Способ определения структуры потока жидкости в аппарате смешения
Владельцы патента RU 2275595:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет) (RU)
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 изобретения является повышение точности определения структуры потока в аппарате при перемешивании, а также упрощение математической обработки при физическом и математическом моделировании процесса перемешивания жидкости в аппарате. 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 функций распределения для ряда зон в объеме аппарата. По этим функциям распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости. 8 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к способам исследования процессов перемешивания жидких однородных и неоднородных сред низкой и средней вязкости и может быть применено в металлургической, химической, нефтехимической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности.
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].
Недостатком является невысокая точность, а также ограниченность физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости только по одной функции концентрации индикатора от времени, получаемой на выходе из аппарата.
Известен 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].
Недостатком является невысокая точность, а также ограниченность применения известного способа газовым потоком или в крайнем случае неэлектропроводными жидкостями.
Наиболее близким техническим решение, принятым за прототип, является решение, предложенное в патенте РФ №2232383 G 01 N 27/06, 10.07.2004. 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 с дополнительной регистрацией концентрации индикатора вблизи мешалки, и по этим функциям распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости.
Недостатком является недостаточное количество информации при более сложной структуре, состоящей более чем из двух зон, трудоемкие математические расчеты при определении параметров модели.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности определения структуры потока в аппарате при перемешивании, а также упрощение физического и математического моделирования процессов перемешивания.
Технический результат достигается тем, что в аппарат подают поток и индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата и у мешалки функцию распределения частиц потока по времени их пребывания в аппарате, по совокупности которых судят о структуре потока в аппарате, согласно изобретению в объеме аппарата определяют все зоны с идентичными структурами потока и одновременно регистрируют функции распределения частиц потока во времени во всех зонах, и по совокупности полученных функций распределения судят о структуре потока в аппарате.
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид аппарата и зоны с идентичной структурой потока, на фиг.2 - функция распределения, снятая на выходе аппарата, на фиг.3 - функция распределения в зоне 1, на фиг.4 - сопоставление модели и функции распределения в зоне 1, на фиг.5 - функция распределения в зоне 2, на фиг.6 - сопоставление модели и функции распределения в зоне 2, на фиг.7 - функция распределения в зоне 3, на фиг.8 - сопоставление модели и функции распределения в зоне 3.
Способ осуществляется следующим образом: в аппарат смешения подают поток и аналитически или опытным путем определяют все зоны с идентичной структурой потока. Далее в аппарат подают поток и индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и одновременно регистрируют функции распределения частиц во времени на выходе из аппарата и во всех зонах с идентичной структурой потока.
Дополнительная регистрация концентрации индикатора в зонах позволят однозначно определить тип и параметры зон в аппарате, как правило описываемые каким-либо типовым звеном или простейшей комбинированной моделью, а следовательно и параметры элементарного звена в общей комбинированной модели, а значит значительно повысить точность моделирования и облегчить и упростить математическую обработку.
Пример.
В проточном аппарате объемом 25 литров со стандартной мешалкой Раштона на основании справочных данных выделено три зоны с идентичными структурами потока: верхняя зона, предположительно байпасного потока, средняя зона, предположительно идеального смешения, и нижняя зона, предположительно застойная или зона идеального смешения - зоны 1, 2, 3 фиг1. В аппарат был подан поток и индикатор (NaCl), электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и одновременно регистрируют функции распределения частиц во времени на выходе из аппарата и в зонах 1, 2, 3.
Общая кривая отклика фиг.2 не позволяет однозначно определить наличие той или иной зоны и оценить структуру потока в аппарате.
Поэтому рассмотрим функции распределения, снятые во всех зонах: 1, 2, 3.
Функция распределения в зоне 1, фиг.3.
По внешнему виду можно предположить наличие байпасного потока, обработка экспериментальной кривой может быть как ручной известными математическими методами, так и программной, в нашем случае была использована специализированная программа RTD 3.14.
Обработка кривой в программе RTD показала, что данная кривая описывается типовой моделью реактора идеального перемешивания с байпасным потоком, фиг.4.
Уравнение модели:
Граничные условия: 
Передаточная функция: 
Основные параметры модели:
τ=10,338 - среднее время пребывания(с);
f1=0,154 - отношение объема байпасного потока к объему реактора;
Сi - концентрация индикатора на входе в аппарат;
С0 - концентрация индикатора на выходе из аппарата;
С - фоновая концентрация индикатора в аппарате;
t - время.
В зоне 2 фиг.5 функция распределения имеет несколько другой вид.
Анализ и программная обработка экспериментальной кривой зоны 2 показал, что данная кривая описывается типовым звеном идеального смешения фиг.6.
Уравнение модели:
Граничные условия: 
Передаточная функция: 
Основные параметры модели:
τ=44,473 - среднее время пребывания(с);
В зоне 3 фиг.7 функция распределения наиболее пологая по сравнению с предыдущими, что указывает на наличие застойных зон.
Анализ и программная обработка экспериментальной кривой зоны 3 показал, что данная кривая, как и предполагалось, описывается типовым звеном идеального смешения с застойной зоной фиг.8.
Уравнение модели: 
Граничные условия: 
Передаточная функция: 
Основные параметры модели:
τ1=95,4 - среднее время пребывания в реакторе(с);
τ2=15,01 - среднее время пребывания в мертвой зоне(с);
f2=0119 - отношение объема мертвой зоны к объему реактора;
C1 - концентрация индикатора в аппарате;
С2 - концентрация индикатора в мертвой зоне.
Полученные элементарные модели структуры потока в различных зонах аппарата позволяют оценить общую картину гидродинамической обстановки в аппарате, а также синтезировать комбинированную модель структуры потока в аппарате в целом.
На основании проведенных экспериментов, анализа и обработки их результатов однозначно можно сказать, что структура потока в данном реакторе непрерывного действия описывается моделью идеального перемешивания с байпасом и застойной зоной. Параметры модели соответствуют параметрам входящих в нее элементарных звеньев. Общий вид модели:
Уравнение модели:
Граничные условия: 
Передаточная функция: 
Для окончательного представления структуры потока необходимо определить долю каждой зоны в общем потоке, для этого можно использовать как известные математические методы, так и программные, в данном случае та же программа RTD 3.14. Используя функцию распределения, снятую на входе(фиг.2) аппарата, и полученную модель структуры потока в аппарате производим расчет.
В результате получаем:
Q=0,498 м3/ч, общий расход на входе в аппарат.
Зона №1, байпасный поток:
Q1=0,197 м3/ч, поток, проходящий через байпайсное звено;
ν1=0,398 доля байпасной зоны;
Зона №2, идеального смешения:
Q1=0,238 м3/ч, поток, проходящий через зону идеального смешения;
ν1=0,480 доля зоны идеального смешения;
Зона №2, идеального смешения:
Q1=0,060 м3/ч, поток, проходящий через застойную зону;
ν1=0,121 доля застойной зоны;
- расхождение расчетного и измеренного расходов.
Способ определения структуры потока жидкости в аппарате смешения, заключающийся в том, что в аппарат подают поток и индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата и у мешалки функцию распределения частиц потока по времени их пребывания в аппарате, по совокупности которых судят о структуре потока в аппарате, отличающийся тем, что в объеме аппарата определяют все зоны с идентичными структурами потока и одновременно регистрируют функции распределения частиц потока во времени во всех зонах и по совокупности полученных функций распределения судят о структуре потока в аппарате.
