Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последние годы интенсификация технологических процессов привлекает значительный академический интерес в качестве потенциального средства совершенствования процессов, для удовлетворения растущих потребностей в производствах. Согласно фундаментальной работе А. Станкевича и Я. Мулейна1 под интенсификацией процессов в широком смысле понимается «любое развитие химической технологии, которое приводит к значительно меньшей, более чистой, безопасной и более энергоэффективной технологии». Таким образом, повышение производительности, мощности, безопасности, снижение энергетических или материальных затрат, снижение отходов, упрощение технологической цепочки – все это является целевыми функциями интенсификации.
Большинство процессов в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности реализуется в гетерогенных системах. Как правило, данные процессы сопровождаются химической реакцией: абсорбция, хлорирование (газожидкостные системы); выщелачивание, кристаллизация (системы жидкость – твердое тело), нитрование, жидкостная экстракция (системы жидкость – жидкость). Наиболее эффективными способами интенсификации рассмотренных массообменных процессов, наряду с поиском методов эффективного повышения коэффициентов массоотдачи, является создание достаточно развитой межфазной поверхности. На сегодняшний день данная задача решается путем создания пленки жидкости на поверхности корпуса аппарата (пленочные аппараты), на поверхности насадок (насадочные аппараты) или диспергированием в свободном объеме. Кроме того, что диспергирование является наиболее эффективным способом создания поверхности контакта фаз, существует ряд производств, где получение дисперсий является самой целью процесса, например, при производстве пищевых продуктов, косметических изделий, фармацевтических препаратов и др. Таким образом, совершенствование данного способа является одной из важнейших задач химической промышленности.
К числу перспективных методов интенсификации химико-технологических процессов, в том числе диспергирования и массообмена, а также повышения эффективности технологического оборудования относятся методы, основанные на нестационарных (пульсационных, импульсных) и вихревых воздействиях на обрабатываемую среду. Оба этих метода являются механическими видами воздействия и активно применяются для интенсификации различных технологических процессов.
Степень разработанности темы. Большое количество работ отечественных и зарубежных авторов как для пульсационных аппаратов, так и для аппаратов, использующих вихревое движение или закрутку потока, посвящено определению первичных параметров и критериев, характеризующих «полезный» эффект для данного процесса и характеристики затрат на достижение данного эффекта. Так, в случае процессов диспергирования для оценки качества проведения процесса исследователями определяются такие параметры, как распределение размеров частиц, их средний и максимальный размеры, значения создаваемой межфазной поверхности и т.д., а в случае исследования процессов массопереноса – коэффициенты массоотдачи, конверсии и т.д.. В качестве характеристики затрат энергии, как правило, рассматривают удельную скорость диссипации энергии или удельные затраты энергии, а для проточных аппаратов – потери давления.
Очевидно, что представленные в литературе зависимости, уравнения и различные характеристики эффективности проведения процессов разрабатываются с учетом конструкции аппаратов, геометрических особенностей, режимов течения и других параметров.
1 Stankiewicz, A. I. Process intensification: transforming chemical engineering / A. I. Stankiewicz, J. A. Moulijn // Chemical engineering progress. – 2000. – V. 96. – №. 1. – P. 22-34.
Цели и задачи работы. Целью данной диссертационной работы являлась разработка метода интенсификации процессов диспергирования и массообмена в жидкой фазе с использованием интенсивных гидродинамических пульсаций в аппарате проточного типа и вихревом струйном аппарате с последующим получением обобщающих зависимостей и разработкой методик технологического расчета.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Экспериментальное и численное исследование потерь давления и гидродинамической обстановки в изучаемых аппаратах.
-
Экспериментальное исследование влияния ряда параметров, включая объемный расход эмульсии, геометрию аппарата, физические свойства фаз на качество получаемой при помощи пульсационного аппарата проточного типа эмульсии.
-
Получение критериальных уравнений для расчета среднего диаметра капель в эмульсиях, получаемых при помощи пульсационного аппарата проточного типа.
-
Выявление механизмов диспергирования жидкости в пульсационном аппарате проточного типа.
-
Сравнение эффективности эмульгирования в пульсационном аппарате проточного типа со статическими смесителями, а также с другими типами устройств.
-
Экспериментальное и численное исследование процесса деагломерации наноматериалов при помощи пульсационного аппарата проточного типа и вихревого струйного аппарата с последующим сравнением с другими аппаратами.
-
Изучение в пульсационном и вихревом струйном аппаратах процессов массопереноса в гетерогенных средах и оценка количественных характеристик массопереноса, с определением энергетических затрат на осуществление процесса.
-
Разработка инженерной методики расчета пульсационного аппарата проточного типа для осуществления процессов эмульгирования.
Научная новизна.
Получены зависимости потерь давления для пульсационного аппарата проточного типа от диаметра аппарата и количества диспергирующих элементов в однофазном турбулентном потоке в широком диапазоне значений критерия Рейнольдса.
Получена зависимость потерь давления для вихревого струйного аппарата от скорости потока, определены условия работы вихревого струйного аппарата в кавитационном и докавитационном режимах.
Установлено влияние на качество эмульсии, получаемой в пульсационном аппарате проточного типа, ряда параметров: скорости потока жидкости, диаметра аппарата, количества диспергирующих элементов и физических свойств используемых жидкостей.
Получены уравнения для расчета среднего диаметра капель в эмульсиях, получаемых при помощи пульсационного аппарата проточного типа, учитывающее гидродинамические (скорость потока) и геометрические параметры (диаметр аппарата, количество диспергирующих элементов), а также физические свойства используемых фаз.
Подтверждена возможность и определены условия интенсификации процесса эмульгирования в пульсационном аппарате проточного типа путем ввода газовой фазы, при этом достигнут эффект увеличения удельной поверхности капель в 1,8 раза.
Показана возможность эффективного осуществления процесса деагломерации наноматериалов при помощи пульсационного аппарата проточного типа и вихревого струйного аппарата.
Подтверждена возможность и эффективность реализации массообменных процессов в пульсационном аппарате проточного типа.
Осуществлен процесс вакуумной дегазации воды при помощи вихревого струйного аппарата.
Теоретическая и практическая значимость. Проведенные экспериментальные исследования показали более эффективное осуществление процесса эмульгирования при помощи пульсационного аппарата проточного типа (ПАПТ) по сравнению с традиционными диспергирующими аппаратами. Осуществление более тонкого эмульгирования позволяет повысить стабильность эмульсий, уменьшить долю эмульгаторов и тем самым снизить себестоимость готового продукта. Кроме того, получение мелкодисперсной фазы позволяет интенсифицировать процессы массопереноса за счет развитой поверхности контакта фаз, а узкое распределение времени пребывания и отсутствие "проскоков" не прореагировавших реагентов или не диспергированного объема повышает качество продукта.
На основе установленных в ходе данного исследования зависимостей по изучению сопротивления ПАПТ и процесса эмульгирования в ПАПТ разработана методика расчета пульсационного аппарата проточного типа для осуществления процесса эмульгирования в широком диапазоне производительностей и требуемого размера капель.
Полученные данные по интенсификации процесса эмульгирования путем ввода в реакционное пространство газовой фазы могут представлять интерес для применения в других аппаратов трубчатой формы (пульсационных трубчатых аппаратов, статических смесителей).
Пульсационный аппарат проточного типа также показал свою эффективность при диспергировании твердых частиц. Так, установка, содержащая десять установленных параллельно пульсационных аппаратов проточного типа, была внедрена в АО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н. С. Артемова» (г. Тамбов) в качестве одной из ступеней узла деагломерации углеродных волокнистых наноматериалов, что позволило снизить энергические затраты в 2,3 раза и повысить эффективность всего участка деагломерации в технологическом процессе.
Методология и методы исследования. Методологическую основу исследования составили методы физического, математического моделирования и элементы статистики. Теоретической базой послужили работы отечественных и зарубежных исследователей в области химической технологии.
Методами исследования являлись физические эксперименты и численное моделирование при помощи CFD модуля в программном пакете COMSOL Multiphysics.
Положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментального исследования по определению потерь давления и результаты численного моделирования гидродинамических полей в пульсационном аппарате проточного типа и вихревом струйном аппарате.
Экспериментальные результаты по влиянию гидродинамических, геометрических параметров, а также физических свойств фаз на качество получаемой при помощи пульсационного аппарата проточного типа эмульсии.
Исследование процесса деагломерации наноматериалов при помощи вихревого струйного аппарата и пульсационного аппарата проточного типа и результаты численной оценки прочности агломератов.
Результаты исследования массообмена в пульсационном аппарате проточного типа на гетерогенной системе н-бутанол - янтарная кислота - вода с последующим сравнением с аппаратом емкостного типа на аналогичной системе.
Результаты исследования массообмена в вихревом струйном аппарате на примере растворения бензойной кислоты с последующей реакцией нейтрализации гидроксидом натрия с образованием бензоата натрия в растворе.
Инженерная методика расчета пульсационного аппарата проточного типа для осуществления процессов эмульгирования.
Личный вклад автора. Результаты численных и экспериментальных исследований, приведенные в диссертационной работе, были обработаны и получены автором лично и при его непосредственном участии. Им были разработаны и сконструированы лабораторные установки для исследования гидродинамики, диспергирования и массообмена в пульсационном аппарате проточного типа и вихревом струйном аппарате.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается значительным объемом экспериментальных данных и подтверждается хорошей сходимостью полученных зависимостей с результатами численных и теоретических расчетов, а также с данными, найденными в литературе по тематике исследования. Кроме того, достоверность обеспечивается использованием современных измерительных приборов и оборудования. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на международных и всероссийских конференциях: «Энергосберегающие процессы и оборудование, моделирование и оптимизация процессов, прикладная механика неоднородных сред» (Санкт-Петербург, 27 - 28 февраля 2014 г.); «Научно-практическая конференция, посвященная 186-й годовщине образования СПбГТИ (ТУ)» (Санкт-Петербург, 2 - 3 декабря 2014 г.); «15th European Conference on Mixing» (Санкт-Петербург, 28 июня - 3 июля 2015 г.); в рамках саммита БРИКС, МНПК «Вода: оборудование, технологии, материалы в промышленности и энергетике» (Санкт-Петербург, 21 -22 сентября 2015 г.); «10th European Congress of Chemical Engineering» (Ницца, Франция, 27 сентября - 1 октября 2015 г.); «Научно-практическая конференция, посвященная 187-й годовщине образования СПбГТИ (ТУ)» (Санкт-Петербург, 3 - 4 декабря 2015 г.); «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 16 - 18 декабря 2015 г.); «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-29» (Санкт-Петербург, 31 мая - 3 июня 2016 г.); «Научно-практическая конференция, посвященная 188-й годовщине образования СПбГТИ (ТУ)» (Санкт-Петербург, 1 - 2 декабря 2016 г.); «10th World Congress of Chemical Engineering» (Барселона, Испания, 1 - 5 октября 2017 г.); «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 23 - 26 октября, 2017 г.); «Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неделя науки 2018» (Санкт-Петербург, 2 - 5 апреля 2018 г.).
Соответствие диссертации паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий»: в части формулы специальности - «совершенствование аппаратурного оформления технологических процессов с позиций энерго- и ресурсосбережения»; «решение проблем совершенствования и создания эффективных технологических схем и производств на основе использования современных машин и аппаратов»; в части области исследований -«способы, приемы и методология исследования гидродинамики движения жидкости газов»; «методы изучения химических процессов и аппаратов, совмещенных процессов»; «приемы, способы и методология изучения нестационарных режимов протекания процессов в химической аппаратуре»; «методы изучения и создания ресурсо- и энергосберегающих процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности».
Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, из них 5 статей, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, в том числе 3 в зарубежных журналах, индексируемых в базах Web of Science и Scopus; 15 - в других журналах и материалах конференций; получено 2 патента Российской Федерации на изобретения.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы и приложения. Основной текст работы изложен на 204 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков, 22 таблицы и 141 формулу. Список использованных источников включает 320 наименований.