Содержание к диссертации
Введение
1 Конструктивные и технологические особенности очистки дымовых газов. Цель и задачи исследования 12
1.1 Методы очистки газовых выбросов 12
1.1.2 Очистка газов от парообразных и газообразных примесей 14
1.2 Конструкции и технологические особенности установок, основанных на применении вибротурбулизационного эффекта 20
1.3 Принципиальные основы пенного режима взаимодействия газов и жидкостей 30
1.4. Устройство пенных аппаратов 35
1.5. Цели и задачи исследования 40
2 Теоретические разработки по пенообразованию и вибротурбулизации в газожидкостных системах 41
2.1 Пенообразование в установках мокрой газоочистки 41
2.1.1 Пенообразующая способность 44
2.1.2 Стабильность пен 46
2.1.3 Плотность и дисперсность пен 49
2.1.4 Структурно-механические свойства пен 53
2.1.5 Тепло- и электропроводность пен 54
2.2 Специфика пен, образуемых в пористых структурах 55
2.3 Механизм диффузии в двухфазных средах 66
2.4 Волновые и вибрационные воздействия на жидкость и газожидкостные системы 69
2.4.1 Вибрационное воздействие на газожидкостные системы 73
2.4.2 Интенсификация процессов в газожидкостных системах 81
3 Экспериментальные лабораторные установки и результаты исследования параметров процесса пенообразования 85
3.1 Исследование пенообразования из водных растворов 85
3.2 Экспериментальные установки, методики проведения опытов для получения активированной воды и исследования ее свойств 98
4 Конструкции опытно-промышленных установок поглощения газовых выбросов и результаты их испытаний 114
4.1 Устройство, принцип действия и результаты испытаний УПГВ-3...114
4.2 Устройство, принцип действия и результаты испытаний УПГВ-4...117
4.3 Устройство, принцип действия и результаты испытаний УПГВ-5...120
4.4 Испытания УПГВ-4 на АО "Комат" 122
Заключение 127
Приложения 129
Литература 131
- Конструкции и технологические особенности установок, основанных на применении вибротурбулизационного эффекта
- Специфика пен, образуемых в пористых структурах
- Волновые и вибрационные воздействия на жидкость и газожидкостные системы
- Экспериментальные установки, методики проведения опытов для получения активированной воды и исследования ее свойств
Введение к работе
Воздействие хозяйственной деятельности на окружающую среду определяется значительными объемами выбросов в атмосферный воздух /1,13,16,18,20,27,32,37,39,44-46,50,57,59,61,70,71,78,84/.
Проблема очистки промышленных газовых выбросов приобретает общенациональный характер. Загрязненность окружающей среды в большинстве регионов увеличивается в основном из-за снижения технического уровня производства, износа технологического оборудования, снижения капитальных вложений на природоохранные мероприятия и ухудшения использования действующих природоохранных комплексов.
За период с 1990 по 1999 годы, несмотря на падение производства и остановки в работе многих промышленных предприятий /83/, выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух составили, например в 1993 году 43,8 млн. т„ в том числе от стационарных источников - 24,8 млн. т. Особенно ухудшилась экологическая обстановка в промышленных центрах и городах, где сосредоточены крупнейшие промышленные предприятия. В 231 городе, где население составляет более 64 млн. человек (43% населения России), среднегодовой уровень загрязнения воздуха превышал санитарно-гигиенические нормы ПДК (в 1992 г. таких городов было 171). Около 40 млн. человек (жителей 86 городов) испытало воздействие вредных веществ, превышающих нормы ПДК в 10 раз и более (в 1992 г. в 83 городах).
В настоящее время в мировом масштабе в атмосферу ежегодно попадает около 25 млрд т только диоксида углерода. В рамках Конвенции ООН в 1997 г принят документ по изменению климата, в соответствии с которым все развитые страны и страны с переходной экономикой (в том числе Россия) были обязаны к 2000 г сократить выбросы диоксидов углерода и серы, метана, азотных соединений, высокодисперсных частиц и других примесей до уровня 1990 г., а к 2008 г еще на 3-8 % /82/.
Экологическая обстановка в России такова, что следует всерьез говорить о выживании нации, поскольку загрязнение окружающей среды уже оказывает существенное влияние на состояние ее генофонда. В очень загрязненных регионах катастрофически растет заболеваемость населения и увеличивается число детей с наследственными дефектами. По такому существенному показателю, как средняя продолжительность жизни, Российская Федерация находится на одном из последних мест среди развитых стран мира.
Вклад экологического фактора в заболеваемость населения России является весьма высоким и оценивается в настоящее время на уровне 20 — 30%, в том числе по онкологическим заболеваниям около 50%. По укрупненной оценке, ущерб от загрязнения окружающей среды в России составляет около 30 — 50% национального дохода.
При сжигании любого ископаемого топлива в составе выделяющихся газов содержатся диоксиды углерода, серы и азота, несгоревшие компоненты топлива, твердые частицы (сажа) и пр. /20,38,39,44,57,70,82/. Особенно насыщенные оксидами выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадающие дожди в слабый раствор кислот. Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна иметь нейтральную реакцию, то есть рН = 7. Растворив диоксиды серы и азота, дождь становится кислым. Уменьшение рН на одну единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на две — в 100 раз и т.д. Используя данные /85/ можно показать, что значению рН=2,4 (такой дождь выпал в Шотландии) соответствует концентрация соляной кислоты 4 10"3 N . Известно, что снижение выбросов от теплогенерирующих установок в атмосферу может идти по следующим основным направлениям: совершенствование конструкции теплогенерирующей установки; четкая организация процесса сгорания топлива; внедрение технических средств для очистки газообразных выбросов и др. Настоящая работа посвящена комплексной очистке газовых выбросов, содержащих оксиды азота, углерода, серы, несгоревшие компоненты топлива и твердые частицы, в атмосферу, применительно к теплогенерирующим установкам. Наиболее эффективным способом очистки дымовых газов является технология, использующая сорбционные процессы/1,3-9,15,19,21,24,34,38,40-43,51-53,57,61,70,82,86,88-98/. Эффективность этих процессов обусловлена в основном поверхностью контакта газов с жидкостью и временем их взаимодействия, а также другими физико-химическими факторами (параметрами состояния, вязкостью, скоростью потоков, составом и качеством жидкости, в основном, воды).
Разрабатываемая с участием автора в течение ряда лет вибротурбулизационная технология очистки газовых выбросов, потребовала проведения специальных исследований по взаимодействию водного носителя с газами при организации пенного режима эксплуатации установок поглощения газовых выбросов (УПГВ) /86,89,92-98/. Эксплуатация УПГВ показала, что при противоточном движении дымовых газов и орошающей жидкости, а также при воздействии струй жидкости на сетчатые фильтры происходит интенсивное пенообразование. Этому процессу способствует также вибровоздействие на сетчатые, многослойные смачиваемые фильтры, размещенные в корпусе УПГВ.
В связи с изложенным целенаправленная, систематическая работа по совершенствованию и разработке высокоэффективных способов и устройств, использующих новые, нетрадиционные подходы, с точки зрения их технико-экологических возможностей, является актуальной научной, практической и социальной задачей.
Теоретические и экспериментальные работы по взаимодействию газовых выбросов различного состава (оксиды углерода, азота, серы, несгоревшие компоненты топлив, твердые частицы и др.) от теплогенерирующих установок с жидкостями выполняются как у нас в стране, так и за рубежом. Большой вклад в исследование проблем очистки газообразных выбросов внесли отечественные ученые: А.К. Внуков, Н.Ф. Тищенко, В.В. Кафаров, И.П. Мухленов, М.Е. Позин, Э.Я. Тарат, В.М. Рамм, Друскин Л.И., Цирульников Л.М., Сигал И.Я., Федоров H.A., Спейшер В.А., Горбаненко А.Д., Кулиш О.Н., Широков В.А., Газаров Р.А., Дятлов В.А. и многие другие, ученые РГУПС: К.Б. Комиссаров, В.М. Гарин, ученые РГСУ: Новгородский Е.Е., Богуславский Е.И., Беспалов В.И. и другие.
Решению этих вопросов посвящена настоящая диссертационная работа. Тема работы актуальна, так как посвящена экспериментальному изучению процессов пенообразования в установках поглощения газовых выбросов при использовании различных по составу и свойствам водных носителей, характерных как для существующих установок, так и для перспективного использования. В состав воды входят соли, щелочи, кислоты, их комплексные соединения. Поэтому в работе исследовались процессы пенообразования растворов указанных веществ. Кроме этого исследовались растворы ПАВ, способствующие интенсивному и слабому пенообразованию, а также активированная вода, полученная электродиализом с широким спектром изменения водородного показателя, которую было решено направлять для орошения фильтрующих элементов УПГВ, совместив тем самым процесс очистки газов от оксидов с нейтрализацией получающихся кислотных растворов активированной водой с рН больше 7.
Работа выполнена в соответствии с "Экологической программой железнодорожного транспорта на 2001-2005 года" (Указание МПС РФ № Г-131у от 30 января 2001 г).
Целью исследования настоящей работы является научное обоснование особенностей и эффективности пенообразования различных водных носителей для комплексной очистки дымовых газов различного состава (оксиды углерода, азота, серы, несгоревшие компоненты топлив, твердые частицы и др.) от теплогенерирующих установок с использованием установок поглощения газовых выбросов путем разработки принципов, теоретического анализа и практической реализации результатов на экспериментальных и опытно-промышленных установках.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи:
- провести обзор и анализ основных технологий очистки газовых выбросов от различных теплогенерирующих установок и производств;
- теоретически проанализировать процессы пенообразования и вибровоздействия на газожидкостные системы;
- разработать экспериментальную и методологическую базу для экспериментальной проверки пенообразования водных носителей различного состава, используемых для орошения фильтрующих элементов УПГВ;
- определить эффективность очистки газовых выбросов при одновременной организации процесса пенообразования и вибротурбулизации газожидкостных систем на опытно-промышленных установках поглощения газовых выбросов.
Научная новизна. В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения по эффективности комплексной очистки газовых выбросов, содержащих оксиды углерода, азота, серы и твердых частиц (сажи), от теплогенерирующих установок путем одновременной организации пенного режима и вибротурбулизации в установках поглощения газовых выбросов.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
1. Теоретические исследования и методологические разработки по пенообразованию и вибротурбулизации в газожидкостных системах.
2. Методологические положения по пенообразованию и вибротурбулизации на лабораторных и опытно-промышленных установках.
3. Экспериментальные исследования параметров процесса пенообразования водных растворов и активированной воды, полученной электродиализом.
4. Экспериментальные исследования эффективности очистки дымовых газов при одновременной организации пенообразования и вибротурбулизации на опытно-промышленной установке.
Достоверность результатов подтверждается обоснованными теоретически и подтвержденными практически результатами лабораторных экспериментов и натурных испытаний при учете методологических положений и погрешностей полученных данных.
Практическая ценность работы состоит в том, что проведенное исследование и практические разработки позволяют:
- обосновать возможность и эффективность организации пенного режима при одновременной вибротурбулизации для комплексной очистки дымовых газов теплогенерирующих установок от оксидов и твердых частиц;
- использовать методологические разработки и экспериментальные данные, с учетом основных положений теории подобия, на действующих установках поглощения газовых выбросов;
- усовершенствовать технологию поглощения газовых выбросов путем организации совместных процессов пенообразования и вибротурбулизации;
- использовать в учебном процессе по специальностям: 33.02.00 "Инженерная защита окружающей среды", 10.07.00 "Промышленная теплоэнергетика" и др. результаты теоретических исследований и практических разработок по выполненной работе.
Реализация работы. Выполненные исследования нашли практическое применение путем организации специальных испытаний и совершенствования на их базе технологии очистки газовых выбросов от теплогенерирующей установки на АО "Комат" при производстве минераловатных изделий, двух котельных г. Ростова-на-Дону и котельной г. Минеральные Воды, работающих на газообразном топливе.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
- на межрегиональных научно-практических конференциях "Жилищно-коммунальное хозяйство и энергетика в 21 веке "- организаторы: Министерство строительства, архитектуры и ЖКХ Администрации Ростовской области, Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС), ВФ "Даэлком", 2000-2003 г.
- на международной школе-семинаре "Промышленная экология" Ростовский государственный строительный университет. 2003 г.
- на научно-технических конференциях РГУПС 2000-2004 г.
- на заседаниях кафедры "Теплоэнергетика" РГУПС. 2000-2004 г.
- на заседаниях кафедры "Отопление и вентиляция" РГСУ. 2004 г. Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 13 научных публикациях.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список использованной литературы и приложение. Материал диссертации изложен на 128 страницах основного текста, содержит 8 таблиц, 56 рисунков, список литературы из 219 наименований, приложения на 2 страницах.
Во "Введении" и главе 1 рассмотрено современное состояние технологических процессов, способов, установок, а также приведены результаты применения той или иной технологии для очистки газовых потоков. Представлен анализ вибротурбулизационной технологии и использования пенообразования в процессах газоочистки как наиболее эффективные, с точки зрения поглощения составляющих газовых выбросов от различного рода энергоустановок. Сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе представлены теоретические обоснования по пенообразованию и вибротурбулизации. Проанализированы различные свойства пен, а также специфика пенообразования и динамика пен в пористых структурах. Рассмотрены модели проницания и обновления поверхности в двухфазных средах, что актуально для разрабатываемой проблемы взаимодействия газов и жидкостей. Приведена математическая интерпретация волновых движений жидкости и неустойчивой границы раздела двух фаз, вибрационного воздействия и интенсификации процессов в газожидкостных системах.
В третьей главе представлены разработанные и созданные экспериментальные установки, методологические аспекты проведения опытов по исследованию некоторых свойств пен, полученных из водных растворов поверхностно-активных веществ, соли, щелочи, кислот и активированной воды, используемых для орошения фильтрующих элементов действующих установок поглощения газовых выбросов (УПГВ).
Четвертая глава посвящена устройству и принципу действия созданных и внедренных с участием автора УПГВ. Приведены методики и результаты испытаний УПГВ на различных объектах, позволившие дать заключение о высокой эффективности одновременного вибровоздействия и пенообразования на газожидкостные системы.
В заключении приводятся общие выводы по проделанной работе.
Конструкции и технологические особенности установок, основанных на применении вибротурбулизационного эффекта
Установки, использующие эффект вибротурбулизации, требуют досконального и кропотливого изучения природы аномально большого растворения газа в вибротурбулизированной жидкости. Из установок, использующих эффект вибротурбулизации, описанные ниже являются основными и заслуживают наибольшего внимания при рассмотрении вопроса использования свойств жидкости, подвергнутой вибрации, для растворения в ней газов.
Устройство /61 (рисунок 1.5) включает в себя рабочий сосуд 1, смесительный элемент в виде расположенных горизонтально перфорированных дисков 13, соединенных с виброприводом 14, патрубки для подвода 3 и отвода 4 газа. Жидкость подается в рабочий сосуд посредством разбрызгивателя 6 в виде полусферы 7. На шток с перфорированными дисками подается электрический потенциал. Данное устройство применяется для смешивания жидкостей и газов, в том числе содержащих твердые частицы. В таком устройстве процесс смешивания обеспечивается: во-первых, в слое, образующемся на поверхности перфорированных дисков и приобретающем потенциал от источника: во-вторых, при контакте мелкодисперсных капель, образующихся при вращении полусферы, с газом, содержащем, в том числе, твердые частицы
Устройство работает следующим образом. Создаваемое виброприводом 14 возвратно-поступательное движение передается по штоку 12 к перфорированным дискам 13. После включения вибропривода в нижнюю часть рабочего сосуда по патрубку 3 подается газ и одновременно через распылитель 6 на вращающуюся полусферу 7 подается жидкость, которая при попадании на вращающуюся сферу образует мелкодисперсный туман. Колебательное движение дисков вызывает прохождение через их отверстия смешиваемых жидкости и газа. Постепенно на них образуется ламинарный слой, в котором и происходит интенсивное смешивание жидкости с газом. Подаваемый на вибрирующий шток электрический потенциал передается образующемуся слою жидкости и способствует захвату твердых частиц, содержащихся в газовом потоке. При этом создается неравномерное по напряженности поле с максимумом напряженности вблизи коронирующего электрода, то есть у стенок рабочего сосуда. Это обеспечивает зарядку твердых частиц отрицательной полярностью с последующим их осаждением на осадительном электроде, т. е., штоке с перфорированными дисками. С дисков твердые частицы удаляются с жидкостью через отверстия в дисках. Оптимальное напряжение между стенками рабочего сосуда и штоком с дисками поддерживается с помощью автоматического регулятора электрического питания 17.
На рисунке 1.6 изображено устройство ПІ для смешивания газов с жидкостями. В рабочем сосуде 1 расположен пористый фильтр с закрепленными на нем лопатками. Фильтр жестко соединен со штоком который жестко установлен во внутреннюю обечайку подшипника качения 5. Внешняя обечайка подшипника соединена с эксцентриком 6, который в свою очередь контактирует с виброприводом 7. Жидкость на фильтр подается через гибкий фитиль 8 и электромагнитный клапан 9, включение, отключение которого происходит по команде от уровнемера 10. Дренаж насыщенной газом жидкости осуществляется через патрубок 11. Газ под фильтр подается через подводящий патрубок, заканчивающийся соплом 12. Отбор газа осуществляется через отборник 13 газа. Уровень жидкости должен покрывать нижнюю кромку фильтра при достижении им верхнего положения в процессе вибрации во избежание проскока газа между фильтром и поверхностью жидкости. Это достигается установкой уровнемера в комплекте с клапаном ЭМК.
Работа устройства заключается в следующем - жидкость через электромагнитный клапан 9, гибкий фитиль 8 подается на фильтр 2, тем самым за счет капиллярных сил происходит равномерное насыщение фильтра жидкостью. Кроме этого, жидкость, стекая из фильтра, достигает в рабочем сосуде 1 необходимого уровня, то есть превышает нижнюю кромку фильтра на величину, превышающую максимальную амплитуду вибрации. Затем на фильтр подается возвратно-поступательное движение от вибратора 7, через шток 4, подшипник 5 и эксцентрик 6. Одновременно подается газ из сопла 12 под избыточным давлением, передавая свою кинетическую энергию на лопатки 3, создавая тем самым вращательное движение фильтра. В результате этого создается сложное движение фильтра, вызывающее полное обволакивание пор фильтра жидкостью и газом. Кроме этого, капельки жидкости, отрываясь от поверхности фильтра, создают мелкодисперсный туман, который контактирует с газом. Таким образом, происходит интенсивное смешивание жидкости с газом. Фитиль свободно лежит на фильтре, вибрируя вместе с ним. Жидкость является смазочным материалом между фильтром и фитилем при вращении. Пористый фильтр выполнен из спеченного порошка (например, из нержавеющей стали, латуни) и имеет гидравлическое сопротивление, измеряемое сотыми долями мм. в. ст.
Устройство (рисунок 1.7), описанное в /25/ служит для смешивания газов с жидкостью и используется для очистки газовых потоков в любой отрасли промышленности и энергетики. Устройство представляет собой двухступенчатое смешивание газа с жидкостью. На первой ступени процесс осуществляется в струйном аппарате за счет пульсационной подачи (для увеличения коэффициента смешения) насыщенного пара, то есть пара жидкости с параметрами линии насыщения, который в процессе инжекции загрязненного потока с более низкой температурой, конденсируется и поглощает в процессе конденсации отдельные компоненты газового потока. Поглощение газов конденсатом пара происходит также на перфорированных поверхностях размещенных в диффузоре струйного аппарата коаксиально, подверженных вибровоздействию и дополнительно охлаждаемых тепловыми трубами, оребрением одного конца которых являются перфорированные поверхности. Вторая ступень служит для растворения не поглотившихся компонентов газового потока в жидкости, за счет пористого фильтра — вибрирующего и смоченного жидкостью. Процесс поглощения газа жидкостью происходит в порах смачиваемого фильтра при его вибрации.
Специфика пен, образуемых в пористых структурах
В отличие от объемной пены устойчивость и движение пены в ограниченных системах типа пористых сред, что характерно для разрабатываемых установок (УПГВ) /88-98/, только недавно привлекла внимание ученых. Фрид /112/ первый показал, что пена из-за своей структуры существенно затрудняет течение газа сквозь пористые среды. Однако, тем самым, увеличивает время контакта газа с жидкостью в пористой структуре, что способствует интенсификации процесса массообмена (п.2.4.2).
В последние десятилетия было доказано, что, действительно, пена в пористых средах обладает уникальной структурой и реологическими свойствами. В частности, независимо от того, каким образом пористый образец заполняется пеной: либо прокачиванием объемной пены, либо продуванием газа через пористую среду, насыщенную раствором, получающаяся в образце пена существенно зависит от размеров пор. Если характерный размер пузыря много меньше, чем характерный размер отдельной поры, пена, заключенная в образце, не отличается от объемной пены. В противоположном случае пена в пористой среде представляет собой систему тонких жидких пленок - ламелл, перегораживающих газовые каналы.
Предсказать условия перехода от объемной пены в новое состояние очень сложно. Известны попытки анализа такого перехода только в случае отдельного капилляра или однородных засыпок стеклянных шариков /113,114/. Однако более разумной концептуальной моделью естественной пористой среды является сеть связанных капилляров различного размера, содержащих сжатия и расширения каналов. Недавние эксперименты, проведенные в РШМех РАН /115/, показывают, что движение ламелл пены через такую систему обладает специфическими особенностями.
Основные особенности явления показаны на рисунке 2.8. После своего образования у нижнего конца трубки ламеллы свободно дрейфуют по узкой части канала. Если широкая часть канала не занята пеной, то ламелла, достигая кромки, останавливается, чуть выпучиваясь под действием приложенного перепада давления.
Направление потока снизу вверх. Белые и черные стрелки указывают положения проходящей и подходящей ламелл в различные моменты времени. Канал состоял из 10 кубических ячеек с площадью сечения 8 х 8 мм и 10 узких ячеек длиной 8 мм и поперечного сечения 2,5 х 2,5 мм. После касания стенки широкой поры ламелла мгновенно проскакивает к противоположной стенке поры и останавливается там, цепляясь за различные неоднородности. Следующая ламелла ведет себя подобным же образом у другой неоднородности. Последующие пузыри проскакивают узкий участок канала и тормозятся в широкой поре, касаясь находящихся там ламелл или стенок поры. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся широкая часть канала не заполнится пеной полностью, после чего новые ламеллы свободно проходят через образовавшуюся объемную пену. В следующем расширении процесс заполнения повторяется. Таким способом все широкие части канала постепенно заполняются объемной пеной.
Как только все широкие поры оказываются заполненными пеной, новые ламеллы практически свободно движутся по узким жестким капиллярам, а через поры, насыщенные объемной пеной, ламеллы проходят, формируя специфический канал, образованный ламеллами объемной пены. Движение внутри эффективного канала носит скачкообразный характер: дрейфующие ламеллы практически мгновенно проскакивают участки, образованные пленками, и замирают в местах стыка нескольких ламелл объемной пены. Затем образовавшийся пузырь под действием приложенного перепада давления выпучивается и дрейфующие ламеллы "отрываются". Далее процесс продолжается до тех пор, пока движущаяся ламелла не покинет пору.
Благодаря специфическому методу генерации ламелл характерный размер движущегося пузыря был того же порядка величины, что и узкое звено канала, и мало отличался от радиуса индивидуального пузыря в объемной пене. Когда ламеллы пропускают друг друга, объемная пена в расширениях также подвергается деформациям. Но структура ее не изменяется. Более того, она восстанавливается после того, как каждая дрейфующая ламелла проходит через объемную пену. Никаких процессов гибели и восстановления ламелл не наблюдалось. При движении ламеллы демонстрируют удивительную устойчивость.
Таким образом, обсуждаемые эксперименты показывают, что в пене, движущейся через каналы переменного сечения, часть ламелл используется на формирование эффективного канала. Не только эти, но и другие визуализационные эксперименты /116,117/ указывают на решающую роль скелета в формировании структуры пены в пористых средах. Даже исключая специфические гидродинамические особенности взаимодействия ламелл со скелетом, только в силу термодинамических ограничений, пена в пористых средах или в контакте с высоко дисперсными материалами занимает уникальное положение в силу специфической структуры.
Действительно, в отсутствие внешних ограничений поверхность раздела газовой и жидкой фаз стремится принять такую форму, которая бы минимизировала свободную поверхностную энергию. В присутствии твердой поверхности межфазная граница между двумя жидкостями принимает форму, равновесие и устойчивость которой зависит от геометрии подложки и межфазных свободных энергий поверхностей, разделяющих различные фазы. Во многих случаях термодинамические свойства отдельно взятых ламелл и смачивающих пленок могут полностью определять поведение пены в пористых средах. Этот тип взаимодействий особенно важен для структурированных пен, где все пузыри ограничены дискретными ламеллами и стенками пор /118-121/ (рисунок 2.9), так как они играют основную роль из-за их сильного блокирующего действия. В последние десятилетия была развита детальная термодинамическая теория равновесия между смачивающими пленками и менисками объемной жидкости в различной геометрии /122-128/.
Волновые и вибрационные воздействия на жидкость и газожидкостные системы
Таким образом, возникает волновое движение жидкости. При этом жидкость рассматривается как идеальная несжимаемая, а ее движение безвихревое или потенциальное, то есть без вращения жидких частиц /72,73/. Для таких волновых движений справедливо уравнение Лапласа для потенциала скорости в виде гармонической функции и интеграл Лагранжа-Коши для поля давлений.
Основные результаты теории волн связаны с допущением о незначительности тех возмущений, которые волны вносят в равновесное состояние жидкости, то есть это теория бесконечно малых волн. В рамках этой линейной теории математическое описание /73/ включает уравнение Лапласа, условие на стенках сосуда, уравнение для возвышения поверхности жидкости. При такой формулировке задачи не учитывается лапласовский скачок давлений на волновой поверхности жидкости, то есть принимается p=const при Z=h. Волны на поверхности жидкости при этом обусловлены только гравитационными силами. Скорость волны с не является скоростью собственно частиц жидкости. Частицы при волновом движении жидкости конечной глубины движутся по эллиптическим траекториям, а для бесконечной глубины жидкости - по круговым. При стоячей волне частицы жидкости описывают отрезки прямых линий, наклоненных к горизонтальной плоскости под разными углами. Кроме упомянутых, следует различать капиллярные и капиллярно-гравитационные волны. При возмущении поверхности раздела фаз, расположенной горизонтально, давления в соприкасающихся фазах обусловлены поверхностным натяжением, вызывающим скачок давлений, пропорциональный средней кривизне поверхности раздела.
При исследовании волн конечной амплитуды решение гидродинамической задачи с нелинейными граничными условиями представляется в виде бесконечных рядов, доказательство сходимости и построение которых требуют существенной и трудоемкой вычислительной работы. Приближенные и точные методы решения задачи о волнах конечной амплитуды рассмотрены в /73/. Если при анализе ограничиться третьими степенями амплитуды а гравитационной волны, то уравнение поверхности жидкости, имеющей бесконечную глубину, будет иметь вид: где а - амплитуда волны; к - волновое число к= 2я /Я;Л - длина волны; х координата
Скорость распространения такой волны в отличие от волн бесконечно малой амплитуды зависит от амплитуды:
В случае анализа с использованием членов с более высокими степенями, амплитуды получают уточненные уравнения поверхности и скорости волны. Гравитационные волны конечной амплитуды имеют несимметричные отклонения вверх и вниз относительно нулевого уровня. Возвышение имеет большую высоту, чем понижение, но меньшую ширину. В /73/ анализируется понятие удлиненной волны, то есть отдельного возвышения поверхности жидкости, которое распространяется с постоянной скоростью на поверхности жидкости, имеющей конечную глубину. В жидкости глубиной #0 уравнение удлиненной волны имеет вид: Если принять гребень удлиненной волны за ее амплитуду а, то скорость распространения такой волны оказывается больше, чем предельная скорость распространения волны бесконечно малой амплитуды, причем с растет с ростом амплитуды. Для капиллярных волн конечной амплитуды получено полное решение в элементарных функциях /73/. Скорость распространения таких волн оказывается меньше скорости с0 бесконечно малых волн. В теории гидродинамической устойчивости /73-79/ рассмотрены две задачи об устойчивости границы раздела фаз, которые решаются методами линейной теории идеальной жидкости. Малому возмущению горизонтальной границы раздела двух фаз, заданному в виде прогрессивной волны h = asin{kx-Q}t), отвечает круговая частота капиллярно-гравитационных волн где р - плотность жидкости; р" - плотность газа. В то же время результат (2.34) должен быть справедлив и тогда, когда фазы поменялись местами - тяжелая фаза находится над легкой. Эту картину можно наблюдать при воздействии на жидкость вибрации /6-9,86,94-98,209-211/. При сохранении за плотностью жидкости обозначения р формула для круговой частоты имеет вид: Следовательно, в некоторой области значений волнового числа к круговая частота выражается мнимым числом. Это означает, что амплитуда первоначально наложенного волнового возмущения экспоненциально возрастает во времени, то есть граница раздела фаз в этом случае неустойчива. Эта неустойчивость получила название неустойчивости Тейлора. На рисунке 2.15 представлена зависимость круговой частоты от длины волны в безразмерном виде -капиллярная постоянная и зависит от числа Бонда ( Д,). Критическая длина волны Л., при которой наступает неустойчивость Тейлора, определяется условием Ш2 = 0 и равна Максимально быстрому нарастанию амплитуды волн отвечает «наиболее опасная» длина волны неустойчивости Тейлора: Линейная теория достоверно описывает начальный этап развития неустойчивости Тейлора в «перевернутой» двухфазной системе, что подтверждено экспериментами /73,75,79/. Неустойчивость границы раздела фаз возникает при определенной скорости их относительного движения U0 (критическая скорость неустойчивости Гельмгольца). При скорости движения верхней фазы, равной /0, фазовая скорость прогрессивной волны имеет вид: Неустойчивость границы раздела возникает, когда круговая частота со становится комплексным числом, то есть при отрицательном значении подкоренного выражения в формуле (2.39), из которого определяется U0: Авторы /72/ считают, что формула (2.41) отвечает возникновению развитой волнистой поверхности жидкости с возможным отрывом капелек с гребней волн. Что касается вертикальной границы раздела фаз, например, в режиме гравитационного стекания пленки жидкости, что имеет место в установках мокрой газоочистки и особенно в установках поглощения газовых выбросов при вибровоздействии на газожидкостную систему /33/, то как показал анализ П.Л. Капицы, сделанный в /75/, эта граница всегда неустойчива.
Экспериментальные установки, методики проведения опытов для получения активированной воды и исследования ее свойств
Принимая во внимание, что орошающая фильтры У111 В вода подкисляется в процессе эксплуатации установки (рН достигает величин 2,5-3,0), была выдвинута идея использования в качестве орошающей жидкости заранее приготовленной (без реагентов) воды с рН 7. Получение такой воды можно осуществить путем электродиализа /205/. Для этого была создана лабораторная электродиализная установка (рисунок 3.8). Рисунок 3.8 Принципиальная схема экспериментальной установки: 1-корпус; 2-углеродные электроды; 3-мембрана; 4-крышка; 5-подвод воды; 6-линия отвода католита (рН 7); 7-линия отвода анолита (рН 7); 8-обессоленная вода; 9-выпрямитель; 10-переливная трубка
Методика проведения опытов заключается в следующем. Вода подается в корпус 1 из водопровода 5 и наполняет его до уровня переливной трубки 10. При этом электроды 2, выполненные из чистого графита, полностью погружены в воду. После наполнения корпуса исходной водой на электроды 2 через выпрямитель 9 подается постоянный ток. В таком режиме установка работает не менее 30 минут (время стабилизации процесса определено экспериментально, рисунки 3.13, 3.14), после чего отбираются пробы активированной воды из зоны катода и анода для измерений параметров воды (рН, проводимости а, жесткости Жо, щелочности Що). Следует отметить, что анализу подвергается каждая четвертая проба, предыдущие сбрасываются в дренаж. Одновременно с началом отбора недостаток воды компенсируется подпиткой из водопровода (установка работает на протоке). Расход воды регулируется при помощи кранов на линиях 5,6, 7, 8. Значения рН измерялись при помощи универсального иономера типа ЭВ-74. Величина а, позволяющая определять форму (молекулярную или ионную) существования вещества в воде измерялись универсальным мостом типа Е7-4. Титрованием проб, в соответствии с /208/, определялись значения общей жесткости (Жо) и щелочности (Що) анолита (вода из зоны анода) и католита (вода из зоны катода) в зависимости от рН. Измерения проводимости растворов осуществлялись в измерительной ячейке с платиновыми электродами 3 (рисунок 3.9) по традиционным методикам, изложенным в /211/. Измерения проводятся до стабилизации значения проводимости раствора во времени.
Проведена оценка среднеквадратичной погрешности полученных данных, которая достигает 1-1,5 %. В нее входят: погрешность иономера (0,5-1,2%) и погрешность моста Е7-4 (0,5-1,0%) в зависимости от диапазона измерений, погрешность титрования - доі ,5%.
На лабораторной установке (рисунок 3.8) были получены растворы анолита и католита в диапазоне значений рН от 2,3 до 11,0. На рисунках 3.10-3.12 и в таблице 3.6 приведены показатели качества этих растворов (Жо, Щ0) в зависимости от их рН . Из рисунка 3.10 видно, что с изменением рН значение жесткости увеличивается, достигает максимума при рН = 5,4 и при дальнейшем росте рН (от 5,4 до 11) снижается. Так как жесткость обусловлена наличием в воде соединений кальция и магния, то при низких рН происходит переход ионов кальция и магния из зоны между мембранами к катоду, и они удаляются из зоны катода в виде осадка или с пеной, образующейся барботажем выделяющегося водорода. Снижение жесткости у положительного электрода (анода, рН 7) происходит из-за переноса ионов Са2+ и Mg2+ из зоны анода к отрицательному электроду, то есть удаление ионов жесткости происходит в процессе электродиализа.
Из рисунка 3.11 видно, что с повышением рН происходит увеличение общей щелочности растворов. Это объясняется ростом концентрации ионов ОН , HCGI, СО\ в воде анодного отсека установки, которые и обусловливают величину щелочности. Общая щелочность определяется двумя индикаторами Щ0=К-(Ф+М)—, где Ф - титр по фенолфталеину; М - титр по метилоранжу; V — объем раствора на титрование. По расходу на титрование при различных индикаторах можно судить о щелочности и обусловливающих.
