Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОДЕЛЮВАННЯ ТА РОЗРАХУНОК ПРОЦЕСУ ВИСОЛЮЮЧОЇ КРИСТАЛІЗАЦІЇ СОЛЕЙ ІЗ РОЗЧИНІВ У КЛАСИФІКУЮЧОМУ КРИСТАЛІЗАТОРІ

05.17.08 - Процеси та обладнання хімічної технології

Гайковий Олексій Вячеславович

Суми - 2004



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Процеси та обладнання хімічних і нафто-

переробних виробництв” Сумського державного університету

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Врагов Анатолій Петрович,

Сумський державний університет,

професор кафедри процесів та обладнання

хімічних і нафтопереробних виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Півень Олександр Наумович,

Національний технічний університет

“Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри машин та апаратів

хімічних і нафтопереробних виробництв

доктор технічних наук, професор

Шапорєв Валерій Павлович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

завідувач кафедри хімічної техніки

та промислової екології

Провідна установа - ВАТ ”Український науково-дослідний та

конструкторський інститут хімічного

машинобудування”, м. Харків

Захист відбудеться 16 квітня 2004 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К55.051.03 при Сумському державному університеті за адресою: 40007, Україна, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету (40007, Україна, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).

Автореферат розісланий 11 березня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савченко Є.М.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У хімічній, фармацевтичній та харчовій галузях промисловості знайшли застосування процеси висолюючої кристалізації (ВК), які дозволяють отримувати із водно-сольових розчинів кристалічні осади неорганічних та органічних сполук. Як висолювач у таких технологіях використовують неорганічні та органічні розчинники, що вступають у фізичну взаємодію з водою і сприяють виділенню розчиненої речовини у вигляді кристалічної фази. Висолююча кристалізація, як правило, реалізується в установках періодичної дії на базі набутого виробничого досвіду, але не отримала належного науково-інформаційного забезпечення навіть для установок періодичної дії та майже не використовується в установках безперервної дії.

Аналіз літературних джерел свідчить, що процес висолюючої кристалізації можна використовувати в більш широкому масштабі в установках безперервної дії для виробництва хімічної продукції покращеної якості та хімічної чистоти. Крім того, використання органічного висолювача в деяких технологіях може бути більш ефективним з огляду на зменшення енергетичних витрат при багатотоннажному виробництві хімічної продукції.

Висолююча кристалізація хімічних солей, реактивів та харчових продуктів у кристалізаційних установках періодичної та безперервної дії є актуальною проблемою, що має важливе значення для виробництва крупнокристалічних продуктів покращеної якості та для зниження енергетичних витрат. Більш широкому застосуванню цього процесу у промисловості перешкоджають відсутність науково обґрунтованих рекомендацій щодо управління технологічними параметрами процесу, відсутність методик розрахунку як самого процесу, так і обладнання для його реалізації, а також проблеми, пов'язані з регенерацією висолювача та енергетичними витратами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відповідності до наукового напрямку кафедри “Процеси та апарати хімічної і нафтопереробної промисловості” Сумського державного університету, що підтримується протягом багатьох років і стосується вивчення кінетики процесів кристалізації солей із розчинів, моделювання, розрахунків та розробки кристалізаційного обладнання.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вивчення гідродинаміки та масообміну в процесах висолюючої кристалізації у змуленому шарі кристалів при введенні в систему органічного висолювача, моделювання процесу та розробка методики розрахунку кристаловирощувача з використанням ПЕОМ, розробка нових способів проведення та управління безперервним процесом ВК. кристаловирощувач висолювач масообмін

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

узагальнити дані з розчинності деяких солей у змішаних розчинниках у вигляді аналітичних рівнянь;

розробити математичну модель процесу ВК у псевдозрідженому шарі;

вивчити кінетику процесу висолюючої кристалізації в умовах створення контрольованого рівня пересичення розчину;

розробити методику та алгоритм розрахунку кристаловирощувача для проведення процесу ВК;

розробити нові способи управління процесом ВК з метою отримання крупнокристалічного продукту покращеної якості.

Об'єкт дослідження - водні розчини хлориду натрію на установці зі змуленим шаром кристалів при дозованій подачі в систему змішаного висолювача - водно-етанольного розчину.

Предмет дослідження - кінетика процесу висолюючої кристалізації, вплив гідродинамічних та масообмінних параметрів на процес вирощування крупно- кристалічного продукту покращеної якості.

Методи дослідження - експериментальні, розрахунково-аналітичні та обробка даних з використанням комп'ютерної техніки, математичне моделювання процесу ВК у класифікуючому кристалізаторі.

Наукова новизна. На основі виконаних досліджень одержані такі наукові результати:

1. Розроблена математична модель процесу безперервної висолюючої кристалізації в класифікуючому кристалізаторі, в якій враховані:

- параметри висолювача, який вводиться у циркуляційний контур системи для отримання розчину з контрольованим рівнем пересичення;

- оптимальні гідродинамічні умови розподілу дисперсної фази в циліндроконічному класифікуючому кристалізаторі;

- оптимальні масообмінні умови взаємодії кристалів з пересиченим розчином у псевдозрідженому класифікованому шарі.

2. Виконано комплекс досліджень та отримані результати, що дозволяють вести розрахунок та проектування кристалізаційних процесів та установок при використанні висолюючої кристалізації:

- отримані рівняння розчинності деяких солей у змішаних розчинниках, що можуть бути використані для комп'ютерних розрахунків процесу ВК;

- експериментально досліджені процеси висолюючої кристалізації хлориду натрію у водно-етанольних розчинах, отримані кінетичні параметри швидкості зародкоутворення та росту кристалів у псевдозрідженому шарі, виявлені робочі параметри процесу, які забезпечують переважний ріст кристалів;

- запропоновані нові способи висолюючої кристалізації, що дозволяють покращити управління процесом, отримувати речовини високої якості та захищені патентами України.

3. Розроблено методику і алгоритм розрахунків кристалізаційної установки та класифікуючого кристалізатора для процесу висолюючої кристалізації з використанням ПЕОМ.

Практичне значення одержаних результатів. На базі отриманих результатів запропоновані рівняння для розрахунків витрат та складу матеріальних потоків циркуляційного контуру та кристалізаційної установки, рівня пересичення на вході в змулений шар кристалів у періодичному та безперервному процесі. Розроблені програма та методика розрахунку висолюючого кристалізатора з використанням ПЕОМ, розроблені та захищені патентами України нові способи висолюючої кристалізації, які дозволяють управляти кінетикою процесу та отримувати кристалічні продукти покращеної якості. Результати роботи використовуються для розробки техніко-економічного обґрунтування впровадження способу висолюючої кристалізації сульфату натрію на ВО “Гарабогазсульфат” (Туркменістан). Практична реалізація роботи полягає у впровадженні методики розрахунку процесу ВК на ВАТ “Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе” (Україна).

Особистий внесок здобувача. Під час підготовки дисертації здобувач особисто зробив експериментальну установку, підготував та провів досліди, обробив, проаналізував та узагальнив результати проведених розрахунково-аналітичних та експериментальних досліджень.

У публікаціях, де відображені основні результати дисертаційної роботи, автору належать: узагальнення даних з розчинності деяких солей у водно-спиртових розчинах [8]; визначення кінетичних параметрів процесу ВК хлориду натрію [3, 5, 10]; розробка математичної моделі процесу висолюючої кристалізації в класифікуючому кристалізаторі [3, 9]; розробка методики розрахунку процесу та класифікуючого кристалізатора, програми для ПЕОМ та розрахунки параметрів висолюючої кристалізації нітрату калію та цукрози [1, 4, 13]; розробка принципових схем нових способів висолюючої кристалізації солей із розчинів, що захищені патентами [6, 7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на Х Міжнародній науковій конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ICCE -99, Львів, 1999 р.); на ХХ Науковій конференції країн СНД “Дисперсні системи” (Одеса, 2002 р.); на науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів та студентів СумДУ (1999, 2000, 2001, 2002, 2003 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 робіт, у тому числі 4 статті у наукових фахових виданнях України, 3 роботи - в матеріалах всеукраїнських та міжнародних конференцій, 5 робіт - в матеріалах наукових конференцій СумДУ, отримано два патенти України на винаходи.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації становить 134 сторінки, містить 24 рисунка, із яких 3 розміщені на 3 окремих сторінках. В роботі наведені 7 таблиць, із яких 4 розміщені на 5 окремих сторінках. Список літературних джерел складає 129 найменувань на 11 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, сформульовані мета та задачі досліджень, їх наукова новизна та практичне значення, подана загальна характеристика роботи, наведена основна інформація про апробацію роботи, публікації, зв'язок з науковими програмами.

У першому розділі розглянуті фізико-хімічні та теоретичні основи процесу висолюючої кристалізації, параметри властивостей концентрованих трикомпонентних розчинів солей та методи їх визначення, кінетика процесу та питання, що стосуються практичного використання висолюючої кристалізації в різних галузях промисловості.

Встановлено, що аналітичні рівняння, які дозволяли б розрахувати фізико-хімічні властивості водно-спиртових розчинів (розчинність солей у змішаних розчинниках, густину, теплоємність, динамічну в'язкість та коефіцієнт дифузії) практично відсутні, а наведені в літературі експериментальні результати подані в дуже обмеженій кількості.

З метою використання ПЕОМ при моделюванні та розрахунках процесу ВК солей у водно-спиртових розчинах актуальною є задача щодо узагальнення експериментальних даних у вигляді аналітичних рівнянь.

Вивченню кінетики висолюючої кристалізації у апаратах з перемішуванням присвячено дуже мало наукових робіт, які доводять, що на швидкість процесів зародкоутворення та росту кристалів суттєво впливають фізико-хімічні властивості солі та змішаного розчинника, концентрація висолювача та величина пересичення розчину, гідродинамічні та дифузійні умови в кристалізаторі. Кінетика висолюючої кристалізації у змуленому шарі кристалів з використанням класифікуючих кристалізаторів майже не вивчалася.

Розглянуті існуючі технологічні процеси виробництва продуктів методами ВК та способи проведення процесу висолюючої кристалізації, що знайшли використання в різних галузях промисловості завдяки високому ступеню видобування розчиненої речовини із розчинів, можливості виробництва продукту високої хімічної чистоти при порівняно невисоких енерговитратах.

Проведено огляд конструкцій кристалізаторів, що використовуються в процесах ВК, зазначено, що в цьому напрямку розпочаті наукові дослідження в передових країнах світу та патентуються нові способи і конструкції для проведення процесу ВК. Показано, що в літературі майже відсутні відомості про методи управління процесом вирощування кристалів, відсутня методика розрахунку процесу в періодичному та безперервному режимах, відсутні програми для машинного розрахунку процесу, відсутні рекомендації щодо розрахунку та проектування кристалізаторів для використання їх у процесах ВК.

На основі проведеного аналізу літературних і патентних джерел сформульовані мета та задачі наукового дослідження.

У другому розділі розроблена математична модель безперервного процесу ВК, що проходить у змуленому шарі (ЗШ) кристалів у класифікуючому циліндроконічному кристалізаторі, розрахункова схема якого наведена на рис. 1.

Математична модель містить такі рівняння: розчинності солі у змішаному розчиннику, матеріального та теплового балансів кристалізаційної установки та циркуляційного контуру, гідродинаміки та масообміну змуленого шару кристалів. Вона розроблена при таких припущеннях:

- процес проходить при незмінних властивостях взаємодіючих фаз;

- розчин рухається в апараті в режимі ідеального витискування;

- в апараті проходить процес гідравлічної класифікації зерен за їх розмірами;

- відсутні процеси подрібнення та агломерації кристалів.



Рис. 1. Розрахункова схема кристалізаційної установки: 1 - кристаловирощувач; 2 - цир-куляційний насос; 3 - центральна опускна труба; 4 - циркуляційні трубопроводи; 5 - патрубок відведення маточного розчину

При сталому процесі кристалізації в циліндроконічному апараті пересичений розчин рівномірно розподіляється по перерізу нижньої циліндричної секції та рухається угору з середньою швидкістю , що створює локальну порізність продукційної монофракції кристалів. У міру проходження розчину через змулений шар кристалів його швидкість поступово зменшується від до у верхній циліндричній секції кристаловирощувача і повинна бути такою, щоб у циркуляційний цикл не виносилися частинки діаметром більше . Кристали у змуленому шарі зростають з середньою швидкістю, пропорційною поверхневому коефіцієнту масовіддачі .

Вхідними параметрами процесу ВК є: задані продуктивність установки та діаметр продукційних кристалів; фізико-хімічні властивості потоків; концентрація, температура початкового розчину та висолювача; концентрація висолюючого компонента в маточному розчині; експериментальне значення величини допустимого пересичення розчину. Вихідними параметрами процесу є: витрата висолювача, маточного та початкового розчинів; концентрація солі в маточному розчині та його температура; витрата циркуляційного розчину, що визначає продуктивність циркуляційного насоса, величину діючого пересичення; гідродинамічні та масообмінні параметри ЗШ кристалів.

На базі рівнянь матеріального та теплового балансів отримана система, що встановлює взаємозв'язок між вхідними та вихідними параметрами:

(1)

При змішуванні потоків циркулюючого розчину та дозованої витрати висолювача в системі створюється пересичення розчину, що визначається різницею фактичної та рівноважної концентрацій солі в розчині.

Для точки змішування циркуляційного розчину з висолювачем отримана така система рівнянь (2):

(2)

Для розв'язання системи рівнянь (2) необхідно визначити вид та числові значення коефіцієнтів рівняння розчинності солі та експериментально визначити величину допустимого граничного пересичення солі у водно-спиртовому розчині для конкретної фізико-хімічної системи.

Моделювання класифікуючого кристаловирощувача виконується на основі методу пофракційного розрахунку процесу росту кристалів у змуленому шарі.

Весь об'єм змуленого шару кристалів розглядається складеним з окремих монофракцій, розташованих одна над одною з поступово зменшеним розміром зернин від продукційних кристалів , що відводяться з нижньої циліндричної секції, до мінімальних , що спливають у верхній циліндричній секції. В умовах сталого режиму гідрокласифікації кристалів за розмірами у змуленому шарі кожна монофракція зернин характеризується максимальним , середнім та мінімальним розмірами кристалів, а також середніми локальними значеннями гідродинамічних (е_i, h_i, Ar_i, Re_i) та масообмінних параметрів.

Для розрахунку робочої швидкості розчину при перехідному режимі обтікання частинок використовується рівняння

(3)

де A=0,105, a=0,78 для діапазону чисел ; A=0,335, a=0,63 для діапазону чисел .

Для розрахунків локальної порізності полідисперсного ЗШ у конічній секції з кутом розкриття конуса використовується рівняння

, (4)



де E=0,258 для діапазону чисел ; E=0,17 для діапазону чисел .

Порізність змуленого шару кристалів та умови масопереносу в продукційній монофракції кристалів визначаються так, щоб швидкість відносного руху фаз у стислих умовах досягла максимуму, що відповідає рівнянню

. (5)

При заданих геометричних розмірах конічної секції і відомій швидкості руху потоку розчину у поперечному перерізі вхідної циліндричної секції кристаловирощувача діаметр частинок, що виносяться із змуленого шару

, (6)

де F=3,88, G=1,492 для діапазону чисел ; F=5,85, G=2,25 для діапазону чисел .

Для розрахунку коефіцієнта масовіддачі у змуленому шарі кристалів використовується критеріальне рівняння

. (7)

Як параметр, що характеризує інтенсивність масопередачі в одиниці об'єму ЗШ, використано об'ємний коефіцієнт масообміну :

, (8)



де - параметр, що враховує фізико-хімічні властивості взаємодіючих фаз; М - коефіцієнт; m - показник; M=7,12, m=0,28 для діапазону чисел ; M=12,73, m=0,35 для діапазону чисел .

Робочий об'єм ЗШ кристалів у кристаловирощувачі вираховується як алгебраїчна сума об'ємів окремих моно фракцій:

. (9)

Загальна маса кристалів, що містяться у кристаловирощувачі,

. (10)

Запропонована модель дозволила розробити методику розрахунку безперервного процесу висолюючої кристалізації, що проходить в установці з класифікуючим кристалізатором, та реалізувати алгоритм розрахунку на ПЕОМ параметрів процесу ВК і геометричних розмірів циліндроконічного кристаловирощувача.

У третьому розділі проведено узагальнення експериментальних даних щодо розчинності деяких солей у водно-спиртових розчинах, подано опис лабораторного обладнання, методики проведення експериментів, наведені результати експериментальних досліджень, здійснені їх обробка та аналіз.

Для знаходження рівноважної концентрації солі в розчині залежно від масової частки висолюючого компонента при сталій температурі запропоноване таке рівняння:

, (11)

де x, y - відповідно концентрація розчиненої солі та органічного висолювача в розчині, масова частка; A, B, C, D, K - коефіцієнти регресії.

Отримані числові значення коефіцієнтів регресії для систем NaCl - H₂O - C₂H₅OH, NaCl - H₂O - CH₃OH, KCl - H₂O - C₂H₅OH, K₂SO₄ - H₂O - C₂H₅OH при різних температурах розчинів. Середнє відхилення експериментальних значень від розрахункових не перевищує ± 1 %.

Для системи KNO₃ - H₂O - C₂H₅OH в діапазоні температур 25 - 70 єС та концентрацій етанолу 5 -70 % мас. дані щодо розчинності узагальнені з похибкою ± 1 % на базі рівняння (11), коефіцієнти якого залежать від температури розчину за такими залежностями:

A = - 6,24231·10 ^-4t² + 0,041142t + 0,581944,

B = 1,36532·10 ^-3t² - 0,090815t - 1,446926,

C = - 1,12075·10 ^-3t² + 0,085016t + 1,152093,

D = 4,01095·10 ^-4t² -0,044434·t - 0,333943,

K = - 3,44848·10 ^-5·t² + 0,010066·t + 0,043862,

де t - температура розчину, °С.

Об'єктами експериментального дослідження були приготовлені окремі монофракції кристалів хлориду натрію, псевдозріджені насиченими розчинами, що циркулювали в замкнутому контурі, у який в дозованій кількості подавався органічний висолювач. Схема установки подана на рис. 2.



Рис. 2. Схема експериментальної установки: 1 - кристаловирощувач; 2 - система подачі висолювача; 3 - циркуляційний насос; 4 - циркуляційні трубопроводи; 5 - ротаметр

Експериментальна установка циркуля-ційного типу зі змуленим шаром кристалів у своєму складі має циліндроконічний кристаловирощувач 1, виготовлений із органічного скла (кут розкриття конуса 12° 36', нижній діаметр конуса D₁ =51 мм, висота конуса Н =250 мм), систему дозованої подачі висолювача 2, якою була медична крапельниця, циркуляційний відцентровий насос 3 з регульованою і контрольованою подачею розчину, ротаметр 5, лабораторні термометри Т₁ та Т₂ з ціною поділки в 0,1 ^оС.

Для контролю за роботою установки та утримання заданого режиму її роботи вимірювалися такі параметри: маса затравочних та продукційних кристалів за допомогою аналітичних ваг ВЛА-200 г-М; концентрація солі в початковому та маточному розчинах ваговим методом з похибкою 0,5 %; об'ємна витрата циркуляційного розчину за допомогою ротаметра з похибкою 2,5 %; об'єм початкового розчину та об'єм поданого висолювача з похибкою 1 %; концентрація спирту у висолювачі денсиметричним методом; густина початкового та маточного розчинів за допомогою ареометрів з похибкою 1 %; в'язкість розчину за допомогою віскозиметра ВПЖ-2 з похибкою 2 %; висота псевдозрідженого шару кристалів з похибкою 1 мм.

Установку заповнювали насиченим водним розчином солі та включали в роботу насос 3, потім в апарат 1 через лійку зверху вводили затравочні кристали - наважку потрібної маси і гранулометричного складу, за показаннями шкали ротаметра 5 установлювали потрібну витрату циркуляційного розчину та фіксували висоту змуленого шару кристалів.

Висолювач відомої концентрації вводили у всмоктувальну лінію циркуляційного насоса 3 через крапельницю 2, забезпечуючи постійну подачу реагенту за кількістю крапель, що попередньо було відрегульовано затискачем. Після закінчення досліду вивантажували кристалічну суспензію із кристаловирощувача, фільтрували її на вакуум-воронці, після чого кристали висушували та аналізували щодо якості та приросту їх маси. Продукційні кристали розсіювали на наборі сит зі стандартним модулем дисперсності та знаходили масу кожної монофракції.

У першій серії дослідів використовували затравку з розміром частинок 0,2 - 0,25 мм та масою 54,6 - 54,8 г з метою вивчення впливу створюваного в системі рівня пересичення розчину на кінетику процесу кристалізації та на гранулометричний склад продукту. Регулюючи витрату висолювача, в дослідах змінювали рушійну силу процесу.

У другій серії дослідів використовували затравочні кристали розміром 0,2 - 0,25 та 0,25 - 0,315 мм різної маси з метою вивчення впливу порізності змуленого шару кристалів на поверхневий та об'ємний коефіцієнти масообміну.

Встановлено, що поверхневий коефіцієнт масопередачі в дослідженому діапазоні пересичень 0,04-0,13 г/кг розчину не залежить від величини діючого пересичення та зростає зі збільшенням порізності змуленого шару.

Отримані такі формули щодо лінійної швидкості росту кристалів (рис. 3) та швидкості зародкоутворення (рис. 4) в залежності від величини пересичення:

та .



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Співвідношення між швидкостями зародкоутворення та росту кристалів значно впливає на середній розмір та якість отримуваного продукту.

Отримані в дослідах кристали в дослідженому діапазоні пересичень мали правильну кристалічну форму, були порівняно однорідні, вміст фракцій розміром 0,2-0,4 складав 80 - 90 % мас., що свідчить про переважний ріст кристалів.

На базі проведеного аналізу про вплив пересичення на швидкість зародко-утворення і росту кристалів сформульовані принципи управління процесом ВК та дисперсійним складом кристалізату.

На рис. 5 подані розрахункові та експериментальні значення поверхневого коефіцієнта масопередачі в залежності від порізності змуленого шару, який зростає зі збільшенням порізності ЗШ.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Як бачимо з рис. 6, об'ємний коефіцієнт масопередачі зменшується зі збільшенням порізності змуленого шару. Це пояснюється тим, що при порізностях 0,65-0,75 однорідний змулений шар кристалів характеризується режимом найбільшої гідродинамічної стабільності, при якому проходить рівномірний перерозподіл швидкостей потоку пересиченого розчину в порових каналах між кристалами, що ростуть та переміщуються, відносна швидкість руху частинок відносно потоку розчину досягає оптимальної величини, що забезпечує інтенсивний масообмін. З подальшим зростанням порізності зростає об'єм змуленого шару, знижується кількість частинок та поверхні масообміну у одиниці об'єму суспензії, що в кінцевому підсумку призводить до зменшення об'ємного коефіцієнта масопередачі.

Середнє відносне відхилення між експериментальними та розрахунковими значеннями параметрів процесу висолюючої кристалізації у змуленому шарі кристалів не перевищує ± 7 %, що підтверджує правомірність використання розробленої математичної моделі для опрацювання методу розрахунку класифікуючого кристалізатора висолюючого типу зі змуленим шаром кристалів.

У четвертому розділі подана методика розрахунку процесу висолюючої кристалізації, що проводиться в апараті безперервної дії.

Методика розрахунку кристалізаційної установки містить такі блоки:

- підготовку та узагальнення експериментальних даних щодо розчинності речовини у трикомпонентному розчині у вигляді аналітичних залежностей;

- розрахунок витрат початкового розчину, висолювача, маточного розчину та концентрації солі при температурі кристалізації на базі системи рівнянь матеріального та теплового балансів установки;

- визначення концентрації висолюючого компонента у висолювачі та маточному розчині на основі оптимізаційних розрахунків;

- розрахунок циркуляційного циклу кристалізаційної установки (витрата та параметри циркуляційного та змішаного розчину, пересичення розчину на вході до змуленого шару кристалів);

- визначення параметрів змуленого шару кристалів у кристаловирощувачі для стабільної роботи апарата на задану продуктивність;

- визначення основних конструктивних розмірів апарата та параметрів процесу, що в ньому проходить, і які забезпечують стаціонарну роботу і оптимальні умови для росту кристалів на базі пофракційного методу розрахунку.

Для розрахунків безперервного процесу висолюючої кристалізації та основних геометричних розмірів кристаловирощувача розроблена програма алгоритмічною мовою Turbo Pascal (версія 7.0), що реалізована на персональному комп'ютері.

За допомогою програми на ПЕОМ виконані розрахунки процесу висолюючої кристалізації хлориду натрію, сульфату калію та нітрату калію із насичених водних розчинів водно-етанольним висолювачем з метою визначення впливу технологічних параметрів процесу на енергетичні витрати. Встановлено, що існує поле оптимальних значень концентрацій органічного висолювача у маточному розчині, в якому енергетичні витрати є мінімальними.

На прикладі системи KNO₃-C₂H₅OH-H₂O показано, що у певному діапазоні технологічних параметрів процесу висолюючої кристалізації енергетичні витрати нижчі, ніж у процесах випарюючої кристалізації.

У розділі наведені розроблені нові способи висолюючої кристалізації, захищені патентами України. У способі за патентом № 55016А запропоновано висолювач перед змішуванням з початковим розчином попередньо охолоджувати та вводити в систему періодично або безперервно в дозованій та регульованій кількості для отримання пересиченого розчину, що міститься в метастабільній області розчинності солі та відповідно до маси накопиченої суспензії кристалів. Це дозволяє впливати на інтенсивність процесу, а саме на швидкість охолодження початкового розчину, швидкість зародкоутворення та росту кристалів, на величину та форму, однорідність гранулометричного складу та хімічну чистоту отримуваного продукту, а також дозволить повніше вичерпати речовину із розчину солі, що кристалізується.

У способі за патентом № 36834 А з метою управління процесом створення пересиченого розчину і отримання кристалів покращеної якості запропоновано в циркуляційний розчин подавати висолювач у вигляді парової або парогазової суміші, яка, взаємодіючи з розчином, створює в ньому строго контрольоване пересичення, що забезпечує контрольований ріст кристалів.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу процесів висолюючої кристалізації солей із розчинів з допомогою органічних висолювачів виявлені перспективні напрями управління процесом з метою покращання якості отримуваного продукту.

2. Розроблена математична модель процесу безперервної висолюючої кристалізації в класифікуючому кристалізаторі, в якій враховані:

- параметри висолювача, який вводиться у циркуляційний контур системи для отримування розчину з контрольованим рівнем пересичення;

- оптимальні гідродинамічні умови розподілу дисперсної фази в циліндроконічному класифікуючому кристалізаторі;

- оптимальні масообміні умови взаємодії кристалів з пересиченим розчином у псевдозрідженому класифікованому шарі.

3. Проведено узагальнення даних з розчинності деяких солей у змішаному водно-спиртовому розчиннику у вигляді полінома з метою використання отриманих рівнянь у розрахунках процесу ВК на ЕОМ.

4. Експериментально досліджені процеси висолюючої кристалізації хлориду натрію у водно-етанольних розчинах, отримані кінетичні параметри швидкості зародкоутворення та росту кристалів у псевдозрідженому шарі, виявлені робочі параметри процесу, які забезпечують переважний ріст кристалів.

5. Розроблена методика розрахунку параметрів процесу ВК та інженерна методика розрахунку класифікуючого кристалізатора для отримання крупнокристалічних солей в умовах процесу ВК.

6. Запропоновані нові способи висолюючої кристалізації, що дозволяють покращити управління процесом, отримувати речовини високої якості, та захищені патентами України.

7. Виконано техніко - економічний аналіз використання процесу ВК у промислових умовах для нітрату калію. Показано, що в окремих процесах використання ВК витрати енергоресурсів нижчі, ніж в процесах випарюючої кристалізації при одночасному покращанні якості продукції.

8. Показано, що використання процесу ВК в установках безперервної дії розширює можливості виробництва продукції покращеної якості в хімічній та споріднених галузях промисловості і в деяких процесах можливе зменшення енерговитрат.

Умовні позначення:

- теплоємність, ; - рушійна сила процесу кристалізації (пересичення), кг/м³, г/кг; d - еквівалентний діаметр кристалів, м; D₁, D₂ - діаметр нижньої та верхньої циліндричних секцій, м; D_x - коефіцієнт молекулярної дифузії, м²/с; G_к - продуктивність кристалізатора, кг/с; - масова витрата початкового розчину, висолювача, маточного, циркуляційного та змішаного розчину, кг/с; H_i, H - висота окремої монофракції та повна висота змуленого шару, м; h_i - висота розміщення локального перерізу і-ї монофракції, м; Н_р - теплота розчинення висолювача, Дж/кг; K_m- відношення молекулярних мас безводної солі та кристалогiдрату; m - масова частка солі, яка викристалізовується в межах окремої монофракціїї; N - швидкість зародкоутворення, шт./с; n - кількість монофракцій змуленого шару кристалів; - інтегральна теплота кристалізації, Дж/кг; - температура початкового розчину, висолювача, маточного, циркуляційного та змішаного розчину відповідно, ^оС; U - швидкість руху розчину у вільному перерізі, м/с; V - об'єм монофракції або загальний об'єм змуленого шару, м³; - концентрація солі в початковому, маточному, циркуляційному та змішаному розчині відповідно, частки мас.; - концентрація висолюючого розчинника у висолювачі, маточному, циркуляційному та змішаному розчині, частки мас.; - кут між твірними конічної секції, ; в_F - поверхневий коефіцієнт масо- передачі, кг/(м²•с•о.р.с.); в_L - лінійна швидкість росту кристалів, мм/год.; - об'ємний коефіцієнт масопередачі, кг/(м³•с•о.р.с.); - порозність окремої монофракції або всього змуленого шару кристалів; - динамічна в'язкість розчину, ; - густина кристалів та розчину, кг/м³;

Критерії: Ar - критерій Архімеда, ;

- дифузійний критерій Нуссельта, ;

Re - критерій Рейнольдса, ;

Індекси: в - верхній; вс - змулений шар; вх - умови вхідні; к - кристал; н - нижній; опт - оптимальне значення; i - порядковий номер фракції; у - винесення.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Врагов А.П., Гайковой А.В.Сравнительный анализ энергетических затрат в процессах кристаллизации// Вісник СумДУ.- 2000.- № 15.- с.38-43.

Гайковой А.В. Математическая модель периодического процесса высаливающей кристаллизации// Вісник СумДУ.- 2001.- №9(30) - 10(31). - с.37-44.

Врагов А.П., Гайковой А.В. Анализ кинетики роста кристаллов в процессах высаливающей кристаллизации// Вестник национального технического университета “ХПИ”.- 2002.- №16.- с.15-20.

Врагов А.П., Гайковой О.В. Висолююча кристалізація цукрози із насичених розчинів водно-етанольним висолювачем // Вісник Сумського національного державного університету. - 2002.- №7. - с.65-70.

Врагов А.П., Гайковой А.В. Формирование дисперсного состава кристаллизата в процессах высаливающей кристаллизации // Дисперсные системы. ХХ научная конференция стран СНГ. - Одесса: Астропринт, 2002.- с.58-59

Пат. 36834А Україна. Спосіб масової кристалізації солей із розчинів / А.П. Врагов, О.В. Гайковой, О. В. Роденко; Бюл. №3, 2001 р.

Пат. 55016А Україна. Спосіб висолюючої кристалізації солей / А.П. Врагов, О.В. Гайковой; Бюл. № 3, 2003 р.

Врагов А.П., Гайковой О.В. Уравнения кривых растворимости солей в водно-спиртовых растворителях //Тези доповідей Х Міжнародної конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” - (ІССЕ-99). - Львів, 1999.- с. 70-71.

Врагов А.П., Гайковой О.В. Моделирование процесса высаливающей кристаллизации //Тези доповідей Х Міжнародної конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ІССЕ-99). - Львів, 1999.- с. 69-70.

Гайковой А.В., Роденко О.В. Экспериментальное изучение периодического процесса высаливающей кристаллизации. // Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов инженерного ф-та.- Вып.1 Сумы: СумГУ.- 2000.- с. 226 - 227.

Гайковой А.В. Расчет режимных параметров непрерывного процесса высаливающей кристаллизации. //Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов инженерного ф-та.- Вып.3 Сумы: СумГУ.- 2001.- с. 193-195.

Гайковой А.В. Методика расчета непрерывного процесса высаливающей кристаллизации. //Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов инженерного ф-та.- Вып.3 Сумы: СумГУ.- 2002.- с. 109.

Врагов А.П., Гайковой О.В. Висолююча кристалізація цукрози із розчинів водноетанольним висолювачем // Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов инженерного ф-та.- Вып.4 Сумы: СумГУ.- 2002.- с.104-105.

Гайковой А.В. Массоперенос в процессе высаливающей кристаллизации хлорида натрия этанолом //Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов инженерного ф-та.- Вып.5 Сумы: СумГУ.- 2003.- с. 145-146.



АНОТАЦІЯ

Гайковий О.В. Моделювання та розрахунок процесу висолюючої кристалізації солей із розчинів в класифікуючому кристалізаторі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08- Процеси та обладнання хімічної технології. - Сумський державний університет, Суми, 2004.

Дисертація присвячена питанням теоретичних та експериментальних досліджень процесу висолюючої кристалізації солей із розчинів з використанням органічних розчинників та моделюванню процесу з метою його оптимізації на ПЕОМ. На базі проведених досліджень отримані закономірності гідродинаміки та масопереносу в системі з безперервним введенням висолювача, що забезпечують переважний ріст кристалів та отримання продукції покращеної якості. В деяких процесах використання висолюючої кристалізації енергетично є більш економічним. Розроблені методики розрахунку процесу висолюючої кристалізації та класифікуючого кристалізатора. Запропоновані нові способи висолюючої кристалізації захищені патентами України. Основні результати роботи можуть бути використані при виробництві солей та хімічних реактивів покращеної якості.

Ключові слова: висолююча кристалізація, гідродинаміка змуленого шару, кінетика, класифікуючий кристалізатор, масопереніс, математичне моделювання, розрахунок.



АННОТАЦИЯ

Гайковой А.В. Моделирование и расчет процесса высаливающей кристаллизации солей из растворов в классифицирующем кристаллизаторе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - процессы и оборудование химической технологии. - Сумский государственный университет, Сумы, 2004.

Диссертация посвящена моделированию и расчету процесса высаливающей кристаллизации солей из растворов при помощи органических растворителей в классифицирующем кристаллизаторе со взвешенным слоем кристаллов с целью выполнения расчетов с использованием ПЭВМ.

Разработана математическая модель непрерывного процесса высаливающей кристаллизации, которая включает уравнения растворимости солей в смешанных растворителях; уравнения материального и теплового баланса установки циркуляционного типа; параметры высаливателя, подаваемого в циркуляционный цикл системы с целью получения раствора с контролируемым уровнем пересыщения; уравнения гидродинамики псевдоожиженного слоя кристаллов, функционирующего в цилиндроконическом кристаллорастителе; уравнения массопереноса во взвешенном слое кристаллов с учетом размеров и гранулометрического состава зерен, порозности взвешенного слоя, режима взаимодействия фаз, зависимости объемного коэффициента массопередачи от свойств раствора и гидродинамики взаимодействия фаз.

Выполнено обобщение экспериментальных данных по растворимости солей в водно-спиртовом растворителе в виде полинома с целью использования полученных уравнений в расчетах процесса высаливающей кристаллизации на ЭВМ. Экспериментально исследован процесс высаливающей кристаллизации хлорида натрия из насыщенных водных растворов добавлением водно-этанольного растворителя на установке циркуляционного типа со взвешенным слоем кристаллов. Получены кинетические параметры скорости зародышеобразования и роста кристаллов во взвешенном слое, выявлены параметры, обеспечивающие преимущественный рост кристаллов.

Выполнен анализ и проведена опытная проверка гидродинамических и массообменных зависимостей в системе взвешенные кристаллы - пересыщенный раствор. Экспериментальные исследования гидродинамики и массообмена в коническом аппарате подтвердили правомерность разработанной математической модели.

Разработана методика расчета непрерывного процесса высаливающей кристаллизации в классифицирующем кристаллизаторе, позволяющая определить технологические параметры процесса и основные геометрические размеры кристаллизатора на заданную производительность и заданный размер продукционных кристаллов при оптимальных режимах его работы.

Разработаны алгоритм и программа расчета кристаллизационной установки высаливающего типа с использованием ПЭВМ.

Выполнены расчеты процесса высаливающей кристаллизации хлорида натрия, сульфата калия и нитрата калия из насыщенных водных растворов этиловым спиртом с целью определения влияния технологических параметров процесса на энергетические затраты. Установлено, что существует область оптимальных значений концентраций органического растворителя в высаливателе и маточном растворе, в которой энергетические затраты минимальны.

Предложены новые способы высаливающей кристаллизации, защищенные патентами Украины и позволяющие улучшить управление процессом, получать продукт высокого качества.

Ключевые слова: высаливающая кристаллизация, гидродинамика взвешенного слоя, классифицирующий кристаллизатор, кинетика, массоперенос, моделирование, расчет.



SUMMARY

Gaykovoy A.V. Modeling and design of the salting-out process crystallization from solutions in the classified crystallizer. - The manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in specialty 05.17.08 - processes and equipment chemical engineering. - Sumy State University, Sumy, 2004.

The dissertation is devoted to the issues of theoretical and experimental researches of salting-out crystallization process from the solutions using organic solvents and process simulation in order to calculate it at the PC. On the base of the researches conducted the regularities of hydrodynamics and masstransfer in the system with continuous injection of the reagent for salting-out crystallization, are achieved which provide significant crystals growing and the product of improved quality output. In some process the using of salting-out crystallization is energy more saving. The methods of calculation of salting-out crystallization process and classified crystallizer are designed. New techniques of salting-out crystallization protected by the Ukraine patents are proposed. The main results of the work can be used in the process of salts and reagents of improved quality.

Key words: salting-out crystallization, hydrodynamics, kinetics, masstransfer, classified crystallizer, mathematics simulation, design.

Размещено на Allbest.ru

...