CC BY
68
УДК 66-9
■а о
Во многих монографиях и руководствах по конвективному тепло-массопереносу утверждается, что гидродинамическая обстановка в аппарате определяет интенсивность процессов. Часто это положение детально не раскрывается и носит эмпирический характер. Поэтому в данной публикации на основе теории процессов тепломассопереноса, известных моделей межфазной тепломассо-передачи 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
■о о
ВОПРОСЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОТЕКАНИИ РЕАКЦИЙ В СЛОЖНО-РЕАКЦИОННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ
М.И. Васильев
Ассистент* Контактный тел.: (0572) 707-62-57 e-mail: zaba_l@yahoo.com
В. П. Шапоре в
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой*
Контактный тел.: (0572) 707-66-81 e-mail: himeco@kpi.kharkov.ua *Кафедра химической техники и промышленной экологии Национальный технический университет «Харьковский
политехнический институт» ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002
1. Введение
Преобладающее число материальных технологий, реализуемых в химической промышленности, относится к гетерогенным системам. Даже такие, на первый взгляд гомогенные, технологии, как движение и нагревание воды или газа в канале, емкости, есть результат взаимодействия разнородной пары - текущей среды и твердого тела. С технологической точки зрения наиболее значимые многофазные системы с разными динамическими, термодинамическими, химическими потенциалами взаимодействующих фаз, что предопределяет межфазный обмен массой, импульсом, энергией, веществом. Такие процессы межфазного переноса перечисленных качеств и составляют основу всех материальных технологий, они являются неравновесными процессами (по одному или нескольким из перечисленных выше качеств), протекающими в тех-
нологических аппаратах или реакторах. В полной мере к таким процессам, протекающим в технологических аппаратах, относятся процессы, наблюдаемые в сложно-реакционных гетерогенных системах. Особенность этих систем заключается в том, что при движении через технологический аппарат, например гомогенной или дисперсной среды (двухфазной), за счет протекания ряда последовательных или параллельных химических, физических превращений, среда становится трехфазной системой, а в некоторых случаях «четырехфазной». Последнее, согласно современным представлениям о физикохимии агрегатирования тел переменной массы [1,2], связано с наличием в гетерогенной системе не только традиционных фазовых компонентов «газ-жидкость-твердое тело», но и коллоидных нанокристаллов. При этом в сложно-реакционной гетерогенной системе наблюдаются явления, когда возникновение и интенсивное развитие одного из па-
раллельных или параллельно-последовательных процессов в общей системе приводит к замедлению или прекращению другого процесса[3]. Кроме того, появление третьей или четвертой фазы коренным образом меняет структуру потока в технологическом аппарате, условия микро и макросмешения, а также кинетические константы основополагающих процессов [4]. Типичными представителями сложно-реакционных гетерогенных систем в технологических аппаратах химической промышленности, в которых появляются вышеотмеченные особенности, являются процессы положенные в основу производства кальцинированной соды методом Сольве - процесс карбонизации ам-миачно-соляного раствора в условиях, исключающих значительную десорбцию аммиака, а затем карбонизации карбонат-бикарбонатных растворов. Речь идет о колонне карбонизации в производстве соды.
Проведенные исследования процессов, протекающих в колонне, которые опубликованы в работах [5-11], показали, что при карбонизации аммиачно-соляного раствора максимальная скорость абсорбции достигается только после замедления процесса десорбции NHз. Очевидно, что интенсивно протекающий в начальный период процесс десорбции NH3 тормозит процесс абсорбции СО2. После прекращения десорбции аммиака происходит одновременно абсорбция СО2 и NH3, реакция между собой после поглощения их в жидкой фазе, что вызывает появление второго максимума на кривой скорости абсорбции СО2.
При карбонизации карбонат-бикарбонатных растворов в результате максимального пересыщения раствора по бикарбонату натрия начинается процесс его кристаллизации.
В период интенсивного снятия пересыщения по бикарбонату натрия процесс абсорбции диоксида углерода практически прекращается, о чем свидетельствует отсутствие фиксируемого изменения содержания №2С03 в растворе. Замедление или полное прекращение абсорбции СО2 происходит спонтанно. Действительно, снятие пересыщения по бикарбонату натрия вызывает снижение местабильного и равновесного давления СО2 над карбонат-бикарбонатным раствором и увеличение движущей силы процесса абсорбции СО2, что должно способствовать повышению скорости данного процесса. Однако в действительности этого не наблюдается до тех пор, пока несколько не замедлится процесс кристаллизации. При этом система из двухфазной «жидкость-газ» переходит в трехфазную «жидкость - твердое тело - газ», как следствие возрастает в несколько раз вязкость системы, изменяются условия диспергирования газообразной фазы в системе и другие эффекты.
При этом поверхностная активность образующейся твердой фазы (№НС03) настолько велика, что ход процесса кристаллизации зависит не только от наличия неконтролируемых примесей, но и в значительной степени от рельефа поверхности корпуса колонны, контактных элементов, теплообменной поверхности и их конструкций.
Имеется в виду, что твердая фаза №НС03 осаждается на выше указанных поверхностях, происходит инкрустация и зарастание сечения колонны, как следствие коренным образом изменяется гидродинамическая обстановка в колонне и собственно результат
процесса. Следует отметить, что колонна в режиме карбонизации работает не более 6 - 7 суток, в конце режима она зарастает настолько инкрустациями, что ее переводят в режим промывки от осевшего №НС03.
Аналогичные эффекты по изменению условий мас-со и теплопередачи в трехфазных системах и эффекты, связанные с влиянием конструктивных особенностей внутри колонны на эти процессы отмечены в работах [12-14].
Другим характерным примером протекания процессов в сложно-реакционных гетерогенных системах является технологический процесс сатурации в свеклосахарном производстве. В работе [15] проведен сравнительный анализ функционирования типовых промышленных аппаратов для осуществления процессов сатурации, которые в основном представляют собой конструкции аппаратов колонного типа. Авторами установлено наличие аналогичных явлений, которые описаны выше. Например к моменту начала кристаллизации СаС03 образуется коллоидная система с вязкостью до 1 - 1,2 МПа-с, в этот момент скорость сорбции СО2 уменьшается в 5 - 8 раз, и только после деструкции коллоидной системы и образования кристаллов СаС03 скорость сорбции СО2 достигает значений, которые наблюдаются вначале процесса.
Как в предыдущих случаях, так и в этом в момент проявления вышеуказанных особенностей подаваемый газ в аппарат является только средством перемешивания системы и не участвует в процессе. Однако за счет повышения сопротивления в системе (при увеличении вязкости) его необходимо подавать больше, что приводит к значительно меньшему коэффициенту утилизации полезного компонента из газа, повышению энергозатрат и не эффективному использованию рабочего объема аппарата.
В некоторых системах при процессах сорбции вязкость систем возрастает настолько, что сечение аппарата полностью зарастает (забивается) тиксотропной фазой. При этом допустимый расход газа не может преодолеть сопротивление слоя и возникает аварийная ситуация. Такие ситуации описаны в работах [16-18] при исследовании процесса сорбции СО2 раствором силиката натрия в производстве белой сажи. Для ликвидации этого явления в аппарате устанавливают средства для механического перемешивания системы - мешалки, однако при этом явление замедления или торможения основных массообменных и теплообмен-ных процессов не исключается.
Аналогичные явления, протекающие в системах, характерны для биотехнологии и экобиотехнологии, например, при организации технологий аэробной и анаэробной очистке сточных вод [19,20]. Согласно [19,20] явления, описанные выше, проявляются и в этих системах с еще большими осложнениями, которые возникают за счет параметров, которые необходимо соблюдать для обеспечения эффективной жизнедеятельности микроорганизмов.
Анализ работ [1 - 20]свидетельствует, что массо-обменные процессы в рассматриваемых системах с химическими превращениями или без них осуществляются по диффузионной кинетике, в том числе и процессы, связанные с изменением структуры систем (кристаллизация, коагуляция и т.п.). Это означает, что скорость процессов состоит из цепи последовательных
перемещении и превращении вещества и определяется диффузией (кондуктивной, турбулентной) и конвекцией в фазе, оказывающей наибольшее, превалирующее сопротивление переносу.
Рассмотренные выше массообменные технологии характеризуются в основном легкоподвижной средой - жидкость - газ, твердые частицы, появляются и оказывают влияние на завершающих стадиях. Из работ [1 - 20] также следует, что используемые в технологических процессах аппараты имеют низкую удельную производительность, низкие коэффициенты массоот-дачи и характеризуются высокой энергозатратностью для создания необходимой гидродинамической обстановки. Из изложенного выше логично вытекает задача нахождения способов интенсификации процессов массопереноса в данных системах и усовершенствование конструкций технологических аппаратов. Ниже акцентируем внимание на возможных путях решения данной задачи.
2. Проблемы интенсификации массообменных процессов и методы их решения
Как уже отмечалось выше, процессы тепломассо-переноса с химическими реакциями (или без них) в легкоподвижных гетерогенных системах определяется гидродинамическими факторами. От последних зависит интенсивность конвективной и турбулентной составляющих переноса в отличие от молекулярной диффузии.
Поэтому основным показателем интенсивности является количество массопереноса через межфазную поверхность в системе. Ниже изложены основные подходы к количественному определению массопереноса через межфазную поверхность [21].
Модель Нернста для системы «легкоподвижная среда - твердое тело».
В основу модели положено: сопротивление мас-сопереносу сосредоточено в тонкой пленке текущей среды на границе с твердой межфазной поверхностью; в пленке отсутствует движение; процесс установившийся во времени.
Поток вещества (плотность) определяется выражением:
^ — в1 (С10 См )— в2 С20 )
qc = у (с,, - с5)
С
¥12
(1)
где, С0, С5 - соответственно начальная и текущая концентрации вещества; D - коэффициент диффузии; 8 - толщина пленки.
Отношение ^ = в является коэффициентом мас-8
соотдачи. Анализ теории показывает, что наиболее тонкая пленка и равномерное распределение С0 в объеме среды могут быть только при высоких числах Рей-нольдса (Яе), то есть при выраженном турбулентном режиме, когда вихри глубоко проникают в пристенную область и турбулентная диффузия DT сравнима с молекулярной.
Ленгмюр распространил теорию Нернста на случай газо-жидкостной системы и предложил систему уравнений:
где индекс 1 - соответствует несущей фазе, 2 - дисперсной фазе, 1,2 - на межфазной границе.
Согласно этим моделям в к Da, где а = 1.
Модель Хигби. Базируясь на том, что коэффициент в нелинейно связан с коэффициентом D в случае двух текущих сред, Хитби выдвинул предположение, что эта нелинейность обусловлена нестационарностью массопереноса в системе «несущая фаза - частица». Массоперенос к частице осуществляется посредством пленки окружающей среды, которая контактирует с частицей определенный промежуток времени т , после чего происходит полная замена пленки другой пленкой. Таким образом осуществляется дискретное обновление межфазной поверхности. При таких условиях изменение концентраций описывается уравнением:
дс = 0дс (3)
Эт Эх2
где х - координата. При начальных условиях С(0,х) = С0 , и граничных С(т,0) = С5 , С(т,да) = С0 . Решением (3) будет:
qc =л/— (Со - Сз)'>Ю = У~~Г(Со - Сз)
Н-'(в = 2 ^
V я«т V п•t
d
(4)
где t = — , d - диаметр частицы; и - относительная ско-
и
рость частицы.
Модель Хигби положила начало серии нестационарных (или пенетрационных) моделей массопереноса. Наиболее известные:
Модель Кишиневского: уравнение для р :
<Р>=2^ (5)
То есть автор предложил учесть влияние турбулентности, добавив к D величину DT .
Модель Данкверста: который обоснованно считал, что обновление поверхности осуществляется непрерывно частичками, имеющими равное время пребывания на межфазной поверхности:
(Р) = 758 1
(6)
где ^ - среднестатистическое время контакта совокупности частичек окружающей среды с поверхностью.
Как видно из уравнений (2 - 6) показатель степени а при D принимается равным 1. Однако, согласно ряда опытных данных [22], показатель а существен-
V
ным образом зависит от числа Прандтля - РгД = ^ .
Для газов РгД ~ 1 , значение а порядка 0,5, для жидкости РгД ~ 100...3000 , значение а порядка 0.7 ~0.8 . Таким образом, область значений а е[0.5;1.0] , эта область приводит к мысли о совместном влиянии нестационарных и «пленочных» факторов.
Модель Левича позволяет войти в отмеченную область изменения показателя а в рамках стационарных представлений о процессе. Предполагается, что в окрестности твердой частицы или пузыря существуют
два пограничных слоя: 8, в котором существенно и линейно изменяется концентрация С от С5 до С0; 80 - динамический пограничный слой, в котором существенно и почти линейно изменяется продольная скорость и от 0 до ио. Получено уравнение:
D
' V'
1
Pr
Л ~ Prj[
S A
в ■
2 1 D3V3
>Р ~ D0
(7)
В случае турбулентного потока по Левичу «пленки» состоят из четырех слоев: диффузионный подслой D к DT на границе; вязкий подслой D - DT ; турбулентный пограничный слой D — DT ; основной подслой с равномерным распределением концентрации C = C0 я const.
Для вычисления получено уравнение: 1-1 10
в = ( YNi f
;D mVn
~sT
(8)
где у - динамический коэффициент; т - еще до сих пор предмет дискуссий о физической сути, область значений
и*8
т е[1;6] ; Ni - число Никурадзе, № =-0 я 11.5; . -
динамическая скорость. ^
Модель межфазной турбулентности Кафарова предполагает, что в случае взаимодействия двух вза-имонерастворяющихся текущих сред их межфазная поверхность деформируется. При разной плотности сред их совместное перемещение возможно только когда и и2. Разрыв скоростей обуславливает неустойчивость межфазной поверхности. Возникают слои смешения, которые турбулизируются при очень малых числах Яе (Яекр ~ 50). Влияние межфазной турбулентности учитывается с помощью «фактора гидродинамического состояния двухфазной системы» f в качестве дополнительно коэффициента, входящего в критериальное уравнение массоотдачи.
В общем случае для всех моделей уравнение мас-соотдачи при переносе вещества из первой фазы во вторую запишется так:
М,2 = Р^аС (9)
где k = 1,2 , и дСк поверхность.
C10 C1S'k _ 1 C2S — C20,k = 2
, здесь S12 - межфазная
Анализ уравнения (9) показывает, что если задана движущая сила переноса АСк, то очевидный способ увеличения скорости процесса состоит в увеличении двух сомножителей в правой части уравнения (9).
Представленный выше анализ, получивших признание моделей массопереноса, а также модели изотропной турбулентности Колмогорова [23], которая в настоящее время достаточно широко применяется для анализа трехфазных систем [5 - 11] - однозначно свидетельствует о влиянии аэрогидродинамической обстановки на значение Рк и однозначно необходимом повышении числа Яе, либо об уменьшении «времени обновления межфазной поверхности» в пенетрацион-ных моделях, что также достигается при возрастании числа Яе.
Увеличение межфазной поверхности S1J2 не столь безальтернативно, как увеличение Рк. Так рост S12 приводит к уменьшению размера дисперсии, услож-
няет разделение фаз и уменьшает число Яе, которое зависит от размера частиц (пузырей и т.п.). Кроме того, при увеличении S12 возрастает лапласовская составляющая давления в частице, что препятствует массопереносу в ней. Гидродинамическая обстановка определяется конструкцией аппарата.
Для проведения массообменных процессов в трехфазной системе в основном используется три типа аппаратов [24]: аппараты с фиксированной поверхностью межфазного контакта (пленочные, распылительные колонны); аппараты с контактной поверхностью, которая образуется при движении фаз (насадочные, тарельчатые колонны); аппараты с внешним вводом энергии (роторные аппараты, с мешалками, аппараты со статическими перемешивающими устройствами).
Аппараты первого типа имеют низкую удельную производительность на единицу объема аппарата. В аппаратах второго типа примерно 50% массопереноса осуществляется в период формирования дисперсии (капли, пузыри). К такому выводу можно прийти на основании модели Хигби. В этой связи создавать в аппарате «долгоживущие» дисперсии не целесообразно. Очевидно, следует осуществлять процесс в режиме инверсии фаз, когда непрерывно происходит обновление межфазной поверхности и поочередно каждая из фаз становится то дисперсной, то дисперсионной. Эти положения подтверждаются для колонных аппаратов в работах Кафарова [25], в которых установлено, что явления, происходящие в режиме инверсии фаз, обеспечивают интенсификацию процессов на порядок и более.
Устойчивый и длительный режим инверсии фаз можно организовать при введении в аппарат внешней энергии и поддержания высоких чисел Яе, поэтому аппараты третьей группы наиболее широко распространены, а кроме того большинство аппаратов второй группы имеют устройства для ввода внешней энергии. Тем не менее и этим аппаратам присущи недостатки. Они состоят в том, что при высоких значениях Яе введенная в аппарат энергия равномерно распределяется по объему аппарата, в то время, как основное сопротивление массопереносу сосредоточено в окрестности межфазной поверхности, куда и необходимо вводить энергию. В результате равномерного распределения инверсионный режим быстро затухает. В этой связи технологический КПД аппаратов мал, а затраты энергии на создание необходимых режимов существенно велики при резком увеличении гидравлического сопротивления аппарата. Таким образом, создается ситуация, когда рост коэффициентов тепломассопе-редачи существенно отстает от роста гидравлического сопротивления аппарата, что приводит к значительным энергозатратам при достижении цели. Следует отметить, что этот недостаток присущ практически всем вышерассмотренным категориям аппаратов, а также различной теплообменной аппаратуре.
Из вышеизложенного вытекает задача нахождения способов перераспределения энергии в пространстве и времени и «доставке» ее в заданные области. Эта задача технически может быть осуществлена при организации нестационарного движения в аппарате с проявлением инерционности. Для достижения необходимого эффекта нестационарное движение должно быть колебательным, то есть реализовываться много-
о
кратно. Неоднократно повторяющиеся разгонно-тор-мозное движение среды есть движение периодическое, пульсационное, которое в общем случае характеризуется изменением скорости и вектора ее направления, изменением давления.
Одним из методов организации пульсационной обработки гетерогенной среды есть использование пуль-сационных устройств при проведении тепло- массооб-менных процессов в аппаратах. Впервые предложение об использовании пульсационных устройств при проведении массообменных процессов было сделано Ван Дийком [26]. Внедрение в промышленную практику пульсационного метода обработки было сделано коллективом исследователей, возглавляемых С.М. Кар-пачевой [27 - 29]. В работах [30 - 32] представлены результаты лабораторных и опытно промышленных исследований процесса карбонизации содового раствора в производстве очищенного бикарбоната натрия. В лабораторных условиях получены экспериментальные результаты, которые свидетельствуют о существенной интенсификации процесса массопередачи. В опытно - промышленных условиях авторы не подтвердили эффекты, наблюдаемые при лабораторных исследованиях, что связано с ограниченностью технических решений при организации пульсационных режимов. Результаты вышеуказанных работ [26 - 32] имеют ярко выраженный эмпирический характер, ограниченность технических решений не позволяет создать на их основе методику, устанавливающую степень целесообразности применения пульсационных методов в каждом конкретном случае. В монографии [33] подробно на основе теории массопередачи и колебательного движения гетерогенной среды (жидкость - твердые частицы, жидкость - жидкость, жидкость - газ) показано, что организация пульсационного процесса должна быть более эффективной, чем стационарная. Исходя из модели локальной изотропной турбулентности Колмогорова [23] авторы получили зависимости:
(10)
Ртв - атв£ >Рж Иа ж£ >Рг - а Г
где атв, аж , аг - размер частиц;е - удельная скорость диссипации турбулентной энергии:
в,
.2/3
О
А&» ^^ 1 2 1
Р,£
2/3
'V"
1
(Ш) _ х
"N7 _
I Nudt
(ц) г
и,„
11 ^
и,
где при Яе/В4 ^ 161.6 Ш = 1.6-10"
/" \1-33
В1
Рг°-
г ч0.667
при Яе/В4 > 161.6 Nu = 0.4
Яе В1
рг°
Яе = |и1 -и,| А , Рг = , Ш = 11 21 V/ D1
и20 - скорость дисперсной фазы при отсутствии внешних гидродинамических воздействий; В4 - параметр, В1 е[0.7;1.0] ;
(11)
где V - объем аппарата;d - диаметр частиц;о - поверхностное натяжение; а,Ь - числовые коэффициенты; у - показатель степени, уе[0.2;1.0] .
На основании анализа этих зависимостей авторами [33] установлено, что безусловное увеличение массо-переноса при пульсационной организации процесса будет, когда сумма показателей степеней пары зависимостей из (10 и 11) окажется не меньше единицы. Авторы считают, что эти положения выполняются для систем, не склонных к расслоению фаз. Например для системы «жидкость - твердые частицы - газ» или «жидкость - твердые частицы» вышеприведенные условия могут быть иными.
Для оценки эффективности межфазного тепло-массопереноса в пульсирующем потоке авторами [33] получены соотношения:
2п .
- угловая скорость; t - время.
Соотношение (12) отражает изменение осредненно-го коэффициента массоотдачи при пульсациях смеси по сравнению со случаями чистого гравитационного ее осаждения или всплытия, а также характеризует увеличение времени пребывания пульсирующей смеси в колонном аппарате.
Эффект нестационарности и инерционности в гетерогенной системе можно достичь при движении закрученного потока по криволинейным каналам, или каналам, имеющим периодическое сужение-расширение по типу «конфузор - дифузор».
Привлекательность этого метода заключается в том, что отпадает необходимость вводить в аппарат специальные пульсационные устройства (поршневого типа, газоимпульсных непосредственного действия, с гибкой разделительной мембраной и т.п.), а кроме того этот метод дает эффект для всех типов гетерогенных систем, в том числе и для систем «жидкость - твердые частицы - газ».
Таким образом, изложенный метод более универсален, чем метод с использованием пульсационных устройств.
В работе [34] показано, что конструкция аппарата, имеющего последовательные периодические сужения типа «конфузор - дифузор» для системы «газ - жидкость» при значении Яе = 3.56404 позволяет интенсифицировать тепло- массобмен в 1,5 раза. Оценка проводилась по значению чисел № для аппаратов с гладкими стенами, и аппарата, имеющего сужения.
В работе [35] проведены исследования гидродинамики и интенсивности процессов тепло- массообмена в торообразном газожидкостном реакторе. Установлено, что криволинейная конфигурация камеры реактора позволяет интенсифицировать теплообмен. Показано, что коэффициент теплопередачи в торообразном реакторе в 3 - 3,5 раза выше, чем в прямотрубном реакторе такой же длинны.
При этом, как показано в работе [35], интенсивность увеличения коэффициента теплопередачи в 1,2 раза опережает темп роста гидравлического сопротивления аппарата, что свидетельствует о меньших энергетических затратах, которые необходимы для достижения эффекта.
Аналогичные эффекты подтверждаются и рядом зарубежных последователей [36, 37].
2
т =
0.6
У
О
Влияние конфигурации реакционной камеры на создание эффекта нестационарности процесса и достижения высокой интенсивности протекания тепло-массообменных процессов отмечается в работах [38 - 49]. В работе [38] исследовался процесс поглощения диоксида углерода растворами углеаммонийных солей в абсорбере змеевикового типа. Установлено, змееви-ковая конфигурация реакционной камеры позволяет дополнительно турбулизировать газожидкостной поток и существенно интенсифицировать массообмен-ный процесс.
Змеевиковая конфигурация аппарата, согласно
[39], позволяет интенсифицировать теплообмен за счет возникновения вторичных течений, вызванных изгибом камеры, и за счет немонотонного изменения осевого касательного напряжения в потоке. Работа
[40], посвященная исследованию турбулентной конвекции в спиральных изогнутых трубах, качественно подтверждает, что при Яе = (7.1...19)*103 интенсивность тепло- массообмена в несколько раз выше, чем в традиционных аппаратах.
Анализ работ [34 - 40] свидетельствует, что последний метод организации нестационарного движения потока в аппарате более прост и позволяет достичь высокой эффективности тепло- массообменных процессов в аппаратах по сравнению с классическими схемами.
Однако эмпирический характер этих работ не позволяет создать на их основе методику расчета и создания конструкции аппарата. Необходимы исследования для получения универсальных зависимостей, позволяющих рассчитывать тепло- массообмен в аппаратах и их гидродинамику.
3. Выводы
Если подытожить, то согласно анализу, проведенному выше, влияние эффектов нестационарности и инерционности на межфазовый перенос приводит к:
- обновлению межфазной поверхности, увеличению межфазной турбулентности, что увеличивает основные составляющие переноса в и S ;
- предупреждению проскока не прореагировавших частиц в аппаратах (предотвращение «туннельных» эффектов);
- перераспределению и концентрации вводимой энергии в пространстве и времени;
- видовой трансформации вводимой энергии (тепловой в механическую, кинетической в потенциальную);
- повышение производительности за счет формальной пульсационной организации процесса.
Следует считать перспективным достижение эффекта нестационарности и инерционности в гетерогенных системах за счет комбинации закручивания потоков и их движений по криволинейным каналам переменного сечения.
Исследования в данном направлении позволяют создать интенсивные массообменные аппараты, в которых можно достичь ситуации, когда темп роста коэффициентов тепло- массопередачи будет опережать темп роста гидравлического сопротивления аппаратов.
Литература
1. И.В. Мелихов, А.М. Кутепов. Наука о кристаллизации на
пороге третьего тысячелетия// Теоретические основы химической технологии.- 2001, т 35-№5- с 451 - 456.
2. Dinsmore A.D. Crocker J. Yodh A.G. Self assembly of coll-
oidal crystals// Curr. Opin. Colloid Interface Sci.- 1998-V3-№1 - P 5.
3. М.Г. Слинько. Некоторые тенденции развития теории хи-
мической технологии// Химическая промышленность.-2000-№2 (69)- с 3 - 8.
4. Б.Г. Покусаев. Процессы переноса в многофазной среде//
Теоретические основы химической технологии.- 2007 - т 41 - №1 - с 35 - 43.
5. Беляев Э.К., Томенко В.М. Некоторые вопросы карбо-
низации аммиачно-соляного раствора// Сб. Вопросы химии и химической технологии.- Харьков, В.Ш. - 19-78-в32-с 83-90.
6. Беляев Э.К. Основные направления интенсификации про-
цесса карбонизации в производстве очищенного бикарбоната натрия// Сб. Технология соды и содопродуктов. Тр. НИОХИМ - Харьков - 1980 - т 52 - с 74 - 84.
7. Шапорев В.П., Титов В.М., Лопухина О.А. и др. Пути ин-
тенсификации процессов массопереноса в барботажных колоннах (БСК) противоточного типа с контактными элементами перекрестноточного типа// Вестник ХГПУ
- Харьков - 1999 - в 33 - с 3 - 13 (сообщение 1), с 13
- 19 (сообщение 2).
8. Шапорев В.П., Титов В.М., Иванов Ю.А. Влияние на-
чального пересыщения на интегральные характеристики дисперсной фазы, осаждающейся в карбонизационной колонне содового производства// Вестник ХГПУ
- Харьков - 1999 - в 28 - с 49 - 56.
9. Шапорев В.П., Лопухина О.А., Иванов Ю.А. Моделирова-
ние процесса роста кристаллов из раствора кристалли-занта, образуемых взаимодействием солевых растворов с газообразным СО2// Вестник ХГПУ - Харьков - 1998
- в 25 - с 97 - 103.
10. Иванов Ю.А., Шапорев В.П., Титов С.В., Долкарт А.Ф. Исследование кинетики кристаллизации твердой фазы из пересыщенного раствора// Сб. Химия и технология производства основной химической промышленности. Труды НИОХИМ.- Харьков 1998 - т 61 - с 82 - 84.
11. Иванов Ю.А., Титов В.М., Шапорев В.П. К вопросу о влиянии поверхностно-активных веществ (ПАВ) на абсорбцию углекислоты и процесс кристаллизации NaHC03 в карбонизационной колонне (КЛ) содового производства// Вестник ХГПУ - Харьков - 1999 - в 66
- с 11 - 17.
12. Deckwer W.- D., Schumpe A. Blasensäulen. Erkennthisst-and und Entwicklung stendenzen// Chem. - Jng. - Tech.
- 1985 - 57 - № 9 - s 754 - 767.
13. O'Dowd W., Smith D.N., Ruether J.A., Saxena S.C. Gas and solids behavior in a baffed and un baflled slurry column// "AIChE Journal" - 1987 - 33 - № 12 - p 1959 - 1970.
14. Schumpe A., Deckwer W.- D., Nigam K., D., P. Gas - liquid mass transfer in three - phase fluidized beds with viscous
pseudoplastic liquids// Can. J. Chem. Eng. - 1989 - 67 - № 5 s 873 - 877.
15. O.A. Лопухина, В.П. Шапорев. Сравнительный анализ типовых промышленных аппаратов для процесса сатурации в свеклосахарном производстве// Интегрированные технологии и энергосбережение: Харьков
- НТУ ХПИ - 2002 - № 4 - с. 30 - 43.
16. Е.И. Далматская. Кинетика и статика карбонизации растворов силиката натрия// Сб. Работы по технологии производства наполнителя и адсорбентов минерального происхождения: Харьков Труды НИОХИМ - 1963 - т XV - с 83 - 96.
17. Е.И. Далматская. Исследование процесса карбонизации растворов силиката натрия/ Автореф. диссертации на соискание учен. степени к.т.н.: Харьков ХПИ - 1966
- 20 с.
18. А.Н. Козлов. Исследование гидродинамических и кинетических характеристик процесса карбонизации раствора силиката натрия в аппарате с подвижной насадкой/ Диссерт. на соиск. учен. степени к.т.н. по спец. 05.17.08: Харьков ХПИ - 1974 - 162 с.
19. В.П. Шапорев, Ф.А. Вахаб, О.А. Лопухина. Механизм и математическая модель процесса биологической очистки сточных вод от органических соединений в аэротенках// Восточно - Европейский журнал передовых технологий: Харьков. Технологический центр - 2004 - №2 (8) - с 45
- 52.
20. Вахаб Ф.А., Новожилова Т.Б., Шапорев В.П. Инженерные аспекты очистки сточных вод// Вестн. НТУ ХПИ: Харьков НТУ ХПИ - 2004 - №13 - с 57 -70.
21. Д.Ж. Астарита. Массопередача с химической реакцией. Изд. Химия. Л. - 1971 - 224 с
22. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Гидродинамика, мас-со-теплообмен в колонных аппаратах - Л. Химия - 1988
- 336 с.
23. Kawase Y., Moo - Young M. Mathematical models for desing of bioreactors applications of Kolmogoroffs theory of isotropic turbulence// Chem. Eng. J. - 1990 - 43 - № 5 - с B 19 - B 41.
24. В.В. Кафаров. Методы кибернетики в химии и химической технологии М. Химия - 1985 - 445 с.
25. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств. М. Химия, - 1982 - 228 с.
26. Трейбал Р. Жидкостная экстракция - М: Химия - 1966
- 724 с.
27. Карпачёва С.М., Захаров Е.И. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов - М: Атомиздат
- 1980 - 256 с.
28. Карпачёва С.М., Рагинский Л.С., Муратов В.М. Основы теории и расчёта горизонтальных пульсационных аппаратов - М: Атомиздат - 1981 - 192с.
29. Карпачёва С.М. Рябчиков Б.Е. Пульсационная аппаратура в химической технологии - М: Химия - 1983
- 224 с.
30. В.Г. Карпов, Л.П. Шапарева, В.Г. Гереминович и др. К вопросу о применении пульсационных колебаний в процессе карбонизации содобикарбонатного раствора// Сб. Интенсификация технологических процессов и аппаратов содового и смежных производств: Харьков Тр. НИОХИМ - 1983 - т LIX - с 35 - 40.
31. Шапарева Л.П. Серый Б.Г., Каршенбойм В.И., Карпов В.Г. Исследование процесса карбонизации содобикар-бонатных растворов в пульсационном режиме// Сб. Интенсификация технологических процессов и аппаратов содового и смежных производсв. - Харьков Тр. НИОХИМ - 1985 - т LX - с 42 - 46.
32. Шапарева Л.П., Письмен Л.М., Каршенбойм В.И., Карпов В.Г. Особенности кинетики процесса карбонизации содобикарбонатных растворов при наложении пульса-ционных колебаний// Сб. Процессы и аппараты производств основной химической промышленности: Харьков Тр. НИОХИМ - 1987 - т LXV - с 22 - 27.
33. А.И. Накорчевский, Б.И. Басок. Гидродинамика и тепло-массоперенос в гетерогенных системах и пульсирующих потоках: Киев Наукова думка - 2001 - 331 с.
34. Г.А. Ткач, В.П. Шапорев, Д.В.Маслов. Перспективные пути интенсификации теплообменных процессов// Сб. Экология химической техники и биотехнологии: Харьков ХГПУ - 1996 - т.1 - с 96 - 98.
35. В.П. Шапорев, Г.А. Ткач, И.В. Хитрова, С.А. Минек. Экспериментальное исследование тороидального реактора с закруткой потоков// Вестник ХПИ - 1989 - в 2 - № 269 - с 37 - 41.
36. Gaur Y.N., Menta D.M. Viscous fluid flow and heat transfer in a circular wavy tube// "Indian J. Techol." - 1984 - 22
- № 3 - s 81 - 85.
37. Rocha F.A.N., Guedes de Carvalno J.R.F. Absorption during gas injection through a submerged nozzle. Part II Interfacial aress// Chem. Eng. Res. and Des. - 1987 - 65- № 3 - S 279 - 284.
38. Каганский И.М., Андрианов Ю.И., Лозовский А.А. и др. Поглощение диоксида углерода растворами углеам-монийных солей в абсорбере змеевикового типа. Одес. политехнический ун-т - Одесса - 1989 - 16 с Деп. в УкрНИИНТИ 24.10.89. № 2256 - Ук 89.
39. Padmanabhan N. Entry flow in heated curved pipes// Int. J. Heat and Mass Transfer - 1987 - 30 - № 7 p. 1453 - 1463.
40. Chavez M., Zhixue W., Sen M. Turbulent convection in helicoidal tubes// Wärme - und Stoffübertrag - 1987 - 22
- № 1 - 2 - s 55 - 60.
