автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процесса диффузии генерацией вихрей на примере экстракции в системе керосин-уксусная кислота

На правах рукописи

КАСАТКИН ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РГб ОД

2 - ПНТ 2000

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИИ ГЕНЕРАЦИЕЙ ВИХРЕЙ НА ПРИМЕРЕ ЭКСТРАКЦИИ В СИСТЕМЕ КЕРОСИН - УКСУСНАЯ КИСЛОТА -

ВОДА

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2000

Работа выполнена в Московском Государственном университете инженерной экологии.

Научные руководители:

академик, доктор технических наук, профессор Кутепов Алексей Митрофанович; кандидат технических наук, доцент Соловьев Анатолий Викторович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Классен Петр Владимирович; доктор технических наук, профессор Дильман Виктор Васильевич.

Ведущая организация

Государственный научно-исследовательский институт реактивов и особо чистых веществ.

Защита диссертации состоится д/^Ф/ГЯ 2000 г. в^ час на заседании диссертационного совета К063.44.04 в Московском Государственном университете инженерной экологии по адресу: 107884, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат диссертации разослан 2000 года

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Т.Н.

к МТь.нА — Л - О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Практически во всех основных процессах химической технологии в том или ином виде происходит перенос вещества. Одним из способов интенсификации массопереноса в гетерогенных системах газ (пар) - жидкость, жидкость - жидкость является проведение процесса в режиме гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности, что при определенных условиях приводит к образованию поверхностных вихревых структур. Вследствие интенсивной мелкомасштабной конвекции вблизи межфазной границы происходит ускорение массопереноса как раз в области, которая обычно лимитирует процесс переноса вещества. В этой связи исследование влияния вихрей на диффузию и разработка новых способов генерации вихревых потоков является актуальной.

Цель н задачи работы. Целями работы являются теоретическое и экспериментальное исследование влияния вихрей на диффузию и разработка способа генерации вихрей на границе раздела фаз с применением лопастного вибратора.

Для достижения этого сформулированы следующие задачи:

- Учесть в дифференциальном уравнении конвективной диффузии дополнительное слагаемое, обусловленное завихренностью движущегося потока.

- Разработать макет установки для генерации вихрей на границе раздела фаз с малым гидравлическим сопротивлением.

- Провести серию экспериментов по экстракции в системе керосин -уксусная кислота - вода на вибрационной установке для оценки правильности теоретических выводов.

Научная новнзна.

- Построена математическая модель массопереноса в завихренной зоне.

- Получено дифференциальное уравнение, описывающее влияние вихрей на диффузию.

- Выведен критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию.

- Предложена методика экспериментального определения скорости переноса распределяемого компонента в зависимости от интенсивности вихрей.

- На примере процесса экстракции уксусной кислоты из керосина в воду показано влияние вихрей на диффузию.

Практическая ценность.

- Обоснована теоретически и подтверждена практически возможность интенсификации массообмена с помощью генерации вихрей механическим вибратором.

- Создана конструкция вибрационного перемешивающего аппарата с малым гидравлическим сопротивлением.

- Получены экспериментальные данные о повышении скорости переноса распределяемого компонента в системе жидкость - жидкость путем генерации вихрей на границе раздела фаз.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 47-ой научно-технической конференции МГАХМ (г. Москва, 1997), и опубликованы в следующих работах: Соловьев A.B., Чепура И.В., Кутепов A.M., Касаткин Д.В. Влияние вихрей на массоперенос // Тр. МГАХМ. — 1997. Вып.1. -С. 14-15; Соловьев A.B., Чепура И.В., Кутепов A.M., Касаткин Д.В. Различие механизмов переноса в потенциальной и вихревой зонах течения // Хим. пром. -1997. - №8. - С.541-545; Кугепов A.M., Соловьев A.B., Чепура И.В., Касаткин Д.В. Критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию. // Химическая гидродинамика и теоретические основы нелинейных химико-технологических процессов / Под ред. академика РАН A.M. Кутепова. - М.: МГУИЭ 1998. - С.110-113; Касаткин Д.В., Кутепов A.M., Соловьев A.B. Влияние вихрей на диффузию в системе вода-керосин-уксусная кислота // Тр. МГУИЭ - 1998.-Т.Н.-С.17-21.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит го введения, 3-х глав, основных выводов и результатов, общим объемом 118 страницы (в том числе 16 рисунков, списка литературы in 114 наименований) и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, изложено её краткое содержание, сформулированы цель исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы интенсификации массопереноса в гетерогенных системах газ (пар) - жидкость, жидкость — жидкость. Рассматриваются способы и устройства для реализации этого процесса. Анализ позволил установить, что проведение процесса массопереноса в режиме гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности при определгнных условиях приводит к образованию поверхностных вихревых структур. Вследствие интенсивной мелкомасштабной конвекции вблизи межфазной границы происходит ускорение массопереноса как раз в области, которая обычно лимитирует процесс переноса вещества. Отмечена недостаточная изученность явлений и ограниченность экспериментальных данных по исследованию процессов, протекающих в этой области. Проведен анализ теоретических работ, посвященных описанию закономерностей явлений, которые наблюдаются на межфазной поверхности. Осуществлен анализ литературных данных о возможности применения вихревых потоков для интенсификации процессов в химической технологии. Установлено, что экспериментальные данные по воздействию вихревого потока на массообменные процессы на поверхности раздела фач недостаточны. По результатам анализа сформулированы задачи исследования.

Во второй главе изложены теоретические основы движения

распределяемого компонента, выявлено влияние на диффузию характера движения частиц среды носителя, выведено уравнение конвективной диффузии в завихренной зоне и получен критерий подобия.

Если исходить ю модели вихря Рэнкина, принимаемой для приближенного описания окружного течения в смесителе, то явное различие между центральном и периферийной зонами течения заключается в характере движения частиц жидкости. В потенциальной зоне частицы перемещаются лишь поступательно, а в вихревой еще и вращаются. Очевидно, это должно сказаться на механизме переноса распределяемого компонента. В силу этого диффузия в ядре вихря должна принципиально отличаться от диффузии в периферийной зоне. Чтобы выявить, каково влияние на диффузию самого характера движения частиц среды, нужно исходить из определенного понятия "частицы жидкости". Однако в гидродинамической литературе отсутствует четкое определение жидкой частицы. С одной стороны она рассматривается как геометрическая точка, поскольку диаметр ее стремиться к нулю, с другой как конечный объем, содержащий множество молекул ее образующих.

При изучении течения жидкости на основе уравнений движения рассматривается лишь перемещение геометрических точек. Очевидно, при этом игнорируется тот факт, что каждая такая частица - система, состоящая из молекул. При исследовании движения распределяемого компонента такой подход может оказаться ущербным.

Действительно, уравнение конвективной диффузии учитывает только два фактора, влияющих на движение молекул компонента: хаотическое движение и упорядоченное поступательное движение со скоростью у. Фактически уравнение конвективной диффузии не учитывает влияния на молекулы распределяемого компонента вращательного движения частицы. В потенциальной зоне такой подход, конечно, не приводит к каким-либо ошибкам. Однако игнорирование непосредственного влияния ротора скорости на диффузионный процесс в вихревой зоне, неправомерно. Запишем уравнение

движения Навье-Стокса, в которое rot у входит в явном виде:

pi — + rotv xt/l

+ gradII + /irotroty = 0'

где

2

В потенциальной зоне rot¿7 s 0, и уравнение Навье-Стокса превращается в уравнение Эйлера. Следовательно, вихревая зона отличается от потенциальной зоны наличием дополнительных силовых полей

F, =р(rotvxD) и F2 = //rotrotü Если на диффузию накладывается воздействие внешнего силового поля, то для учета его влияния к плотности диффузионного потока добавляется слагаемое пропорциональное действующей силе. Исходя из этого, уравнение конвективной диффузии запишется в виде:

—+ (ügradC) + Bdiv(CF) = DAC (2)

дх

где

F = F, + F2

Из уравнения (2), учитывая, что <Цу Р2 =0, получим векторное уравнение конвективной диффузии:

^ + (у^гааС) = ОДС + В/ф[(гогй)2 -(у-го^й)]- (3)

-[(го1ух1')+уго^О^^^С} В частном случае для цилиндрической системы координат уравнение (3) запишется в виде:

1 (дС дС V дС дС - -+ уг-+—-+ у„-

Вр{дт дг г д<р дг, 1 д2С д2С

+ С

Р

Врт

\диг дур

£-{гЁ£) дт\ дг

+—

\2

^Г д<р

-с1,

дг

' -2,

Г дуг дуг [дг дг

г д(р* 2

- + Г-

дг1

(дгу9 да^2

дг д(р

дгд(р д<р2

д\ д2ух

дг2 дгдг

+ у„

1 д2уг д2уа

г д<рдг дг2 дг

-—А дут дх)*

г дг ( дг дг

1 <?гуА д (\дуг

Г дг ) дг\г дер

1 д2иг + 1 ¿>\"

г д<р г д<рдг

(диГ ду

—---- \-ьт

дг дт 9

-V,

1 Зту9 1 дут г дг г д(р

Г\диг ¿V

г д<р дг )

\дгу9 1 ду/

г дг г д<р ^

'\дуг диЛ ^ (дуг дУг

г д(р дг) дг дг

Гдггу„ д2у/ ^ дгд/р д(р2

— г

'д2уг д2у,

дг2 дгдг

дС 1 д2ьг ' д2у<? д (1 ¿>п>^ \ д (\дУг\

д<р г дердг дг2 дг г дг 1* ь [г д<р)

дС ' дг

дг

дуГ дуг дг дг

г д(р дердг

(4)

Рассмотрим массообмен в условиях вихря Рэнкина. В этом случае внутри

ядра вихря, отличной от нуля является только у^ составляющая скорости.

Скорость I) изменяется только в направлении г. Изменение концентрации в

направлении (р равно нулю. Если учесть эти условия, то уравнение получим в виде:

1 дС

Вр дт Врт

дг

' дС\ д2С г— +г

дг) дг2

+ С

1

дг

9 дг

1

г дг

дС 1 дп)а

дг 9 г дг

(5)

Из наблюдений различных исследователей выполнявших эксперименты по окрашиванию ядра вихря видно, что в начальный момент времени градиент концентрации в направлении радиуса равен нулю. Если учесть, что вращение в ядре квазитвердое, то дифференциальное уравнение массопереноса в условиях вихря Рэнкина запишется в виде:

дС „д2С 2 (б)

дт дг1

где 6 = ЛрВ

Выполняя в уравнении (6) подстановку (7):

С - Се5®**

где С - новая искомая функция.

Получим уравнение молекулярной диффузии.

(7)

дС

дт ~°дг2

(В)

Следовательно, С описывает изменение концентрации при молекулярной диффузии. Итак, высказанное в начале положение о влиянии вихрей на диффузию подтверждается теоретически.

В первоначальной постановке вопроса оставалось неясным, насколько

V

весом вклад дополнительной составляющей диффузионного потока, обусловленной наличием вихрей. Теперь из уравнения (7) следует, что зависимость его от квадрата угловой скорости экспоненциальная. Это обещает получить на практике значительный эффект за счет дополнительной движущей силы процесса, вызванной вращением среды носителя.

Таким образом, открывается возможность значительной интенсификации массообменных процессов.

Третья глава работу посвящена проверке адекватности математической модели эксперименту. В первой её части обоснован выбор объекта исследования - массообменные процессы, которые относительно несложно реализовать в лабораторных условиях, в частности процесса экстракции в системе керосин -уксусная кислота - вода. Эти процессы достаточно хорошо изучены и используются в промышленности. Эксперименты по исследованию возможности интенсификации диффузии генерацией вихрей на примере экстракции проводились на установке, схема которой представлена на рис.1.

Установка включает в себя: цилиндрическую кювету с плоским прозрачным днищем 1, которая заполняется жидкостью. В жидкость погружен вибрирующий элемент 2, выполненный в форме равностороннего креста. Вибрирующий элемент жестко крепиться к диффузору низкочастотного динамика 5, служащего вибратором. На динамик 5 подается управляющий сигнал от генератора НЧ 7 через усилитель НЧ 8. Изменением мощности подаваемого сигнала регулируется амплитуда колебания вибрирующего элемента, измеряемая с помощью катетометра. При вертикальных колебаниях вибрирующего элемента на поверхности жидкости генерируются стационарные вихревые структуры.

Во второй, гидродинамической части работы обосновывается выбор насадки типа "крест" и исследуется интенсивность вихрей при различных режимах работы вибрационной установки.

Известно, что мерой интенсивности является циркуляция Г. Анализ

6'

Рис. 1. Схема экспериментальной установки; 1 - кювета; 2 -вибрирующий элемент; 3 - шток; 4 - станина; 5 - динамик; 6 -направляющие; 7 - генератор НЧ; 8 - усилитель; 9 - зеркало; 10 -кондуктометр; 11 - измерительная ячейка; 12 - АЦП; 13 - ЭВМ; 14 -термопара; 15-терморезистор.

литературных источников показывает трудоемкость определения величины циркуляции Г, т.к. необходимо знание локальных скоростей в точках замкнутого контура, охватывающего ядро вихря. В тоже время, основываясь на модели вихря Рэнкина, что ротор скорости в ядре вихря постоянен, а за пределами ядра равен нулю, можно рассчитать значение циркуляции по формуле:

Г;(у) = 2й)8, ' (9)

где со - угловая скорость вращения в ядре вихря,

Б - площадь ядра вихря.

Если предположить, что вращение в ядре является квазитвердым, то угловую скорость можно оценить по частоте вращения дискового индикатора, ось которого совпадает с осью вращения ядра вихря.

Определение зависимости циркуляции вихрей от параметров колебания и глубины погружения вибратора в жидкость выполнялось на установке представленной на рис.1. В ходе проведенных экспериментов была выявлена зависимость угловой скорости вращения индикатора от глубины погружения вибратора (рис.2). Исходя из полученных экспериментальных данных, дальнейшее исследования проводились при фиксированной глубине погружения вибратора равной 10 мм.

На рис.3, 4 показаны зависимости угловой скорости вращения индикатора и радиуса вихрей при различных режимах работы вибратора. Из графиков видно, что с увеличением частоты радиус вихрей и угловая скорость увеличивается. Таким образом, циркуляция увеличивается при увеличении частоты колебаний вибратора в исследуемом диапазоне частот.

В третьей массообменной части главы исследовалось влияние вихрей на скорость массопереноса, на примере жидкостной экстракции уксусной кислоты из керосина в воду. Количество вещества, перешедшего из одной фазы в другою, определялось по изменению электропроводности одной из фаз.

Опыты проводились следующим образом (рис.1).

.и.

3

л &

о о.

о

^

о

о; го ш о

Е >

12 9 6 3 О

т \Л Т : ■ '' ■ 1—' : ¡ • к т 1 у

1 : ^

1 ^

V

-2,0

8,0 18,0 Заглубление Ь, [мм]

Рис.2. Зависимость скорости вращения индикатора от заглубления вибратора

О -I--

1 1,5 2

Амплитуда А, [мм]

Рис.3. Зависимость угловой скорости в ядре вихря от амплитуды колебания вибратора

10,0

5,0 А--

1,0 ' 1,5 2,0 Амплитуда А, [мм]

Рис.4. Зависимость радиуса ядра вихря от амплитуды

В кювету без смешения заливались исследуемые жидкости дистиллированная вода ФАЗА I и раствор уксусной кислоты в керосине ФАЗА II, затем включался вибратор с заданными параметрами колебаний.

Для определения изменения электропроводности одной из фаз во времени был разработан автоматизированный измерительный комплекс на основе интерфейса сопряжения КАМАК, который включает в себя следующие элементы: измерительная ячейка кондуктометра 11, АЦП 12 и управляющей ЭВМ 13 (рис.1).

Так как электрическая проводимость жидкости существенным образом зависит от температуры, то для компенсации температурной погрешности измерений, дополнительно фиксируется температура в зоне замера электропроводности. Для этого используется термопара типа хромель-копель.

В результате проведенных экспериментов обнаружен рост концентрации распределяемого компонента с течением времени, на много превышающий соответствующий рост в условиях молекулярной диффузии.

На рис.5 представлена аппроксимация экспериментальных данных, показывающая зависимость концентрации распределяемого компонента от времени для различных гидродинамических режимов, характеризирующихся двумя параметрами (амплитуда и частота колебания вибратора).

Для проверки ранее выдвинутой гипотезы о влиянии вихрей на массообмен необходимо ограничиться малыми значениями времени, т.к. при больших интервалах времени система переходит в режим насыщения, и коэффициент диффузии нельзя считать величиной постоянной.

Для вывода зависимости массообмена от интенсивности вихрей, воспользуемся ранее полученными результатами по определению угловой скорости в ядре вихря и изменения концентрации распределяемого вещества во времени от параметров колебания вибратора. Получим окончательную зависимость отношения концентрации распределяемого компонента при наличии вихрей к его концентрации при молекулярной диффузии от квадрата угловой

3,5

— 3 о

X

О 2-5 а;

=г го о. н-х а> =г х о

2

1,5

О 1000 2000 Время т, [сек.]

Рис.5. Зависимость концентрации распределяемого компонента от времени для различных гидродинамических режимов; 1 - молекулярная диффузия; 2 - частота 20 Гц, амплитуда 1 мм; 3 - 20 Гц, 2 мм; 4-60 Гц, 1 мм; 5-60 Гц, 1,5 мм; 6 - 60 Гц, 2 мм.

о

"с"

120 220 со2, [с2]

Рис.6. Зависимость отношения концентрации распределяемого компонента при наличии вихрей к его концентрации при молекулярной диффузии. Частота колебания 60 Гц

о>2, И

Рис.7. Зависимость отношения концентрации распределяемого компонента при наличии вихрей к его концентрации при молекулярной диффузии. Частота колебания 20 Гц

скорости вращении в ядре вихря при различных параметрах г (рис.6, 7).

Из приведенных экспериментальных данных видно, что при увеличении интенсивности вихрей скорость перехода вещества из одной фазы в другую возрастает, как и было показано теоретически.

Основные результаты работы

1. Построена новая математическая модель массопереноса в завихренной зоне, учитывающая влияние интенсивности вихрей.

2. Получено дифференциальное уравнение, описывающее влияние вихрей на диффузию.

3. Разработана вибрационная экспериментальная установка с малым гидравлическим сопротивлением для проведения экстракции в системе жидкость-жидкость.

4. Получены экспериментальные данные о повышении скорости переноса распределяемого компонента в системе керосин-уксусная кислота-вода путем генерации вихрей на границе раздела фаз, подтверждающие правильность теоретических выводов.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих

публикациях:

1. Соловьев A.B., Чепура И.В., Кутепов A.M., Касаткин Д.В. Влияние вихрей на массоперенос // Тр. МГАХМ. - 1997. Вып.1. - С. 14-15.

2. Соловьев A.B., Чепура И.В., Кутепов A.M., Касаткин Д.В. Различие механизмов переноса в потенциальной и вихревой зонах течения // Хим. пром. -1997. - №8. - С.541-545.

3. Кутепов A.M., Соловьев A.B., Чепура И.В., Касаткин Д.В. Критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию. // Химическая гидродинамика и теоретические основы нелинейных химико-технологических процессов / Под ред. академика РАН A.M. Кутепова. - М.: МГУИЭ 1998. - С. 110-113.

4. Касаткин Д.В., Кутепов A.M., Соловьев A.B. Влияние вихрей на диффузию в системе вода-керосин-уксусная кислота // Тр. МГУИЭ - 1998. - T.IL^C.17-21.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1 Интенсификация процессов в газожидкостных системах с использованием внешних источников энергии.

1.2 Явления, наблюдающиеся при воздействии на межфазную поверхность.

1.3 Постановка задачи.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

МАССООБМЕНА В ВИХРЕВОМ ПОЛЕ.

2.1 Вывод уравнения конвективной диффузии в завихренной зоне

2.2 Критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию

2.3 Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ГИДРОДИНАМИКИ И МАССОПЕРЕНОСА.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.1.1 Определение погрешности установки амплитуды колебания.

3.2 Исследование гидродинамических характеристик вибрационной установки.

3.2.1 Методика измерения гидромеханических характеристик механического вибратора.

3.2.2 Исследование влияния параметров колебания вибратора на интенсивность вихрей.

3.3 Исследование влияния интенсивности вихрей на скорость массопереноса.

3.4 Вывод зависимости массообмена от интенсивности вихрей.

Актуальность проблемы. Практически во всех основных процессах химической технологии в том или ином виде происходит перенос вещества. Одним из способов интенсификации массопереноса в гетерогенных системах газ (пар) - жидкость, жидкость - жидкость является проведение процесса в режиме гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности, что при определенных условиях приводит к образованию поверхностных вихревых структур. Вследствие интенсивной мелкомасштабной конвекции вблизи межфазной границы происходит ускорение массопереноса как раз в области, которая обычно лимитирует процесс переноса вещества. В этой связи исследование влияния вихрей на диффузию и разработка новых способов генерации вихревых потоков является актуальными.

Цель работы. Заключается в теоретическом исследовании и количественной оценке влияния вихрей на диффузию, разработке установки для генерации вихрей на границе раздела фаз с малым гидравлическим сопротивлением, экспериментальном исследовании зависимости интенсивности генерируемых вихрей от параметров колебаний вибратора и скорости переноса распределяемого компонента при экстракции в системе жидкость-жидкость в зависимости от интенсивности вихревого поля.

Постановка задачи исследования. Настоящая работа нацелена на раскрытие нового направления интенсификации, связанного с влиянием на диффузию локальных вихревых зон, присутствующих в любом потоке жидкости или газа. Теоретическая разработка этой проблемы приводит к необходимости модификации классического уравнения конвективной диффузии, добавления в него новых членов, учитывающих ротор скорости движущейся среды. Речь идет, таким образом, о рассмотрении новой движущей силы массообменного процесса. Представление основного уравнения диффузии в безразмерном виде позволит выявить новый критерий, учитывающий влияние вихрей. Разумеется, такая теоретическая разработка требует проверки на конкретном примере. В качестве такого был выбран процесс экстракции в системе жидкость - жидкость при воздействии механического вибратора вблизи межфазовой поверхности. К аппарату с механическим вибратором, очевидно, выдвигаются дополнительные требования в рамках ресурсосберегающих технологий. Чтобы удовлетворять современным условиям, он должен не только интенсифицировать массообмен, но и обладать малым гидравлическим сопротивлением, обеспечивая уменьшение затрачиваемой мощности. В практическом плане задача сводится к поиску такого конструктивного решения, которое отвечало бы вышеперечисленным требованиям.

При решении поставленных задач получены следующие результаты:

Построена новая математическая модель массопереноса в завихренной зоне, учитывающая влияние ротора скорости и обнаруживающая наличие новой движущей силы массопереноса.

Получено дифференциальное уравнение, описывающее влияние 8 вихрей на диффузию.

Выведен критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию.

Разработана вибрационная экспериментальная установка для проведения экстракции в системе жидкость - жидкость.

Получены экспериментальные данные о повышении скорости переноса распределяемого компонента в системе керосин - уксусная кислота -вода путем генерации вихрей на границе раздела фаз, подтверждающие правильность теоретических выводов. На защиту выносятся:

- Математическая модель массопереноса в завихренной зоне, учитывающая влияние ротора скорости и обнаруживающая наличие новой движущей силы массопереноса;

- Экспериментальное подтверждение теоретических выводов;

- Макет аппарата для осуществления экстракции в системе жидкость -жидкость.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Построена новая математическая модель массопереноса в завихренной зоне, учитывающая влияние интенсивности вихрей. Получено дифференциальное уравнение, описывающее влияние вихрей на диффузию. Выведен критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию. Предложен вариант создания вибратора с малым гидравлическим сопротивлением. Реализован макет данного аппарата. Получены экспериментальные данные о повышении скорости переноса распределяемого компонента в системе керосин-уксусная кислота-вода путем генерации вихрей на границе раздела фаз, подтверждающие правильность теоретических выводов.

1. Linde Н., Schwarz Е., Croger К. Chem. Engng. Sci. 1967. 22. №6. Р.823.

2. Meruling C.V, Seriven L.E, AIChE Jornal 5. 1959. P.514.

3. Nagata S., Yamamoto K., Ujhara M. Flow patterns of liquid in a cylindrical mixing vessel without baffles // Mem. Fac. Engng Kyoto Univ. 1958. - V.20. pt 4. -P.336.

4. Ruckenstein E., Berbente C. The occurrence of interfacial turbulence in the case of diffusion accompanied by chemical reaction // Chem. Engng. Sci. 1964. -V.19. -№5. -P.329-347.

5. Yamamoto K., Kawahigasi Z. // Kagaku kogaku. 1956. - V.20 - №12. - P.685.

6. Аксельрод Ю.В., Дильман B.B. О расчете скорости массоотдачи в жидкой фазе в плёночных колоннах в условиях поверхностной конвекции // ТОХТ.- 1980. T.XIV. - №6. - С.837-841.

7. Аксельрод. Ю.В., Дильман В.В., Фурмер Ю.В. Межфазовая турбулентность в вертикально стекающей пленке жидкости при хемосорбции // ТОХТ. -1971. T.Y. - №5. - С.676-681.

8. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. М.: Химия, 1971. -223с.

9. Атрощенко JI.C., Воронина С.М. Процессы дистилляции и ректификации в однородном магнитном поле // Изв. ВУЗов Химия и химическая технология.- 1970. Т.13. - №10. - С.1529-1533.

10. Ю.Брагинский JI.H. Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидкихсредах. Л.:Химия, 1984. - 336с.

11. П.Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. Л.: Судостроение, 1969. - 356с.

12. Бутков В.В., Вишняков В.В. Процессы и аппараты химической технологии с использованием электрических полей. М.: НИИТЭХИМ, 1982. - 48с.

13. Бутков В.В., Вишняков В.В., Казенин Д.А. и др. О возможном механизме воздействия электрического поля на течение жидкостей // Изв. ВУЗов Химия и химическая технология. 1982. - Т.25. - №7. - С.888-891.

14. Н.Верещагин И.П. Основы электродинамики дисперсных систем. М.: Энергия, 1974.-320с.

15. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. 3-е изд., испр. и доп. - М.: Энергия, 1976. -318с.

16. Гзовский С.Я. Исследование процесса перемешивания в жидких средах радиально-лопастными мешалками: Автореф. дис. . д-ра техн. наук М., 1963.-38с.

17. Гордеев Ю.Н., Болога М.К., Смирнов Г.Ф. Воздействие электрического поля на массообмен при пленочной ректификации // Электронная обработка материалов. 1980. - №4. - С.38-40.

18. Гордеев Ю.Н., Болога М.К., Смирнов Г.Ф. Экспериментальное исследование механизма массообмена при пленочной ректификации в электрическом поле // Электронная обработка материалов. 1980. - №4. -С.40-43.

19. Грымзин Ю.Н., Квашнин С.Я., Лотхов В.А., Малюсов В.А. Метод учета влияния градиента поверхностного натяжения при расчете кинетики ректификации в пленочных и насадочных колоннах // ТОХТ. 1982. - Т. 16. -№5. - С.579.

20. Грымзин Ю.Н., Квашнин С.Я., Лотхов В.А., Малюсов В.А. О влиянии градиента поверхностного натяжения и добавки ПАВ на эффективность лабораторной насадочной ректификационной колонны // ТОХТ. 1982. -Т. 16. -№2. - С.251.

21. Гленсдорф. П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. М.: Мир. 1973. С.357.

22. Данквертс П.В. Газожидкостные реакторы. -М.: Химия, 1973. 296с.

23. Дильман В.В. Некоторые вопросы моделирования и расчета газожидкостных реакторов // ТОХТ. 1975. - T.IX. - №6. - С.844.

24. Дильман В.В., Аксельрод Ю.В., Хуторянский Ф.М. О механизме в условиях поверхностной конвекции // ТОХТ. 1977. - T.XI. - №1. - С.11.

25. Кардашев Г.А., Михайлов П.Е. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты. М.: Машиностроение, 1973. - 223с.

26. Кардашев Г.А., Салосин A.B., Манукян С.Г., Соловьев A.B. О возбуждении вихревых течений колебаниями поверхности жидкости // Коллоидный журнал АН СССР. 1987. -T.XLIX. -Вып.1. - С. 154-157.

27. Кардашев Г.А., Шаталов A.JL, Салосин A.B. Экспериментальное исследование процесса разделения бинарных смесей с воздействием ультразвукового и электромагнитного полей // Электронная обработка материалов. 1980. - №2. - С.39-41.

28. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1972. - С.139-149.

29. Конт-Белло Ж. Турбулентное течение в канале с параллельными стенками: -М.: Мир, 1968.

30. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1970. 167с.

31. Крылов B.C. Теоретические аспекты интенсификации процессов межфазного обмена // ТОХТ. 1983. - T.XVII. - №1. - С.15-30.

32. Крылов B.C., Малюсов В.А., Нитшке У., Лотхов В.А. О влиянии конвекции Марангони на кинетику ректификации в пленочной колонне // ТОХТ. -1985. -Т.19. -№1. -С.12-16.

33. Кулов H.H., Максимов В.А., Малюсов В.А. и др. Массоотдача в стекающих пленках жидкости // ТОХТ. 1983. - Т.17. - №3. - С.291-306.

34. Лыков A.B. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Политиздат, 1978. - 480с.

35. Мельников В.И. // Тр. НИИХиммаша. 1954. - №16. - С.105.

36. Мельников В.И. // Тр. НИИХиммаша. 1959. - №29. - С. 126.

37. Милн-Томсон Л.М. Теоретическая гидродинамика: Пер. с англ. М.: Мир, 1964.

38. Николаишвили Е.К., Барабаш В.М., Брагинский Л.Н., Кулов H.H., Малюсов В.А. // ТОХТ. 1980. - T.XIV. - №4. - С.604.

39. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. -М.: Химия, 1983. 191с.

40. Осипов A.B. О гидродинамических особенностях перемешивания гетерогенных сред с наложением механических колебаний // ТОХТ. 1981. -Т.15. -№3. - С.416-423.

41. Осипов A.B. Расходные характеристики виброперемешивающих устройств // ТОХТ. 1980. - Т. 14. - №3. - С.418-422.

42. Осипов A.B. Расчет амплитуды колебаний виброперемешивающих устройств // Хим. и нефт. машиностр. 1979. - №7. - С.8-9.

43. Осипов A.B., Лосик В.И., Бабинцева Б.Л. Химические реакторы с виброперемешиванием // VI Всесоюз. конф. по моделированию химических и нефтехимических процессов и реакторов: Тез. докл. Дзержинск, 1977.1. Т.З. С.239.

44. Павлушенко И.С., Бегачев В.И., Брагинский JI.H. // Тр. НИИХиммаша. JI.: Машиностроение. - 1964. - Вып.46. - С.96.

45. Павлушенко И.С., Демьянова Е.М. // ЖПХ. 1966. - Т.39. - №7. - С.1492.

46. Попов В.Г., Ксенофонтов Б.С., Шкоп Я.Я. Влияние электромагнитных полей на водные системы и процессы культивирования микроорганизмов. Обзор Cep.ll.M.: 1983.-24с.

47. Применение вибрации для интенсификации процессов перемешивания жидких сред / Арефьев В.Л., Лукомский С.И., Сланов А.Г. и др. М.: Цветметинформация, 1977.-47с.

48. Рамм. В.М. Абсорбция газов. М.: Химия. 1976. С.397.

49. Рэлей. Теория звука. Т.2. М.: Гостехиздат, 1944, с. 339.

50. Савистовский Г. Межфазная конвекция // Гидродинамика межфазных поверхностей / Под ред. Ю.А. Буевича и Л.М. Рабиновича. М.: Мир. 1984. - С. 194-209.

51. Савистовский Г. Межфазные явления // Последние достижения в области жидкостной экстракции / Под ред. К. Хансона. М.: Химия. 1974. - С.204-255.

52. Слезкин H.A. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Гостехиздат, 1955.-28с.

53. Слинько М.Г., Дильман В.В., Рабинович Л.М. О межфазном обмене при поверхностных конвективных структурах в жидкости // ТОХТ. 1983.1. T.XVII. №1. - С.10-14.

54. Туницкий H.H. Диффузия и случайные процессы. Новосибирск: Наука,1970.

55. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.: Наука, 1964. - 596с.

56. Morikawa Y.-, Tanaka T. An evaluation of the wall function in vertical air-solid two-phase flow. Bulk Solids Handl., 1988, v. 8, n. 1, pp. 69-74.

57. Sakuta Т., Boulos M.I. Novel approach for particle velocity and size measurement under plasma conditions. Rev. Sci. Instrum., 1988, v. 59, n. 2, pp. 285-291.

58. Sawistowski H., Goltz G.E. The effect of interface phenomena on mass transfer rates in liquid-liquid interaction // Trans. Inst. Chem. Engrs. 1963. - V.41. -PP.174.

59. Sorensen T.S., Hennenberg M. Dynamics and Instability of Fluid Interface. In: Lecture Notes in Physics. / Ed. Sorensen T.S., Springer Verlag, 1979, PP.276.

60. Арансон И.С., Гапонов-Грехов A.B., Рабинович М.И. // ЖЭТФ. 1986. -Т.89.-С.92.

61. Банен, Келлер. Лазерный доплеровский многокомпонентный анемометр на основе электрооптического модулятора // Приборы для научн. исслед. -1984. №7. - С.67-75.

62. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. и др. Лазерный доплеровский анемометр с временной селекцией ортогональных компонент вектора скорости // Автометрия. 1988. - №2. - С.43

63. Бояджиев X., Бешков В. Массоперенос в движущихся пленках жидкости. М.: Мир. 1988. С.95-97.

64. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир. 1975.

65. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа: Пер. с англ. М.: Мир,1986.-184с.,-ил.

66. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск, Наука. 1981.

67. Грымзин Ю.Н., JIotxob В.А., Малюсов В.А. О влиянии градиента поверхностного натяжения на кинетику пленочной ректификации // ТОХТ. 1979. -Т.13. -№6. - С.811.

68. Дж. Бэтчелор. Введение в динамику жидкости. М.: Мир. 1973. С.432.

69. Джеймс Лайтхилл. Волны в жидкостях: Пер. с англ. -М.: Мир, 1981. 597с.

70. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1982. - 304с.

71. Дюррани Т., Грейтид К. Лазерные системы в гидродинамических измерениях: -М.: Энергия, 1980. -336с.

72. Заславский Г.М., Сагдеев Р.З. Введение в нелинейную физику. От маятника до турбулентности и хаоса. М.: Наука, 1988. - 368с.

73. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ: М.: Энергоатомиздат, 1986. -120с.

74. Карлов С.П. Интенсификация тепло- и массообменных процессов лазерным излучением на примере абсорбции С02 и 02 химическими и биохимическими системами: Автореф. дис. . канд. техн. наук ., 1986. -16с.

75. Касаткин Д.В., Кутепов A.M., Соловьев A.B. Влияние вихрей на диффузию в системе вода-керосин-уксусная кислота // Тр. МГУИЭ 1998. - Т.П. -С. 17-21.

76. Кафаров B.B. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979. 439с.8>7.Конюхов Н.Е., Плют A.A., Марков П.И. Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства. -М.: Энергоатомиздат, 1985. 152с.

77. Кочин Н.Е., Кибель П.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. 4.1. М.: Физматгид. 1955.

78. Красовский В.В., Моссэ A.JL, Тюкаев В.И. и др. Бесконтактные методы исследования параметров частиц в двухфазных потоках // ИФЖ. 1985. -Т.48. -№6. - С.1015-1028.

79. Крупник Л.И., Олейник В.Н., Айнштейн В.Г. Пьезоэлектрическое измерение локальных характеристик движения твердых частиц в двухфазном потоке // ИФЖ. -1981.- Т.40. № 1. - С. 101-108.

80. Крупник Л.И., Олейник В.Н., Айнштейн В.Г. Экспериментальное исследование движения твердых частиц в турбулентном потоке газа. К механизму переноса// ИФЖ. 1982. - Т.43. -№4. - С.533-541.

81. Лазерная анемометрия. Дистанционная спектроскопия и интерферометрия / Под ред. М.С. Соскина. Киев: Наукова думка, 1985. - 760с.

82. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. Гостехиздат, 1953.

83. Леончик Б.И., Маякин В.П. Измерения в дисперсных потоках. М.: Энергия, 1981.- 184с.

84. Марценюк A.C., Стабников В.Н. Пленочные тепло- и массообменные аппараты в пищевой промышленности. М.: изд-во Легкая и пищевая пром. 1981.

85. Милютин В.Н., Шрайбер A.A. Экспериментальное исследование взаимодействия потока газовзвеси со стенками вертикального канала // ТОХТ. 1976. - Т. 10. - №2. - С.239-247.

86. Павловский Б.А., Рук Б. Комплексное измерение движущихся частиц по размерам и скоростям // Приборы и системы управления. 1986. - №3. -С.27-29.

87. Поляков П.В., Исаева Л.А., Михалев Ю.Г. Самопроизвольная поверхностная конвекция (СПК) при электролизе расправленных полей с жидким электродом // Электрохимия. 1980. - Т. 16. - С. 1132-1137.

88. Протодьяконов И.О., Глинский В.А. Экспериментальные методы исследования гидродинамики двухфазных систем в инженерной практике. -Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. 195с.

89. Райгель . В.И., Самсонов А.Н. Восстановление изображения, регистрируемого с помощью линейки фотоприемников // Изв. вузов. Приборостроение. 1989. -Т.32. -№4. -С.67-70.

90. Розенфельд А. Распознавание изображений // Труды ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. 1981. -Т.69. - №5. -С.42-48.

91. Саламандра Г.Д. Фотографические методы исследования быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1974. - 200с.

92. Соловьев A.B. Об окружной составляющей поля скоростей в сферическом сосуде с радиально-лопастной мешалкой // ТОХТ. 1991. -Т.25. -№1. - С.128.

93. Соловьев A.B. Об окружной составляющей скорости в сосуде с радиально-лопастной мешалкой // ТОХТ. 1988. - Т.22. - №3. - С.425.

94. Соловьев A.B., Чепура И.В., Кутепов A.M., Касаткин Д.В. Влияние вихрей на массоперенос // Тр. МГАХМ. 1997. Вып.1. - С. 14-15.

95. Соловьев A.B., Чепура И.В., Кутепов A.M., Касаткин Д.В. Различие механизмов переноса в потенциальной и вихревой зонах течения // Хим. пром. 1997. - №8. - С.541-545.

96. Соловьев A.B., Чепура И.В., Кутепов A.M., Касаткин Д.В. Интенсификация массопереноса с помощью влияния вихрей на диффузию

97. Соловьев A.B., Чепура И.В., Сидельников И.И. О меридиональной циркуляции в смесителях // Тр. МГАХМ. 1997. Вып. 1. - С.62.

98. Теория и техника теплофизического эксперимента / Гортышев Ю.Ф.,91

99. Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин Н.С. и др. М.: Энергоатомиздат, 1985. -360с.

100. Физика и техника мощного ультразвука: Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1970. - Т.З. - 687с.

101. Фурмер Ю.В., Аксельрод Ю.В., Дильман В.В. Исследование межфазовой турбулентности при хемосорбции СО растворами диэтаноламина // ЖПХ. -1973. -Т.Х. -№7. С.1508.