CC BY
29
Восточно-Европейский журнал передовым технологий
----1
ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ЭКОЛОГИЯ
I-----
Дослгджено характеристики парогазовог фази в умовах кавтацшного перемшуван-ня. На основi отриманих експерименталь-них даних визначеш коефщенти масовiддачi nid час розчинення дифузшно контрольова-них моно- i полидисперсних об'eктiв для рiз-них умов проведення процесу. Обгрунтовано мехатзм ттенсифшацй
Ключовi слова: розчинення,гiдродинамiч-на кавтащя, парогазова фаза
Исследованы параметры парогазовой фазы в кавитационном режиме перемешивания. На основе экспериментальных результатов определены коэффициенты массоотдачи при растворении диффу-зионно-контролируемых моно- и полидисперсных объектов при различных условиях процесса. Предложен механизм интенсификации
Ключевые слова: растворение, гидродинамическая кавитация, парогазовая фаза □-□
Parameters of steam-gas phase under cavitation mixing are investigated. According to the following experimental data the mass transfer coefficients are determined during the dissolution of mono-andpoly-dispersed objects under various conditions of the process. The mechanism of intensification is substantiated
Кеу words:dissolution, hydrodynamic cavitation, steam-gas phase
УДК 532.528
ВПЛИВ ПАРОГАЗОВОТ ФАЗИ НА К1НЕТИКУ РОЗЧИНЕННЯ В УМОВАХ КАВ1ТАЦМ
Т.М. В i т е н ь к о
Кандидат технических наук, доцент Кафедра обладнання харчових технолопй Терноптьський державний техычний уыверситет ii^m
1вана Пулюя
вул, Руська 56, м. Тернопть, УкраТна, 46000 Контактний тел.: 8 (0352) 25-17-89 E-mail: vitenko@tstu.edu.ua
Я.М. Гумницький
Доктор техычних наук, професор Кафедра екологп i охорони навколишнього середовища Нацюнальний уыверситет "Львiвська пол^ехшка" м. Львiв-13, УкраТна, 79013
1. Вступ
В чисельних наукових публжащях, що присвяче-ш використанню кавиацп як методу штенсифжацп технолопчних процеив хiмiчноi, хiмiко-фармацев-тично1 i харчовоi промисловостей, [1-4] пояснення мехатзму впливу кавiтацiйного поля на технолопч-нi середовища Грунтуеться на кумулятивнш гiпотезi згiдно якоi в заключнш стадii сплескування кавиа-цшних бульбашок виникають мiкроструминки висо-кого енергетичного потенщалу. Вони впливають на поверхню розподiлу фаз, тобто руйнують ii границi з утворенням емульсп [5-7].
В наукових монографiях [8-10] штенсифжуюча дiя пояснюеться виникненням ряду ефекив, а саме: пульсуючими тисками (порядку 103-104 атмосфер) i хвилями розрщження-стиснення при пульсацii па-рогазових бульбашок; утворенням кумулятивних
струминок; фазовими переходами, що вщбуваються на поверхш бульбашок; пульсацiею температури; утворенням турбулентних зон; хiмiчними перетво-реннями. Внаслщок таких явищ створюються умови для штенсифжацп масообмiнних процесiв розчинення, що вщносяться до дифузшно-контрольова-них процеив.
У попереднiх дослiдженнях авторами [11] було встановлено штенсифжащю розчинення в умовах ка-вiтацiйного перемшування i запропоновано механiзм iнтенсифiкацii процесу, значну роль в якому выводиться ефектам пов'язаним iз зародженням, пульсащ-ею i сплескуванням парогазово'Т фази.
Тому метою роботи було експериментальне до-слiдження характеристик парогазово'Т фази в умовах кавiтацiйного перемшування, та обгрунтування и iнтенсифiкуючоi дп на дифузiйно контрольованi про-цеси розчинення.
2. Експериментальш результати та ¡х обговорення
Дослщження проводили у пристро! динамiчного типу найпростiшоi конструкцii, що являе собою висо-кооборотну мiшалку, d 4 робочi функцп в якш виконуе крильчатка з клиновидним проф^ем [12]. Кiлькiсть обертiв крильчатки змшювали вiд 50с-1 до 100с-1, що вщповщае кавiтацiйному режиму перемiшування.
Використання цифрово! зйомки дозволило при-близно ощнити розмiри кавiтацiйних бульбашок шляхом замiру дiаметрiв dб i визначити середньоста-тистичне значення. Отримаш результати показали ршт i сплескування парогазових бульбашок лише при значенш питомо! введено! енергп е>е.кр (47Вт/дм3). Таке значення енергп ввдповщае швидкостi обертання крильчатки п=50с-1. В такому режимi перемiшування розмiри парогазових бульбашок знаходились в межах 0,810-3м <dб< 1,410-3м. При б^ьших значеннях е дiа-метр бульбашок був шакшим. На рис.1. представлено фото фрагменту робочо! дiлянки, а середньостати-стичне значення дiаметрiв парогазових бульбашок dб в залежностi вщ числа кавiтацii оа у табл.1. Безрозмiр-ний параметр о а характеризуе режим перемiшування в умовах кавиацп i використовуеться для моделюван-ня кавiтацiйних процесiв [9].
Фотографування проводили при десятикратному зб^ьшенш. Як видно з наведено! фотографы, спостерь гаються достатньо однаковi критичш розмiри бульбашок. В кожному експерименп пiдраховували кiлькiсть бульбашок i визначали об'ем.
F(d) =
д-41
де а - е вибiркова середня, о2 - виправлена вибiр-кова дисперсiя.
Р^-К?
8,0
6,0
4,0
2,0
1
4 \ 3 Г /ч 2 Г 1 г
№ 1
) Л Т/ 1 у
0,5
1,0
1,5 с!' 10*,м
Рис. 2. Функцп розподiлу парогазових бульбашок в залежносп вiд Тх дiаметрiв для значень числа кав^аци оа: 1 - 1,6; 2-0,95; 3-0,6; 4-0,42
Для кожного випадку визначили значення а i о2 . На основi цих даних були отримаш рiвняння теоретичних кривих розпод^у F(d) розмiрiв бульбашок для рiзних режимiв перемiшування у виглядк
(а-1,2ио-3)2
1 1 «0.1 п-8
для о„ =1,6 : М) =-т е
^ - V / 2,3 ю-3
для о к =0,95: f(d) =
для о а =0,6: =
1
3,08 10-
(а-8,58-10-4 )2 _±_„ 4,5610-9
для о к =0,42: =
1,095 101
(а-7,9-10-4)2
1,56 10-
Рис. 1. Фото частини робочого об'ему при значены е=84 Вт/дм3
Спiвставлення цього об'ему iз об'емом парогазово! фази (визначали за рiзницею висот парогазорiдинноi сумiшi у апаратi), дозволило пiдрахувати загальну юльюсть бульбашок. Функцп розподiлу бульбашок за розмiрами показано на рис.2. На основi експеримен-тальних даних були отримаш пстограми, якi апрокси-мували аналiтичним виразом. При цьому проводили перевiрку гiпотез про закон розпод^у бульбашок за розмiрами за допомогою критерiю Пiрсона %2. З до-статньою достовiрнiстю у в«х експериментах склад бульбашок описувався нормальним розпод^ом [13]
Як видно з рисунка 2, теоретичш кривi задовiльно описують реальний розподiл бульбашок за розмiрами. Порiвняння одержаних даних з результатами пред-ставленими в робой [14] щодо розмiрiв кавггацшних бульбашок залежно вiд числа кавиацп оа свiдчать про задовiльну схожiсть. Оскiльки за результатами ще! роботи при оа =0,1-0,5 (е=100Вт/дм3) розмiри парогазових бульбашок знаходяться в дiапазонi dб=-0,3-0,5мм (в наших дослiдженнях d1 = 0,6±0,05 мм), при оа =1-5 (е=47 Вт/дм3) dб=0,8-5мм, вiдмiчаеться присутнiсть також дрiбних мiкробульбашок з dб=0,2-0,3мм (в наших дослщженнях d1 = 1,3 ±0,05 мм).
Таблиця 1
Залежнють середньостатистичних розмiрiв кавiтацiйних бульбашок dб вiд числа кавiтацiТ (оа обраховано на вщстаж R вiд осi)
Число кав1тацй (о „ ) 1,6 0,95 0,6 0,42
аб103, м 1,2 ± 0,2 1,16 ± 0,2 0,85 ± 0,2 0,8 ± 0,2
(1)
Залежнiсть об'ему парово! фази ф вiд введено! пи-томо! енергп е показано на рис.3.
(а-1,17-10-3)2
-8
е
7,74-10-9
е
е
о
ф=
V
Vnrc + Vp
(2)
де Vnrc - об'ем парогазорщинно' сумiшi; Vp-об'ем рiдини.
Слiд вщмиити, що в умовах iнтенсивного кавиа-цiйного перемiшування при наявностi в^ьно' поверх-ш вiдбуваeться захоплення газово' фази в рiдину по-ряд iз дегазацieю внаслiдок руйнування кавиацшних парогазових порожнин (рис.3., крива 1).
<р,%
, Вт/дм3
Рис. 3. Парогазовмют системи в залежносп вiд е:1— в умовах захоплення пов^ря в систему; 2—в умовах iзоляцiï системи вiд повiтря
Вплив газово' фази, що потрапляе у рщку фазу внаслiдок iнтенсивного перемшування i парогазово' фази, генеровано' кавггащею на твердi частинки рiз-ний. Тому додатково проводили дослвдження в умовах iзоляцiï рiдини вiд газово' фази. Для усунення засмок-тування повггря з незаповненого рiдкою фазою об'ему використовували легку рухому кришку, яка iзолювала рiдку фазу вщ газово! Результати показали значне зменшення об'ему парогазово' фази (рис.3., крива 2). В цьому випадку вмкт бульбашок також не складаеться лише з пари, осюльки з одше' сторони бульбашка фор-муеться на газовому зародку, що метиться в рщиш, а з другоТ сторони вщбуваеться часткова десорбцiя газу в об'ем бульбашки.
Роль паровоТ фази важлива при розглядi штен-сифжуючо' дп кавiтацiï. З точки зору гетерогенних масообмшних дифузiйно контрольованих процеив розчинення, що вiдбуваються безпосередньо у при-строТ ïï iнтенсифiкуюча дiя полягае у тому, що буль-башки пари рухаються по всьому об'ему пристрою i створюють на вiдмiну вiд рiзного виду коливань чи барботування повирям, однаковi умови у всiх точках рщини. Проходячи бiля частинки, контактують з нею, руйнують сформований дифузшних шар, масовiддача у якому вщбуваеться за рахунок малоефективно' мо-лекулярноТ дифузiï. З iншого боку парова фаза зарод-жуеться i на частинщ. Вона безпосередньо впливае на пограничний дифузшний шар як шляхом зовшшнього перемiшування так i з середини, зароджуючись безпосередньо на поверхш частинки.
Розглянувши графiчну залежшсть середньоста-тистичних розмiрiв паровоТ фази вщ введено' енергiï (рис.4.) отримали аналиичну залежнiсть для дослщ-жуваного дiапазону 47Вт/дм3<е<100Вт/дм3 , яку мож-на описати математичним виразом
d6= 0,0028 ■ e-00143e
Степiнь достовiрностi становить R2=0,86. d6 • 103, м
1,3 1,1 0,9 0,7
(3)
Е, Вт/ДМ
Рис. 4. Залежнiсть середньостатистичних розмiрiв парогазово'| фази вiд енерги е
Об'ем парогазовмкту можна оцiнити для такого самого дiапазону е за наступною залежнiстю (рис.3)
ф = 14.9 ■ e0
(4)
Степiнь достовiрностi R2=0,919.
Для аналiзу ступеню впливу парогазово' фази на штенсившсть процесу було розраховано можливий ввдривний дiаметр бульбашки. Для цього використали залежшсть, наведену у робоп [15]
d ■ = Ы-6^
g(Pж -Ри)
(5)
В цш залежностi do являе собою ввдстань мiж нерiв-ностями на твердш поверхнi, що становлять декiлька мжрон, коефiцiент к приймають трохи меншим за оди-ницю. Пiдрахунки показують, що навггь для d0=1■10-6м i к=0,9 вiдривний дiаметр становить dвiд=3,17мм, а зафж-сованi найбiльшi експериментальш значення бульбашок меншi 1,4мм. Це означае, що ймовiрнiсть вiдриву бульбашок мшмальна. Отже, до особливостей кавгтацшного паротворення слiд вiднести i той факт, що сплескування парово' фази вiдбуваеться дуже швидко i викликаеться розрiдженням в паровiй фаз! Цим кавiтацiя вiдрiзня-еться ввд процесу паро- або газоутворення на твердш поверхш при кипшш рвдини або при хiмiчних реакщях, що супроводжуються видiленням газу. В останшх випадках парогазова (газова) фаза ввдриваеться вiд твердо' поверхш тiльки пiсля досягнення вiдривного дiаметра.
Парогазова фаза може спричиняти як позитивний, iнтенсифiкуючий вплив, так i негативний. Це буде за-лежати ввд спiввiдношення розмiрiв парогазово' фази i твердо'. Для встановлення вiдповiдних закономiрно-стей проводили дослiдження з використанням моно- i полiдисперсних сумiшей хлориду натрж i природного гiпсу, яю складались з частинок з розмiрами вiд 0 до 4мм для розчинення у дистильованш водi. Методом ситового аналiзу були визначенi масовi частки вщпо-вiдних фракцiй для полщисперсно' сумiшi. Розгляда-лися варiанти тривалостi обробки: 60 - 420с.
З метою вивчення ступню впливу парогазово' фази на штенсившсть розчинення проводились дослщжен-ня в умовах iзолювання вшьно' поверхнi рiдини. Ре-
0
зультати досл1джень розчинення твердих частинок в р1зних умовах представлен у табл.2. Коефвденти масовщдач! в визначали за р!внянням
| F(т)dт
Р =
V -(с -Со) .-(с.-С)-Ат
F„
(6)
де Ск -кшцеве значення концентрацп сол1 у вод!, кг/м3; С0 -початкове значення концентрацп сол_1_ у вод!, кг/м3; С5 -концентращя насичення, кг/м3, С -усереднене значення концентрацп, кг/ м3.
Анал1з цих даних показуе, що основний вплив на штенсившсть розчинення здшснюе саме парогазова фаза генерована кавгтащею.
Таблиця2
Розрахунковi значення коес эiцieнтiв масовiддачi
CaSO4■2H2O (5 =3мм) NaCl ( 5 =3мм)
Вт/дм3 Розчинення в умовах контакту рщко! фази з пов1трям Розчинення в умовах ¡золяцй р1дко! фази вщ доступу пов1тря Розчинення в умовах контакту рщко! фази з пов1трям Розчинення в умовах ¡золяцй р1дко! фази в1д доступу пов1тря
в , м/с в , м/с
47 1,4410-4 1,5210-4 1,86 10-4 1,923 10-4
77 1,5810-4 1,7710-4 2,17 10-4 2,23110-4
84 1,82 10-4 1,910-4 2,29 10-4 2,359 10-4
90 1,910-4 1,9610-4 2,44 10-4 2,455 10-4
При розрахунку для полщисперсно! сум1ш1 при-ймались наступш допущення: для вщзначених рашше фракцш знаходився розпод1л частинок за розм1рами F(m0) = ф(d) ; на невеликих пром1жках часу коефвдент масовщдач! мае постшне значення. Це дозволяе при-йняти, що змша д1аметра частинок для вах фракцш буде однаковою.
Змшу розм1р1в частинок при розчиненш визначали на основ! р1вняння матер1ального балансу
ДМ = ДМ4+ДМ2 +ДМ3 +ДМ 4 = V(C2-С1),
(7)
де ДМ -змша маси в«е! наважки за пром1жок часу Дт , кг; ДМ! - змша маси кожно! з фракцш за пром1жок часу Дт , кг; V -об'ем рщко! фази, м3; С4,С2 - б1жуч1 концентрацп у розчиш, кг/м3.
Виразивши ДМ через д1аметр частинок, було одержано р1вняння для визначення Дd . Так розрахунки проводилися для вах пром1жк1в. Дал1 зпдно р1вняння (8) були розраховаш середш д1аметри di через таю ж штервали часу
5, = ■F(m1)++ аз,■F(m3) + 54^(т4) , (8)
де di -усереднеш д1аметри частинок кожно! з фракцш, м; F(mi) -масов1 частки окремих фракцш полщи-сперсно! сум1ш1.
На наступному етат встановлювали середню пло-щу поверхш масообмшу 1 за р1внянням (6) розрахову-вали усереднений коефвдент масовщдачь Значення середньо! плошд поверхш розчинення визначали за р1внянням
F =-
ср
За значенням середньо! плошд поверхш знаходили усереднене значення концентрацп С що ввдповщало значенню т ср. Значення в залежно вщ режиму роботи установки для моно- 1 полщисперсних сум1шей представлен! на рис. 5.
• 10,м/с-
3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
0
3,5 d • 103м
Рис. 5. Залежнiсть коефiцieнтiв масовiддачi вiд розмiру частинок в умовах кав^ацшного перемiшування: 1-е =47Вт/дм3; 2- е =77Вт/дм3; 3- е =84Вт/дм3, 4- е =90Вт/дм3; Д — значення коефщieнтiв для полщисперсно! сумiшi, що вщповщае дiапазону енергiй 47Вт/дм3е <90Вт/дм3
Крив! 1, 2, 3, 4 вщповвдають значенням коефщь ент1в масоввддач! для монодисперсних сумшей при розчиненш в д1апазош споживано! питомо! енергп 47Вт/дм3 £ <90Вт/дм3, точками Д позначен! значення коефвденпв для полщисперсно! сумш! з розм1рами частинок в межах 0^<4мм (dсp=2мм). Щкаво по-р1вняти значення коефвденив масовщдач! для поль дисперсних в ! монодисперсних ансамбл!в. В умовах коли £ >47Вт/дм3 найменший коефвдент масовщдач! спостер1гаеться для частинок з розм1рами 0,5мм, а найбшьший для 1,5мм. Пор1вняемо розм1ри частинок ! розм1ри парогазово! фази в цьому д!апазош значень енергп.
Як показали попередш дослщження розм1ри буль-башок пари dп можуть бути приблизно однаковими з д1аметром найменших частинок, або бшьшими за них. Це створюе умови для !х повно! екрашзацп на нетрива-лий час. В той же час така екрашзащя неможлива для частинок бшьших д1аметр1в, що знаходяться в межах 1,5-3,5мм. Тому максимальш значення коефвденпв в д!апазош кавиацшного перемшування перемщуеть-ся до д1аметр1в з розм1рами dч=1,5мм для яких умови перемшування ! екранування сприяють отриманню максимальних значень в . Для частинок з розм1рами 2,5^ч<3,5мм кшьюсть бульбашок по вщношенню до одиниц! поверхш розчинення буде менше, ! вщповщ-но, значення в менше. Для ансамблю частинок по-лщисперсного складу величини усереднених значень коефвденпв масовщдач! в займають пром1жне поло-ження м1ж значеннями справедливими для д1апазону енергш 47Вт/дм3 £ <84Вт/дм3.
Як було зазначено вище, кавиащя змшюе ф1зико-х!м!чш властивост! середовища, що е суттевим для
т
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
кшетично контрольованих процеав. Для вивчення питання впливу вщповщних змiн розчинника була проведена наступна серiя дослiджень по розчиненню частинок гiпсу i хлориду натрт з розмiрами d =3мм у дистильованiй i попередньо обробленш (активованiй) у кавiтацiйному пристро' динамiчного типу на протязi 2хв., при t=20°C води. Швидкiсть обертання крильчат-ки у в обох випадках становила 16,6с-1 (турбулентний режим). Результати представлен у табл.3.
Таблиця 3
Експериментальш значення масообмшних коефщieнтiв
в, м/с CaSO4-2H2O NaCl
Необроб- лений розчинник Оброб-лений розчинник Необроб- лений розчинник Оброб-лений розчинник
5,04-10-5 5,38-10-5 7,201-10-5 7,681-10-5
З цих даних слщуе, що при дифузшно-контро-льованому процесi розчинення хiмiчнi процеси, що iнiцiюються ефектами гiдродинамiчноï кавiтацiï не суттево впливають на кшетику процесу.
Висновки
Дослiджено характеристики парогазовоТ фази в умовах кавиацшного перемiшування, якi дозволили обгрунтувати механiзм iнтенсифiкуючоï дiï гвдро-динамiчноï кавiтацiï у дифузiйно- контрольованих процесах розчинення. Встановлеш кiнетичнi зако-номiрностi процесу розчинення, будуть корисними у прогнозуванш i визначеннi основних параметрiв процесу.
Лiтература
1. Кнепп Р., Дейли Дж., Хэмлит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 687 с.
2. Пирсол И. Кавитация. - М.: Мир, 1975. - 94 с.
3. Перник А.Л. Проблемы кавитации. - Л.: Судостроение, 1966. - 439 с.
4. Федоткин И.М. Исследованные процессы и установленные эффекты. В 4 т. - Киев: Химджест, 2000. - Т.1. - 290 с.
5. Федоткин И.М. Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процесах. - Киев: Высшая школа, 1986. - 67 с.
6. Ельпинер И.Е. Ультразвук: Физико-химическое и биологическое действие. - М.: Физматиз, 1963. - 426 с.
7. Есиков С.А. Гидродинамические характеристики супер-кавитирующих реакторов для кавитационной обработки питательной воды диффузионных аппаратов свеклосахарного производства: Дис... канд. техн. наук: 05.17.08. - Красноярск, 1987. - 210 с.
8. Федоткин И.М., Гулый И.С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (Теоретические основы производства избыточной энергии, расчет и конструирование кавитационных теплогенераторов). Часть II -К.: АО "ГЛАЗ", 2000. - 898с.
9. Исаков А.Я. Исследования гидродинамических особенностей кавитации в аппаратах с быстроходными перемешивающими устройствами: автор. дис. канд. тех. на-ук.-Владивосток, ЛТИ, 1977. - 17с.
10. Балабудкин М.А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности.-М.: Ме-дицина,1983.-160 с.
11. В1тенько Т.М. Гумницкий Я.М. Мехашзм, кшетика та ¡нтенсифжуюча д1я пдродинашчно!' кав1тацй при роз-чиненш твердих речовин.//Науков1 пращ Одесько' на-цюнально' академй харчових технологш, №32 - Одеса, 2008.-С.28-34.
12. В1тенько Т.М. Розподш енергй при активацй води в умовах кав1тацшного перем1щування// Вюник Тернотльського державного техшчного ушверситету, - Тернотль, 2006, т. 11, №, 4, С. 214-219.
13. Гмурман В.Е. Теория вероятности и математическая статистика.- М.: Высш. шк., 1977.-479с.
14. Матиящук А.М. 1нтенсифжащя процеав очищення ди-фузшного соку цукрового виробництва ¡з застоаванням кав1тацй. Дис. на соиск уч. степ. кан. техн. наук., Киев, НУПТ, 2000.-145с.
15. Кошкин В.К., Калинин Э.К, Дрейцер Г.А. Ярхо С.А.Не-стационарный теплообмен, М. Машиностроение, 1973.-378с.
