CC BY
19УДК 66.063.8 Anastasia N. Grigoreva1, Rufat Sh. Abiev2
COMPARATIVE ANALYSIS OF IMPELLER SHAPE EFFECT ON SUSPENDING EFFICIENCY IN LIQUID-SOLID SYSTEM
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St. Petersburg, 190013, Russia e-mail: an@ast-pump.ru
High-speed mixers are frequently used for suspension of solids. The main goal of our study was to compare standard mixers with the impeller of a new type designed by Asterion Ltd. Two criteria were used for comparison, i.e., the area of not suspended solids and power consumption. The most effective impellers for suspension were found to be a Rushton turbine and a conical multiblade mixer (new type). However, the power consumption of the mXer of the new type is lower in 2 times.
Keywords: Effectiveness of impellers, mixing suspending, mixing device.
Введение
Процессы перемешивания в аппаратах с механическими мешалками привлекают все больше внимания в химической технике и технологии. В большинстве случаев перемешивание осуществляется в системах жидкость-жидкость и жидкость-твердое, как правило, в турбулентном режиме. Данные процессы требуют правильного выбора геометрии емкости, типа рабочего колеса, размеров и скорости вращения мешалки, для достижения желаемого качества процесса (перемешивания, суспендирования, эмульгирования, гомогенизации) для конкретных условий с минимальными капитальными и эксплуатационными расходами. В настоящее время в России действует межгосударственный стандарт ГОСТ 20680-2002 [1], разработанный АООТ «ВНИИнефтемаш», в котором достаточно подробно описаны требования к материалам, конструкции и комплектующим для изготовления аппаратов. Однако выбор мешалок конкретного типа, их параметров и размеров-в зависимости от технологического процесса не регламентирован. Большой вклад в изучение гидродинамики пере-
А.Н. Григорьева1 , Р.Ш. Абиев2
СРАВНИТЕЛЬНЫМ АНАЛИЗ v ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОМ ФОРМЫ РАБОЧИХ КОЛЕС ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУСПЕНДИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ -ТВЕРДОЕ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия. e-mail: an@ast-pump.ru
Для суспендирования часто используются быстроходные мешалки. Цель данной работы - сравнить стандартные мешалки, с новым типом рабочего колеса, разработанного ЗАО «Астерион». В процессе исследования сравнение производится по двум показателям: площадь не перешедшего во взвешенное состояние осадка и потребление энергии. Было установлено, что наиболее эффективными мешалками для суспендирования являются открытая турбинная и коническая многолопастная (новый тип). Однако новый тип перемешивающего устройства по энергопотреблению ниже в 2 раза
Ключевые слова: эффективность мешалок, перемешивание суспензии, перемешивающее устройство
мешивания и разработку алгоритма расчета при проектировании аппаратов с мешалками внесла группа авторов из ЛенНИИХиммаша - В.М. Барабаш, В.И.Бегачев, Л.Н.Брагинский и др., разработавшие руководящий документ РД 26-01-90-85 [2]. В соответствии с данным документом, для перемешивания суспензий, растворения, реакции в системе жидкость-твердая фаза рекомендуется использовать лопастную (тип 01), шестилопастную (тип 05), турбинную (тип 03), клетьевую, эмалированные мешалки всех типов. Отметим, что данный руководящий нормативный документ был введен в действие более 30 лет назад, и за прошедший период в литературе появилось много результатов исследований мешалок других типов, главным образом, для проведения процессов в особых условиях, например, для работы со средами, чувствительными к высоким касательным напряжениям, для суспендирования волокнистых частиц [3],
1. Григорьева Анастасия Николаевна, аспирант, каф. оптимизация химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ(ТУ), исполнительный директор ЗАО "Астерион", пр-кт Просвещения, 85, Санкт-Петербург, 195267, Россия,
e-mail: an@ast-pump.ru
Anastasia N. Grigoryeva, postgraduate student of SPSIT(TU), executive director of «Asterion» Ltd, pr-kt Prosveshhenija, 85, St. Petersburg, 195267, Russia
2. Абиев Руфат Шовкетович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. Оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ(ТУ), e-mail: rufat.abiev@gmail.com
Rufat Sh. Abiev Dr Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department Optimization of chemical and biotechnological equipment of SPSIT(TU)
Дата поступления - 24 июля 2018 года
а также мешалки, работа которых основана на совершенно новых принципах [4].
На качество перемешивания в системе жидкость-твердое влияют следующие параметры [3]:
1. Реологические характеристики жидкости (вязкость, плотность, разность плотностей жидкой и твердой фаз);
2. Физические характеристики твердых частиц (плотность, размеры, форма, смачиваемость);
3. Характеристики суспензии (высота заполнения аппарата частицами, концентрация твердого, объемная доля частиц, наличие или отсутствие пузырьков газа);
4. Геометрические параметры аппарата (диаметр аппарата, форма дна, тип, геометрия и диаметр рабочего колеса мешалки, высота установки мешалки от дна, наличие внутренних устройств в аппарате);
5. Условия процесса перемешивания (скорость вращения, установленная мощность привода, равномерность распределения турбулентности в аппарате).
Цель данной работы - сравнение характеристик перемешивающих устройств, выполненных в соответствии с 2[2], с мешалкой нового типа, предназначенной для эффективного суспендирования в аппаратах цилиндрической и прямоугольной формы. В ходе работы выявлено влияние геометрии рабочих колес на эффективность суспен-дирования, поэтому экспериментальная часть работы выполнялась при одинаковых реологических характеристиках жидкости, физических свойствах суспензии и геометрических параметрах аппарата.
Описание рабочего колеса мешалки нового типа
Перемешивающее устройство нового типа содержит установленную на вращающемся вертикальном валу ступицу 1 (рисунок 1.), на которой закреплены лопасти 2 с прикрепленным к ним снизу диском 3. Лопасти 2 имеют изогнутую форму поверхности с образующей, параллельной валу, на внутреннем диаметре, совпадающим с наружным диаметром ступицы 1, лопасти 2 снабжены отогнутой полкой 4 для крепления к ступице 1, а на внешнем диаметре, не превышающем наружного диаметра диска 3, лопасти 2 снабжены горизонтальной площадкой 5 для крепления к диску 3, при этом в диске 3 выполнено центральное отверстие 6. Верхнюю кромку 7лопа-стей 2 выполняют снижающейся от наружного диаметра ступицы 1 к внешнему диаметру диска 3, а нижнюю кромку 8 лопастей 2 выполняют снижающейся от наружного диаметра ступицы 1 к диаметру отверстия 6 в диске 3, как показано на рисунке1а и рисунке 2.
Рисунок 2. Лопасть перемешивающего устройства нового типа
Угол а между касательной к поверхности лопасти в точке ее крепления к ступице и касательной к ступице (рисунок 1б) выполняют в диапазоне от 15 до 90°, а угол р между касательной к поверхности лопасти 2 в точке с наибольшим диаметром и касательной к поверхности диска 3 (рисунок 1б) выполняют острым, при этом присоединение лопастей 2 к ступице 1 и диску 3 производится при помощи резьбовых крепежных элементов - болтов 9.
Экспериментальная часть
Эксперименты по оценке эффективности суспен-дирования проводились в цилиндрическом сосуде из оргстекла (полиметилметакрилата) с плоским днищем диаметром D = 170 мм. Внутренние стенки сосуда были оснащены четырьмя отражательными перегородками шириной Ь = 0,1 х Э = 17 мм. Уровень жидкости составил Н = 1,5 х Э = 255 мм. Схема экспериментального аппарата представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема экспериментального аппарата
В ходе эксперимента измерялась эффективность суспендирования следующих моделей мешалок: 1) лопастная тип 01 (рисунок 4а), 2) шестилопастная тип 05 (рисунок 4б), 3) турбинная тип 03 (рисунок 4в), 4) круглая многолопастная нового типа (рисунок 4г)
Рисунок 1. Общий вид перемешивающего устройства нового типа: а - аксонометрический вид, б - вид сверху. 1 - ступица, 2 - лопасти, 3 - диск, 4 - отогнутая полка, 5 - крепежная площадка, 6 -отверстие, 7, 8 - верхняя и нижняя кромки лопастей 2,
9 - болты.
Рисунок 4. Типы мешалок, подлежащих сравнению
Основные параметры аппарата с мешалкой:
• Диаметр мешалки dм = 50 мм;
• Отношение диаметра аппарата к диаметру мешалки
D/dм = 3,4;
• Частота вращения мешалок п = 230 об/мин;
• Число Рейнольдса центробежное кец = 9536.
В качестве материала модельной среды использованы частицы «Микрокальцита» (карбонат кальция, частицы хлопьевидной формы размером от 14 до 42 мкм, истинная плотность 2600 кг/м3, концентрация частиц в суспензии 1 г/л).
Самым простым методом визуального наблюдения качества перемешивания является окрашивание жидкости [5]. Исследование проводят, вводя небольшое количество красящего вещества в жидкость, приведенную в движение мешалкой. Этот способ оценки удобен в том случае, когда нужно выбрать мешалку для гомогенизации жидких смесей. Известен метод количественной оценки работы мешалки по градиенту температур, основанный на определении времени перемешивания, необходимого для выравнивания температуры после того, как в какую-то часть аппарата было введено известное количество тепла. На основании серии опытов с мешалками различных типов можно установить степень их пригодности для процессов, течение которых определяется диффузией [6]. Однако для суспензий или эмульсий этот метод непригоден. Одним из наиболее эффективных способов оценки эффективности суспендирования и взмучивания осадка со дна является электродиффузионный способ, описанный в [7]. Следует отметить, что данный метод требует сложного аппаратурного оформления.
В результате анализа литературы по способам исследования процесса суспендирования в настоящей работе выбран достаточно достоверный и сравнительно малозатратный метод. В качестве критерия эффективности принято отношение площади дна, свободного от взмученного осадка, к потребляемой мощности.
Порядок проведения эксперимента:
• введение суспензии в воду, равномерное распределение частиц во всем объеме суспензии;
• ожидание осаждения частиц равномерно на дно в течение 5 мин;
• включение мешалки, время перемешивания - 3 мин;
• фотографирование дна аппарата;
• обработка фотографий в программе ToupView, расчет площади осадка в пикселях.
Все эксперименты проводились с одинаковой продолжительностью перемешивания 3 мин, которое было предварительно определено опытным путем как время достижения установившегося состояния процесса суспендирования (за данный промежуток времени происходило максимально возможное размытие осадка).
В процессе проведения экспериментов была проверена адекватность критерия «площадь пятна слоя на дне» как характеристики эффекта суспендирования; доказано, что угол откоса частиц в воде сохраняется постоянным по мере перехода твердых частиц из осадка в суспендированное состояние. Путем проведения дополнительных экспериментов (методом медленного откачивания суспензии насосом объемного типа из слоя осадка) было подтверждено, что площадь, покрытая частицами, является достоверным критерием, характеризующим количество частиц осадка на дне аппарата, поскольку угол естественного откоса слоя осадка в воде оказался близким к 90°. Для проверки методики измерения площади были проведены фотографирование и измерение площади квадрата с заранее известной площадью. Погрешность измерений при определении площади составила не более 4 %.
Характеристика мощности, потребляемой мешалкой, определялась при помощи метода вращающегося столика (модификация метода «мотор-весы»). Использована схема динамометра для измерения крутящего момента, описанная в [8]. Столик состоит из станины, вращательной тарелки и весов (мод. ЕНА501 фирмы «Мидлик», предел измерений 100 гр, погрешность 0,01 г). Принцип работы столика заключается в измерении момента следующим образом: при установившемся вращении жидкости в аппарате на стенках аппарата возникает момент, равный моменту на валу мешалки. Момент, создаваемый касательными напряжениями в процессе перемешивания жидкости в сосуде, заставляет вращаться аппарат, а вместе с ней и тарелку, на которой закреплен аппарат. Весы регистрируют изменение веса, исходя из которого определяется мощность на перемешивание. Внешний вид устройства для измерения мощности представлен на рисунке 5.
Рисунок 5. Устройство для измерения мощности
Результаты и их обсуждение
Фотографии дна аппарата при использовании мешалок различных типов представлены на рисунке 6.
Фотографии дна емкости
Рисунок 6. Результаты/ исследований процесса суспендирования для перемешивающих устройств различных типов: а - мешалка нового типа; б-трехлопастная мешалка; в - шестилопастная мешалка; г - турбинная мешалка
Результаты обработки фотографий представлены в таблице 1. Сравнение мощности, потребляемой мешалками различных типов, производилось при работе мешалок при частоте вращения 960 и 1220 об/мин в аппарате, схема которого представлена на рисунке 3. Результаты измере-
ния мощности, затрачиваемой на перемешивания, представлены в таблице 2.
Таблица 1. Результаты измерения площади осадка на дне и по-
требляемой мощности для четырех типов мешалок
Площадь отложений на дне Ssed, пикс2
Номер опыта тип 01 тип 05 тип 03 мешалка нового типа
1 184344 215028 39673 42202
2 175247 198340 43556 41056
3 186315 202064 41338 45132
Среднее значение Ssed 181968 205144 41522 42796
Доля площади дна, сво-
бодной от осадка, к общей площади дна V = Sclean/S, % 51 45 89 89
Потребляемая мощность N, Вт 0,08 0,1 0,1 0,05
Отношение доли площа-
ди дна, свободной от осадка, к потребляемой 637,5 450 890 1780
мощности v/N, %/Вт
Примечание: доля дна, свободной от осадка, рассчитывалась по формуле Бса = Б - Бе
Таблица 2. Результаты/ измерений потребляемой мощности ме-
шалками четырех типов
Измеренная Измеренная
Тип мешалки мощность при мощность при
960 об/мин, Вт 1220 об/мин, Вт
тип 01, трехлопастная 0,08 0,148
тип 03, турбинная 0,1 0,27
тип 05, шестилопастная 0,1 0,19
Мешалка нового типа 0,05 0,12
В результате проделанной работы было установлено, что наиболее эффективными мешалками для сус-пендирования являются открытая турбинная (тип 03) и коническая многолопастная (нового типа). Однако по результатам измерений мощности перемешивающее устройство нового типа имеет энергопотребление в 2 раза ниже.
Заключение
Таким образом, вновь разработанное перемешивающее устройство может быть успешно использовано на предприятиях химических и гидрометаллургических производств, пищевой, фармацевтической промышленности, в водоочистке для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, и также в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходимо предотвратить образование осадка на дне аппарата и поддерживать твердую фазу в суспендированном состоянии, обеспечивая хороший массообмен от частиц к жидкости.
Литература
1. ГОСТ 20680-2002 «Аппараты с перемешивающими устройствами. Общие технические условия». Введ. 2003-07-01. Минск: Межгос. Совет по стандартизации,
метрологии и сертификации; М.: Изд-во стандартов. 2002. 18 с.
2. РД 26-01-90-85 «Механические перемешивающие устройства. Метод расчета». Дата введения 1986-0101. Руководящий нормативный документ.
3. Advances in Industrial Mixing : A Companion to the Handbook of Industrial Mixing. / Ed. by Suzanne M. Kres-ta, Arthur W. EtchielSs III, David S. Dickey, Victor A. Atiemo-Obeng . North American Mixing Forum Publication date 11 Mar 2016.
4. Барабаш В.М., Абиев Р.Ш., Кулов Н.Н. Обзор работ по теории и практике перемешивания // Теоретические основы химической технологии, 2018. Т 52. № 4 (принято к печати).
5. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. / Пер. с польского под ред. И.А. Щупляка; Л.: ЛО Химия, 1975. 384 с.
6. Штербачек З, Тауск П. Перемешивание в химической промышленности / Пер. с чешского под ред. И.С. Павлушенко. Л.: ГХИ, 1963. 416 с.
7. Jirout T., Moravec J., Rieger F., Sinevic V., Spidla M., Sobolik V., Tihon J., Electrochemical measurement of impeller speed for off-bottom suspension. Chem. Process Eng. 2005. Vol. 26 P. 485-497.
8. Jirout T., Rieger F Impeller design for mixing of suspensions // Chemical Engineering Research and Design. 2011. Vol. 89, Is. 7. P. 1144-115
References
1. GOST 20680-2002 «Apparaty s peremeshivajush-himi ustrojstvami. Obshhie tehnicheskie uslovija». Vved. 2003-07-01. Minsk: Mezhgos. Sovet po standartizacii, metrologii i sertifikacii; M.: Izd-vo standartov. 2002. 18 s.
2. RD 26-01-90-85 «Mehanicheskie peremeshiva-jushhie ustrojstva. Metod rascheta». Data vvedenija 1986-0101. Rukovodjashhij normativnyj dokument.
3. Advances in Industrial Mixing : A Companion to the Handbook of Industrial Mixing. / Ed. by Suzanne M. Kres-ta, Arthur W. Etchels III, David S. Dickey, Victor A. Atiemo-Obeng . North American Mixing Forum Publication date 11 Mar 2016.
4. Barabash V.M, Abiev RSh, Kulov N.N. Obzor rabot po teorii i praktike peremeshivanija // Teoreticheskie osnovy himicheskoj tehnologii, 2018. T 52. № 4 (prinjato k pechati).
5. Strenk F Peremeshivanie i apparaty s meshalka-mi. / Per. s pol'skogo pod red. I.A. Shhupljaka; L.: LO Himija, 1975. 384 s.
6. Shterbachek Z, Tausk P. Peremeshivanie v himicheskoj promyshlennosti / Per. s cheshskogo pod red. I.S. Pavlushenko. L.: GHI, 1963. 416 s.
7. Jirout T, Moravec J,, Rieger F, Sinevic V., Spidla M, Soboikk V., Tihon J,, Electrochemical measurement of impeller speed for off-bottom suspension. Chem. Process Eng. 2005. Vol. 26 P. 485-497.
8. Jirout T., Rieger F Impeller design for mixing of suspensions // Chemical Engineering Research and Design. 2011. Vol. 89. Is. 7. P. 1144-115.
