Введение к работе
Актуальность темы. Разработка совершенных методов получения твердых дисперсных материалов методом массовой кристаллизации из пересыщенных растворов представляет собой одну из основных проблем химической технологии. Кристаллизация является важным этапом получения химических удобрений, фармацевтических препаратов, красителей, катализаторов и белков, мировое производство которых составляет миллионы тонн. Основную роль в формировании кристаллического продукта заданного гранулометрического состава играют процессы нелинейного массопереноса, определяющие режимы работы кристаллизаторов. До недавнего времени исследование этих процессов проводилось специалистами-технологами в основном экспериментальным путем. Современная технология требует расширения производства кристаллических гранулированных материалов и предъявляет все более высокие и разнообразные требования к их свойствам и качеству, что приводит к резкому возрастанию сложности и стоимости экспериментальных исследований. В этих условиях возникает необходимость привлечения к исследованиям, направленным на интенсификацию и оптимизацию рабочих режимов кристаллизаторов и способов управления ими методов математического моделирования, чем и обусловлена прикладная актуальность проблем, рассматриваемых в работе.
Развитие методов математического моделирования эволюции полидисперсных систем частиц весьма важно и в связи с исследованием некоторых других процессов тешгомассолеренооа в метаста-бильвдх и химически активных средах: гашения сильно перегретых жидкостей, горения полидисперсного топлива, грануляции в факеле струи псевдоожиженного слоя. Актуальность изучения этих процессов связана с интенсивным развитием перспективных энергетических технологий.
Традиционные методы моделирования динамики полидисперсних систем частиц состояли в разбиешш ансаглблей частиц на конечное число фракций и решении уравнений для моментов функции распределения частиц по размерам. Эти методы приводят к весьма громоздким численным расчетам и требуют привлечения дополнительных гипотез о кинетиках процессов, что выводит из рассмотрения многие практически важные ситуации. Они не позволяют рассматривать различного рода неустойчивости, колебания, а также пульса-ционные, переходные и кризисные явления в аппаратах с дисперсной
_ 4 -
фазой, даже физическое существо которых остается на данный момент не выясненным. Это требует развития принципиально новш методов моделирования динамических режимов массовой кристаллизации, направленных на выяснение причин нарушения устойчивоста работы кристаллизаторов непрерывного действия и исследования возможности применения периодических и пульсационных режимов для улучшения таких технологических характеристик кристаллизации, как массовый выход, средний размер, дисперсность продукщ онных кристаллов и т.д.' В атом состоит общенаучное значение дг ного исследования.
Работа выполнена в рамках важнейших комплексных программ в области естественных наук: Программы фундаментальных исследований УрО АН СССР до 2000 г., Программы Госкомитета по делаг науки и высшей школы до 1995 г., плана фундаментальных исслед< ваши АН СССР по теме "Исследование гидродинамики и процессов переноса в многофазных и дисперсных системах (J6 01860045507)
Цель работы можно сформулировать следующим образом:
-
Разработка единого подхода к решению нелинейных задач кристаллизации полидисперсных систем частиц и на его основе методики расчета условий нарушения устойчивости стационарных процессов, характеристик нелинейных автоколебательных режимов и осреднениях технологических характеристик массовой кристаллизации в одно- и многокамерных установках.
-
Выяснение условий интенсификации процесса кристаллизации и возможности воздействия на гранулометрический состав и дисперсность продукциошшх кристаллов.
-
Анализ влияния внешних периодических и пульсационных возде: ствий на характеристики динамических режимов кристаллизации.
-
Разработка методов стабилизации неустойчивости, нежелательной по технологическим соображениям.
-
Распространение теории, развитой для массовой кристаллизации, на другие процессы эволюции полидисперсных систем частиц в метастабильных и химически реагирующих средах.
Научная новизна работы состоит в разработке новых метода анализа эволюции полидасперсных систем частиц, вовлеченных в обмен с окружающей средой, и-в систематическом исследовании нестационарных периодических и квазипериодических режимов мае
совой кристаллизации. Это составляет содержание нового направления в исследовании нелинейных динамических режимов массовой кристаллизации из пересшцешшх растворов и переохлажденных расплавов. Работа в указанном направлении позволила выяснить физические механизмы возникновения и развития неустойчивостей, а также осуществить комплексное исследование характеристик нелинейных колебательных режимов протекания процесса. В работе получены следующие новые результаты:
разработан метод получения функциональных интегродифсое-ренциалышх уравнений, описывающее эволюцию полидисперсных систем частиц при кристаллизации из. пересыщенных растворов при общих предположениях о кинетиках нуклеации, роста и удаления кристаллов из системы;
получено уравнение поверхности нейтральной устойчивости стационарного режима кристаллизации и проведен физический анализ неустойчивости при различных кинетиках роста и удаления кристаллов; исследовано поведение системы на пороге неустойчивости;
проведен полный расчет амплитудно-частотных характеристик автоколебаний пересыщения и технологических характеристик кристаллизации - среднего размера, массового выхода кристаллов - при произвольной глубіше захода в область неустойчивости;
получен аналитический критерий интенсификации процесса
в слабонелинейном почти гармоническом автоколебательном режиме, определены условия уменьшения и увеличения среднего размера кристаллов в режиме автоколебаний по сравнению со стационарными величинами;
исследовано влияние флуктуации скорости роста кристаллов на характеристики стационарных и автоколебательных режимов, а такие на средний размер и массовый выход кристаллов; разработаны методы расчета функций распределения кристаллов по размерам с учетом флуктуации скорости их роста;
показано, что модуляция ряда параметров может быть использована как для стабилизации неустойчивости, так и для искусственного параметрического возбуадения колебаний;
обнаружены и исследованы явления гармонического, ультра-и субгармонического захватывания собственных частот автоколебаний внешними и квазипериодические колебания;
предложен метод анализа динамических режимов кристалли-
_ 6 -
зации в каскада аппаратов непрерывного действия с рециклом и проанализировано влияние скорости рецикла на характеристики нейтральной устойчивости и автоколебательных режимов;
продемонстрирована возможность использования модуляции скорости рецикла для снижения дисперсности готового продукта; предложены методы стабилизации неустойчивости при кристаллизации в каскаде аппаратов;
разработанные методы успешно применены к анализу других тепло- и массообменньк процессов в полдцисперсных системах: рассмотрено горение полидисперсного топлива, поверхностное и объемное кипение сильно перегретых жидкостей и совместный процесс полимеризации мономера и кристаллизации полимера.
Практическая ценность работы. Методы и алгоритмы, предложенные в работе, могут служить теоретической основой для расчета различных технологических релсимов кристаллизаторов непрерывного действия и условий перехода от стационарных к автоколебательным и квазипериоддческим режимам. Полученные результаты позволяют рассчитывать важнейшие технологические характеристики кристаллизаторов, воздействовать на гранулометрический состав конечного кристаллического продукта и выявлять оптимальные режимы реализации процесса.
Развитые в работе представления о колебательных релшмах горения полидисперсного распыленного топлива в газообразном окислителе дают возможность рассчитывать характеристики топочных устройств и выявлять зкологичесіси чистые режимы, характеризующиеся существенным снижением вредных выбросов окислов серы и азота.
Результаты исследования периодических режимов кипения позволяют рассчитывать колебания удельного паросодержания, температуры и друтих характеристик, что имеет значение при проектировании теплоэнергетического оборудования.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждается хорошим согласием с известными экспериментальными данными, а также тем, что установленные в работе общие положения в частных ситуациях приводят к известным ранее; численные результаты согласуются с аналитическими асимптотиками.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на
Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" /март, 1985, Воронеж/, на Всесоюзном семинаре "Тепло- и массоперенос при росте кристаллов" /апрель, 1985, Александров/, на Всесоюзном совещании "Теплофизика метастабиль-ных жидкостей в связи с явлениями кипения и кристаллизации" /ноябрь, 1985, Свердловск/, на Всесоюзной школе-семинаре "Математическое моделирование в науке и технике" /июнь, 1986, Пермь/, на Всесоюзной конференции "Хшреактор-9" /сентябрь, 1986, Гродно/, на Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации" /декабрь, 1988, Рига/, на Санкт-Петербургском семинаре по процессам переноса в химической технологии /апрель, 1989; май, 1990/, на Всесоюзной конференции "Химреактор-Ю" /сентябрь, 1989, Тольятти/, на Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву /ноябрь, 1989, буз-даль/, на Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" /октябрь, 1990, Воронеж/, на Азиатско-Тихоокеанском Международном симпозиуме по горению и использованию энергии /апрель, 1990, Пекин/, на Международном конгрессе по химической технологии "CHISA -90" /август, 1990, Прага/, на Международном симпозиуме по химической технологии "S^ra^e^tes-2000" /июнь, 1991, Карлсруэ/, на Международном симпозиуме по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости /июль, 1991, Пермь/.
Публикации. По теме диссертации в отечественных и зарубежных журналах, научных сборниках опубликовано 38 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной материал работы изложен на 2IG страницах машинописного .текста, приложения - на 19 страницах, в работе 2 таблицы и 77 рисунков; список литературы насчитывает 205 наименований.