Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Идентификация процессов переноса в сложных дисперсных системах 18
1.1. Теоретико-экспериментальное исследование физических явлений, связанных с процессами тепло и массопереноса 18
1.2. Идентификация математических моделей сложных физических явлений процессов переноса 27
1.3. Моделирование процессов переноса в сложных дисперсных системах 33
1.4. Анализ механизмов физических явлений на основе теории подобия и статистических методов 54
1.5. Оценивание параметров нелинейных моделей по данным экспериментальных исследований.., 65
ГЛАВА 2. Разрушение дисперсной фазы в турбулент ном потоке разбавленных эмульсий 79
2.1. Максимальный размер капель, устойчивых по отношению к дроблению, при перемешивании эмульсий в турбулентном режиме 81
2.2. Анализ механизма разрушения жидких капель в турбулентном потоке со сдвигом 100
2.3. Разрушение высоковязких капель жидкости в смесительных аппаратах с турбинными мешалками 116
ГЛАВА 3. Исследование механизмов коа лесценции капель дисперсной фазы в концентриро ванных жидкостных эмульсиях 142
3.1. Частота столкновении и слияний капель дисперсной фазы в турбулентном потоке неустойчивых эмульсий 146
3.2. Оценка эффекта гашения в концентрированных крупнодисперсных эмульсиях турбулентных пульсаций скорости 154
3.3. Обратное влияние концентрации дисперсной фазы на турбулентный поток эмульсии в трубопроводе 166
3.4. Анализ гидравлических особенностей однородных турбулентных течений неустойчивых эмульсий по трубопроводам 174
ГЛАВА 4. Расслоение концентрированных полидис персных эмульсий в трубопроводах и тех нологических аппаратах 187
4.1 Расчет остаточного содержания дисперсной фазы при отстаивании полидисперсных эмульсий 192
4.2. Оценка максимального размера капель, взвешивае мых в турбулентном потоке разбавленных эмульсий 206
4.3. Влияние концентрации дисперсной фазы на рас слоение турбулентных потоков жидкостных эмульсий 223
ГЛАВА 5. Математическое моделирование процессов переноса в неустойчивых эмульсиях .. 233
5.1. Моделирование квазигомогенных турбулентных чений концентрированных эмульсий 235
5.2. Процессы переноса в жидкостных эмульсиях при неоднородной коалесценции дисперсной фазы 244
5.3. Исследование переходного режима коалесценции в разбавленных жидкостных эмульсиях 258
5.4. Численный анализ формирования равновесного спектра капель в турбулентном сдвиговом потоке полидисперсных эмульсий 270
5.5. Теоретические предпосылки формирования энергосберегающих структур переноса количества движения и теплоты 287
5.6. Формирование математических моделей процессов переноса на основе типовых структурных элементов 292
Заключение- 299
Список использованных источников 303
- Идентификация математических моделей сложных физических явлений процессов переноса
- Анализ механизма разрушения жидких капель в турбулентном потоке со сдвигом
- Оценка эффекта гашения в концентрированных крупнодисперсных эмульсиях турбулентных пульсаций скорости
- Оценка максимального размера капель, взвешивае мых в турбулентном потоке разбавленных эмульсий
Введение к работе
"*
Актуальность проблемы. Научно-технический прогресс современного производства связан с неуклонным ростом разнообразных потребностей социального и промышленного развития страны Однако основные энергетические и сырьевые ресурсы производства не могуг возрастать в таком же темпе Поэтому производить новые вилы высококачественных продуктов нельзя без принципиально новых теплоэнергетических систем и установок, способных обеспечить необхо шмый уровень сбережения материальных ресурсов. Вместе с тем традиционные методы анализа сложных процессов переноса теплоты и массы, а также конструирования теплотехнического оборудования остаются недостаточно форматиюванными и надежными, чтобы обеспечить приемлемые сроки и качество новых промыштенных разработок
Дело в том. что сформировавшаяся к настоящему времени прогрессивная тенденция интенсификации технологических процессов ведет к постоянному усложнению конструкции аппаратов Классических представлении о процессах переноса в гетерогенных многофазных смесях становится недостаточно хтя обоснованного анатиза складывающихся при этом сложных совокупностей физических явлений Следовательно, привлечение общих аналитических методов расчета основных параметров для конкретной промышленной установки ограничено возможностями априорного обоснования ее физической модели
Затруднения с становлением и прогнозированием характера взаимосвязей основных и сопутствующих механизмов в сложных теплотехнических процессах обуславливают эвристический характер отработки конструкции промышленных установок Оптимизация технологического процесса средствами матемаїического моделирования при этом ограничена рамками принятых конструктивных решений И все же практика показывает, что изменение размеров даже геометрически подобных элементов конструкции аппаратуры может сопровождаться значительными изменениями самого характера процесса эффектами масштабного перехода
Поэтом) уже Hd стадии проектирования необходимо создавать условия, которые обеспечивают реализацию заданной структуры механизмов элементарных явлений, однозначно связанной с геометрическими и технологическими парамеїрами конструкции Закономерности, обусловленные такими механизмами, носят наиболее общий характер, их модельные параметры являются физическими константами и гораздо надежнее устанавливаются по отдельности на опытных установках Целевое использование типовых механизмов элементарных явлений позвотяет управлять сложностью и однозначно обосновывать структуру замкнутой математической моде ти
С другой стороны, типовые механизмы формируют физические представления, атекватные реализуемым конструкцией процессам тепло- и массопе-реноса Создается основа для совмещения физическою и математическою моделирования, которая позволяет устанавливать на основе теории размерностей и методов статистическою оценивания замыкающие соотношения Та-
гас НАЦИОНАЛЬНАЯ
3 еиЫШОТСКА
оа mL($tL
кие функциональные взаимосвязи не поддаются теоретическому анализу и дают приближенное представление о реальном характере взаимодействия элементарных явлений в составе сложного процесса переноса Нот терживае-мая этими инвариантными представлениями методология проектирования промышленной аппаратуры естественно создает средства и условия тля >ф-фективного применения чистенных мето 1ов математического моле іирования и оптимизации
Таким обраюм, единая методология математического моделирования и конструирования оборудования для сложных физико-химических систем открывает нетрадиционный путь переноса перспективных результатов теоретических и экспериментальных исследований в промышленные условия Но прежде необходимо разработать и формализовать средства структурирования сложных математических моделей процессов переноса и выдетения в них минимальных непротиворечивых совокупностей типовых структурных элементов, исходя из требований которые предъявлены к эффективности разрабатываемого технологического процесса и его аппаратурного оформления
Цель диссертационной работы. Установить возможности формирования энергосберегающих структур сложных процессов тепло- и массоперсноса, обусловленные особенностями и взаимодействием механизмов элементарных физических явлений Разработать методику прибтиженного моделирования сложных тисперсных систем Создать теоретические основы для разработки новых схем и оптимальных конструкций теплоэнергетических установок, обладающих улучшенными эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками
Направления исследований.
1.Теоретические исследования гидродинамики жидкостных тисперсных систем и интенсификации процессов тепло- и массопереноса в установках использующих тепло на основе современных методов системною анализа и теории подобия и размерностей
2.Анализ энергосберегающих факторов в процессах коалесценции дробления и седиментации капеть дисперсной фазы, опредетяюших эффективность процессов переноса в неустойчивых гетерогенных дисперсных системах теплоносителей из несмешивающихся жидкостей по имеющимся данным экспериментальных исследований
-
Изучение влияния концентрации и распределения по размерам капеть дисперсной фазы в турбу гентном потоке теплоносителя на энергетические затраты, связанные с перемещением, диспергированием и другими техно готическими приемами интенсификации тепло- и массопереноса
-
Проведение численных экспериментов и получение оценок интивнду-альных физико-химических констант, входящих в состав феноменологических моде гей процессов переноса в моно- . би- и поли тисперсных неустойчи вых жидкостных эму дьсиях
-
Разработка рекомендаций по обоснованию оптимальной структуры процессов переноса в теплотехническом оборудовании на основе элементарных физических "ИИЛепий"и" егл линовацию их скоростей протекания при чини-
-»» т *%- '.
мальных знеріетических заіратах
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
В работе использован современный системный подход к математическом) моделированию процессов переноса на основе анализа их как сложно оріани-зованных систем физико-химических явлений Выделены критерии классификации и построена иерархическая структура сложной мотели турбулентных течений неустойчивых эмульсий типовыми элементами которой являются частные модели механизмов >лементарны\ явлений Механизмы элементарных явлений устанавливались комбинированным анализом данных экспериментальных исследований с привтечением методов теории вероятностей и математической статистики, іеории подобия и анализа размерностей, а также иівєстньіх теоретических моделей хорошо зарекомендовавших себя на практике
Достоверность результатов теоретического анализа и обобщения большого числа экспериментальных исследований других авторов на всех стадиях математического моделирования поттверж-дается согласованием их с известными потожениями фундаментальных наук и результатами промышленной эксплуатации технологическою оборудования Формирование адекватных математических моделей и оценка их модельных констант многосторонне обоснованы физическими представлениями Проведение модельных и численных расчетов сопровождалось качественным анализом и сопоставлением их с экспериментальными данными, характеризующими реальные процессы
На защиту выносятся:
! Результаты анализа структуры сложных процессов переноса в дисперсных системах теплоносителей на основе механизмов элементарных физических явлений
2 Методика обоснования сложных феноменологических моделей с помо
щью комбинированного анализа экспериментальных данных на основе тео
рии подобия и методов статистического оценивания
3 Механизмы разрушения под воздействием турбулентных пульсаций
жидких капель, предварительно деформированных в поле сдвиговых напря
жений неотнорошото гурбу тентного потока в трубопроводах, а также в сме
сительных аппаратах с іурбинньїми мешалками
4 Модель эффекта гашения турбулентных путьсаций в крупнодисперсных
эмульсиях и влияния концентрации дисперсной фазы на частот) слияния ка
пель в неустойчивых эмульсиях
*> Режимы и модепи взвешивания частиц дисперсной фазы пульсациями скорости турбулентного потока сплошной среды в зависимости от характерных размеров концентрированных эмульсий
6 Модети и характеристики процессов расслоения в ламинарных и турбулентных потоках концентрированных полидисперсных эмульсий
Научная новизна. Предложен новый комбинированный подход к анализу с южных физико-химических явлений свяштных с процессами тепло и мас-сопереноса в гетерогенных системах несмешивающихся житкостей. Опреде-тены физические критерии декомпозиции и построена иерархическая струк-
іура моделей на основе механизмов элементарных іидродинамических и мас-сообменных явлений В качестве примера выделено шесть структурных типо-вых )лементов. которые представляют элементарные механизмы переноса в сложных феноменологических моделях
Автором создан метод теоретико-экспериментального исследования меха-пи імов сложных процессов тепло- и массопереноса в турбулентных течениях концентрированных полидисперсных эмульсий В качестве примеров рассмотрено выделение минимальной совокупности статисіически іначимьіх независимых переменных эмпирических и феноменологических мотелей дробления, коалесценції и и сетименіации капель дисперсной фазы Показаны возможности обоснования связанных с ними напядных физических представлений
С помошыо комбинированного анализа обобщены экспериментальные данные различных авторов Изучен механизм разрушения вязких капель турбулентными сдвиговыми течениями, выполнено обобщение теории резонансного разрушения капель А Н Колмогорова при деформировании в вытянутый эллипсоид Установленный ранее механизм разрушения вязких капель отмечен автором также в смеситетьных аппаратах с турбинными мешалками
Анализ данных по дроблению капель в турбулентных потоках обоснован фиіическими представлениями, уточнены константы частоты коалесценции в концентрированных эмульсиях Автором показано, что взаимодействие крупнодисперсных капель с турбулентным поюком сплошной среды носит динамический характер, который выражается эффектом ташения пульсаций скорости. Получена количественная оценка эффекта гашения, которая поттвер-ждается данными экспериментальных исследований Отмечено также что в мелкодисперсных системах преобладают вязкие напряжения, и взаимодействие фаз представлено в основном эффективными реологическими характеристиками
Изучено расслоение ламинарных и турбулентных потоков концентрированных полидисперсных эмульсий Выполнен структурный анализ механизмов взвешивания частиц дисперсной фазы турбулентными пульсациями сплошной среды Получены формулы для расчета размеров мелко- и крупнодисперсных капель, взвешиваемых турбулентным потоком
На основе развитых в работе структурных представлении в іурбутентньїх сдвиговых потоках мелкодисперсных эмульсий установлено существование динамического равновесия Исходя из механизмов элементарных процессов обоснована математическая модель формирования равновесною спектра капель Автором выполнено чис іенное исследование перехотных спектров размеров капель на основе нелинейного иніегро-дифференциальноіо уравнения описывающего коалесценцию в полидисперсных жидкостных системах
Практическая ценность работы. Предложенная в диссертации методика связывает структуру сложных процессов переноса с элементарными физическими явлениями и взаимотейсівием между ними Это создает прелносы тки для целевого использования жертосберегаюших факторов, представленных механизмами элементарных явлений при проектировании сложных телло-
энергетических систем с жидкостными теплоносителями
Проанализированы и сопоставлены с большим объемом реальных экспериментальных данных модельные представления, связанные с механизмами элементарных явлений Получены расчетные зависимости, обладающие большей предсказаіельной силой по сравнению с обычными корреляционными зависимостями
Результаты исследования механизмов элементарных явлений процессов тепло- и массообмена в сложных дисперсных системах несмешивающихся жидкостей актуальны с точки фения энергосбережения в турбулентных нотках теплоносителей, связанных с реализацией в них дробления, коалесцен-ции и седиментации дисперсной фазы Получены расчетные зависимости для создания гидродинамических режимов движения двухфазных житкостных систем, способствующих повышению в них эффективности процессов переноса
Реализация результатов. Разработаны технология транспортирования га-зоводонефтяных смесей, усфойство и способы перекачки высоковязкой во-донефтяной эмульсии, реализующие благоприятные в технологическом отношении мсханиімьі элементарных процессов
Разработаны и внедрены временная методика расчета плотности и вязкости rasa, получаемою на объектах сепарации продукции скважин, и временная инструкция но гидравлическому расчету трубопроводов при проектировании обустройсіва месторождений верхних горизонтов Татарстана
Получены расчетные формулы для максимальных устойчивых размеров капель, образующихся в интенсифицированных путьсационных экстракторах с различными контактными устройствами комбинированными методами исследования механизмов тробления Полученные результаты использованы при обосновании меюдики проектирования промышленных массообменных аппаратов по данным лабораторных исследований совместно с сотрутниками кафедры тепломассообменных процессов и установок КГЭУ
Материалы диссертации включены в "Инструкцию по методике расчета рациональных і идродинамических параметров укрупнения и отделения дисперсной фазы водо-нефтяных эмульсий в трубопроводах и технологических аппаратах" (Миннефтепром, РД 39-0147585-333-86) и в "Инструкцию по применению технологии обезвоживания природных битумов" (Миннефтепром, РД 39-02-014585-011-87)
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзном совещании "Новые направления в совершенствовании процессов сбора и подготовки неф і и и гаи" (г Уфа 1980 і ). на Республиканских научно-технических конференциях по механике сплошных сред в 1982 г и механике машиностроения (секция механики жидкости, газа и плазмы) в 1987 г (г Набережные Четны), на VIII и X школе-семинаре по проблемам трубопроводного транспорта ( г Уфа ВНИИГТПнефіь 1985 и 1987 г г ), на итоговой научной конференции КГУ (г Казань 1983 і ), на отчетной научно-методической конференции КХ1 И ([ Казань. 1989 г ). на Республиканских чаучно-іех/шческих конференциях КамАЗ - КамПИ (г Набережные Челны.
1986. 1988, 1990), на Меж i>народной научно-технической конференции «Механика машиностроения» (і Набережные Челны. 1995), на Межвузовской научно-практической конференции "Автоматизация и информационные технологии" (г Набережные Челны, КамПИ, 2002 г )
Публикации. По теме диссертации опуб тиковано 27 научных статей о т-на монография, получено 6 авторских свидетельств на изобретения
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения пяти тдав. заключения и списка использованных источников и; 236 названий Основной текст диссертации изложен на 298 страницах, она содержит 39 рисунков и 4 таблицы
Идентификация математических моделей сложных физических явлений процессов переноса
Идентификация зародилась и развивается как раздел теории автоматического управления, связанный с построением моделей объектов управления на основе измерения выходных характеристик в условиях их нормального функционирования. Однако основные идеи и методы идентификации успешно применяют при изучении новых физических явлений и технологических процессов. Не опираясь на априорную информацию, изучаемому сложному явлению, в принципе, можно поставить в соответствие различные математические модели, отличающиеся полнотой и точностью описания объекта исследования. Составить окончательное представление о возможной структуре модели физического явления помогает имеющаяся в наличии априорная информация самой различной природы.
В целом априорную информацию можно условно разделить на следующие группы: 1 - структура математической модели, 2 - параметры модели: физические константы или эмпирические коэффициенты, Заграничные условия, 4 - геометрические характеристики граничной поверхности, 5 - входные величины или независимые переменные и 6 - выходные переменные или зависимые переменные модели. Очевидно, что если рассматривать физические явления и технологические процессы, исходя из причинно-следственной связи [2], то шестая группа априорной информации полностью определена характером первых пяти групп. Зна чения зависимых переменных нельзя задавать произвольно в том смысле, что не все они могут соответствовать характеру самого физического явления, который представлен моделью, совокупностью ее параметров, а также начальными и граничными условиями.
С другой стороны данные, относительно изучаемого объекта, представляющие первые пять групп, являются достаточно произвольными и не зависят от выходных величин. Поэтому удобно объединить их общим названием причинных характеристик, а выходные величины -следственных характеристик. Основной целью исследования любого технического или технологического объекта является установление в аналитической или табличной форме закона соответствия значений следственных характеристик значениям причинных характеристик. Задачи, связанные с установлением значений следственных характеристик, называют прямыми в соответствии с общим характером причинно-следственных связей.
Естественная связь между причиной и следствием может нарушаться, когда по имеющимся экспериментальным данным относительно следственных характеристик необходимо сделать некоторые выводы, касающиеся поведения или значений причинных характеристик. Появляются разнообразные задачи, когда из-за недостатка информации о физическом явлении требуется восстановить все или некоторые причинные характеристики. В таблице 1.1 приведены данные, характеризующие постановку основных обратных задач, которые встречаются при математическом моделировании. Возможны также различные смешанные постановки обратных задач, когда одновременно восстанавливаютсянесколько причинных характеристик.
Наиболее сложной из них является задача идентификации модели непосредственно по экспериментальным данным измерений входных и соответствующих им выходных величин изучаемого объекта. В этом случае описать основные закономерности реального явления можно раз-
личными по сложности и структуре математическими моделями. Выбор наиболее подходящего вида уравнений модели, который называют структурной идентификацией, неоднозначен и во многом определяется имеющимися средствами для решения задачи и требованиями, предъявляемыми к точности и надежности результатов анализа.
Основные затруднения при структурной идентификации моделей сложных физических явлений связаны с недостаточной формализацией стратегии выделения из полной совокупности причинных характеристик задачи минимального подмножества статистически значимых факторов. Излишняя детализация математических моделей при решении прикладных задач нежелательна по следующим соображениям. Во-первых, каждая новая независимая переменная усложняет задачу структурной идентификации и делает трудоемким последующий анализ полученной. Во-вторых, экспериментальная информация о входных и выходных величинах носит, вообще говоря, случайный характер, который связан с погрешностями физического моделирования и измерения величин изучаемых характеристик. Поэтому модель должна отражать только существенные, статистически значимые связи реального объекта и отсеивать те факторы, количественный вклад которых в значения выходных величин сопоставим с погрешностями их измерения.
Структура модели в математической форме также отражает сложность физических явлений, определяющих характер изучаемого процесса переноса. Чем сложнее такой процесс, разнообразнее физические явления и их взаимное влияние друг на друга, тем сложнее задача структурной идентификации. Обычно параметры теоретических моделей имеют физический смысл, и часто методы параметрической идентификации используют для определения значений физических констант по данным косвенных измерений.
Анализ механизма разрушения жидких капель в турбулентном потоке со сдвигом
Проведенный анализ данных исследований максимальных устойчивых размеров капель в жидкостных эмульсиях показал неоднозначный и противоречивый характер результатов, полученных различными авторами. Интерпретация эмпирических закономерностей для диаметра dam. на основе только модели Колмогорова - Хинце недает исчерпывающего объяснения характера разрушения капель при движении эмульсий по трубопроводам в достаточно широком интервале изменения физико-химических и гидродинамических параметров [182, 188].
Чтобы объяснить механизмы и классифицировать сложные процессы, происходящие при перемешивании вязких жидкостей, необходимо использовать более широкий выбор физических моделей, которые могут представлять все экспериментально установленные факты. Задача состоит, таким образом, в обобщении теории А. Н. Колмогорова комбинированными методами теоретического анализа с привлечением имеющегося в литературе эмпирического материала, которое устранило бы противоречивое толкование имеющихся опытных данных: Последнее имеет существенное значение для обоснованного выбора моделей дробления капель, представляющих реальные особенности поведения эмульсионных систем, используемых в теоретических или численных исследованиях.
Несмотря на сложную, стохастическую природу процесса дробления капель в турбулентном потоке вязкой жидкости, допущение о преобладающем влиянии его локальной структуры на максимальный диаметр устойчивых по отношению к дроблению капель оказалось чрезвычайно плодотворным [42]. Из соображений теории размерностей это означает, что капли крупнее микромасштаба турбулентности испытывают преимущественное воздействие инерциальных сил. В противном случае дробление может происходить только за счет вязких сдвиговых напряжений. Полагая, что устойчивость капли связана главным образом с межфазным натяжением, запишем основные соотношения в следующем виде:
Условие (2.21) для жидкостных эмульсий выполняется: только при весьма высокой интенсивности перемешивания в специальных смесительных аппаратах. В,инерциальном интервале области универсального статистического равновесия, определяемом соотношением A0.«dmK «L, для осредпенного квадрата пульсаций скорости имеетместо зависимость (2.3). Макромасштаб турбулентности L, который характеризует верхнюю границу спектра турбулентных, вихрей, сопоставим по величине с размерами области течения [177].
С учетом сказанного условие (2 ;20) приводится к широко известной форме:где С - константа, подлежащая определению по данным экспериментальных исследований;
Однако следует отметить, что приемлемость выражения (2.22) наиболее полно показана только для условий турбулентного перемешивания пропеллерными и лопастными турбинками в смесительных аппаратах с отбойными перегородками [217]. Высокая интенсивность турбулентного; перемешивания жидкостных эмульсий в них, достигающая в ряде случаев величины в 50 - 60%, обеспечивает дробление капель до размеров инерциального интервала спектра пульсационных скоростей, где вклад вязких сил обычно незначителен [182, 198]. Формальное применение зависимости (2.22) к дроблению капель турбулентным потоком в трубопроводе не отражает некоторых его существенных особенностей. Так, хотя известно, что турбулентное течение в центральной части поперечного сечения трубопровода является локально изотропным при Rec 10 000, интенсивность турбулентности составляет только 3 - 4 % [189]. Кроме того, логарифмический профиль поля осредненных скоростей обусловливает в пристенной зоне, дополнительно к динамическим силам, воздействие на капли дисперсной фазы высоких сдвиговых напряжений.
В условиях течения по трубопроводу скорость диссипации энергии на единицу массы жидкости выражается следующим балансовым соотношением: nDHpj; I4 = vwnDlV0, где напряжение трения на стенкеrw = Ярси0 / 8, Я - коэффициент гидравлического сопротивления, вычисляемый по формуле Блазиуса, D и /, -диаметр и длина трубопровода. Окончательная зависимость для скорости диссипации энергии имеет вид: E XU\!2D.
После подстановки выражения для Є и выполнения несложных преобразований в соответствии с [188], формулу (2.22) можно представить с помощью двух безразмерных групп параметров:где константа пропорциональности 0,93 получена при С = 0,725 формулы (2.22) в соответствии с рекомендациями работы [174].
На рис. 2.4 представлены опытные данные работ [182, 188, 209, 223] в безразмерных координатах Л-We и VX-D/ max, которые получены из модели дробления Колмогорова - Хинце в форме (2.23), примененной к условиям турбулентного движения разбавленной эмуль
Оценка эффекта гашения в концентрированных крупнодисперсных эмульсиях турбулентных пульсаций скорости
Интенсификация взаимодействия капель дисперсной фазы при движении жидкостных эмульсий в турбулентном режиме широко используется для повышения эффективности разнообразных технологических процессов, связанных с теплообменом, массообменом и реакциями в дисперсной фазе. Однако в реальных условиях установление рациональных режимов затруднено неоднозначностью взаимосвязей основных технологических параметров с производительностью процесса и качеством вырабатываемого продукта. Так, турбулентное перемешивание увеличивает частоту столкновений капель, повышает скорость тепло и массообмена, а также производительность смеси тельных устройств. Но, с другой стороны, перемешивание уменьшает дисперсность эмульсионной системы и замедляет последующее разделение фаз в отстойных аппаратах.
В свою очередь, дисперсность эмульсии определяет механизмы взаимодействия и разрушения капель, а также характер обратного влияния дисперсной фазы на гидродинамические параметры сплошной среды. В этом отношении наименее изученными являются турбулентные течения неустойчивых эмульсий с неравновесной дисперсной фазой, способной к коалесценции или дроблению.
Исследование взаимосвязи гидродинамических и вязкостных характеристик эмульсий с концентрацией дисперсной фазы построено на анализе результатов экспериментальных исследований процессов дробления и коалесценции в дисперсных системах несмешивающихся жидкостей. В рамках принятых допущений выполнена количественная оценка обратного влияния превышающих микромасштаб турбулентности капель на осредненные пульсации скорости сплошной среды, необходимая для расчета частоты коалесценции в крупнодисперсных эмульсиях.
Разрушение капель при движении двухфазных систем в турбулентном режиме происходит главным образом под воздействием динамических и сдвиговых напряжений сплошной среды. В инерциаль-ном интервале однородного турбулентного потока, соответствующем размеру крупнодисперсных капель, максимальный диаметр устойчивых по отношению к дроблению капель устанавливается в соответст вии с балансом динамических и поверхностных сил с помощью формулы (2.22).
Выражение (2.22) применимо, вообще говоря, только к разбавленным эмульсиям. С увеличением концентрации капель дисперсной фазы экспериментально установлено повышение диаметра dmaXi ограничивающего зоны преобладания в эмульсиях процессов коалесценции и дробления [142, 153, 202], Все исследования проводились в стандартных, геометрически подобных смесительных аппаратах, оборудованных шестилопастной турбинкой и четырьмя отбойными перегородками, в автомодельном. по отношению к числу Рейнольдса мешалки турбулентном режиме потока. Применительно к условиям смесительного аппарата осредненная по отношению к размерам капель формула (2.22) использовалась в видегд,е/(1) отражает влияние концентрации дисперсной фазы на осред-ненный размер устойчивых по отношению к дроблению капель.
По данным работы [147] численные значения d32 и dmax отличаются только константой, зависящей от формы спектра размеров капель. Поэтому в формуле (2.22), переписанной для концентрированных эмульсий, после подстановки d32 изменится только величина подлежащей экспериментальному определению константы в ее правой части:где рэ = р((1- w) + pdw . В таблице 3.1 приведены некоторые эмпирические выражения концентрационной зависимости f(W), а также гидродинамические характеристики смесительных аппаратов и экспериментальные данные по замерам частоты коалесценции в изученных эмульсионных системах.
Общепринятым объяснением причины повышения максимального устойчивого размера капель является влияние коалесценции, которая с увеличением концентрации дисперсной фазы более успешно конкурирует с процессом дробления [153, 157, 166, 200]. С помощью модели динамического равновесия процессов дробления и коалесценции для концентрированных эмульсий [138] было показано, что увеличение размера капель dmax необходимо связывать только с возрастанием роли коалесценции, а изменению характеристик турбулентности можно не придавать особого значения.
Справедливость данного утверждения, полученного на основе весьма значительного числа допущений, не является бесспорной. Например, оно не подтверждается экспериментальными данными работы [142], где исследовалась практически не коалесцирующая эмульсионная система керосин-вода. Кроме того, аналитическая модель динамического равновесия использует выражения частот слияния и разрушения капель, которые справедливы для разбавленных систем и могут оказаться неадекватными по отношению к условиям в концентрированных эмульсиях.
Другое объяснение физической сущности явлений, которые отражаются эмпирическим выражением -f(W)i опирается на широко известный факт повышения эффективной вязкости эмульсионных систем с увеличением концентрации дисперсной фазы. Например, в работе [160] линейная зависимость/(7 = 1 + 3W получена на основе теории универсального равновесия Колмогорова и предположения о линейной связи между эффективной вязкостью и концентрацией дисперсной фазы эмульсии.
Оценка максимального размера капель, взвешивае мых в турбулентном потоке разбавленных эмульсий
Моделирование процессов расслоения фаз в турбулентных потоках неустойчивых эмульсий, связанных одновременно с коалесценцией или дроблением капель дисперсной фазы, представляет собой значительно более сложную задачу не только для теоретических, но и для экспериментальных методов исследования. Естественным поэтому является повышенный интерес к условиям, в которых гравитационное расслоение не сопровождается другими кинетическими процессами или когда скорости их пренебрежимо малы. Так, удобно изучать закономерности седиментации частиц в турбулентном потоке жидкости в отсутствии дробления или коалесценции дисперсной фазы в суспензиях. С этим обстоятельством связано,, видимо, преобладание экспериментальных исследований осаждения в турбулентных потоках твердых частиц [5, 119, 136, 169,212,227].
Максимальный взвешиваемый размер капель daie_ является достаточно простым для определения экспериментальными методами. Комбинированный анализ таких данных позволяет обоснованно судить о характере влияния независимых внешних параметров при различных гидродинамических режимах движения взвешиваемых капель и сплошной среды.
Методология теоретико-экспериментального исследования сложных физических явлений позволяет наряду с установлением эмпирических корреляций, обобщающих эти данные, проверить и углубить априорные представления относительно существа отражаемых ими реальных процессов. Как ив случае изученного ранее дробления жидких капель, взвешивание частиц дисперсной фазы различного размера может обес печиваться определенными физическими причинами или их различными сочетаниями.
На основе анализа экспериментальных данных о критической скорости UQ, при достижении которой начинается взвешивание частиц дисперсной фазы турбулентным потоком, изучены физические процессы нейтрализации гравитационных сил. Соответствие расчетной зависимости в критериальной форме опытным данным служит при этом критерием адекватности принятых физических представлений характеру реальных процессов в неустойчивых по отношению к седиментации дисперсных системах. Такие физические представления являются крайне важными при анализе более сложных для экспериментального исследования процессов седиментации частиц дисперсной фазы, размеры которых слишком велики для того, чтобы они могли взвешиваться турбулентным потоком сплошной среды.
Актуальность такого анализа связана, в частности, с интенсификацией технологических процессов тепло- и массообмена в дисперсных системах путем подвода к реагентам дополнительной энергии для тур-булизации обрабатываемых объемов реагирующих смесей. Но априорных соображений в каждом конкретном случае недостаточно, чтобы назвать минимальную совокупность существенных в данных условиях факторов. Поэтому трудно сформулировать феноменологическую модель седиментацжжного процесса, достаточно простую и приемлемую для практических расчетов.
Необходимая для этого информация может быть получена с помощью методов теоретике - экспериментального исследования, общая схема которого представлена на рис. 1.4. Вначале обосновываются физические представления о возможных механизмах взвешивания в турбулентном потоке отдельных частиц различного размера. Затем формулируются частные феноменологические модели гравитационного расслое ния турбулентных течений дисперсных систем. И, наконец, анализом более доступных и легче воспроизводимых экспериментальных данных выявляют условия участия и реальный характер взаимодействия их в процессах гравитационного расслоения.
При рассмотренном выше расслоении ламинарных течений полидисперсных систем в гравитационном осаждении в той или иной мере участвуют частицы всех размеров. В турбулентных.потоках седиментация носит более сложный характер и осаждение возможно только для части спектра частиц, размеры которых превышают величину dei6._ Максимальный взвешиваемый размер частиц представляет собой нижнюю границу области их дисперсного состава, в которой в принципе возможна седиментация за счет силы тяжести.
Роль параметра da3e трудно переоценить при использовании его в качестве критерия отбора, обосновывающего иерархическую структуру общей феноменологической модели неустойчивых-эмульсий. Исходяиз-возможных результатов взаимодействия частных моделей процессов переноса в неустойчивых жидкостных системах, изображенной на схеме рис. 1.2, расчетные зависимости для сївж позволяют прогнозировать структурные формы многофазных потоков. С помощью таких данных на втором уровне детализации осуществляют выбор адекватной гидродинамической модели, соответствующей предполагаемой структурной форме, из числа апробированных; ранее в соответствующих реальных условиях [3, 34, 37]. При необходимости частные гидродинамические модели могут уточняться и модифицироваться в соответствии с информацией, которая появляется при детализации иерархической структуры полной модели и выделении элементарных механизмов процессов переноса на последующих, третьем и четвертом уровнях.
Так при с/еж dspx, - верхней границы спектра размеров частиц дисперсной фазы, следует использовать гомогенные или квазигомогенные гидродинамические модели, подобные рассмотренным ранее в разделах 3.2 и ЗА К гетерогенным гидродинамическим моделям необходимо переходить при dH3iCH, de3e. d«px.-, где dHM.tt нижняя граница спектра размеров диспергированных частиц. В этом случае часть объема дисперсной фазы, представленной частицами размером от d до depx, способна в течение определенного промежутка времени седиментировать из объема дисперсной системы. И, наконец, при de3e. dH:vcli, турбулентные течения дисперсных систем моделируются гидродинамическими соотношениями, учитывающими частичное или полное расслоение гетерогенной смеси.
Наряду с факторами, которые способствуют расслоению ламинарных течений дисперсных систем, седиментация частиц в турбулентных потоках связана еще с довольно большим числом независимых параметров. Двухкритериальные соотношения между числами Фруда и Рей-нольдса, выражающие скорость осаждения частиц в покоящейся жидкости, при обобщении на турбулентный поток усложняются из-за увеличения числа определяющих критериев. К тому же, учитывая, что структура этих выражений меняется в зависимости от преобладания в каждом конкретном случае механизмов взвешивания диспергированных частиц, трудно рассчитывать на получение достаточно общих корреляционных взаимосвязей только обычными статистическими методами.
