Интенсификация массообмена в газожидкостном аппарате с мешалкой

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. А. Войнов

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

Автор, ответственный за переписку.
Email: n.a.voynov@mail.ru
Россия, Красноярск

А. С. Фролов

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

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

А. В. Богаткова

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

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

О. П. Жукова

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

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

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Аппарат с лопастной мешалкой (а), схемы диспергирования газа в жидкость (б), размещения мешалок на валу (в, г, д), геометрия численной модели (е).

Скачать (201KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Формирование газо-жидкостного слоя в аппарате с четырьмя мешалками h = 50 мм от времени Т, n = 1200 об/мин, μ = 0.001005 Па×с.

Скачать (187KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение абсолютной скорости жидкости в аппарате в зависимости от расчетного времени с двумя мешалками на валу при s = 125 мм (а) и одной мешалки (б) при h = 50 мм, n = 1500 об/мин.

Скачать (477KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость мощности на перемешивание от числа оборотов (а) и расстояния между мешалками (б): (а) экспериментальные точки (1–4) расстояние между четырьмя мешалками: 1 – s = 150 мм; 2 – s = 125 мм; 3 – s = 100 мм; 4 – s = 80 мм; экспериментальные точки (5–6) одна мешалка: 5 – h = 50 мм, 6 – h = 700 мм; (б) экспериментальные точки (1–5): 1 – 600 об/мин; 2 – 900 об/мин; 3 – 1200 об/мин; 4 – 1500 об/мин; 5 – 1800 об/мин.

Скачать (159KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение газосодержания от расстояния между мешалками (а) и от числа оборотов (б): экспериментальные точки, согласно данным рис. 4.

Скачать (155KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение пузырьков в жидкости при установке одной мешалки h = 700 мм (а) и двух мешалок h = 50 мм, s = 125 мм (б) при n = 1200 об/м: (а) экспериментальные точки (1–2): 1 – температура воды t = 50 °C, 2 – t = 14 °C; (б) экспериментальные точки при t = 25 °C (1–2): 1 – в верхней части аппарата, 2 – нижней.

Скачать (114KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость коэффициента массоотдачи от диссипации энергии (a) и от расстояния между мешалками (б): (a) экспериментальные точки (1–4): 1 – одна мешалка при h = 700 мм; 2 – расстояние между мешалками s = 125 мм, количество мешалок 4 шт.; 3 – s = 80 мм, 5 шт.; 4 – s = 120 мм, 4 шт, dm = 84 мм.; (б) экспериментальные точки (1–4): 1 – число оборотов 900 об/мин; 2 – 1200 об/мин; 3 – 1500 об/мин; 4 – 2100 об/мин.

Скачать (119KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Результаты численного расчета распределения абсолютной скорости жидкости от времени расчета при установке двух мешалок при s = 120 мм, n = 1500 об/мин.

Скачать (165KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Скорости жидкости в расчетных точках 1 и 2 (рис. 1е), в зависимости от расстояния между двумя мешалками: абсолютная скорость (а), осевая скорость (б), тангенциальная скорость (в) и радиальная скорость (г) при n = 1500 об/мин.

Скачать (196KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Результаты численного расчета распределения абсолютной скорости жидкости в аппарате при s = 80 мм (а) и s = 120 мм (б) n = 1500 об/мин.

Скачать (98KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимость соотношения β/β0 от расстояния между мешалками при ε = 10 Вт/кг. я численной модели (е).

Скачать (59KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024