Введение к работе
Актуальность работы, В настоящее время известно большое количество способов интенсификации технологических процессов, протекающих в газожидкостных системах. На современном этапе развития химической технологии одним из перспективных направлений является применение жидкостно-газовых инжекторов, разработка и проектирование на их основе новых, высокоэффективных и надежных газожидкостных аппаратов.
На протяжении всей истории развития химической промышленности газожидкостные технологические процессы составляли значительную долю всех процессов этой отрасли. Теплообмен, абсорбция, десорбция, ректификация, экстракция, эмульгирование, смешение, реакционные процессы - вот неполный список процессов, протекающих при перемешивании и контакте между собой жидкостей и газов.
В микробиологической промышленности также широко распространены газожидкостные процессы, а именно: выращивание микроорганизмов, аэрация культурных сред. Одна из важнейших экологических задач - очистка сточных вод. Перспективным направлением в этой области является озонирование воды в инжекционно-струйных аппаратах.
Другое применение жидкостно-газовых инжекторов - создание технологических, линий и производств под вакуумом. Простота, высокая надежность, относительно малые габаритные размеры и стоимость струйных аппаратов позволяют широко использовать их в качестве устройств для создания вакуума, откачки газов и паров в различных отраслях техники.
Жидкостно-газовые инжекционные аппараты tie уступают по интенсивности массопереноса установкам с механическими перемешивающими устройствами. Такие аппараты не содержат движущихся устройств, не требуют сложного оборудования для изготовления, просты в' обслуживании, обладают высокой надежностью и ремонтопригодностью.
Несмотря на широкое применение жидкостно-газовых инжекторов, до настоящего времени нет единой описательной физической и математической модели гидромеханических процессов, протекающих в таких устройствах. На современном этапе развития технической науки сущеспзует два основных подхода к расчету инжекторов. Один основан на интеїральньїх уравнениях сохранения импульса, массы и энергии, другой - использует эмпирические зависимости. Зачастую результаты расчета по различным методикам далеко не соответствуют друг другу. Пшрептпость в среднем составляет 30-5-120 %, что не позволяет широко применять ни одну из известных методик. Поэтому проблема разработки научно обоснованной методики расчета струйных аппаратов является чрезвычайно актуальной.
Цель работы. Целью данной работы является разработка моделей, описывающих гидродинамические характеристики процессов, протекающих в жидкостно-газовых инжекторах с компактными и диспергированными струями жидкости, и создание методик расчета указанных аппаратов.
Научная новизна. На основе анализа физических явлений, вызывающих распад турбулентной струи на капли, получены уравнения для расчета длины се полного распада и диаметра сплошной (не распавшейся) части струи на определенном удалении от насадка истечения. Найденные зависимости могут быть использованы при формулировке граничных условий для численного моделирования процесса инжектирования воздуха турбулентными струями жидкости в инжекциошю-струйных газожидкостных химических реакторах, абсорберах, ферментаторах.
На основе законов сохранения массы и импульса в дифференциальном представлении, в рамках континуального подхода разработаны новые математические модели, описывающие гидродинамику в жидкостно-газовых инжекторах с диспергированными и компактными струями жидкости.
Разработанные модели позволяют учесть особенности передачи импульса между средами, имеющими физические свойства, значительно отличающиеся друг от друга, и особенности конструкции ипжекционного элемента.
Практическая ценность. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики, позволяющие рассчитывать характеристики жидкостно-газовых инжекторов с диспергированными и компактными струями жидкости, выбирать оптимальную конструкцию инжек-ционного элемента и его размеры. Предложенные методики использованы при расчете жидкостно-воздушного инжектора для реактора окисления лигносульфоната натрия до лигногуматов, установленного на Выборгском целлюлозно-бумажном комбинате (Лен. область).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на XII международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-98» (Москва), научно-технической конференции аспирантов СПбГТИ(ТУ), посвященной памяти Максима Максимовича Сычева (СПб. 1999 г.), на научных семинарах кафедры ОХБА СПбГТИ(ТУ) (СПб), а также на международной научно-технической конференции «Техника и технология очистки и контроля качества воды» (Томск, ТПИ, 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, содержащего 103 источника. Работа изложена на 135 страницах печатного текста и содержит 39 рисунков.