.

Динаміка процесу кристалізації в циліндроконічному класифікуючому кристалізаторі: Автореф. дис… канд. техн. наук / Я.Е. Михайловський, Сум. держ. ун

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2755
Скачать документ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Михайловський Яків Емануїлович
УДК 66.021.3
ДИНАМІКА ПРОЦЕСУ
КРИСТАЛІЗАЦІЇ В ЦИЛІНДРОКОНІЧНОМУ КЛАСИФІКУЮЧОМУ КРИСТАЛІЗАТОРІ
Спеціальність 05.05.13 – Машини та апарати хімічних виробництв
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Суми – 1999
Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі хімічної техніки та промислової еколо-гії (ХТПЕ) Сумського державного університету. Міністерство осві-ти України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Врагов Анатолій Петрович
професор кафедри ХТПЕ СумДУ

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор
Стрельцов Володимир Васильович
професор кафедри прикладної екології і
безпеки життєдіяльності СумДУ;

– доктор технічних наук, професор
Радченко Леонід Борисович
професор кафедри машини та апарати
хімічних та нафтопереробних виробництв
Національного технічного університету
України “КПІ”

Провідна установа – Інститут технічної теплофізики НАНУ, Київ

Захист відбудеться 26 лютого 1999 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті (244007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2, корпус А, ауд. 215)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Сумського держав-ного університету (244007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2)

Автореферат розісланий 22 січня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Г.Неня
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Використання класифікуючих кристалізаторів з псевдозрідженим шаром є одним з шляхів вирішення задач підвищення якості, зменшення енерговитрат та інтенсифікації у процесах отримання неорганічних солей і мінеральних добрив. Кристалізатори цього виду, працюють в безперервному режимі, забезпечують отримання хімічно чис-того, крупнокристалічного продукту однорідного гранулометричного складу, дозволяють регулювати швидкість циркуляції розчину, швидкість зросту кристалів, продуктивність, що поширює застосування таких крис-талізаторів і дає можливість автоматизувати технологічні процеси.
Для розширення позитивних можливостей класифікуючих кристаліза-торів в промисловості використовують циліндроконічні класифікуючі кристалізатори (ЦККК), що дозволяє збільшити об’ємну продуктивність, розширити діапазон розмірів зростаючих зерен, зменшити винос малих часток в циркуляційний цикл. Але в літературі майже відсутня методика розрахунків ЦККК з урахуванням зміни параметрів змуленого шару зерен та з урахуванням динаміки потоків в апаратах перемінного перетину.
Тому дослідження та узагальнення закономірностей гідродинамічних і масообмінних процесів в ЦККК, розробка інженерного методу роз-рахунку з використанням ЕОМ на основі оптимізації параметрів процесу в класифікованому змуленому шарі з урахуванням динаміки потоків пред-ставляють актуальну науково-технічну задачу, яка має також важливе на-родногосподарське значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає науковому напрямку кафедри ХТПЕ СумДУ у відповідності з координаційними планами найважливіших НДР Мінвузу СРСР на 1986-1990 р. р. з напряму кристалізації з розчинів і газової фази, а також коор-динаційним планом АН СРСР на 1986-1990 р. р. по проблемі 2.27.2.13.6 “Розробка теоретичних основ і апаратури кристалізаційних методів очист-ки в розчинах”.
Мета роботи. Розробка динамічної моделі процесу гідравлічної класи-фікації та зросту кристалів при кристалізації в циліндроконічному апараті; визначення оптимальних параметрів змуленого шару кристалів при їх вза-ємодії з висхідним потoком пересиченого розчину в ЦККК; аналіз просто-рово-часового розподілу локальних параметрів змуленого шару по висоті циліндроконічного кристаловирощувача; розробка методики розрахунку промислових ЦККК з використанням комп’ютера.
Задачі досліджень:
– розробка динамічної моделі процесу гідродинамічної та масообмінної взаємодії дисперсної фази з пересиченим розчином в умовах зміни ло-кальних параметрів змуленого шару по висоті ЦККК;
– експериментальне дослідження гідродинамічних і масообмінних па-раметрів змуленого шару зерен в конічних апаратах;
– розробка методики розрахунку, програми розрахунку ЦККК з вико-ристанням ЕОМ;
– аналіз зміни локальних гідродинамічних і масообмінних параметрів процесу кристалізації по висоті ЦККК з урахуванням зміни вхідних па-раметрів і геометричних характеристик конічної секції.
Наукова новизна. Розроблена динамічна модель процесу гідравлічної класифікації та зросту кристалів при кристалізації в циліндроконічному апараті; проведено аналіз просторово-часового розподілу локальних пара-метрів змуленого шару по висоті циліндроконічного кристаловирощувача; вирішена задача оптимізації гідродинамічних умов кристалізації в цилін-дроконічному псевдозрідженому шарі з урахуванням розмірів зерен.
Практичне значення отриманих результатів. На основі проведених до-сліджень визначені оптимальні параметри змуленого шару кристалів при їх стислій взаємодії з висхідним потоком пересиченого розчину; розробле-но метод інженерного розрахунку ЦККК на задану продуктивність та роз-мір продукційних кристалів при оптимальних режимах його роботи; роз-роблена програма розрахунку циліндроконічного кристаловирощувача та графічного подання розподілу параметрів змуленого шару по висоті апа-рату з використанням ЕОМ, яка дає можливість за нетривалий час прора-хувати велику кількість варіантів циліндроконічних кристаловирощувачів на задані початкові параметри і обрати з них оптимальний.
Особистий внесок дисертанта. В ході підготовки дисертації пошукувач особисто створив експериментальний стенд для дослідження кристалізації в змуленому шарі; підготував і провів експерименти по гідродинаміці та масообміну в циліндроконічному апараті з гідрозмуленим шаром; опра-цював, проаналізував та узагальнив результати проведених досліджень.
В публікаціях, в яких відображені основні результати дисертації та які написані у співавторстві з науковим керівником, автору належать: в [1]- розробка алгоритму та блок-схеми програми розрахунку параметрів зму-леного шару в конічній секції класифікуючого кристалізатора; в [2]- ви-значення умов гідросепарації та класифікації кристалів у класифікуючому кристалізаторі; в [4]- розробка програм інженерного розрахунку ЦККК з використанням ЕОМ; в [5]- розробка динамічної моделі процесу гідрав-лічної класифікації та зросту кристалів при кристалізації в циліндроконіч-ному апараті; в [7]- аналіз просторово-часового розподілу локальних пара-метрів змуленого шару по висоті циліндроконічного кристаловирощувача.
Автор висловлює щиру вдячність науковому керівнику за плідні ідеї, поради і підтримку, що стали важливою складовою в підготовці дисерта-ційної роботи.
Апробація роботи. Основні наукові положення та результати роботи доповідались на 9-й Міжнародній конференції ПАМК-9 (Одеса, 1996 p.) та науково-технічних конференціях викладачів, співробітників та студен-тів СумДУ (Суми, 1995-1998 p.p.).
Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в таких пра-цях: статті в тематичних збірниках і наукових журналах-3; в матеріалах конференцій-2; в тезах конференцій-4; матеріали дисертації використані у звітах по НДР.
Структура і об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків по роботі, списка використаних джерел (110 наймену-вань) та додатків. Загальний об’єм роботи 150 сторінок, у тому числі 12 рисунків (на 13 сторінках), 7 таблиць (на 15 сторінках) та додатки (на 21 сторінках).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі відмічені позитивні особливості класифікуючих кристалізато-рів циліндроконічної форми, а саме: можливість функціонування змулено-го шару кристалів більш широкого, ніж у циліндричних апаратах, грану-лометричного складу; одержання однорідного крупнокристалічного про-дукту, сепарація дрібних кристалів; освітлення циркулюючого розчину та зниження подрібнення зернин у циркуляційному циклі. Показана актуаль-ність, наукове та практичне значення теми дисертації, викладені основні положення, що виносяться на захист.
У першому розділі розглянуті основні закономірності гідродинаміки та масопереносу в апаратах з гідрозмуленим шаром твердих часток, подано принцип роботи та зроблено огляд існуючих методів розрахунку кристалі-заторів з псевдозрідженим шаром кристалів, а також відмічені переваги класифікуючих кристалізаторів з циліндроконічним корпусом.
При розгляді кристалізації в класифікуючому кристалізаторі на основі практики експлуатації та опублікованих даних виявлено, що на роботу апарата впливають гідродинамічні фактори і кінетичні характеристики процесу масообміну в системі кристали-розчин, а також геометрична фор-ма кристаловирощувача.
Гідродинаміці псевдозріджених шарів у циліндричному апараті при-свячена значна кількість робіт. У вітчизняній літературі для опису розши-рення змулених шарів при однорідному псевдозрідженні широке викорис-тання має полуемпіричне рівняння Тодеса з співавторами, яке зручне для розрахунків у всьому інтервалі існування змуленого шару, але воно не до-зволяє аналізувати ступінь розширення змуленого шару при перемінному діаметрі часток та зміні поперечного перетину апарата. Іншим експери-ментально отриманим і широко використовуваним рівнянням є співвідно-шення Річардсона-Закі, яке найбільш точно описує розширення шарів твердих монодисперсних часток при псевдозрідженні рідиною в перехід-ному режимі обтікання зерен в циліндричних апаратах, проте при цьому треба попередньо визначити швидкість вільного осідання та режим осі-дання зернин.
Масообмін між висхідним потоком псевдозріджуючого середовища і шаром твердих часток також є предметом вивчення багатьох дослідників. Із-за обмеженої кількості експериментальних даних описати одним крите-ріальним рівнянням процес масообміну в системі кристали-розчин для різних речовин нині неможливо. Для визначення кінетичних характерис-тик при масообміні в дисперсних системах часто використовується рів-няння Аксельруда , отримане для ізольованої сферичної частки, обтікає-мої рівномірним потоком рідини. При аналізі літературних даних подані різні підходи у виборі оптимальних параметрів змуленого шару при крис-талізації.
Для циліндроконічних апаратів є невизначеними параметри змуленого шару в зв’язку зі зміною поперечного перетину апарата, діаметра зерен і умов їх обтікання.
Особливістю роботи ЦККК є те, що з нижньої циліндричної секції від-водяться крупні продукційні кристали, в середній конічній секції вирощу-ються кристали проміжних розмірів, а у верхній циліндричній секції вита-ють кристали мінімального розміру, порівняного з розміром зернин, що виносяться у циркуляційний цикл. При цьому в змуленім шарі процеси гідравлічної класифікації та зросту кристалів протікають одночасно в умовах змінної швидкості розчину по висоті апарата. Із-за недостачі даних для визначення локальних параметрів змуленого полідисперсного шару часток точний математичний опис цих процесів без якихось припущень залишається невирішуваною задачою. Тому важливе значення має розробка інженерних методів розрахунку ЦККК з використанням спрощених математичних моделей.
На основі проведеного аналізу стану проблеми сформульована мета і поставлені задачі дисертаційної роботи.
У другому розділі подана динамічна модель процесу гідрокласифікації та зросту кристалів у циліндроконічному апараті, розрахункова схема яко-го приведена на рис. 1.
Динамічна модель розроблена при таких припущеннях:
1) процес протікає в ізотермічних умовах при незмінних властивостях взаємодіючих фаз;
2) розчин рухається в режимі ідеального витискування;
3) в апараті підтримується баланс кількості часток, що перетікають по мірі зросту з вищерозташованих шарів у нижчерозташовані;
4) в апараті відбувається гідравлічна класифікація за розмірами зер-нин, тобто функція розподілу витаючих часток в діапазоні розмірів dк…dу є неперервною;
5) форма часток в процесі зросту не змінюється і не залежить від їх розміру;
6) локальні параметри змуленого шару по висоті апарата повністю ви-значаються розмірами витаючих зернин та гідродинамічними умовами в шарі;
7) кристали в будь-якому перетині шару рівнодоступні та зростають зі швидкістю, пропорційною середньому пересиченню.
Весь об’єм змуленого класифікованого шару кристалів розглядається складеним з окремих, вузьких монофракцій, розташованих одна понад од-ною з поступово меншим розміром зернин від продукційних кристалів dк, що відводяться з нижньої циліндричної секції, до мінімальних dу, що вита-ють у верхній циліндричній секції. При цьому в умовах сталого режиму гідрокласифікації кристалів за розмірами у змуленому шарі кожна моно-фракція зернин характеризується максимальним dні, середнім dі та міні-мальним dві розміром витаючих кристалів, а також середніми локальними значеннями гідродинамічних (wві, і, hі, Arі, Reі) та масообмінних (Cср, Fi, Vi, Fi, Vi, Mi, NuDi, PrD) параметрів.
Гідродинаміка розширення змуленого шару монодисперсних часток в циліндричних апаратах найкраще описується емпіричним рівнянням Рі-чардсона-Закі, поданим у критеріальній формі
(1)
в якому показник z визначається по формулі
(2)
яка дозволяє розраховувати локальні параметри монодисперсних шарів, псевдозріджених у циліндричних апаратах. Формула (2) узагальнює зна-чення величини z, які укладаються в зоні групування даних згідно рівнян-ням, отриманими Річардсоном-Закі, Дементьєвим та Харіним для перехід-ного режиму обтікання часток в діапазоні чисел 36  Ar  105.
Для розрахунку робочої швидкості рідини при перехідному режимі об-тікання часток використовується рівняння
(3)
де А і а – коефіцієнт і показник, залежні від числа Ar.
На початку перехідної зони (36  Ar  2500; 2  Reв  40) обтікання продовжує носити безвідривний характер, властивий ламінарному режи-му, A=0,105, a=0,78. В зоні, прилеглій до турбулентного режиму (2500  Ar  105; 40  Reв  500), обтікання характеризується наявністю зворотно-вихорових течій, A=0,335, a=0,63.
Задаючи модуль дисперсності монофракції зернин mД  1,2 та заміню-ючи дільницю конічної секції, в якій розташовується окрема монофракція, на рівновеликий циліндр, розглянуто характер взаємодії часток монофрак-ції з потоком, як взаємодію монодисперсного змуленого шару кристалів з висхідним у циліндричному апараті потоком розчину, при цьому залиша-ються справедливими співвідношення (1)-(3).
Використовуючи рівняння нерозривності потоку, формули (1)-(3) і здійснюючи перетворення, отримані рівняння, які дозволяють розрахову-вати змінення локальної порізності класифікованого полідисперсного зму-леного шару кристалів в циліндроконічному апараті з кутом розкриття ко-нусу      і діаметром нижньої циліндричної секції D1 в залежності від діапазону розмірів витаючих в апараті часток di/d1, порізності 1 про-дукційної монофракції та висоти hi розташування перетину локального об’єму зерен
(4)
де с – показник, залежний від режиму обтікання зернин: при 36  Ari…Ar1  2500, c=0,258; при 2500  Ari…Ar1  105, c=0,17.
Порозність та умови масопереносу в продукційній монофракції визна-чаються таким чином, щоб швидкість відносного руху фаз у стислих умо-вах досягла максимуму
(5)
В розділі подана номограма для розрахунку діаметра відносимих час-ток в циліндроконічних апаратах з гідрозмуленим шаром.
Для опису масообміну при кристалізації в змуленому шарі кристалів використовується дифузійна однопараметрична модель, яка дозволяє оці-нити змінення концентрації розчину по висоті змуленого шару кристалів в залежності від швидкості руху розчину, коефіцієнта масовіддачі та пито-мої поверхні зернин (їх діаметра та порізності шару), при цьому
(6)
З рівняння (6) видно, що змінення концентрації розчину по висоті зму-леного шару носить експоненційний характер.
Для розрахунку коефіцієнта масовіддачі у змуленому шарі кристалів використовується критеріальне рівняння Аксельруда1
(7)
на основі якого, використовуючи основне рівняння масообміну, формули (1)-(3) та здійснивши перетворення, отримана залежність об’ємного ко-ефіцієнта масовіддачі від умов протікання процесу
(8)
де B та b – коефіцієнт і показник, залежні від числа Ari: при 36  ArI  2500, B=7,12, b=0,28; при 2500  ArI  105, B=12,73, b=0,35; E – комплекс постійних для даної системи параметрів фізико-хімічних властивостей фаз, E=[Dx2(T-)2]0,33/.
Враховуючи, що в класифікуючих кристалізаторах кристали зростають в умовах, наближених до чистого зросту, було складено балансове рівнян-ня по кількості кристалів, осідаючих по мірі зросту з вищерозташованих шарів у нижчерозташовані
(9)
на основі якого були отримані залежності для визначення робочого об’єму кристаловирощувача класифікуючого кристалізатора
(10)
та загальної маси кристалів, що містяться в ньому
(11)
У третьому розділі подано опис лабораторного обладнання, методики проведення експериментів, приведені результати експериментальних до-сліджень, їх обробка та аналіз.
Об’єктами дослідження слугували суміші скляного грануляту, псевдо-зріджені водою, а також монофракції кристалів алюмо-амонійного галуну, псевдозріджені насиченими розчинами.
Дослідження проводились на стенді, поданому на рис. 2. Обладнання включає в себе змінний циліндроконічний кристаловирощувач 1, криста-лізатор-насичувач 2, занурювальні насоси 3 і 6, теплообмінники 4 і 5, по-судину з живильним розчином 7, ротаметри Р1 та Р2, термометри Т1, Т2 та Т3 і термостат, який на рис. 2 не показаний. Апарати 1 і 2 виготовлені з ор-ганічного скла.
При роботі з розчинами алюмо-амонійного галуну обладнання запов-нювали розчином, а потім в кристалізатор-насичувач 2 завантажували 1,52 кг кристалів солі та приводили розчин до насиченого стану за допо-могою термостатуючої системи і циркуляції розчину по замкненому цик-лу занурювальним насосом 3. Після досягнення в циклі потрібних пара-метрів розчину проводили досліди.
Кристалізатор-насичувач 2 призначався для того, щоб виключити змі-ну рушійної сили процесу, бо змулений шар в кристаловирощувачі 1 не забезпечував повного зняття пересичення.
В першій частині експериментальних досліджень вирішувалась задача аналізу та дослідної перевірки гідродинамічних залежностей по розши-ренню рідинних змулених моно – та полідисперсних зернистих шарів. Для цього на експериментальному обладнанні були проведені досліди по рі-динному псевдозрідженню зернистих шарів. В процесі проведення дослі-дів варіювали по показанням ротаметра Р1 витрату циркуляційного розчи-ну, реєстрували показання термометрів Т1 і Т2 і заміряли висоту змуленого шару в кристаловирощувачі 1 по мірній шкалі на стінці апарата.
Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що середнє розходжен-ня між експериментальними та розрахунковими значеннями величин ui та i не перевищує 5% при максимальному розходженні в межах 8% .
Встановлений взаємозв’язок (4) між параметрами продукційної моно-фракції кристалів (d1, Ar1, 1), локальними параметрами змуленого шару (di, Ari, i) та геометричними параметрами кристаловирощувача (D1, , hi) дозволяє врахувати вплив гідродинамічних факторів на інтенсивність ма-сообміну в змуленому шарі з урахуванням режиму обтікання часток та фі-зико-хімічних властивостей взаємодіючих фаз.
У другій частині експериментальних досліджень вивчався масообмін в системі змулені кристали – пересичений розчин. В кристаловирощувач 1 завантажували наважку кристалів заданого розміру масою 0,10,25 кг та подавали через ротаметр Р2 живильний розчин відомої концентрації в кристаловирощувач 1 та охолоджуючу воду в теплообмінник 4. В процесі проведення дослідів заміряли висоту змуленого шару в кристаловирощу-вачі 1, регулювали пересичення, змінюючи співвідношення витрат цирку-ляційного та живильного розчинів по показанням ротаметрів Р1 і Р2, реєс-трували показання термометрів Т1-Т3. Після закінчення досліду, який три-вав 1015 хв., одночасно припиняли подачу живильного розчину та охо-лоджуючої води. За допомогою сифона з кристаловирощувача вивантажу-вали кристалічну суспензію та фільтрували її, після чого кристали вису-шували в сушильній шафі та визначали приріст маси речовини.
На рис. 3 подано порівняння експериментальних та розрахункових зна-чень об’ємного коефіцієнта масопередачі по висоті конічної секції при різних режимах псевдозрідження, які визначаються еквівалентним розмі-ром зернин, швидкістю розчину на вході в конічну секцію і стислими умо-вами обтікання зерен.
Експериментальні дані оброблялись у формі рівняння (8), при цьому виявлено, що середнє розходження між експериментальними та розрахун-ковими значеннями величини V не перевищує 5% при максимальному розходженні в межах 8%.
На основі аналізу результатів експерименту та розрахунку були зроб-лені такі висновки: 1) розширення змуленого шару дисперсних часток з модулем дисперсності mД  1,2 має такий же характер, що і розширення шару монодисперсних часток; 2) в конічному апараті по висоті шару змі-нюється як локальна порозність, так і швидкість потоку рідини, причому ця зміна залежить, в основному, від кута розкриття конуса та порозності шару для крупних зернин на вході в конічну секцію; 3) на інтенсивність масообміну між кристалами та висхідним потоком пересиченого розчину основний вплив справляють гідродинамічні умови у змуленому шарі.
В четвертому розділі викладається інженерний метод розрахунку та подано аналіз розподілу параметрів змуленого класифікованого шару кристалів по висоті ЦККК.
Метод визначення основних конструктивних розмірів апарата і параметрів процесу, який забезпечує стаціонарне функціонування і досягнення оптимальних умов для зросту кристалів, розроблено на основі прийнятої динамічної моделі та являє собою пофракційний розрахунок параметрів змуленого шару кристалів. Також враховано, що в процесі кристалізації зародкові кристали циркулюють в циркуляційному циклі, при цьому частина з них розчиняється або уловлюється, а частина підростає до розмірів часток, здібних утриматись в надшаровому просторі верхньої секції кристаловирощувача. У подальшому вони приймають участь у зрості в об’ємі змуленого шару кристалів, забезпечуючи безперервну роботу кристалови-рощувача.
Початковими даними для розрахунку циліндроконічного класифікую-чого кристалізатора є:
– продуктивність апарата по солі Gк;
– розмір продукційних кристалів dк;
– фізико-хімічні властивості кристалів та розчину при температурі кристалізації (густина  і в’язкість  розчину, густина Т і коефіцієнт фор-ми  кристалів, коефіцієнт молекулярної дифузії солі в розчині Dx);
– граничне пересичення розчину на вході в шар Cвх;
– модуль дисперсності монофракції зернин mД.
Для розрахунку циліндроконічного кристаловирощувача та графічного подання розподілу параметрів змуленого шару по висоті апарата була роз-роблена програма CRYST.FOR на мові ФОРТРАН (версія 5.0), реалізова-на на комп’ютері типу IBM-PC та приведена у додатку.
В розділі подана блок-схема розрахунку параметрів змуленого класи-фікованого шару кристалів у циліндроконічному апараті.
В наведеному аналізі виконано на ЕОМ розрахунок параметрів змуле-ного шару кристалів та їх розподілу в ЦККК продуктивністю Gк=9000 кг/г для отримання сульфату амонія з розміром зернин dк=3,0 мм при гранич-ному пересиченні розчину на вході в шар Свх=4,2 кг/м3. Параметри влас-тивостей взаємодіючих фаз слідуючі: температура процесу t=60С, густи-на кристалів Т=1770 кг/м3, густина розчину =1253 кг/м3, в’язкість роз-чину =1,8·10-3 Па·с, коефіцієнт дифузії солі в розчині Dx=1,785·10-3 м2/с, коефіцієнт форми кристалів =1,18. В розрахунках варіювався діаметр нижньої циліндричної секції, кут розкриття конуса, порозність продук-ційних кристалів.
На рис. 4 і 5 подані профілі зміни локальної порозності (а) та ло-кального об’ємного коефіцієнта масопередачі (б) змуленого шару криста-лів по висоті кристаловирощувача в залежності від порозності продукцій-ної монофракцїї та від кута розкриття конуса. На рис. 4 (а) додатково на-несені лінїї та числа, відповідні постійним відношенням діаметрів dі /dк.
Локальна порозність змуленого шару в цілому зростає по висоті апара-та, причому тим сильніше, чим менше кут розкриття конуса. Проте при кутах розкриття конуса   16 в нижній частині конічної секції спостері-гається деяке зниження локальної порозності для зернин з відношенням діаметрів dі /dк  0,75 і воно проявляється сильніше в секціях з більшим кутом розкриття конуса. Локальна порозність змуленого шару зернин швидко зростає у верхній частині конічної секції при відношенні dі /dк  0,65. При кутах розкриття конуса 12    16 локальна пороз-ність змуленого шару майже не змінюється в діапазоні відношень 0,95  dі /dк  0,75.
Зі збільшенням кута розкриття конуса розширюється діапазон розмірів витаючих кристалів. При збільшенні порозності продукційних кристалів збільшується час перебування розчину в шарі.
Локальний об’ємний коефіцієнт масопередачі зростає по висоті апара-та майже незалежно від кута розкриття конуса. Досягнувши максимальної величини при порозностях і=0,850,88, він потім різко знижується внас-лідок швидкого зменшення об’ємної концентрації часток у верхній ци-ліндричній секції апарата. Максимуми значень об’ємного коефіцієнта ма-сопередачі зростають зі збільшенням кута розкриття конуса. При збіль-шенні порозності змуленого шару продукційних кристалів об’ємний ко-ефіцієнт масопередачі трохи знижується.
УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ
Cвх, Cвых, Cср – пересичення розчину на вході в шар, на виході з шару та середнє, відповідно, кг/м3 , г/кг;
dк, dу – діаметр продукційних та відносимих в циркуляційний цикл криста-лів, відповідно, м;
dні, dі, dві – максимальний, середній та мінімальний діаметр кристалів окре-мої монофракції, м;
D1, D2 – діаметр нижньої та верхньої циліндричних секцій, м;
Dх – коефіцієнт молекулярної дифузії солі в розчині, м2/c;
fуд – питома площа поверхні кристалів у шарі, м2/м3;
Fі – площа поверхні зернин окремої монофракції, м2;
Gк – продуктивність кристалізатора по солі, кг/c;
hі – висота розташування локального перетину і-ої монофракції, м;
Hi, H – висота окремої монофракції та повна висота змуленого шару крис-талів, м;
mД – модуль дисперсності монофракції зернин, mД=dні /dві;
mі – масова частка солі, яка викристалізовується в межах окремої моно-фракції, mі=(dні3-dві3)/dк3;
Mі, М – маса кристалів і-ої монофракції та загальна маса солі, кг;
n – кількість монофракцій змуленого шару кристалів;
uі – швидкість руху розчину в локальному перетині, м/c;
Vі, V – об’єм і-ої монофракції та загальний об’єм змуленого шару, м3;
wві – швидкість витання кристалів окремої монофракції, м/c;
 – кут між твірними конічної секції, град;
F – поверхневий коефіцієнт масопередачі, кг/(м2скг/м3);
V – об’ємний коефіцієнт масопередачі, кг/(м3cкг/м3);
1, i – локальна порозність змуленого шару зерен продукційної та окремої монофракцій, відповідно;
 – динамічна в’язкість розчину, Паc;
T,  – густина кристалів та розчину, відповідно, кг/м3;
Ari – критерій Архімеда, Ari=di3g(T-)/2;
NuDi – дифузійний критерій Нуссельта, NuDi=Fdi/Dx;
PrD – дифузійний критерій Прандтля, PrD=/(Dx);
Rei – критерій Рейнольдса, Rei=uidi/;
Reві – критерій Рейнольдса, який базується на швидкості витання кристалів окремої монофракції, Reві=wвіdі/.
ВИСНОВКИ
1. Розроблена динамічна модель процесу гідрокласифікації та зросту кристалів у циліндроконічному апараті з урахуванням зміни грануломет-ричного складу часток у змуленому шарі, а також фізико-хімічних власти-востей взаємодіючих фаз і геометричних параметрів кристаловирощувача.
2. Отримані рівняння, які дозволяють розрахувати зміну локальних гід-родинамічних та масообмінних параметрів класифікованого полідисперс-ного змуленого шару кристалів у циліндроконічному апараті.
3. Виконано аналіз формування гранулометричного складу, об’єму і маси кристалів в ЦККК з урахуванням фізико-хімічних властивостей сис-теми, геометричних параметрів системи та початкових проектних даних.
4. Виконані експериментальні дослідження підтвердили адекватність розробленої математичної моделі з урахуванням зміни локальних гідроди-намічних та масообмінних параметрів при кристалізації солей в ЦККК.
5. Показано, що зміна порозності змуленого шару кристалів по висоті циліндроконічного кристаловирощувача залежить від гідродинамічних умов у змуленому шарі, параметрів продукційної монофракції та геометрії кристаловирощувача.
6. Показано, що зміна об’ємного коефіцієнта масопередачі по висоті циліндроконічного кристаловирощувача залежить від фізико-хімічних властивостей системи, параметрів продукційної монофракції та гідродина-мічних умов у змуленому шарі і практично не залежить від кута розкриття конуса в діапазоні 0,6  і  0,7.
7. Розроблені алгоритм, програма розрахунку на ЕОМ, а також інже-нерний метод розрахунку ЦККК з урахуванням фізико-хімічних власти-востей системи, розміру продукційних кристалів і продуктивності апара-та. Методика дозволяє за нетривалий час прорахувати на ЕОМ велику кількість варіантів розмірів циліндроконічних кристаловирощувачів та ви-брати оптимальний варіант.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНИЙ В ПУБЛІКАЦІЯХ:
1. Врагов А.П., Михайловский Я.Э. Расчет цилиндроконического крис-таллорастителя классифицирующего кристаллизатора с использованием ЭВМ / Химическое машиностроение: расчет, конструирование, техноло-гия. Тематический сборник науч. труд.- К.: УМК ВО, 1992, c. 4-11.
2. Врагов А.П., Михайловский Я.Э. Номограмма для расчета диаметра уносимых частиц в цилиндроконических аппаратах с гидровзвешенным слоем / Тезисы докладов научно-технической конференции преподавате-лей, сотрудников и студентов. Сумы, 1995, c. 130.
3. Михайловский Я.Э. К оценке условий гидросепарации и классифи-кации кристаллов в классифицирующем кристаллизаторе / Тезисы докла-дов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и студентов. Сумы, 1995, c. 131.
4. Врагов А.П., Михайловский Я.Э. Компьютерное проектирование ци-линдроконических классифицирующих кристаллизаторов / Праці IX між-народної конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, хар-чових та нафтохімічних виробництв”. “Моделювання апаратів в умовах спільно протікаючих гідромеханічних, хімічних, теплових та массообмін-них процесів”. Частина 5. Одеса, 1996, c. 49.
5. Врагов А.П., Михайловский Я.Э. Динамическая модель процесса кристаллизации солей из растворов в классифицирующем кристаллизато-ре / Праці IX міжнародної конференції “Удосконалення процесів та апара-тів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”. “Моделювання апа-ратів в умовах спільно протікаючих гідромеханічних, хімічних, теплових та массообмінних процесів”. Частина 5. Одеса, 1996, c. 50.
6. Михайловский Я.Э. Математическая модель процесса гидрокласси-фикации суспензии по размерам зерен в коническом аппарате / Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов. Сумы, 1997, c. 96.
7. Врагов А.П., Михайловский Я.Э. Распределение параметров гидровзвешенного слоя кристаллов по высоте цилиндроконического классифицирующего кристаллизатора / ЖПХ, 1997, т.70, №10, с. 1686-1693.
8. Михайловский Я.Э. Оценка параметров взвешенного слоя кристал-лов по высоте цилиндроконического кристаллорастителя / Вісник СумДУ №2(10), 1998, с. 133-139.
9. Михайловский Я.Э. Особенности расчета цилиндроконического классифицирующего кристаллизатора с использованием ЭВМ / Тезисы докладов научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов. Сумы, 1998, c. 58.
АНОТАЦІЯ
Михайловський Я.Е. Динаміка процесу кристалізації в циліндроконіч-ному класифікуючому кристалізаторі. – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.13-машини та апарати хімічних виробництв, Сумський державний університет, Суми, 1999 р.
Захищається 9 наукових праць, які містять результати експерименталь-них і теоретичних досліджень гідродинаміки та масообміну при кристалі-зації неорганічних солей в циліндроконічному класифікуючому кристалі-заторі з псевдозрідженим шаром кристалів. Розроблена динамічна модель процесу гідрокласифікації та зросту кристалів у циліндроконічному апараті з урахуванням зміни гранулометричного складу частин у змулено-му шарі. Отримані, проаналізовані та експериментально перевірені рів-няння, які дозволяють розраховувати зміну локальних гідродинамічних і масообмінних параметрів класифікованого змуленого шару кристалів у циліндроконічному кристаловирощувачі. Проведена оцінка розподілу ло-кальних параметрів змуленого шару кристалів по висоті апарата, що до-зволяє більш обгрунтовано проектувати класифікуючі кристалізатори. Розроблений інженерний метод розрахунку циліндроконічного класифіку-ючого кристалізатора, його алгоритм і програма реалізації на ЕОМ.
Ключові слова: змулений шар, гідродинаміка, динамічна модель, крис-талізація з розчинів, масоперенос, циліндроконічний класифікуючий кристалізатор.
АННОТАЦИЯ
Михайловский Я.Є. Динамика процесса кристаллизации в цилиндроко-ническом классифицирующем кристаллизаторе. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических на-ук по специальности 05.05.13 – машины и аппараты химических произ-водств, Сумский государственный университет, Сумы, 1999 г.
Защищается 9 научных работ, которые содержат результаты экспери-ментальных и теоретических исследований гидродинамики и массообмена при кристаллизации неорганических солей в цилиндроконическом класси-фицирующем кристаллизаторе со взвешенным слоем кристаллов.
В диссертационной работе исследованы: закономерности гидродинамики и массопереноса в аппаратах с гидровзвешенным слоем кристаллов; особенности и преимущества цилиндроконических классифицирующих кристаллизаторов; гидродинамические и массообменные закономерности функционирования взвешенного слоя, условия сепарации, классификации и роста кристаллов в цилиндроконических классифицирующих кристаллизаторах; динамика псевдоожиженного слоя кристаллов в цилиндроконическом кристаллорастителе при массовой кристаллизации солей из растворов в классифицирующих кристаллизаторах.
Разработана динамическая модель процесса гидроклассификации и послойного роста кристаллов в цилиндроконическом классифицирующем кристаллизаторе в процессе противоточного взаимодействия жидкой и дисперсной фазы с учетом изменения гранулометрического состава час-тиц во взвешенном слое.
Решена задача оптимизации гидродинамической обстановки при кристаллизации в цилиндроконическом псевдоожиженном слое кристаллов с учетом размеров зерен. Определены оптимальные параметры взвешенного слоя кристаллов при их взаимодействии с восходящим потоком пересыщенного раствора в цилиндроконическом классифицирующем кристаллизаторе.
На основе разработанной математической модели получены профили распределения локальной порозности псевдоожиженного слоя и объемного коэффициента массопередачи по высоте цилиндроконического кристаллорастителя в зависимости от диаметра получаемых кристаллов, физико-химических свойств системы взвешенные кристаллы – пересыщенный раствор, а также от геометрических характеристик цилиндроконического кристаллорастителя. Получены, проанализированы и эксперимен-тально проверены уравнения, позволяющие рассчитать изменение локаль-ных гидродинамических и массообменных параметров классифицирован-ного взвешенного слоя кристаллов в цилиндроконическом классифицирующем кристаллизаторе с учетом изменения входных параметров и угла раскрытия конуса.
Проведены анализ и опытная проверка гидродинамических зависимостей по расширению взвешенных пересыщенным раствором моно- и полидисперсных зернистых слоев. Экспериментально изучен массообмен в системе взвешенные кристаллы – пересыщенный раствор. Экспериментальные исследования гидродинамики и массообмена в коническом аппарате подтвердили правомерность разработанной математической модели.
Проведена оценка пространственно-временного распределения локаль-ных гидродинамических и массообменных параметров взвешенного классифицированного слоя кристаллов по высоте цилиндроконического кристаллорастителя, что позволяет более обоснованно проектировать класси-фицирующие кристаллизаторы.
Разработан инженерный метод расчета основных конструктивных размеров цилиндроконического классифицирующего кристаллизатора и параметров процесса на заданную производительность и размер продукционных кристаллов при оптимальных режимах его работы. Разработаны алгоритм и программа инженерных расчетов цилиндроконических классифицирующих кристаллизаторов с использованием компьютерной техники. Программа реализована на персональном компьютере типа IBM-PC и дает возможность за непродолжительное время просчитать большое количество вариантов цилиндроконических кристаллорастителей на заданные исходные параметры и выбрать из них оптимальный.
Разработаны практические рекомендации по конструированию кристаллорастителей. Сравнение рассчитанных с помощью разработанной программы размеров классифицирующих кристаллизаторов с используемыми в промышленности дало удовлетворительное согласование.
Ключевые слова: взвешенный слой, гидродинамика, динамическая модель, кристаллизация из растворов, массоперенос, цилиндроконический классифицирующий кристаллизатор.
SUMMARY
Michailovsky Y.E. The dynamics of the process of crystallization in the cy-lindroconical classified crystallizer.
Dissertation for degree competition of technical science candidate on speciality 05.05.13 – machines and apparatus of chemical productions, Sumy State University, Sumy, 1999.
9 scientific papers, which contain the results of experimental and theoretical reseach of hydrodynamics and masstransfer under crystallization of inorganic salts in the cylindroconical classified crystallizer with fluidized bed of crystals are under defence. The dynamic model of the process of hydroclassification and the growth of crystals in the cylindroconical apparatus taking into consi-deration the changes of granulometrical composition of the particles in the fluidized bed was designed. The equations, which allowed to calculate the changing of the local hydrodynamic and masstransfer parameters of the classified flu-idized bed of the crystals in the cylindroconical crystallgrower were obtained, analized and experimentally checked. The evaluation of the distribution of the local parameters of the fluidized bed of the crystals according to the height of the apparatus was carried out, which allows to design classified crystallizers more basically. The engineer method of calculation of the cylindroconical clasi-fied crystallizer, its algoritm and the programme of its realization on ECM was designed.
Key words: fluidized bed, hydrodynamics, dynamic model, crystallization from solutions, masstransfer, cylindroconical classified crystallizer.
Підписано до друку р. Формат 6084 1/16
Обсяг 1.0 друк. арк. Тираж 100 прим.

Надруковано в Сумському державному університеті
м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019