научная статья по теме ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 2, с. 140-147

УДК 66.09

ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД

© 2007 г. В. М. Барабаш, В. И. Бегичев, М. А. Белевицкая, |Н. Н. Смирнов

ООО "Миксинг", Санкт-Петербург barabash@mixing.ru Поступила в редакцию 11.09.2006 г.

Проанализированы наиболее значительные результаты теории и практики процессов перемешивания в жидких средах, в том числе полученные за последнее десятилетие. Сформулированы некоторые актуальные вопросы дальнейшего развития научных и прикладных задач.

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

Грамотный расчет и выбор аппаратуры для этих целей представляет собой сложную инженерную задачу, требующую решения многомерных и нелинейных уравнений, описывающих многообразные физические явления, происходящие в рабочем объеме аппарата.

Ниже изложены и проанализированы наиболее значимые результаты теории и практики перемешивания в жидких средах, а также сформулированы основные вопросы, решение которых позволило бы не только повысить надежность инженерных методов расчета и расширить область их применения, но и предложить новые, более рациональные варианты технологического оборудования с механическим перемешиванием.

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ

АППАРАТУРЫ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Традиционный вид оборудования для перемешивания - вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой, ось вращения которой совпадает с осью аппарата. Эта конструктивная схема, как показывает многолетний опыт проектирования и эксплуатации аппаратов с мешалками [1-5], является наиболее рациональной. Она сформировалась более двух тыс. лет назад и до сих пор не претерпела принципиальных изменений. С механической точки зрения, такой аппарат, несмотря на внешнюю простоту конструкции, обладает существенным отличием от других видов оборудования, содержащих вращающиеся валы. Эта особенность заключается в том, что консольные валы мешалок характеризуются большим значением отношения длины вала к его диаметру. Концевые опоры валов используются редко, учитывая воз-

можность попадания в среду продуктов истирания, или из-за наличия в среде абразивных частиц.

Частота вращения такого вала ограничивается требованиями виброустойчивости. Эти требования связаны с расчетом частоты свободных колебаний валов (собственной частоты) и к настоящему времени в достаточном объеме освещены в литературе [2, 6-8].

Современные технологии и материалы, а также увеличение объемов аппаратов, зачастую приводят к изменению их общепринятой компоновочной схемы. Так, например, одним из вариантов конструктивного оформления аппаратов с мешалками является смещение вала мешалки относительно оси аппарата, что оказывается весьма перспективным для процессов, осуществляемых в аппаратах, в которых исключается возможность установки отражательных перегородок из-за использования специальных внутренних покрытий (гуммирования, эмалирования и т.д.), требующих достаточно интенсивного перемешивания. При интенсивных режимах перемешивания, отсутствии отражательных перегородок и центральном расположении вала с мешалкой возможно возникновение глубокой воронки, отрицательно влияющей на процесс перемешивания и снижающей надежность работы аппарата. Тенденция к использованию аппаратов большой единичной мощности привело к появлению разнообразных многоприводных схем, предусматривающих установку в аппарате нескольких однотипных перемешивающих устройств [3].

Получили также распространение аппараты с несколькими перемешивающими устройствами различного функционального назначения. Как правило, основу этого варианта составляет тихоходная рамная или аналогичная ей мешалка, а также одно или два дополнительных перемешивающих устройства, предназначенных для создания или интенсификации циркуляционного движения или выполняющих различные смесительные и

диспергирующие функции. Такое конструктивное оформление, позволяет значительно расширить области применения аппаратов [1, 2].

На протяжении многих лет продолжаются исследования новых типов перемешивающих устройств, обеспечивающих специальные требования того или иного процесса (производительность, степень дисперсности сред и т.д.). В последние годы предлагаются мешалки типа MIG и INTERMIG (фирмы "Екато", Германия) [4], А310, А315 (фирма "Лайтнинг", США) [2], а также ряд новых диспергирующих устройств [5].

Следует отметить, что при отработке конструкции мешалок большое внимание уделяется не только их гидромеханическим и энергетическим характеристикам, но и технологичности изготовления [2]. Определенная работа ведется и по совершенствованию приводной части аппаратов с мешалками. Решаются вопросы по использованию современных мотор-редукторов [2], которые позволили бы не только уменьшить габариты и массу оборудования, но и повысить его надежность.

ГИДРОДИНАМИКА В АППАРАТАХ С МЕШАЛКАМИ

Исследования гидродинамики процесса перемешивания условно можно разделить на два направления.

Первое - заключается в экспериментальном определении на лабораторных стендах значений функции KN = ^(Re) для определенного типа мешалки при некотором отношении D/d, где KN -критерий мощности, Re - центробежный критерий Рейнольдса, D/d - отношение диаметра аппарата к диаметру мешалки. Такими зависимостями эти исследования или заканчиваются [1, 2, 7], или используются в дальнейшем в эмпирических уравнениях для расчета процессов переноса [9].

Второе - связано с непосредственным изучением поля скоростей в аппаратах с мешалками. Некоторые работы базируются исключительно на информации эмпирического характера, априорно принимая тот или иной вид профиля скорости, другие основаны на гидравлических или энергетических подходах, в основе которых используются физические закономерности, отражающие взаимодействие перемешиваемой среды с внутренней поверхностью корпуса аппарата, неподвижными устройствами различного технологического назначения (трубы, змеевики и т.д.) и лопастями мешалки [3].

Следует отметить более широкие возможности последнего подхода, поскольку в его рамках наряду с определением профиля той или иной скорости открывается возможность проанализировать механизм его формирования, а следовательно, управлять гидромеханической картиной

течения. По-прежнему актуальными остаются экспериментальные методы исследования гидромеханики перемешивания [2, 10-13]. При этом все большее значение приобретают методы исследования локальных характеристик течения, которые играют определяющую роль в процессах переноса при тепло- и массообмене.

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ

Вопросы теплоотдачи в аппаратах с мешалками относятся к наиболее изученным.

В литературе приводится большое число эмпирических уравнений [1-3] для отдельных типов мешалок, а также обобщенные полуэмпирические зависимости [14-17], область применения которых охватывает широкий диапазон условий проведения процесса. Разработан также ряд расчетных моделей переноса в пограничном слое [18, 19], которые отражают физические особенности теплообмена в аппаратах с мешалками. В частности, эти модели учитывают как осреднен-ные характеристики турбулентности, так и особенности локальной макроструктуры течения. При учете характера затухания турбулентности вблизи недеформируемой поверхности теплообмена [20], а также соотношения для оценки динамической скорости на границе области с наибольшим термическим сопротивлением, было получено выражение для расчета коэффициента теплоотдачи, в которое входит локальное значение диссипации энергии. В ряде случае [18, 19] вместо локальной может быть принята средняя диссипация энергии в рабочем объеме, например, применительно к аппаратам с мешалками, в которых подвод или отвод тепла осуществляется с помощью теплооб-менной рубашки.

Более сложными оказываются ситуации, в которых отношение высоты аппарата к его диаметру отличается от типового и превышает единицу; в качестве теплообменного устройства используются встроенные змеевики или другие, встроенные в рабочий объем аппарата, теплообменные элементы. В этих случаях информация о величине средней диссипации энергии оказывается недостаточной и возникает необходимость определения локальных значений диссипации энергии вблизи поверхности теплообмена [19]. Для некоторых вариантов конструктивного оформления (центральный змеевик, установленный соосно с аппаратом) возможно определение этой величины, исходя из анализа структуры потоков, а также особенностей обтекания и гидравлических сопротивлений элементов конструкций теплооб-менных устройств [19].

В других случаях может возникнуть необходимость в экспериментальном определении локальных значений диссипации энергии. Наличие со-

временных методов измерений характеристик турбулентных потоков (лазерно-допплеровская анемометрия [21], голографическая интерферометрия [22] и др.) иногда позволяет сделать эти данные более доступными. Практика использования такого подхода показала его эффективность применительно не только к аппаратам с мешалками, но и к более широкому классу конструкций теп-лообменных устройств (трубы с турбулизирующи-ми вставками, пучки труб, короткие каналы и т.д.)

Отметим, что эффективность аппарата с мешалкой (как теплообменного устройства) во многом зависит от интенсивности теплоотдачи теплоносителя в рубашке или в других устройствах (змеевике, трубчатке и т.д.) Как показывают расчеты и практика, теплоотдача от жидких теплоносителей в этих устройствах невелика и, в ряде случаев, необходимо принимать специальные меры по повышению теплоотдачи от теплоносителя. Публикации по исследованию вопросов интенсификации теплоотдачи от теплоносителя в теплообменных устройствах, особенно рубашках, практически отсутствуют.

В настоящее время для аппаратов, используемых в процессах, требующих нагревания, находят применение гибкие электрические ленточные нагреватели (ЭНГЛы), наматываемые на наружную поверхность корпуса аппарата. Возможность получения высоких температур (до 400°С) и малая инерционность при регул

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»