Введение к работе
уальность темы.
Смешение сред - один из наиболее распространненых процессов в іроде, в технике, в быту. Анализ процессов смешения чрезвычайно (єн для повышения эффективности технологических процессов или >борот для снижения негативных явлений в природе и техники.Процессы чаекия необходимы для осуществления целого ряда технологических щессов; таких как кристаллизация, абсорбция,адсорбция, экстракция, гарка, проведение гомогенных и геторогенных химических реакций, іка и т.д.
В зависимости от требований к готовому продукту предъявляют ные требования к условиям перемешивания.
В процессах смешения выжным являются выбор механизма смешения тцествляющего перенос инградиентов (растворенных веществ,взвешенных тиц) и теплоты на расстояние порядков размеров аппарата, то есть анизма макросмешения сред. Выбор данного механизма макросмешения -еделяот структуру потока среды в аппарате. Однако во многих проие-х в локальном объеме аппарата создают особые условия, при которых вмешиваемые среды подвергаются интенсивному воздействию или наобо-менее интенсивному воздействию, чем в остальном объеме аппарата. есть в локальном объеме реализуют либо иной механизм смешения, чем (стальном объеме, либо в выделенном объеме создают дополнительное действие на среду. Смешение сред в локальном объеме будем называть росмешением.(Следует отметить,что под термином микросмешение часто разумевают смешение сред на уровне молекул или агломератов,размеры орых значительно меньше размеров микровихрей турбулентности. Но в ной работе не будут рассматриваться эффекты смешения на уровне екул). Подобные локальные зоны создаются в аппаратах, например, дробления капель, пузырьков, разрушения агломератов, истерания рдых частиц.
Выбор механизмов смешения, а следовательно и аппаратурного оформления зависит от многих параметров; параметров среды( вязкость плотность, наличие нескольких фаз, взрывоопасность и т.д.), энергетн ческих затрат, времени проведения технологического процесса, температурного режима,давления,агресивности среды,производительности и т.
Выбор механизмов смешения осложнен большим разнообрази механизмов смешения как в макрообъеме, так и микрообъеме аппарата, также недостаточностью знанием особенностей этих механизмов смешения
Перечислим основные механизмы смешения формирующие структу потока во всем объеме смешения (во всем аппарате). Это следуют механизмы: 1) смешение с помощью механически перемешивающих рабоч органов; 2) смешение за счет движения стенок аппарата и при репленных к ним рабочих органов; 3) струйное смешение; 4) смешение счет особенностей физико- механических свойств смешиваемых ере например, за счет разностей плотностей фаз -барботажное перемешивани перемешивание за счет поверхностных сил- сил, возникающих из-за градиентов на поверхности поверхностно- активных веществ или температур перемешивание за счет объемных сил, вызванные элетрическими полями н среду с градиентом величины диэлектрической проницаемости;5)смешени за счет дождевого орошения; 6)смешение при перемещении в плотном ело жидких или газовых инградиентов под действием силы гравитации ил капилярно- пористого потенциала (.смешение с помощью фильтрации).
Механизмы смешения в локальном объеме создаются разным способами; 1) среда подается в зазор между движущимися (вращающимися с большой скоростью элементами аппарата: 2) среду пропускают чере узкое отверстие или щель с большой скоростью: 3) создают в облает вблизи механически движущихся органов- области с большими сдвиговым напряжениями (например система ротор - статор в флотомашине): 4
дают в "объеме систему пронизывающих друг- друга, микроструй: 5) ца»т столкновение струйного течения с препятствием; 6) создают асти с повышенной или пониженной температурой; 7) создают области йбольшими скоростями и т.д.
> работы. Основная задача работы состоит в выявлении особенностей анизмов смешения для того,чтобы при разработки технологических про-:ов или оборудования можно было бы оптимальным образом подбирать эудование сочетающее смешение в макро- и микрообъемах при імально возможном потреблении энергии. В данной работе недованы особенности механизмов макро- и микросмекения, их взаимное шие друг на друга и на основе полученных результатов рожаны рекомендации по использованию выявленных механизмов пения. По сути в данной работе предложено новое направление иссле-1ний, связанное с комплексным рассмотрением разных механизмов пения, их взаимодействием между собой,взаимодействием механизмов ю- и микросмешивания. На основе выявленных особенностей механизмов гения разработаны новые аппараты, большинство из которых успешно фены в промышленность, шая новизна.
гервые теоретически исследован процесс смешения в слое жидкости скачкообразном изменении характеристик движения подложек, ійдено точное аналитическое решение задачи о движении ламинарной [ки жидкости вдоль наклонной плоскости, состоящей из двух 'плоскостей, плотно состыкованных между собой, и движущимися с 1ыми скоростями перпендикулярно движению жидкости. акже найдено асимптотическое решение задачи о движении пленки ;ости по внутренней поверхности вертикальной трубы, состоящей из бесконечных труб, вращающихся с разными угловыми скоростями.
2.Исследован механизм смешения сред, обусловленный выпадением капе, жидкости на свободную поверхность слоя жидкости.
-Впервые теоретирчески исследовано возникновение механизма смешени. обусловленного тем, что плоский ламинарный слой жидкости проходит границу от неорошаемого участка к орошаемому.
Впервые исследовано движение турбулентного взвесенесущего поток по наклонной плоскости, на свободную поверхность которого выпадаю капли жидкости. Найдено распределение твердых частиц поперек слоя, . также газовых пузырьков, проникающих в поток вместе с падающим каплями. Показано возможность увеличение взвесенесущей способност потока из-за наличия дополнительного механизма смешения возникающег из-за выпадения дождя.
Впервые теоретически изучен процесс массообмена в турбулентном ел жидкости с орошением поверхности в виде дождевых капель Обнаружено, что интенсивность массообмена турбулентной пленки жидкости с газовым потоком возрастает в несколько раз.
3.Исследованы механизмы смешения в аппаратах с мешалками.
- Создана аналитическая модель течения жидкости в аппарате
мешалкой, основанная на уравнениях Бельтрами -Громеки.
-Исследован процесс растворения твердого вещества в вязких жидкостя
в аппаратах с мешалкой для случая, когда основная масса веществ
находится на дне.
-Исследован также процесс массопереноса в геторогенной среде аппарате с мешалкой. Впервые предложена теоретическая модель позволяющая объяснить известные экспериментальные данные о наличии качественно разных профилей концентрации твердых частиц по вертика.? в аппаратах с мешалками. Показано, что в аппарате конкурируют f. механизма переноса твердых частиц; диффузионный и конвекционнь
>ме того построенная модель впервые "позволяет считывать массообменный процесс для всех режимов суспендирования :тиц, то есть для случая,когда все твердые частицы находятся на дне іарата до случая когда все твердые частицы взвешенны в потоке. Ис-ідован также массообмен в аппарате, осложненный наличием объемной [ической реакции.
'оанализирован массообменный процесс в аппарате с мешалкой для чая когда протекает некаталитическая реакция. В предложенной ра-е впервые исследовано влияние полидисперсности твердых частиц, а же влияние изменения концентрации реагента в растворе в процессе кции на эффективность массообменного процесса. первые теоретически исследован массообменный процесс в аппарате ешалкой, вращающейся с внутрицикловым изменением угловой скорости. азано,что нестационарность вращения рабочего органа приводит к ин-сификации массообменннх процессов из-за возникновения нового анизма смешения, связанного с порождением крупномасштабных вихрей за нестационарного вращения рабочих органов. Исследован также про-с растворения вещества в растворе с увеличивающейся вязкостью в арате с нестационарно вращающейся мешалкой.
остроена математическая модель процесса истирания твердых частиц аппарате с мешалкой.
сследованы механизмы смешения в двухфазных средах, обусловленные ичием электростатического поля.
Впервые теоретически исследовано движении ламинарной пленки кости по внутренней поверхности вертикальной теплообменной трубки зменением фазового состояния среды и наличием мощного электроста-еского поля. Обнаружено,что электростатическое поле ускоряет про-с кипения в несколько раз,из-за наличия дополнительного объемного
механизма смешения, обновленного наличием электрического поля.
- Построено впервые приближенное решение задачи о движении среды воі
руг горизонтальной теплообменной трубки с изменением фазового состой
ния среды вблизи трубки при наличии мощного элекростатического поля.
Рассматривается турбулентное течение среды, а режим кипения закризис
НЫЙ." і
5.Исследованы механизмы макро'й микроструйного смешения сред. -Впервые построена математическая модель течения газожидкостного сл< состоящего из газожидкоетных струй, выходящих через просечки боковой стенки корпуса,' и пленки жидкости, которую эти стрз пронизывают. Пленка жидкости'под действием силы гравитации стекает і боковой поверхности.
6. Проведен анализ механизмов смешения в пористых телах и их влиянш на распространение тепла и вещества внутри пористого тела. -Исследована возможность резкого изменения температуры в пористої теле за счет перераспределения в нем влаги. -Исследована также возможность ускорения перераспределения температуры в пористом теле за счет протекания быстрой химической реакции. В работе проанализировано влияние наличие химической реакции с< слабым тепловыделением на перераспределение температуры в пористої теле.
Практическое значение работы. На основании проведенных исследоваї внедрены (экономические эффекты приведены в ценах 1990 г.);
- Аппарат для контактирования сред (авторское свидетельство СССР
№ 997771) на УОФ шахты Воркутинская и УОФ шахты Северная в г.Воркут;
- Багер- зумпф (авт.свид.СССР Ml103899) на ЦОФ Восточная
экономическим эффектом 411 тыс.руб.в г. Абай (Карагандинсая обл.)
- Аппарат для кондиционирования пульпы (авт.свид.СССР № 1170271)
t> "Восточная"' в г^Абай с экономическим эффектом 486 тыс.руб. Аппарат для кондиционирования пульпы (авт.свид.СССР № 1349797) на
> ''Саранская" г. Саранск (Карагандинская обл.) с экономическим
тентом 191 тыс. руб.
шпарат для кондиционирования пульпы (авт.свид.СССР If ) на
> "Восточная" г.Абай с экономическим эффектом 154 тыс.руб.
ігер-зумпфн (авт.свид. N" 1319902, №1452587) на ЦОФ "Восточная" г.
їй с экономическим эффектом 398 тыс. руб.
іактор (авт.свид.СССР N1233926) на ПО "Электрохимпром" г.Чирчик: іактор (авт.свид. СССР М 1378911) на ЧПО "Азот" г. Черкассы, іномический эффект 692 тыс.руб.
актор (авт.свид.СССР № 1378912) на ЧПО "Азот" г.Черкассы, 'Номический эффект 272 тыс.руб.
.кроструно-вихревой смеситель (авт.свид.СССР W 1443950) на РГЮ от" г.Рустави, экономический эффект 769 тыс.руб.
актор (авт.свид.СССР № 133734) на РПО "Дзот" г.Рустави. номический эффект 514 тыс.руб.
атический смесктель(авт.свид.СССР Ы 1604444) на РПО "Азот",г.Ровно страктор (авт.свид.СССР № 1586739) на химзаводе в г.Алмалык. ем и построение работы. Диссертация изложена на 276 стр. инописного текста,включает 99 рисунков, список литературы из 207 мепований. Диссертация состоит из 6 глав, введения, основных одов и приложения.
робация работы. Представленные в диссертационной работе результаты ожены и обсуждены на семинарах в ИПМ РАН, Всесоюзной конференции по огидродинамики химических аппаратов (1981, Северодонецк), Всесоюзной чной конференции "Повышение эффективности,совершенствование процес-и аппаратов химической технологии" (Харьков,1985 г.), Девятой все-
союзной конференции "Химреактор -9", (Гродно,1986 г.), Мендународнс ярмарке (Лейпциг, 1988 г., Германия), Международной ярмарке (Бухарес 1989 г., Румыния), семинаре Института механики и биомеханики БАН (София;1990 г., Болгария), Международной выставке (Сеул, 1991, Южная Корея), семинаре Университета Южного берега Темзы (Лондон, 1992 г., Англия).