CC BY
2Список литературы
1. Осипов П.В., Осипчик В.С., Смотрова С.А., Савельев Д.Н. Регулирование свойств наполненных эпоксидных олигомеров // Пластические массы. 2011. № 4. С. 3-5.
2. Плакунова Е.В., Татаринцева Е.А., Мостовой А.С., Панова Л.Г. Структура и свойства эпоксидных термореактопластов // Перспективные материалы. 2013. № 3. С. 57-62.
3. Федосеев М.С., Державинская Л.Ф., Цветков Р.В. Термомеханические и адгезионные свойства полимерных материалов, полученных отверждением модифицированной эпоксидной смолы // Перспективные материалы. 2014. № 4. С. 30-36.
4. Ширшова Е.С., Татаринцева Е.А., Плакунова Е.В., Панова Л.Г. Изучение влияния модификаторов на свойства эпоксидных композиций // Пластические массы. 2006. № 12. C. 34-36.
5. Rahul Kumara, Kausik Kumarb, Prasanta Sahooc, Sumit Bhowmika. Study of mechanical properties of wood dust reinforced epoxy composite // Procedía Materials Science. 2014. Vol. 6. Р. 551-556.
6. Дятлов В.А., Филатов С.Н. Применение ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием для исследования полимеров. M.: РХТУ, 2011. 60 с.
7. González, M.G. Applications of FTIR on Epoxy Resins - Identification, Monitoring the Curing Process, Phase Separation and Water Uptake / M.G. González, J.C. Cabanelas, J. Baselga // Infrared Spectroscopy - Materials Science, Engineering and Technology / Ed. by Theopha-nides, T. - London: IntechOpen, 2012. P. 261-284. DOI: 10.5772/36323
8. Вострокнутова, Е. В., Голик, В. М., Сапрыгин, А. В., Ябуров, М. А.Определение массовой доли эпоксидных групп в эпоксидных смолах марок ЭД-20 и ЭД-16 методом спектрометрии в ближнем ИК-диапазоне // Аналитика и контроль. 2011. Т. 15, № 4. С. 463-469.
9. Комар Л.А., Свистков А.Л, Кондюрин А.В. Молекулярно-массовое распределение промежуточных продуктов реакции отверждения эпоксидного композита // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Химия. 2014. Т. 6, № 3. С.17-28.
УДК 534-8
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-175-179
ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССООБМЕНА «ГАЗ-ЖИДКОСТЬ» ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ И ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ПРИЛОЖЕНИЯ
Голых Р.Н.1, Хмелёв В.Н.1, КарраЖ.-Б2, Маняхин И.А.1, Минаков В.Д.1, Барсуков А.Р.1 1 Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Бийск 2 Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, г. Новосибирск E-mail: [email protected]
Аннотация. Исследование посвящено выявлению механизмов ультразвуковой интенсификации массо-обмена в системе «газ-жидкость» под действием кавитации. Выявлены физические механизмы ультразвуковой интенсификации массообмена, включающие в себя: ускорение диффузии газа сквозь ка-витирующую жидкость; формирование капиллярных волн на поверхности барботажных пузырьков в зоне развитой кавитации; неустойчивость пенообразной структуры жидкой фазы в зоне вырожденной кавитации, которая способствует многократному измельчению газовых пузырьков, образуемых в ходе принудительной аэрации. Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие основные положения теоретической модели в части влияния ультразвука на межфазную поверхность. Ключевые слова: ультразвук, кавитация, массообмен, модель, барботаж, капиллярная волна, диффузия.
Массообменные процессы газа, растворённого в жидкости, являются медленными диффузионными процессами по сравнению с массообменом газа, растворённого в газе, или жидкости, растворённой в другой жидкости [1]. Это связано с малым коэффициентом диффузии газа в жидкости [1, 2], который в 5000.. .10000 раз меньше, чем коэффициент диффузии газа в газе [3].
Из-за данного физического ограничения необходимо повышать совокупную скорость массопереноса за увеличения межфазной поверхности, чтобы, в конечном итоге, повысить эффективность поглощения углеродного следа из атмосферы, удаления нежелательных газовых примесей из технологических газов. При этом необходимо повышать эффективность не только поглощения газов, но и химического связывания поглощённых газов с жидкостью (в частности, использование С02 для получения твёрдых материалов). В свою очередь, возрастание интегрального потока газа, достигаемого при увеличенной поверхности, повысит скорость протекания физико-химических процессов (растворение газа - абсорбция при повышенном парциальном давлении целевого компонента в газовой фазе, дегазация при пониженном парциальном давлении целевого компонента в газовой фазе, химические реакции газа с жидкостью) в приповерхностном слое вблизи границы раздела «жидкость-газ» [1, 4].
Основные способы увеличения межфазной поверхности «газ-жидкость» - распыление жидкости на как можно более мелкие капли [5] и реализация поверхностных возмущений на газовых пузырьках вплоть до дробления последних [4].
Распыление жидкости для интенсификации массообменных процессов обладает недостатком, который заключается в малом объёмном содержании жидкости в газодисперсной системе, в тот время как в рассматриваемых процессах необходимо ускорять взаимодействие газа с жидкостью. Поэтому далее рассматривается барботажный процесс и подход к увеличению межфазной поверхности, который заключается в развитии поверхностных возмущений на стенках газовых пузырьков вплоть до дробления последних [1, 6, 7]. Единственно возможный принцип увеличения межфазной поверхности в барботажном процессе - это периодическое силовое воздействие с частотой, многократно превышающей частоту их пульсаций и генерации пузырьков.
Один из наиболее эффективных способов реализации периодического силового воздействия - формирование ультразвуковых колебаний в кавитационном режиме [7].
В этом случае увеличение межфазной поверхности происходит за счёт следующих возможных механизмов [1].
Первый механизм - формирование периодических капиллярных волн [1, 8] на межфазной границе «жидкость-газ», которая является поверхностью барботажных пузырьков, под действием ударных волн, образуемых при схлопывании кавитационных пузырьков (длина капиллярных волн меньше радиуса барботажных пузырьков).
Второй механизм - отрыв измельчённых пузырьков от поверхности исходных барботаж-ных пузырьков, формируемых вблизи выходного сечения аэрационного канала, за счёт распада капиллярных волн или неустойчивости пенообразной структуры жидкости, которая формируется в режиме вырожденной кавитации. Измельчение пузырьков приводит к увеличению удельной межфазной поверхности (совокупной площади межфазной поверхности, отнесённой к единице объёма газа). Это связано с тем, что удельная межфазная поверхность обратно пропорциональна среднему объёмно-поверхностному диаметру пузырьков dз2 (1):
N
^ 6
*=Нтг -Г (1>
г =1
Несмотря на то, что первые результаты, свидетельствующие об эффективности ультразвукового воздействия, были получены ещё в 1956 году (ультразвуковая интенсификация паров бензола маслом, выполненная в Днепропетровском химико-технологическом институте), на сегодняшний день отсутствуют состоятельные исследования физических механизмов протекания процесса.
В связи с этим исследования, проведённые авторами настоящей статьи, были направлены на разработку теоретической модели формирования волн на поверхности и проведение экспериментов.
Для построения модели рассматривается течение идеальной несжимаемой жидкости вблизи сферической поверхности. Течение предполагает, что длина капиллярной волны на поверхности меньше по сравнению с радиусом кавитационного пузырька.
Такое ограничение связано с необходимостью построения приближённого решения. Форма расчётной области выглядит следующим образом (рис. 1).
Жидкос [ь
о
Кавитационные
пузырьки
о ---- о -— Возмущённый барбо-тажный пузырёк
Рисунок 1 - Форма расчётной области для определения площади межфазной поверхности
«газ-жидкость»
В рамках поставленной задачи колебания межфазной поверхности возбуждаются за счёт пространственно распределённой силы, вызванной ударными волнами под действием схлопы-вающихся кавитационных пузырьков.
Поскольку ударные волны, образуемые под действием кавитации, имеют широкий спектр, то было рассмотрено возбуждение колебаний межфазной поверхности, при воздействии одной из гармоник, имеющей фиксированную пространственную длину волны и фиксированную частоту (выражение для силы будет приведено в статье ниже).
Поскольку задача решается в приближении идеальной несжимаемой жидкости, то для её решения рассматривается потенциальное течение, описываемое уравнением Лапласа, следующим из уравнения неразрывности, и уравнения сохранения импульса.
На границе справедливы следующие условия, которые в приближении малых амплитуд выглядят следующим образом:
-=^,(2) рт + Р„ -р-
2аИ =
Ро +-
2^ я
4лЯ3
г(х> Ус 13
V 4л
о
. (2)
Уравнения приведены для декартовой системы координат, начало которой совпадает с центром масс барботажного пузырька, не изменяющего положение.
Далее проводится переход к деформированной системе координат, чтобы построить приближённое решение уравнения, учитывающее кривизну сферической поверхности.
у
х = Fx (X ,Y, Z, t); Fx (X ,Y, Z, t ) = (R + h(X ,Y, t) + Z )f ^ - J; y = Fy (X, Y, Z, t); Fy (X ,Y, Z, t ) = (R + h(X ,Y, t)+ Z ) Yf (- J;
z = F (X, Y, Z, t); F (X, Y, Z, t) = (R + h(X, Y, t) + Z )cos- - R;
R
Г 1, x = 0
f (x) = J sinx • r = VX2 + Y2. (3)
v ' -, x Ф 0
l x
где h(X, Y, t) - функция, характеризующая возмущение сферической поверхности и зависимость его величины от положения точки и времени, м.
Функция h(X,Y) является определённой на всей поверхности полусферы. Заранее принимается условие, что функция h(X,Y) ограничена и \h(X,Y)\<hmca<R. Функция h(X,Y) принадлежит классу функций, имеющих до 2-й непрерывной производной включительно в круге:
h(X, Y) е С2 f{(X, Y У X2 + Y2 < —R1 ^
V 1
Введённая вспомогательная функция f(x) является бесконечно дифференцируемой на всём множестве действительных чисел.
При x, не равном 0, бесконечная дифференцируемость функции следует из бесконечной дифференцируемости функций sin x и 1/x. Также доказана взаимнооднозначность предложенного преобразования координат. Далее с использованием предложенного преобразования координат проводятся построения уравнений динамики жидкости в объёме и граничных условий. Уравнения динамики жидкости в объёме строятся в области,
P =J(X, Y, Z )л/X2 + Y2 <— R & Z > 01
L 2 J , имеющей неподвижную границу «газ-жидкость» Z = 0.
Кроме неподвижности границы предложенное преобразование системы координат имеет преимущество, заключающееся в том, при радиусе кривизны сферической поверхности, стремящемся к плюс бесконечности, задача оказывается эквивалентной задаче с плоской поверхностью.
В объёме жидкости действует внешнее давление, которое на границе «жидкость-газ» в преобразованной системе координат сумме давлений ударных волн, создаваемых при схлопы-вании кавитационных пузырьков.
Далее для построения решения уравнений сохранения массы и импульса жидкости с граничными условиями на поверхности «жидкость-газ» выполняется разложение потенциала скорости движения среды и смещения границы по степени величины 1/R.
После построения приближённого решения для идеальной несжимаемой жидкости в модель было дополнительно введено затухание колебаний с течением времени, вызванное наличием вязкости жидкости. Установлено предельное возрастание межфазной поверхности до 1,7 раз при воздействии схлопывающихся кавитационных пузырьков. Указанное значение межфазной поверхности было подтверждено путём съёмки скоростной кинокамерой Photron FASTCAM SA-Z с частотой 210 000 кадров в секунду.
На основании предложенного теоретического метода усреднения коэффициента диффузии установлена возможность увеличения эквивалентного коэффициента диффузии в кавити-рующей жидкости до 1,2 раз в режиме развитой кавитации.
Далее были проведены теоретические исследования формирования межфазной поверхности для режима вырожденной кавитации, когда кавитационные пузырьки не схлопываются и жидкость имеет пенообразную структуру. Были проведены теоретические оценки максимально достигаемого размера барботажных пузырьков при инжекции газа в зоны вырожденной кавитации. Установлено, что в режиме вырожденной кавитации максимально достигаемая
межфазная поверхность может составлять до 10 и более раз от первоначальной без ультразвукового воздействия.
Полученные результаты служат основой для ультразвуковой интенсификации химико-технологических процессов в системах «газ-жидкость», таких как дегазация, абсорбция и хе-мособрция.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-12-00278,
https://rscf.ru/project/23 -12-00278/.
Список литературы
1. Голых Р.Н., Карра Ж.-Б., Хмелёв В.Н., Маняхин И.А., Минаков В.Д., Генне Д.В., Барсуков А.Р. Влияние ультразвукового кавитационного воздействия на межфазную поверхность «газ-жидкость» при принудительной аэрации // Прикладная механика и техническая физика. 2024. DOI: 10.15372/PMTF202315435.
2. Новосёлов А.Г., Дужий А.Б., Голикова Е.Ю. Молекулярная диффузия газов в жидкости. Коэффициенты молекулярной диффузии диоксида углерода в воде // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия "Процессы и аппараты пищевых производств". 2014. № 2. С. 19.
3. Подрыга В.О., Вихров Е.В., Поляков С.В. Молекулярно-динамический расчет коэффициента диффузии газов на примере аргона, азота, водорода, кислорода, метана и углекислого газа // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2019. № 96. 24 с. DOI: 10.20948/prepr-2019-96
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. 831 с.
5. Шадрин Е.Ю., Ануфриев И.С., Шарыпов О.В. Исследование процесса распыления и сжигания водоугольного топлива с использованием пневматической форсунки // Прикладная механика и техническая физика 2021. Т. 62, № 3 (367). С. 165-171.
6. Рамм В.М. Абсорбция газов. Изд. 2-е и перераб. М.: Химия, 1976. 655 с.
7. Семёнов И.А., Ульянов Б.А., Свиридов Д.П., Камаев А.С. Влияние ультразвука на мас-соотдачу в жидкой фазе при свободном всплытии пузырька газа // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2013. № 2 (5). С. 57-61.
8. Khmelev V.N., Shalunov A.V., Golykh R.N., Nesterov V.A., Dorovskikh R.S., Shalunova A.V. Determination of the modes and the conditions of ultrasonic spraying providing specified productivity and dispersed characteristics of the aerosol // Journal of Applied Fluid Mechanics. 2017. Vol. 10, No. 5. P. 1409-1419.
