ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Гидродинамика и тепломассоперенос при кристаллизации в дисперсных системах из "Кристаллизация в дисперсных системах" Закономерности эволюции во времени и пространстве системы дисперсных частиц, описываемые кинетическим уравнением кристаллизации, зависят от состояния системы в целом. [c.53] Состояние же кристаллизующейся системы характеризуется протекающими в ней процессами тепломассопереноса и гидродинамикой. Необходимо знать, как распределены скорости движения фаз, пересыщение (концентрация целевого продукта) и температура по объему. Решение данной задачи возможно ка основании анализа явлений переноса количества движения, массы и энергии в дисперсных системах. В процессе кристаллизации скорость движения дисперсных частиц должна оцениваться с учетом изменения их массы. Однако, как правило, масса частицы изменяется значительно медленнее, чем положение центра тяжести. Таким образом, задача изучения движения кристаллов становится автономной, и ее можно решать параллельно с рассмотрением элементарных процессов в аппаратах со строго определенной гидродинамической обстановкой. [c.54] Анализ гидродинамической структуры потоков в кристаллизаторах. В зависимости от конструктивной схемы аппарата в нем можно выделить целый ряд зон, различающихся по гидродинамической обстановке. На рис. 1.11 дана схема кристаллизатора, которая позволяет наглядно представить, какие это зоны и каково их конструктивное исполнение. [c.54] Для большей наглядности и качественного отображения разнообразия и сложности гидродинамического состояния системы жидкость — твердые частицы в различных зонах можно воспользоваться так называемой фазовой диаграммой [39], которая позволяет весьма просто выделить различные области существования изучаемой системы восходящий и нисходящий прямоток жидкости и твердых частиц противоток восходящего потока жидкости и твердых частиц. [c.54] По оси ординат обобщенной фазовой диаграммы (рис. 1.12) отложен перепад давления на единицу высоты слоя, по оси абсцисс — скорость жидкости относительно стенок аппарата, рассчитанная на полное его сечение. В качестве параметра приняты линии постоянной массовой скорости твердых частиц И д (масса, прошедшая в единицу времени через единицу площади поперечного сечения аппарата). При и д О дисперсные частицы движутся вверх, при И д О — вниз. Перемещение вдоль оси абсцисс вправо от точки начала отсчета соответствует увеличению скорости восходящего потока, а влево — увеличению скорости нисходящего потока. [c.55] Диаграмму удобно строить в логарифмической системе координат, но тогда нельзя перейти через нулевые значения скорости или перепада давления без разрыва координатной сетки. Поэтому в области низких скоростей восходящего и нисходящего потоков (область ограничена вертикальными и горизонтальными пунктирными линиями) использована равномерная шкала. [c.55] Выделенные в кристаллизаторе зоны (см. рис. 1.11) с различными гидродинамическими условиями на фазовой диаграмме обозначены буквами, разделяющими линии диаграммы на соответствующие отрезки. [c.55] В вертикальном, например, фракционном кристаллизаторе с неподвижным слоем кристаллов поток жидкости (флегмы) подается снизу под поддерживающую решетку [40] и движется вверх через слой твердых частиц. [c.55] В точке Р перепад давления на единицу высоты слоя определяется трением жидкости о стенки аппарата, а кривая ОЕРО соответствует сопротивлению пустого аппарата. [c.56] При дальнейшем увеличении скорости жидкости наблюдается зависание твердых частиц с последующим изменением направления их движения, то есть наблюдается восходящее прямоточное движение жидкости и твердых частиц. Такое состояние системы соответствует зоне восходящего движения (зона 4 на рис. 1.11). [c.56] Кристаллы могут выводиться из аппарата с помощью транспортной линии — зона гидротранспорта 5. Этот случай представляет собой восходящий поток твердого материала в плотной фазе и на фазовой диаграмме изображается кривой PQ. [c.56] Фазовая диаграмма может быть построена применительно к постоянным значениям размера и плотности частиц, вязкости и плотности жидкости. На ней не нашли отражения зоны интенсивного перемешивания 8 и поворота 7. Проведенный выше качественный анализ позволяет непосредственно подойти к формулировке проблем [41], возникающих при математическом описании структуры гидродинамических потоков жидкость — твердые частицы в кристаллизаторах, с позиций последних достижений в области механики многокомпонентных сред [42]. [c.56] Зона псевдоожижения характеризуется наличием дисперсного материала широкого фракционного состава. В зависимости от физико-химических свойств сплошной фазы ее скорости и геометрических размеров кристаллизатора он может работать как в области однородного псевдоожиженного слоя, так и в фонтанирующем режиме [9, 43]. [c.56] Применение кристаллизаторов с псевдоожил енным слоем позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс кристаллизации, обеспечивая при этом классификацию кристаллов по размерам. При работе наблюдается ярко выраженное восходящее движение дисперсной фазы по центру аппарата и нисходящее по периферии. Содержание дисперсной фазы в аппарате поддерживается в пределах 5—10%, с тем чтобы обеспечить содержание кристаллов во взвешенном слое. [c.57] Наличие крупномасштабной циркуляции позволяет осуществить классификацию частиц по размерам. В этом случае в слое можно выделить области восходящего и нисходящего потоков. Классифицирующую способность аппаратов данного типа можно повысить путем создания интенсивного вращательного движения суспензии в зоне сепарации [46]. [c.57] В зоне гидроклассификации, так же как и в зоне осветления, происходит вымывание вверх из суспензии кристаллов малых размеров с одновременным осаждением крупных продуктовых кристаллов. Последние попадают на выгрузку. Отсюда вытекают и особенности, связанные с разработкой инженерной методики расчета зоны классификации, от эффективности работы которой во многом зависит качество продукта. В рассматриваемой зоне одновременно имеет место восходящее движение мелких кристаллов с жидкостью, зависание частиц некоторого среднего размера и осаждение наиболее крупных кристаллов. На эту идеализированную картину накладывается хаотическое пульсирующее движение кристаллов, интенсивность которого зависит от физических свойств системы, распределения частиц по размерам и от общего содержания дисперсной фазы. Существующие методы расчета эффективности разделения суспензий в гидроклассификаторах [47], применяемых в кристаллизаторах, основаны на использовании однопараметрической диффузионной модели, которая предполагает постоянство скорости жидкости по сечению потока и может быть применена только для однородных систем. Однако в нашем случае ее применение не совсем оправдано, так как мы имеем заведомо неоднородную систему. Содержание дисперсной фазы в гидроклассификаторе меняется как по высоте аппарата, так и по его сечению за счет неравномерного подвода твердых частиц (кристаллов) и. раствора. Таким образом, необходимо совместно решать задачу пространственного движения жидкости и твердых частиц при их относительно малом содержании, что практически невозможно с помощью известных в настоящее время методов без значительного упрощения действительной картины течения. [c.58] Для расчета непосредственно процесса кристаллизации наибольший интерес представляют такие гидродинамические характеристики двухфазного потока, как распределение частиц по высоте аппарата, скорость их движения относительно жидкости в турбулентном потоке, частота соударения отдельных частиц друг с другом и со стенками аппарата. На основании этих данных можно провести оценку скорости роста кристаллов, а также интенсивности их измельчения и истирания. [c.58] Зона гидротранспорта должна обеспечить непрерывную, с постоянной скоростью, выгрузку кристаллов без их классификации по размерам. Достигается это путем подбора скорости раствора, когда гидротранспорт происходит в плотном слое. Расчет последнего сводится к определению потерь давления при движении суспензии в трубе по давлению устанавливается необходимая высота перелива, обеспечивающая заданный режим гидротранспорта. [c.58] Для данной зоны, так же как и для зоны восходящего движения, наибольший интерес представляют такие гидродинамические характеристики, как распределение частиц различных размеров по объему зоны, скорость их движения относительно жидкости с учетом интенсивности турбулентных пульсаций, частота соударения между отдельными частицами и со стенками аппарата. Неравномерность поля скоростей несущего потока может приводить к расслоению суспензии, то есть к концентрированию твердых частиц вдоль стенок аппарата. В этом случае возможно возникновение обратных токов жидкости, что приводит к еще большему расслоению суспензии и, как следствие, к нарушению заданного режима работы аппарата. [c.59] Вопросы устойчивости при движении суспензий рассматривались в работе [48], где получено уравнение для расчета оптимальных режимов циркуляции. Однако вопросы устойчивости при движении суспензий в настоящее время мало изучены, и требуется более детальное их экспериментальное и теоретическое рассмотрение, что особенно важно для решения задачи масштабного перехода при проектировании кристаллизаторов. [c.59] Вернуться к основной статье