Введение к работе
Актуальность проблемы
Аппараты с механическими перемешивающими устройствами (МПУ) широко распространены в различных отраслях промышленности (пищевой, фармацевтической, микробиологической и т д) Они используются для получения эмульсий, суспензий, гомогенных систем, при проведении процессов, осложненных химическими реакциями, а также при проведении ряда массообменных и теплообменных процессов химической промышленности Поэтому, начиная с 60х годов прошлого века, изучению химико-технологических процессов в аппаратах с мешалкой было уделено огромное внимание Исследования касались в основном таких вопросов как конструктивное оформление процесса перемешивания (тип, размеры и количество мешалок, габариты аппарата, форма днища, тип и количество внутренних устройств и т д), мощность, потребляемая на перемешивание, определение осредненных гидродинамических характеристик, время гомогенизации процессов
Но уже тогда было ясно, что для адекватного описания, протекающих в аппаратах с механическим перемешиванием процессов, недостаточно информации об указанных осредненных характеристиках Многочисленные наблюдения указывали на значительную роль нерегулярных механизмов переноса Попытки учета этих механизмов наталкивались на ограниченность экспериментальных возможностей исследователей
С появлением современной экспериментальной и вычислительной техники исследования гидродинамики в аппаратах с МПУ получили новое развитие Особенно это заметно по зарубежным публикациям Исследования последних лет посвящены изучению разнообразных проявлений нерегулярного движения измерению характеристик турбулентности в различных зонах аппарата, анализу влияния макро- и микротурбулентных образований на скорость химических превращений, установлению зависимости параметров крупномасштабной турбулентности от габаритов аппарата и конструкции мешалки, определению максимального размера капель и пузырей при диспергировании жидкостей и газов Большое внимание уделено изучению условий возникновения и затухания крупных вихрей, а также изучению диссипации турбулентной энергии, процессов переноса в закрученном турбулентном потоке, суспендирования твердых частиц, силового взаимодействия между перемешиваемой средой и внутренними устройствами Однако почти полностью отсутствуют работы,
1 Работа выполнена при научном консультировании доцента, кандидата технических наук Луцко А Н Автор выражает ему глубокую признательность
посвященные оценке вклада турбулентных пульсаций различного масштаба в процесс формирования полей концентраций и температур в рабочем объеме аппарата Между тем, решение целого ряда технологических задач невозможно без анализа эволюции нестационарных гидродинамических полей
Цель работы Разработка теоретико-экспериментальной методики для описания нестационарных гидродинамических полей с учетом особенностей нерегулярного движения среды в аппаратах Экспериментальное определение основных характеристик нерегулярного движения жидкости в различных зонах аппарата Разработка методики расчета нестационарных полей концентраций и температур Выдача рекомендаций по уточнению выбора режимов проведения непрерывных и периодических процессов
Научная новизна С использованием основных положений теории турбулентности проведено изучение характеристик нерегулярного движения перемешиваемой среды в различных зонах аппарата при использовании наиболее распространенных типов быстроходных мешалок при различных режимах перемешивания. Проведен анализ влияния конструктивных особенностей аппарата, диаметра перемешивающего устройства и его конструкции на крупномасштабную структуру турбулентности
Разработана экспериментальная методика определения статистических характеристик нерегулярного движения среды с использованием методов компьютерного анализа видеосъемки визуализированных потоков жидкости
В циркуляционно-диффузионной модели в соответствии с реальной картиной течения учтено изменение характеристик хаотического движения среды по высоте аппарата
Практическая ценность На основе полученных результатов разработаны методики расчета характеристик нерегулярного движения среды в аппаратах с быстроходными мешалками
Приведен алгоритм расчета нестационарных полей концентраций и температур в аппаратах с механическим перемешивающим устройством с учетом изменения коэффициента турбулентной диффузии по высоте аппарата
Методики использованы для расчета промышленного процесса перемешивания 6-водного нитрата кобальта на предприятии ООО «Химреактивсервис» с целью повышения эффективности технологии производства Внесены предложения по изменению существующего регламента данного процесса
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы представлены на XVII и XIX Международной научной конференции
«Математические методы в технике и технологиях» (КГТУ, Кострома, 2004, ВГТА, Воронеж, 2006) и 9-ой Международной школе молодых ученых - ШМУ - 9
Публикации По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, пяти приложений и библиографического списка, содержащего 149 источников Содержание диссертации изложено на 171 страницах машинописного текста, включая 44 рисунка, 5 таблиц
