V ик (%)вт—п, (7) 2п к=1 2

где к = 1, 3, 5,..., 2п = 1,...; п = 0, 1, 2, ...; ик(^) — неизвестные функции от £,.

Решение (7) удовлетворяет граничным условиям (6) по координате п. Функции ик(^) (к = 1,3,5'...' 2п + 1'...) удовлетворяют уравнению (7) и граничным условиям (6) по координате £,. Подставляя решение (7) в уравнение (4), умножая его на

81П—п, где т = 1Д5'...'2п + 1'... и интегрируя его

по п от 0 до 1, получим систему уравнений для определения искомых функций ит (£,) (т = 1'3'5'...' 2п + 1'...). Далее после преобразований принимаем к = т.

(5) ит ® = /к ©И2 -1~

П \ 2 / П

,2 8Ти2Яе58т^

4 - (т

где Яеш = —; Реш = —й; 8, 5й — толщины динами-V D

ческого и диффузионного слоев. Поток импульса на внешней границе пограничного слоя определяется как

2

+

п214 - (т

2 + Ти2Яе5Яеют +

(8)

я) - 4

2

кик (£)

- ■ - т+к+2

о к=1 т + к х (-1) 2

где ия = ■

й 2Ыя

ЯеУ =

й^2 V

условия по координате £,:

5" = . Граничные

Запишем граничные условия для уравнений (4) и (5):

при п = 0: и = 0, с = 0; % = 0: и = и(0, п), с = (0, п);

% = 1: — = дс = 0; п = 1: дс = 0' ди = Ти2 Яе^

дЪ дЪ дц дц

е _ 1 . йит

е = 1

2Ти^е'я 8Ш тп

4 - (я

(9)

где Ти — интенсивность турбулентных пульсаций; е — скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; и' — пульсационная составляющая скорости; их — скорость обтекания частицы. Толщина динамического пограничного слоя определяется из условия и = 1 при п = 1.

Решение уравнения переноса импульса. Решение уравнения переноса импульса в пограничном слое на поверхности частицы представляется [2] в виде разложения по ортогональным функциям:

е = о п я

где т = 1, 3, 5, ..., 2п + 1, ...

Система уравнений (8) с граничными условиями (9) решается методом последовательных приближений [2].

Решение уравнения переноса массы. Решение уравнения переноса массы (5) записывается в виде [2]

X Ск

к=1

кп 81П-П.

2

(10)

Поступая аналогично, как и при решении уравнения переноса импульса придем к системе обык-

2

да

+

2

да

новенных дифференциальных уравнений (11) относительно искомых функций ст(^):

^ (S) = Й (f)2 -m (S) +

S/ 2 '

Pe^X (S)"

(11)

m+k+2 -

Sd k=i m + к x (-1) 2

d2c (Ç)

где m = 1,3, 5,..., 2л + 1, ...; c'm (Ç) =--^ с гра-

ничными условиями для cm(£):

dc m+3

при Ç = 1: ^ = 0;при Ç = 0: cm (0) = (-1^^.(12) dç n m

Коэффициент массоотдачи ß находится по формуле (3). С учетом разложения c (2,, п) по (10) выражение (3) записывается в виде

D

ß U) = ■

д ду

Xck©sin^k|yj(csf - Cm)

- c

k=1

y=0

csf cV-

(13)

= D 2L X kck 2Sd k=1 k = 1,3,5,... ,2n + 1,....

Среднее значение коэффициента массоотдачи ß определяется как среднеинтегральное по поверхности частицы:

ß = Jß fë) d%

(14)

dT тп V f '

(15)

где T — время; V — объем жидкой фазы в аппарате; ß — среднее значение коэффициента массоотдачи; F — поверхность твердых частиц в растворе; тп = V/ и — время пребывания вещества в аппарате; c0 — концентрация раствора на входе в аппарат;

csf = cp — концентрация насыщения. Решение уравнения принимает вид [2]

c h +

(ß F/V )csf + cj Tn

( ißF +1

ß F/V + 1/ t n

-+— IT

eV tJ -1

^ (16) e 4 ,

где сн — начальная концентрация раствора при т = 0.

Поверхность твердых частиц Ш в растворе определяется при известных значениях среднего размера I частицы и их количества т в растворе F = /0т, где /0 — площадь поверхности одной частицы. Общая схема расчета кинетики растворения и роста твердых частиц за время их пребывания в аппарате тп в зависимости от конструктивных и режимных параметров приведена в [2].

Постановка задачи оптимизации. В качестве проектируемых параметров аппарата с перемешивающим устройством в процессах растворения и кристаллизации обычно принимают диаметр и высоту аппарата, определяющие объем жидкости (растворителя) V, диаметр dм и тип мешалки число оборотов п, начальный размер de частиц и их концен-трациию у в объеме жидкости, время пребывания в аппарате тп, расход растворителя и, количество получаемого продукта М. Очевидно, что чем больше поток вещества через пограничный слой на поверхности частиц при заданной их концентрации, тем больше получают целевого продукта с единицы объема аппарата, а значит, тем выше его производительность. Поток вещества через пограничный слой на поверхности частиц в ядро турбулентной жидкости при растворении (+) и кристаллизации (—) записывается в виде

J = ± D

dc

дп

d Ъ

(17)

Определение концентрации раствора в аппарате с мешалкой. Концентрация раствора сх в аппарате с мешалкой в условиях полного перемешивания определяется по модели идеального смешения с источником стока массы (+ растворение, — кристаллизация):

где с(^, п) — концентрация вещества в области пограничного слоя; Б — коэффициент молекулярной диффузии; £,, п — продольная и поперечная координаты пограничного слоя, п = 0 — значение п на поверхности частицы.

Мощность на валу двигателя мешалки, затрачиваемая на перемешивание, расходуется, пренебрегая межмолекулярным трением в жидкости, на сопротивление трения на поверхности частиц

N = m

f0pJ vdn

J дп

d Ъ

(18)

n=0

JJ

где т — количество частиц в объеме жидкой фазы V; /0 — поверхность частицы, /0 = пА2 V, р — коэффициент кинематической вязкости и плотность жидкости; и(е, п) — распределение скорости жидкости в области пограничного слоя.

Сформулируем вариационную задачу оптимизации процессов растворения и кристаллизации: требуется найти значение вектора проектируемых параметров 0 = (Кя,п, Ам,/0, т0,тП,¥) е 0О, при котором поток вещества через пограничный слой максимален при заданной мощности N = N на валу двигателя мешалки. Математическая формулировка задачи запи-

со

зо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком