Математическое моделирование и оптимизация процесса термофлотационного разделения суспензий

• Автор: Дудаков, Владислав Петрович
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Тамбов
• Количество страниц: 131 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. Содержание диссертации, основные

идеи, научная новизна и практическая значимость

Глава 1. Математическое моделирование процессов

флотационного разделения суспензий

1.1. Основные принципы флотационного разделения

суспензий

1.2. Экономическая эффективность термофлотации

в комплексных технологических процессах

1.3. Модели образования и роста пузырьков

1.4. Модели взаимодействий в комплексе пузырекчастица

1.5. Модель транспорта твердой фазы
1.6. Модель абсорбции газовой смеси
1.7. Модель десорбции газовой смеси
1.8. Модульный принцип построения модели Выводы по главе 1 и постановка задач
диссертационного исследования
Глава 2. Экспериментальные исследования
2.1. Материалы и методы
2.2. Экспериментальные установки для изучения
процессов флотации
2.3. Кинетика образования и роста пузырьков
2.4. Распределение пузырьков по размерам и
динамика его изменения
2.5. Эксперименты по разделению микробиологических
суспензий
Выводы по главе 2
Глава 3. Математическая модель процесса
термофлотационного разделения
3.1. Анализ сил, действующих на комплекс
пузырекчастица
3.2. Представление термофлотатора в виде
ячеечной модели
3.3. Описание модулей математической модели
3.4. Алгоритм расчета уравнений модели и его описание
3.5. Идентификация модели и проверка ее
адекватности реальному процессу
3.6. Исследование режимов ведения процесса термофлотации
Выводы по главе 3
Глава 4. Оптимизация работы термофлотатора
в технологическом процессе
4.1. Общая постановка задачи оптимизации
4.2. Задача оптимизации конструктивных параметров
и технологических режимов термофлотатора
4.3. Описание метода оптимизации
4.4. Результаты оптимизации
Выводы по главе 4
Выводы по диссертации
Литература


Построение математической модели на основе этих принципов, ее экспериментальная проверка и решение с ее использованием практически важных задач выбрано в качестве основной задачи диссертационного исследования. Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию кинетики роста газового пузырька и анализу сопряженных явлений. Для этой цели разработана экспериментальная установка, включающая: флотационный резервуар с прозрачными боковыми стенками, термостат с системой поддержания температуры греющего агента, устройство позиционирования системы видеонаблюдения, видеокамеру с дополнительной насадкой для наблюдения объектов малого размера. В ходе экспериментов выяснены: распределения газовых пузырьков по диаметрам в различные моменты времени, зависимости для роста диаметров пузырей в процессе подъема в верхние слои аппарата, зависимости скорости всплывания пузырей от их размеров и частоты образования пузырьков от интенсивности нагрева суспензии. Полученные в этой главе экспериментальные данные использованы в следующих разделах диссертации для идентификации и проверки адекватности математических моделей. Третья глава диссертации посвящена разработке математической модели процесса термофлотационного разделения суспензий. Модель реализована в виде программы на языке Ое1рЫ и позволяет рассчитывать концентрации суспензии по высоте аппарата при заданных расходе и концентрации суспензии, температуре и газонасыщении во входном потоке, а так же режимных параметрах ведения процесса. Модуль взаимодействий пузырька и частицы позволяет рассчитывать силы взаимодействия в этом комплексе. В модуле абсорбции газовой смеси рассчитывается общий объем выделившегося газа и количество пузырьков. Расчет концентрации суспензии в верхней и нижней частях аппарата и построение профилей осуществляется в модуле транспорта твердой фазы. Изменение размеров пузырька в процессе всплывания учитывается в модуле изменения формы пузыря. Модуль десорбции позволяет описать процесс выделения газа. Идентификация и проверка адекватности математической модели проводилась с использованием экспериментальных данных полученных на установке и полупромышленном оборудовании. Проведенные исследования позволили считать математическую модель пригодной для дальнейшего практического использования. С помощью математической модели проведено исследование технологических режимов работы аппарата, проанализировано влияние на процесс таких факторов как температура нагрева суспензии, высота слоя жидкости в аппарате. В четвертой главе поставлена практически важная задача оптимизации процесса - максимизация экономического эффекта применения термофлотации для разделения суспензий. Решения задачи оптимизации позволило выявить значение технологических параметров процесса. В списке литературы приведены основные источники по теме диссертации, а так же работы самого автора. ГЛАВА 1. Разделение суспензий - одна из важнейших проблем в биотехнологии, а также в химической, микробиологической и других отраслях промышленности. Существует определенный класс суспензий, для разделения которых применение традиционных методов мало эффективно или вообще невозможно (Арзамасцев ; Арзамасцев ; Арзамасцев и Дудаков ; Работнова и др. Речь идет о суспензиях с близкими физическими характеристиками и малым размером частиц (т. Малиновская , ; Сандуляк ). Повышение эффективности разделения таких суспензий возможно на основе использования метода термофлотации. Термофлотацией будем называть процесс транспорта частиц твердой фазы (в нашем случае клеток микроорганизмов или их агломератов) в верхнюю часть аппарата посредством газовых микропузырьков, образованных в результате нагрева суспензии. Оценим экономическую эффективность термофлотационного процесса. Для этого сравним затраты на концентрирование биомассы классической сушкой и сушкой с предварительной термофлотацией, структурные схемы обоих процессов см. Рис. Структурная схема процессов разделения суспензий с использованием термофлотации и без использования термофлотации.