Начинается...

Методология гидродинамического расчета и проектирования перемешивающих устройств емкостных аппаратов

Методология гидродинамического расчета и проектирования перемешивающих устройств емкостных аппаратов

А. В. СМЫСЛОВ – коммерческий директор ООО «Химмаш-Аппарат»

Производственно-инжиниринговая компания ООО «Химмаш-Аппарат» осуществляет расчет, изготовление и поставку перемешивающих устройств различной сложности для химической, нефтехимической, пищевой, и других отраслей промышленности.

В химической промышленности в аппаратах с мешалками перемешивание жидких сред применяется для приготовления растворов, эмульсий, суспензий, а также для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов. Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств являются интенсивность перемешивания и эффективность устройства. В каждом конкретном случае, эффективность должна соотноситься с целесообразной интенсивностью, т. е. расходом энергии и времени на проведение процесса.

Схема мешалки

Рис.1. Схема мешалки

Конфигурация лопастных мешалок отличается большим разнообразием; некоторые варианты их конструкций показаны на рис. 2. Таким образом, каждая конкретная задача требует определенного строения мешалки в целом и лопастей в частности. Наши специалисты легко подберут решение для Вашей задачи.

Различные варианты лопастей

Рис. 2. Различные варианты лопастей

Отечественная методика расчета перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов регламентируется нормативным документом РД 26-01-90-85. Данная методика является аналитико-эмпирической. В ней представлены формульные зависимости и номограммы для расчета гидродинамической обстановки и теплообмена для типизированных конструкций. Погрешность рекомендуемых методов расчета составляет 10–15%.

Одну из трудностей в расчете таких аппаратов представляет определение коэффициента мощности мешалки KN как функцию числа Рейнольдса. Основным недостатком классической методики расчета мощности является острая зависимость от эмпирических данных. Кроме того, даже для геометрически подобных аппаратов, при одних и тех же значениях критерия Re, разные исследователи получают и приводят разные значения критерия KN.

Форма условного канала

Рис. 3. Форма условного канала

Открытой проблемой остается получение надежных оценок глубины перемешивания. Решение данной проблемы в научной литературе отсутствует (и тем более в нормативной), потому что теория турбулентности – нерешенная до сих пор проблема теоретической физики.

Основные показатели перемешивания могут быть выражены через величины, характеризующие микромасштаб турбулентного переноса в аппарате с мешалкой, такие как колмогоровские длина lк и время tк. В простейшем случае, среднюю диссипацию энергии турбулентности в единице массы можно качественно оценить по формуле: 

где:
n – частота вращения мешалки,
d – ее диаметр,
D и H – соответственно диаметр аппарата и высота заполнения его жидкостью,
Eu – модифицированное число Эйлера, являющееся функцией модифицированного числа Рейнольдса.

Поэтому актуальной и задачей является определение критерия Eu(Re).

Специфическим явлением, возникающем при перемешивании в аппаратах с мешалками, является образование центральной воронки. В результате форма «условного канала» имеет сложную форму, представленную на рис. 3. Распределение скорости по радиусу на горизонтальных уровнях, расположенных ниже нижней точки воронки, представлено на рис. 4.

Рис. 4. Распределение скорости по радиусу

Как видно, оценка гидродинамики в аппаратах с мешалками не является тривиальной задачей, требует глубокого понимания физики процесса. Глубокое знание теории и большой наработанный опыт практических внедрений, позволяет специалистам ООО «Химмаш-Аппарат» успешно решать подобные задачи.

Многие проблемы снимаются при использовании такого современного инструмента как математическое (компьютерное) моделирование, активно применяемое за рубежом, начиная с конца шестидесятых годов прошлого столетия. Данный инструмент позволяет кроме детального определения гидродинамических полей, достаточно точно оценивать сам процесс перемешивания. Однако его использование требует наличие высокопроизводительных компьютеров и соответствующее программное обеспечение.

Поэтому современный уровень методологии расчета гидродинамики аппаратов с мешалками предполагает использование нормативного документа РД 26-01-90-85 вместе с компьютерным моделированием. Это позволяет обеспечить глубокую проработку процессов перемешивания и улучшение качества изделия.

Для примера использования математического моделирования, на рис. 5-7 представлен расчет модельного аппарата с лопастной мешалкой. Для расчета использовался пакет OpenFoam. Кроме получения точной гидродинамической структуры, из расчета получаются все физические параметры течения (поля давления, скоростей, концентраций компонент смеси, параметры турбулентности, силы, действующие на лопасти и т.д.)

Схема мешалки и структура потоков

Рис. 5. Схема мешалки и структура потоков

Рис. 6. Гидродинамическая структура

Рис. 7. Поле турбулентного обмена (турбулентная вязкость)

Компания «Химмаш-Аппарат» готова к сотрудничеству с проектными институтами, машиностроительными заводами, перерабатывающими и добывающими предприятиями, в реализации собственных разработок и технических решений в области проектирования и поставки высокоэффективных технических устройств.

Собственные проектный и конструкторский отделы позволяют предложить готовое решение под каждую конкретную задачу, а также разработать уникальное решение в случае нестандартных ситуаций.

Приобретая аппараты с перемешивающими устройствам, смесительные элементы у ООО «Химмаш-Аппарат», наши клиенты уверены, что получат высококачественное оборудование, разработанное под их конкретные задачи, по разумным ценам с выдерживанием минимальных сроков поставки!

Каждый проект реализуется индивидуально, с учетом требований и пожеланий Заказчика, оптимизации технико-экономических и эксплуатационных показателей поставляемых единиц оборудования и всего технологического процесса в целом.

Скачать статью в формате pdf →