Расчет суспензий в выпарных аппаратах | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №12 (59) декабрь 2013 г.

Дата публикации: 02.12.2013

Статья просмотрена: 126 раз

Библиографическое описание:

Шмаль И. И. Расчет суспензий в выпарных аппаратах // Молодой ученый. — 2013. — №12. — С. 59-61. — URL https://moluch.ru/archive/59/8491/ (дата обращения: 25.09.2018).

В статье изложена инженерная методика для расчета параметров суспензии в выпарных аппаратах. Рассматриваются растворы при концентрациях, достигших предельные значений, в результате чего происходит образование твердой фазы. Расчетная область представляет собой U‑образный сосуд, в нисходящей ветви которого параметры известны, а в восходящей ветви находится суспензия — смесь насыщенного раствора соли и взвешенных частиц твердой фазы. Учтено положение уровня в восходящей ветви, оказывающее влияние на массу раствора и твердой фазы. Методика пригодна для инженерных оценокпри конструкторских разработках.

Ключевые слова: раствор, фаза, концентрация, баланс, масса, динамика, перепад уровней.

В химических технологиях широко применяются выпарные аппараты. Основные процессы в них описаны в классических трудах [1, 2]. Автором рассматривались близкие по тематике задачи — изменение концентрации без фазовых переходов, а также образование твердой фазы на стенках [3, 4]. Вне поля внимания остались задачи по определению параметров двухфазной смеси — суспензии. Особую актуальность данные процессы получают в случае резкого изменения температуры жидкой фазы при условии, что достигаются предельные значения растворимости солей. Это может происходить, например, при аварийных режимах в выпарных аппаратах и прочих устройствах.

Пусть расчетный объект представляет собой два сообщающихся сосуда (см. Рис. 1). Перетоки жидкой среды между сосудами могут осуществляться через канал вблизи дна. В первом сосуде, «опускной» участок, пусть находится среда с известными определяющими параметрами (плотность, уровень), которые необходимы для вычисления параметров весового столба в нем. Во втором сосуде, «подъемный» участок, находится суспензия.

Задача расчета следующая. Необходима проверка возможности существования, а затем — уточнение параметров состояния суспензии в подъемном участке. Этому предшествует запись балансовых соотношений для массы соли в подъемном участке:

Для конкретного момента времени необходимо вычислить значение суммарной массы соли, находящейся в виде смеси насыщенного раствора и твердой фазы в подъемном участке — .

Полученное значение является основным при построении решения, в котором уже будут конкретизироваться параметры состояния суспензии — солевой раствор при предельной концентрации и равномерно распределенные в нем твердые частицы соли.

Расчету параметров суспензии в «подъемном» участке предшествуют оценки правомерности поиска решения для смеси в виде суспензии. С этой целью производится вычисление параметров среды в «подъемном» участке для двух предельных вариантов решения: 1) максимальный уровень среды hmaxпод, когда имеем исключительно солевой раствор при предельной концентрации без твердой фазы; 2) минимальный уровень среды hmin под, когда имеем исключительно твердую фазу — кристаллы. Полученные значения используются для проверки наличия решения и обоснования правомерности использования алгоритма.

Рис. 1. Схема расчетной области

Исходные данные для расчета:

-          зависимость площади поперечного сечения в подъемном участке от высоты, ;

-          плотности жидкой и твердой фазы для подъемного участка — ρпод ж (плотность раствора жидкости при предельной растворимости), ρпод к;

-          плотность среды и уровень в опускном участке ρоп и hоп;

-          концентрация cпод ж, г/кг для раствора в подъемном участке. Данная величина при рассмотрении суспензии равна предельной концентрации;

-          суммарное количество соли в подъемном участке Mпод с, находящейся в жидкой (раствор) и твердой (кристалл) фазе. Как упоминалось выше, эта величина определяется из балансовых соотношений с привлечением граничных условий — расходов подачи/отбора среды. Для сокращения выкладок принято, что твердая фаза — кристаллы,- формируется исключительно из соли.

Основные используемые соотношения при построении алгоритма:

1)     Равенство весовых столбов в опускном и подъемном участке

2)     Зависимость объема в подъемном участке от физического уровня смеси

3)                 Зависимость плотности и удельного объема суспензии от объемного и массового содержание твердой фазы

ρж + α· (ρк — ρж),

vж — х· (vж — vк)

Алгоритм расчета параметров суспензии следующий. Нужно определить верхнюю, максимально возможную оценку для массы соли, а также минимально возможную оценку для массы соли в суспензии. Если искомое значение массы соли лежит в указанной области, то можно отыскать решение с помощью итеративных вычислений.

1)                 Определяется максимально возможный уровень выродившейся суспензии, когда без содержания твердой фазы (α=0) и основные параметры для этого случая

ρпод ж + α· (ρпод к — ρпод ж) = ρпод ж,

Mпод с min = Vпод max· ρпод ж · cпод ж /1000

2)                 Определяется минимально возможный уровень выродившейся суспензии, когда объемное содержание твердой фазы равно α=1

ρпод ж + α ·(ρпод к — ρпод ж) = ρпод к

Mпод с max = Vпод min· ρпод к

3)                 Проверяется возможность существования решения для двухфазной смеси — суспензии

Mпод с min £Mпод с £ Mпод с max

и, если неравенство соблюдается, производится переход к итеративному процессу поиска решения

4)                 Принимаем новое значение уровня в подъемном участке и определяемые им величины для двухфазной смеси — плотность, объем

hпод н = (hпод max + hпод min) · 0,5

; vпод н = 1/ρпод н

5)                 Вычисляем объемное и массовое содержание твердой фазы

xпод н = 1-((vпод н — vпод к)/(vпод ж — vпод к))

αпод н = 1-((ρпод н — ρпод ж)/(ρпод к — ρпод ж))

6)                 В этом случае можно определить значения объемов и масс для каждого из компонентов смеси при заданном уровне смеси в подъемом участке hпод н

Vпод н к = Vпод н · αпод н;Vпод н ж=Vпод н-Vпод н к

Mпод н к = Vпод н к · ρпод к;Mпод н ж=Vпод н ж · ρпод ж,

7)                 Вычисляется масса соли, находящейся в растворе, и суммарная масса соли в обоих фазовых состояниях — жидком и твердом

Mпод н ж с= Mпод н ж спод ж/1000; Mпод н с = Mпод н ж с + Mпод н к

8)                 Проводится сравнение вычисленного значения суммарной массы соли в обеих фазах с заданным в граничных условиях. Если точность решения не удовлетворительная, то происходит изменение предельных значений для высоты смеси в подъемном участке и повторяется итеративный процесс, начиная с пункта 4)

hпод max = hпод н, еслиMпод с Mпод н с

или

hпод min = hпод н, еслиMпод с £ Mпод н с

Данная методика проста и может применяться для описания различных процессов, в которых появляется необходимость поиска параметров двухфазной смеси — суспензии. Детальное описание, построение моделей с дополнительными параметрами и учет процессов, оставшихся вне поля зрения, — это следующий шаг, который должен рассматриваться в дальнейшем.

Список условных обозначений:

M — масса, кг;

h — высота, м;

 — плотность, кг/м3;

G — расход, кг/с;

с — концентрация, г/кг;

V — объем, м3;

α (х) — объемное (массовое) содержание твердой фазы в суспензии.

Литература:

1.                 Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971, 784 с.

2.                 Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1981, 812 с.

3.                 Шмаль И. И. Аналитические оценки для процесса кристаллизации // Молодой ученый. — 2013. — № 7 (54), с. 30–31.

4.                 Шмаль И. И. Метод расчета нестационарных изменений концентрации в выпарных установках // Молодой ученый. — 2013. — № 8 (55), с. 42–44.

Основные термины (генерируются автоматически): твердая фаза, подъемный участок, масса соли, суммарная масса соли, предельная концентрация, солевой раствор, расчетная область, расчет параметров суспензии, возможный уровень, возможная оценка.


Похожие статьи

Расчет динамики накопления и кристаллизации соли в выпарном...

суммарная масса соли (в жидкой и твердой фазе)

Основные термины (генерируются автоматически): опускной участок, подъемный участок, твердая фаза, раствор соли, расчетная область, предельная концентрация, покидающий подъемный участок, жидкая...

Модель с распределенными параметрами для описания динамики...

твердая фаза, слой, высотная отметка, расчетный объем, раствор соли, предельная концентрация, Масса растворителя, расчетная область, концентрация раствора, раствор.

Метод расчета нестационарных изменений концентрации...

восходящая ветвь, твердая фаза, нисходящая ветвь, растворенное вещество, концентрация, суммарная масса раствора, значение массы, концентрация растворов, методика расчета, отток пара.

Проблемы моделирования кристаллизации | Статья в журнале...

Ключевые слова: раствор, твердая фаза, кристаллизация, суспензия.

Находим суммарную массу суспензии для восходящей ветви

. Вычисляем массу твердой фазы в восходящей ветви аппарата

Влияние полиакриламидного реагента на бентонитовые...

Основными компонентами являлась водная суспензия бентонита и раствор полимера.

Использовали неионогенный полиакриламид с молекулярной массой 5 млн и степенью

седиментации частиц дисперсной фазы от концентрации неионогенного полимера Н-150 с...

Аналитические оценки для процесса кристаллизации

Ключевые слова: раствор, твердая фаза, кристаллизация. При расчете процессов кристаллизации в выпарных установках

Допустим, что для восходящей ветви известны: суммарная масса растворенного вещества , концентрация насыщенного раствора с’ (на...

Определение активности компонентов в биметаллическом расплаве

где, – массовая концентрация компонента ; и – относительная атомная масса элемента и .

Расчеты показали, что в области низких концентраций растворы ведут себя как идеальные растворы.

Определение уровня воспитанности подростков.

Влияние биологически активных веществ на физико-химические...

Концентрация сухой массы равна 60 %.

У суспензий агрегатная и кинетическая стабильность бывает низкого уровня.

Рис. 2. Воздействие разных концентраций морской соли на коагуляционную структуру огланлинского бентонита.

Материалы и реагенты для приготовления промывочных...

Органические реагенты имеют относительно небольшую молекулярную массу, разжижают глинистые суспензии за счет значительного снижения

Недостаток его п том, что при встрече с минерализованными водами или растворимыми солями возможна коагуляция раствора и...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Расчет динамики накопления и кристаллизации соли в выпарном...

суммарная масса соли (в жидкой и твердой фазе)

Основные термины (генерируются автоматически): опускной участок, подъемный участок, твердая фаза, раствор соли, расчетная область, предельная концентрация, покидающий подъемный участок, жидкая...

Модель с распределенными параметрами для описания динамики...

твердая фаза, слой, высотная отметка, расчетный объем, раствор соли, предельная концентрация, Масса растворителя, расчетная область, концентрация раствора, раствор.

Метод расчета нестационарных изменений концентрации...

восходящая ветвь, твердая фаза, нисходящая ветвь, растворенное вещество, концентрация, суммарная масса раствора, значение массы, концентрация растворов, методика расчета, отток пара.

Проблемы моделирования кристаллизации | Статья в журнале...

Ключевые слова: раствор, твердая фаза, кристаллизация, суспензия.

Находим суммарную массу суспензии для восходящей ветви

. Вычисляем массу твердой фазы в восходящей ветви аппарата

Влияние полиакриламидного реагента на бентонитовые...

Основными компонентами являлась водная суспензия бентонита и раствор полимера.

Использовали неионогенный полиакриламид с молекулярной массой 5 млн и степенью

седиментации частиц дисперсной фазы от концентрации неионогенного полимера Н-150 с...

Аналитические оценки для процесса кристаллизации

Ключевые слова: раствор, твердая фаза, кристаллизация. При расчете процессов кристаллизации в выпарных установках

Допустим, что для восходящей ветви известны: суммарная масса растворенного вещества , концентрация насыщенного раствора с’ (на...

Определение активности компонентов в биметаллическом расплаве

где, – массовая концентрация компонента ; и – относительная атомная масса элемента и .

Расчеты показали, что в области низких концентраций растворы ведут себя как идеальные растворы.

Определение уровня воспитанности подростков.

Влияние биологически активных веществ на физико-химические...

Концентрация сухой массы равна 60 %.

У суспензий агрегатная и кинетическая стабильность бывает низкого уровня.

Рис. 2. Воздействие разных концентраций морской соли на коагуляционную структуру огланлинского бентонита.

Материалы и реагенты для приготовления промывочных...

Органические реагенты имеют относительно небольшую молекулярную массу, разжижают глинистые суспензии за счет значительного снижения

Недостаток его п том, что при встрече с минерализованными водами или растворимыми солями возможна коагуляция раствора и...

Задать вопрос