WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

УДК.513.83 На правах рукописи

бекаулова алия аманкуловна

Моделирование процессов агрегации, коагуляции и осаждения

нерастворимого осадка в рабочей зоне химических реакторов

      1. - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Республика Казахстан

Шымкент, 2010

Работа выполнена в Шымкентском институте Международного Казахско-Турецкого университета имени А. Ясави

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ташимов Л.Т.

Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент Балабеков Б.Ч.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Ескендиров М.З.,

кандидат технических наук

Исмаилов Х.Б..

Ведущая организация: Таразский государственный университет

имени М.Х. Дулати

Защита состоится 30.06.2010 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д.14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете имени М. Ауезова в ауд. 342 Главного корпуса по адресу: 160012, Шымкент, пр. Тауке хана, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета имени М.Ауезова в ауд. 215 Главного корпуса по адресу: 160012, Шымкент, пр. Тауке хана, 5.

Автореферат разослан «___»____________2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д14.23.01,

доктор технических наук, профессор Волненко А.А.

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы

Во многих случаях процессы химических технологий сопровождаются образованием новой твердой дисперсной фазы. Это может быть фазовый переход, как в случае кристаллизации или десублимации, либо образование малорастворимого вещества в ходе химических реакций. Методы расчета аппаратов, в которых осуществляются фазовые переходы типа «жидкость - твердая фаза» или «пар- твердая фаза» разработаны более или менее подробно. Однако в меньшей степени разработаны инженерные методы расчета и проектирования процессов в химических реакторах с образованием малорастворимых продуктов химической реакции в рабочих зонах аппарата.

Область исследований в данной диссертационной работе ограничивается разработкой методов расчета и проектирования процессов и аппаратов химических технологий, в которых происходит образование и агрегация взвесей твердых мелких частиц малорастворимого вещества в сплошной жидкой фазе при протекании химических реакций.

Актуальность темы

Несмотря на большое количество работ по агрегации суспензий, известные теоретические и экспериментальные исследования, как правило, рассматривают дисперсные системы, в которых не протекают химические превращения, ведущие к образованию новых дисперсных фаз. До недавнего времени этим проблемам вообще не уделялось особого внимания. Расчет и проектирование реакторов с образованием нерастворимой дисперсной фазы в объеме аппарата проводится теми же методами, что и реакторов с гомогенными или псевдогомогенными средами, а учет влияния нерастворимой дисперсной фазы сводился к неким поправкам.

Однако в последнее время недостаточность такого подхода становится все более ясной. Пренебрежение совместно протекающими химическими реакциями и процессами первичной нуклеации, агрегации частиц и их осаждения в гетерогенных средах с перемешиванием приводит либо к существенным погрешностям при расчете и проектировании аппаратов, либо требует проведения специальных экспериментальных исследований с учетом масштабов реального промышленного производства. В качестве примеров конкретных процессов, в которых такая ситуация имеет место, можно назвать такие крупнотоннажные производства, как производство дикальцийфосфата в фосфорной промышленности, или образование сульфата кальция в экстракторах при производстве экстракционной фосфорной кислоты в схемах производства аммофоса и суперфосфата.

Далее можно назвать процессы создания композиционных материалов путем смешения различных ингредиентов, процессы коагуляции в системах водоподготовки и многие другие.

Причем, процессы агрегации протекают в перечисленных случаях с образованием как кристаллических (в частности, при производстве дикальцийфосфата), так и некристаллических веществ (многие полимерные вещества)

Сказанное подтверждает актуальность темы данной работы.

Работа выполнялась в соответствии с программой Фундаментальной исследовании РГП «ЦНЗНО» КН МОН РК «Разработка научных основ и технологии создания новых перспективных материалов различного функционального назначения» в МКТУ им. Х.А.Ясави – 2006-2008гг.

Цель работы состоит в создании теоретических основ и инженерных методик расчета химических аппаратов в условиях совместного протекания химических реакций и процессов агрегации и осаждения образующейся в рабочей зоне реактора нерастворимой дисперсной фазы.

Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы следующие задачи:

1. Создать метод расчета процессов агрегации нерастворимой твердой фазы в системах с химическими реакциями первого и псевдопервого порядков, а именно: получить выражения для расчета эволюции общего числа кластеров в системе и среднего порядка глобул с учетом кинетических констант химической реакции и элементов матрицы агрегации.

2. Разработать методологию математического моделирования периодических реакторов с перемешиванием в условиях образования и осаждения нерастворимой твердой фазы в рабочей зоне на основе диффузионной модели.

3. Осуществить экспериментальные исследования кинетики коагуляции и осаждения полидисперсной фазы в реагирующих системах с целью проверки адекватности предложенной в теоретической части работы методологии.

4. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать упрощенную инженерную методику расчета периодических реакторов с образованием и осаждением полидисперсной нерастворимой фазы в объеме аппарата.

Методы и объекты исследований

В диссертации использованы методы математического моделирования, численного и лабораторного натурного эксперимента. Для анализа, сравнения и проверки адекватности использовали экспериментальный материал, накопленный в настоящее время и доступный в виде литературных источников в печатном виде и в Интернете, а также результаты собственных экспериментальных исследований. Объектом исследований служили процессы образования и структурирования дисперсной фазы в химических реакторах.

Научная новизна работы:

1. Разработана модификация уравнения Смолуховского для описания агрегации дисперсий с химическим источником мономеров нерастворимой фазы и с учетом взаимодействия кластеров различных порядков. Предложено обобщенное уравнение для производящей функции, позволяющее, в отличие от ранее известного метода, находить решение для расчета общего числа кластеров в системе с химическими источниками нерастворимой фазы и определять средний порядок кластеров.

2. Теоретически описаны и экспериментально подтверждены два критических значения концентрации в процессе коагуляции нерастворимой фазы в реагирующих системах: первая критическая точка обусловлена достижением порога коагуляции для первичных мономеров, вторая - завершением активной стадии химической реакции в периодическом реакторе и соответствующим резким снижением интенсивности образования мономеров в системе.

3. Сформулирован и экспериментально подтвержден принцип определения времени пребывания в периодическом реакторе с образованием и осаждением нерастворимой фазы в рабочей зоне как времени стабилизации кривой распределения концентрации суспензии по высоте с учетом осаждения полидисперсной суспензии.

4. Разработаны методы расчета времен пребывания в аппаратах с химическими реакциями и агрегацией дисперсной фазы в случае периодической организации процесса в реакторе с перемешиванием.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Кинетические уравнения агрегации дисперсной фазы в системе с химической реакцией первого или второго порядка на основе уравнений Смолуховского для бинарной коагуляции.

2. Выражения для расчета общей концентрации и среднего порядка кластеров нерастворимой фазы в реакторе.

3. Закономерности процесса агрегации в системах с химическим источником мономеров нерастворимой фазы.

4. Диффузионная модель химического реактора с перемешиванием в условиях образования и осаждения дисперсной малорастворимой фазы в рабочей зоне аппарата.

5. Методика расчета времени пребывания в реакторе с образованием и осаждением дисперсной фазы.

Практическая ценность работы

Практическую ценность представляют метод расчета общей концентрации и среднего порядка кластеров нерастворимой фазы в химическом реакторе, диффузионная модель периодического реактора с образованием и осаждением нерастворимой фазы в реакторе и методика расчета времени пребывания реагентов в аппарате.

Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций. Полученные в работе результаты основаны на анализе литературных данных, разработанных в диссертации математических моделях, численном эксперименте и анализе данных собственных лабораторных исследований. Результаты теоретических исследований и численных экспериментов проверены путем сопоставления с собственными экспериментальными данными и данными других исследователей. При сопоставлении было установлено хорошее согласие результатов теоретического моделирования и численных экспериментов с результатами экспериментальных исследований.

Апробация практических результатов. Разработанные методы использованы при проектировании реконструируемой технологической линии на ТОО «Казфосфат» в схеме производства двойного суперфосфата. Выданы рекомендации по оптимизации режима разложения фосфатов и образования сульфата кальция в многосекционном экстракторе для получения фосфорной кислоты. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработки на ТОО «Казфосфат» составляет 29,8 млн. тенге при производстве 200 тыс. т/год.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных, научных, научно-практических ESAT 2008 Proceeding of the 23rd European Symposium on Applied Thermodynamics (France, 2008); Современные проблемы подготовки педагогических кадров и перспективы развития естественных наук (Шымкент, 2008); «Ауезовские чтения- 7: М.Ауезов и актуальные проблемы казаховедения» (Шымкент, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях по перечню, рекомендованному Комитетом по контролю и аттестации в сфере образования и науки МОН РК и 4 статьи в сборниках трудов международных научных конференций.

Основная часть

Во введении дана общая характеристика работы и показана актуальность темы на основании оценки современного состояния решаемой научной проблемы. Изложены основания и исходные данные для разработки темы, сформулирована цель, показана научная новизна и изложены научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о планируемом научном уровне разработки, проведенных патентных исследованиях и метрологическом обеспечении. Показана практическая ценность работы.

    1. В первом разделе рассмотрены современные взгляды на механизмы образования дисперсной фазы в реагирующих системах. Дан анализ особенностей агрегации в системах с химическими реакциями, обсуждены известные модели агрегации в дисперсных системах для описания процессов с образованием нерастворимых осадков в рабочей зоне, а также конструктивное оформление и методы расчета аппаратов для процессов, сопровождающихся агрегацией дисперсной фазы в рабочей зоне. На основании проведенного литературного обзора и системного анализа дана постановка задач исследования.

Второй раздел диссертации посвящен анализу механизма образования и эволюции первичных частиц в химических аппаратах с образованием нерастворимой фазы в зоне реакции. В диссертации проведен системный анализ процессов, выделены и обоснованы их основные стадии.

В качестве первой стадии выделена первичная нуклеация. В ходе этого процесса в растворе появляются микроскопические аморфные частицы или частично-кристаллизованные частицы-мономеры. Первичные частицы подвергаются далее агрегированию или кристаллизации. Эти процессы происходят одновременно и являются кинетически конкурирующими.

Рассмотрена реакция первого порядка, происходящая в растворе по условной схеме

. (1)

Тогда концентрация продукта реакции

. (2)

Далее рассмотрена первичная нуклеация продукта реакции с образованием кластеров нерастворимой дисперсной фазы .

(3)

Кинетика первичной нуклеации описывается в работе с помощью времени запаздывания образования нерастворимой фазы по отношению ко времени образования реагента на определенный период нуклеации .

Тогда

, (4)

Анализ известных данных (Волощук В.М. и др.) позволяет утверждать, что в результате первичной нуклеации возникают главным образом мономеры нерастворимой фазы. Тогда уравнения Смолуховского для коагуляции нерастворимой фазы с учетом химического источника выглядят следующим образом

(5)

(6)

где коэффициент учитывает массу мономера.

В работе представлено численное решение системы уравнений Смолуховского, а также с помощью метода производящих функций получено уравнение для расчета общей концентрации кластеров нерастворимой фазы

, (7)

где

Получено также аналитическое решение данного уравнения через функции Бесселя.

Рисунки 1, 2 иллюстрируют некоторые результаты проведенных во втором разделе численных экспериментов и теоретических исследований.

. Номер кривой Параметр 1- 80; 2- 200; 3- 800.

соответствует порядку кластера i.

Рисунок 1- Изменение концентрации Рисунок 2- Эволюция общего числа

кластеров нерастворимой фазы кла стеров нерастворимой фазы.

согласно модели (5), (6)

В результате обработки численных расчетов получено следующее уравнение для зависимости экстремумов общего числа кластеров в системе с реакцией первого порядка от параметра

(8)

В работе исследован также случай необратимой реакции второго порядка.

Для химического источника мономеров в этом случае получено выражение

, (9)

где

, . (10)

Для химического источника второго порядка также получено уравнение для расчета общего числа кластеров и проведены численные исследования эволюции концентрации кластеров различных порядков и получены расчетные выражения для среднего порядка кластеров.

Наибольший интерес, с точки зрения кинетики процесса в реакторе, представляет сопоставление скорости изменения общего числа кластеров и кластеров первого порядка, образующихся в результате первичной нуклеации продукта реакции.

Рисунок 3 – Кинетика коагуляции в системах с химическим источником

Из графиков ясно наблюдается момент, когда скорость агрегации мономеров начинает превалировать над скоростью первичной нуклеации. Это так называемый порог медленной коагуляция. Видно также другое важное явление- временной сдвиг экстремумов кривых, описывающих концентрацию мономеров и концентрацию общего числа кластеров различных порядков. Этот сдвиг обусловливает второй этап агрегации, характеризующий так называемую – быструю агрегацию.

Третий раздел диссертации посвящен экспериментальным исследованиям кинетики агрегации в системах с химическими реакциями. Были поставлены задачи определения порога коагуляции в системах с образованием нерастворимой дисперсной фазы в процессе химической реакции, а также кинетики осаждения с проведением седиментационного анализа дисперсной фазы. Использовали стандартную методику определения порога коагуляции и методику Фигурновского для седиментационного анализа.

Исследовали порог коагуляции в слабых растворах сульфата бария. Для инициирования коагуляции применяли электролиты: двумолярный раствор NaCl, 0,05 молярный раствор Na2SO4, 0,005 молярный раствор K3[Fe(CN)6].

Некоторые результаты проведенных экспериментов показаны на рисунках 4, 5.

Проведенный во втором разделе теоретический анализ качественно полностью согласуется с полученными нами экспериментальными данными по определению порога коагуляции. Эксперимент позволил четко идентифицировать две экстремальные точки (рисунки 4 и 5), интерпретация которых была дана выше. Отметим, что эти данные согласуются также с известными результатами по коагуляции атмосферных аэрозолей, где снятие пересыщения происходит по схеме, аналогичной химической реакции первого порядка. Расчет коагуляционных ядер в системе осуществляется обычно по теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО).

Следующей задачей экспериментальных исследований было определение фракционного состава полидисперсных суспензий, что является важной инженерной задачей, решение которой необходимо при расчете химических аппаратов и реакторов, особенно в случаях образования осадков в процессе химических превращений в рабочей зоне реактора. В диссертации приведены и проанализированы результаты соответствующих экспериментальных исследований с учетом различных скоростей осаждения различных фракций полидисперсной суспензии.

Построенные кривые выпадения взвесей позволяют найти процентное содержание различных ее фракций, т, е. фракций с различной гидравлической крупностью.

На основании проведенных экспериментальных исследований был сделан вывод о том, что разработанная в диссертации методика может быть использована для расчета кинетики процессов агрегации в химических аппаратах с образованием и осаждением дисперсной фазы в объеме реактора. Причем это применимо как к осаждению устойчивой взвеси, так и не устойчивой, коагулирующейся взвеси.

Четвертый раздел работы посвящен разработке методов моделирования и расчета химических реакторов с образованием дисперсной фазы в рабочей зоне.

При этом решены следующие задачи:

1. Описано распределение концентрации дисперсной твердой фазы по высоте периодического реактора с перемешиванием с учетом химической реакции образования дисперсной фазы и процесса осаждения взвеси.

2. Разработана методика расчета времени пребывания реагентов в реакторе с учетом описанных эффектов.

Общий вид модели

, (11)

где - интенсивность химического источника в зависимости от порядка реакции. Скорость стоксовского осаждения с учетом изменения среднего размера частиц при агрегации

(12)

Процесс образования суспензии в периодическом реакторе с мешалкой рассматривали в рамках модели Ван де Вюзе.

Решение уравнения диффузии для реактора периодического типа в случае реакции первого порядка выглядит следующим образом

. (13)

Средняя концентрация в реакторе по высоте

(14)

В работе получены также решения для реакции второго порядка.

В данном разделе диссертации разработана также модель проточного реактора с коаксиальными перемешивающими устройствами, которые эффективны в системах с коагуляцией дисперсной фазы. Такие устройства предложены профессором Есеновым Е.К. и др.

Основываясь на экспериментальные сведения о вращательных движениях жидкости в зазоре между коаксиальными цилиндрами, можно принять следующий сценарий развития потока. С увеличением частоты вращения цилиндров происходит постепенный переход от ламинарного течения к однородному мелкомасштабному турбулентному течению. Таким образом, наблюдается появление целого ряда последовательно усложняющихся структур течения. Возникающие вторичные вихри, так называемые вихри Тейлора, представляют собой тороидальные образования, занимающие пространство между цилиндрами.

В нашей работе предлагается модель, описывающая гидродинамическую обстановку в рабочей зоне описанного высокоинтенсивного аппарата и учитывающая неустойчивость сдвигового слоя по методу Линь Цзя_Цзяо. На рисунках 8 и 9 представлены рассчитанные на основе такого подхода компоненты скоростей в аппарате.

1/2: 1 - 1, 2 - 2, 3 - 3, 4 – 4, 5 – 6. 1/2: 1 - 1, 2 - 2, 3 - 3, 4 – 4, 5 – 6.

Рисунок 6- Профиль тангенциальной Рисунок 7 - Профиль продольной состав-

составляющей скорости при разных ляющей скорости при разных отношениях

отношениях угловых скоростей угловых скоростей цилиндров

цилиндров

Рассчитываемые по данной модели компоненты скоростей (8, 9) используются для определения эффективного коэффициента диффузии по следующему выражению:

(15)

На рисунке 8 показана зависимость размера вихрей от отношения частот вращения внутреннего цилиндра к внешнему цилиндру при постоянном расходе жидкости в аппарате, а на рисунке 9 - характерный график зависимости эффективного коэффициента диффузии от этого параметра.

Рисунок 8 - Размера вихря Рисунок 9-Зависимость эффективного

в зависимости от отношения частот коэффициента диффузии в модели (11)

вращения внутреннего и внешнего от отношения частот вращения цилин-

цилиндров при постоянном расходе дров

жидкости

Если реактор работает в периодическом режиме, то в процессе совместного протекания химических реакций, процессов агрегации и осаждения взвеси кривая распределения дисперсной фазы по высоте аппарата изменяется во времени. По истечении определенного периода формируется стабилизированная кривая распределения. Время формирования этой кривой и определяет необходимое время пребывания реагентов в реакторе. Этот процесс схематично показан на рисунке 10.

Рисунок 10 - Формирование стабилизированной кривой распределения дисперсной фазы.

Если реактор работает в проточном режиме, то его геометрические параметры и соотношение частот вращения также выбираются на основании разработанных в диссертации моделей для достижения заданной степени превращения и с учетом кинетики образования и агрегации дисперсной фазы.

На основании полученных данных в четвертом разделе предлагается следующая методика определения необходимого времени пребывания смеси в реакторе:

  1. По уравнениям (4), (7), (8) и (9) приводится расчет кинетики агрегации и общего числа кластеров нерастворимой фазы в условиях протекания реакции заданного порядка;
  2. Расчет эволюции среднего порядка кластеров (формула (12);
  3. Оценка интенсивности и числа вихревых зон;
  4. Расчет эффективного коэффициента диффузии (формула 15);
  5. Расчет кривых распределения дисперсной фазы по высоте аппарата на основе диффузионной модели.
  6. Определение времени формирования кривой стабилизированного распределения.
  7. Расчет периода осаждения полидисперсной взвеси совместно с протекающей агрегаций.

Далее в диссертации приводятся результаты приложения научных разработок диссертации для выдачи рекомендаций по оптимальному выбору параметров и организации процесса при получении двойного суперфосфата с учетом кинетики образования и сепарации полидисперсной взвеси сульфата кальция в многосекционном экстракторе экстракционной фосфорной кислоты.

На основании анализа технологического регламента и с учетом теоретических разработок раздела 2 предложен ряд изменений параметров технологического режима.

Ожидаемый экономический эффект в результате полномасштабного внедрения данной разработки составляет 29,8 млн. тенге при производстве двойногосуперфосфата 200 тыс.т/год.

Заключение

Краткие выводы по результатам исследований

1. Предложены кинетические уравнения агрегации дисперсной фазы в системе с химической реакцией на основе уравнений Смолуховского для бинарной коагуляции.

2. Разработаны методы расчета кинетических характеристик процесса агрегации дисперсий с химическим источником мономеров нерастворимой фазы и с учетом взаимодействия кластеров для случаев химических реакций первого и второго порядков в периодическом химическом аппарате.

3. Экспериментально изучены закономерности процесса агрегации в системах с химическим источником мономеров нерастворимой фазы, и подтверждено наличие двух критических значений концентрации в процессе коагуляции нерастворимой фазы в реагирующих системах, обусловленных достижением порога коагуляции для первичных мономеров и завершением активной стадии химической реакции в периодическом реакторе.

4. Разработана математическая модель структуры потоков в химическом реакторе с коаксиальными перемешивающими устройствами для осуществления процессов с образованием нерастворимой фазы в рабочей зоне.

5. Разработана методология расчета эффективных коэффициентов диффузии в реакторе с коаксиальными перемешивающими цилиндрами.

6. Разработаны методы расчета времен пребывания в аппаратах с химическими реакциями и агрегацией дисперсной фазы в реакторе с перемешиванием.

Оценка полноты решения поставленной задачи. В результате комплекса проведенных теоретических исследований и опытно-промышленных испытаний получены результаты, которые можно использовать в качестве научно обоснованных методов расчета и проектирования химических аппаратов для обработки суспензий, аппаратов для классификации и транспортировки суспензий. Поставленные в работе задачи решены, цель работы достигнута.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному

использованию результатов

Результаты и выводы работы рекомендуется использовать при планировании и проведении научно-исследовательских работ в области и при инженерном оформлении химико-технологических процессов и аппаратов для обработки суспензий и шламовых систем в научно-исследовательских и проектных организациях. Результаты работы могут быть также использованы в учебном процессе для чтения лекций и проведения практических и лабораторных занятий по процессам и машинам химических технологий, моделированию технологических процессов, гидродинамике, термодинамике и физической химии.

Исходными данными для использования результатов работы являются заданная производительность реактора по целевому компоненту, физико-химические характеристики реагентов, технологические параметры процесса: температура и давление в аппарате.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения и уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области

Ожидаемый экономический эффект в результате полномасштабного внедрения данной разработки на ТОО «Казфосфат»составляет 29,8 млн. тенге при производстве двойного суперфосфата 200 тыс.т/год. На основании осуществленных в диссертации математического моделирования и опытно-промышленных испытаний разработаны методы расчета, проектирования и оптимизации технологических режимов в аппаратах с образованием дисперсий и осадков. Полученные результаты обладают научной новизной и конкурентоспособны в сравнении с лучшими достижениями в этой области.

Условные обозначения:

А, В, С – реагенты химической реакции, концентрации реагентов, %; с - время образования реагента В, с; n - время образования нерастворимой фазы C, с; t – время, с; Nj,i – ядро агрегации, с-1; М0 - общая концентрация кластеров нерастворимой фазы, %; индекс i – порядок кластера; индекс 0 – начальное значение величины; k2 – константа скорости реакции, с-1; Def - эффективный коэффициент диффузии, м2/с; L - размер вихря, м.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Бекаулова А.А., Махатова А., Балабеков Б., Балабеков О.С. Моделирование процессов агрегации в физико-химических системах с химическими источниками нерастворимой фазы //Известия НАН РК.- Алматы - 2008. №1. – С.69-72

2 Балабеков О.С., Бренер А.М., Бекаулова А.А. Влияние вида агрегационных ядер на решение уравнений агрегации в физико-химических ситемах // Доклады НАН РК. – Алматы, – 2008. №6. – С.35-35

3 Brener A.M., Balabekov B.Ch., Golubev V.G., Bekaulova A.A. Modeling of aggregation processes in physico-chemical systems //ESAT 2008 Proceeding of the 23rd European Symposium on Applied Thermodynamics.- France.- 2008. – С. 485-488.

4 Балабеков О.С., Бренер А.М., Бекаулова А.А. Математическая модель коагуляции в реакционно-диффузионных системах с образованием нерастворимых фаз //Матер.конф. Современные проблемы подготовки педагогических кадров и перспективы развития естественных наук – 2. -Шымкент, 2008. Т.ІІ. – С. 247-250.

5 Балабеков О.С., Бекаулова А.А., Каугаева А. Стабилизация суспензий и структурообразование в дисперсных системах //Труды сеждународной научно-практической конференции «Ауезовские чтения- 7: М.Ауезов и актуальные проблемы казаховедения». – Шымкент, 2008. Т.6, С.179-183.

6 Бекаулова А.А., Ташимов Л.Т., Балабеков Б.Ч. Особенности моделирования химических реакторов с образованием дисперсной фазы в рабочей зоне //Научно-теоретический и практический жур. Оралды ылым жаршысы.- Уральск, – 2009. – С. 83-88.

7 Бекаулова А., Ташимов Л.Т. Особенности моделирования и расчет осаждения полидисперсных суспензий //Вестник МКТУ им. А.Ясави. - Туркестан – 2009. – С.3-9.

8 Бекаулова А., Ташимов Л.Т., Балабеков Б.Ч. Экспериментальные исследования фракционного состава суспензии при химическом осаждении из растворов //Вестник МКТУ им. А.Ясави. - Туркестан – 2009. – С.15-21.

Тйін сз

Бекаулова Алия Аманлызы

Химиялы реакторлады жмысшы аумаында ерімейтін тнбаны агрегациялану, коагуляциялану жне тны былыстарын модельдеу

Техника ылымдарыны кандидаты ылыми атаын алу

      1. – Химиялы технологияларды процестері мен аппараттары

Зерттеу объектілері бірінші жне екінші ретті оеакцияларды атысындаы химиялы аппараттардаы агрегациялану жне тну процесттеріні режимдік парпметрлеріні кинетикалы сипаттарын модельдеу жне инженерлік есептеулер дістері болып табылады.

Жмысты масаты химиялы реакцияларды жне агрегациялану мен тну процестері жретін жадайындаы химиялы аппараттарды есептеу дістері мен теориялы негіздерін жасау.

Зерттеу дістері: химиялы реакциялар сияты агрегациялану процестеріні кинетикасы мен химиялы аппараттаы аымдарды рылымын математикалы модельдеу, лабораториялы ондырыларда ю табалдырыы мен седиментацияа эксперименттек зерттеулер жргізу, делген модельдермен санды эксперимент жргізу, жне белгілі эксперименттік мліметтерді сараптау.

Жмысты негізгі нтижелері

Химиялы реакциясы бар жйедегі дисперстік фазаны агрегациясыны интенсивтілігін бейнлеу шін бинарлы коагуляцияа арналан Смолуховскийді тедеуі негізінде кинетикалы тедеу сынылды.

Ерімейтін німдерді химиялы кздеріні атысында агрегациялану процестеріні режимдік параметрлеріні кинетикалы сипаттарын есептеуді инженерлік дісі делді.

рекеттесуші жййелердегі ерімейтін фазаны коагуляциялану процесіндегі концентрацияны екі критикалы мні бар екендігі эксперимент жзінде длелденді: бірінші критикалы нктесі біріншілік мономерлер шін алынан, екіншісі – периодты реактордаы химиялы реакцияны белсенді сатысыны бітуімен алынан.

Аппаратты жмысшы аумаында ерімейтін фаза тзе жретін процестер шін коаксиальді араластырышы бар реактордаы аымдарды рылымыны математикалы моделі делді.

Корксиальді араластырышы бар одырыларды реакторларындаы эффективті диффузиялы коэффициентін есептеу дістемесі сынылды.

Химиялы реакция атысындаы аппараттара еніп шыу уаытын есептеу дісі делді.

Негізгі конструктивті, технологиялы жне техникалы сипаттамалары.

делген дістер периодты химиялы реакторларды оптимальді режимдері мен тиімділіктерін табуа олдануа болады.

Эффективті диффузия коэффициентін есептеу дісі р трлі конфигурациядаы аымды химиялы реакторларда олданыла алады.

Ерімейтін дисперсті фаза тзілетін химиялы реакцияларды аппараттарындаы еніп кету уаытын есептеу дістері периодты сияты кп секциялы аымды аппараттарда да олданыла алады.

ндіріске енгізу дрежесі мен нтижелері

Бл диссертацияны нтижелері ндірістік сынатардан кейін «КазФосфатта» ЖШС ос суперфосфатты ндірудегі режимдік оптимизация жне энергетикалы шыынды азайту шін сыныстар жасауда олданылды.

Диссертацияны экономикалы тиімділігі

«Казфосфат» ЖШС ндірістік деуден кейінгі ктілетін экономикалы тиімділік жылына 200 мы/т ос суперфосфат ндіргенде 29,8 млн тегені райды.

Диссертация нтижелерін наты олдану бойынша сыныстар мен бастапы мліметтер.

Жмысты нтижелері мен орытындылары ылыми-зерттеу жмыстарында жне жобалы йымдарда суспензия мен шламды жйелерді деуге арналан химия-технологиялы процестер мен аппараттарды инженерлік бейнелеуде жне ылыми-зерттеу жмыстарын жоспарлауда олдану сынылады.

Жмысты нтижелері, сонымен атар химиялы технологияны машиналары мен процестер бойынша лабораториялы жне практикалы сабатары шін жне сол пннен лекция оу шін, технологиялы процестерді модельдеуде, гидродинамикада, термодинамикада жне физикалы химияда олданылады.

Жмысты нтижелерін олдану шін бастапы мліметтер кзделген компонент, реагенттерді физика-химиялы реагенттері, прцестерді технологиялы параметрлері бойынша реакторды берілгін німділігі.

Жоспарланан ылыми жне техникалы даму дегейі туралы малмат.

Диссертация нтижелеріні ке ауымды олданысы азастандаы химиялы технология німдеріні дамуын кшейтеді.

Summary

Bekaulova Alia Amankulovna

Modeling processes of aggregation, coagulation and sedimentation of insoluble sediment in a work zone of chemical reactors

Dissertation for the degree of a candidate of technical science

05.17.08- Processes and apparatuses of chemical technologies

Objects of researches are the methods for modeling and engineering calculating kinetic characteristics and regime parameters of aggregation and sedimentation processes in apparatuses in the presence of chemical reactions of first or second orders.

The goal of the work is in creating theoretical foundation and engineering methods for calculating chemical apparatuses under the conditions of joint proceeding chemical reactions and aggregation of insoluble products.

Methods of the researches are mathematical modeling both of chemical reactions and aggregation processes kinetics and flows structure in chemical apparatuses, experimental investigations of coagulation and sedimentation processes at the pilot devise, numerical experiment with carried out models and analysis of known experimental data.

The main results of the work.

The kinetic equations for describing intensity of disperse phase aggregation in systems with chemical reactions based on Smolukhowski equations of binary coagulation have been submitted.

The methods for engineering calculating the kinetic characteristics of disperse aggregation processes in the presence of chemical sources of insoluble products with allowing for the clusters interaction applying to the first or second orders chemical reactions have been carried out.

It’s experimentally confirmed the existence of two critical values of insoluble phase concentration in chemical reacting systems, and it’s shown that mentioned critical points are induced by the threshold of weak coagulation for initial monomers and the final stage of chemical reaction in periodic reactors accordingly.

The mathematical model of flows structure in the chemical through-reactor with co-axle mixing devices for processes accompanied by insoluble phase arising in apparatus work zone have been carried out.

The methodology for calculating the effective diffusion coefficients in the reactors with co-axle mixing devices has been submitted.

The methods for calculating time being of reacting substances in the apparatuses with chemical reactions accompanied by production and aggregation of insoluble disperse phase have been carried out.

The basic constructive, technological and technical characteristics.

It is established that carried out methods can be used for optimum regime finding and calculating the efficiency of periodic chemical reactors with arising the insoluble disperse phase and sediments in work zone in the cases of reactions of first, pseudo-first or second orders.

The methodology for calculating the effective diffusion coefficients can be applied to chemical through-reactors of different configurations.

The methods for calculating time being of reacting substances in the apparatuses with chemical reactions accompanied by production and aggregation of insoluble disperse phase can be applied to processes both in periodic and multi-section through-apparatuses.

The degree and results of the inculcation. The results of this dissertation are used as recommendations for regime optimization and reducing the energetic expenses in the production of double superphosphate at LTD “KazFosfat” after industrial tests.

Economical efficiency of the dissertation. The expected economical effect of putting the work results into practice at at LTD “KazFosfat” is 29.8 millions Kzt per year.

Recommendations and initial data for using results of the dissertation.

The results and conclusions of the dissertation are recommended to be used in research and design organizations for developments, designing and engineering calculations under the intensification of processes and chemical reactors and also for design equipment and reactors with aggregation of disperse phase.

The results of the work can also be used for planning and realizing scientific researches as well as in learning process for lectures, practical and laboratory>

Initial data for using the results of the work are both properties of substances which must be processed and designing tasks on process intensity.

The information of planned scientific and technical level of development

The wide using of results of the dissertation as trustworthy methods for design chemical apparatuses with chemical reactions accompanied by disperse phase aggregation as well as methods for calculating the appropriate processes and apparatuses for manufacturing products of chemical industry can be conducive to developing production of chemical technologies in Kazakhstan.

Подписано в печать 26.05.2010 г. Формат бумаги 60х84

Объем 1,25 п.л. заказ № 1745. Тираж 100 экз.

Типография, ЮКГУ им. М.Ауезова,

г. Шымкент, пр.Тауке-хана, 5.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.