Prof. dr hab. inz. Jerzy K am ienski P olitechnika K rakow ska
Krakow, dnia 16 pazdziem ika 2013 r.
R E C E N Z J A
pracy doktorskiej mgr inz. Agaty Malysiak pt.: „Wybrane zagadnienia przenoszenia skali w krystalizatorach z wewn^trzn^ cyrkulacjq zawiesiny”
Prom otor: prof. dr hab. inz. P iotr M. Synowiec
1. Przedmiot і zakres pracy
R ecenzow ana praca dotyczy zagadnien pow i^kszania skali krystalizatorow , w ktorych cyrkulacja roztw oru je st w ym uszana przez m ieszadlo, z w ykorzystaniem do tego metod numerycznej dynam iki plynow CFD.
Zostala ona zredagow ana w cztem astu rozdzialach, о roznym znaczeniu dla wartosci rozprawy. O tw iera jq. w prow adzenie, po ktorym w nast^pnych dw och rozdzialach D oktorantka omawia, w oparciu о literature, zagadnienia zwi^zane ze zmianq. skali aparatow z mieszadlami, prezentuj^c na tym tie aktualny stan w iedzy w odniesieniu do rozpatryw anych krystalizatorow. Przedstaw ia ogolne zasady і pragm atyke postepowania. Pokazuje ja k zm ieniaj^ sie wielkosci charakteryzujcj.ce przebieg procesu, zaleznie od przyj^tych kryteriow zm iany skali. Szczegolnq uwage posw i^ca procesow i krystalizacji, m ozliw ym podejsciom do pow iykszania jego skali і ich rezultatom . R ozw azania te podsum ow uje w nastypnym rozdziale.
Pi^ty rozdzial pracy posw i^ca zastosow aniu num erycznej m echaniki plynow w m odelow aniu transportu pedu, m asy і energii. Podaje tutaj row nania rozniczkow e opisuj^ce w sform alizow any sposob zasady zachow ania tych w ielkosci, sposoby ich dyskretyzacji oraz rodzaje stosow anych siatek. Pokrotce om aw ia najcz^sciej stosow ane m odele burzliwosci, przedstawiaj^c takze m ozliw e sposoby m odelow ania przeplyw ow wielofazow ych.
W oparciu о w nioski w ynikaj^ce z rozeznania literaturow ego, w kolejnym rozdziale form uluje cel і zakres pracy.
W dalszej cz^sci rozpraw y rozpatruje kw estie przenoszenia skali w procesach krystalizacji pod kcjtem w yboru w lasciw ych param etrow hydrodynam icznych і kinetycznych tego procesu. Za miarodajncj przyjm uje intensyw nosc cyrkulacji roztw oru w aparacie, wyrazancj poprzez pierw otny czas jej trw ania. K orzystaj^c z najcz^sciej uzyw anych kryteriow przenoszenia skali, analizuje ja k ten czas zm ienia w raz z rozm iaram i krystalizatora і ja k to w plyw a to na kinetyke samego procesu.
W osm ym rozdziale rozpatruje konstrukcje krystalizatorow z w ew n^trzn^ cyrkulacja zaw iesiny w ym uszan^ przez m ieszadla, pod kcjtem ich budow y, geom etrii і proporcji wymiarow. W yniki tych rozw azan w ykorzystuje przy w yborze aparatow stanow i^cych przedm iot badan w dalszej cz^sci pracy. N ajpierw opisuje badania laboratoryjne dotycz^ce czasu trw ania pierwotnej cyrkulacji zaw iesiny, w ykonane dla potrzeb w eryfikacji w ynikow sym ulacji num erycznych oraz
danych literaturowych. Prezentuje tutaj stanow isko badaw cze, m etodyk? badan, uzyskane w nich rezultaty і ich analiz?. W kolejnych rozdzialach, stanow i^cych m oim zdaniem najwazniejszq. cz?sc rozpraw y, zajm uje si? m odelow aniem num erycznym krystalizacji w aparatach о roznej skali, w rozdziale jedenastym - z zachow anym pelnym ich podobienstw em geom etrycznym , a w dw unastym - niecalkow itym . Sym ulacje w ykonala dla roznych m ediow , przy w ykorzystaniu roznych kryteriow przenoszenia skali. W rezultacie D oktorantka otrzym ala dane dotycz^ce wybranych, najistotniejszych param etrow m ieszania, w krystalizatorach о roznej obj?tosci. Przedstaw ila і szczegolow o om ow ila row niez rozklady st?zen zaw iesiny oraz granicznych, najm niejszych і najw i?kszych krysztalow w tych aparatach. Poniew az w yniki uzyskane w podobnych geom etrycznie krystalizatorach nie byly satysfakcj0nuj3.ce, dalsze symulacje w ykonala dla takich ich rozw i^zan, w ktorych niezaleznie od obj?tosci, szczelina mi?dzy m ieszadlem a П1Г3. cyrkulacyjn^ m iala tak^ sam ^szerokosc.
Prac? zamykajq. rozw azania koncow e і podsum ow anie, po ktorych podano bibliografi? obejm uj^c^ 1 2 1 pozycji literatury, glow nie specjalistycznej.
Calosc liczy 169 stron tekstu, w tym 39 rysunkow w postaci: zdj?c, schem atow і wykresow oraz 2 0 tabel zestaw ieniow ych.
2. Ocena pracy
Poznaw anie і badanie procesow je st tradycyjnie realizow ane w drodze ich m odelow ania fizycznego, w m alej, zw ykle laboratoryjnej skali. U zyskane w ten sposob wyniki trzeba potem przeniesc na obiekty rzeczyw iste. O golne zasady tego post^pow ania podaje teoria podobienstwa. W ynika z niej jednoznacznie, iz w ym aga to zachow ania pelnej zgodnosci, obejmuj^cej wszystkie rodzaje і kryteria podobienstw a. N iestety, w praktyce je st to m ozliw e bardzo rzadko, tylko w odniesieniu do najprostszych procesow . Przy bardziej zlozonych m ozna zachowac jedynie podobienstw o przyblizone, spr0w adzaj3.ce si? do utrzym ania row nosci wybranych kryteriow, najw azniejszych dla danego procesu. D la zm niejszenia ryzyka popelnienia bl?du, w ynikaj3cego z w plyw u w ielkosci aparatu na przebieg procesu, poz^dane je st w ykonanie analogicznych badan w wi?kszej skali, ale to w ydluza znacz^co czas і podnosi koszty.
K orzystanie z drugiego, altem atyw nego sposobu post?pow ania, jak im je st modelowanie m atem atyczne, ograniczaj^ trudnosci zwi^zane z rozw i3.zywaniem m odeli, m aj3cych na ogol postac zlozonych ukladow row nan rozniczkowych. N ie m ozna ich rozw i3zac w sposob scisly, a со najwyzej tylko w przyblizony, m etodam i num erycznym i. W ostatnich latach, dzi?ki szybkiem u rozw ojow i technik analizy numerycznej і m ocy obliczeniow ych kom puterow, staje si? to m ozliw e і coraz cz?sciej stosowane. Pom ocna je st tutaj num eryczna dynam ika plynow, w skrocie z angielskiego CFD, ktorej m etody w ykorzystyw ane S3_ w program ach komercyjnych. Prowadzone tak m odelow anie nazyw a si? um ow nie num erycznym . W porow naniu do fizycznego m a ono m i?dzy innym i t? zalet?, ze jeg o wyniki nie гаїещ od skali m odelow anych procesow і urz^dzen. Та niezaleznosc w rzeczyw istosci m a jednak tylko charakter formalny, bow iem wyniki sym ulacji w ym agaj3. w eryfikacji doswiadczalnej, wykonywanej na ogol w mniejszej skali, laboratoryjnej. Tym sam ym takze tutaj kw estia przenoszenia skali odryw a istotn3_rol? і pow inna bye zaw sze brana pod uwag?.
W tym kontekscie uw azam , ze tem atyka pracy doktorskiej m gr inz. A gaty M alysiak zostala w ybrana trafnie, je st interesuj^ca z poznaw czego punktu w idzenia і w azna przy przem yslow ych aplikacjach w ynikow badan. D otyczy ona przenoszenia skali krystalizatorow , w ktorych w ew n?trzna cyrkulacja zaw iesiny je st w ym uszana przez m ieszadlo. Zagadnienie to je st bez W3tpienia trudne і zlozone, a znane podejscia і stosowane kryteria s^ d alece niedoskonale.
D oktorantka w swojej pracy podj?la prob? popraw y tego stanu, w ykorzystujqc do tego m odelow anie num eryczne przeplyw u w krystalizatorze. Poprzedzila je analizq stosowanych m etod przenoszenia skali w odniesieniu do aparatow z m icszadlam i, prowadzqc dalej teoretyczne rozw azania nad w yborem odpow iedniego param etru, charakteryzujqcego zarow no hydrodyna- m ik?, ja k і kinetyk? krystalizacji, ja k i pow inien bye uw zgl?dniany przy przenoszeniu wynikow badan laboratoryjnych na obiekty przem yslow e. Za taki param etr uznaia czas trw ania cyrkulacji pierwotnej w aparacie, b?dqcy m iarq jej intensywnosci. Przyjm ujqc dalej stosow ane powszechnie w praktyce kryteria przenoszenia skali, takie jak: zachow anie stalej pr?dkosci obwodowej m ieszadla bqdz jednostkow ej m ocy m ieszania, sprawdzila, w jak im stopniu wielkosc krystalizatora w plyw a na ten czas, a w konsekw encji і na kinetyk? procesu.
Juz na tym etapie pracy stw ierdzila, ze przy tych kryteriach і zachow aniu pelnego podobienstwa geom etrycznego, nie je st m ozliw e uzyskanie takiego samego czasu cyrkulacji w aparatach о roznej pojem nosci, a w slad za tym і takiego samego przebiegu krystalizacji.
Dla takich w arunkow przeprow adzila row niez obliczenia num eryczne obejmujq.ee podobne krystalizatory о roznej obj?tosci, przy przeplyw ie przez nie roztw oru siarczanu amonu pozbaw ionego krysztalow oraz w postaci zaw iesiny m onodyspersyjnej і polidyspersyjnej. W rezultacie otrzym ala dane dotyczqce najw azniejszych param etrow m ieszania, Iqcznie z wybranym jako dodatkow e kryterium oceny - czasem cyrkulacji, a takze obrazy rozkladow st?zen krysztalow zaw iesiny w aparatach. Posluzyly one do dalszych porow nan, a w odniesieniu do czasu cyrkulacji row niez w eryfikacji doswiadczalnej. Zgodnie z przew idyw aniem wyniki otrzym ane w podobnych geom etrycznie krystalizatorach byly niezadowalajq.ee z punktu widzenia kinetyki procesu. D la zw i?kszenia intensyw nosci cyrkulacji, w kolejnym etapie Doktorantka zrezygnow ala z utrzym yw ania pelnego podobienstw a geom etrycznego, przyjm ujqc we w szystkich aparatach stalq szerokosc szczeliny m i?dzy m ieszadlem a rurq. cyrkulacyjnq.
Symulacje pokazaly, ze prow adzi to jedynie do nieznacznego skrocenia czasu cyrkulacji. Z przyj^tych kryteriow pow i^kszania skali „lepszym ”, bo dajqeym m niejsze w ydluzenie czasu cyrkulacji, okazalo siq bye utrzym yw anie stalej jednostkow ej m ocy m ieszania. Idqc dalej D oktorantka przeprow adzila obliczenia zmieniajqc szerokosc tej szczeliny, stwierdzajqc niew ielkie zm iany czasu cyrkulacji і w yst^pow anie zakresow , w ktorych osiqga on nieco nizsze wartosci, m aksym alnie о okolo 10%.
Stosujqc przyj^te kryteria pow iykszania skali nie jest, wi^c m ozliw e utrzym anie rownie intensywnej cyrkulacji w w i^kszych aparatach, warunkujqeej pozqdany przebieg tw orzenie si? krysztalow і ich w zrostu. Potw ierdzilo to znane ju z fakty і spostrzezenia Doktorantki, wynikajqee z analizy stanu w iedzy w tej dziedzinie і jej rozw azan poprzedzajqcych badania. Jezeli czas cyrkulacji stanow i w skaznik jakosci przebiegu procesu, і skoro je st on odwrotnie proporcjonalny do cz?stosci obrotow mieszadla, to jedynie utrzym anie takich sam ych cz?stosci, m oze dawac row nie intensyw ne przeplyw y w aparatach о roznej skali. Takie rozwiqzanie prow adzi jed n ak do znacz^cego w zrostu jednostkow ej m ocy m ieszania (proporcjonalnie do kw adratu m iary skali), a tym sam ym і niepozqdanego, w i?kszego scierania si? krysztalow, nie m owiqc ju z о law inow o rosnqcych kosztach eksploatacyjnych.
W tej sytuacji D oktorantka proponuje nader ryzykowne rozw iqzanie, sprowadzajqee si? do calkowitej rezygnacji z zachow ania podobienstw a geom etrycznego oraz kryteriow zm iany skali na rzecz intuicyjnego podejscia do tego zagadnienia. Ilustruje to przykladem pokazujqeym, ze wykonujqc badania w zupelnie innym aparacie pod w zgl?dem ksztaltu і budowy, najlepiej najprostszym m ieszalniku z przegrodam i, pozbaw ionym rury cyrkulacyjnej, ale za to majqeym przegrody, z uzyciem innego, bardziej energochlonnego niz w rzeczyw istosci mieszadla,
zwi?kszaj^c jeszcze dodatkow o m oc m ieszania, m ozna uzyskac w rzeczywistym krystalizatorze praktycznie taki sam czas cyrkulacji.
Takie podejscie burzy podstaw y teorii podobienstw a, obow i^zuj^ce zasady post?pow ania stawia pod znakiem zapytania, nie je st do przyj?cia ze w zgl?dow merytorycznych, a і jego przydatnosc aplikacyjna je st row nie w ^tpliw a. Zdaj^c si? na tak^ dow olnosc nie m a zadnej pewnosci, ze w innych przypadkach uzyska si? podobny efekt. Uwazam , ze nalezaloby raczej poszukiwac rozw i^zan zm ieniaj^c kryterium przenoszenia skali, na przyklad zachow uj^c stal^. wartosc liczby Froude'a.
В іощ с pod uw ag? calosc pracy oceniam j ^ pozytywnie. To, ze nie udalo si? uzyskac spektakulam ych w ynikow nie zalezalo od D oktorantki, ani od jej zaangazow ania. Z racji trudnej і zlozonej problem atyki, praw dopodobienstw o sukcesu od pocz^tku bylo m ale, і podejm uj^c t? tem atyk? m ozna bylo si? z tym liczyc.
N ie w szystko w tej pracy zostalo dostatecznie w yjasnione і jasn o przedstaw ione. N ie jest takze ona w olna od drobnych bl?dow і pom ylek, w ynikaj^cych glow nie z niedostatecznie starannej korekty.
1. W ^tpliwosci budzi sposob, w ja k i wyznaczano czas cyrkulacji w badaniach eksperymental- nych. Pow inien to bye czas m i?dzy pojaw ieniem si? kolejnych dw och m aksim ow w przebiegu krzywej zm ian przew odnictw a cieczy. N a przedstaw ionych w ykresach m ozna si? dopatrzyc, со najwyzej dw och takich m aksim ow , na niektorych tylko jednego (rys. 9.6). Co wi?cej dokladnosc, z ja k ^ to robiono m usiala bye niewielka, skoro pom iary nast?pow aly со sekund?. 2. Z tabeli 9.2 w ynika, ze w badaniach eksperym entalnych pr?dkosc obw odow a lopatek
m ieszadla w ynosila 4 m /s, natom iast symulacje num eryczne w ykonano dla pr?dkosci 5,1 m/s. W aparatach о obj?tosci 11 dm 3, w badaniach m ieszadlo m ialo inn^, m niejsz^ srednic? (0,065 m) od przyj?tej w sym ulacjach (0,084 m). Co uzasadnialo taki w ybor tych param etrow ?
3. W pracy brakuje inform acji, czym kierow ano si? w obliczeniach num erycznych wybieraj^c taki a nie inny m odel turbulencji, ja k m odelow ano warstw ? przysciennq., ja k post?pow ano z siatk^zm ieniaj^c w ielkosc krystalizatora, czy pow i?kszano odpow iednio jej elementy, czy tez nie zm ieniano ich w ielkosci, a tylko zw i?kszano liczebnosc elem entow ? K azda zm iana w tym zakresie moze, bow iem w plyw ac na wyniki symulacji, a w ykorzystany w pracy model turbulencji k-e daje na ogol zanizone w artosci dyssypowanej energii.
4. W ykladnik przy ulam ku m asow ym w row naniu Zw ieteringa pow inien m iec wartosc 0,13. W yliczone z tego row nania m inim alne cz?stosci obrotow dotycz^ zupelnie innego przypadku niz rozpatryw any w pracy, a m ianow icie innego rozw i^zania m ieszadla (HE-3) tlocz^cego ciecz w dol і pracuj^cego w cylindrycznym zbiom iku z przegrodam i і bez rury cyrkulacyjnej. 5. D oktorantka w rozdziale 11 poprzestala na w yznaczeniu pr?dkosci opadania cz^stek, a
przeciez w centralnej cz?sci krystalizatora m a m iejsce pionow y przeplyw zawiesiny. Powinno si? wi?c okreslic pr?dkosc zaw isania krysztalow, uw zgl?dniaj^c przy tym oddzialywanie scianek rury cyrkulacyjnej (w plyw srednicy), a nast?pnie na tej podstaw ie pr?dkosc konieczn^ do ich transportow ania.
6. N iektore w ielkosci і sform ulow ania w pracy s^niew lasciw e. Przykladem m oze bye:
cz?stosc obrotow m ieszadla nazyw ana roznie - pr?dkosciq. obrotow , pr?dkosci^ obrotow ^ m ieszadla, cz?stotliw osci^ m ieszania,
liczba w ydajnosci przeplyw u cyrkulacyjnego nazyw ana liczby cyrkulacji, szczelina m i?dzy m ieszadlem а гищ. cyrkulacyjn^ nazyw ana nadlopatkow ^,
dno elipsoidalne okreslane jak o eliptyczne,
czy m ow ienie о ,,w pelni zoptym alizow anym krystalizatorze” .
7. We wzorze (2.4) stosunek srednic m ieszadel pow inien w yst?pow ac w pot?dze -2/3, a nie -3/2. Przy przeksztaiceniu w zorow (7.24) і (7.26) do postaci (7.27) w m iejscu znaku rownosci pojaw ia si? znak przyblizenia.
W ediug danych z tabel 11.1 і 11.2 m ieszadla о takich sam ych srednicach, przy roznych cz?stosciach obrotow m a j^ ta k ^ sa m ^ p r? d k o sc obwodow^.
N a str.143 D oktorantka opisuje punkt odpowiadaj^cy stosunkow i d,/d = 1,38 lez^cy na rys.12.5, ktory obejm uje tylko zakres 1-Й ,16.
Szerokosc szczeliny m i?dzy m ieszadlem a rur^ cyrkulacyjn^w ynosi (dr-d)/2, a nie ja k podano
d f ~ d
.
8. W ykresy s^ b ard z o m ale і slabo czytelne. W niektorych opisach osi brakuje jednostek, inne nie do odczytania, chocby row nania krzywych na rys. 12.6. S ^ te z rysunki niepotrzebne, nie nie w nosz^ce, np. rys. (7.2) obrazuj^cy przebiegi (7.10), (7.11).
T? uwag? m ozna cz?sciow o rozszerzyc na prezentacj? w ynikow sym ulacji numerycznych, ktora w ygl^da m oze і bardziej efektownie, niz w ynikow eksperym entalnych, ale jest od nich jeszcze mniej czytelna. M am na m ysli rys. 11.1 -s- 11.3 і 11.6 + 11.8, prezentuj^ce т а р у konturow e rozkladow st?zen krysztalow , ktorych postac je st narzucona przez wykorzystywane oprogram ow anie. A paraty w ielokrotnie гогпщсе si? gabarytami nie dose, ze m ajq na tych rysunkach tak^ samq. w ielkosc, to jeszcze roznq. si? skal% kolorow , со bardzo utrudnia w szelkie porow nania. Przykladow o w w i?kszych krystalizatorach w arstew ka krysztalow na dnie je st ledwo w idoczna і znacznie ciensza niz w m niejszych aparatach, a rzeczywistosci jest zupelnie inaczej. Zroznicow anie w ielkosci aparatow na rysunkach ulatw iloby ich analiz?, a to m ozna bylo probow ac zrobic.
3. Wniosek koncowy
Oceniaj^c prac? doktorsk^ Pani m gr inz. Agaty M alysiak pt.: „W ybrane zagadnienia przenoszenia skali w krystalizatorach z w ew n?trzn^ cyrkulacjq. zaw iesiny” stwierdzam, ze spelnia ona w ym ogi staw iane rozpraw om doktorskim przez U staw ? о stopniach naukow ych і tytule naukow ym oraz о stopniach і tytule w zakresie sztuki z 14 m arca 2003 roku.
D oktorantka posiadla potrzebn^ w iedz^ z zakresu m ieszania і krystalizacji, numerycznej m echaniki plynow oraz um iej?tnosc prow adzenia pracy naukow ej. Jej praca doktorska poszerza spojrzenie na kw estie przenoszenia skali krystalizatorow z m ieszadlam i wymuszaj^cym i w ew n?trzn^ cyrkulacj? zaw iesiny, przez uw zgl?dnienie aspektow hydrodynam icznych oraz kinetycznych procesu і w ykorzystanie do tego m odelow ania num erycznego.
Zagadnienia podniesione w uw agach nie m aj^ w i?kszego w plyw u na otrzym ane wyniki, dotycz^ w duzej m ierze spraw form alnych і porz^dkowych, a w i?c z punktu w idzenia oceny calosci - drugorz?dnych. Staw iam , zatem w niosek о przyj?cie tej pracy і dopuszczenie Pani mgr inz. A gaty M alysiak do jej publicznej obrony.
