CC BY
34
д = [Ann /л) sin .9 / 2, где п - показатель преломления жидкости, в которой взвешены дисперсные частицы, X - длина волны лазерного света и .9 - угол рассеяния.
Константы /с, а и b могут быть найдены путем аппроксимации измеренной корреляционной функции теоретической экспоненциальной функцией. Если форма частиц известна или задана, их размер может быть рассчитан с использованием соответствующей формулы. Для сферических частиц можно использовать формулу Стокса-Эйнштейна:
D = кдТ / 6я7]К,
где кв - константа Больцмана, Т - абсолютная температура и 1| - сдвиговая вязкость среды, в которой взвешены частицы радиуса R.
В экспериментах по изучению размеров микропузырьков жидкость подавалась в полость керамической мембраны со скоростью 1,9 м/с, газ продавливался через поры мембраны с давлением 4,5 бар. Производился отбор проб газо-жидкостной смеси на выходе из мембранного модуля и проводились соответствующие измерения. Среднее время измерения составляло 5-8 минут. Некоторые результаты представлены на рисунках 2 и 3.
Как видно из рисунков, средний радиус пузырька составляет 270 нм. Стоит заметить, однако, что на момент измерения. (5-8 мин) в воде оставались лишь наиболее мелкие, седиментациошгоустойчивые. пузырьки. Для определения размеров основной массы получаемых пузырьков, исчезающих через более короткое время, будут проведены дополнительные исследования.
Библиографические ссылки
1. S. Atchariyawut, R. .liraratananon, R. Wang; Separation of CO2 from CH4 by using gas-liquid membrane contacting process // Journal of membrane science, 2007.304. PP. 163-172.
2. M. Kukizaki, M Goto; Size control of nanobubbles generated from SPG membranes // Journal of membrane science, 2006. 281.. PP.386-396.
3. M. Kukizaki, M, Goto; Spontaneous formation behavior of uniform-sized tni-crobubbles from SPG membranes in the absence of water-phase flow // Colloids and surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 2006. 14097.
УДК 621.762:666.3-127+532.685
A. H. Пивкин, В. H. Грунский, А. В. Беспалов, А. И. Козлов
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия.
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БЛОЧНЫХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЕЙ
Process of the filtration of gas in a range of speeds 0,1 ... 2,3 in/s on the filters made from high porous of cellular ceramic materials is considered. Laws of change of aerodynamic properties (aerodynamic resistance, gas permeability, resistance factor) both single samples and the packages made of separate samples are investigated.
Рассмотрен процесс фильтрации газа в диапазоне скоростей 0,1...2,3 м/с на фильтрах, изготовленных из высокопористых ячеистых керамических материалов. Исследованы закономерности изменения аэродинамических свойств (аэродинамическое сопротивление, газопроницаемость, коэффициент сопротивления) как одиночных образцов, так и пакетов, составленных из отдельных образцов.
Выбор высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) в качестве фильтров [1] объясняется их специфическими аэродинамическими характеристиками, обуславливающими их преимущество по сравнению с другими проницаемыми материалами. Высокое значение общей пористости (80-97%) в сочетании с отсутствием полностью закрытых ячеек может обеспечивать значение коэффициента проницаемости ВПЯМ до величины порядка 10"8 м2, то есть по проницаемости высокопористые ячеистые материалы превосходят все другие проницаемые материалы на 1-5 порядков [2].
В настоящее время высокопористые ячеистые материалы используются для фильтрации жидкостей и газов, очистки газовых выбросов от аэрозолей, каталитического дожита вредных газовых выбросов автотранспорта и промышленных предприятий [3]. В процессах фильтрации газа к фильтрам предъявляется ряд требований, важнейшие из которых - аэродинамическое сопротивление, газопроницаемость. В литературе практически отсутствуют экспериментальные данные по аэродинамическим свойствам высокопористых мелкоячеистых и крупноячеистых керамических носителей различной высоты для фильтрации газа в диапазоне скоростей 0,1...2,3 м/с. Для экспериментального исследования аэродинамического сопротивления высокопористых ячеистых керамических носителей при различных скоростях газа были отобраны образцы, структурные характеристики (диаметр ячейки, общая пористость) которых приведены в табл. 1.
Табл. I. Структурные, физические и геометрические характеристики испытанных образцов.
Мелкоячеистый высокопористый керамический носитель, <1я- 1-2 мм (<1ср = 1,5 мм)
№ Ь, см т,г Б, см2 V, см3 Рам. кг'м3 Поб.,.%
1 5 24.75 15,9 79,5 0,31 92,2
2 5 26,71 15,9 79,5 0,34 91,6
3 5 24,91 15,9 79,5 0,31 92,1
4 5 27,48 15,9 79,5 0,35 91,3
5 5 26,В8 15,9 79,5 0,34 91,5
Б 5 26,79 15,9 79,5 0,34 91,6
Крупноячеистый высокопористый керамический носитель, с!я = 2-4 мм (<1ср = 3 мм)
1 5 24,8 15,9 79,5 0,31 94,9
2 5 21,6 15,9 79,5 0,27 94,2
3 5 25,4 15,9 79,5 0,32 95,1
Кажущуюся плотность образцов рассчитывали по формуле
Ркажуш=П1/У, (1)
где ш - масса образца; V - объём образца.
Суммарную пористость (включает три относительно независимых вида: канальную пористость (пористость каналов в перемычках), микропористость стенок перемычек и пространство внутри ячеек материала - макропористость ВПЯМ) рассчитывали по формуле:
Побш " (Ркоруида ~ РкажушУ Ркорунда, (2)
где ркорунда - плотность корунда в компактном состоянии.
Рис. 1. Схема установки для измерения аэродинамического сопротивления.
(Пояснения в тексте).
Для экспериментального определения аэродинамического сопротивления керамических носителей и пакетов, составленных из отдельных образцов носителей, была создана установка, схема которой приведена на рис. 1. Воздух, нагнетаемый компрессором ! (компрессор оснащен ресивером), через регулировочный вентиль 2 и газовый счетчик 3 поступает в аэродинамическую трубу 5, длиной 400 мм и внутренним диаметром. 45 мм. Цилиндрический образец ВПЯМ помещают в трубу. Аэродинамическая труба соединяется с газовым счетчиком при помощи мет&шгопластиковой трубы внутренним диаметром 10 мм. Газ после прохождения через высокопористый ячеистый керамический носитель выбрасывается в атмосферу, при этом статическое давление сразу после керамического носителя устанавливается равным атмосферному. Получается, что перепад давления на образце равняется избыточному давлению в камере перед образцом, которое измеряют при помощи водяного дифманометра 4, заполненного дистиллированной водой. Расхода воздуха измеряют газовым счетчиком «Берестье Г6» (производства БЭМКРОМГАЗ). Максимальный расход воздуха, обеспечиваемый компрессором 1, позволяет получать предельную линейную скорость течения среды в аэродинамической трубе, равную 2,3 м/с. Газ рассматриваем как несжимаемый и плотность его в расчетах принимаем равной плотности воздуха при нормальных условиях. После помещения образца в трубу подают воздух компрессором, регулируя его расход вентилем 2. Каждое измерение перепада давления проводили по три раза. Измеряли перепад давления как отдельных образцов, так и пакетов, составленных из блоков.
Количество блоков в пакете доводили до шести. Для оценки влияния длины камеры перед испытуемым образцом, были проведены дополнительные эксперименты. В основных сериях опытов длина камеры перед испытуемым образцом составляла 60 мм. Было решено увеличить её в 2 раза и проследить влияние длины успокоительного участка трубы на аэродинамическое сопротивление образцов. Опыты были проведены на образце высотой 50 мм, прошедшим испытания ранее при длине камеры, равной 60 мм. Эксперименты показали, что избыточное давление, нагнетаемое воздухом из компрессора, остается таким же, как и в случае с меньшей длиной, однако устанавливается оно за более продолжительный интервал времени (примерно, в 1,5 раза дольше). Видимо, это означает, что отсутствие искусственного выравнивания потока по сечению аэродинамической трубы в данном случае не имеет решающего значения, вследствие сравнительно небольшой линейной скорости продуваемой среды. Отметим также, что при встрече со средой испытуемые образцы, по сути своей, являются распределительными насадками. газораспределяя и выравнивая по ток.
На рис. 2 и 3 представлены результаты аэродинамических испытаний пакетов мелкоячеистых и крупноячеистых образцов с последовательно наращиваемым количеством составных модулей от одного до шести для мелкоячеистых керамических носителей и от одного до трех для крупноячеистых керамических носителей.
Также проводили эксперименты на образцах носителей с каталитическим компонентом с целью изучения влияния нанесенных слоев на рост аэродинамического сопротивления. Результаты представлены на рис. 4. На рис. 3 выполнено сопоставление экспериментальных данных с литературными. Параметры образцов, использованных авторами работы [1], отличаются от использованных нами (в частности, образцы имеют другие диаметр и высоту), однако на рис. 3 видно, что зависимости ДР=£(и), полученные нами и в [1], имеют общую тенденцию изменения от скорости. С увеличением количества составных модулей в пакетах перепад давления сдвигается в область более высоких значений как для мелкоячеистых (рис. 3), так и для крупноячеистых образцов носителей (рис. 2). Аэродинамическое сопротивление мелкоячеистых высокопористых образцов носителей значительно больше сопротивления крупноячеистых (в 3-5 раз).Видно, что при нанесении каталитического компонента на носитель прирост сопротивления незначителен, что дает возможность проводить экспериментальную оценку аэродинамического сопротивления катализатора непосредственно по сопротивлению носителя.
Проблема масштабного перехода [4] решается исходя из конкретной технологической задачи. Для сравнения данных, обратимся к результатами работы [5], в которой были выполнены эксперименты по изучению аэродинамического сопротивления керамических образцов на основе ВПЯМ больших диаметров (090 мм и 0142 мм) и высотой 70 мм при более высоких скоростях течения воздуха (больше 2 м/с). Из рис. 5 следует, что характер изменения аэродинамического сопротивления для различных диаметров трубчатого реактора (45 мм, 90 мм и 142 мм) с изменением линейной скоро-
ста газа, остается таким же. Расхождение экспериментальных зависимостей ДР=Ди) в области скоростей газа 1.5...2,3 м/с практически отсутствует (диаметр ячейки в [5] ёя=2,4.. .2,5 мм, а в исследуемых нами образцах крупноячеистых носителей ¿,=2.. .4 мм и, соответственно, высоты 70 мм [5] и 100 мм).
пет ..--.виида.«»А
У
л
/ г, Ш
■У/,
Ц
ж _ — .
0,5 1С
1)6
10 15
• Т-
\ * / / / -- м
1/ у
<4
11Ш? ' и
/
/
-А
......4......Л
Рис. 2. Зависимость аэродинамического сопротивления крупноячеистых керамических образцов носителей высотой 50 мм от скорости от скорости воздуха. Рис. 3. Зависимость аэродинамическог о сопротивления мелкоячеистых керамических образцов носителей высотой 50 мм воздуха. Литературные данные |2| - <1„=1,2 мм, ПЛш =0,97, 0образца=ЗОмм.
Рис. 4. Зависимость аэродинамического сопротивления крупноячеистых керамических носителей с нанесенным каталитическим компонентом.
Рис. 5. Сравнение данных по аэродинамическому сопротивлению, полученных на установках разных размеров.
С увеличением скорости газа от 2,3 м/с до 4,0 м/с наблюдается расхождение экспериментальных значений АР для трубчатых реакторов диаметром 90 мм и 142 мм. Судя по всему, в этом диапазоне изменения скоростей газа в поперечном сечении образцов всё большую роль начинают играть отрывные течения, оказывающие влияние на режим течения и приводящие, вполне возможно, к появлению аэродинамических иеравномерно-стей. В этом случае важно учитывать распределение ячеек и перемычек по их размерам и конфигурации. Ячейки имеют разнообразную конфигурацию и пересечения, а перемычки (в сечении треугольные) имеют разную толщи-
ну. Чтобы исследовать явление масштабного переноса для трубчатых реакторов с высокопористыми ячеистыми носителями, необходимы полномасштабные испытания образцов носителей в широком диапазоне изменения их диаметра. Действительно, достаточно упомянуть, что с увеличением диаметра насадочной колонны от 100 мм до 300 мм высота эквивалентной теоретической ступени возрастает от 200 до 1200 мм [6].
Из вышесказанного следует, что проще определить аэродинамические характеристики ВПЯМ и носителей на их основе в результате непосредственных испытаний конструктивных элементов, имитирующих элементы, подлежащие промышленной эксплуатации.
Библиографические ссылки
ГБеклемышев A.M. Структурные и гидравлические свойства высокопористых ячеистых материалов на металлической основе. М.: Пермь, 1998. 225 с.
2.Анциферов В.Н., Остроушко A.A., Макаров A.M. Синтез, свойства и применение катализаторов окисления сажи на основе модифицированных ВПЯМ. Екатеринбург, 2007. 63 с.
3.Данченко Ю.В., Анциферов В.Н., Саваков Д.И. Композиционные материалы па основе сетчато-ячеистых структур // ФХОМ 1998. № 2. С. 84-89.
4.Розен А. М. Масштабный переход в химической технологии. М.:Химия, 1980.260 с.
5.Гидравлическое сопротивление шликерного ВПЯМ /Тищенко С.В.[и др.]; // Химическая промышленность сегодня, 2005. № 2. С. 42-51.
6.Кабаков М.И., Розен A.M. Гидродинамические неоднородности в насадоч-ных колоннах большого диаметра и пути их устранения. //Химическая промышленность, 1984. №1. С. 48-52.
УДК 621.762:666.3-127+532.685
А. И. Козлов, А. Н. Пивкин, В. Н. Грунский, А. В. Беспалов, И. А.Козлов Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия.
СИСТЕМА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОПОРИСТЫХ БЛОЧНЫХ ЯЧЕИСТЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ
Application of high porous cellular block catalysts in the field of perfection of ecological characteristics of the vehicles equipped with an internal combustion engine with ignition from compression is considered.
Рассмотрено применение высоконорисгых ячеистых блочных катализаторов в области совершенствования экологических характеристик автотранспортных средств, оснащенных двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.
