Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния и проблематика промышленного использования акустических активаторов
1.1 Цели и задачи анализа 11
1.2 Базовые физические принципы обработки жидких сред акустическими методами 12
1.2.1 Анализ факторов, определяющих интенсивность технологических процессов в жидких средах 12
1.2.2 Механизмы воздействия на интенсивность жидкостных технологических процессов 17
1.2.3 Силовые воздействия, характерные для акустической обработки жидких сред 22
1.2.4 Характерные уровни акустического воздействия, используемые в промышленной практике обработки жидких сред 24
1.2.5 Классификация и сравнительная характеристика различных способов возбуждения акустических колебаний в жидкостях 27
1.3 Анализ состояния вопроса по проектированию и эксплуатации акустических активаторов гидродинамического типа 29
1.3.1 Основные задачи инженерного проектирования гидродинамических активаторов 29
1.3.2 Анализ расчетных методов, используемых при создании гидродинамических активаторов 31
1.3.3 Анализ основных проблем при проектировании гидродинамических активаторов 33
1.4 Постановка задачи исследования 40
1.5 Заключение по разделу 1 42
Моделирование основных виброакустических параметров гидродинамического активатора 43
2.1 Специфика моделирования параметров акустического активатора гидродинамического типа 43
2.2 Методика определения амплитудно-частотных характеристик акустического излучателя в гидродинамическом активаторе 44
2.2.1 Определение собственных амплитудно-частотных характеристик акустического излучателя в активаторе гидродинамического типа 44
2.2.2 Определение параметров гидродинамического возбуждения акустических колебаний в активаторе 52
2.3 Методика оценки параметров кавитационной зоны в рабочем объеме гидродинамического активатора 59
2.3.1 Условия возникновения акустической кавитации в рабочем объеме гидродинамического активатора 59
2.3.2 Методика моделирования акустического поля в рабочем объеме гидродинамического активатора 61
2.3.3 Методика расчета гидростатического давления в акустическом активаторе гидродинамического типа 72
2.4 Методика оценки воздействия акустической кавитации на обрабатываемые жидкие среды 78
2.4.1 Методика моделирования процессов в условиях кавитационного воздействия методом вероятностного клеточного автомата (ВКА) 78
2.4.2 Методика оценки ожидаемого энергетического уровня воздействия кавитации на жидкие среды 88
2.5 Заключение по разделу 2 94
3 Экспериментальные исследования параметров акустического активатора гидродинамического типа 96
3.1 Цели и задачи проведения экспериментальных исследований характеристик активатора 96
3.2 Экспериментальное определение собственных частот акустического активатора гидродинамического типа 97 3.2.1 Методика экспериментального определения
собственных частот гидродинамического активатора 97
3.2.3 Результаты экспериментов и теоретических расчетов
собственных частот гидродинамического активатора 100
3.3 Экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик гидродинамического активатора при возбуждении колебаний потоком жидкости 106
3.3.1 Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований 106
3.3.2 Результаты экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик активатора в потоке жидкости 109
3.3.3 Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных амплитудно-частотных 117 характеристик
3.4 Экспериментальное перепада давления на гидродинамическом активаторе 123
3.5 Экспериментальная оценка уровня энергетического воздействия кавитации на жидкие среды 129
3.5.1 Экспериментальная оценка размеров зародышей кавитации 129
3.5.2 Результаты оценки энергетического уровня кавитационного воздействия 130
3.7 Заключение по разделу 3 133
4 Примеры промышленного использования активаторов гидродинамического типа 135
4.1 Кавитационный крекинг нефти 135
4.2 Снижение температуры замерзания печного топлива 137
Выводы 139
Список использованных источников
- Анализ факторов, определяющих интенсивность технологических процессов в жидких средах
- Методика определения амплитудно-частотных характеристик акустического излучателя в гидродинамическом активаторе
- Условия возникновения акустической кавитации в рабочем объеме гидродинамического активатора
- Экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик гидродинамического активатора при возбуждении колебаний потоком жидкости
Введение к работе
Повышение экономической эффективности нефтегазоперерабатывающих и химических производств в значительной мере связано с внедрением перспективных методов интенсификации технологических процессов, основанных на использовании нетрадиционных методов воздействия на технологические среды [1-3]. Использование высокоэнергетических методов различной физической природы (акустической, электромагнитной и т.д.) позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты производственных процессов и повысить качество получаемой продукции.
Одним из наиболее активно развивающихся направлений интенсификации технологических процессов являются акустические методы воздействия на жидкие рабочие среды. Эффективность использования акустических методов для целей обработки жидкостей как таковых и жидких сред нефтегазопереработки и химической промышленности в частности подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями, по результатам которых можно сформировать основные предпочтительные направления практического использования акустических полей в нефтегазовой промышленности [1,4-13]: диспергирование твердых и жидких гетерогенных сред; эмульгирование и деэмульгирование жидких гетерогенных сред; дегазация низко- и высокомолекулярных жидкостей; интенсификация тепломассообменных процессов; интенсификация химических процессов получения органических и неорганических соединений.
Представленный достаточно широкий спектр областей практического использования свидетельствует о целесообразности внедрения акустических методов в технологическую практику нефтегазопереработки и химической промышленности.
Одним из аппаратов для промышленной обработки жидкостей является акустический активатор гидродинамического типа, представляющий собой самостоятельное малогабаритное устройство, в котором акустическое поле создается пластиной, совершающей колебания под действием потока жидкости [6, 7].
Однако, несмотря на имеющиеся многочисленные факты успешного промышленного внедрения гидродинамических активаторов, широкое их распространение сдерживается отсутствием инженерных методик их комплексного анализа на этапе проектирования. Указанное отсутствие инженерных методов анализа в значительной мере обусловлено тем обстоятельством, что акустические устройства являются весьма сложными как с физико-химической, так и с конструктивно-технологической точки зрения, и их внедрение в промышленности связано с решением широкого комплекса задач, относящихся к различным областям науки и техники: механике, акустике, гидродинамике, химии, физике твердого тела, надежности и т.д.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование виброакустических параметров акустического активатора гидродинамического типа, предназначенного для обработки жидких сред. Учитывая то обстоятельство, что круг применения указанного устройства достаточно широк, работа посвящена не рассмотрению конкретных вариантов его промышленного внедрения, а определению его универсальных технических показателей, необходимых при проектировании любых акустических методов обработки жидкостей. Указанная комплексная постановка вопроса нашла свое отражение в необходимости решения следующего круга задач, отражающих акустическую специфику активатора: определение теоретическими и экспериментальными методами амплитудно-частотных характеристик излучающего элемента гидродинамического активатора в рабочих условиях; разработка методики определения пространственно-временных и энергетических параметров акустического поля, создаваемого излучателем в рабочем объеме гидродинамического активатора; определение гидравлических характеристик акустического активатора; оценка ожидаемого уровня энергетического воздействия активатора на обрабатываемые жидкие среды.
Решение указанного комплекса задач позволит повысить качество проектирования и эффективность внедрения акустических активаторов гидродинамического типа и в перспективе перейти от эмпирических эпизодических технических решений к полномасштабным объемам их использования.
Анализ факторов, определяющих интенсивность технологических процессов в жидких средах
С формальной точки зрения любые технологические процессы, и в том числе жидкофазные процессы, представляют собой процессы целенаправленного пространственного перераспределения молекул в технологическом объеме и их химического или структурного преобразования. На микроскопическом уровне рассмотрения указанные процессы представляют собой результат протекания колоссального количества элементарных актов перестройки атомно-молекулярной структуры технологических сред, обусловленных переходами частиц из одних энергетически устойчивых состояний в другие. В то же время, в каждом конкретном случае технологический процесс может быть представлен в виде результата параллельного протекания достаточно ограниченного круга элементарных физико-химических процессов на атомно-молекулярном уровне.
В свете вышеизложенного любой технологический жидкофазный процесс может быть представлен в виде результата совместного протекания ряда индивидуальных физико-химических процессов, основными из которых являются: 1) гидродинамические процессы (перенос импульса); 2) молекулярная и конвективная диффузия; 3) химические процессы.
Следует отметить тот факт, что каждому элементарному физико-химическому процессу могут соответствовать несколько механизмов его реализации в зависимости от локальной структуры технологической среды.
Протекание технологических процессов на атомно-молекулярном уровне связано с разрывом и образованием связей. Разрыв межмолекулярных
и межатомных связей напрямую связан с энергетическими затратами на преодоление сил взаимодействия. В этой связи каждому элементарному процессу может быть поставлено в соответствие некоторое значение энергии активации Wa.
Анализ статистических подходов к кинетике физико-химических процессов [14-16] показывает, что по степени энергонасыщенности все воздействия на них с некоторой долей условности можно разделить на две группы: высокоэнергетические и низкоэнергетические. В качестве критерия принадлежности воздействий к той или иной группе выступает величина отношения Wa/Weoia, где Wa - энергия активации процесса, a Wb0Sd -характерная энергия воздействия, вызывающего протекание процесса. В свете рассматриваемого вопроса данное соотношение может трактоваться как показатель дефицита энергии воздействия для реализации индивидуальных физико-химических процессов. В частности, если выполняется соотношение т.е. высокого дефицита энергии, воздействие относится к разряду низкоэнергетических. В противном случае воздействие является высокоэнергетическим.
В подавляющем большинстве традиционных технологических процессов нефтегазовой и химической промышленности воздействующим энергетическим фактором We03d является тепловая энергия молекул WT » кТ. Для диапазона типичных рабочих температур процессов, составляющего 20 4-400 С, значение тепловой энергии W\ заключено в интервале 0,02 ч- 0,06 эВ. Типичные значения энергий активации элементарных процессов, составляющих основу нефтегазовых и химических технологий, обычно не превышают единиц электрон-вольт. При этом соотношение Wa/WT, как правило, заключено в пределах 5 + 100. Этот факт позволяет отнести температурные воздействия на технологические процессы к разряду низкоэнергетических. Для них основным механизмом, определяющим протекание физико-химических процессов, является термоактивационный [17]. Согласно современным физическим представлениям о данном механизме, частица может участвовать в процессе только в том случае, если в результате термодинамических флуктуации ее энергия станет большей, чем энергия активации процесса Wa (см. рисунок 1.1).
Согласно принципам статистической физики количество частиц Na, обладающих энергией, большей, чем энергия активации Wa, определяется выражением [17]
В свете рассматриваемого вопроса соотношение NJNQ может трактоваться как вероятность частицы иметь энергию, большую, чем Wa.
Представленный термоактивационный принцип протекания элементарных процессов широко используется при анализе кинетики и равновесных характеристик физико-химических процессов в традиционных технологиях нефтегазопереработки [14, 17-19]. При рассмотрении процессов, происходящих в газовой фазе, каждое соударение молекул можно трактовать как попытку совершения ими элементарного процесса. В этом случае количество активных межмолекулярных соударений в единицу времени Q, способных привести к реализации процесса, определяется выражением ( w\ кТ П П()ехр , (1.4) где Q0 - общее количество соударений в единицу времени. При анализе процессов в конденсированных фазах каждое колебание молекулы около равновесия рассматривается как попытка совершения элементарного процесса.
Методика определения амплитудно-частотных характеристик акустического излучателя в гидродинамическом активаторе
В разделе 1 сформулированы основные проблемы и определены основные задачи теоретического и экспериментального характера, решение которых позволит усовершенствовать инженерные подходы к созданию активаторов гидродинамического типа. Сложность решения указанных задач в определенной мере обусловлена тем обстоятельством, что круг вопросов, связанных с проектированием акустических процессов и аппаратов, существенно отличается от задач, решаемых в инженерной практике традиционных жидкостных технологических процессов. В этой связи внедрение активаторов в промышленную практику предполагает развитие и доведение современных физико-технических представлений об акустических процессах до уровня проработки и формализации, достаточного для инженерного проектирования. Следует отметить, что одной из особенностей акустических процессов является то обстоятельство, что высокая эффективность достигается только при соблюдении достаточно тонкого баланса параметров технологических режимов. Необходимость определения данного баланса при проектировании обуславливает ряд дополнительных требований к методам расчета. Специфика акустических активаторов заключается в необходимости проведения следующих работ: моделирование колебательных процессов излучателя и его амплитудно-частотных характеристик; моделирование акустического поля в активаторе и определение условий возникновения кавитации; оценка ожидаемого уровня энергетического воздействия на жидкость. Дальнейшее проектирование акустических активаторов гидродинамического типа производится по традиционным методикам.
Излучение акустической мощности в рабочую среду осуществляется за счет механических колебаний конструктивных элементов активатора. Значение акустической мощности, излучаемой в рабочий объем определяется амплитудой и частотой механических колебаний излучающих рабочих элементов. Согласно основным принципам теории колебаний наиболее эффективное преобразование энергии внешнего силового воздействия в акустическую форму осуществляется в диапазоне частот, близких к собственным частотам колебаний излучающих элементов [6, 27, 29]. В этой связи определение собственных частот излучающих элементов является одной из основных задач при проектировании акустических технологических процессов.
С позиций обеспечения высокой эффективности акустического технологического процесса спектр частот собственных колебаний элементов определяется следующими основными факторами.
Кавитационный фактор. Акустическое поле, создаваемое в активаторе, должно обеспечивать интенсивное образование и схлопывание кавитационных пузырьков.
Энергетический фактор. Локальные энергетические возмущения, вносимые акустическим излучателем в технологическую среду должны соответствовать энергетике целевых физико-химических процессов, не оказывая значительного влияния на более высокоэнергетические процессы (как правило, связанные с деструкцией целевых компонентов сырья и деградацией оборудования).
Долговечность. В процессе эксплуатации конструктивные элементы акустических аппаратов подвержены воздействию значительных механических нагрузок, что приводит к их усталостному разрушению. В этой связи колебательный режим работы элементов должен обеспечивать максимальный срок службы акустического активатора.
С конструктивных позиций обеспечение указанных целевых факторов достигается путем выбора следующих параметров рабочих элементов излучателя: геометрической конфигурации и размеров; механических свойств материала.
Теоретическое решение задачи по определению частот колебаний излучателей представляет собой значительные физико-математические сложности [32, 46]. Трудности обусловлены в первую очередь неизученностью сил, действующих на упругие элементы в сложной гидродинамической обстановке.
В последние годы достигнут значительный прогресс в разработке ряда программных продуктов, предназначенных для механических расчетов собственных частот сложных конструктивных систем. Одним из наиболее мощных и распространенных является программный продукт ANSYS [47]. Однако его использование для моделирования колебаний гидродинамического излучателя ограничивается сложностью построения в нем комплексной модели, учитывающей влияние жидкости на колебательный процесс и срыв вихрей Бенара-Кармана.
Наряду с точными методами для определения спектра собственных частот колебаний излучателя существуют более упрощенные подходы. В рамках упрощенных расчетов конструктивные части излучателей разбиваются на множество элементов, каждый из которых считается нагруженным сосредоточенной нагрузкой, равной его весу [32].
Условия возникновения акустической кавитации в рабочем объеме гидродинамического активатора
Задача моделирования акустического поля в рабочем объеме гидродинамического активатора заключается в построении поля акустического давления pa(r, t), создаваемого колебаниями излучателя. Следует отметить тот факт, что в настоящее время практически отсутствуют методы комплексного моделирования акустических полей в активаторах гидродинамического типа. В значительной мере это обусловлено следующими обстоятельствами:
элементы конструкции активаторов подвержены весьма сложным формам механических колебаний, в результате чего в жидкости присутствует широкий спектр частот акустических колебаний;
достаточно сложная геометрическая конфигурация и малые по сравнению с длиной затухания колебаний размеры активаторов приводят к многократному отражению акустических волн от поверхностей элементов конструкции, создавая при этом сложную интерференционную структуру поля;
рабочие режимы активатора характеризуются высокими значениями удельной акустической мощности, что обуславливает проявление нелинейных эффектов (в частности кавитации), физические представления о которых в настоящее время разработаны недостаточно;
акустический технологический процесс проводится в движущейся среде, что оказывает влияние на структуру поля давления в активаторе (особенно при турбулентном режиме движения).
В этой связи в рамках настоящей работы предлагается методика моделирования акустических полей в гидродинамическом активаторе, позволяющая в перспективе решить следующий круг практических задач: определение интегральных энергетических параметров работы активатора, связанных с излучением акустической мощности, позволяющих определить эффективность (в том числе экономическую) от их внедрения в технологических процессах; оптимизация конструкции активатора с целью получения пространственной конфигурации акустического поля в рабочем объеме активатора, обеспечивающей эффективное использование акустической мощности для технологических целей; определение исходных данных по параметрам акустического поля в рабочем объеме активатора, необходимых для моделирования физико-химических процессов, составляющих основу технологических процессов.
Следует отметить, что моделирование параметров акустического поля активатора в рамках аналитических методов не представляется возможным. В этой связи при разработке методики должны использоваться численные методы и современные компьютерные технологии.
При разработке методики моделирования акустического поля в активаторе гидродинамического типа для упрощения задачи примем следующие допущения: в связи с тем, что амплитуда механических колебаний поверхности излучателя мала по сравнению с характерным размером рабочей области и длиной звуковых волн, можно считать поверхность излучателя квазинеподвижной; активатор работает в установившемся режиме, при котором интегральные (макроскопические) параметры внешнего силового воздействия, обуславливающего появление акустического поля, не зависят от времени; эффекты дифракции акустических волн, обусловленные их взаимодействием с элементами конструкции активатора, не проявляются.
При анализе процессов распространения акустических волн в рабочей среде активатора в качестве основополагающего принципа будем использовать принцип Гюйгенса-Френеля, согласно которому колебания в
каждой точке рабочей среды представляют собой суперпозицию колебаний, излучаемых всеми поверхностями элементов активатора, с учетом их амплитуды и фазы [52].
В рамках настоящей работы для моделирования процессов распространения и отражения акустических колебаний в рабочем объеме активатора предлагается использовать метод угловых коэффициентов (МУК) [53]. Он предназначен для моделирования процессов обмена массой и энергией в сложных геометрических системах [53]. Наиболее широкое распространение МУК получил при анализе процессов массообмена в технических вакуумных системах и космических условиях [53-56]. Выбор указанного метода обусловлен тем, что он позволяет с единой методологической позиции рассмотреть как процессы излучения акустических волн, так и их отражение от элементов конструкции активатора.
Для разработки модели распространения акустических волн в рабочем объеме активатора рассмотрим геометрическую систему, состоящую из двух элементарных площадок dS\ и dSi, выделенных на поверхности конструктивных элементов активатора (см. рисунок 2.4).
Экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик гидродинамического активатора при возбуждении колебаний потоком жидкости
В разделе 2 разработаны методики моделирования, позволяющие определить ряд универсальных конструктивно-технологических показателей, которые необходимы при проектировании широкого круга процессов обработки жидкостей с помощью акустического активатора гидродинамического типа. Для практического использования разработанных методик необходимо проведение их экспериментальной проверки, а также создание экспериментальных методов определения исходных данных.
В этой связи в настоящем разделе решаются следующие экспериментальные задачи: определение собственных частот излучателя гидродинамического типа и сравнение результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований; исследование особенностей амплитудно-частотных характеристик активатора в условиях возбуждения колебаний набегающим высокоскоростным потоком жидкости и сравнение с результатами теоретических расчетов; исследование перепада давления на акустическом активаторе и определение коэффициентов гидравлического сопротивления; проведение процесса кавитационного эмульгирования и анализ дисперсного состава эмульсии с целью оценки уровня энергетического воздействия кавитации на жидкость.
Разработанные в подразделе 2.2 теоретические подходы позволяют определить спектр собственных частот излучателей гидродинамического типа на основании данных по их геометрической конфигурации и свойствам материалов. Однако в силу ограниченной точности теоретических расчетов и в силу того, что геометрические размеры и параметры материалов излучателей испытывают вариации, теоретические и реальные значения частот будут различаться. В этой связи, данный раздел посвящен сравнительному анализу результатов теоретических и экспериментальных исследований по определению спектра собственных частот гидродинамических излучателей.
В рамках настоящей работы для экспериментального определения спектра собственных частот излучателя гидродинамического типа предлагается использовать метод свободных колебаний [37]. При использовании данного метода, исследуемая колебательная система с помощью внешнего силового воздействия кратковременно выводится из положения равновесия, а затем совершает свободные затухающие колебания. Выбор указанного метода в значительной мере обусловлен стремлением максимально упростить конструкцию экспериментальной установки, а основную трудоемкость перенести на компьютерную обработку результатов изменений.
Структурная схема экспериментального определения спектра собственных частот рабочих элементов методом свободных колебаний представлена на рисунке 3.1.
С помощью ударника излучатель активатора кратковременно выводится из положения равновесия и начинает совершать свободные колебания. Для регистрации колебаний излучателя используется микрофон. В рамках настоящей работы в качестве АЦП была использована звуковая карта персонального компьютера, которая позволяет регистрировать акустические колебания с шириной спектра до 20 кГц. При необходимости более точных исследований в качестве АЦП в экспериментальном стенде может быть использована плата LCARD-783-84. Указанное устройство представляет собой 12-разрядный многоканальный быстродействующий АЦП, который работает на базе шины PCI компьютера. Максимальное значение частоты дискретизации сигнала f0uCK, которое можно получить с помощью данного АЦП равно 2,8 МГц. При этом согласно теореме Котельникова ширина спектра оцифрованного сигнала fmax определяется выражением [37]
