Содержание к диссертации
Введение 12
1. Обоснование эффективности импульсных энергетических воздействий на гетерогенные жидкости для интенсификации химико-технологических процессов 20
1Л. Анализ методов интенсификации химико-технологических процессов при импульсных энергетических воздействиях на обрабатываемую среду 20
1.2. Анализ физико-химических эффектов при энергетических воздействиях на гетерогенные жидкости 26
L3. Интенсификация химико-технологических процессов в пульсационных аппаратах роторного типа при энергетических воздействиях на гетерогенные жидкости 34
1-3.1-Анализ эффектов и явлений в жидкой гетерогенной среде при обработке в пульсационных аппаратах роторного типа 35
1.3,2. Интенсификация процессов диспергирования и гомогенизации суспензий 41
1*3*3. Интенсификация процесса эмульгирования 43
1.3.4» Интенсификация массообменных процессов 45
1.4. Выводы по первой главе и постановка задач исследования 48
2- Разработка методики интенсификации химико-технологических процессов при импульсных энергетических воздействиях на гетерогенные жидкости 52
2.L Системный анализ энергетических воздействий на гетерогенные жидкости- 52
2.2. Разработка методики интенсификации химико-технологических процессов при импульсных энергетических воздействиях на гетерогенные жидкости 66
2.3. Системный анализ факторов воздействия на гетерогенные жидкости в пульсационных аппаратах роторного типа 73
2А. Выводы и результаты по второй главе 83
3- Исследование гидродинамики потоков жидкости в пульсационных аппаратах роторного типа 85
3.1. Структура потоков жидкости в зазоре между ротором и статором и расчет затрат мощности на вращение ротора 86
3.1.L Основные уравнения и постановка задачи описания гидродинамики потоков жидкости в зазоре пульсационного аппарата роторного типа 86
3Л.2.Моделирование структуры потоков жидкости в зазоре между ротором и статором 90
3.2. Течение реальной жидкости через каналы ротора и статора пульсационного аппарата роторного типа 105
3.3. Определение коэффициента гидравлического сопротивления прерывателя пульсационного аппарата роторного типа ПО
3.4. Моделирование течения потока реальной жидкости в прерывателе пульсационного аппарата роторного типа 119
3.5. Выводы по третей главе 135
4- Анализ гидроакустических эффектов в пульсационных аппаратах роторного типа 136
4.1. Импульсная акустическая кавитация в пульсационных аппаратах роторного типа 136
4Л. 1 - Физический анализ явления кавитации 136
4.1.2. Динамика кавитационного пузырька 147
4.2. Автоколебательные эффекты при работе пульсационного аппарата роторного типа 154
4.3. Резонансный режим работы пульсационного аппарата роторного типа Л 65
4.4. Выводы по четвертой главе 169
5. Экспериментальные исследования гидродинамических и гидроакустических эффектов в пульсационных аппаратах роторного типа 170
5.1. Разработка многоцелевого экспериментального стенда и методики проведения экспериментальных исследований 170
5.2. Исследование гидродинамики потока жидкости в канале статора пульсационного аппарата роторного типа 184
5.2.1. Закономерности пульсаций давления в канале статора 184
5.2.2. Влияние температуры жидкости на поглощение генерируемой волны 193
5.3. Исследование импульсной акустической кавитации 198
5.4. Работа пульсационных аппаратов роторного типа в автоколебательном и резонансном режимах 221
5.4.1. Исследование автоколебательного режима работы пульсационного аппарата роторного типа 221
5.4.2, Исследование влияния технологических объемов на акустическое поле 233
5.5. Выводы по пятой главе 236
6, Исследование кинетики гидромеханических и массообменных процессов при импульсных энергетических воздействиях в пульсационном аппарате роторного типа 237
6.1, Расчет диссипации энергии при импульсных энергетических воздействиях на гетерогенную жидкость в пульсационном аппарате роторного типа 23 7
6.2. Эмульгирование в пульсационном аппарате роторного типа 255
6-2.1. Эмульгирование несмешивающихся жидкостей 255
6-2.2. Многофакторное импульсное энергетическое эмульгирование в пульсационном аппарате роторного типа 259
6-2.3. Экспериментальное исследование процесса эмульгирования в пульсационном аппарате роторного типа 265
6-3. Диспергирование твердых частиц в пульсационном аппарате роторного типа 279
63Л. Анализ условий диспергирования твердых тел 279
6.3.2. Анализ процесса разрушения частиц различной формы в пульсационном аппарате роторного типа 287
6.3.3. Экспериментальное исследование процесса диспергирования в пульсационном аппарате роторного типа 296
6-4. Экстрагирование и растворение при многофакторных энергетических воздействиях в пульсационном аппарате роторного типа 304
6-4.1. Анализ кинетики процесса экстрагирования и растворения в системе «твердое тело - жидкость» 304
6.4.2. Моделирование процесса растворения «твердого в жидкости» при обработке в пульсационном аппарате роторного типа 312
6.4.3. Экспериментальное исследование процесса растворения в воде при многофакторной энергетической обработке NaCl в пульсационном аппарате роторного типа 321
6.5. Выводы по шестой главе 326
7. Разработка пульсационных аппаратов роторного типа и методов их расчета и проектирования 328
7.1. Анализ, выбор и обоснование критериев для расчета оптимального пульсационного аппарата роторного типа 330
7.2. Разработка методов расчета пульсационных аппаратов роторного типа на основе инженерной оптимизации 339
7.3. Основные направления проектирования и классификация пульсационных аппаратов роторного типа 350
7.3.1. Использование автоколебательных и резонансных эффектов для повышения эффективности работы пульсационных аппаратов роторного типа 351
7.3.2. Конструктивные методы усовершенствования пульсационных аппаратов роторного типа 368
7.4. Выводы по седьмой главе 376
8. Интенсификация химико-технологических процессов и внедрение пульсационных аппаратов роторного типа в промышленность 3 77
8.1 , Приготовление смазочно-охлаждающей жидкостей 377
8.2. Обработка многокомпонентных смазочных составов в пульсационном аппарате роторного типа 384
8.3. Приготовление парафиновой пасты - полифункциональной добавки для бетонов 387
8.4. Интенсификация процесса получения раствора полупродукта светостабилизатора полимеров НАБ в 0,5% водно-щелочной среде 390
8.5. Выделение жировой фракции из белково-липидных комплексов 398
8.6. Обработка пищевых суспензий 401
8.7. Диспергирование пигмента лакокрасочной суспензии 403
8.8. Использование пульсационных аппаратов роторного типа в машиностроении 405
8.9. Выводы по восьмой главе 408
Основные результаты и выводы 410
Список использованной литературы 413
Приложение L Графики зависимостей параметров потока жидкости 452
Приложение 2. Решение волнового уравнения 459
Приложение 3, Расчет собственной частоты объема в виде прямоугольного тора 463
Приложение 4-Осциллограммы импульсного давления в канале статора 472
Приложение 5, Осциллограммы импульсного давления в канале статора при изменении температуры воды 477
Приложение 6. Гистограммы распределения частиц эмульсии 483
Приложение 7, Программа расчета ПАРТ по критериям энергетической эффективности 493
Приложение 8. Материалы реализации результатов работы 505
Введение к работе
Интенсификация химико-технологических процессов (ХТП) является одной из важных задач науки и техники, К насущной отраслевой проблеме многих химических технологий, требующей научно обоснованного решения, относится задача интенсификации процессов эмульгирования, диспергирования, растворения и экстрагирования. Основой увеличения производительности и снижения энергозатрат на проведение ХТП служит проектирование, создание и внедрение высокоэффективных технологических аппаратов с малой удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые вещества. В настоящее время перспективным научно-техническим направлением является разработка процессов и аппаратов с энергетическими воздействиями на гетерогенные жидкости за счет импульсного режима течения. Подобные разработки базируются на новых инженерных решениях, теоретических и экспериментальных исследованиях физико-химических процессов в обрабатываемых средах при интенсивных импульсных воздействиях.
К аппаратам, реализующим импульсные энергетические воздействия на ХТП, относятся пульсационньге аппараты роторного типа (ПАРТ), принцип работы которых основан на создании импульсного режима течения. Интенсификация ХТП в пульсационных аппаратах роторного типа обусловлена механическими и акустическими воздействиями на вещества в импульсном потоке обрабатываемой жидкой гетерогенной среды, заключающихся в пульсациях давления и скорости потока жидкости, развитой турбулентности, интенсивной кавитации, мелкомасштабных пульсациях в локальных объемах жидкости при пульсациях и схлопывании кавитационных пузырьков, жестком кумулятивном воздействии, больших сдвиговых и ударных нагрузках. Основополагающие работы, конструкции и внедрение пульсационных аппаратов роторного типа в ряде отраслей промышленности были выполнены М.А- Балабудкиным, A.M. Балабышко, В.Ф. Юдаевым, А.И. Зиминым, В.П. Ружицким и другими учеными.
Научной базой для разработки аппаратов с импульсными энергетическими воздействиями на гетерогенные жидкости должна быть методология, учитывающая взаимное влияние энергетических полей, физико-химических эффектов, трансформацию и инверсию видов энергетического воздействия. Учитывая многогранность этих задач, актуальным является анализ комбинаций воздействий и их влияния на интенсивность ХТП. Исследованию влияния энергетических воздействий на ХТП посвящены работы ИМ. Федотки-на, Г.А. Кардашева, В.В. Лукьянца, А.В, Вейника и других ученых.
Проблемой, сдерживающей разработку аппаратов для интенсификации ХТП и методов их расчета является недостаточность систематизации и комплексности в подходе к интенсификации химико-технологических процессов при энергетических воздействиях на гетерогенные жидкости, в исследовании комплекса физических, физико-химических и химических явлений, имеющих место при обработке жидких гетерогенных сред под воздействием мощных импульсных течений, импульсной акустической кавитации, автоколебательных и резонансных эффектов.
При этом основными направлениями являются:
1) исследование комплексного воздействия на обрабатываемую гетерогенную жидкость различных физических факторов, интенсифицирующих ХТП;
2) научное обоснование и разработка высокоэффективных технологических аппаратов с импульсным воздействием на обрабатываемую жидкую гетерогенную среду;
3) широкое внедрение в промышленность гидромеханических аппаратов с многофакторными импульсными высокоэнергетическими воздействиями;
Таким образом, необходимым и актуальным является решение следующего комплекса задач:
- разработка методики интенсификации ХТП при энергетических воздействиях в импульсных потоках гетерогенных жидкостей;
- теоретические и экспериментальные исследования энергетических воздействий на процессы в импульсных потоках гетерогенных жидкостей;
- научное обоснование методов расчета и проектирования аппаратов с энергетическими воздействиями в импульсных потоках гетерогенных жидкостей;
- разработка и внедрение эффективных технологических аппаратов с энергетическими воздействиями на гетерогенные жидкости.
Целью работы является повышение производительности и качественных показателей ХТП эмульгирования диспергирования, растворения и экстрагирования за счет разработки основ методологии интенсификации химико-технологических процессов при энергетических воздействиях в импульсных потоках гетерогенных жидкостей, проведения анализа энергетических воздействий на гетерогенные жидкости, научного обоснования и разработки методов расчета и проектирования пульсационных аппаратов роторного типа для энергетических воздействии на процессы в импульсных потоках гетерогенных жидкостей и внедрения их в различные технологические процессы.
Научной проблемой, подлежащей решению, является интенсификация ХТП эмульгирования, диспергирования, растворения и экстрагирования за счет импульсных энергетических воздействий.
Для достижения указанной цели поставлен и решен комплекс задач;
разработка методики интенсификации ХТП при энергетических воздействиях в импульсных потоках гетерогенных жидкостей; теоретические и экспериментальные исследования энергетических воздействий на процессы в импульсных потоках гетерогенных жидкостей;
научное обоснование методов расчета и проектирования аппаратов с энергетическими воздействиями в импульсных потоках гетерогенных жидкостей;
разработка и внедрение эффективных технологических аппаратов с энергетическими воздействиями на гетерогенные жидкости. Научную новизну работы составляют:
- методика интенсификации ХТД базирующаяся на анализе и синтезе энергетических воздействий и физико-химических эффектов в гетерогенных жидкостях;
- теоретическое обобщение влияния комплекса энергетических воздействий на ХТП (эмульгирование, диспергирование, растворение, экстрагирование) в импульсных потоках обрабатываемой жидкой гетерогенной среды;
- метод расчета диссипации энергии в зазоре между ротором и статором пульсационного аппарата роторного типа с учетом структуры течения и возмущений потока обрабатываемой жидкости;
- метод расчета кинематических и динамических параметров нестационарного потока жидкости в канале статора пульсационного аппарата роторного типа на основе нелинейного дифференциального уравнения с переменными коэффициентами;
- метод расчета кинематических и динамических параметров пузырьков, составляющих кавитационные кластеры в канале статора пульсационного аппарата роторного типа;
- комплекс методов расчета режимных и конструктивных параметров пульсационных аппаратов роторного типа, работающих в автоколебательном и резонансном режимах;
-комплекс методов расчета кинетических закономерностей химико-технологических процессов эмульгирования, диспергирования, растворения и экстрагирования при обработке в пульсационных аппаратах роторного типа;
- метод расчета и проектирования пульсационных аппаратов роторного типа на основе энергетического подхода;
- классификация пульсационных аппаратов роторного типа. Результаты теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований по интенсификации ХТП при энергетических воздействиях в импульсных потоках стали базой для разработки научно-обоснованных методов расчета высокоэффективных аппаратов, что позволило решить ряд практических задач, результаты которых внедрены в промышленность.
Разработаны комплекс методов расчета, комплекс конструкций пульсационных аппаратов роторного типа и способы их использования в технологических процессах, что позволяет сделать обоснованный выбор аппарата для проведения технологического процесса. Их правовую защищенность обеспечивают 14 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретение-Результаты исследований и предложенные методы расчета и проектирования использованы на Котовском лакокрасочном заводе при диспергировании пигмента краски ГФ-125, на Мичуринском ПО «Прогресс» и Мичуринском ПО «Завод поршневых колец им. Ленина» для процесса приготовления высокодисперсной смазочно-охлаждающей жидкости, что дало реальный годовой экономический эффект в сумме 89160 рублей (в ценах до 1992 г.)3 на Новоузенском молочном заводе при обработке молочного обрата, Липецком АО «Росинка» при производстве соков, на Мичуринском ПО «Прогресс» при разработке технологии очистки отверстий в деталях, а также при разработке научных изданий, учебно-методических пособий и в учебном процессе.
В первой главе проведен системный анализ методов интенсификации ХТП за счет энергетических воздействий, основанных на конкретных физико-химических эффектах, с целью выявления наиболее перспективных и эффективных методов обработки жидких гетерогенных сред. Анализ физико-химических эффектов, возникающих в гетерогенных жидкостях при акусти ческом, механическом, электрическом, магнитном, тепловом, радиационном и химическом воздействиях показал, что эти воздействия вызывают изменение агрегатного состояния (полное или частичное) жидкости или дисперсных включений, изменение физико-химических свойств сплошной фазы, дробление или коагуляцию дисперсных частиц, гомогенизацию среды. Правильно выбранное и управляемое воздействие способствует интенсификации ХТП.
Одним из наиболее эффективных направлений в разработке методов интенсификации ХТП с жидкой фазой является наложение на обрабатываемую среду механических колебаний и акустических волн. Определен один из перспективных типов гидромеханических аппаратов для обработки гетерогенных жидкостей — пульсационные аппараты роторного типа. Проведен литературный обзор и анализ по интенсификации ХТП в ПАРТ, механических, гидродинамических и акустических эффектов, возникающих при обработке жидкостей. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе разработана методика интенсификации ХТП при энергетических воздействиях на гетерогенные жидкости. На основе системного анализа проведена классификация видов воздействий и обрабатываемых жидкостей. Анализ физических воздействий и физико-химических эффектов, образующихся в результате этого воздействия, позволил выявить общие закономерности их проявления. На основе анализа методов организации ХТП доказано, что пульсационная форма организации процесса оказывается более эффективной по сравнению с традиционными схемами.
Выполнен системный анализ факторов воздействия на гетерогенные жидкости в ПАРТ. Энергетические воздействия в ПАРТ реализуются за счет механического, акустического и теплового воздействий. На основе системного анализа иерархической структуры ХТС записаны основные модельные уравнения функционирования системы на соответствующем уровне,
В третьей главе приведены результаты теоретических исследований гидродинамики потоков жидкости в рабочих зонах ПАРТ. Разработана методика рас чета мощности, необходимой для вращения ротора и преодоления сил вязкого трения в зазоре между ротором и статором аппарата. Построена уточненная модель течения потока жидкости и пульсаций давления в канале статора, учитывающая нестационарность перепада давления на прерывателе, центробежного давления, создаваемого жидкостью в полости ротора и каналах ротора, коэффициента количества движения и нестационарного коэффициента трения, волновых процессов в канале статора. Представлены результаты и сделан анализ численного решения разработанной математической модели.
В четвертой главе проведен анализ гидроакустических эффектов, возникающих в ПАРТ. Построена математическая модель кавитационного пузырька на основе уравнения Нолтинга - Неппайраса, учитывающая влияние кавитационных пузырьков, составляющих кавитационный кластер. Разработана модель автоколебательного и резонансного режимов работы аппарата. Сформулированы условия работы ПАРТ в автоколебательном и резонансном режимах.
В пятой главе описаны разработка многоцелевого опытно-промышленного стенда, методика и результаты экспериментальных исследований гидродинамических и гидроакустических параметров ПАРТ. Экспериментальные осциллограммы импульсов давления в канале статора, подтверждают модель течения жидкости в прерывателе аппарата. Исследовано влияние температуры на гидродинамические и гидроакустические параметры потока жидкости. Сделан анализ визуальных наблюдений и фотографий кавитационных кластеров. Получены экспериментальные зависимости индекса кавитации и относительного давления кавитационных импульсов от геометрических и режимных параметров аппарата, подтверждающие теоретическую модель. Экспериментальные исследования параметров гидроакустического поля ПАРТ подтвердили разработанные модели автоколебательного и резонансного режимов работы.
В шестой главе проведено теоретическое исследование интенсификации процессов эмульгирования и растворения на основе энергетического подхо да- Разработаны методики расчета: диссипации энергии в канале статора и зазоре между ротором и статором аппарата; среднеарифметического диаметра частиц эмульсии; коэффициента массоотдачи при растворении твердых частиц; гранулометрического состава суспензии при диспергировании твердых частиц. Описываются результаты экспериментальных исследований по проведению и интенсификации в ПАРТ процессов эмульгирования, диспергирования и растворения,
В седьмой главе определены основные направления проектирования и расчета ПАРТ, Проведен анализ критериев эффективности технологического оборудования. Проведен анализ критериев эффективности работы ПАРТ, по которым следует проводить оптимизацию аппарата. Разработаны методики расчета пульсационных аппаратов роторного типа по критериям энергетической эффективности и по критериям интенсивности ХТП и качества продуктов. На основании теоретических и экспериментальных исследований были разработаны конструкции ПАРТ для интенсификации химико-технологических процессов.
В восьмой главе приведены примеры и дан анализ практического использования результатов исследований по интенсификации химико-технологических процессов: приготовления смазочно-охлаждающей жидкости, силикатного масла и коллоидной парафиновой пасты; растворения 2-нитро-2-гидрокси-5-метилазобензола в водно-щелочной среде; выделения жиров из белково-липидных комплексов, содержащихся в "подпрессовом" рыбокостном бульоне и молочном "обрате"; гомогенизация соков и пюре; диспергирования пигмента краски ГФ-125; очистка скрытых поверхностей деталей. Результаты исследований были внедрены на ряде заводов с получением реального экономического эффекта.
