Для проведения расчетов был взят реактор объемом 45 л, использующийся при изготовлении опытных партий порохов в ФКП "ГосНИИХП" (рис.1,2) [2].

Реактор представляет собой цилиндрический аппарат с эллиптическим дном, изготовленный из нержавеющей стали. Внутри реактора проходит вал, на котором установлена двухлопастная двухъярусная мешалка. Реактор снабжен рубашкой для обогрева, в котором имеются патрубки для гильз термометров. Реактор обогревается конденсатом пара из пароструйного водонагревателя, перепад температур на входе и выходе из рубашки 1-2 ^оС, жесткость конденсата 7 мг экв/л. Реактор снабжен приводом с редуктором и закрыт герметичной крышкой, на которой имеется загрузочный люк, патрубки для залива воды, растворителя и удаления паров этилацетата при отгонке. Технические и тепловые характеристики реактора приведены в табл.1.

Геометрические размеры, указанные на эскизах, были использованы при построении реактора для моделирования процесса перемешивания в программе ANSYS. Расчет производился для определения влияния установки третьего яруса мешалок на процесс перемешивания при максимально возможной интенсивности перемешивания (n = 500 мин^-1) и объемном заполнении водой 75%. В основу расчетов положено уравнение Рейнольдса и гипотеза Буссинеска.

Рис.1. Реактор объемом 0.45 м³ 1 - мешалка; 2 - крышка реактора; 3 - загрузочный люк, 4 - патрубок для удаления растворителя; 5 - рубашка для обогрева; 6 - патрубок для термометра; 7 - патрубок для подачи воды; 8 - выгрузочный люк

Рис.2. Эскиз лопастей мешалки

Рис.3. Сборочный эскиз 45 л реактора

Таблица 1. Технические и тепловые характеристики 45 л реактора формирования с двухъярусной лопастной мешалкой

Для решения данной задачи была разработана трехмерная параметрическая модель рабочей зоны реактора в системе автоматизированного проектирования работ (САПР)"Компас-3D". В ходе работы по созданию трехмерной модели реактора была создана геометрия только рабочего объема аппарата, не учитывая толщину и теплообмен стенок. Для упрощения задачи модель была построена одним твердым телом, без использования сборочных единиц. На рис.4 изображена модель рабочего объема реактора в разрезе. Габаритные размеры рабочей зоны реактора показаны на рис.3.

Для расчетов процессов, проходящих в реакторе, был использован метод конечных элементов, позволяющий получать наиболее адекватные и точные результаты.

Для создания расчетной сетки (рис.4) твердотельной модели рабочего объема реактора использовался пакет ICM CFD. Данный пакет позволяет строить качественные расчетные сетки с дальнейшим переносом ее в пакет Ansys CFX, где готовая расчетная сетка настраивается и производится расчет поставленной задачи. Для рассматриваемой модели реактора была построена сетка, состоящая из 4 миллиона элементов.

Рис. 4. Расчетная сетка реактора

Большое количество элементов потребовалось для отображения более точной физики процессов перемещения массы в реакторе. Для исследования транспортировки материалов по объёму реактора была использована модель турбулентности SST (Shear Stress Transport) - одна из разновидностей моделей турбулентности k - щ.

Модель турбулентности SST - эта модель переноса касательных напряжений, применяется, когда требуется хорошее решение в пристеночном слое. Она комбинирует преимущества базовых моделей K-щ, K-е. Энергия турбулентности k и энергия диссипации е связаны между собой соотношением по гипотезе Колмогорова-Прандтля (с константами, переменными и эмпирическими функциями)

В двухпараметрических моделях решаются два раздельных уравнения переноса, определяющих турбулентную скорость и пространственный масштаб турбулентного движения (длину пути смешения).

Такие модели используют градиентную гипотезу Буссинеска, связывающую Рейнольдсовые напряжения с осредненными градиентами скоростей и турбулентной вязкостью. В рамках этой гипотезы вводится предположение о изотропности турбулентной вязкости. В рассматриваемых двухпараметрических моделях масштаб турбулентной скорости вычисляется через турбулентную кинетическую энергию, которая находится из решения соответствующего уравнения переноса.

Пространственный масштаб турбулентности определяется с использованием двух параметров потока, обычно это турбулентная кинетическая энергия и скорость турбулентной диссипации. Скорость диссипации турбулентной кинетической энергии также определяется из соответствующего уравнения переноса.

Результаты и их обсуждение

Было сделано два варианта расчета.

Вариант 1. Двухъярусная лопастная мешалка с расстоянием между ярусами 90 мм. Высота верхнего свободного объема жидкости после второго яруса - 172 мм.

Вариант 2. Трехъярусная лопастная мешалка с расстоянием между ярусами 90 мм. Высота верхнего свободного объема жидкости после третьего яруса - 84 мм.

Полученные результаты расчета представлены на рис.5-10 и в табл.2.

Из рис.5-9 и табл.2 видно, что при равных значениях окружных скоростей мешалок (рис.5) окружные скорости потока воды около стенок аппарата и форма воронки имеют различный характер. При двухъярусной мешалке воронка имеет более вытянутую форму, чем при трёхъярусной.

Для реактора с двухъярусной мешалкой характерны 4 максимума окружной скорости потока, а с трёхъярусной - 6 максимумов, причем, 2 появляются на высоте третьего яруса мешалки. Значительны также отличия в значениях этого параметра (19-37%), особенно на уровне третьего яруса и выше.

Кроме того, проведенные расчеты, представленные на рис.9 и 10, показывают различия и в восходящих (тангенциальных) скоростях потока.

а) б)

Рис.5. Окружные скорости на концах лопастных мешалок при частоте вращения 500 мин^-1: а) двухъярусной, б) трёхъярусной

а) б)

Рис.6. Воронки, образующиеся в 45 л реакторе: а) с двухъярусной лопастной мешалкой, б) с трёхъярусной лопастной мешалкой

Рис.7. Зависимость окружной скорости потока воды у стенок реактора по высоте аппарата при двухъярусной мешалке

Для двухъярусной мешалки они не превышают 0.040 м/с (4 см/с), а для трёхъярусной почти в 2 раза выше и составляют 0.097 м/с (9.7 см/с).

Между тем известно [3], что равномерное распределение твердой фазы в жидкости достигается при таком числе оборотов мешалки, при которой восходящая составляющая потока становится равной или больше скорости осаждения частиц (гранул).

[1] Роббинс, Макс Л. Теория фазового состояния микроэмульсий. В кн.: Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии. М.: Мир. 1980.597с.

[2] Сопин В.Ф. Оборудование производства сферических порохов. Монография под ред. А.В. Косточко. Казань: КГТУ. 2007.196с.

[3] Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия. 1971.784с.

Размещено на Allbest.ru