Разделение и выгрузка фосфоритной суспензии по фракциям в процессе перемешивания

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2014, том 57, №2_

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 66.096.5-932.2

М.Бобоназаров, М.М.Рахимова, Б.Мирзоев* РАЗДЕЛЕНИЕ И ВЫГРУЗКА ФОСФОРИТНОЙ СУСПЕНЗИИ ПО ФРАКЦИЯМ

В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

Научно-исследовательский институт Таджикского национального университета, ГНУ «Научно-исследовательский институт промышленности»

Министерства промышленности и новых технологий Республики Таджикистан

В работе на базе полученных результатов моделирования и натурного испытания перемешивания и разделения фракций фосфоритной суспензии в вертикальном реакторе с мешалкой теоретически и экспериментально изучен процесс выгрузки осадка размеров частиц > 180 мкм фосфоритной суспензии при непрерывном перемешивании. Кинетика процесса выгрузки осадка через щтуцер на днище реактора изучена двумя способами. В качестве образца использованы измельчённые фосфориты месторождения Каратаг Республики Таджикистан с частицами размеров до 250 мкм.

Ключевые слова: фосфоритная мука - фильтрование суспензий - уравнение Бернулли - выгрузка жидких продуктов.

В качестве исходных теоретических и экспериментальных данных для этой задачи приняты результаты смоделированного с помощью полуэмпирических критериальных уравнений гидродинамики, теории подобия [1] и в натуре испытанного процесса перемешивания и разделения фосфоритной суспензии (крупности частиц до 250 мкм) в вертикальном реакторе с получением осадка на днище реактора фракции частиц > 180 мкм. Выбранные и рассчитанные оптимальные гидродинамические параметры и геометрические размеры реактора, условия образования осадка частиц фосфоритной муки на днище реактора были следующие: реактор цилиндрической формы с диаметром D = 0.18 м и с конусным днищем (двойной угол при вершине конуса 2а = 90°), без внутренних устройств; мешалка однорядная = 1) с диаметром 0.12 м и углом наклона лопастей 45°, коэффициентом сопротивления с;м = 0.88; штуцер на днище реактора с радиусом г = 0.015 м и длиной 1 = 0.04 м; объём жидкости (вода) в реакторе Уж = 4 л, плотность жидкости рж = 1000 кг/м3, динамический коэффициент вязкости жидкости ц = 0.0114 Па с; средняя массовая концентрация фосфорита в жидкости хср = 0.35; плотность фосфорита рч = 2800 кг/м3, скорость вращения мешалки п = 2.65 с-1, высота размещения мешалки над уровнем днища реактора ^ = 0.1 м; скорость вращения мешалки п = 2.65 с-1; вес образца фосфорита 2.154 кг, вес фосфоритной суспензии 6.154 кг; высота уровня суспензии в реакторе Н = 0.233 м; средняя объёмная концентрация фосфорита фср = 0.16; средняя плотность фосфоритной суспензии рср = 1290.3 кг/м3; отношение (Т:Ж) = 1:1.86; радиус максимума окружной скорости вращающегося потока суспензии с абсолютным значением гт = 0.0426 м и относительным зна-

Адрес для корреспонденции: Бобоназаров Махмади. 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, 17, НИИ Таджикского национального университета. E-mail: mr.muhamadi@mail.ru

чением г т = 0.71, среднее значение окружной скорости и = 0.3139 м/с. В приведённых условиях и

указанной скорости вращения мешалки, а также при параметрах профиля окружной скорости [1] = 0.5 и = -1.125 на днище реактора образовался осадок фракции частиц фосфоритной суспензии размеров > 180 мкм. Ситовый анализ исходной фосфоритной муки показал, что в ней содержится около 20-25% фракции частиц размеров > 180 мкм. При этом объём осадка на днище реактора (Уос) составлял величины 0.00035- 0.00062 м3, высота осадка ^ос) - 0.074- 0.095 м и радиус верха осадка (Квос) - 0.056 - 0.066 м.

В данной работе теоретически и экспериментально изучен процесс выгрузки осадка фосфоритной суспензии при непрерывном процессе перемешивания в реакторе (по вышеприведенным исходным данным и эксперименту), схема которого отображена на рис.1.

Рис. 1. Схема реактора с мешалкой для перемешивания суспензии фосфорита: 2 - мешалка, 3 - взвешенный вращающийся поток, 4 - осадок суспензии, 5 - штуцер для выгрузки осадка.

Выгрузка жидких продуктов [2], суспензий, эмульсий из аппаратов ёмкостного типа осуществляется либо через штуцеры в днище аппарата (аппараты с нижним спуском) самотеком или насосом, либо через трубу передавливания сжатым воздухом или азотом (аппараты с трубой передавливания). Скорость выгрузки осадка может быть выражена уравнением [2]:

м3

Ж

выгр.

fdт м2 • с

где Vос - объём (насыпной) осадка, f - площадь отверстия штуцера, т — длительность процесса выгрузки. Скорость выгрузки можно рассматривать как кажущуюся линейную скорость [2] прохождения суспензии остатка через отверстие, так как её размерность:

Г з 1 г

м м

м2•сек _ сек _

и при этом движение жидкости носит ламинарный характер.

На скорость выгрузки осадка 4 влияют: перепад давления А , диаметр твёрдых частиц d4,

вязкость дисперсной среды, степень порозности осадка £ос, толщина слоя осадка ^с, d - диаметр отверстия штуцера 5 [2 - 4], а также скорость пульсации турбулентного течения на поверхности осадка, геометрическая форма дна реактора.

В соответствии с уравнением Гагена-Пуазейля [5,6] скорость фильтрования в начальный момент, отнесённая к 1 м2 фильтровальной перегородки, выражается уравнением:

^нач. = BNr>,

жАр

где B = - , N - число каналов фильтра, rk - радиус капилляра, Ар - перепад давления, ц - вяз-

8 ^

кость среды, lk - длина капилляра.

В данном случае, штуцер выгрузки подобен фильтру с одним каналом, т.е. число каналов N = 1, длина штуцера равна 1ш = lk , радиус штуцера - гш = rk, и скорость выгрузки wвыгр = WHa4 . Перепад давления в слое осадка определяется по формуле [ 3]:

А р =

где рч - плотность твёрдых частиц (в нашем случае плотность фосфорита), рж - плотность жидкости, Ьос - высота слоя осадка, еос - порозность осадка ( от 50 до 30% объема), g - ускорение свободного падения. Порозность еос выражает объём свободного пространства между частицами в единице объёма осадка, занятого слоем.

Пользуясь уравнениями (1, 2) для вышеприведённых данных и постоянных значений 8ос = 0.4, /ш = 0.04 м и площади отверстия штуцера f = 0.000707 м2 (радиус штуцера гш = 0.015 м),

вычислена продолжительность процесса выгрузки осадка (табл. 1).

Время прохождения объёма осадка Уос через площадь отверстия штуцера (табл. 1) определена как

V / w

ос выгр /оч

выгр. J .

Таблица 1

Расчёт продолжительности процесса выгрузки осадка по уравнению Гагена - Пуазейля

Уос, м3 Явос, м ^с, м А р, Па w выгр, м/с УосМвыгр, м2/с твыгр, с

0.00035 0.056 0.074 743.6 0.36941 0.00094 1.3

0.00039 0.062 0.078 778.2 0.38659 0.00100 1.6

0.00049 0.064 0.087 864.7 0.42955 0.00114 1.7

0.00062 0.066 0.095 951.2 0.47250 0.00130 1.8

Математической моделью операции загрузки или выгрузки жидких реагентов или продуктов является соответствующий вариант уравнения Бернулли [7], в результате решения которого определяют продолжительность процесса. Длительность процесса выгрузки зависит от начальной высоты жидкости в аппарате, конструктивных характеристик аппарата (площади поперечного сечения аппарата и штуцера), свойств жидкости. Для аппаратов с коническим днищем время выгрузки составляет

где F - диаметр верхней части осадка, равная в данной работе Явос, hн и hк - начальная и конечная уровни высоты осадка суспензии в аппарате, g - ускорение свободного падения, м/с2; у - коэффициент расхода, для воды у = 0.82, для органических веществ у = 0.6 ^ 0.8.

При f = 0.000707 м2, у = 0.8, hк = 0 и при вышеприведённых выбранных, а также расчётных параметрах реактора, гидродинамики перемешивания и осаждения твёрдых частиц с использованием формул (3, 4) получены следующие данные по продолжительности процесса выгрузки (табл. 2).

Таблица 2

Расчёт продолжительности процесса выгрузки осадка по уравнению Бернулли

^ м Б, м твыгр, сек

0.074 0.056 2.4

0.078 0.062 2.7

0.087 0.064 2.9

0.095 0.066 3.2

Сопоставление значений продолжительности выгрузки в табл. 1 и 2 показывает разность во времени выгрузки в пределах 1.1 - 1.4 с .

Во время проведения эксперимента при открывании затвора штуцера в нижней части реактора и задержках на 2.2, 2.8, 3.5 и 4.3 с выгруженный осадок был высушен и подвергся ситовому анализу, который дал следующие результаты

Как видно из рис. 2, оптимальным временем продолжительности выгрузки является твыгр = 2.2 - 2.8 с, когда выгружается более 80% фракции размеров частиц 0.18 - 0.25 мм.

Таблица 3

Результаты эксперимента по определению фракций в выгруженном осадке суспензии фосфорита

Время выгрузки, с Размеры фракций, мм

> 0.18, < 0.25 < 0.18 < 0.14 < 0.063

2.2 94.3 4.8 2.2 1.3

2.8 81.4 18.1 10.3 2.5

3.5 51.4 46.7 24.9 6.5

4.3 20.1 78.3 35 11.6

При больших объёмах реактора, разумеется, время выгрузки будет большей величиной и облегчается задача исполнения конструкции механизма выгрузки и контроля за временем.

00 100 -)

2 3 4 ^ВЫГр.' С

Рис. 2. Выгрузка частиц осадка фосфорита в зависимости от продолжительности выгрузки по фракциям крупности, мм: (1) - > 0.18, < 0.25; (2) - < 0.18; (3) - < 0.14; (4) - < 0.063.

Таким образом, расчёты времени выгрузки по двум теоретическим зависимостям и эксперименту очень близки друг к другу, и это позволяет утверждать, что по данному принципу и схеме

можно создавать реакторы с большими объёмами для промывки и обогащения фосфорита.

Поступило 11.11.2013 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах, физические основы и инженерные методы расчёта. - Л.: Химия, 1984, 336 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е. - М.: Химия, 1970, 750 с.

3. http://cisserver.muctr.ru/alk/cis-mathmod/lectures/lecture6/lecture6.php.

4. Бобоназаров М. Юсупов З.Н., Рахимова М.М., Мирзоев Б. Моделирование разделения твёрдых частиц в турбулентном потоке жидкости. - Мат-лы V Международн. науч.-практ. конф. «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ» ТТУ им. акад. М.Осими. - Душанбе, 2011, ч.1, с.279-283.

5. http://gidravl.narod.ru/gidrosopr.html.

6. Жужиков В.А. Фильтрование, теория и практика разделения суспензии. - М.: Химия, 1971, 440 с.

7. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. В 2-х кн. под ред. В.Г. Айнштейна. -М.: Логос, 2003, 912 с., 872 с.

М.Бобоназаров, М.М.Рахимова, Б.Мирзоев* Ч,УДОКУНЙ ВА ФУРОВАРДАНИ СУСПЕНЗИЯИ ФОСФОРИТ ^АНГОМИ

ОМЕХТАКУНЙ

Институти илмй-тащицотии Донишго^и миллии Тоцикистон, *МДИ «Пажу^ишго^и илмй-тадкцкртии саноат»-и Вазорати саноат ва технологиями нави

Цум^урии Тоцикистон

Дар макола бо истифода аз муодилах,ои гидродинамика ва филтронй раванди фуровар-дани такшони суспензияи фосфорит хднгоми омехтакунии бефосила дар реактори вертикалй моделсозй карда, тачрибавй санчида шудааст. Кинетикаи раванди фуровардани такшон аз штутсери зери реактор бо ду тарз омухта шудааст. Ба хдйси намуна фосфоритх,ои майдакарда-шудаи кони ^аратоги Ч,умх,урии Точикистон гирифта шудааст.

Калима^ои калиди: хокаи фосфорит - филтронии суспензияуо - муодилаи Бернулли - фуроварда шудани маусулоти тар.

M.Bobonazarov, M.M.Rakhimova, B.Mirzoev*

SEPARATION AND DISCHARGE PHOSPHORITE SUSPENSION FACTION

DURING THE MIXING PROCESS

Research Institute of the Tajik National University, *State Scientific Institution «Research Institute of Industry" of the Ministry of Industry and New Technologies of the Republic of Tajikistan In this paper, using the equations of hydrodynamics and filtration produced modeling and experimentally verified the unloading process phosphate precipitate suspension during continuous mixing in a vertical reactor. Kinetics of sludge discharge through the reactor bottom for connecting pipe investigated in two ways. As the sample used ground phosphorite deposits Karatag the Republic of Tajikistan with the particles of sizes up to 250 microns.

Key words: phosphate rock - modeling of mixing of liquid products - filtration of suspensions - Be rnoulli 's equation - unloading of liquid products .