Металлургия благородных металлов. Производство благородных металлов. Учебное пособие для практических занятий

Чтобы воспользоваться таблицами, выбирается мощность привода и скорость вращения из перечисленных для желаемого уровня перемешивания и расчетного эквивалентного объема. Затем используется уравнение (3.25), переставленное следующим образом:

3.12. Барботажные системы

Проблема подсоса газа вблизи дна емкости агитатора

сжидкостью низкой вязкости и образования большой межфазной области, позволяющей газу поглощаться или вступать в реакцию, называется диспергированием газа. Агитаторы используются для диспергирования пузырьков газа и создания межфазной области между газом и жидкостью, где происходит массообмен. Диспергирование газа в емкостях с перемешиванием следует учитывать, когда для быстрых реакций требуется умеренная интенсивность. Случаи

свысокой интенсивностью, для интенсивной реакции и короткого времени пребывания, могут потребовать различного оборудования, такого как автоклав или тонкопленочные контакторы. Простые пузырьковые колонны, возможно,

снасадкой, могут подойти для контактирования с низкой интенсивностью, для медленных реакций, требующих большого времени выдержки.

Рабочие импеллеры с радиальным потоком обычно используются для диспергирования газа. К ним относятся дисковые турбины и запатентованные турбины с вогнутыми лопастями. Газ предпочтительно вводить через продувочное кольцо, расположенное под рабочим импеллером. Диаметр продувочного кольца должен быть меньше диаметра рабочего импеллера, в идеале около 75 % от диаметра рабочего импеллера. Эмпирическое правило заключается в определении размера отверстий для разбрызгивания таким образом, чтобы скорость выхода газа через отверстия была по меньшей

31

мере в 3 раза выше, чем через трубу, которая используется для продувочного кольца. Это обеспечивает равномерный поток через все отверстия.

Рекомендации для емкостей с перемешиванием [9]:

–расположить разбрызгивающее кольцо под рабочим импеллером с радиальным потоком. Диаметр кольца должен составлять около 75 % от диаметра рабочего импеллера;

–зазор под импеллером должен составлять примерно 1/4 диаметра емкости (C = T/4);

–использовать четыре стандартные перегородки;

–соотношение сторон для одного рабочего импеллера должно составлять около 1 (H/T = 1);

–большее соотношение сторон может потребоваться для получения большей площади поверхности теплопередачи, обеспечения более длительного времени контакта газа, создания ступенчатой системы противотока или обхода механического ограничения на доступный диаметр емкости. В этом случае требуется более одного рабочего импеллера;

–рекомендуемые рабочие импеллеры включают дисковые турбины, конструкции с радиальным потоком с полыми лопастями и насосы на гидрокрыльях с направленным вверх насосом. Гидрокрылья с накачкой вниз или турбины с наклонными лопастями могут быть неустойчивыми;

–расстояние между несколькими рабочими импеллерами должно быть больше их диаметра. Производители часто рекомендуют комбинировать рабочие импеллеры с радиальным потоком с одним или несколькими гидрокрыльями, качающимися вверх.

Для проектных расчетов требуются данные о физических свойствах и технологическом процессе, включая:

–газ: расход (QG) (объемный, рассчитанный с учетом давления и температуры в точке, где он вводится в емкость);

–жидкость: плотность ( L), вязкость (μL);

–емкость: диаметр (T), высота наполнения (H);

–рабочий импеллер: тип, диаметр (D), расстояние от дна емкости (C), мощность (Nр).

32

Поверхностная скорость газа обычно ниже 0,1 м/с. Однородный режим в емкости, при котором в зоне перемешивания преобладают пузырьки небольшого размера, существует, когда скорость ниже 0,02…0,03 м/с. При более высоких скоростях возникает гетерогенный режим, при котором в дополнение к мелким пузырькам одинакового размера имеются большие пузырьки. Затопление происходит, когда поток газа достаточно высок, чтобы перекрыть рабочий импеллер: перемешивание в этом режиме происходит очень плохо. В таком случае поверхностная скорость газа рассчитывается по следующей реакции:

Следующие две формулы зависят от скорости перемешивания, где безразмерный расход вычисляется с помощью уравнения:

Расчет числа оборотов рабочего импеллера производится с помощью следующего уравнения:

Затопление происходит, когда верна следующая зависимость [9]:

При этом затопления можно избежать, уменьшив расход газа и диаметр рабочего импеллера, увеличив частоту вращения или диаметр емкости.

Переход между гомогенным и гетерогенным режимами с рабочим импеллером Раштона происходит, когда:

Мощность агитатора рассчитывается по следующей формуле:

33

где RPD – 0,18NFr–0,25 · NFl, G–0,20, если в гетерогенном режиме, или

RPD – линейно интерполируется из значения, вычисленного по номеру потока в точке гетерогенного перехода и 0, с RPD = 1 при NFl, G = 0.

3.13. Встроенные миксеры

Встроенные (или статические) миксеры могут быть лучшим выбором оборудования для систем, требующих короткого времени пребывания (обычно менее 0,2 с), где необходимо смешать только два или три компонента. Миксеры бывают различных форм, но обычно напоминают отрезок трубы с внутренними элементами, которые сжимают жидкости по мере их прохождения через устройство. Большинство статических миксеров размещаются в трубе того же размера или на один размер больше, чем соседние участки трубопровода, они изготовлены из того же материала и с той же толщиной стенок [10]. По определению в нем отсутствуют движущиеся части, и в результате получается высоконадежное и очень недорогое оборудование.

Статические миксеры могут использоваться для смешивания «жидкость – жидкость», «газ – жидкость», «газ – газ»», «жидкость – твердое вещество» и «твердое вещество – твердое вещество». Миксеры лучше всего подходят для стационарных процессов со смешивающимися потоками, которые не склонны к загрязнению внутренних частей самого миксера, но возможно диспергирование несмешивающихся жидкостей.

Прежде чем обращаться к производителю миксера, необходимо собрать данные и ответы на вопросы, определяющие требования к технологическому процессу согласно табл. 3.13.

34

Таблица 3.13

Технические требования к статическим смесителям

Для каждого смешиваемого потока указывается расчетное физическое состояние, расход, давление, температура, вязкость, плотность, смешиваемость, поверхностное натяжение на границе раздела фаз и давление пара (если применимо).

Указывается изменение расхода, включая величину Свойства потока расхода и продолжительность времени.

Указываются максимально допустимый перепад давления (или минимальное давление подсоса) и желаемая температура подсоса.

Указывается, произойдет ли какая-либо химическая реакция, и если да, то теплота реакции и требуемое время выдержки

Указываются опасные свойства отдельных и смешанных потоков, такие как температура воспламе-

Опасности

нения, коррозионная активность и токсичность. Указываются любые возможные побочные реакции, особенно те, которые могут возникнуть в случае утечки или разлива.

Указывается требуемая степень смешивания с использованием количественных и поддающихся измерению критериев. Коэффициент вариации (CoV) – это стандартный статистический критерий, используемый производителями статических миксеров; он определяется как стандартное отклонение, деленное на среднее значение. Значения CoV от 0,01 до 0,05 часто приводятся в качестве разумных целе-

Цель процесса вых показателей. Для CoV = 0,01 95 % концентрации, измеренной во всех образцах, будет находиться в пределах 2 % от средней концентрации. Для CoV = 0,05 95 % измерений концентрации будет находиться в пределах 10 % от средней концентрации. Указываются критерии для отбора проб: количество, объем проб и точки опробования.

Если применимо, указывается ограничение по времени для достижения уровня смешивания

35

3.14. Миксеры с высоким сдвигом

Теория, лежащая в основе миксеров с высоким сдвигом, либо плохо изучена, либо покрыта корпоративной тайной. В отличие от миксеров с рабочими импеллерами типа турбин, в данном случае существует мало опубликованных корреляций или данных, на основе которых можно было бы установить критерии проектирования. Вместо этого для определения параметров коммерческих установок обычно используется мелкомасштабное тестирование. Производители миксеров с высоким сдвигом ведут собственные базы данных с информацией о производительности, собранной за многие годы; они могут оценивать измерения, выполненные на их испытательном оборудовании, и делать эмпирический выбор для коммерческих установок. Однако исследования продолжаются, и может появиться более научно обоснованный подход [6].

Роторно-статорные устройства составляют значительную долю миксеров с высоким сдвигом, используемых в агитаторах. Роторные агрегаты состоят из высокоскоростного рабочего импеллера, который нагнетает технологическую жидкость через прорези или отверстия в окружающем не-

36

подвижном корпусе. Это создает большое напряжение сдвига для жидкости, используемой для облегчения приготовления эмульсий, дисперсий, гомогенизации смесей и продуктов, требующих измельчения или разрушения покрытых оболочек. Производители оборудования имеют свои собственные запатентованные конструкции, и они лучше всего могут выбрать подходящее устройство для конкретного применения.

Типичные миксеры с высоким сдвигом имеют небольшие рабочие колеса, 10…20 % от диаметра емкости, и работают на высоких скоростях – 1000…3600 об/мин [10]. Типичные области применения приведены в табл. 3.14.

Таблица 3.14

Применение роторно-статорных смесителей [6]

3.15. Смешивание твердых веществ (шихтовка, агломерация, разделение и т.д.)

Смешивание систем с твердыми частицами отличается от смешивания жидкостных систем тремя важными аспектами [11].

37

1.Скорость перемешивания полностью зависит от характеристик потока твердых частиц и режима работы миксера. Жидкости диффундируют друг в друга без внешних воздействий.

2.Дробленное сырье и гранулы сильно различаются по физическим характеристикам, таким как размер, плотность и форма. Перемешивающие движения, которые зависят от идентичных свойств частиц, вряд ли достигнут своей цели. Это, скорее всего, приведет к «сортировке» или сегрегации частиц. Смешивающиеся жидкости в конечном счете достигают случайного распределения внутри системы независимо от различий в молекулярных структурах.

3.Дискретный характер частиц означает, что конечный элемент смеси твердых частиц на порядки больше, чем основной молекулярный элемент жидкой системы. Пробы, отобранные из рандомизированной смеси твердых частиц, будут иметь гораздо более грубую текстуру или более низкое качество смеси, чем эквивалентные пробы, взятые из газообразных или жидких систем.

Некоторые частицы измельченного сырья выделяются при смешивании. Разделение может произойти немедленно или компоненты могут сначала смешаться, а затем разделиться при дальнейшем механическом воздействии. Хорошо перемешанные компоненты сырья в бункере могут отделяться при транспортировке по трубе или выгрузке непосредственно в другую емкость. Основное влияние на механизм смешивания и разделения оказывают характеристики текучести измельченного продукта. Сыпучие измельченные продукты имеют тенденцию к разделению, в то время как когезионные твердые вещества ее не имеют. Используются различные механизмы смешивания, при этом характеристики потока являются основным фактором, определяющим выбор одного из них.

Некоторые эмпирические правила смешивания твердых частиц (рис. 3.1) [11]:

– материалы размером более 75 мм легко отделяются;

38

–у материалов размером от 10 до 75 мм вероятно некоторое расслоение, которое можно обнаружить только на нижнем пределе;

–у материалов размером ниже 10 мм заметного расслоения не произойдет;

–процесс, который страдает от серьезных проблем с потоком, не пострадает от разделения.

–процесс с проблемами сегрегации будет протекать легко;

–добавление очень небольшого количества влаги может превратить сильно разделяющуюся смесь в когезионную и неразделяющуюся смесь.

39

Рис. 3.1. Блок-схема принятия решений по выбору смесителя дробленных или измельченных сыпучих материалов [11]

40