CC BY
22
14. Cox, J. D. Values for Thermodynamics [Text] / J. D. Cox, D. D. Wagman, V. A. Medvedev. — New York: Hemisphere Publishing Corp., 1989. — 271 p.
15. Ривкин, С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара [Текст]: справочник / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 80 с.
ТЕХНОЛОПЧНИЙ АУДИТ ПРОЦЕСУ ВИГ0Т0ВЛЕННЯ ШТРОСУМ^ ДЛЯ ШТРУВАННЯ БЕНЗОЛУ i ТОЛУОЛУ 3 ВИКОРИСТАННЯМ НЕКОНЦЕНТРОВАНО1 ШТРАТНО! КИСЛОГИ
Дослiджено за допомогою методiв математичного моде-лювання можливост та доцiльностi використання неконцент-рованно! азотно! кислоти для приготування нiтросумiшей для нiтрування бензолу i толуолу з одночасним локальним концен-труванням вщирацьовано! кислоти. Показано, що локальний процес концентрування вщирацьовано! кислоти до необхщно! робочо! концентраци виявляеться бшьш вигiдним, нiж цент-рашзоване концентрування до 92-96 %-но! кислоти.
Ключовi слова: математичне моделювання, бензол, толуол, штрування, концентрування, нiтросумiш, локальний процес, вщирацьована кислота.
Красильникова Анна Александровна, аспирант, Институт химических технологий Восточноукраинского национального университета им. В. Даля, Рубежное, Украина, e-mail: krasina@list.ru. Кондратов Сергей Алексеевич, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики и компьютерной технологии, Институт химических технологий Вос-точноукраинского национального университета им. В. Даля, Рубежное, Украина, е-mail: kondratovsa@gmail.com.
Красильткова Анна Олeксандрiвна, астрант, 1нститут х1-мiчних технологий Схiдноукраiнського национального утверситету ш. В. Даля, Рубiжне, Украта.
Кондратов Сергт Олексшович, доктор хiмiчних наук, про-фесор, завгдувач кафедри вищоi математики та комп'ютерних технологш, 1нститут хiмiчних технологш Схiдноукраiнського национального утверситету ш. В. Даля, Рубiжне, Украта.
Krasylnikova Anna, Institute of Chemical Technology Volodymyr Dahl's East Ukrainian National University, Rubizhne, Ukraine, e-mail: krasina@list.ru.
Kondratov Serhii, Institute of Chemical Technology Volodymyr Dahl's East Ukrainian National University, Rubizhne, Ukraine, e-mail: kondratovsa@gmail.com
УДК 66-9
Б01: 10.15587/2312-8372.2015.38074
Васильев м. I. ПИТАННЯ 1НТЕНСИФ1КАЦН
МАСООБМШНИХ ПР0ЦЕС1В ПРИ ПР0Т1КАНН1 РЕАКЦ1Й У СКЛАДНО-РЕАКЦМНИХ ГЕТЕРОГЕННИХ СИСТЕМАХ
У данш роботг на тдставг дослгдження теорп процесгв тепломасопереносу, вгдомих моделей мгжфазног тепломасопередачг конкретизована ггдродинамгчна сторона процесгв переносу. Це дозволяе обгрунтовано тдшти до методгв ттенсифгкацп мгжфазного переносу: механгчний, пульсацшний, тепловий утворення-захлопування бульбашок, закручування та руху середовища по криволтшних каналах. Показано, що кожен метод може бути реалгзований у в1дпов1днш конструкцп апарату, розробка та дослгдження цих конструкцш е перспективним напрямком.
Клпчов1 слова: масообмтт процеси, ттенсифгкацгя, гетерогенна система, мгжфазна поверх-ня, тверсгя фаз.
1. Вступ
Переважна кшьюсть матерiальних технологш, що реалiзуються в хiмiчнiй промисловосп, вщноситься до гетерогенних систем. Навиь таю технологи, як рух i на-^вання води чи газу в каналу емносп, е результат взаемодп рiзнорiдноi пари — поточного середовища i твердого пла. З технологiчноi точки зору найбшьш значушд багатофазш системи з рiзними динамiчними, термодинамiчними, хiмiчними потенщалами взаемодт-чих фаз, що зумовлюе мiжфазовий обмш масою, iм-пульсом, енерпею, речовиною. Процеси мiжфазного переносу перерахованих якостей складають основу всiх матерiальних технологiй, вони е неврiвноваженими про-цесами (по одному або деюльком з перерахованих вище якостей), що протжають в технологiчних апаратах або
реакторах. Повною мiрою до таких процеав, що проть кають в технолопчних апаратах, вiдносяться процеси, як спостерiгаються в складно-реакцiйних гетерогенних системах. Оскшьки гiдродинамiчна обстановка в апарат визначае iнтенсивнiсть вказаних процесiв, то конкретика саме цих питань е актуальною задачею.
2. Анал1з л1тературних даних
Особливкть складно-реакцiйних гетерогенних систем полягае в тому, що при руа через технолопчний апарат, наприклад гомогенного або дисперсного середовища, за рахунок протжання ряду послiдовних чи паралельних хiмiчних, фiзичних перетворень, середовище стае три-фазною системою, а в деяких випадках «чотирьохфаз-ною». Останне, зпдно сучасним уявленням фiзикохiмii
агрегатування тiл змшно1 маси [1, 2], пов'язано з на-явнiстю в гетерогеннiй системi не тiльки традицiйних фазових компонент «газ — рiдина — тверде пло», але i колощних нанокристалiв. При цьому в складно-реакцшнш гетерогеннiй системi спостерiгаються яви-ща, коли виникнення та iнтенсивний розвиток одного з паралельних або паралельно-послвдовних процеив в загальнiй системi призводить до уповшьнення або припинення шшого процесу [3]. Крiм того, поява третьо! або четверто! фази докоршно змiнюe структуру потоку в технолопчному апаратi, умови мiкро- та макрозмь шання, а також кiнетичнi константи основоположних процеав [4]. Типовими представниками складно-реак-цiйних гетерогенних систем у технолопчних апаратах хiмiчноi промисловостi, в яких з'являються вищевщзна-ченi особливосп, е процеси покладенi в основу вироб-ництва кальциновано! соди методом Сольве — процес карбошзацп амiачно-соляного розчину в умовах, що виключають значну десорбцiю амiаку, а попм карбо-нiзацii карбонат-бiкарбонатних розчинiв. Мова йде про колони карбошзацп у виробництвi соди.
Проведет дослвдження процеав, що протiкають в колонi [5-11], показали, що при карбошзацп амiачно-соляного розчину максимальна швидюсть абсорбцп до-сягаеться тiльки пiсля уповшьнення процесу десорбцп NHз. Очевидно, що штенсивно протiкае в початковий перюд процес десорбцп NH3 гальмуе процес абсорбцп СО2. Пiсля припинення десорбцп амiаку вiдбуваеться одночасно абсорбцiя СО2 та NH3, реакцiя мiж собою тсля поглинання 1х в рщкш фазi, що викликае появу другого максимуму на кривш швидкостi абсорбцп СО2.
При карбонiзацii карбонат-бiкарбонатних розчишв в результатi максимального пересичення розчину по бь карбонату натрiю починаеться процес його кристалiзацii.
В перюд штенсивного зняття пересичення по бь карбонату натрiю процес абсорбцп двоокису вуглецю практично припиняеться, про що свщчить вiдсутнiсть фiксованоi змiни вмюту Na2CO3 в розчинi. Уповшьнен-ня або повне припинення абсорбцп СО2 вщбуваеться спонтанно. Дiйсно, зняття пересичення по бжарбонату натрiю викликае зниження рiвноважного тиску СО2 над карбонат-бжарбонатним розчином i збiльшення рушiйноi сили процесу абсорбцп СО2, що мае сприяти тдвищенню швидкостi даного процесу. Проте насправ-дi цього не спостеркаеться до тих пiр, поки дещо не сповiльниться процес кристалiзацii. При цьому система з двофазноi «рщина — газ» переходить у трифазну «рь дина — тверде пло — газ», як наслвдок зростае в кiлька разiв в'язюсть системи, змiнюються умови диспергування газоподiбноi фази в системi та iншi ефекти.
При цьому поверхнева актившсть твердоi фази, що утворюеться (№НС03) настiльки велика, що хiд процесу кристалiзацii залежить не пльки вiд наявностi неконтрольованих домiшок, а й значною мiрою вiд рельефу поверхш корпусу колони, контактних елеменпв, теплообмiнноi поверхнi та 1х конструкцiй.
Маеться на увазi, що тверда фаза №НС03 осiдае на вище зазначених поверхнях, вщбуваеться шкрустащя i заростання перерiзу колони, як наслвдок докорiнно змiнюеться гiдродинамiчна обстановка в колош i власне результат процесу. Слщ зазначити, що колона в режи-мi карбонiзацii працюе не бiльше 6-7 дiб, наприюнщ режиму вона заростае настiльки шкрустащями, що 11 переводять у режим промивки вщ осiлого NaНCO3.
1ншим характерним прикладом протiкання процесiв в складно-реакцшних гетерогенних системах е техноло-гiчний процес сатурацii в цукробуряковому виробництв! В роботi [12] проведено порiвняльний аналiз функцю-нування типових промислових апарапв для здiйснення процеав сатурацii, якi в основному являють собою кон-струкцп апаратiв колонного типу. Авторами встановлено наявшсть аналопчних явищ, що описано вище. Напри-клад до моменту початку кристалiзацii СаС03 утворюеться колоiдна система з в'язюстю до 1-1,2 МПа ■ с, в цей момент швидюсть сорбцп СО2 зменшуеться у 5-8 разiв, i тiльки тсля деструкцп коло'дно' системи i утворення кристалiв СаС03 швидкiсть сорбцп СО2 досягае значень, що спостерiгаються спочатку процесу.
Як у попередшх випадках, так i тут в момент прояву вищевказаних особливостей газ, що подаеться в апарат, е пльки засобом перемшування системи та не бере участ в процесi. Проте за рахунок тдвищення опору в системi (при збшьшенш в'язкостi) його необхiдно подавати бшьше, що призводить до значно меншого коефiцiенту утилiзацii корисного компонента з газу, тдвищенню енерговитрат та не ефективному викорис-танню робочого об'ему апарата.
У деяких системах при процесах сорбцп в'язюсть систем зростае настшьки, що перетин апарату повшстю заростае (забиваеться) тиксотропною фазою. При цьому припустшш витрати газу не можуть подолати отр шару та виникае аваршна ситуащя. Таю ситуацп описанi в роботах [10, 13] при дослщженш процесу сорбцп СО2 розчином силiкату натрш у виробництвi бiлоi сажi. Для лжвщацп цього явища в апарат встановлюють засоби для механiчного перемшування системи — мiшалки, однак при цьому явище уповшьнення або гальмування основних масообмшних i теплообмiнних процеав не виключаеться.
Аналiз наведених робiт свщчить, що масообмiннi процеси в розглянутих системах з хiмiчними перетвореннями або без них здшснюються за дифузшною кiнетикою, в тому чи^ i процеси, пов'язанi зi змшою структури систем (кристалiзацiя, коагуляцiя i т. п.). Це означае, що швидюсть процеав складаеться з ланцюга послщов-них перемiщень i перетворень речовини i визначаеться дифузiею (кондуктивною, турбулентною) i конвекцiею у фаз^ яка надае найбiльший переважний отр переносу.
Розглянут вище масообмiннi технологи характери-зуються в основному легкорухливим середовищем — рщина — газ, твердi частки з'являються i впливають на завершальних стадiях. Також можна зробити висновок, що використовуваш в технолопчних процесах апарати мають низьку питому продуктившсть, низью коефiцiенти масовiддачi та характеризуються високою енергозатрат-нiстю для створення необхiдноi гiдродинамiчноi обстановки. З викладеного вище лопчно випливае завдання знаходження способiв iнтенсифiкацii процеив масо-переносу в даних системах та удосконалення конструк-цiй технологiчних апаратiв. Далi акцентуемо увагу на можливi шляхи виршення даноi задачi.
3. 06'ект, мета та задач1 дослщження
Об'ект дослгдження — гiдродинамiчнi аспекти основних процеав мiжфазного переносу, що протжають у апаратах рiзних конструкцш типових хiмiчних та харчових виробництв.
J
Мета дослгдження — класифжувати та обгрунтувати вплив ефекпв нестацiонарностi та iнерцiйностi на мiж-фазовий перенос з метою формування передумов для створення бiльш iнтенсивних масообмшних апаратiв збiльшеноi продуктивностi.
Для досягнення поставленоi мети необхiдно вико-нати таю задачк
1. Провести лиературний огляд джерел за темою, видшивши як класичнi моделi та тдходи до поставлених питань, так i експериментальнi данi та 1х показники, а також шляхи поеднування класичних та нових моделей та методiв.
2. Провести огляд та класифжащю основних пдро-динамiчних факторiв та складових переносу типових хiмiчних та харчових виробництв, 1х «вузькi мiсця».
3. Знайти способи штенсифжацп процесiв масопере-носу в даних системах для удосконалення конструкцш технолопчних апаратiв.
4. Проблемы штенсифжаци масообмшннх процеыв та методы 1х виршення
Як вже зазначалося, процеси тепломасопереносу з хiмiчними реакщями (або без них) в легкорухомих гетерогенних системах визначаеться гiдродинамiчними факторами. Вщ останнiх залежить iнтенсивнiсть кон-вективноi та турбулентноi складових перенесення на вщмшу вiд молекулярноi дифузп. Тому основним по-казником штенсивносп е кiлькiсть масопереносу через мiжфазну поверхню в системi. Нижче викладеш основнi пiдходи до кiлькiсного визначення масопереносу через мiжфазну поверхню [14, 15].
Модель Нернста для системи «легкорухоме середо-вище — тверде тшо». В основу моделi покладено: отр масопереносу зосереджено в тонюй плiвцi поточного середовища на кордот з твердою межфазной поверхнею; в плiвцi вiдсутнiй рух; процес сталий в час!
Потiк речовини (щшьшсть) визначаеться:
D
qc = Y (Co - Cs ),
qc = ßl (C10 - C1S ) = ß2 (C2S - C20 ) — = Vl2 ,
C2S
поточних середовищ, Хiгбi висунув припущення, що ця нелшштсть обумовлена нестацюнаршстю масопереносу в системi «несуча фаза — частинка». Масоперенос до час-тинки здiйснюеться за допомогою плiвки навколишнього середовища, яка контактуе з часткою певний промiжок часу т, пiсля чого вщбуваеться повна замiна плiвки iншою плiвкою. Таким чином здiйснюеться дискретне оновлення мiжфазноi поверхнi. За таких умов змша концентрацiй описуеться рiвнянням:
ЭС_ Э2С Эт Эх2'
(3)
де х — координата. При початкових умовах С(0,х) = С0, та граничних С(т,0) = CS, С(т,= С0 . Ршенням (3) буде:
D , , D
qc = 4—(Co-Cs); \qc) = Ц—-(Co-CS),
v tt . т 1 ' v tt . г
D , , D ß^-; m) = 2j-,
(4)
де t = d|U, d — дiаметр частинки; и — вщносна швид-кiсть частинки.
Модель Хiгбi поклала початок серii нестацiонар-них (або пенетрацшних) моделей масопереносу. Найбшьш вiдомi:
Модель Кишиневського: рiвняння для Р:
Ф> = 2
D + DT п-1
(5)
(1)
де, С0, CS — вщповщно початкова i поточна концентрацп речовини; D — коефiцiент дифузп; 8 — товщина плiвки.
Вщношення D|8 = Р е коефiцiентом масовщдач! Ана-лiз теорii показуе, що найбшьш тонка плiвка i рiвномiр-ний розподiл С0 в об'емi середовища можуть бути тiльки при високих числах Рейнольдса (Яе), тобто при вираже-ному турбулентному режим^ коли вихори глибоко про-никають в пристшну область i турбулентна дифузiя DT порiвнянна з молекулярною.
Ленгмюр поширив теорт Нернста на випадок газо-рiдинноi системи i запропонував систему рiвнянь:
Тобто автор запропонував врахувати вплив турбулентности додавши до D величину DT.
Модель Данкверста: який обгрунтовано вважав, що оновлення поверхш здiйснюеться безперервно частин-ками, що мають рiвний час перебування на мiжфазнiй поверхш:
(ß)=Jos ,
(6)
(2)
де шдекс 1 — вiдповiдае фазьносш, 2 — дисперснiй фазi, 1, 2 — на мiжфазному кордош.
Згiдно цих моделей Р = Da, де а = 1. Модель Хкб1 Базуючись на тому, що коефщент Р нелiнiйно пов'язаний з коефщентом D у випадку двох
де 1/ 5 — середньостатистичний час контакту сукупносп частинок навколишнього середовища з поверхнею.
Як видно з рiвнянь (2-6) показник ступеня при приймаеться рiвним 1. Однак, зпдно дослщних даних, показник а ктотно залежить вiд числа Прандтля — ргд = .
Для газiв Ргд ~ 1, значення а порядку 0,5, для рь дини Ргд ~ 100^3000, значення а порядку 0,7 ~ 0,8. Таким чином, область значень а е[0,5; 1,0, ця область приводить до думки про спшьний вплив нестацюнарних i «плiвкових» факторiв.
Модель Левича дозволяе ввiйти в зазначену область змши показника в рамках стацюнарних уявлень про процес. Передбачаеться, що навколо твердоi частинки або мiхура iснують два прикордонних шари: 8, в якому суттево i лiнiйно змiнюеться концентращя С вiд С5 до Со; 80 — динамiчний прикордонний шар, в якому
суттево 1 маиже Л1Н1ИНО зм1нюеться поздовжня швид-к1сть U вщ 0 до U0. Отримано р1вняння:
D 1 S0 i
-У = PA-IT - PrA'b ■
2 1 D 3У 3
>ß - D0'67. (7)
У раз1 турбулентного потоку по Левичу «пл1вкн» складаються з чотирьох шар1в: днфузшннй пщшар D ~ DT на кордош; в'язкий тдшар D ■ DT; турбулентний при-кордонний шар D ■■ DT; основний тдшар з р1вном1рним розподшом концентрацп. C = C0 ~ const.
Для обчислення b отримано р1вняння:
1 1
—„-
b = (jNi)'
0.25 -
(8)
де у — динамiчний коефщент;т — ще дос предмет дискусiй про фiзичну суть, область значень т е[1;6];
Ni — число Шкурадзе, Ni = -
и*5 г
V
= 11,5; и* — динам1чна
швидюсть.
Модель мiжфазноi турбулентностi Кафарова перед-бачае, що у разi взаемодп двох взаемо-нерозчинних поточних середовищ iх мiжфазна поверхня деформуеться. За рiзноi шiльностi середовищ '¿х спiльне перемщен-ня можливо тiльки, якщо и1 Ф и2. Розрив швидкостей обумовлюе нестiйкiсть мiжфазноi поверхнi. Виникають шари змiшання, якi турбулiзують при дуже малих числах Яе (Яекр ~ 50). Вплив мiжфазноi турбулентност врахо-вуеться за допомогою «фактора гiдродинамiчного стану двофазноi системи» / в якостi додаткового коефiцiента, що входить до критерiального рiвняння масовщдачи.
У загальному випадку для вах моделей рiвняння масовiддачи при перенесенш речовини з першоi фази до друго':
M1'2 =$kS1,2 ACk '
(9)
1Сю — С\$, k — 1; де k —1,2, та дСк < тут $1,2 — мiжфазна
\С2Б — С20 , k — 2,
поверхня.
Аналiз рiвняння (9) показуе, що якщо задана ру-шшна сила переносу дСк, то очевидний споиб збшь-шення швидкостi процесу полягае у збшьшенш двох спiвмножникiв в правiй частиш рiвняння (9).
Представлений вище аналiз, що отримали визнання моделей масопереносу, а також моделi iзотропноi тур-булентностi Колмогорова, яка в даний час досить широко застосовуеться для аналiзу трифазних систем [5-11] — однозначно свщчить про вплив аерогiдродинамiчноi обстановки на значення Ьк та однозначно необхщному пiдвишеннi числа Яе, або про зменшення «часу онов-лення мiжфазноi поверхш» в пенетрацшних моделях, що також досягаеться при зростанш числа Яе.
Збшьшення мiжфазноi поверхнi Б12 не наспльки безальтернативно, як збiльшення Ьк. Так зростання призводить до зменшення розмiру дисперсп, ускладнюе
подш фаз i зменшуе число Яе, яке залежить вщ розмiру часток (мiхурiв i т. п.). Крiм того, при збiльшеннi зростае лапласовского складова тиску у частщ, що пере-шкоджае масопереносу в нш. Гiдродинамiчна обстановка визначаеться конструкщею апарату.
Для проведення масообмiнних процеив в трифаз-нiй системi в основному використовуеться три типи апарапв: апарати з фжсованою поверхнею мiжфазного контакту (плiвковi, розпилювальнi колони); апарати з контактною поверхнею, яка утворюеться при рус фаз (насадков^ таршчасп колони); апарати з зовшш-шм введенням енергп (роторнi апарати, з мшалками, апарати зi статичними перемшувальними пристроями).
Апарати першого типу мають низьку питому про-дуктивнiсть на одиницю об'ему апарату. В апаратах другого типу приблизно 50 % масопереносу здшснюеться в перюд формування дисперсп (крапл^ бульбашки). До такого висновку можна прийти на пiдставi моделi Хжб1 У цьому зв'язку створювати в апарат «довгожи-вучЬ> дисперсп не доцшьно. Очевидно, слiд здшсню-вати процес в режимi iнверсii фаз, коли безперервно вщбуваеться оновлення мiжфазноi поверхнi i по черзi кожна з фаз стае то дисперсною, то дисперсшною. Щ положення тдтверджуються для колонних апаратiв в роботах Кафарова, в яких встановлено, що явища, якi вщбуваються в режимi iнверсii фаз, забезпечують штенсифжащю процесiв на порядок та бшьше.
Стiйкий i тривалий режим шверсн фаз можна ор-гашзувати при введеннi в апарат зовшшньо' енергп та пiдтримки високих чисел Яе, тому апарати третьоi групи найбшьш поширенi, а крiм того бшьшшть апаратiв друго' групи мають пристро' для введення зовнiшньоi енергп. Проте i цим апаратам притаманш недолiки. Вони полягають у тому, що при високих значеннях Яе введена в апарат енерпя рiвномiрно розподiляеться по об'ему апарату, в той час, як основний отр масопереносу зосереджено в околищ мiжфазноi поверхнi, куди i необхiдно вводити енергiю. В результатi рiвномiрного розподiлу iнверсiйний режим швидко згасае. У цьому зв'язку технолопчний ККД апарапв малий, а витрати енергп на створення необхщних режимiв iстотно великi при рiзкому збшьшенш гiдравлiчного опору апарату. Таким чином, створюеться ситуащя, коли зростання коефщенпв тепломасопередачi iстотно вiдстае вiд зростання гiдравлiчного опору апарату, що призводить до значних енерговитрат при досягненш мети. Слвд зазначити, що цей недолж властивий практично вам розглянутим кaтегорiям апаратiв, а також рiзнiй тепло-обмiннiй aпaрaтурi.
З вищевикладеного випливае завдання знаходження способiв перерозподiлу енергп в просторi та чаи та «доставка» п в задаш облaстi. Це завдання техшчно може бути здiйснено при оргашзацп нестaцiонaрного руху в aпaрaтi з проявом шерцшносп. Для досягнен-ня необхщного ефекту нестaцiонaрний рух мае бути коливальним, тобто реaлiзовувaтися багаторазово. Неодноразово повторюваний розгiнно-гaльмiвний рух середо-вища е рух перюдичний, пульсaцiйний, що в загальному випадку характеризуеться змшою швидкостi та вектора и напрямку, змiною тиску.
Одним з методiв оргaнiзaцii пульсaцiйноi обробки гетерогенного середовища е використання пульсацшних пристро'в при проведеннi тепло- масообмшних проце-сiв в апаратах. Вперше пропозищю про використання
0
5
0
пульсацiйних пристроГв при проведенш масообмiнних процесiв було зроблено Ван Дшком, далi проводилися спроби впровадження в промислову практику пульсацш-ного методу обробки. У лабораторних умовах отримано експериментальш результати, що свiдчать про iстотну iнтенсифiкацii процесу масопередач! У дослщно-про-мислових умовах автори не тдтвердили ефекти, як спостерiгаються при лабораторних дослiдженнях, що пов'язано з обмежешстю технiчних ршень при оргаш-зацii пульсацiйних режимiв. Результати мають яскраво виражений емтричний характер, обмеженiсть технiчних рiшень не дозволяе створити на 'iх основi методику, яка встановлюе ступiнь доцшьносп застосування пульсацш-них методiв в кожному конкретному випадку. На основi теорп масопередачi i коливального руху гетерогенного середовища (рiдина — твердi частинки, рiдина — рь дина, рщина — газ) показано, що оргашзащя пульса-цiйного процесу повинна бути бшьш ефективною, нiж стащонарна. Виходячи з моделi локально! iзотропноi турбулентностi Колмогорова було отримано залежностк
Ьтв- «Тв£0'25; Ьж - «ж£0'3; ßr- «7,
(10)
де 0тв, аж, ar — розм1р часток; £ — питома швидк1сть дисипацп турбулентно! енергп:
oaV
Bj
Р j £
2/3
0,6
^ - aaVd j2 Z3
Р j
; £2/3
= bj 1 £0,4 ,
-bj 2£0,67,
(11)
де V — об'ем апарату; d — д1аметр частинок; о — по-верхневе напруження; a, b — числов1 коефщ1енти; у — показник ступеня, уе[0,2; 1,0].
На тдстав1 анал1зу цих залежностей встановлено, що безумовне збшьшення масопереносу при пульсацшнш оргашзацп процесу виявиться, коли сума показниюв ступешв пари залежностей з (10 та 11) виявиться не менше одинищ. Автори вважають, що щ положення виконуються для систем, як не схильш до розшару-вання фаз. Наприклад, для системи «рщина — тверд1 частинки — газ» або «рщина — тверд1 частинки» ви-щенаведеш умови можуть бути шшими.
Для ощнки ефективносп м1жфазного тепломасопере-носу в пульсуючому потощ авторами отримаш ств-вщношення:
1
(Nu)
Nu0 '
ш
U20 "
J Nudt
т_
Nu0 , [ ,
- JU2dt
U2
(12)
де
при Re/Bj ^ 161,6 Nu = 1,6-10-
Re
Ж
Pr0,33 .
при Re/Bi > 161,6 Nu = 0,4
'Re^667
B1
v 1 /
Pr0,33 •
d2 V1 ßd2
Re=U- U2 -v Pr=Ii- Nu=ßdr;
U20 — швидкiсть дисперсно! фази при вiдсутностi зовшш-нiх гiдродинамiчних впливiв; В1 — параметр, В1 е [0,7; 1,0; т = 2я/юь ю1 — кутова швидкiсть; Ь — час.
Спiввiдношення (12) ввдображае змiну усередненого коефiцiента масовiддачi при пульсацiях сумiшi в порiв-няннi з випадками чистого гравиацшного Г! осадження або спливання, а також характеризуе збшьшення часу перебування пульсуючою сумiшi в колонному апарат!
Ефект нестацiонарностi та iнерцiйностi в гетерогеннш системi можна досягти при рус закрученого потоку по криволшшних каналах, або каналам, що мають перю-дичне звуження розширення за типом «конфузор — дiфузор». Привабливкть даного методу полягае в тому, що вщпадае необхiднiсть вводити в апарат спещальш пульсацiйнi пристроГ (поршневого типу, газоiмпульс-них безпосередньоГ дГГ, та iншi), а крiм того цей метод дае ефект для вах типiв гетерогенних систем, у тому чист для систем «рвдина — твердi частинки — газ». Таким чином, викладений метод бшьш ушверсальний, шж метод з використанням пульсацшних пристрогв.
В роботi [16] показано, що конструкщя апарату, що мае послвдовш перiодичнi звуження типу «конфузор — дiфузор» для системи «газ — рвдина» при значенш Re = 3,56 104 дозволяе штенсифжувати тепло- масообмiн у 1,5 рази. Ощнка проводилася за значенням чисел № для апарапв з гладкими стшами, i апарату, що мае звуження.
В робот [17] проведено дослвдження гiдродинамiки та iнтенсивностi процесiв тепло- масообмшу в торо-подiбному газорвдинному реакторi. Встановлено, що криволiнiйна конфкуращя камери реактора дозволяе iнтенсифiкувати теплообмш. Показано, що коефiцiент теплопередачi в тороподiбному реакторi у 3-3,5 рази вище, шж в прямотрубному реакторi тiе'i ж довжини. При цьому, як показано в робот [17], штенсившсть збiльшення коефiцiента теплопередачi у 1,2 рази випе-реджае темп зростання гiдравлiчного опору апарату, що сввдчить про меншi енергетичнi витрати, що необхвдш для досягнення ефекту. Аналопчш ефекти тдтверджу-ються також закордонними дослвдниками [16]. Змiеви-кова конфжуращя апарату дозволяе iнтенсифiкувати теплообмш за рахунок виникнення вторинних течш, викликаних вигином камери, та за рахунок немонотонно! змши осьового дотичного напруження в потощ. Однак емтричний характер цих робгг не дозволяе створити на Гх основi методику розрахунку та створення конструкцп апарату. Необхщно провести дослiдження для отримання ушверсальних залежностей, що дозволяють розрахову-вати тепло- масообмiн в апаратах та Гх пдродинамжу.
5. Обговорення результат1в дослщження впливу ефекНв нестац1онарност1 та шерщйност на м1жфазове перенесення
У пiдсумках вищеозначеного, згiдно з аналiзом, вплив ефектiв нестацiонарностi та шерцшносп на мiжфазове перенесення призводить до:
5
о
о
2
— оновлення мiжфазноï noBepxHi, збiльшення мiж-фазно! турбулентности що збiльшуe ochobhî складовi перенесення b та S ;
— попередженню проскока в апаратах частинок, що не прореагували (запобжання «тунельних» ефектiв); перерозподiлу i концентрацп введено! енергп в про-сторi та чаа;
— видово! трансформацп енергп, що вводиться (теп-лово! в мехашчну, кiнетичноï в потенцiальну);
— тдвищення продуктивностi за рахунок формально! пульсацшно! органiзацiï процесу.
Слщ вважати перспективним досягнення ефекту не-стацiонарностi та iнерцiйностi в гетерогенних системах за рахунок комбшацп закручування потоюв та рухiв по криволшшних каналах змiнного перерiзу Дослщжен-ня в даному напрямку дозволяють створити iнтенсивнi масообмiннi апарати, в яких можна досягти ситуацп, коли темп зростання коефшденпв тепло- масопередачi буде випереджати темп зростання гiдравлiчного опору апаратiв.
6. Висновки
У результат проведених дослiджень:
— Викладеш основнi пiдходи до кiлькiсного визна-чення масопереносу через мiжфазну поверхню.
— Визначено спосiб технiчно здшснити перерозподiл енергп в просторi та чаи й «доставку» ïï в задаш областi шляхом забезпечення нестационарного руху в апаратi з проявом шерцшност! та органiзацiï пуль-сацiйноï обробки гетерогенного середовища.
— Сформульовано рекомендацп щодо вдосконалення деяких типових конструкцш технологiчних апаратiв з метою збшьшення '¿х продуктивностi та бшьш яюс-ному проведенню процесiв з меншими витратами.
Литература
1. Мелихов, И. В. Наука о кристаллизации на пороге третьего тысячелетия [Текст] / И. В. Мелихов, А. М. Кутепов // Теоретические основы химической технологии. — 2001. — Т. 35, № 5. — С. 451-456.
2. Dinsmore, A. D. Self-assembly of colloidal crystals [Text] /
A. D. Dinsmore, J. C. Crocker, A. G. Yodh // Current Opinion in Colloid & Interface Science. — 1998. — Vol. 3, № 1. — P. 5-11. doi:10.1016/S1359-0294(98)80035-6
3. Слинько, М. Г. Некоторые тенденции развития теории химической технологии [Текст] / М. Г. Слинько // Химическая промышленность. — 2000. — № 2(69). — С. 3-8.
4. Покусаев, Б. Г. Процессы переноса в многофазной среде [Текст] / Б. Г. Покусаев // Теоретические основы химической технологии. — 2007. — Т. 41, № 1. — С. 35-43.
5. Беляев, Э. К. Некоторые вопросы карбонизации аммиачно-соляного раствора [Текст] / Э. К. Беляев, В. М. Томенко // Вопросы химии и химической технологии. — Харьков: В.Ш., 1978. — Вып. 32. — С. 83-90.
6. Беляев, Э. К. Основные направления интенсификации процесса карбонизации в производстве очищенного бикарбоната натрия [Текст]: Тр. НИОХИМ / Э. К. Беляев // Технология соды и содопродуктов. — Харьков, 1980. — Т. 52. — С. 74-84.
7. Шапорев, В. П. Пути интенсификации процессов массопере-носа в барботажных колоннах (БСК) противоточного типа с контактными элементами перекрестноточного типа [Текст] /
B. П. Шапорев, В. М. Титов, О. А. Лопухина и др. // Вестник ХГПУ. — Харьков, 1999. — Вып. 33. — С. 3-19.
8. Шапорев, В. П. Влияние начального пересыщения на интегральные характеристики дисперсной фазы, осаждающейся в карбонизационной колонне содового производства [Текст] / В. П. Шапорев, В. М. Титов, Ю. А. Иванов // Вестник ХГПУ. — Харьков, 1999. — Вып. 28. — С. 49-56.
9. Шапорев, В. П. Моделирование процесса роста кристаллов из раствора кристаллизанта, образуемых взаимодействием солевых растворов с газообразным СО2 [Текст] / В. П. Шапорев, О. А. Лопухина, Ю. А. Иванов / Вестник ХГПУ. — Харьков, 1998. — Вып. 25. — С. 97-103.
10. Иванов, Ю. А. Исследование кинетики кристаллизации твердой фазы из пересыщенного раствора [Текст]: Труды НИОХИМ / Ю. А. Иванов, В. П. Шапорев, С. В. Титов, А. Ф. Долкарт // Химия и технология производства основной химической промышленности. — Харьков, 1998. — Т. 61. — С. 82-84.
11. Иванов, Ю. А. К вопросу о влиянии поверхностно-активных веществ (ПАВ) на абсорбцию углекислоты и процесс кристаллизации NaHCО3 в карбонизационной колонне (КЛ) содового производства [Текст] / Ю. А. Иванов, В. М. Титов, В. П. Шапорев // Вестник ХГПУ. — Харьков, 1999. — Вып. 66. — С. 11-17.
12. Лопухина, O. A. Сравнительный анализ типовых промышленных аппаратов для процесса сатурации в свеклосахарном производстве [Текст] / O. A. Лопухина, В. П. Шапорев // Интегрированные технологии и энергосбережение. — Харьков: НТУ ХПИ, 2002. — № 4. — С. 30-43.
13. Далматская, Е. И. Кинетика и статика карбонизации растворов силиката натрия [Текст]: Труды НИОХИМ / Е. И. Далматская // Работы по технологии производства наполнителя и адсорбентов минерального происхождения. — Харьков, 1963. — Т. XV. — С. 83-96.
14. Астарита, Д. Ж. Массопередача с химической реакцией [Текст] / Д. Ж. Астарита. — Л.: Химия, 1971. — 224 с.
15. Kawase, Y. Mathematical models for desing of bioreactors applications of Kolmogoroff's theory of isotropic turbulence [Text] / Y. Kawase, M. Moo-Young // Chemical Engineering Journal. — 1990. — № 5(43). — С. 19-41.
16. Ткач, Г. А. Перспективные пути интенсификации тепло-обменных процессов [Текст] / Г. А. Ткач, В. П. Шапорев, Д. В. Маслов // Экология химической техники и биотехнологии. — Харьков: ХГПУ, 1996. — Т. 1. — С. 96-98.
17. Шапорев, В. П. Экспериментальное исследование тороидального реактора с закруткой потоков [Текст] / В. П. Шапорев, Г. А. Ткач, И. В. Хитрова, С. А. Минек // Вестник ХПИ. — 1989. — Вып. 2, № 269. — С. 37-41.
вопросы ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОТЕКАНИИ РЕАКЦИЙ В СЛОЖНО-РЕАКЦИОННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ
В данной работе на основании исследования теории процессов тепломассопереноса, известных моделей межфазной тепломассопередачи конкретизирована гидродинамическая сторона процессов переноса. Это позволяет обоснованно подойти к методам интенсификации межфазного переноса: механический, пульсационный, тепловой образования-захлопывания пузырьков, закручивания и движения среды по криволинейным каналам. Показано, что каждый метод может быть реализован в соответствующей конструкции аппарата, разработка и исследование этих конструкций является перспективным направлением.
Ключевые слова: массообменные процессы, интенсификация, гетерогенная система, межфазная поверхность, инверсия фаз.
Васильев Михайло Iллiч, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра xiMi4Hoï техтки та промислово1 екологп, Нащональний техтчний утверситет «Хартвський полтехтчний тститут», Украта, e-mail: mike_v@i.ua.
Васильев Михаил Ильич, кандидат технических наук, доцент, кафедра химической техники и промышленной экологии, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина.
Vasyliev Mykhailo, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: mike_v@i.ua
