Интенсификация процессов разделения и очистки неоднородных систем с использованием сильных электрических полей Семенов, Владимир Константинович

Введение к работе

- Актуальность проблемы. В химической технологии большее значе
ние имеют процессы разделения и очистки твердых, жидких и~ Тазовых
систем. Традиционные ( механические) методы являются, как правило,
высокозатратными, поэтому поиск и разработка новых эффективных тех
нологий представляется весьма актуальным. Поскольку возможности из
вестных методов в значительной мере исчерпаны, то решение следует
искать на стыке естественных и технических наук. В частности, исс
ледование физико-химических процессов, обусловленных взаимодействи
ем сильных электрических полей с диспергированными и сплошными сре
дами, открывает новые перспективы для эффективного решения широкого
спектра задач химической технологии: разделения и очистки неодно
родных жидких и газообразных систем, классификации и разделения по
рошков, обогащения полезных ископаемых, нанесения пленочных и обли
цовочных покрытий, смешения жидкостей и сыпучих материалов. Исполь
зование сильных электрических полей в технологии выгодно отличается
от других способов воздействия на среды отсутствием промежуточного
звена при преобразовании электрической энергии в энергию процесса и
возможностью тонкого управления процессом.

Электрические методы нашли широкое применение для разделения, классификации и смешения твердых диспергированных материалов (электронно-ионная технология). В основе этой технологии лежат процессы зарядки и движения потоков заряженных частиц под действие?.! сил электрического поля. К настоящему времени методы расчета траекторий частиц с заданными зарядами довольно хорошо разработаны, тогда как существующие теории зарядки частиц позволяют определить липа средние заряды. Однако, для определения основных характеристик технологического процесса часто необходимо знать не только средние заряды частиц, но и их флуктуации. Решение згой задачи тлеет фундаментальное значение для всех процессов, связанных с транспортом

- с -

диспергированных материалов в сильных электрических полях.

Весьма актуальной задачей при разделении жидких систем являет ся очистка от воды обводненных нефтепродуктов. В химической техно логии одним из методов ее решения является электрокоалесценция, ОС нованная на создании сильного электрического поля в эмульсии путе погружения электродов в жидкость. В последнее время для нефтехими большую проблему представляет очистка сильнообводненных нефтепро дуктов, когда указанный выше способ не годится из-за больших токо сквозной проводимости.

Решение ряда задач по очистке жидкостей и газов связано с при менением озона, полученного из воздуха или кислорода в барьернь озонаторах. Интенсификация и экономичность синтеза озона требук повышения эффективности барьерных озонаторов, которая напрямую свя зана с отводом тепла из зоны разряда. Поиск различных конструктиї ных решений должен опираться на углубленные теоретические и экспе риментальные исследования процессов теплообмена в каналах озонатс ров. Кроме того, ряд технологических процессов (очистка отхсдяш; газов, производство молекулярного неравновесного газа, проведеш плазмохимических реакций и пр.) связан с пропуском через аппарг большого количества запыленного газа при сравнительно невысокс концентрации озона. В последнем случае газоразрядное устройсті совмешдет в себе функции генератора озона и реактора плазмохимичес ких процессов. Таким образом, требуется разработка устройств большим проходным сечением и объемными формами неравновесного ра; ряда при атмосферном и повышенном давлении.

Характеризуя направление в целом, следует сказать, что широке внедрение электрофизических методов в химическую технологию едержі вается недостаточной разработанностью теоретических основ, отсут< твием математических моделей и методов расчета различных физико-хі мических процессов, обусловленных взаимодействием сильных злектрі

ческих полей с диспергированными и сплошными средами. В этой связи
разработка математических моделей и аппаратного оформления электро-
физических.методов интенсификации химико-технологических процессов,
представляется весьма актуальной. _

Работа выполнена в соответствии с планами основных научных направлений Ивановского государственного энергетического университета и программой ГКНТ "Проблемы создания и внедрения высокоэффективных установок и оборудования для производства озона" (постановление ГКНТ СССР №409 от 08.09. 86 г.).

Дель исследований - разработка и совершенствование электрофизических методов интенсификации процессов разделения и очистки неоднородных систем на основе математического и физического моделирования, создание эффективных аппаратов и методик их расчета.

Основные методы научных исследований: использовались прямые методы математической физики (метод Ритца, Галеркина, Кармана-Поль-гаузена); методы электрофизики, физической и химической кинетики, теории самоорганизации, теории устойчивости, теории пограничного слоя и теплопроводности; математическое и физическое моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построена стохастическая модель основных механизмов зарядки аэродисперсных частиц (в поле короны, на электродах и в "кипящем" слое), позволяющая более точно рассчитать различные аппараты, связанные с транспортом диспергированного сырья электрическим полем.

2. Разработаны математические модели и методы расчета процессов, определяющих перемешивание диэлектрических и разделение полупроводящих жидкостей на основе экспериментально обнаруженных явлений самоорганизации упорядоченных структур: бенаровской электроконвекции в жидком диэлектрике и сотовой системы проводящих каналов в водно-масляной эмульсии. Для бенаровской электроконвекции выполнено исследование устойчивости равновесия, определен порог возникновения

электроконвекции и характер движения после потери равновесия, ф сотовой системы каналов в водно-масляной эмульсии определен xapaj тер распределения водяных проводящих каналов в дисперсионной сред? числа диполей воды и их флуктуации внутри каналов. Предложен эврис тический принцип иерархии упорядоченных структур, позволяющий опре делить наиболее вероятную среди предполагаемых.

3. На базе предложенного в работе нового способа возбужден факельной короны на постоянном напряжении разработаны конструкщ озонаторов-реакторов, совмещающих в себе функции генераторов озої и плазмохимических реакторов. Разработаны математические модели г с зоразрядных и плазмохимических процессов в озонаторе-реакторе сформулировано условие самоподдержания разряда, рассчитана скоросі распространения разряда, толщина ионизационного слоя, распределен* напряженности поля и плотности объемного заряда, проанализировав кинетика химических превращений газов.

4. Сформулированы математические модели газодинамики и тепле обмена в барьерных озонаторах и озонаторах-реакторах факельной кс роны. Получены аналитические решения системы уравнений Буссинесн для вертикальных и горизонтальных барьерных озонаторов с симметрия ными и несимметричными барьерами, решена сопряженная задача по рас чету поля температур внутри барьеров и разрядном канале, определен основные динамические характеристики разрядного канала. Аналитичес ки решена задача теплопереноса в озонаторах-реакторах факельной ко роны. Определена зависимость равновесной концентрации озона от дли ны разрядного элемента.

Практическая значимость работы.

1. На базе разработанных математических моделей предложены ме тоды расчета физико-химических процессов, основанных на взаимодейс твии сильных электрических полей с диспергированными и сплошным средами: зарядки потоков диспергированного сырья, перемешивания ди

электрических и разделения полупроводящих жидкостей, газоразрядных процессов и плазмохимических реакций в озонаторах-реакторах факель-

ной._кор_оны, газодинамики и теплообмена в барьерных озонаторах и

озонаторах-реакторах.

2. Разработаны и внедрены в различных отраслях народного хо
зяйства:

конструкции аппаратов газоочистного оборудования различного назначения: озонаторов-реакторов факельной короны, аппарата для разделения смеси газов на компоненты, электрофильтра с жидким оса-дительным электродом;

метод разделения на фазы сильнообводненных нефтепродуктов.

3. Предложены и прошли лабораторные испытания конструкции
электросепараторов с подзарядным устройством двухсторонней унипо
лярной короны, способ отделения волокон асбеста от пыли и гали и
способ повышения эффективности сжигания низкореакционных углей.

Реализация результатов работы. Внедрение разработок осуществлено на ряде предприятий: ИвНйИПИК, ИХНР РАН г. Иваново, Ивановское областное онкологическое объединение, Ивановский областной госпиталь ИЕВ, Российский институт мощного радиостроения г. Санкт-Петербург, ОЇЇИЛ ТЭС И АЭС, НИИ электротехнологий (Иваново), АО "Электроцентрмонтаж" г. Смоленск, ТЭЦ-2 г. Смоленск, НПО "ЭКИП" г. Москва, НПФ "СЕЛЕНА" г. Москва и др. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Ивановского энергетического университета.

На зашиту выносятся следующие результаты:

1. Математическая модель стохастического процесса зарядки частиц диспергированных материалов с учетом флуктуации зарядов при различных механизмах: в поле коронного разряда, индукционной- на электродах и трибоэлектрической- в "кипящем" слое.

2. Математические модели перемешивания диэлектрических и раз-

- б -

деления полупгсе оляплх жидкостей на основе самоооганизаціш бч⁼-роЕской злектроконвекции е жидких диэлектриках и сачсорганизациї сотовой системы поовсдяших каналов в сидьнообводненкых Не^ТеПСОДУК" тах под действием электрического поля ионного заояда. на.нвсенногс на свободную поверхность жидкости.

3. Математическая модель газоразрядных процессов ' в озонатс рах-реакторач Факельной короны.

4. Математические модели газодинамики и теплообмена в барьерных озонаторах и озонатора»реакторах факельной короны.

5. Практические разработки: озонаторы-реакторы факельной короны, аппарат для разделения смеси газов, электрофильтр с жидким оса-дительным электродом, метод обезвоживания сильнообводненных нефтепродуктов, электросепаратор с подгарядным устройством двухсторонне; униполярной короны, способ отделения волокон асбеста от пыля и гали, способ повышения эффективности сжигания нивкореакционных углей

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались і докладывались на итогоеых научно-технических конференциях Ивановского энергетического университета (1974-1994 г), на городском меж вузовском семинаре по технической физике и гидродинамике (1978-198! г.), на научном семинаре B.C. Сорокина по теоретической физике пр Ивановском государственном университете в 1984-85 г., на Всесоюзно научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы перспективы энергетики и технологии в электроснабжении" (Ивано Ео,1987,1989 г.), на Всесоюзном совещании "О мерах по усилению ох раны природы и улучшению использования природных ресурсов б легко промышленности" (Москва, 1987 г.), на заседаниях научного Совет ГКНТ СССР по проблеме "Сильные электрические поля в технологически процессах - электронно-ионная технология" (секция озонаторостроени и применения озона. Москва, 1980-1990 г.;, на международных науч но-технических конференциях "Состояние и перспективы развити

но-ионной технологии в народном хозяйстве" (Москва, МЭИ, І99І г.), на международном симпозиуме "Математические модели экологических псо^е^сов" (Иваново. 1995^.

Публикации. По материалам диссе^птацип опубликовано 40 на\-'^иных работ, в том числе б авторских свидетельств и 7 отчетов по научно- исследовательским работам.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы из 156 наименований. Текст работы содержит 305 страниц, включающих 250 страниц машинописного текста. 84 рисунка и 3 таблицы.