Theoretical Foundations of Chemical EngineeringTheoretical Foundations of Chemical EngineeringТеоретические основы химической технологии0040-35713034-6053The Russian Academy of Sciences65281710.31857/S0040357124020108CTSVRUArticlesСтатьиResearch ArticleИнтенсификация массообмена в газожидкостном аппарате с мешалкойИнтенсификация массообмена в газожидкостном аппарате с мешалкойВойновН. А.
Russian Federation
n.a.voynov@mail.ruФроловА. С.
Russian Federation
n.a.voynov@mail.ruБогатковаА. В.
Russian Federation
n.a.voynov@mail.ruЖуковаО. П.
Russian Federation
n.a.voynov@mail.ruСибирский государственный университет науки и технологии им. академика М.Ф. Решетнёва2304202458222222902022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0040-3571/article/view/652817

Исследован новый способ диспергирования газа из открытой полости вихря в локальные зоны с пониженным давлением в жидкости за вращающимися лопатками мешалки. Установлено оптимальное расстояние между лопастными мешалками на валу, обеспечивающие интенсификацию массообмена при меньшей мощности на перемешивание. Показаны условия, позволившие увеличить значения коэффициента массоотдачи, которые подтверждены численным моделированием. Представлены экспериментальные значения мощности, газосодержания, диаметра пузырьков газа и величины коэффициента массоотдачи в аппарате с мешалкой, реализующем предложенный способ диспергирования.

Исследован новый способ диспергирования газа из открытой полости вихря в локальные зоны с пониженным давлением в жидкости за вращающимися лопатками мешалки. Установлено оптимальное расстояние между лопастными мешалками на валу, обеспечивающие интенсификацию массообмена при меньшей мощности на перемешивание. Показаны условия, позволившие увеличить значения коэффициента массоотдачи, которые подтверждены численным моделированием. Представлены экспериментальные значения мощности, газосодержания, диаметра пузырьков газа и величины коэффициента массоотдачи в аппарате с мешалкой, реализующем предложенный способ диспергирования.

мощность на перемешиваниедиссипация энергиилопастная мешалкачисленное моделированиегазосодержаниемежфазная поверхностькоэффициент массоотдачиScargiali F., Busciglio A., Grisafi F., Brucato A. Oxygen transfer performance of unbaffled stirred vessels in view of their use as biochemical reactors for animal cell growth // Chem. Eng. Trans. 2012. V. 27. P. 205. https://doi.org/10.3303/CET1227035Tsao G.T.N. Vortex behavior in the waldhof fermentor // Biotechnol. Bioeng. 1968. V. 10. № 2. P. 177. https://doi.org/10.1002/bit.260100206Соколов В.Н., Яблокова М.А. Аппаратура микробиологической промышленности. Л.: Машиностроение, 1988.Rao A., Kumar B., Patel A. Vortex behavior in an unbaffled surface aerator // Sci. Asia. 2009. V. 35. P. 183. https://doi.org/10.2306/scienceasia1513-1874.2009.35.183Scargiali F., Busciglio A., Grisafi F., Brucato A. Gas–liquid–solid operation of a high aspect ratio self-ingesting reactor // Int. J. Chem. Reactor Eng. 2012. V. 10. № 1. Р. 839–845. https://doi.org/10.1515/1542-6580.3011Poncin S., Nguyen C., Midoux N., Breysse J. Hydrodynamics and volumetric gas–liquid mass transfer coefficient of a stirred vessel equipped with a gas-inducing impeller // Chem. Eng. Sci. 2002. V. 57. № 16. P. 3299. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(02)00200-2Saravanan K., Mundale V.D., Joshi J.B. Gas Inducing Type Mechanically Agitated Contactors // Ind. Eng. Chem. Res. 1994. V. 33. № 9. P. 2226. DOI: https://doi.org/10.1021/ie00033a029Newell R., Grano S. Hydrodynamics and scale up in Rushton turbine flotation cells: Part 2. Flotation scale-up for laboratory and pilot cells // Int. J. Min. Process. 2006. V. 81. № 2. P. 65. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2006.07.002Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976.Busciglio A., Caputo G., Scargiali F. Free-surface shape in unbaffled stirred vessels: Experimental study via digital image analysis // Chem. Eng. Sci. 2013. V. 104. P. 868. https://doi.org/10.1016/j.ces.2013.10.019Deshpande S.S., Kar K.K., Walker J., Pressler J., Su W. An experimental and computational investigation of vortex formation in an unbaffled stirred tank // Chem. Eng. Sci. 2017. V. 168. P. 495. https://doi.org/.1016/j.ces.2017.04.002Ciofalo M., Brucato A., Grisafi F., Torraca N. Turbulent flow in closed and free-surface unbaffled tanks stirred by radial impellers // Chem. Eng. Sci. 1996. V. 51. № 14. P. 3557. https://doi.org/10.1016/0009-2509(96)00004-8Rielly C.D., Evans G.M., Davidson J.F., Carpenter K.J. Effect of vessel scaleup on the hydrodynamics of a self-aerating concave blade impeller // Chem. Eng. Sci. 1992. V. 47. № 13–14. P. 3395. https://doi.org/10.1016/0009-2509(92)85050-LHsu Y.C., Chen T.Y., Chen J.H., Lay C.W. Ozone Transfer into Water in a Gas-Inducing Reactor // Ind. Eng. Chem. Res. 2002. V. 41. № 1. P. 120. https://doi.org/10.1021/ie0101341Conway K., Kyle A., Rielly C. Gas–liquid–solid operation of a vortex-ingesting stirred tank reactor // Chem. Eng. Res. Des. 2002. V. 80. № 8. P. 839. https://doi.org/10.1205/026387602321143372Hsu Y.C., Huang C.J. Characteristics of a new gas-induced reactor // AIChE J. 1994. V. 42. № 11. P. 3146.Joshi J.B., Sharma M.M. Mass transfer and hydrodynamic characteristics of gas inducing type of agitated contactors // Can. J. Chem. Eng. 1977. V. 55. № 6. P. 683. https://doi.org/10.1002/cjce.5450550609Forrester S.E., Rielly C.D. Modelling the increased gas capacity of self-inducing impellers // Chem. Eng. Sci. 1994. V. 49. № 24. P. 5709. https://doi.org/10.1016/0009-2509(94)00322-XHeim A., Krasawski A., Rzyski E., Stelmach J. Aeration of bioreactors by self-aspirating impellers // The Chem. Eng. J. Biochem. Eng. J. 1995. V. 58. № 1. P. 59. https://doi.org/10.1016/0923-0467(94)06093-2Хультхольм С-Э., Юсела М., Лилья Л., Нюман Б. Перемешивающий аппарат и способ перемешивания газа в закрытом реакторе. Пат. ЕА003815В1. 2003.Войнов Н.А., Земцов Д.А., Фролов А.С. Способ насыщения жидкости газом в аппарате с мешалкой. Пат. 2790167 РФ. 2023Voinov N.A., Frolov A.S., Bogatkova A.V., Zemtsov D.A., Zhukova O.P. Method for Intensive Gas–Liquid Dispersion in a StirredTank // Chem. Eng. 2023. V. 7. № 2. P. 30. https://doi.org/10.3390/chemengineering7020030Хабибрахманов Р.Б., Мухачев С.Г. Особенности мощностных и массообменных характеристик биореактора с дисковыми перфорированными мешалками // Изв. вузов. Прикл. химия и биотехнол. 2019. Т. 9. № 4. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-4-737-749 [Khabibrakhmanov R.B., Mu- khachev S.G. Features of the powerful and mass exchange characteristics of a bioreactor with disk perforated mixers // Izv. universities. Graff. Chemistry and biotechnology. 2019. T. 9. № 4. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-4-737-749]Scargiali F., Busciglio A., Grisafi F., Brucato A. Simplified dynamic pressure method for measurement in aerated bioreactors // Biochem. Eng. J. 2010. V. 49. № 2. P. 165. https://doi.org/10.1016/j.bej.2009.12.008Scargiali F., Russo R., Grisafi F., Brucato A. Mass transfer and hydrodynamic characteristics of a high aspect ratio self-ingesting reactor for gas–liquid operations // Chem. Eng. Sci. 2007. V. 62. № 5. P. 1376. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.11.040Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976.Вознесенский А.С. Компьютерные методы в научных исследованиях. Часть 2. М.: МГГУ, 2010.El-Behery S.M., Hamed M.H. A comparative study of turbulence models performance for separating flow in a planar asymmetric diffuser // Comput. Fluids. 2011. V. 44. № 1. P. 248. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2011.01.009