Porównanie efektywności wnikania masy dla mieszadeł z napowietrzaniem bełkotkowym

Mieszanie mechaniczne z jednoczesnym napowietrzaniem jest ważnym procesem przemysłowym [1]. Znajduje ono zastosowanie m.in. w procesie oczyszczania ścieków. Dlatego nadal trwają badania mające na celu udoskonalenie już istniejących typów mieszadeł lub skonstruowanie nowych, bardziej efektywnych mieszadeł. Przez efektywność mieszadła w procesie wnikania masy rozumie się najczęściej osiągniecie jak największych wartości współczynnika wnikania masy (lub strumienia przenikającej masy) przy jak najmniejszych nakładach energetycznych. Jednak przy tak sformułowanym problemie można zdefiniować wiele funkcji celu, niezbędnych do obliczeń optymalizacyjnych. Najprostszą z nich jest [2, 3]: Ef=(w1kkla)/(w2 Pg).W powyższej zależności kLa jest objętościowym współczynnikiem wnikania masy, PG mocą mieszania podczas napowietrzania, a w1 i w2 oznaczają wagi przykładane do wnikania masy i mocy mieszania (w1 + w2 = 1). Jednak mimo swej prostoty (np. nie jest wymagana normalizacja), tak sformułowana funkcja celu często prowadzi do matematycznie słusznego wniosku, że najefektywniej pracuje mieszadło przy małej częstości obrotowej. Z procesowego punktu widzenia nie jest do dobre rozwiązanie, gdyż strumień masy w tych warunkach jest również mały. Dlatego też w niniejszej pracy zdecydowano się następująco zdefiniować funkcję celu : Ef=w1 kLa-w2 PG=w1 kLa/(kLa\max)- w2 PG/PG max Aby użyć zależności (2) należy najpierw przeprowadzić normalizację, tzn. podzielić wartości kLa i PG przez największe wartości (kLa)max i PGmax występujące we wszystkich porównywanych układach. Ponieważ zarówno kLa, jak i PG zależą od parametrów procesowych takich jak częstość obrotowa mieszadła N i objętościowe natężenie przepływu gazu V, to najpierw należy określić te zależności. Celem niniejszej pracy jest porównanie obliczonych na podstawie równania (2) efektywności wnikania tlenu z pęcherzyków powietrza do wody dla kilku konstrukcji mieszadeł.

In the study the mass transfer efficiency for several types of impellers (a turbine-disc impeller, a turbine-disc impeller with a stator, a turbine impeller with bent rectangular paddles, a circulation impeller and an impeller with coiled helical rotary paddles) with sparger aeration was compared. The impeller efficiency was defined as follows: Ef=w1 kla-w2 PG=w1 kla/(kla\max)- w2 PG/PG max where: w1 and w2 - weighted values, kLa - volumetric mass transfer coefficient, PG - power consumption with aeration. The power consumption and volumetric mass transfer coefficient were determined as functions of process parameters (rotation frequency, gas flow, number of paddles). Next the maximum values of kLa and PG were calculated for normalization of equation. In this paper equal values w1 = w2 = 0.5 were assumed (the power consumption and mass transfer have the same weight). The greatest efficiency in the investigated scope of process variables may be attributed to a circulation impeller and a turbine impeller with bent rectangular paddles with a stator. A particularly high efficiency is attained by those impellers in the range of high rotation frequencies. Nevertheless, at this point one may observe the process ofdestruction of microorganism structures. Hence, an impeller with six coiled helical rotary paddles, working effectively in the range of smaller rotation frequencies, is suitable for aeration of biological suspensions. The results for other weighted values are not presented in this paper but impeller rating is the same. For w1 = 0.25 maximum values are shifted in small rotational frequency direction and for w1 = 0.75 the situation is opposite. The impeller with coiled helical rotary paddles will be investigated.