Интенсификация массообмена в газожидкостном аппарате с мешалкой

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Acesso é pago ou somente para assinantes

Resumo

Исследован новый способ диспергирования газа из открытой полости вихря в локальные зоны с пониженным давлением в жидкости за вращающимися лопатками мешалки. Установлено оптимальное расстояние между лопастными мешалками на валу, обеспечивающие интенсификацию массообмена при меньшей мощности на перемешивание. Показаны условия, позволившие увеличить значения коэффициента массоотдачи, которые подтверждены численным моделированием. Представлены экспериментальные значения мощности, газосодержания, диаметра пузырьков газа и величины коэффициента массоотдачи в аппарате с мешалкой, реализующем предложенный способ диспергирования.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

Н. Войнов

Сибирский государственный университет науки и технологии им. академика М.Ф. Решетнёва

Autor responsável pela correspondência
Email: n.a.voynov@mail.ru
Rússia, Красноярск

А. Фролов

Сибирский государственный университет науки и технологии им. академика М.Ф. Решетнёва

Email: n.a.voynov@mail.ru
Rússia, Красноярск

А. Богаткова

Сибирский государственный университет науки и технологии им. академика М.Ф. Решетнёва

Email: n.a.voynov@mail.ru
Rússia, Красноярск

О. Жукова

Сибирский государственный университет науки и технологии им. академика М.Ф. Решетнёва

Email: n.a.voynov@mail.ru
Rússia, Красноярск

Bibliografia

  1. Scargiali F., Busciglio A., Grisafi F., Brucato A. Oxygen transfer performance of unbaffled stirred vessels in view of their use as biochemical reactors for animal cell growth // Chem. Eng. Trans. 2012. V. 27. P. 205. https://doi.org/10.3303/CET1227035
  2. Tsao G.T.N. Vortex behavior in the waldhof fermentor // Biotechnol. Bioeng. 1968. V. 10. № 2. P. 177. https://doi.org/10.1002/bit.260100206
  3. Соколов В.Н., Яблокова М.А. Аппаратура микробиологической промышленности. Л.: Машиностроение, 1988.
  4. Rao A., Kumar B., Patel A. Vortex behavior in an unbaffled surface aerator // Sci. Asia. 2009. V. 35. P. 183. https://doi.org/10.2306/scienceasia1513-1874.2009.35.183
  5. Scargiali F., Busciglio A., Grisafi F., Brucato A. Gas–liquid–solid operation of a high aspect ratio self-ingesting reactor // Int. J. Chem. Reactor Eng. 2012. V. 10. № 1. Р. 839–845. https://doi.org/10.1515/1542-6580.3011
  6. Poncin S., Nguyen C., Midoux N., Breysse J. Hydrodynamics and volumetric gas–liquid mass transfer coefficient of a stirred vessel equipped with a gas-inducing impeller // Chem. Eng. Sci. 2002. V. 57. № 16. P. 3299. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(02)00200-2
  7. Saravanan K., Mundale V.D., Joshi J.B. Gas Inducing Type Mechanically Agitated Contactors // Ind. Eng. Chem. Res. 1994. V. 33. № 9. P. 2226. DOI: https://doi.org/10.1021/ie00033a029
  8. Newell R., Grano S. Hydrodynamics and scale up in Rushton turbine flotation cells: Part 2. Flotation scale-up for laboratory and pilot cells // Int. J. Min. Process. 2006. V. 81. № 2. P. 65. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2006.07.002
  9. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976.
  10. Busciglio A., Caputo G., Scargiali F. Free-surface shape in unbaffled stirred vessels: Experimental study via digital image analysis // Chem. Eng. Sci. 2013. V. 104. P. 868. https://doi.org/10.1016/j.ces.2013.10.019
  11. Deshpande S.S., Kar K.K., Walker J., Pressler J., Su W. An experimental and computational investigation of vortex formation in an unbaffled stirred tank // Chem. Eng. Sci. 2017. V. 168. P. 495. https://doi.org/.1016/j.ces.2017.04.002
  12. Ciofalo M., Brucato A., Grisafi F., Torraca N. Turbulent flow in closed and free-surface unbaffled tanks stirred by radial impellers // Chem. Eng. Sci. 1996. V. 51. № 14. P. 3557. https://doi.org/10.1016/0009-2509(96)00004-8
  13. Rielly C.D., Evans G.M., Davidson J.F., Carpenter K.J. Effect of vessel scaleup on the hydrodynamics of a self-aerating concave blade impeller // Chem. Eng. Sci. 1992. V. 47. № 13–14. P. 3395. https://doi.org/10.1016/0009-2509(92)85050-L
  14. Hsu Y.C., Chen T.Y., Chen J.H., Lay C.W. Ozone Transfer into Water in a Gas-Inducing Reactor // Ind. Eng. Chem. Res. 2002. V. 41. № 1. P. 120. https://doi.org/10.1021/ie0101341
  15. Conway K., Kyle A., Rielly C. Gas–liquid–solid operation of a vortex-ingesting stirred tank reactor // Chem. Eng. Res. Des. 2002. V. 80. № 8. P. 839. https://doi.org/10.1205/026387602321143372
  16. Hsu Y.C., Huang C.J. Characteristics of a new gas-induced reactor // AIChE J. 1994. V. 42. № 11. P. 3146.
  17. Joshi J.B., Sharma M.M. Mass transfer and hydrodynamic characteristics of gas inducing type of agitated contactors // Can. J. Chem. Eng. 1977. V. 55. № 6. P. 683. https://doi.org/10.1002/cjce.5450550609
  18. Forrester S.E., Rielly C.D. Modelling the increased gas capacity of self-inducing impellers // Chem. Eng. Sci. 1994. V. 49. № 24. P. 5709. https://doi.org/10.1016/0009-2509(94)00322-X
  19. Heim A., Krasawski A., Rzyski E., Stelmach J. Aeration of bioreactors by self-aspirating impellers // The Chem. Eng. J. Biochem. Eng. J. 1995. V. 58. № 1. P. 59. https://doi.org/10.1016/0923-0467(94)06093-2
  20. Хультхольм С-Э., Юсела М., Лилья Л., Нюман Б. Перемешивающий аппарат и способ перемешивания газа в закрытом реакторе. Пат. ЕА003815В1. 2003.
  21. Войнов Н.А., Земцов Д.А., Фролов А.С. Способ насыщения жидкости газом в аппарате с мешалкой. Пат. 2790167 РФ. 2023
  22. Voinov N.A., Frolov A.S., Bogatkova A.V., Zemtsov D.A., Zhukova O.P. Method for Intensive Gas–Liquid Dispersion in a StirredTank // Chem. Eng. 2023. V. 7. № 2. P. 30. https://doi.org/10.3390/chemengineering7020030
  23. Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г. Особенности мощностных и массообменных характеристик биореактора с дисковыми перфорированными мешалками // Изв. вузов. Прикл. химия и биотехнол. 2019. Т. 9. № 4. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-4-737-749 [Khabibrakhmanov R.B., Mu- khachev S.G. Features of the powerful and mass exchange characteristics of a bioreactor with disk perforated mixers // Izv. universities. Graff. Chemistry and biotechnology. 2019. T. 9. № 4. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-4-737-749]
  24. Scargiali F., Busciglio A., Grisafi F., Brucato A. Simplified dynamic pressure method for measurement in aerated bioreactors // Biochem. Eng. J. 2010. V. 49. № 2. P. 165. https://doi.org/10.1016/j.bej.2009.12.008
  25. Scargiali F., Russo R., Grisafi F., Brucato A. Mass transfer and hydrodynamic characteristics of a high aspect ratio self-ingesting reactor for gas–liquid operations // Chem. Eng. Sci. 2007. V. 62. № 5. P. 1376. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.11.040
  26. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976.
  27. Вознесенский А.С. Компьютерные методы в научных исследованиях. Часть 2. М.: МГГУ, 2010.
  28. El-Behery S.M., Hamed M.H. A comparative study of turbulence models performance for separating flow in a planar asymmetric diffuser // Comput. Fluids. 2011. V. 44. № 1. P. 248. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2011.01.009

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Apparatus with a blade stirrer (a), diagrams of gas dispersion into liquid (b), placement of stirrers on the shaft (c, d, e), geometry of the numerical model (e).

Baixar (201KB)
Metadados
3. Fig. 2. Formation of a gas-liquid layer in an apparatus with four stirrers h = 50 mm from time T, n = 1200 rpm, μ = 0.001005 Pa×s.

Baixar (187KB)
Metadados
4. Fig. 3. Change in the absolute velocity of the liquid in the apparatus depending on the calculated time with two stirrers on the shaft at s = 125 mm (a) and one stirrer (b) at h = 50 mm, n = 1500 rpm.

Baixar (477KB)
Metadados
5. Fig. 4. Dependence of the mixing power on the number of revolutions (a) and the distance between the stirrers (b): (a) experimental points (1–4) the distance between four stirrers: 1 – s = 150 mm; 2 – s = 125 mm; 3 – s = 100 mm; 4 – s = 80 mm; experimental points (5–6) one stirrer: 5 – h = 50 mm, 6 – h = 700 mm; (b) experimental points (1–5): 1 – 600 rpm; 2 – 900 rpm; 3 – 1200 rpm; 4 – 1500 rpm; 5 – 1800 rpm.

Baixar (159KB)
Metadados
6. Fig. 5. Change in gas content from the distance between stirrers (a) and from the number of revolutions (b): experimental points, according to the data in Fig. 4.

Baixar (155KB)
Metadados
7. Fig. 6. Distribution of bubbles in a liquid when installing one stirrer h = 700 mm (a) and two stirrers h = 50 mm, s = 125 mm (b) at n = 1200 rpm: (a) experimental points (1–2): 1 – water temperature t = 50 °C, 2 – t = 14 °C; (b) experimental points at t = 25 °C (1–2): 1 – in the upper part of the apparatus, 2 – lower.

Baixar (114KB)
Metadados
8. Fig. 7. Dependence of the mass transfer coefficient on energy dissipation (a) and on the distance between the stirrers (b): (a) experimental points (1–4): 1 – one stirrer at h = 700 mm; 2 – distance between stirrers s = 125 mm, number of stirrers 4 pcs.; 3 – s = 80 mm, 5 pcs.; 4 – s = 120 mm, 4 pcs, dm = 84 mm.; (b) experimental points (1–4): 1 – speed 900 rpm; 2 – 1200 rpm; 3 – 1500 rpm; 4 – 2100 rpm.

Baixar (119KB)
Metadados
9. Fig. 8. Results of numerical calculation of the distribution of absolute liquid velocity from the calculation time when installing two mixers at s = 120 mm, n = 1500 rpm.

Baixar (165KB)
Metadados
10. Fig. 9. Liquid velocities at calculation points 1 and 2 (Fig. 1e), depending on the distance between the two stirrers: absolute velocity (a), axial velocity (b), tangential velocity (c) and radial velocity (d) at n = 1500 rpm.

Baixar (196KB)
Metadados
11. Fig. 10. Results of numerical calculation of the distribution of absolute liquid velocity in the apparatus at s = 80 mm (a) and s = 120 mm (b) n = 1500 rpm.

Baixar (98KB)
Metadados
12. Fig. 11. Dependence of the ratio β/β0 on the distance between the stirrers at ε = 10 W/kg. I numerical model (e).

Baixar (59KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024