Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обпще закономерности динамики резонансных аппаратов и массопереноса в них 17
1.1. Основные определения и понятия. 17
1.2. Принципы синтеза конструкций резонансных аппаратов 20
1.3. Классификация резонансной колебательной аппаратуры как объектов теории колебаний 26
1.4. Особенности обменных процессов в колебательных резонансных аппаратах
1.4.1. Система "жидкость - твердая непроницаемая для жидкости частица" 32
1.4.2. Система "жидкость - капиллярно-пористая частица" 35
1.4.3. Система "жидкость - жидкость" 39
1.4.4. Система "жидкость - газ" 41
1.4.5. Система "жидкость - плотный зернистый слой" 43
1.4.6. Другие процессы переноса 45
1.5. Классификация резонансной колебательной аппаратуры как объектов химической техники 46
1.6. Выводы по первой главе 47
Глава. 2. Вибрационные резонансные аппараты 48
2.1. Нелинейные эффекты и явления, возникающие в вибрирующих сосудах 49
2.2. Исследование колебаний жидкости в вертикальной модели вибрационного аппарата 56
2.3. Диссипация мощности в вертикальной модели вибрационного аппарата 62 аппарата 67
2.5. Исследование колебаний и процесса экстрагирования в горизонтальном вибрационном аппарате 73
2.6. Проблема динамического уравновешивания вибрационных аппаратов и стабилизации приводного момента з
2.6.1. Расположение ємкостей "звездой" 82
2.6.2. Одностороннєє расположение ємкостей 84
2.6.3. Комбинированное расположение емкостей 87
2.7. Выводы по второй главе 91
Глава 3. Пульсационные резонансные аппараты для систем жидкость-твердое 93
3.1. Конструкции аппаратов для процессов в системе жидкость-твердое 93
3.1.1. Пульсационные резонансные аппараты для перемешивания и растворения твердого 94
3.1.2. Пульсационные резонансные аппараты для пропитки и экстрагирования111
3.2. Нелинейная динамика пульсационных резонансных аппаратов 127
3.2.1. Нелинейные резонансные колебания в пульсационном аппарате U-образного типа 127
3.2.2. О рациональной геометрии упругих элементов в пульсационных резонансных аппаратах 154
3.3. Механизмы взвешивания и перемешивания в пульсационных резонансных аппаратах 170
3.3.1. Экспериментальные исследования взвешивания частиц в пульсационных резонансных аппаратах 170
3.3.2. Возможные механизмы взвешивания частиц в пульсационных резонансных аппаратах 183
3.3.3. Нелинейный эффект циркуляции жидкости при резонансных колебаниях 1 3.4. Моделирование процесса пропитки капиллярно-пористых тел при переменном давлении в жидкости 187
3.5. Моделирование процесса экстрагирования из капиллярно-пористой частицы с бидисперсной структурой 197
3.6. Моделирование процесса колебаний в пульсационном экстракторе U-образного типа 215
3.7. Экспериментальные исследования процессов в системе жидкость-твердое в
условиях резонансных колебаний 227
3.7.1. Исследование лабораторной модели пульсационного экстрактора U-образного типа 227
3.7.2. Исследование процесса растворения в горизонтальном пульсационном резонансном аппарате (ГПРА) 232
3.7.3. Исследование процесса растворения кристаллического йода в пульсационном резонансном аппарате с центральной трубой 234
3.7.4. Исследование процесса экстрагирования из лекарственного сырья в пульсационном резонансном аппарате с центральной трубой 235
3.7.5. Исследование процесса экстрагирования из модели капиллярно-пористой частицы с бидисперсной структурой 237
3.8. Выводы по третьей главе 244
Глава 4. Пульсационные резонансные аппараты для систем жидкость-жидкость 247
4.1. Конструкции аппаратов для процессов в системе жидкость- жидкость 247
4.1.1. Варианты конструкций пульсационных резонансных аппаратов для систем жидкость-жидкость 247
4.1.2. Пульсационная резонансная колонна для систем жидкость-жидкость
4.2. Динамика многосекционных пульсационных резонансных аппаратов 251
4.3. Механизмы дробления капель в пульсационных резонансных аппаратах 262
4.4. Экспериментальные исследования процессов в системе жидкость-жидкость в условиях резонансных колебаний
4.4.1. Исследование процесса экстракции из провитаминного концентрата 274
4.4.2. Исследование процесса экстракции из сульфатного мыла 276
4.5. Выводы по четвертой главе 278
Глава 5. Пульсационные резонансные аппараты для систем жидкость-газ 279
5.1. Конструкции аппаратов для процессов в системе жидкость- газ 279
5.2. Особенности дробления пузырей в пульсационных резонансных аппаратах..282
5.3. Экспериментальные исследования массообмена в системе жидкость-газ 285
5.4. Выводы по пятой главе 287
Глава 6. Принципы возбуждения колебаний и управления ими в резонансной аппаратуре 288 6.1. Классификация способов генерирования колебаний в колебательной аппаратуре 288
6.2. Способы компенсации динамической нагрузки при работе колебательной аппаратуры 291
6.3. Способы обеспечения резонансного режима колебаний в колебательной аппаратуре 293
6.4. Способы выявления резонансного режима колебаний в колебательной аппаратуре 298
6.5. Методы обеспечения надежности элементов резонансной аппаратуры 303
6.6. Выводы по шестой главе 306
Глава 7. Практическая реализация и перспективы применения резонансной аппаратуры в химической технологии 307
7.1. Примеры практического применения резонансных аппаратов 307
7.1.1. Пульсационный резонансный аппарат для растворения тяжелых металлов в неорганических кислотах 307
7.1.2. Пульсационные резонансные экстракторы для древесной зелени 310
7.1.3. Пульсационные резонансные экстракторы для приготовления экстрактов из лекарственных трав, корней и корневищ 312
7.2. Резонансные аппараты на основе новых пьезоэлектрических материалов 313
7.2.1. Новые пьезоэлектрические материалы на полимерной основе 313
7.2.2. Резонансный микрофильтр с вибрационным разрушением осадка 314
7.3. Насосные эффекты в резонансных пульсационных аппаратах 316
7.3.1. Пульсационный резонансный насос 317
7.3.2. Экспериментальная проверка насосного эффекта в пульсационном резонансном насосе 319
7.4. Другие области применения резонансных пульсационных аппаратов 320
7.4.1. Резонансный аппарат для микро- и ультрафильтрации 320
7.4.2. Исследование моющего действия в пульсационном резонансном аппарате для стирки тканых материалов 322
7.5. Выводы по седьмой главе 325
Основные результаты и выводы 327 Список использованных источников 333
Приложения 355
Благодарности
- Особенности обменных процессов в колебательных резонансных аппаратах
- Диссипация мощности в вертикальной модели вибрационного аппарата 62 аппарата
- Исследование процесса экстрагирования из модели капиллярно-пористой частицы с бидисперсной структурой
- Пульсационная резонансная колонна для систем жидкость-жидкость
Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Попытки использования колебаний для интенсификации процессов в жидкофазных средах в промышленных масштабах предпринимались с 1934 г. Начиная с 60-х гг. в нашей стране проводилось огромное количество исследований пульсационных аппаратов как колонного, так и горизонтального типа. Группой ученых во главе с СМ. Карпачевой изучено влияние низкочастотных пульсаций на протекание целого ряда процессов химической технологии: жидкостной экстракции, выщелачивания, растворения, промывки, сорбции, синтеза и полимеризации; были предложены конструкции пульсаторов, пульсационных аппаратов и пульсационных насосов. Однако, заняв определенную нишу в ряду химико-технологического оборудования, в основном в ядерной энергетике, пульсационные аппараты замедлили свое распространение, что бьшо в основном связано с их недостаточной уравновешенностью, а порой - с невысокой эффективностью по сравнению с существующим оборудованием. Этот факт связан в первую очередь с достаточно узким интервалом частот и амплитуд колебаний, реализованных в традиционных (нерезонансных) пульсационных аппаратах. Представляется очевидным, что каждый технологический процесс требует вполне определенных амплитудно-частотных параметров, которые и должны быть созданы в аппарате для достижения наибольшей эффективности технологического процесса. Во-вторых, реализация резонансного режима колебаний предполагает более полное использование вводимой в аппарат энергии. Кроме того, для надежной работы пульсационных аппаратов необходимо их динамическое уравновешивание.
Интенсивное развитие ультразвуковой технологии в 60-70-х гг. выявило многочисленные области применения периодических воздействий на жидкости и газы. Обширные исследования явлений, происходящих в жидкости при ее "озвучивании" в ультразвуковом диапазоне частот, привели к разработке большого количества технологических процессов, чрезвычайно эффективно протекающих в поле колебаний. Большинство этих процессов протекает в условиях интенсивного образования в жидкости кавитационных пузырьков, при схлопывании которых возникают локальные пиковые давления порядка 10 -1010 Па, мгновенные местные перегревы и электрические разряды. Позднее исследования школы Р.Ф.Ганиева показали, что аналогичные явления могут происходить и при низких частотах при условии возбуждения резонансных колебаний.
По этим причинам возникла задача разработки резонансной технологической аппаратуры, позволяющей наиболее рационально использовать энергию колебаний благодаря ее возбуждению на одной из собственных частот колебаний системы. При этом система может быть как механической -"жидкость в аппарате - упругие элементы", так и тепло- или массообменной, когда, например, в капиллярно-пористой частице распространяются волны концентрации. Второй задачей являлось исследование специфики протекания массообменных процессов в условиях резонансных колебаний среды, поиск оптимальных амплитуднс-частотных параметров для каждого из них. Наконец, третья задача состояла в разработке принципов уравновешивания резонансных
аппаратов и управлении резонансным режимом колебаний на основе исследований динамики резонансной аппаратуры.
Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами по направлению "Теоретические основы химической технологии" АН СССР на 1986-90 гг., РАН - на 1991-95 и 1996 - 2000 гг.
Цель работы состояла в разработке и исследовании нового класса химической техники - резонансных аппаратов - пульсационных и вибрационных, позволяющей наиболее эффективно использовать энергию, вводимую в аппарат генератором колебаний. Необходимо было с единых позиции проанализировать резонансные аппараты как механические колебательные системы, определить собственные частоты колебаний для каждой из конструкций, выявить возможности уравновешивания возникающих при колебаниях динамических нагрузок. На основе анализа явлений, протекающих при колебаниях, требовалось определить оптимальные амплитудно-частотные условия для ведения того или иного гидромеханического или массообменного процесса, являющихся основанием для выбора наиболее подходящих конструкций резонансных аппаратов.
Научная новизна. Разработаны новые конструкции резонансных аппаратов: 1) вибрационные многоемкостные уравновешенные резонансные аппараты; 2) пульсационные резонансные аппараты с центральной трубой; 3) горизонтальные и вертикальные многосекционные уравновешенные резонансные аппараты; 4) многосекционные U-образные резонансные аппараты; 5) U-образныс резонансные экстракторы; 6) проточные пульсационные аппараты; 7) пленочные акустические резонансные аппараты. Для всех аппаратов на основе линейных механических аналогов найдены собственные частоты колебаний, определены области применения каждого из типов аппаратов.
При анализе динамики аппаратов применен единый подход: аппарат с находящейся в нем средой является механической колебательной системой, обладающей одной или несколькими собственными частотами колебаний, при возбуждении которых в аппарате возникает резонанс. Колебательные свойства аппарата с жидкофазиой системой зависят от конструктивных особенностей аппаратов и степени сжимаемости рабочей среды (соотношения инерционных и упругих сил). Еще одним фактором, существенно влияющим на собственные частоты колебаний рассматриваемых систем, являются диссипативные силы. Следующая особенность заключается в нелинейности упругой силы, присущей аппаратам, в которых упругий элемент представляет собой газонаполненную камеру с эластичной перегородкой или свободной поверхностью. В этой связи приходится детально рассматривать влияние этих факторов в зависимости от конструкции резонансных аппаратов и их назначения.
Теоретический и экспериментальный анализ явлений, протекающих при колебаниях жидкости относительно твердой частицы, внутри капиллярно-пористой частицы, а также колебаний суспензий, эмульсий и газожидкостных систем, позволил выявить основные факторы, приводящие к ускорению процессов растворения, взвешивания, пропитки, экстрагирования, эмульгирования и дробления пузырей в условиях резонансных колебаний.
Показано, что д*м таких процессов как диспергирование жидкостей и газов, растворение твердых частиц эффективней сравнительно высокие частоты колебаний, обеспечивающие высокие относительные скорости движения фаз, а для деформируемой дисперсной фазы - еще и ее дробление. С другой стороны, процессы, протекающие в капиллярно-пористых телах - пропитка, экстрагирование и т.д. - требуют ведения процесса при некоторой оптимальной частоте (определяемой скоростью внутреннего массопереноса), которая имеет порядок долей и единиц Гц.
Построена математическая модель пропитки тупиковых и квазитупиковых капилляров с учетом сил инерции колеблющейся в капилляре жидкости. На основе поиска решения в виде ряда Фурье получена линеаризованная модель этого процесса, позволяющая найти многие его параметры, не интегрируя исходное дифференциальное уравнение. Экспериментальная проверка полученных соотношений показала удовлетворительное соответствие расчетам, которые позволяют находить глубину пропитки, скорость колебаний жидкости в капилляре при известной амплитуде колебаний давления вне частицы. Выявлен резонансный характер амплитудно-частотной характеристики для глубины пропитки в случае крупных капилляров.
Построена математическая модель экстрагирования из капиллярно-пористой частицы с бидисперсной структурой, более точно соответствующей реальной структуре растительной ткани. Капиллярно-пористое тело предполагалось пересеченным транспортными каналами, между которыми находится пористый массив с мелкими порами, содержащими целевой компонент в растворенном виде. Диффузия в пористом массиве предполагалась только в поперечном к оси канала направлении, в каналах учитывался конвективный перенос вещества и поперечная диффузия от стенок канала к его оси. Профиль скорости в транспортном канале задавался параболическим по сечению канала, и гармоническим - во времени.
Численные эксперименты показали, что при прочих равных условиях существует оптимальная частота колебаний жидкости в канале Юоп1, при которой можно достичь минимальной продолжительности процесса.
Анализ графиков потоков вещества, поступающего из пористого массива в транспортный канал, и из канала - во внешнюю среду, показал, что при чрезмерно высоких частотах (порядка сотен и тысяч Гц) массосодержание в транспортном канале меняет знак дважды за период. Это явление обусловлено тем, что жидкость, двигаясь по направлению к устью канала, сначала насыщается веществом, затем скорость потока меняется на обратную, и концентрированный раствор в канале переносится к обедненной зоне пористого массива. Первый этап соответствует росту массосодержания в канале, второй -падению. Вследствие этих процессов основной обмен веществом при высоких частотах колебаний жидкости происходит между пористым массивом и транспортным каналом, в то время как наружу выводится лишь небольшая часть вещества.
Этот механизм обмена веществом подобен обмену энергией в колебательных системах. По этой причине процесс внутреннего массопереноса при колебаниях жидкости с оптимальной частотой может быть охарактеризован
как резонансный, т.е. соответствующий взаимно согласованным движениям жидкости в канале и диффузии жидкости в пористом массиве, характеризуемым числом Струхаля порядка единицы, что и было подтверждено экспериментально.
На основе анализа нелинейной динамики пульсационшлх резонансных аппаратов с газонаполненными упругими элементами выявлен нелинейный характер упругой силы, наличие колебаний в системе с суб- и супергармоническими частотами, часть из которых обнаружена в опытах.
Решена задача о колебаниях суспензии в U-образном аппарате с существенными диссипативными силами, определяемыми фильтрацией жидкости через слон осадка на фильтровальной перегородке. Построенная модель позволяет рассчитывать скорости, давления, мгновенные и средние энергозатраты.
Практическая ценность и реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей процесса колебаний, динамики резонансных аппаратов и массопсрсноса были использованы при разработке принципов их проектирования и расчета. Эти принципы и методы расчет нашли применение при проектировании пульсационного резонансного аппарата для растворения тяжелых металлов в неорганических кислотах (ОАО "Красный химик"), пульсационного резонансного экстрактора для извлечения ценных веществ из лекарственного сырья растительного происхождения (ТОО "Институт экологических проблем и новых технологий"), пульсационного резонансного экстрактора для древесной зелени (отделение Лесобиохимии НИИХИММАШ). Экстрактор для древесной зелени был реконструирован в пульсационный резонансный экстрактор с пневматической системой пульсации на Тихвинском Лесохимическом заводе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинаре Ленинградского (Санкт-Петербургского) отделения ВХО им. Менделеева "Процессы переноса в химической технологии" (1988 г., 1997 г., 1998 г.), на Всесоюзной конференции "Реахимтехника - 3" (1989 г.), на IV Всесоюзной конференции по теории и практике перемешивания в жидких средах (1990 г.), на III Всесоюзной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (1990 г.), на I Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд" (1994 г.), на Международной научной конференции "Проблемы экологии и комплексная утилизация отходов" (1995 г.), на II отраслевом совещании "Лесохимия и органический синтез" (1996 г.), на II Международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд" (1996 г.), на НТК "Экология-97" (1997 г.), на 11-й Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии (1997 г.), на Международной конференции "Современные проблемы химической технологии" (1998 г.), на 12-й Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии (1998 г.). Получено 3 положительных решения о выдаче патентов на изобретения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей, 15 тезисов докладов, получено 15 патентов РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, приложений, списка литературы, содержащего 288 источников, в том числе 56 иностранных. Работа изложена на, 366 страницах машинописного текста и содержит 120 рисунков.
Особенности обменных процессов в колебательных резонансных аппаратах
Для обеспечения оптимальных амплитудно-частотных режимов в колебательной аппаратуре нужно в первую очередь руководствоваться требованиями, предъявляемыми к оборудованию особенностями течения технологического процесса. Не останавливаясь пока на конкретных типах - пульсационных, вибрационных - колебательного оборудования, рассмотрим общие для них закономерности. Особенности этих аппаратов будут описаны в специальных параграфах.
Рассмотрим самый распространенный и энергонасыщенный аппарат - реактор с мешалкой. Если выделить в аппарате зоны по спектру диссипируемой мощности, то оказьюается, что в объеме, непосредственно прилегающем к мешалке, диссипируемая мощность на два порядка превышает среднюю по объему аппарата, а на поверхности жидкости - на порядок меньше средней.
При обработке неоднородной среды в аппарате возникают сложные циркуляционные потоки. Небольшая их часть проходит в непосредственной близости от мешалки, испытывая мощное динамическое воздействие. Например, при обработке систем жидкость-жидкость или жидкость-газ именно в этой зоне идет процесс диспергирования, дающий основную поверхность контакта фаз. В результате мы имеем сложный процесс диспергирования с изменяющейся во времени функцией распределения массы частиц по размерам. Однако даже при известной поверхности контакта фаз, например, в системах "жидкость - твердое", возникают не меньшие трудности в определении потоков переноса масс через поверхность раздела фаз. Известно, что эти потоки пропорциональны напряжениям т на поверхности дисперсной фазы, которые, в свою очередь, имеют тот же спектр, что и диссипируемая мощность. Всё" перечисленное создает серьезные проблемы при физико-математическом моделировании процессов. Оценим полезную мощность, обеспечивающую межфазный обмен Nn = JxS p2vOTdV , (1.1) V где S - удельная поверхность частиц, м"1; vOT - относительная скорость фаз, м/с; ф2 - объемная доля частиц; V - объем многофазной системы, м3. Однако вводимая в аппарат с мешалкой мощность N диссипируется не только на поверхности контакта фаз, но и во всем объеме, вследствие чего N»Nn. (1.2)
Поскольку в аппарате существует значительная дисперсия в интенсивности межфазного обмена, а для непрерывного процесса добавляется еще и дисперсия по времени пребывания, то (в особенности для реакционных процессов) естественно ожидать, что одна часть вещества не успеет прореагировать, другая успеет потерять свои качества, например, разложиться.
Какими путями следует идти, чтобы снять в значительной степени перечисленные недостатки? Один из них может быть основан на создании существенных ускорений в средах, имеющих отличающиеся плотности фаз.
Пусть колеблется некоторый объем жидкости, содержащий частицу, каплю или пузырь (рис. 1.1). За счет разности плотностей будет наблюдаться относительное периодическое проскальзывание частицы. Таким образом, диссипация энергии будет Рис. 1.1. Схема простейшего колебательного аппарата: 1 - упругий элемент; 2 - жидкость; 3 - частица; 4 - направление колебаний. происходить вблизи поверхности раздела фаз, и вся подводимая к аппарату мощность будет переходить в полезную: N Nn. (1.3)
Поскольку весь объем неоднородной среды совершает колебания, то логично предположить, что при равномерном распределении частиц по объему аппарата диссипация будет происходить с одинаковой интенсивностью во всем объеме и силы межфазного взаимодействия будут также одинаковы. При периодическом режиме это способствует одновременному окончанию обменных и реакционных процессов во всем объеме аппарата, обеспечивая высокое качество получаемого продукта.
Ниже будет показано, что основными интенсифицирующими факторами в пульсационных и вибрационных резонансных аппаратах являются: 1) высокие относительные скорости фаз; 2) значительные ускорения, обусловленные колебаниями; 3) существенные градиенты давлений и обусловленная ими кавитация; 4) эффекты, порождаемые схлопыванием кавитационных пузырьков; 5) для капиллярно-пористых тел - резонансный конвективный механизм пропитки и переноса вещества.
Хотя турбулентность в резонансных аппаратах и возникает, ее следует рассматривать как некое побочное явление, приводящее лишь к увеличению энергозатрат, а значит, и к снижению эффективности технологического оборудования. Анализ размеров капель и пузырей, образуемых в резонансной колебательной аппаратуре (см. главы 4 и 5), показал, что доминирующими механизмами дробления являются динамические, обусловленные высокими относительными колебательными скоростями фаз или их ускорениями; роль турбулентных пульсаций при этом второстепенна. Этот факт подтверждается также Р - коэффициент массоотдачи поверхностный, м/с; є - скорость диссипации энергии, Вт/м3) существенно превышают предельное значение 0,25, вытекающее из теории локально изотропной однородной турбулентности [127, 60], а также более высокой скоростью процесса экстракции в пульсационном аппарате по сравнению с аппаратом с мешалкой - одно и то же количество вводимой в аппарат энергии в резонансные аппараты приводит к большим коэффициентам массопереноса.
Сформулируем основные принципы, которыми следует руководствоваться при разработке схем колебательных аппаратов:
1. Колебательный аппарат в совокупности с рабочей средой необходимо рассматривать как механическую колебательную систему с присущими ей инерционными и упругими свойствами. Инерционные свойства определяются массой рабочей среды, упругие - жесткостью пузырей или специальных упругих элементов (например, газонаполненных эластичных оболочек).
2. Если рабочая среда обладает высокой жесткостью (системы жидкость - жидкость и жидкость - твердое), то распространение волн сжатия-расширения в ней происходит с высокой частотой, поэтому такие системы допустимо считать несжимаемыми (механический эквивалент - сосредоточенная масса). При наличии газовых включений в жидкости податливость газожидкостной системы сильно влияет на свойства системы, и в этом случае нельзя не учитывать распространение в ней волн напряжений (механический эквивалент - длинный упругий стержень).
3. На систему "аппарат - рабочая среда" необходимо воздействовать в резонансном режиме, т.е. для систем с сосредоточенной массой частота внешних воздействий должна быть близка к их собственной частоте колебаний, для систем с распределенной массой частота возбуждения должна соответствовать частоте установления стоячих волн. Резонансный режим колебаний закладывается нами в конструкцию колебательного аппарата, поэтому далее будем использовать словосочетание "резонансные аппараты" (РА). 4. Конструкция аппарата формирует не только геометрию рабочей среды, но и граничные условия. Так, на твердых поверхностях происходит отражение набегающей волны напряжений без изменения их знака, на свободной поверхности - с изменением знака.
Диссипация мощности в вертикальной модели вибрационного аппарата 62 аппарата
Начиная с конца 60-х годов различными группами исследователей в нашей стране и за рубежом проведена целая серия экспериментов по озвучиванию жидкости при частотах порядка десятков и сотен Гц и амплитудах порядка миллиметра, сопровождавшегося появлением в жидкости пульсирующих кавитационных пузырьков [223, 224, 80-84, 111, 125, 44]. Труба, закрытая снизу и открытая сверху, заливается жидкостью (вода, масло, глицерин) и закрепляется на столике вибростенда. После включения вибростенда и установки частоты в пределах 20-200 Гц (в зависимости от параметров системы) можно наблюдать следующие явления (рис. 2.1).
При низких частотах колебаний жидкость покоится относительно трубы (рис. 2.1, а). Однако при частотах порядка 40-60 Гц в придонной зоне начинается кавитация. Кавитационные зародыши, находящиеся вблизи дна сосуда, вследствие циклического понижения давления получают возможность расти. При повышении давления происходит схлопывание пузырей, приводящее к резким ударам. Поверхность жидкости теряет устойчивую форму, на ней возникают брызги, всплески, вблизи поверхности образуются пузырьки воздуха, устремляющиеся вниз (рис. 2.1, б). В течение несколько секунд на дне трубы образуется большое скопление пузырей - так называемый "рой" или "парогазовая подушка". После этого интенсивный приток пузырей вниз прекращается, а рой немного поднимается и занимает некоторое расстояние от дна, которое определяется частотой колебаний вибростенда (рис. 2.1, в). С увеличением частоты рой поднимается выше, при понижении - опускается на дно, а затем в виде одного большого пузыря всплывает на поверхность. При фиксированных амплитуде и частоте рой не меняет своего положения [44].
Процесс движения колеблющихся пузырьков с поверхности к дну трубы может быть объяснен действием сил Бьеркнеса [98, 113], а средняя по времени сила взаимодействия между двумя пульсирующими в жидкости сферами прямо пропорциональна плотности жидкости и произведению объемных скоростей обеих
При синфазных колебаниях пузырьков центры их сближаются, при противофазных - отталкиваются. При пульсациях сферы вблизи твердой стенки также происходит сближение сферы со стенкой [154].
В работах [44, 125] исследована устойчивость динамически уравновешенного роя в колеблющейся жидкости. При теоретическом анализе предполагалось, что образованию вблизи дна сосуда парогазового роя (подушки) сопутствует перестройка внутренней структуры двухфазной газожидкостной смеси, в результате чего возникает качественно новая система "жидкость - газ", в которой локализованный в виде роя газ играет роль упругого элемента, а жидкостной столб над роем -инерционного элемента. Собственная частота системы определяется исходя из предположения цилиндричности парогазовой подушки (рис. 2.2): где у - коэффициент политропы для газа в пузырьках; а - коэффициент виброперегрузки (а = Am /gj; h - высота уровня жидкости в сосуде, м; ho - высота газовой подушки, м; Хо - расстояние от дна сосуда до подушки, м; Н - высота жидкости, свободной от газа, м.
По мнению автора настоящей работы, здесь наблюдается явление самонастройки колебательной системы на частоту внешних воздействий, выражающаяся в том, что при плавном изменении частоты возмущающей силы изменяется масса колеблющейся над газовой подушкой жидкости, причем таким образом, что собственная частота новой системы становится равной частоте возмущений. Таким образом, в определенном диапазоне частот внешних воздействий в системе поддерживаются резонансные колебания. По своему характеру это явление напоминает феномен самосинхронизации, известный в механике вибрационных машин [56-57]. Самосинхронизация (согласно работе [56]) проявляется, например, в том, что два не связанных друг с другом ротора, укрепленных на подвижном основании и приводимых в движение от независимых асинхронных двигателей, вращаются синхронно, причем при выключении одного из двигателей синхронизм сохраняется, как и в рассматриваемой системе. Следуя И.И. Блехману, отметим, что тенденция к самосинхронизации является своеобразной закономерностью поведения V Л
Несколько иные результаты были получены Р. А. Татевосяным [223] в условиях, более близких к реальным для химической технологии, а именно когда колеблющийся сосуд с жидкостью герметично закрыт, а параметры вибрационных воздействий превышали те, при которых проводили вышеописанные исследования. Было обнаружено, что при определенных амплитудах и частотах колебаний происходит накопление в жидкости пузырьков газа до некоторого критического значения, после чего скопление пузырьков "взрывается", жидкость как бы вскипает, переходя в турбулентное состояние, сохраняющееся сколь угодно долго; смесь жидкости и газа во всем объеме сосуда гомогенизируется, образуя гидрозоль. Наблюдалось скачкообразное повышение среднего статического давления при переходе в состояние вибротурбулизации в момент "взрыва" смеси, сохраняющееся с небольшими отклонениями в течение всего времени поддержания параметров колебаний, соответствующих вибротурбулентному состоянию.
В этой же работе было установлено существование трех зон, на которые можно разделить шкалу интенсивности колебаний ( Ve — дА ): 1. Зона низких виброскоростей (Ve 0,6 м/с), при которых сохраняется свободная поверхность жидкости. 2. Зона средних виброскоростей (0,6 Ve 0,9 м/с), характеризуемая сосуществованием свободной поверхности и захваченных жидкостью газовых пузырьков или их скопления (роя). 3. Зона высоких виброскоростей (Ve 0,9 м/с), когда образуется гомогенный гидрозоль и наступает вибротурбулизация. В проведенных Р.А, Татевосяным экспериментах при частоте 57 Гц и амплитуде 1,4 мм происходила вибротурбулизация системы, сопровождавшаяся возрастанием давления на 15 кПа [223]. Более подробный анализ эффектов вибрационной устойчивости и вибрационного перемешивания в нелинейной колебательной системе "жидкость - газ" приведены в [80], где по результатам экспериментальных исследований на системе "вода - воздух" выделены три динамических режима поведения системы. Первый режим, согласно Р.Ф. Ганиеву и В.Д. Лакизе - стационарный режим вибрационной устойчивости, характеризуемый удержанием вводимого в колеблющуюся жидкость газа и захватом газа с поверхности жидкости в случае, если собственная частота системы щ=2%/$ будет близка к частоте внешнего возбуждения coe = 2%fe. Собственная частота определяется по модифицированной формуле (2.2) с учетом того, что объем газа Уг h$S, где S - площадь поперечного сечения сосуда. Развитие процесса ввода и удержания пузырьков газа в придонной зоне показано на рис. 2.3, а, б. Авторы этой работы также отмечают повышение давления в жидкости.
Исследование процесса экстрагирования из модели капиллярно-пористой частицы с бидисперсной структурой
Исследования массопереноса в системе "жидкость-твердое" при колебательных воздействиях проводились на одиночных твердых частицах, либо закрепленных на колеблющемся в неподвижной [149] или проточной [38, 236, 272] жидкости штоке, либо взвешенной потоком жидкости, при поперечных колебаниях аппарата [237], а также при плотном заполнении колонны твердыми частицами, при электроискровых разрядах [38] или в условиях высоковязких сред [111] и нерезонансных колебаний вибротарелок [138].
В работе [149] обобщены результаты экспериментальных и теоретических работ по тепло- и массообмену в звуковом поле. Для случая A/R »1, где R - радиус твердой частицы, А - амплитуда относительных движений частицы, можно считать процесс переноса квазистационарным, когда в каждый момент времени справедливы соотношения для расчета процессов тепло- и массообмена, полученные для стационарного обтекания частицы. Формулы для средних значений коэффициентов тепло- и массообмена получены из известных соотношений для стационарных процессов переноса путем осреднения и введения понятия эффективной колебательной скорости V у -а ср 213 Так, для сферической частицы диаметром d = 2R из формулы Эккерта получено соотношение Sh = 2 + 0,2 ср (V d\ Ч v J 0,6 ЛС , (2.14) где Sh - критерий Шервуда, равный Sh = —; v - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; Р - коэффициент массообмена, м/с; D - коэффициент молекулярной диффузии, м с; V Sc - критерий Шмидта, равный Sc = —. Для другого случая: A/R «1 и Sc»1 (что характерно для процессов переноса в жидкостях) толщина динамического пограничного слоя много больше толщины диффузионного соля.
При этом перенос массы от поверхности тела осуществляется внутренними вторичными течениями в акустическом пограничном слое, и максимальная интенсивность переноса имеет место в точке начала роста диффузионного пограничного слоя, совпадающего с лобовой точкой относительно направления звуковых колебаний. В работе [149] показано, что для этого случая критерий Шервуда для сферической частицы определяется выражением: SA = 0,8 (2.15)
Несмотря на обилие исследований процесса растворения при колебаниях, надежные теоретические зависимости получены лишь для обтекания индивидуальных частиц. Вероятно, уже в ближайшие годы с развитием вычислительной техники и методов расчета полей скоростей в сложных по геометрической форме и гидродинамической обстановке аппаратах станет возможным рассчитывать нестационарное поле скоростей, а значит - и относительные скорости фаз, входящие в расчетные формулы для определения коэффициента массоотдачи.
Пока же исследователи в основном довольствуются эмпирическими данными, порой обработанными с применением методов теории подобия.
Учитывая сложность гидродинамической обстановки в вибрационном аппарате и в его модели - пульсационной колонне (вибротурбулизация жидкости, кавитирующие пузыри, нарушающие пограничный слой и дробящие частицы, неопределенность амплитуды колебаний жидкости и т.п.), и нам пришлось выявлять закономерности массопереноса опытным путем.
Коэффициент массопереноса в условиях резонансных колебаний в режиме вибротурбулизации определялся [29, 30] как функция диссипируемой в аппарате мощности, выступающей в роли обобщенного энергетического параметра. Схема аппарата для исследования массопереноса показана на рис. 2.5. Амплитуда вынуждающих колебаний составляла А - 3 мм, угловая частота изменялась втом же диапазоне, что и при исследованиях диссипации мощности.
Опыты проводились на примере растворения бензойной кислоты в водном растворе едкого натра, протекающего с медленной химической реакцией в диффузионной области, что позволяет считать коэффициент массопереноса равным коэффициенту массоотдачи р [45].
Применялась методика экспериментов, разработанная Павлушенко И.С., Смирновым Н.Н. и Романковым П.Г. [170]. Использовалась химически чистая, кристаллическая бензойная кислота (ГОСТ 6413-77) с плотностью 1266 кг/м3, для которой предельная растворимость в воде при 293К cs = 2,9 кг/м3 [211, 218]. Едкий натр -. химически чистый, кристаллический (ГОСТ 4328-77). Частицы кислоты в одной серии экспериментов представляли собой кристаллы со средним размером 400 мкм (анализ проводился микроскопическим методом на микроскопе типа БМС-9), в другой серии - таблетки массой 0,25 г (±5%) диаметром 9 мм и высотой 3,4 мм. Использовался 0,05 н. раствор едкого натра объемом 1,2 л, к которому добавляли 1 мл 1%-ного спиртового раствора фенолфталеина, служившего индикатором реакции. Раствором заполняли рабочую часть колонны, засыпали навеску бензойной кислоты массой m = 15,0 г и выводили на заданную частоту колебаний. Измеряли продолжительность процесса нейтрализации х, окончание которого устанавливали по изменению окраски во всем реакционном объеме.
При засыпке мелких частиц твердой фазы они коагулировались, плавая на поверхности раствора щелочи даже при перемешивании стеклянной палочкой. Включение генератора колебаний приводило к осаждению частиц ровным плоским фронтом, за которым раствор щелочи изменял окраску, и процесс нейтрализации прекращался при достижении частицами дна аппарата (т.е. мембраны). Этот эффект можно объяснить тем, что в невозмущенной жидкости на поверхности частиц адсорбирован газ, который не позволяет им оседать, а коагуляция частиц происходит под действием сил поверхностного натяжения. При наложении поля колебаний в отрицательной фазе давления газ удаляется, и частицы тонут. Кроме того, под действием колебаний ансамбли частиц легко распадаются из-за разрушения капиллярных "мостиков" между ними.
Для улучшения перемешивания в аппарате устанавливали циркуляционную трубу с клапаном. Это позволило добиться равномерного изменения окраски индикатора по всему объему аппарата. Таблетки при этом распределялись примерно на половину высоты аппарата, а мелкие частицы - на всю высоту.
Пульсационная резонансная колонна для систем жидкость-жидкость
Смеситель работает следующим образом. После заполнения аппарата жидкостью и загрузки твердой фазы включают генератор колебаний, возвратно-поступательное движение от него передается перфорированному диску 8 через шток 9 и пружины 7. Изменением давления в газовых полостях (упругих элементах) 4 посредством подачи в них или стравливания газа через патрубки 5 и 6 варьируют их жесткость, а значит, и собственную частоту колебаний системы, настраивая ее на частоту генератора. За счет нелинейности сопротивлений перфораций в диске 8 и переточных отверстиях 10 в аппарате возникает циркуляционное перемешивание. Мощные колебательные воздействия на суспензию обеспечивают взвешивание твердой фазы, интенсифицируют локальный массоперенос, а циркуляционные токи способствуют перемешиванию (выравниванию концентраций) в объеме аппарата.
Развитием описанного смесителя является резонансный аппарат [180], также в основном предназначенный для процессом перемешивания и растворения. Его особенностью является отсутствие перфорированного диска как не вполне надежного элемента (рис. 3.2).
Резонансный аппарат содержит корпус 1 с центральной трубой 2, побудитель колебаний 3 (эластичная мембрана или сильфон), соединенный через шток 4 к генератору колебаний 5. В верхних частях центральной трубы и корпуса аппарата имеются упругие элементы 6 и 7 (газовые полости). В аппарате при необходимости может быть установлен змеевик 8; аппарат оборудован люком 9 для загрузки исходных компонентов и дренажный патрубок 10 для выгрузки готовых продуктов. На днище аппарата установлен конический рассекатель 11, исключающий образование застойных зон. Аппарат работает следующим образом. После заполнения аппарата включения генератора колебаний 5 возвратно-поступательные движения от неї через шток 4 передаются побудителю колебаний 3, и далее - упругим элементам 6 и и рабочей среде. При частоте колебаний генератора, близкой к собственной частоте колебаний системы "суспензия - упругие элементы", наступает резонансный режим колебаний, характеризуемый наиболее интенсивными колебаниями жидкости в аппарате. При этом имеют место мощные динамические воздействия на жидкость, обеспечивающие взвешивание твердых частиц и их увлечение колеблющейся жидкостью в верхнюю часть. В результате происходит перемешивание твердых частиц и их интенсивное растворение.
Проведенный нами анализ [180] показал, что оптимальный с точки зрения энергозатрат диапазон отношений высоты нижнего среза центральной трубы над днищем к ее диаметру составляет 0,3 - 0,65, что соответствует наименьшим значениям коэффициента местного сопротивления при кольцевом развороте [105].
Принцип действия следующей конструкции - пульсационного резонансного аппарата [172] - основан на использовании циркуляции, возникающей благодаря нелинейному насосному эффекту в резонансном режиме колебаний (см. п. 3.3.3). Варианты циркуляционных контуров - внешний (рис. 3.3) и внутренний (рис. 3.4).
Пульсационный резонансный аппарат с выносным циркуляционным контуром (рис. 3.3) содержит корпус 1 с размещенными внутри резонаторами 12 в виде газонаполненных эластичных оболочек (упругих тел), выносные трубы 5, верхние и нижние концы которых соединены с полостью корпуса, причем нижние концы - в общих поперечных сечениях с резонаторами, а верхние - в сечениях между резонаторами. Выносные трубы заключены в герметичный кожух (рубашку) 6, в который через штуцеры 9 и 10 подается (выводится) теплоноситель. Корпус 1 снабжен верхней 2 и нижней 3 пульсационными камерами, отделенными от рабочей полости мембранами 11, соединен в верхней части с генератором колебаний 4 и имеет штуцеры 7 и 8 для заполнения исходными компонентами и вывода готового продукта.
Аппарат с внутренней перфорированной трубой (рис. 3.4) содержит в корпусе 1 резонаторы 9 в виде газонаполненных эластичных оболочек (упругих тел), а также верхнюю 2 и нижнюю 3 пульсационные камеры, отделенные от рабочей полости мембранами 10. Перфорации во внутренней трубе 5 служат для перетока жидкости и расположены равномерно в одних поперечных сечениях с резонаторами 9, и в На рис. 3.5 дана схема, поясняющая работу аппаратов. При отрицательной фазе давления оно не может опуститься ниже давления насыщенных паров, что выражается в "обрезке" эпюры давления. В результате этой нелинейности в поведении жидкости среднее за период давление становится отличным от нуля, что и обуславливает насосный эффект. По эпюрам среднего динамического давления рср видно, что минимумы среднего за период колебаний давления располагаются в сечениях, где находятся резонаторы, а максимумы - в сечениях между ними. Выносные циркуляционные трубы в аппарате на рис. 3.3 и перфорации циркуляционной трубы аппарата на рис. 3.4 соединяют эти зоны друг с другом, в результате чего в аппарате возникают циркуляционные токи, улучшающие перемешивание и растворение твердого. Поверхность выносных труб может использоваться как теплопередающая для процессов с высоким тепловым эффектом.
Направления циркуляции жидкости организованы так, чтобы способствовать взвешиванию частиц (см. рис. 3.3. и 3.4). Колебания нижней мембраны предотвращают слеживание твердой фазы и облегчают ее взвешивание потоком циркулирующей жидкости.