О границах режима монодисперсного распыливания пористыми вращающимися распылителями Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 66.069.833

Р.Г. Сафиуллин

О ГРАНИЦАХ РЕЖИМА МОНОДИСПЕРСНОГО РАСПЫЛИВАНИЯ ПОРИСТЫМИ ВРАЩАЮЩИМИСЯ РАСПЫЛИТЕЛЯМИ

(Казанский государственный архитектурно-строительный университет) e-mail: safiullin_rinat@mail.ru

Теоретическая зависимость для скорости фильтрации через стенку пористого вращающегося распылителя (ПВР), учитывающая пористую структуру ПВР, геометрические характеристики распылителя и свойства распыливаемой жидкости, сравнивается с известными опытными данными. Исследуется верхняя граница применимости полученной зависимости. Определен диапазон предельных угловых скоростей вращения ПВР, при которых скорость натекания на поверхностные зерна соответствует «капельному» (монодисперсному) режиму распыливания.

Ключевые слова: пористый вращающийся распылитель, скорость фильтрации, монодисперсное распыливание

В последние годы интенсивно исследуются пористые вращающиеся распылители (ПВР), создающие объемный и практически монодисперсный факел распыла. Подобные конструкции могут существенно повысить эффективность полых распылительных абсорбционных и теплооб-менных аппаратов. Однако сегодня отсутствуют надежные методики расчета, которые позволяли бы определять размеры образующихся капель в зависимости от геометрии гранул, пор и режимных параметров работы ПВР.

Рассмотрим схему распылителя в виде вращающегося полого пористого цилиндра с наружным радиусом г1 и внутренним радиусом г2 (рис. 1). Цилиндр выполнен из одноразмерных и однородных по свойствам изометричных элементов (зерен), которые равномерно уложены и закреплены с известной плотностью упаковки (пористость, извилистость поровых каналов и т.д.). Жидкость фильтруется через стенку ПВР под действием центробежной силы при вращении пористого тела вокруг оси, расположенной на расстоянии г1 от периферии.

Скорость фильтрации определяет динамику формирования капель на зернах ПВР. Выражение для скорости фильтрационного потока на внешней поверхности ПВР было получено ранее в работе [1] с применением методов линейной теории фильтрации:

рог

-г2 _ -г2

Zi Zo

1

(1)

Ц 2

где оз - угловая скорость вращения распылителя; р и р. - плотность и динамическая вязкость жидкости; х ~~ проницаемость стенок ПВР, связанная с размерами зерна и пористостью рог формулой Козени [2]

por ^

где ß= 1-10 - опытный коэффициент.

Рис. 1. Расчетная схема ПВР для определения скорости фильтрации

Fig. 1. The scheme of PRS calculation for determining filtration rate

На рис. 2 представлены графики зависимости скорости фильтрации W/, от параметров со и ß, полученные по выражению (1) для ПВР с диаметром зерна d3 = 250 мкм, пористостью por = 0.42, внутренним радиусом z2=50 мм и толщиной стенки 8=5 мм. Здесь же приведена зависимость для этого распылителя (пунктирная линия), полученная по опытным данным в работе [3] в форме уравнения Форхгеймера [4]. Она связывает перепад давлений Ар на внутренней и внешней поверхностях оболочки ПВР то скоростью фильтрации \ф\

Ар

■ = <цмф +ßpv;,

(2)

где A/7 = p^lJ2+8^_z^;a=68.9M08 и (3=16380 -опытные коэффициенты.

Уф, м/с

(5=12

(3=10

пред

Re

пред

_И _ ЮН _р

dsP d3p '

por

-d

- por

ln-

zl 2]i

Последнее выражение можно представить

в виде

Р -Р2-Р3-т2 <1,

где параметр /> =

por

(5)

i- рог

d3 характеризует по-

ристую структуру ПВР; параметр =

1

отражает

2

Я =

" lnijz2jl геометрию распылителя; параметр

характеризует свойства распыливаемой

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 СО,С"1 Рис. 2. Зависимости (1) и (3) в диапазоне 0< со <200 с"1 Fig. 2. Dependences (1) and (3) in the range of 0< со <200 с"1

Уравнение (2) в форме (3), также как и (1), позволяет определить скорость фильтрации Уф при различных значениях угловой скорости вращения ю:

20ц-жидкости.

Полученная формула (5) дает возможность определять геометрию ПВР и диапазон угловых скоростей ю (технологический параметр работы ПВР), при которых скорости фильтрации и нате-кания на поверхностные зерна ПВР соответствуют «капельному» режиму каплеобразования. Так, геометрический параметр Р2 должен быть меньше предельной величины р2пред, определяемой из условия ламинарности течения жидкости в порах материала распылителя (1(епп1,< 10).

2

.•и-

т^пред _

2 — "

20 { - рог ^ "2

М

3 3 °

• рог -р-

(6)

иг

ац Г ац ^ со2 Z+S/2^ ^

. .2рР; р

По данным [3] формула (3) справедлива в диапазоне со = 5-200 с"1.

Как видно из рис. 2, значения Уф по зависимостям (1) и (3) близки при Р<6. Поэтому формулу (1) можно рекомендовать для расчета скорости фильтрации при работе ПВР из материала, имеющего величину Р<6. При больших значениях Р скорость истечения из пор должна определяться с учетом нелинейного характера зависимости силы трения от Уф .

Необходимо отметить, что линейная теория удовлетворительно описывает процесс фильтрации при значениях числа Ке = У фй зр/|~1- Зн-10

[5]. Эти же значения Яе характерны для течения воды через поры ПВР при монодисперсном рас-пыливании [6].

Считая предельной величину Яепред=10, получаем следующее соотношение параметров, которое накладывает ограничение на скорость фильтрации Уф для достижения «капельного» монодисперсного режима распыливания с помощью ПВР:

Рис. 3. К определению предельной угловой скорости <акрит для работы ПВР в монодисперсном режиме распыливания Fig. 3. On determination of limit angular velocity of rotation юкрит for the PRS operation in monodisperse mode of spraying

Значения предельной угловой скорости ®крит для ПВР разной геометрии, пористости и

2

2

z

Z

2

2

Ф

z

2

зернистости при распыливании воды (в = 3) представлены на рис. 3.

Отметим, что формулы (4)=(6) содержат параметр (3 (он входит в выражение для проницаемости среды). Этот коэффициент не зависит от пористости и размера зерен (т.е. от структуры пористого тела), но зависит от текстуры материала и параметров жидкости. В некотором смысле параметр в идентифицирует пористое тело и его взаимодействие с жидкостью (адгезию).

ЛИТЕРАТУРА

1. Посохин В.Н., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. // Изв. вузов. Строительство. 1999. № 11. С. 130-133; Posokhin V.N., Salimov N.B., Safiullin R.G. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Stroitelstvo. 1999. N 11. P. 130-133 (in Russian).

2. Голубева О.В. Курс механики сплошных сред. М.: Высш. школа. 1972. 368 с.;

Golubeva O.V. The course of continuum mechanics. M.: Vyssh. Shkola 1972. 368 p. (in Russian).

3. Червяков В.Д. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1987. Т. 30. Вып. 9. С. 122-124;

Chervyakov V.D. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 1987. V. 30. N 9. P. 122-124 (in Russian).

4. Форхгеймер Ф. Гидравлика. М.-Л.: ОНТИ. 1935. 615 с.; Forkhgeiymer F. Hydraulics. M.-L.: DSTI. 1935. 615 p. (in Russian).

5. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука. 1977. 664 с.;

Polubarinova-Kochina P.Ya. Theory of groundwater movement. M.: Nauka. 1977. 664 p. (in Russian).

6. Колесник А.А., Николаев Н.А. // ТОХТ. 1986. Т. 40. № 6. С. 485-495;

Kolesnik A.A., Nikolaev N.A. // Theor. Osnovy Khim. Tekhnologii 1986. V. 40. N 6. P. 485-495 (in Russian).

УДК 544.431.11

Ю.Г. Широков

ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПРИ ОСАЖДЕНИИ ТРУДНОРАСТВОРИМЫХ ГИДРОКСИДОВ Fe(III), Al(III), Pb(II)

(Ивановский государственный химико-технологический университет)

e-mail: tis@isuct.ru

Представлены экспериментальные данные, характеризующие отличительные особенности в механизме образования труднорастворимых гидроксидов Fe(III), Al(III), Pb(II). Процесс нейтрализации азотнокислых солей аммиачной водой (25 °С) был проведен в тонкой пленке жидкости в отсутствие желатиноподобных веществ и фиксировался на фото под микроскопом. По результатам киносъемки была рассчитана скорость перемещения границы раздела фаз и установлен периодический характер химических процессов, выделены стадии, которые характеризуют особенности образования твердой фазы. Полученные результаты объясняют появление колец Лизеганга и могут быть использованы в разработке научных основ приготовления осажденных катализаторов.

Ключевые слова: визуальный подход, периодические реакции, кольца Лизеганга, граница раздела фаз, скорость реакции

В период 60-80-х гг. в Новосибирском институте катализа им. Г.К. Борескова была выполнена серия работ [1-7], которая позволила теоретически обосновать и оптимизировать технологию приготовления ряда промышленных катализаторов. Систематическими исследованиями были установлены закономерности образования и кристаллизации различных морфологических структур в аморфных осадках гидроксидов переходных

и некоторых других металлов при их старении в маточном растворе.

На основании данных комплексного использования физико-химических методов было показано, что свежеосажденные гидрогели состоят из аморфных агрегатов и характеризуются полимерной структурой с молекулярной массой около 100 тыс. Каждая такая макромолекула составляет ядро мицеллы и обладает свойствами