Способ определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании

 

Изобретение относится к способам исследования процессов перемешивания жидких однородных и неоднородных сред и может найти применение в химической, нефтехимической, фармакологической, пищевой, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки промышленных и бытовых сточных вод. Техническим результатом является повышение точности физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости в аппарате с мешалкой непрерывного действия. Сущность: способ включает подачу в аппарат потока и индикатора, электропроводность которого отличается от электропроводности потока. Регистрируют на выходе из аппарата функции распределения частиц потока во времени, при этом регистрацию функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата осуществляют одновременно с дополнительной регистрацией концентрации индикатора вблизи мешалки. По этим концентрациям и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости. 2 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к способам исследования процессов перемешивания жидких однородных и неоднородных сред и может найти применение в химической, нефтехимической, фармакологической, пищевой, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки промышленных и бытовых сточных вод.

Известен способ определения скорости и качества перемешивания жидкостей при гомогенизации, который характеризуется измерением концентрации одного вещества в другом во времени. Способ заключается в загрузке в начальный момент времени дополнительной порции вещества, отличного от находящегося в аппарате, и измерении концентрации этого дополнительного вещества в точке его ввода во времени. Затем путем математической обработки полученной концентрационной кривой определяют время гомогенизации и степень неоднородности [Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1979, с.122-123, с.131-133].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся ограниченность известного способа непроточными аппаратами с мешалками (аппаратами периодического действия) и невозможность определять структуру потока и ее параметры с целью физического и математического моделирования процесса перемешивания.

Известен способ определения времени перемешивания, заключающийся в введении в перемешиваемую жидкость небольшого количества раствора соли и измерении электропроводности в одной или нескольких точках объема аппарата. В качестве времени перемешивания принимают время, после которого исчезают колебания электропроводности жидкости [Ф. Стренк. Перемешивание и аппараты с мешалками. -Л.: Химия, 1975, с.131].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся невозможность определения структуры потока и ее параметров с целью физического и математического моделирования процесса перемешивания, а также ограниченность использования известного способа непроточными аппаратами с мешалкой (аппаратами периодического действия).

Известен способ определения структуры потока в проточном аппарате с мешалкой (аппарате непрерывного действия). Способ заключается в подаче во входящий поток какой-либо примеси (индикатора или метки), это может быть раствор красителя, кислоты или соли, и определении изменения концентрации индикатора на выходе из аппарата как функции времени [Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. - М.: Химия, 1973, с.44-45].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости и расчета его параметров только по одной функции концентрации индикатора от времени, получаемой на выходе из аппарата.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ определения структуры потока газа в аппарате, заключающийся в том, что в аппарат подают поток и индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе аппарата функцию распределения частиц потока во времени, по которой судят о структуре потока, при этом перед подачей в аппарат поток газа мгновенно заряжают избыточным отрицательным зарядом и одноименный заряд подают на корпус аппарата [Патент РФ №1813214, G 01 Р 5/18, бюл. №16, 1993].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся ограниченность применения известного способа газовым потоком или в крайнем случае неэлектропроводными жидкостями, а также ограниченность физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости и расчета его параметров только по функции распределения частиц потока во времени.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение возможностей физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости в аппарате с мешалкой непрерывного действия за счет дополнительного измерения концентрации индикатора во времени вблизи мешалки.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение точности физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости в аппарате с мешалкой непрерывного действия.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, включающем подачу в аппарат потока и индикатора, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрацию на выходе из аппарата функции распределения частиц потока во времени, регистрацию функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата осуществляют одновременно с дополнительной регистрацией концентрации индикатора вблизи мешалки и по этим концентрациям и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости.

Дополнительная регистрация концентрации индикатора во времени вблизи мешалки одновременно с регистрацией функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата позволяет для сложных структур потока определять последовательность расположения отдельных звеньев структуры и их объемы, а значит, повысить точность физического и математического моделирования структуры потока в аппаратах с мешалками непрерывного действия и рассчитывать проточные жидкостные химические реакторы с мешалками.

Пример 1.

В проточном аппарате объемом V=60 л, диаметром 0,36 м с пропеллерной мешалкой диаметром 0,1 м при числе оборотов 150 об/мин при расходе 0,1 л/с регистрировались одновременно функция распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата и концентрация индикатора во времени вблизи мешалки (над мешалкой).

Для регистрации функции распределения частиц потока во времени в выходном штуцере аппарата установлены с зазором 8 мм два электрода кондуктометрической ячейки. Электроды кондуктометрической ячейки соединены с мостом сопротивления и потенциометром КСП-3, представляющим записывающее устройство.

Для регистрации концентрации индикатора во времени вблизи мешалки над ней также установлены с зазором 8 мм два электрода кондуктометрической ячейки, соединенные мостом сопротивления и потенциометром КСП-3.

В качестве индикатора в поток на входе в аппарат подавалось импульсно М_и=60 г раствора КСl.

На фиг.1 представлены графики функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата (кривая 1) и концентрации индикатора во времени вблизи мешалки (кривая 2). По оси абсцисс отложено в масштабе время регистрации концентрации после ввода индикатора, при этом среднее время пребывания было

.

По оси ординат отложена относительная концентрация индикатора, где средняя концентрация, принятая за норму, составляла

Из графика 1 фиг.1 видно, что структура потока в исследуемом аппарате с мешалкой может быть представлена в виде комбинированной модели с последовательным соединением зон идеального смешения и вытеснения. При этом объем зоны вытеснения составляет

[Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. Изд. 3-е, перер. и доп. - М.: Химия, 1976, 464 с.], при этом не ясно, какая из зон является первой по ходу потока жидкости.

На фиг.2 представлены графики функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата (кривая 1) и концентрации индикатора во времени вблизи мешалки (кривая 2).

Из графика 2 фиг.1 можно получить дополнительную информацию о структуре потока. Во-первых, общая зона вытеснения должна быть разбита на 2 звена: первое - до мешалки объемом V_в1=(t_з1/t_c)(V=0,15·V=9 л и второе - после мешалки объемом V_в2=V_в-V_в1=30 л - 9 л = 21 л. Во-вторых, наличие зон вытеснения над мешалкой и под ней говорит о том, что мешалка при заданном числе оборотов не обеспечивает полного перемешивания и ее перемещение по высоте аппарата объем перемешивания не увеличит. Необходимо либо увеличить число оборотов, либо уменьшить объем жидкости в аппарате до 30 л - объема зоны смешения, либо увеличить диаметр аппарата при уменьшении высоты жидкости в нем.

Пример 2.

Исследования по примеру 2 проводились в аппарате того же объема V=60 л, но диаметром 0,42 м с пропеллерной мешалкой. В этом случае высота жидкости в аппарате и его диаметр становятся одинаковыми.

Из кривой 1 (фиг.2) видно, что структура потока в аппарате с мешалкой может быть представлена двумя последовательно расположенными ячейками (зонами) неравного объема. И так как дисперсия кривой 1 σ²=0,68, то доля одной ячейки β=0,8. Тогда объем одной ячейки составляет V₁=0,8·V=0,8·60=48 л, а второй - V₂=60-48=12 л. (Расчеты дисперсии σ² по кривым функции распределения потока во времени в выходном штуцере аппарата и доля объема рассчитываются по известной методике, описанной в аналогах).

Однако, как и в примере 1, только по функции распределения потока во времени на выходе из аппарата нельзя определить, какая из ячеек (зон) неравного объема является первой по ходу потока.

Эту информацию легко получить, анализируя кривую 2 (фиг.2), описывающую концентрацию индикатора во времени вблизи мешалки (над ней). Так как максимальная относительная концентрация этой кривой C_mах ≅ 1,25, то доля ячейки (зоны) над мешалкой β=1/C_mах ≅ 0,8.

Таким же образом, используя функцию распределения частиц потока во времени и данные по концентрации индикатора во времени вблизи мешалки, можно идентифицировать и другие сложные модели структуры потока.

Применение предлагаемого способа определения структуры потока жидкости в аппарате с одновременной регистрацией функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата и концентрации индикатора во времени вблизи мешалки значительно расширяет возможности и физического, и математического моделирования структуры потока жидкости в проточных аппаратах с мешалками и увеличивает точность моделирования при описании сложных моделей структуры потока.

Формула изобретения

Способ определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, заключающийся в том, что в аппарат подают поток и индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени, отличающийся тем, что регистрацию функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата осуществляют одновременно с дополнительной регистрацией концентрации индикатора вблизи мешалки и по этим концентрациям и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2