Исследование влияния акустических колебаний на массопередачу газ-жидкость Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЫВОДЫ

1. Течение масличного материала в канале шне->вого маслоотжимного пресса может быть описано іухжидкостной моделью. В соответствии с этой эделью масло, которое содержится в порах между істицами и между частицами и поверхностями шне->в и корпуса, играет роль смазки.

2. Течение в канале с движущейся стенкой и гра-ієнтом давления характеризуется двумя коэффи-іентами проскальзывания, с помощью которых эжно определить скорость течения масличного зтериала на стенках канала.

3. Вязкость масличного материала зависит от дав-:ния масла в порах между частицами и давления в

177

твердой фазе и обусловлена эффектом смазки слоев

масла между частицами и сухого трения между ними.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технология производства растительных масел/В. М. Ко-пейковский. С. И. Данильчук, Г. И. Гарбузова и др.; под ред. В. М. Копейковского.— М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1982,— 416 с.

2. Б е р н х а р д т Э. Переработка термопластичных материалов.— М.: Химия, 1965.— 747 с.

3. М а с л и к о в В. А. Технологическое оборудование производства растительных масел.— М.: Пищ. пром-сть, 1974,— 440 с.

Кафедра общей химической технологии,

процессов и аппаратов Поступила 20.06.88

66.021.32.001.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА МАССОПЕРЕДАЧУ ГАЗ—ЖИДКОСТЬ

П. П. ЕРМАКОВ, Г. П. ТИЩЕНКО

Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт

Для интенсификации процесса массопередачи пищевой технологии применяют различные мето-31 воздействия, в том числе акустические колеба-1Я. В настоящее время отсутствует теория, объяс-тощая достаточно полно механизм влияния высо-эчастотных колебаний на массоперенос. Поэтому ^сказываются разноречивые мнения о влиянии на эоцесс массопередачи амплитуды и частоты акус-[ческих колебаний [1, 2].

На развитие представления о механизме переноса гщества через границу раздела фаз существенное шяние оказали исследования многих видных уче-.IX [3, 4]. Наибольшее распространение получила эдель обновления поверхности контакта фаз, ос-эвы которой заложены в работах Стабникова и игби.

Рассмотрим процесс массопередачи на основе эедставлений о существовании в объеме жидкости шородных вихрей, равномерности диссипации гергии и положения Хигби об обновлении поверх-эсти контакта фаз. В основу данной диссипатив-зй модели принято допущение о том, что коэффи-яент перемежаемости равен единице, а на гра-гце раздела фаз отсутствуют поверхностно-актив-ж вещества. Для определения диссипации энергии в жидкости, обусловленной вязкостью (X, выделим 1ементарную кубическую ячейку объемом (IV с тиной ребер йх, с1у, <1г. Известно, что при градире скорости йШ/йх диссипация энергии вихрей объеме будет:

сіг (<1ШУ

'е<1рт=Л-ш)

(1)

1е £=\1(1'№/(1х — касательное напряжение трения, Па;

йР =йу-йг — площадь боковой грани ячейки, ж2;

^ =йг/<1'М' — время сдвига противоположной грани куба на расстояние, равное ёг.

Существующие в потоке турбулентные вихри разгром йе обусловливают пульсации скорости в по->ке Ди?, поэтому градиент скорости возможно задать следующим образом:

йх

АУР

(2)

где а„ — коэффициент.

Подставим (2) в (1) и получим значение диссипации энергии в турбулентном потоке

(АУРУ

(3)

Из уравнения (3) определили:

АИР 1 Ге ...

йв V '

В соответствии с предложенной моделью опре-

делим время т контакта вихреи:

ТД \У’

где ах — коэффициент.

Подставим (4) в (5) и получим:

(5)

(6)

Исходя из полученной зависимости, определим путем подстановки в известную формулу Хигби значения т коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

(7)

(8)

где а

коэффициент.

Во многих исследованиях принимают а я» 0,4. Точный расчет процесса массопередачи осложняется существованием на поверхности жидкости ПАВ и различных включений. Кроме того, турбулентные вихри гасятся за счет действия сил поверхностного натяжения ст. Поэтому на поверхности жидкости образуются две меняющиеся во времени и по раз-

3 Заказ 0266

мерам зоны: в одной образуется постоянно обновляющаяся поверхность, а в другой — пограничный слой толщиной г. Исходя из (4), примем толщину слоя равной размеру вихря:

(9)

Для разрушения ламинарного пограничного слоя и поверхностной пленки загрязнений применяются акустические колебания, которые создают на поверхности жидкости волны, способствующие полному перемешиванию жидкости в поверхностном слое на глубину высоты волны.

При действии на единицу площади поверхности жидкости звукового давления со стороны газовой фазы в пограничном слое жидкости возникают синусоидальные колебания в направлении г/, перпендикулярном плоской поверхности:

рб = Р sin (сот), (10)

а т

где р —- плотность жидкости, кг/м3\

б толщина колеблющегося пограничного слоя, м;

Р максимальная амплитуда звукового давления, Па;

со — круговая частота акустических колебаний, рад/с.

Известно, что толщина б колеблющегося пограничного слоя равна

(П)

V рй) 4 '

Находим общий интеграл уравнения

у = #sin (сот) + ^т+с,т+С2- : 12)

Для определения постоянных Ci и Ci задаемся начальными условиями:

dy/di =0 при т = я/сш; у—0 при т=0.

В этом случае частное решение, удовлетворяющее начальным условиям, будет:

у - -~ г. эш (сот). (13)

роы"

Подставляя значение б из (11) в (13), получим максимальное значение амплитуды колебаний:

Утах = Р/л/ЩцШ3 . (14)

Для обеспечения полного перемешивания в поверхностном слое достаточно выполнить условие:

Утах>2. (15)

Подставим (9) и (14) в (15) и определим пороговую величину звукового давления акустических колебаний:

Р (16)

Для турбулизации поверхностного слоя и создания равного по толщине сопротивления переносу массы вещества поверхность жидкости необходимо облучить акустическими волнами частотой [. Оптимальную частоту I определим из условия, при котором период акустических колебаний будет равен времени т контакта вихрей:

где а/ = 1/(атаг) — коэффициент.

В исследованиях использовались акустически лучатели с кольцевой резонирующей полостью Акустические и гидравлические характерне определялись в соответствии с [4]. В акустиче излучателях диаметр do отверстия составля. и 40 мм, диаметр И кольцевой резонирующее лости — 51 —119 мм, высота Н устья резонирун полости — 0—87 мм.

Характерной особенностью акустических V чателей, применяемых в пищевой технологии, 5= ется более низкое их гидравлическое сопротивл АР по сравнению с гидравлическим сопротивле' устройства с одиночным отверстием такого же метра. На рис. 1 приведена зависимость АР ак; ческого излучателя ^о=32 мм, £>=98 мм) от Н различных скоростях К7 воздуха в отверстии,

1 — 9,5; 2 — 14; 3 — 19; 4 — 24; 5 — 28. Миним ное АР наблюдается при H/do=0,8 —1,2 во диапазоне изменения №. При оптимальном сос шении параметров H/do АР уменьшилось на 1 Выявлено оптимальное соотношение размеров й/ = 2,5—4. Критерием оптимальности являлось нимальное АР и максимальная интенсивность г тических колебаний при более широком диапа изменения №.

Установлено, что интенсивность акустически? лебаний излучателя максимальна при мини» гидравлического сопротивления. Этот фактор я ется положительным, так как для массообмег аппаратов необходимы акустические контактные ройства АКУ с минимальным АР и максимал] интенсивностью акустических колебаний при данной скорости газа в отверстии контакп устройств. Уменьшение АР акустического изл теля объясняется уменьшением вихреобразовани выходе струи газа из отверстия. Вихреобразов; подавляется вследствие высокочастотных пул

ций по сравнению с частотой образования вихрей давления в резонирующей полости. Пульсации давления способствуют высокочастотному изменению направления и величины вектора скорости периферийного потока. Из-за этого вихри не успевают сформироваться и образуются на существенном удалении от отверстия. Так как расход энергии потока на образование вихрей уменьшается, то уменьшается и АР акустического излучателя. Частота акустических излучателей соответствовала [4].

АКУ тарелок колонных аппаратов являются многочисленными центрами генерации акустических колебаний в аппарате. Для конструирования АКУ необходимо знать оптимальную частоту акустических колебаний, которая в наибольшей степени способствует ускорению массообменного процесса. С этой целью проведены исследования массообменного процесса через плоскую поверхность жидкости.

Экспериментальное устройство представляло собой прямоугольную, изолированную, удлиненную камеру, заполненную жидкостью в нижней части. Поверхность жидкости равномерно обдувалась воздухом с постоянной скоростью менее 0,5 м/с. Сбоку над поверхностью жидкости в камере помещался динамик, с помощью которого создавались акустические колебания интенсивностью порядка 10 Вт/м2. В качестве жидкости взят раствор сульфита натрия. Коэффициент массоотдачи Рж в жидкой фазе определялся по сульфитной методике при окислении кислородом воздуха сульфита натрия. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе определялся по изменению содержания влаги в воздухе по формуле:

(18)

где

й — расход воздуха, м3/с;

Ай — изменение массы водяных паров в 1 м'~ влажного воздуха, кг/мг\

У7 — площадь поверхности испарения воды, м . АС — движущаяЯила процесса, кг/м3.

ченной поверхности жидкости. Величина |3Ж при облучении частотой 1 кГц была в 7 раз выше, чем значение в неозвученном состоянии.

На рис. 3 приведена зависимость отношения коэффициентов массоотдачи в газовой фазе в озвученном рз и неозвученном р состоянии от частоты / через плоскую поверхность при испарении воды, когда основное сопротивление массопереносу сосредоточено в газовой фазе. Как и в предыдущем случае, с увеличением частоты / облучения до 1 кГц наблюдается увеличение коэффициента массоотдачи в газовой фазе и дальнейшее его уменьшение с возрастанием / при постоянной интенсивности акустических колебаний. Максимальное увеличение Р3/Р достигло 7 раз при частоте 1 кГц.

При анализе зависимостей коэффициента массоотдачи в газовой и жидкой фазах от } следует, что оптимальная частота акустических колебаний при облучении спокойной жидкости составляет порядка 1 кГц. Поэтому при конструировании АКУ необходимо размеры устройства (при заданной скорости 1]V газа в отверстии) рассчитывать исходя из условия создания колебаний в газовом потоке частотой около 1 кГц.

Процесс массоотдачи в газовой фазе исследовался при барботаже газа в колонне диаметром

0,31 м. Расстояние между клапанными тарелками составляло 0,29 м, а свободное сечение 3%. На тарелке размещено три клапана, каждый массой 35 г. Диаметр отверстий в тарелке 30 мм. Под тарелкой укреплялись поддоны, составляющие АКУ. Диаметр кольцевой резонирующей полости был 75 мм, а высота устья резонирующей полости — 25 мм. Высота светлой жидкости составляла 80 мм. Коэффициент массоотдачи, отнесенный к единице рабочей площади тарелки, определялся при испарении воды в воздух на непроточной тарелке по формуле:

р А

' И .

П'<

(19)

На рис. 2 приведена зависимость коэффициента массоотдачи $ж в жидкой фазе от частоты / акустических колебаний при постоянной их интенсивности & массопередаче через плоскую поверхность. С увеличением частоты акустических колебаний до 1 кГц наблюдается резкое возрастание Рж, далее величина Рж уменьшается и приближается к прежнему значению, соответствующему условию состояния неозву-

где йн, йк

Величину

масса водяных паров в 1 м3 влажного воздуха — соответственно до и после тарелки, кг/м3\

масса водяных паров в 1 3 влажного насыщенного воздуха — соответственно до и после тарелки, кг/м3',

- скорость воздуха, отнесенная к площади поверхности тарелки, м/с.

I определяли по формуле:

й =0,622^^, (20)

где ф — степень насыщения парами воды; р — плотность воздуха, кг/м3;

Го =273° С,

Т — температура воздуха, ° С;

Рн — парциальное давление паров воды насыщенного воздуха, Па;

Р — давление воздуха, Па.

Рис. 4

На рис. 4 приведена зависимость $А от при испарении воды в барботируемый поток воздуха для клапанных тарелок: 1 — без АКУ; 2 — с АКУ. Из анализа зависимостей можно сделать вывод о стабильном увеличении скорости массоотдачи в газовой фазе, так как коэффициент |ЗЛ в аппарате с АКУ был во всем исследованном диапазоне скорости 1^к=0,5—1,3 м/с. Разброс значений |3/1 с АКУ, возможно, объясняется резонансными явлениями, возникающими при прохождении газа через АКУ.

При анализе зависимостей рис. 3 и 4 видно, что скорость массопереноса при акустическом облучении больше возрастает при массопереносе через плоскую поверхность (в 7 раз), чем при барботаже (около 3 раз). Этот факт возможно, например, объяснить исходя из того, что акустические коле-

бания при барботаже воздействуют на not ность контакта фаз в основном в зоне образов пузырьков. При отрыве пузырька от отверстия г тические колебания практически не действую' поверхность контакта фаз из-за ослабления их тенсивности при прохождении через газожидкост среду.

При увеличении скорости газа WK возраст скорости массопередачи при барботаже с . несколько снизилось с 3,5 до 2,1 раза по сравне с процессом без АКУ. Такое явление, по-видим объясняется тем, что с увеличением WK в отвер! возрастает частота f акустических колебаний, приводит к некоторому снижению возрастания рости процесса. Это вытекает из анализа зав мости рис. 3.

ВЫВОДЫ

1. Для интенсификации массообменных газо> костных процессов в пищевой технологии цел образно использовать акустические колебания, к рые создаются с помощью акустических конт ных устройств, способствующих увеличению рости массопереноса в 1,2—7 раз.

2. Гидравлическое сопротивление акустичес контактных устройств не увеличивается в масс менных аппаратах по сравнению с извести контактными устройствами, что обусловливает лее эффективное поведение массообменного 1 цесса.

3. Простота конструкции акустических конт; ных устройств обусловливает целесообразность использования как в новых колонных аппара так и при модернизации действующих.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фридман В. М. Ультразвуковая химико-технол ческая аппаратура.— М.: ЦИНТИАМ, 1964.— 26!

2. Ермаков П. П., 3 а д о р с к и й В. М. Эк

риментальные исследования акустических и масс менных характеристик газожидкостных систем с а колебаниями газового потока//ИФЖ.— 1984.—6 № 3,— С. 450—453.

3. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Ма

передача / Пер. с англ.—М.: Химия, 1982,—69

4. Р а м м В. М. Абсорбция газов.— М.: Химия, 197' 656 с.

5. А. с. 1143433 СССР. Контактное устройство/П. П. Ер ков, В. М. Задорский. МКИ BOl ДЗ/ЗО,— От в Б. И,— 1985,— № 9.

Кафедра оборудования химических заводов Кафедра химического сопротивления материалов

и защиты от коррозии . Поступила 19.0

ДЕПОНИРОВАННЫЕ РУКОПИСИ

Оптимизация времени просаливания целой

рыбы/С у р а в н е в О. И., Орехов Д. А., Нечушкин А. М.; Ред. журн. «Изв. вузов. Пищ. технолог.»—Краснодар, 1988.— 6 с.: ил.— Библиогр. 4назв.— Рус.— Деп. в ВНИЭРХ 10 янв. 1989 г., № 1002-рх 89.

Изучены структурно-механические характеристики целых тушек ставриды массой 200— 250 г с помощью модифицированного пенетро-метрапластомера в зависимости от длительности времени просаливания. Установлено

664.95

существование минимальных величин структ но-механических характеристик при определ ных значениях времени просаливания. 3 значения соответствуют наступлению наибо. благоприятной консистенции просаливае»< рыбы, что можно использовать как критер определения оптимальных сроков проса, вания целой рыбы в зависимости от массь биологического вида особей обрабатывав!** рыбопродукции.

[Гомельский кооперативный ИНСТИ1