автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Методы предотвращения столкновений капель в процессах диспергирования жидкостей и грануляции расплавов

ВВЕДШИЕ.

ГЛАВА I. СТОЛКНОВЕНИЕ КАПЕЛЬ В СПОНТАННО РАСПАДАЮЩЕЙСЯ

СТРУЕ ЩЦКОСТИ.

1.1. Методика исследования.

1.1.1. Устройство для подачи жидкости под постоянным напором.

1.1.2. Устройство для исследования струи жидкости.

1.2. Процесс распада струй. Группы капель

1.2.1. Спонтанный распад струй.

1.2.2. Групповой характер распада струи жидкости.

1.3. Распределение капель в струе по скоростям.

1.4. О закономерностях движения капель внутри струи.

1.5. Действие электрического поля на столкновения капель внутри струи.

1.5*1• Исследование влияния электрических полей на струю жидкости.

1.5.2. Стабилизация струи жидкости в электрическом поле.

1.6. Столкновения капель в струе и их распределение по расстоянию от сопла.

1.6.1. Столкновения капель внутри струи

1.6.2. Эффективность столкновений капель внутри струи.

Краткие выводы.

ГЛАВА 2. СТОЛКНОВЕНИЯ КАПЕЛЬ В ВДКОЙ СТРУЕ, °ТР' ПРИНУДИТЕЛЬНО РАЗДРОБЛЕННОЙ НА КАПЛИ.

2.1. Методика исследования.5$

2.1.1. Дробление струи на одинаковые капли заданного размера.5$

2.1.2. Получение столкновений свободно падаюших капель с малыми относительными скоростями

2.1.3. Влияние полярности электрического сигнала, подаваемого в подвижную катушку вибратора, на процесс образования пар капель . $

2.1.4. Формщ)ование пилообразного напряжения.

2.1.5. Измерение тока, переносимого струей. Обшая схема установки.

2.2. Столкновения капель с очень малыми относительными скоростями. Область не слияния.

2.2.1. Проведение эксперимента.7£

2.2.2. Результаты исследования.7$

2.3. Сообщение каплям жидкости электрического заряда. 7?

2.4. Влияние электрического поля на эффективность соударений свободно падаюших капель воды

2.4.1. Влияние заряда капель на эффективность их соударения в свободном падении при отсутствии внешнего электрического поля . 8£

2.4.2. Эффективность соударения незаряженных капель, свободно падаюших в продольном электрическом поле.£9.

2.4.3. Явление компенсации.

2.5. Длительность взаимодействия капель, сталкивающихся в свободном падении.95.

2.5.1. Длительность слияния капель, свободно ^ падавших в струе жвдкости.

2.5.2. Длительность контакта капель жвдкости, сталкивающихся в свободном падении.

2.6. Пульсации капель и их влияние на эффективность соударения.£

2.7. Устранение столкновений капель путем их зарядки ЮЗ

2.7.1. Проведение эксперимента.JQ

2.7.2. Результаты эксперимента. . . . . J Об

Краткие выводы.JQ

ГЛАВА 3. ДЛИННОВОЛНОВЫЙ РАСПАД СТРУЙ И ЕГО ИССЛЕДОВАНИЕ

3.1. Длинноволновый распад струи и его исследование.

3.2. Методика исследования.

3.2.1. Схема установки.1X

3.2.2. Приборы для контроля величины и формы сигнала вибратора на его штоке и в жвдкости

3.2.3. Лабораторная модель для исследования длинноволнового распада струи.

3.2.4. Исследование и подбор диафрагмы, излучателя и штока модели.■

3.2.5. Исследование резонансных свойств лабораторной модели и их влияние на ширину области бесспутникового монодисперсного дробления.J

3.3. Электродинамический вибратор (ЭДВ).£

3.4. Экспериментальное исследование области бесспутникового монодисперсного дробления (ОБЩ).

3.4.1. Исследование зависимости ширины ОБЩ от отношения — отверстия истечения жвдкости . . . *

3.4.2. Из следование зависимости ОЩЦ от электродинамической мощности сигнала вибратора. . . . J

3.4.3. Исследование зависимости ширины ОБЩ от коэффициента соотношения амплитуд.^

3.4.4. Исследование зависиюсти ширины ОБВД от напора жидкости (объемного расхода).^

В решениях ХХУ съезда Коммунистической партии Советского Союза "Об основных направлениях развития народного хозяйства СССР на I976-1980 гг." /I/ сказано: Довести в 1980г. производство минеральных удобрений до 143 млн.тонн. Обеспечить в 1980 году производство . азотных удобрений,в основном,в гранулированном виде."

Центральный Комитет КПСС в своем постановлении " 0 проекте ЦК КПСС к ХХУ1 съезду Коммунистической партии Советского Союза "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указывает: "Довести выпуск минеральных удобрений в 1985 году до 150-155 млн.тонн.Осуществлять с 1985 года поставку калийных удобрений сельскому хозяйству только в гранулированном и крупнокристаллическом виде".

За период с 1975 года по 1980 год сельскому хозяйству было поставлено около 400 млн. тонн минеральных удобрений /2/.

Качество и эффективность применения гранулированных удобрений в значительной мере определяется степенью их монодисперсности.

Отсюда ясно, что получение монодисперсного гранулированного продукта является важной народно-хозяйственной задачей. Хотя за последние годы достигнуты определенные положительные результаты, полностью эта задача ешё не решена.

Центробежные секционные грануляторы, разработанные и установленные Сумским филиалом Харьковского политехнического института им. В.И.Ленина на многих химических комбинатах, будучи компактными, надежными в работе, все же дают недостаточно равномерный гранулометрический состав конечного продукта /3/.

В работе /4/ представлены результаты исследования и опыта промышленного использования акустических грануляторов леечного типа производительностью 15 + 22 т/ч. Эти грануляторы конструктивно просты, позволяют получить аммиачную селитру с гранулометрическим составом, содержащим фракцию 2+3 мм до 80$,

В работах /5,6/ сообщалось, что подача на струю жидкости пилообразных возмущений ведет к бесспутниковому распаду и к полностью монодисперсному составу гранул. При этом используются грануляторы мощностью до 8 т/ч; судя по опыту их работы, в частности на Северодонецком ПО "Азот", количество гранул фракции 2-3 мм не превышает 80$.

Причиной такого положения является то, что у всех существующих центробежных и виброгрануляторах вследствие малой длины волны распада струй (3-5 мм), случайные помехи создают на струях возмущения, приводящие к столкновениям капель до их затвердевания*

В настоящее время созданы врашаюшиеся виброгрануляторы/7, 8/. Они позволяют значительно уменьшить количество столкновений по сравнению с неподвижными. Возможны и другие пути повышения монодисперсности гранул.

Целью данной работы и является исследование путей устранения столкновений и коагуляции капель при грануляции плавов.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Определение факторов, влияющих на столкновения капель в жидкой струе при ее спонтанном или принудительном дроблении на капли,

2, Исследование столкновений капель таких диаметров и с такими относительными скоростями, которые имеют место при центробежной и вибрационной грануляции плавов.

3. Разработка методов и устройств для предотвращения столкновений и коагуляции капель.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуадались на ХП и ХШ Всесоюзных конференциях по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем ( r.Qnecca, 1976 г. и 1979 г.).научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов ХПИ им. В.ИДенина в 1977-1979 гг., Всесоюзном научно-техническом совещании " Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии" (г.Сумы,1980, 1982 г.г.).

Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в II печатных работах /62,71-80/.

1. Постановление ХХУ съезда КПСС по проекту ЦК КПСС "Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976-1980 годы". 3 марта 1976г. - В кн.: Материалы ХХУ съезда КПСС.М., 1976, с.158.

2. Тихонов Н.А. Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года. Докл. ХХУ1 съезду КПСС 27 февраля 1981 г. В кн.: Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М., 1981, с.ИЗ.

3. Архипов В.А., Ратанов Г.С., Трофимов В.Ф. Экспериментальное исследование взаимодействия капель при столкновениях; Журн. прикладной механики и технической физики, № 2, "Наука",1978, с. 73-77.

4. Клоповский Б.А. и др. Акустический гранулятор НИИХИММАШа. -"Химическая промышленность", 1976, № 6, с.57.

5. Кремнев О.А. и др. -"Химическая промышленность", 1976,№ 5, с.49.

6. Способ гранулообразования расплавленных материалов с изменением колебаний давления по пилообразной кривой. Авт. свид.389626, 1970.

7. Холин Б.Г. Центробежные и вибрационные грануляторы плавов и распылители жидкости. М.: Машиностроение, 1977, 182 с.

8. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1971, 248 с.

9. Релей Д.В. Теория звука, т.2. М.: Гостехиздат, 1955, 476 с.

10. Adam J.R., Lindblad N.R., Hendricks C.D. Journal of Appl. Physics, 39, N 11, 5173» 1968*

11. Блинов В.И. О дисперсности механически распыленной воды. -М.: ВТИ, 1931, с.211. .

12. Кулагин С.В. Аппаратура для научной фоторегистрации и киносъемки. М»: Машиностроение, 1980, с.85-92.

13. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. -М.: Наука,1964, 418 с,

14. Тверская Н.П. К вопросу об определении коэффициента эффективности соударения капель воды. -Тр. ГГО, 1954, вып.47, C.II2-II8.

15. Вебер К. Распад струи жидкости. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. М.: ОНТИ КНТП СССР, 1963, т.1, с.34.

16. Френкель Я.И., Вагер Г.П. Изв. АН СССР, сер. географ, и геофиз;, 1948, № 12, с.3-7.

17. Гегузин Я.Е. Капля.- М.: Наука, 1973, с.95.

18. Аганин М.А. Законы слияния капель воды. Ж. геофиз., 1935, 5 /4/,с.409-443.

19. Park R.W., Grossby E.I. A device for producting controlled collisions between pairs of drops. Chemical Engineering Science, 20, N 1, 39. 1965*

20. Подвысоцкий A.M. Методика экспериментального исследования процесса соударений свободно движущихся капель. В сб.: "Вопросы технической теплофизики". Киев: Наукова думка, 1975, вып. 5, с;8.

21. Magarvey Е. and Taylor B.W. Rev. Sci.Instrum.,1956, 27»

22. Schotland R.M. and Hale J.L. Pinal Report under Countract No AF 19 (604) 6145, Research Division, College of Engineering} New York University ( July, 1961).

23. Jayaratne O.W., Mason B.I. The coalescence and bouneing of water drops at air/water interface. Proc. Roy. Soc., 1964. A 280 (1383) 545 565.

24. Beetz, Poggendorf Annalen, 144, 443, 1972.25» Rutland D.F., Jameson J.I. Chemical Engineering Science, 25, 1689, 1970.

25. Pierre Lafrance, Aiello G., Hitter R.C., Trefil I.S, The Phisics of Fluids, 17, 7, 1469 , 1974.

26. Savart F., Ann. Chim. Phys., 1833, 53, 377.

27. Dimmock N.A., Nature, bond; 1950, 166, 686.

28. Vonnegyt B. end Neubauer R., Occasional Rept., No 29» Project Cirrus, Rept. No RL-555, General Electric Res., N 4, 1951.

29. Gorbatschew S.W., Mustel E.R* tlber die untere stabilitats Grewze von Tropfen bei ihrem Zusammenprall, Kolloid Z., 1935, 73 (1), 20-24.

30. Schotland R.M., Final Report under Countract AF 19 (604)-2135, Research Division College of Engineering, New York University (July,1960), Disc.Faraday Soc.,1960, 30, 72.

31. Холин Б.Г. Пневматический вибратор. Авт. свид. СССР476038.- "Болл. изобр.,пром. образцов и тов. знаков", 1975.

32. Brown E.N. Rotating bowl for the production of uniform drops. Rev. eci. ins trum. ,1961, 32(8), 914-916.

33. Прохоров П. С. Выяснение механизма не слияния водяных капель при соуцарении.-В сб.: Новые дней в области изучения аэрозолей, 1949, с;102-107.

34. Schotland R.M. Experimental results relating to the coalescence of water drops with water surfaces. Disc. Faraday Soc.,1960, N 30, 72-77, Discuss. 139-154.

35. Аганин M.A. Влияние примесей к воде и атмосфере на процессы слияния капель. Изв. АН СССР, сер. географ, и геофиз., 1940, № 5, с.305-334.

36. Тверская Н.П., К}цина Н.П. Результаты экспериментального исследования коагуляции капель воды.- Тр. ЛГМИ, 1956, вып. 5-6, с.263-267.

37. Gunn R. Collision characteristics of freely falling water drops. Science, 1965, 150 (3697), 695-701.

38. Magarvey R.H. and Geldart J.W.J. Aim. Sci.,1962, 19, 107*

39. Nakamura T. On the uhenomena of collision-coalescence between a large water drop and water droplets during free fall at terminal velocity. J. Ueteorol. Soc. Japan,1964, 42 (1), 65-78.

40. J Мамлеев P.A. Дис. .канд.т.наук.-М., Московский институт нефтехимической и газовой промышленности, 1975.

41. Соловьев А.Д. Слияние капель жидкости при соударениях.-Тр. ДАО, вып. 89,с;3-25.

42. Шишкин Н.С. Облака, осадки и грозовое электричество.- Л.: Гидрометеоиздат, 1964, 240 с.

43. Фукс Н.А. Успехи механики аэрозолей.-М.: Изд-во АН СССР, 1961, 158с.

44. Горбачев С.В., Никифорова В.М. О верхнем пределе устойчивости капель при их соударении.-Ж. геофиз.,1935, 5/2/,с.237-246.

45. Дерягин Б.В., Прохоров П.С. Исследование причин неслияния жидких капель в статических условиях. В сб.: Новые идеи в области изучения аэрозолей. Изд. АН СССР, 1949, с.114-115.

46. Неизвестный А. И. Экспериментальная установка для исследования эффективности столкновения и слияния заряженных капель.-Тр. ЙЭМ, сер. "Физика нижней атюсферы", 1972, вып.1,с.65-74.

47. Прохоров П.С., Яшин В.Н. О причинах неслияния водных капель при соударении. Колловдн.ж., 1948,№ 10/2/,с.122-124.

48. Adam J.R., Cataneo Н., Semonin R.J. The production of equal and unequal size droplet pairs.- Rev. Sci. Instrum., 1971» 42, N 12, 1847-1849.

49. Lindblad N.R. Effects of relative humidily and electric charge of on the coalescence of curved water surfaces. Journ. Colloid Sci.,1964, 19 (8), 729-743.

50. Трофимов В.Ф., Архипов В.А., Ратанов Г.С. Экспериментальное исследование столкновения и слияния капель жидкости. -В сб.: "Физика аэродисперсных систем", Киев-Одесса: Вита школа, 1976, вып. 14, с.20.

51. Кальтенбах P.M. Патент № I58700I, 1970 г. (Франция).

52. Холин Б.Г. 0 влиянии формы регулярных возмущений поверхности струи жидкости на её распад на капли. Докл. АН СССР, 1970, т.194, 3 2, с.305-308.

53. Кремнев О.А., Кравченко Ю.С., Буцкий Н.Д., Лашина Л.Н. Исследование теплообмена при грануляции аммиачной селитры.-"Химическая технология", 1973, № 6, с.27-31.

54. Кремнев О.А., Кравченко Ю.С., Мукоед Н.И. Анализ работы процессов в установках монодисперсной грануляции.-"T0XT",1976, № 5, с•417-425.

55. Классен П.В., Гришаев И.Г. Основы техники гранулирования. -М.: Химия, 1982, 272 с.

56. Холин Б.Г. Гранулятор плава, например, аммиачной селитры или мочевины. Авт. свид. СССР № 105726. "Бюлл. изобр., пром. образцов и товарных знаков", 1957, № 3.

57. Холин Б.Г. Вибрационный гранулятор для получения гранулированной аммиачной селитры и мочевины. Киев, " Химическая промышленность", I960, № 3, с.40-41.

58. Холин Б.Г. Виброгранулятор для получения гранул из плава. Авт. свид. СССР № 137902.- "Еюлл. изобр., пром. образцов и тов. знаков", 1961, № 9.

59. Холин Б.Г., Сегаль Р.Б., Гайсинский Ю.Ф. Длинноволновый монодисперсный распад жвдкой струи.- Докл. АН СССР, 1980, т. 253, № 5, с.1074-1076.

60. Холин Б.Г., Гранжан А.В. Центробежный гранулятор. Авт.свид. СССР, № I074I7. "Бюлл. изобр., пром. образцов и тов.знаков" , 1957, J6 8.

61. Холин Б.Г. Виброгранулятор плава. Авт. свид. СССР № 182685,-"Бюлл. изобр., пром. образцов и тов. знаков", 1966,№ 12.

62. Казакова Е.А. Гранулирование и охлаждение в аппаратах с кипящим слоем;--М.: Химия, 1973, 152 с.

63. Грачев И.С. Дис. . канд. т.наук.- М., МИХМ, 1974, 171 с.

64. Линдин В.М., Иванов М.Е., Рустамбеков М.А. и др. Опыт пуска и эксплуатации узла статических грануляторов по производству аммиачной селитры.- "Азотная промышленность", 1976,8, с.30-39.

65. Холин Б.Г. Оказание научно-технической помощи в освоении вибрационных грануляторов аммиачной селитры.- Отчет по НИР

66. СФ ХПИ им. В.И.Ленина, Сумы, 1977, 27 с.

67. Холин Б.Г. Центробежные грануляторы и качество гранул аммиачной селитры.- "Химическая промышленность", 1972,№ 2, с,37-39.

68. Холин Б.Г. Устройство для получения капель жидкости или расплавов. Авт. свид, СССР, $ 448889.-"Бюлл. изобр.,пром.образцов и тов. знаков", 1974, № 41.

69. Сегаль Р.Б., Гайсинский Ю.Ф. Исследование влияния некоторых факторов на коагуляцию капель в струе.- В сб.: ХП Всесоюзная конференция по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем, Одесса, 1976, с.7.

70. Сегаль Р.Б., Гайсинский Ю.Ф. Метод изучения движения капель (одиночных и внутри струи).- В сб.: ХП Всесоюзная конференция по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем, Одесса, 1976, с.67.

71. Сегаль Р.Б., Гайсинский Ю.Ф. Действие электрического поля на фонтанирующую струю жидкости. Респ. научн. сб.,Киев-Одесса; Виша школа, 1978, вып. 18, с.23-29.

72. Сегаль Р.Б,, Гайсинский Ю.Ф. Эффективность столкновения свободно падающих капель воды,- В сб.: ХШ Всесоюзная конференция по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем, Одесса, 1979 , с.16,

73. Сегаль Р.Б., Гайсинский Ю.Ф. О слиянии капель воды, соударяющихся при свободном падении.- Известия АН СССР, сер."Физика атмосферы и океана", 1980, № 5,с.545-549.

74. Сегаль Р.В., Гайсинский Ю.Ф, Методика исследования поведения капель, образующихся после дробления струи жццкости.-ТОХТ, 1981, т.15, £ 5, с.784-786.