CC BY
18УДК 542.6; 539.3.; 541.6, 535.3
Н.А.Марцулевич1, О.М.Флисюк2, М.М.Сычев3, В.А.Люторович4, А.И.Мильченко5, В.Ф.Фролов6, Ю.Г.Чесноков7
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КАФЕДР
ОБЩЕИНЖЕНЕРНОГО ОТДЕЛЕНИЯ ЗА ПОСЛЕДНЕЕ ДЕСЯТИЛЕТИЕ
Приведены основные научные результаты, полученные сотрудниками кафедр общеинженерного отделения за последние десять лет.
Общеинженерное отделение объединяет в своем составе четыре кафедры, на которых ведется преподавание важнейших учебных дисциплин общепрофессионального цикла: кафедру процессов и аппаратов, кафедру теоретических основ химического машиностроения, кафедру инженерного проектирования и кафедру теоретических основ материаловедения. Все кафедры отделения имеют богатую историю, располагают опытными преподавательскими кадрами, опираются на давние традиции. Направления научной деятельности также сформировались достаточно давно. В ряде случаев проводятся исследования за рамками традиционных направлений. Их проведение обусловлено тематикой хозяйственных договоров или грантов, а также собственными научными интересами сотрудников.
Нельзя сразу не отметить, что перемены последних лет, которые почему-то называют «реформой высшей школы», привели к заметному сокращению масштабов научных исследований. Из-за практически полного отсутствия современного экспериментального оборудования и приборов пришлось отказаться от изучения процессов разделения с использованием мембран [1, 2], от анализа локальной гидродинамической структуры вблизи межфазной поверхности и связанной с ней кинетики массообмена [3], от исследований в области усталостного разрушения элементов технологического оборудования. Тем не менее, дух научного творчества продолжает жить у большинства сотрудников отделения. Цель настоящей статьи - кратко изложить основные результаты научной деятельности, полученные учеными общеинженерных кафедр в последнее время.
Кафедра процессов и аппаратов
Направление научно-исследовательских работ сформировалось в далекие шестидесятые годы прошлого века под руководством профессора П.Г.Романкова. Оно охватило широкий круг вопросов, начиная от кинетики сушки, адсорбции, жидкостной экстракции и других типовых процессов и заканчивая разработкой методов их расчета и созданием эффективных конструкций аппаратов для их промышленной реализации. В последние годы активно развивается направление, связанное с изучением тепло-массообменных процессов химической технологии, протекающих в присутствии твердой фазы, с изменением дисперсного состава частиц, таких как гранулирование, нанесение покрытий на частицы, растворение и др. Изменение дисперсного состава частиц в свою очередь оказывает существенное влияние на скорость протекания этих процессов. Поэтому для расчета таких процессов важным является учет эволюции дисперсного состава частиц, которая может быть обусловлена агломерацией частиц, их ростом, исти-
ранием и дроблением. В [4] построена стохастическая модель, описывающая эволюцию функции распределения частиц по размерам, с использованием уравнения типа Фоккера -Планка:
Здесь Г- плотность функции распределения частиц по размеру, х - диаметр частицы, и - суммарная скорость непрерывного роста частиц, 0.5Ь - коэффициент диффузии в пространстве «размеров», V- оператор Гамильтона, О - эффективный коэффициент диффузии, I+, I- - суммарные источники и стоки частиц за счет дробления и агломерации.
Для реализации процессов, протекающих с изменением дисперсного состава твердой фазы, на кафедре процессов и аппаратов разработаны оригинальные конструкции аппаратов взвешенного слоя с активными гидродинамическими режимами. В этих аппаратах, благодаря конструкции газораспределительного устройства, обеспечивается устойчивая работа взвешенного слоя даже в присутствии значительного количества жидкой фазы без слипания и агломерации частиц. Предложенные конструкции аппаратов и способы организации процессов, протекающих в аппаратах такого типа, защищены авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации.
Полученные результаты имеют большой инженерный интерес и сегодня востребованы промышленностью. Так, некоторые результаты были использованы при проектировании установки на Волгоградском заводе «Каустик» для получения гранулированного хлористого кальция, производительностью около 5 тонн в час по готовому продукту. При участии сотрудников кафедры процессов и аппаратов на Кемеровском ОАО «Химпром» внедрена установка для получения гранулированного антигололедного материала, представляющего собой комплексный гранулированный продукт - кристаллы поваренной соли, покрытые оболочкой хлористого кальция. Производительность установки около 6 тонн в час. Основные научные результаты работы в этом направлении исследований опубликованы в монографии «Гранулирование во взвешенном слое» [5], изданной в 2007г.
Важные результаты получены учеными кафедры процессов и аппаратов при изучении распада струй жидкости на капли в результате развития на их поверхности возмущений под действием капиллярных сил. Это явление находит многочисленные технические приложения при диспергировании рабочих жидкостей. Наличие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что течение жидкости в струе оказывается неустойчивым по отношению к длинноволновым возмущениям. Анализ
1 Марцулевич Николай Александрович, проф., д-р техн. наук,директор общеинженерного отделения,зав. каф. теоретических основ химического машиностроения, тел. 494-92-28, e-mail: tohm@lti-gti.ru
2 Флисюк Олег Михайлович, проф., д-р техн. наук, зав. каф. процессов и аппаратов, e-mail: prapp@lti-gti.ru
3 Сычев Максим Максимович, доц., канд. хим. наук, зав. каф. теоретических основ материаловедения, тел. 494-93-97
4 Люторович Владимир Александрович, доц., зав. каф. инженерного проектирования, тел. 494-93-60
5 Мильченко Алексей Иванович, профессор, д-р техн. наук, тел.(812)774-37-12
6 Фролов Владимир Федорович, проф., д-р техн. наук, каф. процессов и аппаратов, тел. 494-92-63
7 Чесноков Юрий Георгиевич, доц. канд. физ-мат наук, каф. процессов и аппаратов, тел. 494-92-63 Дата поступления 25 апреля 2008 года
развития возмущении проведен с помощью одномерных уравнений динамики струи жидкости [6,7]. Получено выражение для длины волны возмущения, при которой скорость его роста оказывается наибольшей:
1
4,24264 ^ Rfi
2+Rjt
1*0,4й584Ис (2)
Здесь Ре - число Рейнольдса, которое определяется по формуле: Re = (рао)1/2/ц (а- вязкость жидкости, а - радиус струи, р- плотность жидкости, о- поверхностное натяжение на границе раздела между жидкостью и окружающей средой).
Влияние вязкости жидкости на нелинейное развитие возмущений поверхности струи рассмотрено в работах [8-12]. Наиболее заметно вязкость сказывается на величине промежутка времени от момента возникновения возмущения до момента распада струи жидкости на капли. Как и следовало ожидать, влияние числа Re тем сильнее, чем больше значение волнового числа. Форма струи жидкости в моменты времени, близкие к моменту распада на капли, существенно зависит от значения волнового числа. Для длинноволновых возмущений на графике зависимости радиуса струи от продольной координаты в некоторый момент времени появляется второй максимум (рисунок 1). Образование второго максимума указывает на появление в промежутках между крупными основными каплями капель-сателлитов. При возрастании числа Re величина второго максимума на графике зависимости радиуса струи п от продольной координаты г в момент распада струи (рисунок 1) уменьшается, а, начиная с некоторых значений Re, пропадает вовсе. Это означает, что при таких значениях числа Re неоднородный распад струи прекращается. Вязкость жидкости подавляет развитие второй гармоники, и капли-сателлиты не образуются.
1 2
4 г 2
1.5 1
1 0.5 ,J -^kv/.
2.5 5 7.5 7. 10 12.5 15
Рисунок 1. Форма струи в момент распада на капли при к =0.4 и различных значениях числа Re. Кривые 1,2,3,4 построены при Re =100, 5, 3 и 0.3.
Наряду с научно-исследовательской работой сотрудники кафедры процессов и аппаратов приняли активное участие в создании справочной литературы соответствующего профиля. Так, в 2004 г. вышла часть первая, а в 2006 г. - часть вторая «Нового справочника химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий» - СПб. - НПО «Профессионал» - 848 с. и 916 с. соответственно. Многие разделы написаны учеными кафедры.
Кафедра теоретических основ химического машиностроения
Научная деятельность на этой кафедре ведется по двум направлениям:
• Создание научных основ проектирования нового химического оборудования.
• Разработка принципов системного решения проблем безопасной эксплуатации современных машин и аппаратов химических производств.
Оба направления тесно связаны с образовательной деятельностью кафедры - общеинженерной подготовкой будущих инженеров-механиков (первое направление) и инженеров хи-
миков-технологов (второе направление). Поэтому результаты научных исследований, полученные сотрудниками, нередко в том или ином виде внедряются в учебный процесс.
Нынешняя тематика научно-исследовательских работ на кафедре сложилась в 70-80-е годы минувшего столетия, когда отечественная химическая промышленность переживала бурный рост и качественные перемены. В этих условиях группа сотрудников во главе с профессором А.И.Мильченко (заведующим кафедрой в 1973-1999 гг.) активно включилась в комплекс работ по созданию аппаратов большого объема (1002000 м3) с механическими перемешивающими устройствами. О масштабности и важности предпринятых исследований говорит тот факт, что в работах приняли участие крупнейшие в то время проектные институты и производственные объединения: ЛенНИИХиммаш, ЛенНИИГипрохим, Гипроникель, ВАМИ, НПО «Целлюлозмаш», Котласский ЦБК, химкомбинат «Россия», Норильский ГОК.
Результаты работ оказались более чем внушительные. Были созданы новые перспективные конструкции аппаратов емкостью до 2000 м3 для установок по производству газетной бумаги, глинозема, пирротинового концентрата и другой продукции. По материалам исследований были разработаны оригинальные методики расчета этих аппаратов по важнейшим критериям работоспособности (прочности, виброустойчивости, герметичности), которые затем после всесторонней проверки были переработаны в Руководящие технические материалы и Отраслевые Стандарты различных министерств, став нормами для целых отраслей промышленности.
В настоящее время работа в этом направлении продолжается. В [13] на основе применения математических моделей и результатов модельных экспериментов получены расчетные соотношения для определения технических характеристик промышленных аппаратов. При этом использованы сдвиговая модель взвешивания частиц с днища аппарата [14], цирку-ляционно-диффузионная модель переноса частиц в рабочем объеме [15] и модель размыва осадка в период пуска мешалки. Методика проектирования подтверждена опытом эксплуатации аппаратов емкостью до 1000 м3 для механического перемешивания полидисперсных концентрированных суспензий. В этой же работе сформулированы принципы масштабирования, позволяющие переносить результаты лабораторных исследований на промышленные аппараты [13]. Они содержат четыре условия:
n Db = idem; N/D3-b = idem;
PDb = idem; T = const (3)
Здесь D - диаметр аппарата; N - потребляемая мощность; n - частота вращения мешалки; T - крутящий момент на мешалке; P - удельная мощность.
В рамках второго из указанных выше направлений получены важные результаты по анализу работоспособности элементов химического оборудования под действием механических нагрузок, а также при температурных напряжениях [1619]. Последний вопрос связан с предъявлением строгих требований к распределению температуры внутри элементов высокотемпературных аппаратов. Недопустимо высокие локальные значения температуры или ее градиента могут стать причиной возникновения опасных термических напряжений, потери теплостойкости материала конструкции, нарушения герметичности объема. Анализ температурных полей с помощью численных методов на основе разностных схем в данном случае исключен из-за их неустойчивости при больших градиентах температур и скачкообразного изменения коэффициента теплоотдачи вдоль поверхности теплообмена.
Сотрудниками кафедры теоретических основ химического машиностроения разработан метод решения уравнения теплопроводности с граничными условиями первого, второго и третьего рода, базирующийся на граничных интегральных уравнениях. Температура в любой точке сложной составной области может быть представлена в виде интегральной суммы:
dSt
дТ
l\U(t)dSj
(4)
а Эл 1 Вп д
Здесь значения температуры и ее градиентов в правой ча сти равенства берутся в точках на границе области; и - фун кция Грина. Разработанный метод был применен к оценке ста ционарного распределения температуры во фланцах высо
котемпературных аппаратов, снабженных внутренним каналом охлаждения с регулируемым отводом тепла [19]. Экспериментальная проверка подтвердила высокую точность метода.
Кафедра инженерного проектирования
Объем научно-исследовательских работ здесь несколько меньше, чем на других кафедрах отделения. Сферы профессиональных интересов сотрудников - машиностроительное черчение, начертательная геометрия, инженерная графика -больше относятся к проектированию, чем к научным изысканиям. Поэтому основные усилия преподавателей кафедры инженерного проектирования были сосредоточены на исследовании и разработке математического, программного и методического обеспечения учебного процесса по системам автоматизированного проектирования и инженерной графике. В результате на кафедре созданы и широко используются оригинальные автоматизированные методы обучения и контроля знаний студентов. Эта работа дополняется масштабной издательской деятельностью [20-22]. Достаточно сказать, что только в текущем году опубликованы учебные пособия по инженерной графике и начертательной геометрии [23, 24], а также справочник по машиностроительному черчению [25], который выдержал уже пять изданий.
Тематика отдельных исследований на кафедре инженерного проектирования целиком определялась хозяйственными договорами, которые заключались кафедрой с промышленными предприятиями. В частности, следует отметить работу, выполненную по заказу Ангарского завода катализаторов и органического синтеза, по увеличению механической прочности катализаторов и сорбентов различного назначения. В результате проведенных исследований предложен способ получения формованного серопоглотителя, где в качестве связующего материала применены водные растворы полимеров. При этом за счет увеличения прочности носителя повышается износостойкость, что приводит к увеличению ресурса готового катализатора или поглотителя примерно на 20 %.
Кафедра теоретических основ материаловедения
Научная работа ведется по нескольким направлениям. Одним из них является направление, связанное с исследованиями в области оптимизации технологии синтеза электролюминофоров на основе сульфида цинка [26, 27]. Электролюминофоры (ЭЛФ) на основе ZnS в настоящее время обладают наиболее высокой яркостью свечения среди порошковых электролюминофоров переменного тока. Электролюминесцентные источники света, изготовляемые с использованием ЭЛФ, находят применение для подсветки жидкокристаллических дисплеев и индикаторов в мобильной электронике. Работа ведется, в том числе в рамках договора с компанией Showa Denko(Япония).
Согласно разработанной модели активных кислотно-основных центров на поверхности цинк-сульфидных электролюминофоров, количество льюисовских основных центров S"
Рис. 2. Влияние увеличения содержания меди в электролюминофорах ZnS:Cu на их спектры РЦА (содержание центров с рКа 14,2 условно показано уменьшенным в 10 раз).
Рис. 3. Зависимость яркости электролюминесценции образцов ZnS:Cu,Cl (0,225% масс.) от дозы для различных видов модифицирования шихты.
с рКа -4,4.. .-1,7 характеризует содержание на поверхности частиц электролюминофоров вакансий цинка Vzn', а количество бренстедовских основных центров Zn-OH с рКа 10,5.15,7 -содержание вакансий серы Vs^ Количество бренстедовских кислотных центров CuxS-H с рКа 2,1.5,0 характеризует содержание фазы сульфида меди на поверхности электролюминофора, а количество бренстедовских основных центров А1-ОН с рКа 7,3 - содержание алюминия. На рисунке 2 показано влияние активатора на содержание активных центров различного типа на поверхности люминофра. Предложенная модель позволила использовать индикаторный метод для
Рис. 4. Нормированные характеристики люминофора ZnS:Cu,Cl,Br: зависимость яркости от дозы (слева), изменение спектра электролюминесценции (справа).
оценки структурного совершенства и химического состава поверхности частиц цинк-сульфидных электролюминофоров с целью контроля качества и прогнозирования характеристик электролюминесцентных источников света.
Важным направлением исследований является использование методов электронно-лучевого модифицирования в технологии цинксульфидных электролюминофоров. Известно, что повышение интенсивности электролюминесценции ограничено растворимостью меди в ZnS. Замена соактиватора позволяет повысить растворимость активатора, но только в определенной степени. Сотрудниками кафедры теоретических основ материаловедения предложен метод обработки люми-нофорной матрицы для повышения растворимости, интенсификации диффузии меди и соактиватора и их более равномерного распределения. Метод основан на радиационном модифицировании исходного сульфида цинка (в составе шихты). Эффективность предложенного метода иллюстрирует рисунке 3, где приведены яркости полученных из обработанной шихты люминофоров, содержащей 0,225% масс. меди. Шихта подверглась электроннолучевому и гамма-модифицированию.
Радиационное модифицирование готового люминофора обеспечивает дальнейшее повышение его яркости. Для сопоставительного анализа действия электронного и /-модифицирования использовался образец ZnS:Cu,Cl,Br (0,15% масс. Си) зелено-голубого цвета свечения. Результаты изменения характеристик образца представлены на рисунке 4.
В результате проведенных исследований сотрудниками кафедры разработана технология синтеза электролюминофоров, позволяющая направленно регулировать цветовые координаты в соответствии с потребностями рынка от зеленого до синего цвета свечения. Результаты работы использованы фирмой Doo-SongTech (Южная Корея) при разработке технологии изготовления электролюминофоров, предназначенных для подсветки дисплеев и клавиатуры сотовых радиотелефонов.
В сотрудничестве с Университетом Шизуоки (Япония) на кафедре проводятся исследования тонкопленочных люминофоров для полевых эмиссионных дисплеев. Оптимизированы условия нанесения пленок Y2Oз:Eu для достижения максимальной яркости низковольтной катодолюминесценции. Показано, что дополнительное легирование цинком позволяет улучшить координаты цветности катодолюминофора и расширить цветовую гамму дисплеев на его основе. Установлено, что модифицирование готовых люминофорных пленок УФ-лазером позволяет существенно повысить яркость свечения [28].
Совместно с кафедрой ХНТиМЭТ, ОАО «Пластполимер» и Университетом Клемсона (США) ведется работа по синтезу полимерных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью и композитов на их основе. Установлено, что регулирование поверхностных свойств наполнителя (титаната бария) сравнительно простыми в технологическом отношении методами позволяет повысить характеристики композитов до 2 раз [29].
Еще одно направление исследований на кафедре теоретических основ материаловедения связано с разработкой методов повышения точности и улучшения качества промышленных изделий, достижения требуемой надежности и уровня взаимозаменяемости машин и аппаратов. В частности, разработана методика расчета функциональных допусков по параметрам надежности, показана взаимосвязь точности и надежности [30].
Приведенные результаты научной деятельности кафедр общеинженерного отделения, как нам кажется, свидетельствуют о том, что научный потенциал преподавателей все еще велик, а направления исследований продолжают успешно развиваться. Уровень публикаций и авторитетность отечественных и зарубежных журналов, где публикуются полученные результаты, это также подтверждают.
Литература
1. Марцулевич Н.А., Островский Г.М.. //ТОХТ.1999. № 2. С. 1-4.
2. Martsulevich N., Wang Zhan, Lin Jun, Ji Shulan, Guo Zhongxin, Gao Yixuan. // Membrane Science and Technology, 1999. Vol. 19. N 1. Р. 53-56.
3. Марцулевич Н.А., ФлисюкО.М.. //ЖПХ. 1998. № 2. С. 282-284
4. Флисюк О.М., Фролов В.Ф.. // ТОХТ. 2007. Т. 41. № 3. С. 334-337.
5. Фролов В.Ф., ФлисюкО.М. Гранулирование во взвешенном слое. СПб.: Химиздат, 2007, 278с.
6. Чесноков Ю.Г. // ЖПХ. 2000. Т. 73. № 3. С. 448-452.
7. Чесноков Ю.Г. // ЖПХ. 2001. Т. 74. № 8. С. 954-958.
8. Чесноков Ю.Г. // Журн. техн. физ. 2000. Т. 70. № 8. С. 31-38.
9. Chesnokov Yu.G., Razumovvskij N.A. // Appl. Sci. Res. 1998. V. 59, N 1. P 77-88.
10. Разумовский Н.А., Чесноков Ю.Г. // Изв. РАН, Мех. жидк. и газа. 1999. № 6. С. 97-104.
11. Чесноков Ю.Г. // Журн. прикл. мех. и техн. физ. 2001. Т. 42. № 3. С. 56-62.
12.Чесноков Ю.Г., Бауман А.В., Флисюк О.М. //ЖПХ. 2006. Т. 79, № 5. С. 783-786.
13. Мильченко А.И, Доманский И.В., Воробьев-Десятов-ский Н.В. // ЖПХ. 2005. Т. 78. № 12. С. 2002-2007.
14. Доманский И.В., Мильченко А.И. // Хим. промышленность. 2003. Т. 80. № 12. С. 18-24.
15. Барабаш В.М., Бегачев В.И., Белевицкая М.А., Зеленский В.Е., Цырина Н.Г., Аксенов Б.В., Воробьев-Десятовский Н.В., Мильченко А.И. // Цветные металлы. 2002. № 7. С. 4142.
16. Ибрагимова Р.И., Мильченко А.И., Воробьев-Десятов-ский Н.В. // ЖПХ. 2007. Т. 80. № 6. С. 915-927.
17. Барановский В.М., Мильченко А.И. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1998. № 7. С. 7-10.
18. Барановский В.М., Мильченко А.И. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2001, № 4. С. 3-7.
19. Яковенко В.А., Марцулевич Н.А. // ТОХМ. 2003. Т. 37. № 2. С. 170-173.
20. Симонова Л.В., Васильева Т.Б.. Основы промышленного строительства. Конспект лекций. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. 85 с.
21. Давыдов В.П. Основы проектно-сметного дела. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. 98 с.
22. Гнилуша И.И., Люторович В.А., Кириллов Д.Л. Типовые задачи начертательной геометрии. Алгоритмы решения. Ч. I. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003 71с.; Ч. II, 2004. 65 с.
23. Соколов Р.Б., Кривой В.Т., Люторович В.А., Гнилуша И.И. Инженерная графика. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2008. 67с.
24. Люторович В.А., Гнилуша И.И., Кривой В.Т., Соколов Р.Б. Начертательная геометрия. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2008. 94 с.
25. Попова Г.Н., Алексеев С.Ю. Машиностроительное черчение. Справочник. Издание 4-ое. СПб.: Политехника, 2006. 456 с.
26. Sychov M.M. [et al.] // Applied Surface Science. 2005. Vol. 244. No. 1-4. P. 461-464.
27. Бахметьев В.В. [и др.]. // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 7. С. 74-77.
28. Sychov М.М. [et al.]. // J.J. Appl. Phys. 2006. № 45 (1A). С.141-145.
29. Романов А.Б., Устинов Ю.Н. Выбор посадок и допусков. СПб.: Политехника, 2007, 160с.
30. Романов А.Б. Допуски изделий и средства измерений. СПб.: Политехника, 2004, 350 с.
д
41
