автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Методы расчета процессов обработки сыпучих материалов с использованием структурированных газожидкостных систем

Московская государственная академия химического машиностроения

РГб од

_ На правах рукописи

" 3 |!0)1 1ЯП7

Готовцев Валерий Михайлович

Методы расчета процессов обработки сыпучих материалов с использованием структурированных газожидкостных систем

(05.17.08 - процессы и аппараты химической технологии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московской государственной академии m ческого машиностроения.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

доктор технических наук,

доктор технических наук.

профессор Единичен В.Н., профессор Бетошкин А.Г., профессор Галустов B.C.

Ведущая организация: институт пожарной безопасности МВД России

Защита состоится "20" ноября 1997г. в 14 часов на заседаний диссертационного совета Д 063.44.01 Московской гс дарственной академии химического- машиностроения (^Москва, ул. с Басманная, 21/4). -

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МГАХМа. Ваш отзывы и замечания в 2-х экземплярах просим направля по адресу: 107884, ГСП, Москва, Е-бб, ул.' ст. Басманная, д.21/ диссертационный совет.

Автореферат разослан "I" октября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Тимонин А.

Актуальность. Изменивииеся в последние годы экономические ус-овия, резкий рост стоимости энергоносителей и сырья, жесткая кон-:урентная борьба выдвигает на первый план проблему разработки но-шх ресурсо- и энергосберегающих технология и создания оборудовала для их осуществления. Разработка таких технологий подразуме-1ает обеспечение оптимальных условий-проведения технологического [роцесса, что позволяет резко интенсифицировать физико-химические [ревращения иоходннх материалов, снизить энергозатраты и потреб-:ение сырья. Одним из традиционных методов интенсификации лроцес-:ов химической технологии является использование дисперсных сис~ ■ем с высокоразвитой межфазной поверхностью, на которой, как предало, происходят процессы, определяющие изменения в исходной сис-■еме.

Использованные в работе структурированные газожидкостные сис-■емы (пены) обладают целым рядом специфических свойств, определя-щих целесообразность их использования в различных технологичес-:их процессах. Пени являются двухфазными системами с развитой меж-?азной поверхностью с малым содержанием жидкой фазы, равномерно распределенной по объему системы, который многократно превышает ¡бъем жидкости в ней. ото свойство пены позволяет использовать ее з качестве носителя жидкой фазы в процессах обработки сыпучих материалов, обеспечивая оптимальные условия для равномерного распределения малых количеств жидкости в объеме сыпучего. Процессы обработки твердых дисперсных частиц жидкостью широко используются сак в химической технологии, так и в других отраслях промышленно-}ти. Поверхностная обработка используется для нанесения защитных юкрытий на сыпучий материал, нанесения тонких слоев катализатора на поверхность носителя, при гранулировании порошкообразных материалов, приготовлении строительных растворов, бетона, асфальто-5етона и т.п. Следует отметить, что в большинстве перечисленных 1роцессов количество жидкости строго ограничено, а ее избыток, <ак правило, отрицательно сказывается на свойствах конечного проекта. Однако несовершенство смесительного оборудования вынужда-зт вносить в смесь избыточное, по отношении к необходимому, коли-*ество жидкости для получения однородной по составу смеси.

Основной причиной, препятствующей разработке новых технологических процессов с использованием пен, является отсутствие систематизированного, научно обоснованного подхода к закономерностям течения и разрушения пен, В последние десятилетия в нашей стране

сфорыировался ряд научных школ, занимающихся изучением пенных структур: Пензенская (Кругляков П.И.), Московская (Кутепов A.M. Ветоикин А.Г.), (Иароварников А.Ф.), Ленинградская (Кротов В.В. Сибирская (Канн К.Б.). Большой интерес к этой тематике проявляв ся и за рубежом. Однако большинство теоретических исследований посвящено вопросам строения пенной структуры и описанию процесс синерезиса пен. Многочисленные исследования в области течений пен носят, в основном, экспериментальный характер, а зачастую л тиворечат друг другу. До настоящего времени отсутствуют четкие физические представления, определяющие механизм течения пены, с ну режимов движения и потерю устойчивости течения, В связи с эт систематизация экспериментального материала по вопросам течения пен и разработка соответствующих моделей представляет важнейшую проблему, имеющую как научное, так и практическое значение.

Работа выполнялась по координационным планам ТОХТ АН СССР 2.22.4.5.18 и 2.27.2.69 (1976 - 1985г.г.), отраслевой программе Минудобрений СССР 02.2.01 (1986 - 1990г.г.), координационным пл нам НИР МинВуза СССР по направлению "Системный анализ процессов измельчения, смешения, классификации и дозирования сыпучих мате риалов" (1983 - 1990) к Ярославского НГЦ Академии технологическ наук Р§ "Новые технологии и оборудование агропромышленного назн чения " (1993 - 1995г.г.).

Цель работы состоит в разработке новых ресурсо- и энергосберегающих технологических процессов с использованием структурированных газожидкостных систем для обработки сыпучих материалов жидкостью, создании новых образцов оборудования для их проведения и методов его расчета на основе единого вязкоупругоплас тического механизма движения и разрушения пенной структуры.

Научная новизна.

1. Выявлен вязкоупругопластический механизм течения пены в цилиндрических каналах. Показана невозможность построения инвариантных кривых течения пены вследствие изменения ее свойств по сечению канала. Обнаружены эффекты перераспределения кратности пены по сечению канала и накопления упругой энергии при течении

2. Сформулирован новый термодинамический подход к определе нию капиллярного разрежения пены. Показано, что капиллярное раз режение является основным фактором, определяющим наличие связей между дисперсными частицами пенной структуры. Установлена зависимость капиллярного разрежения пены от ее кратности и дисперс-

ости. .. ;

3. Дано теоретическое обоснование механизма образования уп-угих напряжения в пене при ее течении, как межфазных напряжений, озникающих при деформации газовых пузырьков пенной структуры, азработаны математические модели поршневого и сдвигового течений ен.

4. Установлен механизм перехода поршневого течения пены в двиговое, обусловленный нарушением связей между дисперсными, час-ицами система. Получена зависимость предела сдвиговой текучести ены от ее структурных параметров.

5. Сформулированы критерии потери устойчивости течений пен цилиндрических и конических каналах. Определены критические зна-

ения параметров течения пены в зависимости от ее структурных па-аме.тров.

6. Выявлен механизм перераспределения жидкости по частицам ыпучего материала в ходе процесса смешения. Определено минималь-ое количество жидкости в смеси, обеспечивающее ее равномерное аспределение в массе сыпучего при минимальных затратах энергии.

Практическую значимость- представляют: результаты теоретичес-:их и экспериментальных исследований, позволившие получить пред-¡тавления о механизмах течения и разрушения пен и разработать ме-'оды расчета оборудования для использования в технологических провесах, связанных с получением и использованием пен," новые конструкции смесителей, пеногенераторов и пеногасителей, защищенные авторскими свидетельствами, и внедренные в промышленность: установ-са для вспенивания битума в производстве асфальтобетона, внедрен-тя на заводах ПО ";1рославльавтодор", струйный пеногаситель, внедренный на ХёЗ "Акрихин", установка для пропитки пористых материа-юв растворами; практическое доказательство эфЗюктивности примене-гая пен в процессах смешения сыпучего с'жидкостью, гранулирования порошкообразных материалов, раслыливанкя вязких нефтепродуктов, проведении массообменных процессов с химической реакцией в системах жидкость - газ. Суммарный экономический эффект составил более 700 тыс. руб. в ценах 1991 года.

Автор защищает.

I. Впервые обнаруженные эффекты перераспределения кратности пены по сечению канала, накопления упругой энергии пены при течении и разработанный на их основе вязкоупругопластический механизм

течения пены в цилиндрических каналах.

2. Термодинамический метод определения капиллярного разре жёния пены.

3. Матемагические модели движения пен в цилиндрических и нических каналах.

4. Математическую модель колебательного контура с двумя с пенями свободы с учетом сопротивления среды применительно к оп ределению дисперсности пены.

5. Результаты экспериментальных исследований, доказывающи эффективность применения пен в процессе смешения сыпучего с жи, костью.

6. Новые технические решения, защищенные авторскими свиде тельствами, и методы расчета оборудования.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссерт. ционной работы доложены на 10 Всесоюзных и зональных научных к "фёренциях и совещаниях: Современные машины и аппараты химическ производств (Чимкент, 1980); Технология неорганических веществ минеральных удобрений (Чимкент, 1981); Современные методы гран лирования й капсулирования удобрений (Москва, 1983); Пены. #из ко' - химические свойства и применение (Пенза, 1985); Повышение ' ёффективносги и совершенствование процессов и аппаратов химиче 'ских производств (Харьков, 1985); Биотехника-86 (Грозный, 1986 Современные проблемы механики жидкости и газа (Грозный, 1986); Химтехника-8б (Белгород, 1986); Повышение эффективности и наде но'сти машин и аппаратов в основной химии (Сумы, 1989); Техноло гия сыпучих материалов (Ярославль, 1989).,

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 52 печ ные работы, в том числе 20 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения семи глав, общих выводов, списка использованных источников (22 наименований отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Работа изложена на 334стр., содержит 75 рисунков и 19 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сфс мулирована ее цель, указаны научная новизна и практическая зна чимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

3 первой главе проанализировано современное состояние прс лемы математического моделирования течений газожидкостных сис: устойчивости пенной структуры и ее течений, а также вопросы щ

тического использования пенной структуры для обработки сыпучих атериалов. Анализ показывает, что для описания течений пен ис-ользуются три подхода. В йервом'подходе пена моделируется ньв-оновской жидкостью, т.е. средой, в которой касательное напряже-ие в сдвиговом течении пропорционально скорости сдвига. Коэффи-иент пропорциональности в этой зависимости определяется как вяз-ость среды, величина которой зависит от свойств газожидкостной истемы. Во втором подходе пену представляют вязкопластичной,жид-остью (модель Бингама), вязкость которой является функцией ско-ости деформации течения. Модель течения базируется на экспери-ентальной зависимости касательного напряжения от скорости дефор-ации течения (кривой течения). В третьем подходе пена.рассматри-аетск как вязкоупругая среда, обладающая свойствами жидкости (те-учестьв) и твердого тела (способностью сохранять форму) одновре-енно. Напряженное состояние определяется не только скоростью де-ормации, но и деформацией среды.

Большинство исследований базируется на представлении пены. • язкопластической жидкостью. Среди отечественных авторов следу-т выделить Ветошкина А.Г., представителя-Московской-школы, и Дру-инина В.Н., представителя Сибирской школы, которые внесли'боль-ой вклад в изучение рассматриваемой проблемы. Обобщение резуль-атов исследований позволяет сделать следующие выводы: а) движа-:ие газожидкостных систем с газосодержанием меньше 0,74 можно -«осматривать как движение ньвтоновской жидкости с-эффективной язкостью, определяемой по известной формуле Эйнштейна,* б) при. азосодержании выше 0,74- появляется "аномалия" течения, которая ожет быть описана с использованием модели вязкопластической жид-ости; в) сопротивление среды возрастает с увеличением газосоде-жания системы и уменьшением размеров газовых пузырьков. Однако еальное поведение пен при течении не укладывается в рамки- моде-и бингамовского пластика. При малых скоростях движения пена пе-©мещается как твердый поршень, скользя по стенкам канала (порш-:евое движение)'. Скорость деформации в этом случае равна нулю,-1то исключает возможность использования модели Бингама. йсследо-ания отвердевших пен (пенопластов) показали неравномерность пло-ности материала по сечению листа. В центральной зоне сечения лотность ниже,чем на краях.

В 1983 году опубликована работа американского исследователя [ринсена, который вывел на качественно.новый уровень-моделирова-

ния течений пен, применив модель упругой среды. Принсен рассматривал задачу о движении пены между двумя бесконечными"плоскостями, одна из которых неподвижна, а вторая перемещается. В каче стве-модели пенной структуры использовано плоское представление в котором пенный пузырек моделируется шестигранным цилиндром бе конечной длины. При течении каедьгй пузырек подвержен деформации сдвига, искажающей его форму и приводящей к возникновению напря жений, отличных от давления. Напряжения в среде определялись ка совокупность натяжений пенных пленок в произвольном сечении пузырька. При этом предполагалось, что геометрия деформированной пенной структуры удовлетворяет правилам Плато. При некотором 'зн: ■чении- сдвиговой деформации пенная структура переходит в неравно' веоное состояние, не удовлетворяющее геометрическим правилам Пл; то, в результате чего происходит относительный сдвиг слоев пены на размер пенной ячейки. Такое представление позволило автору о: ределить значение предела сдвиговой текучести среды и модуля сд: га- Ядеи Принсена являются шагом вперед по отношению к традицио; но используемым подходам, однако в силу принятых допущений могу* • отрагсать только качественные закономерности течений пен.

Проведенный анализ показал: а)'"зависимость реологических свойств пены от ее структурных параметров,* б) наличие некоторых специфических эффектов, не укладывающихся в рамки существующих представлений о течении пен.; в) отсутствие единого подхода , по волящего -обобщить многочисленные результаты экспериментальных исследований.

.-. Вторая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям течений пен. Первый этап эксперимента включал вискози-метрические исследования с использованием метода капиллярной ви козииатрии. Его-суть состоит в пропускании испытуемой среды чер! трубки различных диаметров (капилляры) с замером перепада давления на контрольном участке капилляра и расхода среды. Результат! эксперимента обрабатывались по стандартной методике, после чего строилась зависимость касательного напряжения от скорости сдвиг; т.е. кривая течения. Использование капилляров различных диаметр! обусловлено требованием построения кривой течения, инвариантной к диаметру капилляра. Для получения пены использовался-пеногене ратор барботажного типа, измерение кратности производилось весовым методом, расхода - по времени заполнения мерной емкости. Ди персность пены.измерялась на специально разработанном приборе.

5работка результатов эксперимента позволила установить, что по-гроение кривой течения без учета эффекта пристенного скольжения казывается невозможным. Учет пристенного скольжения приводит к эстроению профиля скорости, в котором скорость скольжения ока-ывается выше средней скорости движения среды. Полученный резу-ьтат показывает, что корректное применение модели вязкопласти-зской среды для описания движения пен невозможно.

Следующим этапом исследования было изучение распределения (готности среды по сечении канала. Характеристикой плотности пе-=( является ее кратность. Для определения распределения кратнос-I использовались специальные наконечники, состоящие из соосно условленных цилиндров разного диаметра, позволявшие разделять по-эк пены на два - центральный и пристенный. В эксперименте испо-ьзовался набор наконечников, в котором диаметр наружного цилин-ра оставался постоянным, а диаметры внутренних - менялись. При гационарной работе пеногенератора, подающего пену в наконечник, нимались значения кратности в разделенных потоках, после чего аконечник заменялся другим и исследования повторялись. После неложной математической обработки строились гистограммы распреде-зния кратности по сечению канала. Обработка экспериментальных анных показала, что при течении пены происходит перераспределе-ае жидкой фазы по сечению таким образом, что часть жидкости выдавливается из центральной зоны течения на периферию. Неравноме-ность распределения кратности усиливается с увеличением скорос-и движения и среднего по сечению значения кратности.

На следующем этапе исследования проводилось изучение поведе-ия пены в процессе останова течения. Этот метод является одним з стандартных приемов анализа упругих проявлений среды при тече-ии. Установка включала пеногенератор и капилляр, на входе и вы-оде из которого устанавливались,электромагнитные клапаны. На вхо-ном участке капилляра располагался измерительный штуцер, соеди-енный с электромагнитным датчиком давления, показания которого иксировались самописцем. Эксперимент состоял в организации ус-ойчивого течения пены через измерительный капилляр, после чего ключались электромагнитные клапаны, перекрывая течение. Измене-ие давления среды после останова течения фиксировалось на ленте амописца. Расшифровка записей показала, что при. течений пены на-ашшвается упругая энергия, значение которой можно определить, спользуя результаты эксперимента. Останов течения с герметиза-

цией объема капилляра трансформирует накопленную энергию в энергию давления сжимаемой среды. Упругая энергия течения зависит 01 режима движения и свойств испытуемой пены. Повышение кратности пены и уменьшение размеров газовых пузырьков увеличивает значени упругой энергии течения.

Проведенные исследования свидетельствуют о проявлении пеноР упругих свойств, причем проявление упругости усиливается с возрастанием скорости движения. С другой стороны, вязкопластическая модель может быть использована только при значительных скоростях движения, т.к. поршневой режим течения не укладывается в рамки вязкопластической модели. Таким образом, учет упругих свойств пе ны является необходимым при рассмотрении ее течения.

Третья глава диссертации посвящена изучению дисперсности пе ной структуры. В начале главы рассмотрены существующие методы оп ределения размеров частиц в дисперсных системах. Показано, что большинство известных методов определения, дисперсности пен позво ляйт определить только средний размер газового пузырька и исполь зовать его в модели монодисперсной системы. Однако, движение пен в' каналах может сопровождаться эффектами, приводящими к изменени дисперсного состава пенной структуры ^.дробление пузырьков, коале сценция, перераспределение газа в пузырьках и т.п.). Такие изменения структуры должны влиять на реологические свойства среды, а следовательно, на характер ее течения. При этом возможны изменени дисперсного состава системы при неизменном среднем размере частиц. В соответствии с этим, необходимо знать распределения частиц по размерам при различных режимах движения пены.

С этой целы) была разработана установка для определения дисперсного состава пенной структуры, принцип действия которой основан на разделении пузырьков по размерам в процессе их подъема в жидкости. Схема установки представлена на рис. I. Процедура из мерения дисперсности включала отсечку некоторого объема пены перекрытием потока пузырьков ловушкой I, перевод отсеченной порции в левую часть прибора 2, разделенного перегородкой 3. Далее пузырьки выпускались из ловушки I с последующим улавливанием поплавком подвешенным на пружине 5 и соединенным с индуктивным датчиком перемещений 6, с. помощью которого диаграмма перемещения поплавка фиксировалась на ленте самописца. Характерный вид диаграммы перемещения поплавка показан на рис. 2.

Фиксация поднимающихся пузырьков начинается с момента време ни-Ьо • На диаграмме можно выделить три характерных участка:

Рис.1. Схема установки для Рис. 2. Характерный вид диаграммы определения дисперсности. перемещения поплавка.

Рис. 3. Вероятностные кривые распределения пузырьков по размерам 0,0256м/с; 2 - = 0,0303м/с; 3 -Тт' = 0,С5ч2м/с.

I - - участок разгона; 2 Хг - участок рав-

номерного подъема поплавка (линейный участок); 3 -'ЬгСКЛз -участок торможения (нелинейный участок). В связи с непродолжительностью участка разгона было принято , т.е.' рассмотрение диаграммы начиналось с линейного участка. Построение вероятностных кривых распределения пузырьков по размерам на основе диаграмм перемещения возможно после соответствующей математической обработки результатов эксперимента. Система подвески поплавка представляет собой колебательный контур с двумя степенями свободы. Одна из степеней свободы контура обусловлена наличием пружины 5 в схеме прибора (механический контур), вторая степень свободы обусловлена движением жидкости в емкостях прибора, разделенных перегородкой 3, и представляющих собой сообщающиеся сосуды (гидравлический колебательный контур). Использование такого подхода к рассмотрению движения поплавка позволило получить общий вид функций, определяющих плотность распределения пузырьков по размерам, для участков диаграммы перемещения. 'Так, на линейном участке плотность распределения имеет вид

/Н = 1,814-Ю3 -¿^О,- ^'(ДОб *О,1«е-о-е8"-О)0Э<е-,'5а").

На нелинейном участке диаграммы перемещения

Ь- ф*5е-а'т^ -0,891 - А.+А^'АДЧ/.

Связь размеров пузырьков с временем их подъема получена с использованием формулы Мура, определяющей закон сопротивления частиц.

На рис. 3 показаны кривые распределения пузырьков по размерам, построенные для пены с кратностью К = 93 при различных режимах течения пены I V- средняя по сечению скорость движения пены). Анализ кривых показал, во-первых, отсутствие влияния режима течения пены и ее кратности на характер распределения. Во-вторых, степень полидисперсности пены (разброс размеров пузырьков в распределении) невелика, что позволяет использовать для описания движения модель монодисперсной структуры со средним размером газового пузырька. В-третьих, в процессе течения пены не происходит изменений ее дисперсного состава, который формируется в пеногенераторе. Отметим, что сформулированные положения имеют отношение только к пеногенераторам барботажного типа, в ко-

торых время пребывания пены в объеме генератора достаточно велико. За это время происходит усреднение дисперсного состава структуры.

Четвертая глава посвящена определению важнейших интегральных параметров пенной структуры - капиллярного давления и капиллярного разрежения. 3 начале главы приводится обзор современных представлений о геометрии пенной структуры, базирующихся на трех правилах Плато. Геометрия пенной структуры определяется кратностью и дисперсностью пены. Однако эти параметры не могут однозначно определить распределение жидкости по элементам пенной структуры, в связи с чем появляется необходимость введения дополнительных параметров, которыми являются капиллярное давление и капиллярное разрежение. К.Б.Канн, определяя пену, выдвинул два необходимых требования: а) в пене должны проявляться качественно новые коллективные эффекты, не свойственные другим газожидкостным системам (структурирование); б) пена должна обладать более или менее устойчивой структурой. В зависимости от кратности форма пенной ячейки меняется от сферы (шаровая пена) до многогранника (полиэдрическая пена). Область между шаровыми и полиэдрическими пенами занимают ячеистые пены. Максимальная кратность шаровой монодисперсной пены составляет 3,86, минимальная кратность полиэдрической - 170. Из соображений симметрии следует, что пузырьки монодисперсной полиэдрической пены должны иметь форму правильного многогранника, но ни один из многогранников не удовлетворяет правилам Плато. Наиболее близкой для этого формой является додекаэдр.

В понятие капиллярного давления пенной структуры вкладывается традиционный лапласовский смысл. Капиллярное же разрежение появляется только в структурированных системах, т.е. таких, в которых проявляется взаимное влияние дисперсных частиц. Свойства пены, как твердого тела, обусловлены именно эффектом структурирования, в связи с чем капиллярное разрежение является одним из основных параметров, определяющих реологические свойства пены. Под капиллярным разрежением ¡{.Б.Канн понимает разность между внешним давлением (например, атмосферным) и давлением в жидкостных элементах пенной структуры. Значение капиллярного давления определяется формулой Лапласа, в которой используется радиус кривизны канала Плато - Гиббса.

3 настоящей работе в понятия капиллярного давления и разре-

жения вкладывался термодинамический смысл, определяющий стремление системы к состоянии с минимальным значением внутренней энергии. Если считать газ идеальным (внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры), а температуру постоянной, то изменение энергии газового пузырька становится возможным только путем изменения его поверхностной энергии. В соответствии с этим, отдельный газовый пузырек в жидкости всегда име ет сферическую форму. В структурированной пене (К>4) пузырьки деформированы, т.е. образуют многогранную структуру, которая обладает избыточным по отношению к шаровой пене запасом поверхностной энергии. Освобождение от избыточной энергии, т.е. превращение многогранной структуры в шаровую, возможно только путем всасывания в пену дополнительного количества жидкости (в пределе до К = 4) . Таким образом, любая пенная структура с К>4 будет стремиться к состоянию с шаровой структурой. Внешним проявлением такого стремления будет возникновение капиллярного разрежения, приводящего к снижению давления в жидкостных элементах пены. Изложенное позволяет установить связь между капиллярным давлением Ру- , капиллярным разрежением Р^и лапласовым давлением эквивален тного сферического пузырька: Р^ = Р**- Р^ » = 2 ¿/а » где -поверхностное натяжение, О, - радиус эквивалентного сферического пузырька.

Определение капиллярного разрежения проведено с использованием термодинамического принципа виртуальных перемещений, в соот ветствии с которым при равновесном состоянии системы сумма работ всех сил системы на любом виртуальном перемещении равна нулю. При виртуальном перемещении, состоящем в изменении объема жидкой фазы Уе при фиксированном объеме газовой (У^, =Const ), уравнение принципа виртуальных перемещений примет вид

+ = 0, г*- , (1)

где й - площадь межфазной поверхности пузырька. Использование (I возможно при наличии зависимости б(\^). При фиксированном объеме газовой фазы объем жидкости определяет как кратность пены, та и полный объем системы V . Изменение объема системы вследствие изменения содержания жидкости в ней рассматривалось как всестороннее объемное сжатие среды, мерой которого является относительное изменение расстояния между центрами соседних пузырьков системы £ в ходе изменения объема жидкой фазы. Использование зави

симостей теории деформаций позволило установить связь между кратностью пены и коэффициентом объемного сжатия среды

К = -^¿о- ? д^О,2452 ;вЧ{-е)*-1; (2)

Здесь- объем шаровой пены, - максимальное значение объем-

ной деформации среды при изменении формы пузырька от сферы до додекаэдра. При таком представлении 0 = 0 соответствует шаровой пене, а Э = структуре, в которой каждый пузырек является додекаэдром. Б соответствии с (2) кратность шаровой пены К = 4,08. Выражения (2) позволяют для каждого значения £ определить кратность пены и форму деформированного пузырька.

Для решения уравнения (I) необходимо найти зависимость $(£), для чего использованы следующие модельные представления формы пузырька. Весь интервал значений кратности -+,08<К<е>° был разбит на две деформационные схемы (рис. *0 . В пределах первой схемы 08«; ¡«133, 4 форма пузырька изменяется от сферы до многогранника, грани которого являются кругами, каждый из которых находится в точечном контакте с пятью соседними. Зо второй схеме ГЗЗ.^К5^00 форма меняется от обозначенного многогранника до додекаэдра, В пределах первой деформационной схемы ячейка моделировалась фигурой, полученной из сферы, отсечением 12-ти шаровых сегментов. Зо второй схеме за основу взят додекаэдр со срезанными вершинами. Использованные модельные представления позволяют вычислить значение площади поверхности пузырька для каждого значения £ . В результате решения уравнения (I) найдена зависимость Ргг(Ю и получена аппроксимирующая функция для интервала значений кратности 30 С К <300

9,334 1 - ехрс-0,005.25К)] (3)

На рис. 5 показана эта зависимость и ее сопоставление с моделью Принсена в области высоких значений кратности, т.к. сравниваемая модель справедлива только для полиэдрических пен.

В пятой главе диссертации рассмотрена проблема моделирования поршневого течения пены в цилиндрическом канале. В этом режиме течения исключается относительное движение частиц среды, которая перемещается как твердое тело, скользя по стенкам канала. Напряжения в пене имеют чисто упругий характер, т.к. вязкие проявления возможны только в жидкостном слое на стенке канала, а напряжения в фазах могут быть давлениями. Однако при течении среды

40 £0 № 160 200 Ш К

Рис. 5. Зависимость капиллярного разрежения от кратности пены

I - разработанная модель; 1 - модель Лринсена. б цилиндрическом канале превалирующими являются касательные'напряжения . Возникновение нормальных напряжений рассматривается :< аномалия, получившая название эффекта Зейссенберга. Лз этого сл дует, что касательные напряжения могут быть только компонентами тензора межфазных напряжений. С другой стороны, тензор межфазных напряжений, определяемый натяжениями пенных пленок, для пузырьков симметричной формы не может содержать касательных компонет Следовательно, пенная структура в процессе течения подвергается

деформации, нарушающей симметрию пенных ячеек. С учетом осевой симметрии течения наиболее вероятной будет деформация, при которой каждая точка сечения получит смещение и(г) вдоль оси канала.

и fx J

f- Л fh

£ ■г VI i

г к Л У -

-X.

Рис. б. Деформационная схема течения пены. ■

На рис. 6 показана деформационная схема течения пены, использование которой совместно с зависимостями теории деформаций позволило определить компоненты тензора деформаций в цилиндрической системе координат {dU/c/t)z- 2Exr'-2Bu = dU/dt. Остальные компоненты тензора, а также коэффициент объемной деформации, определяющий изменение объема в ходе деформации, равны нули. Полученный тензор деформаций позволил определить форму деформированного пузырька и перейти к расчету межфазных напряжений. Для определения тензора напряжений необходимо вычислить напряжения в трех взаимно перпендикулярных площадках. Для площадок, проходящих через главные оси ( , €>г , е3 )( компоненты тензора будут определяться выражениями <5^ 3 frfy/Si, где и & - периметр и площадь I - го главного сечения пузырька. Для. недеформированного пузырька величина " определяет капиллярное давление невозмущенной пены, а учет деформации пузырька позволяет вычислить компоненты тензора напряжений в зависимости от значения производной dlf/cft . Зависимость U(t/ определяется путем подстановки компонент тензора напряжений в уравнение импульсов многофазной системы, которое при условии дР/дх. ~~В вconst, в проекции на ось X цилиндрической системы координат дает известное из механики сплошной среды уравнение

ЭСэух . _]_ РСу/ дСэхх . <о ъх п + г ¿у - = и-

Сформулированный подход позволил определить тензоры напряжений и деформаций, девиаторы которых определяются выражениями

^ = ' г (1 + р~) ;

/ (8г)1. Ь , (_Вг)! . с _ п (

; Оуу- рА ^ и

Рь)> рь V ^ РГК1 РГ) '

Дальнейшее рассмотрение картины течения среды строится на энергетечеоких представлениях. Предполагается, что работа межфазных сил системы на перемещениях, связанных с деформацией среды, равна изменению поверхностной энергии

Отсюда следует, что внутренняя энергия увеличивается во всех точках сечения канала за исключением'£ = 0. ото означает общее увеличение, .внутренней энергии объема среды. Однако изменение внутренней энергии возможно только путем внешнего воздействия на систему. «ежфазные напряжения являются внутренними силовыми факторами и не могут изменить энергию системы. В соответствии с этим должен существовать механизм компенсации увеличения энергии. Таким механизмом является уменьшение массы жидкой фазы открытой системы (под системой подразумевается пенное ядро). Вследствие этого рассмотренная деформация сопровождается выдавливанием части жидкости из пены с образованием пристенного жидкостного слоя, по которому скользит пенное ядро.

Выдавливание жидкости из пенного ядра служит причиной возникновения еще одного нового эффекта, который назван "эффектом скоростной неравновэсности" течения. Его суть определяется разницей в средних скоростях движения жидкости в ядре и пристенном жидкостном слое. 3 соответствии с принятыми в гидродинамике положениями скорость жидкости на стенке канала равна нулю (условие прилипания), а на границе ядра и жидкостного слоя - скорости движения пены. Предполагая линейное распределение скорости по толщине .жидкостного, слоя, получим, что средняя скорость движения жидкости в слое в два раза ниже средней скорости движения ядра'. Отсюда следует, что некоторый объем пены "уносит" с собой только поло-

вину выдавленной из него жидкости, а вторая половина остается на стенке канала, уменьшая его проходное сечение. Описанный эффект подтверждается экспериментом. При запуске пены в сухой канал первые ее порции разрушаются, смачивая стенки канала, после чего начинается течение среды. Другим подтверждением этого эффекта является накопление упругой энергии при течении, обнаруженное в эксперименте по останову течения среды.

Для дальнейших исследований необходимо знать распределение кратности пены по сечению канала. Такое распределение обусловлено зависимостью значений межфазных напряжений'от радиуса рассматриваемой точки. Воспользуемся уравнением импульсов для жидкой фазы системы, записанным в проекции на ось г цилиндрической системы координат 2 ^ р г __ __ __

Проанализируем записанное уравнение. Множитель 1/К перед первым членом уравнения имеет смысл объемного содержания жидкой фазы системы (.величина порядка Ю-^). В связи с этим, даже малым значениям второго члена уравнения, который по смыслу является градиентом одной из компонент тензора межфазных напряжений (&?<>), будут отвечать значительные радиальные изменения давления жидкой фазы Р^ . С другой стороны, изменение давления жидкости может быть обусловлено только капиллярными эффектами, в частности, изменением капиллярного разрежения среды. Подстановка зависимости О) в уравнение (5) позволяет получить дифференциальное уравнение

0.077Х ехр(-0,00825К)^ = ,

* Я 2(Г/а) ;

которое с граничным условием К = К0 при ч. =Я (К0- начальная кратность пены) определяет изменение кратности в сечении

Л- ? е*РН - 1 , Н ■ В -1_-, дК =К. - К0

к0 1-бехрН 0,308(г/<ь/ 1+(81,73/К0) 0

Перераспределение кратности по сечению приводит к возникновению объемной деформации пены. Рассмотренный ранее эффект скоростной неравновесности определяет объемное сжатие всего сечения канала 01 , а распределение кратности - объемную деформацию % 0г), зависящую от положения точки в сечении. Тогда объемную деформацию среды в некоторой точке сечения можно представить как сумму 0 = ©*+9г. Деформацияб< происходит без изменения общего объема среды, т.е. объем жидкости, выдавленный из данной области сече-

ния, компенсируется расширением газа, а одинаково в каждой точке сечения.

Далее определяется важнейшая реологическая характеристика среды - предел сдвиговой текучести, определяющий переход от поршневого течения к сдвиговому. Перераспределение жидкой фазы по селению создает условия для начала сдвигового течения пены. Сдвиговое течение отличается ог поршневого тем, что кольцевые слои газовых 'пузырьков пены получают возможность относительных перемещений по отношению к пенному ядру (см. рис. 10). Силовым фактором, определяющим свойства пенной структуры как твердого тела, являет-'ся капиллярное разрежение пены. Тензор межфазных напряжений содержит положительнув компоненту ^ , которая определяет величину напряжений в среде, стремящихся разорвать связи между частицами. Пена будет обладать свойствами твердого тела до тех пор, пока силовые факторы, обуславливающие взаимное притяжение частиц, не сравняются с разрывающим напряжением . Так как для большинства исследованных пенб^Р^ то условием начала сдвигового течения можно считать Р** =.„0. ■

Механизм перераспределения жидкой,фазы по сечению канала (выдавливание жидкости из центра на периферию) предполагает возникновение перепада давления газа в пузырьках, лежащих на оси канала, и' пристенной зоне течения. Этот эффект обусловлен расширением пузырьков, занимающих объем, освободившийся вследствие выдавливания жидкости. С. .другой стороны, уменьшение содержания жидкости в пене (повышение кратности) приводит к увеличению капиллярного разрежения (3). Кратность пены в пристенном слое ядра равна К0 , капиллярное разрежение Р0Г = Р**(Н0), а увеличение давления газа в пузырьках вследствие перераспределения жидкости по сечению составит аР^- . Разрыв связей между пузырьками произойдет, когда - Рд. Это условие позволило получить уравнение для определения предела сдвиговой текучести: (6) В приведенных выражениях Р0 означает давление газа в пузырьках- не-деформированкой пени. На рис. 7 показана зависимость(К0), постр енная для двух значений {р/о- , и ее сопоставление с экспериментальными данными. ■

В 'шестой главе диссертации рассматривается сдвиговое течение пены и гидродинамическая устойчивость течений в цилиндрическом канале и сужающемся коническом сопле. В начале главы показано, что

характер действующих напряжений в сдвиговой зоне течения при

- определяет размер ядра течения) остается таким же Г как в ядре при поршневом движении пены. Однако реализация напряжений в сдвиговой зоне принципиально отлична от ядра течения. Если в пенном ядре возникновение напряжений обеспечивалось взаимными связями частиц, т.е. капиллярными эффектами, то в сдвиговой зоне напряжения являптся результатом действия гидродинамиче-

- го-

стах факторов. 3 частности, касательная компонента тензора 'С сдвиговой зоне обеспечивается вязкими эффектами вследствие отно сительного проскальзывания кольцевых сдвиговых слоев пузырьков. Закон распределения кратности в ядре и сдвиговой зоне течения п лучен из условия: К = Кп при

На рис. 8 показано распределение кратности, где правая часть кр вой определяет распределение в ядре течения, а левая - в сдвиго вой зоне. Правая часть кривой остается неизменной при любом реж ме сдвигового течения. Левая кривая в области < 0 также независима от режима течения, но каждому режиму движения будет соот ветсгвовать своя область определения значений 1 <г/К<,< ^о. На рис. 8 изображен режим течения пены, соответствующий значению я ра течения Я/Яо = Для режима течения с Я/Ко = 2 будет задей ствована только часть изображенной кривой с областью определени 14^2, Таким образом, изображенная кривая является инвариантной, т.е. независящей от режимов движения пены.

Независимость распределения кратности в ядре течения (прав часть кривой), определяется проявлением еще одного важного эффе кта. Выдавливание жидкости из центральной зоны течения на периф рию обуславливает возникновение радиального перепада давления г, за в пузырьках. До тех пор, пока значение этого перепада меньше капиллярного разрежения, жидкость под действием капиллярных эфф ктов будет выдавливаться в пристенный слой. При достижении уело вия ¿Рц. = ?0, определяющего начало сдвигового течения, капилляр най механизм перераспределения жидкости по сечению исчерпывает свои возможности, а возникший перепад давления аР^ "запирает" ж дкость в ядре течения, препятствуя ее выдавливанию в пристенный слой. Однако характер действующих напряжений в сечении сохраняв ся, и дальнейшее увеличение скорости движения среды приводит к т му, что размер ядра течения становится меньше радиуса канала Распределение кратности в сдвиговой зоне течения в соответствии с зависимостью (7) (рис. 8) свидетельствует о существенном увел: чении содержания жидкости по сравнению с исходным с кратностью Это увеличение может быть обусловлено эффектом скоростной нерав новесности течения, но для ее развития необходимо, чтобы некото рое количество жидкости перешло из ядра в сдвиговую зону. В сил, того, что капиллярный механизм выдавливания жидкости из ядра в условиях сдвигового течения перестает работать, должен появитьс:

(7

иной механизм, отличный от прежнего, определяющий накопление жидкости в сдвиговой зоне.

Такой механизм, определяющий перетекание жидкости из ядра в сдвиговую зону, может быть обусловлен объемным сжатием сечения. Изменение содержания жидкой фазы в пене возможно двумя способами: а) изменением объема жидкости при неизменном объеме газовой фазы; б) изменением объема газа путем его сжатия при неизменном объеме жидкости в пене. Среднее по ядру значение кратности в сдвиговом течении остается неизменным независимо от условий течения. Эффекты объемного сжатия усиливаются с увеличением скорости движения среды, что приводит к снижению среднего значения кратности в ядре вследствие сжатия газа и появлению избыточной жидкости, которая идет на образование сдвиговых слоев течения. Применение закона распределения кратности в сечении позволило вычислить значения коэффициентов объемного сжатия:

М1- §){1 " Н.

1 "ехр(И0)

ек =

1

1

ехр

( К - 4

где и - средние значения коэффициентов объемного сжа-

тия по сечению, ядру и сдвиговой зоне соответственно. На рис. 9 показана зависимость (Р./О и ее сопоставление с результатами эксперимента, на рис. 10 - распределение скорости и касательного напряжения в сечении канала.

Использование описанного подхода позволило получить скораст— ние характеристики пенного потока в цилиндрическом канале при

сдвиговом течении:...

а

I

С - й)е*Рн.(гг *)- I; •

Здесь 0. - расход пены, ггПр - скорость проскальзывания, ггя - скорость пенного ядра, С - константа интегрирования. На рис. II показана зависимость О. (Ее ) и ее сопоставление с результатами эксперимента. Приведенные данные свидетельствуют об удовлетворительной сходимости результатов в области значений 2. Необходимо отметить еще один существенный фактор, относящийся к опреде-

30 20 40

• < / / "

в

Рис. 9 Зависимость эффициента о емного скати от режима те ния пены.

ю

2а

■ ✓✓ /1 ^ / ////.///у/'«//

А

О* ■и

/, а Ой У

1

-0> ТГс

Рис. К Распределен скорости по чению канале

Рис. II. Зависимость расхода го от режима.течения. ■

^ № 1>ъ 2,2 2,6

ению скорости в поршневом режиме течения пены. При Т*sТа эк-периментальные значения толщин пристенных жидкостных слоев ока-ываются примерно одинаковыми независимо от свойств испытуемой пе-ы. С другой стороныозначает О при t-R , т.е. опреде-яет режим течения среды, когда расклинивающее давление в смачи-ающей жидкостной пленке на стенке канала обращается в нуль, а идкость в пленке обретает свойства объемной фазй. Зависимость асклиниващего давления от толщины смачивающей жидкостной плени имеет еид: Рн~ Ä/h" , где Рн - расклинивающее давление, А - ко-станта, определяемая свойствами жидкости и материала стенок ка-ала,И - толщина жидкостной пленки. Показатель степени п так-е определяется физико-химическими свойствами жидкой и твердой аз. Б соответствии с этим характер течения среды в поршневом ре-име движения определяется только физико-химическими свойствами оверхности канала и жидкой фазы пены.

Следующий этап исследования состоял в изучении механизма по-ери устойчивости течения пены в цилиндрическом канале. Увеличе-ие скорости движения последовательно приводит к смене поршнево-о течения сдвиговым, а сдвигового - потерей устойчивости тече-ия. Режим потери устойчивости сопровождается возникновением пу-ьсаций и расслаиванием сплошного потока пены с образованием че-едующихся по длине канала газовых и пенных пробок. При этом часть аза переходит в свободное, не связанное с пеной состояние, а со-ержание жидкости в образовавяихся пенных пробках будет выше, чем сплошном потоке, ¿-то означает, что механизм потери устойчивос-и направлен на образование новой структуры с повышенным содер-анием жидкой фазы в пене. Анализ распределения кратности по се-знив канала (рис. 8) показывает, что неограниченное возрастание R/R.-™) приводит к ассимптотическому приближению значений (.знак минус свидетельствует о накоплении жидкости в двиговой зоне). Однако значение кратности в реальной пене не мо-зт убывать до нуля. При кратности К = А пена представляет газо-ядкостную систему, в которой отсутствуют связи между дисперсны-и частицами. Разрыв связей в пристенной области течения будет риводить к нарушению упорядоченного послойного течения в сдви-эвой зоне и возникновению пульсаций, приводящих к потере устой-ивости течения. Таким образом, критерием потери устойчивости те-зния будет К = 4 при z = R. Использование закона распределения ратности в сечении позволило определить зависимостьZ,(К0), где

5,0

4,5

¥ 3,5

7 6 5

3 2

\»

-- 1 > '*--

к ---* 1—

60 4 0 100 № М

Ус'/о

Рис. 12. Зависимость критического размера ядра от кратности пены

I

Г а.

92,2 Н/м";

2 - Г. =112 Н/м2.

н

Л\ \

V л 1 г ъ

\ ' /

/

о

г- ■ - -в

Ко

Рис. 13.

1. С = 30с (.жидкость);

2. "с = 90с чжидкость);

3. е = 30с (пена).

. I 3 4 5 С/о

. а ^олр _ критический размер ядра, при достижении которого происходит потеря устойчивости. На рис. 12 приведены такие зависимости и соответствующие им экспериментальные точки.

далее приводятся результаты теоретических исследований потери устойчивости течения при.движении пены через сужающийся конический канал. Показано, что в этом случае, так же как при" движении _в цилиндрическом канале, происходит деформация газовых пузырьков пены, приводящая к их вытягиванию в направлении течения. Момент потери устойчивости течения обусловлен превышением гидродинамических силовых факторов течения над капиллярными, определяющими прочность пузырьков пены.

В заключительной, седьмой главе диссертации приводятся данные по промышленному использования результатов работы. Проведенные исследования позволили сформулировать основные закономерности течения и разрушения,пен в каналах, что создает предпосылки для использования структурированных газожидкостных- систем в промышленной практике. С целью оценки эффективности использования пены в качестве носителя жидкой фазы в процессах обработки сыпучего жидкостью была проведена серия экспериментов по смещению в смесителе периодического действия лопастного типа. В качестве сыпучего материала использовался речной песок фракции (0,1 * 0,3) КГ3м, в качестве жидкости - вода с добавкой ПАВ. Сравнивались два способа ввода жидкости в сыпучее - распиливание и введение в виде пены при различных временах смешения *С и конечной влажности смеси С. В качестве критерия качества смеси использовался коэффициент неоднородности Ус . Проведенные исследования показали, что при влажности смеси более 1,5% введение жидкости во вспененном состоянии снижает коэффициент неоднородности в 2 -3 раза, что эквивалентно уменьшению времени смешения примерно в 4 раза (см. рис. 13). При получении смесей с влажностью менее 1,5% наблюдается резкое возрастание коэффициента неоднородности при обоих способах ввода жидкости. Смеси одинаковой влажности, но полученные при различных способах ввода жидкости, отличаются даже визуально. Смесь, приготовленная на основе вспененной жидкости, растекается по поверхности при высыпании из смесителя. Этот эффект обусловлен наличием мелких газовых пузырьков в смеси, которые определяют ее подвижность, ¿то свойство смеси может оказаться определяющим для процессов дальнейшей переработки, в которых подвижность может играть решающее значение.

Наличие в зависимости \4. (С) области резкого возрастания значений Ус позволило выдвинуть гипотезу о том, что структурированные дисперсные системы (с малым содержанием дисперсионной фазы) подчиняются некоторым общим закономерностям, независимо от вида фаз, составляющих дисперсную систему. В частности, рассмотренный эффект для системы "твердое-жидкость" (т-ж) аналогичен появлению капиллярного разрежения в пене (ж-г) при К = Ч, т.е. началу структурирования системы. Структурирование пены приводит к возникновению взаимного влияния дисперсных частиц, усилению упругих проявлений среды и ослаблению еязких ч.снижение текучести). Гипотеза о возникновении структурирования систем т-к подтверждается ре- -

зультатами испытаний образцов асфальтобетона, полученных из смесей с различным содержанием жидкой фазы (битума). Установлено, что снижение содержания битума в смеси повышает прочностные показатели материала. Причиной возникновения таких эффектов может быть, структурирование асфальтобетонной смеси, "включающее" межмолекулярное взаимодействие частиц системы при содержании жидкой »фазы ниже некоторого порогового значения.

Механизм перераспределения жидкости по частицам сыпучего в процессе смешения рассмотрен в работе с точки зрения теории смачивающих пленок, в соответствии с которой в пленке жидкости на твердой поверхности (смачивающей пленке) создается некоторое разрежение, называемое'расклинивающим давлением. Значение расклинивающего давления определяется поверхностными свойствами взаимодействующих фаз и толщиной смачивающей жидкостной пленки. При некотором значении толщины пленки (равновесной толщине) расклинивающее давление обращается в нуль и может появиться только в пленках, толщины которых меньше равновесных. Допустим,часть поверхности частицы сыпучего материала в процессе смешения оказалась частично смоченной, причем толщина жидкостной пленки меньше равновесной. Предположим, что такая частица в. очередной раз вступила в контакт с объемом жидкости, в котором расклинивающее давление отсутствует, т.е. жидкость обладает свойствами объемной фазы. Вследствие разности давлений в объеме жидкости и поверхностном слое частицы возникнет поток жидкости из объема в поверхностный слой, который будет существовать до тех пор, пока толщина поверхностного слоя не станет равновесной. Описанный механизм показывает, что движущей силой процесса поверхностной обработки сыпучего материала является расклинивающее давление в смачивающей пленке.

Определение равновесной толщины смачивающей пленки производится экспериментально или рассчитывается с использованием методов физической химии. Один из методов экспериментального определения этой величины может быть рекомендован как результат проведенных исследований. Выше было показано, что в переходном режиме течения пены от поршневого к сдвиговому толщина пристенного жидкостного слоя практически не зависит от структурных параметров пены, а определяется только свойствами пенообразующей жидкости и материала стенки канала. В рассматриваемом режиме течения капиллярное разрежение обращается в нуль (условие начала сдвигового течения), а cлeдoвaтeльнoi и расклинивающее давление в граничащем

с пеной'пристенном жидкостном слое. Отсутствие расклинивающего давления в жидкостной пленке свидетельствует о том, что жидкость в пленке обретает свойства объемной фазы, для которой справедливы уравнения гидродинамики. Полагая линейное распределение скорости по толщине пристенного жидкостного слоя, можно определить значение равновесной толщины смачивающей пленки на стенке каналаСредняя по сечению скорость движения пены легко вычисляется по ее расходу и радиусу канала. Равновесная толщина смачивающей пленки является определяющим понятием для целого ряда процессов обработки сыпучих материалов жидкостью. К таким процессам можно отнести приготовление строительных растворов, бетона, асфальтобетона, гранулирование порошкообразных материалов и т.п. Одним из наиболее ярких проявлений структурирования частиц сыпучего материала является его слеживаемость под воздействием атмосферной влаги.

На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики расчета оборудования для реализации процесса обработки сыпучих материалов с использованием пен. В. связи с тем, что большинство объектов промышленного использования результатов работы предполагало модернизацию действующих производств, задача исследований сводилась к разработке пеногенери-рующего устройства и транспортного пенопровода для подачи полученной пены в смеситель. Разработанные методики расчета позволяют решить поставленную задачу. Так, при решении транспортной задачи определяется диаметр пенопровода, гарантирующий устойчивое течение пены, и характеристики напорного оборудования. Методика расчета пеногенерирующего устройства позволяет определить его конструктивные параметры, обеспечивающие получение пены с заданными свойствами.

В качестве основного объекта промышленного использования результатов работы был выбран процесс приготовления асфальтобетона для дорожного строительства. Разработано несколько конструктивных схем узла вспенивания битума, работающих на воде и паре (при его наличии), защищенных авторскими свидетельствами, которые были внедрены на заводах объединения "Ярославльавгодор". На ХёЗ "Акрихин" внедрен пеногаситель струйного типа, используемый в процессе ферментации, а также внедрена установка для пропитки гранулированных пористых материалов растворами. Успешно прошли испытания установки для распыливания вязких нефтепродуктов и установки

для окисления гудрона с использованием пенной структуры. Показана эффективность использования пены в процессе гранулирования порошкообразных материалов.

" В приложении приведены результаты экспериментальных исследований по следующим разделам: а) вискозиметрические исследования, течений пен,' б) распределение кратности по сечению канала,' в)- распределение давления по длине капилляра," г) определение дисперсности пенной структуры; д) смешение сыпучего материала с жидкостью. далее приводится документальный материал, подтверждающий внедрение результатов работы. Основные результаты работы.

1. На основе проведенных экспериментальных исследований установлен механизм течения пены в цилиндрическом канале, включающий деформацию пенных пузырьков, выдавливание жидкости из центральной зоны канала на периферию с образованием пристенного жид. ".''костного слоя и увеличением содержания жидкости в пене, являющим-

ся'следствием скоростной неравновесности течения.

2. Сформулирован новый термодинамический подход к определению понятия "капиллярное разрежение" пены, определяющий тенден-

• цию уменьшения свободной энергии пенной структуры всасыванием до< ■'полнигельного количества жидкой фазы для перестройки многогран-

~"ной структуры в сферическую,. С использованием термодинамического принципа виртуальных перемещений получена зависимость капиллярного разрежения от кратности и дисперсности пены.

3. Установлен межфазный характер упругих напряжений в пене ■при-течении в цилиндрическом канале. Получены выражения для компонент тензоров упругих деформаций и напряжений. Показано, что в

' сдвиговом.'течении тензор упругих напряжений содержит не только

касательные, но и нормальные компоненты, что определяет "анома-- 'Льносгь" свойств пены при течении.

4. С использованием уравнений динамики многофазных сред най дены распределения кратности пены, а также давлений в жидкой и газовой фазах по сечению цилиндрического канала. Установлен кри-

• терий перехода течения пены от поршневого к сдвиговому, получены выражения для вычисления предела сдвиговой текучести пены в зависимости от.ее структурных параметров.

" 5. "Определены критерии устойчивости течения пены в цилиндрических каналах и конических соплах. Получены расчетные зависи-'.. мости для определения критических режимов течения и скоростных

характерисгик течения в цилиндрическом и коническом каналах.

6. Разработан прибор для определения дисперсности пены и методика обработки экспериментальных данных на основе уравнений движения колебательного контура с двумя степенями свободы. Экспериментально показано отсутствие влияния характера движения пены в цилиндрическом канале на ее дисперсный состав. Показано также, что степень полидисперсности пены, получаемой в генераторах барботажного типа, незначительна, что позволяет при расчетах использовать модель монодисдерсной системы.

7. Экспериментально доказана эффективность использования пен в процессах смешения сыпучего материала с жидкостью, гранулирования порошкообразных материалов, распиливания вязких нефтепродуктов, а также проведения массообменных процессов с химической реакцией в системах жидкость - газ.

8. Выявлен механизм процесса увлажнения сыпучих материалов на основе теории смачивающих пленок и сформулированы принципы расчета оборудования для осуществления процессов взаимодействия сыпучего с малыми количествами жидкости.

9. Разработаны конструкции пеногенераторов, пеногасителей, смесителей, защищенные авторскими свидетельствами. Внедрены в производство: установка для вспенивания битума в производстве асфальтобетона в управлении "Ярославльавтодор"; пеногаситель струйного типа на Х£3 "Акрихин",' аппарат для пропитки гранулированных пористых материалов растворами. Суммарный экономический эффект

от внедрения составил около 700 тыс. рублей в ценах 1991года. Содержание диссертации опубликовано в 52 работах.

1. Готовцев 13.¡4. Вязкоупругая модель поршневого движения пены в цилиндрическом канале// Теор. основы хим. технологии. - IS96. -Т. 30, »6.- С. 576 - 582.

2. Готовцев В.М., Бараев П.А. Вискозиметрическое исследование структурированных пен// Изв. ВУЗов: Химия и хим. технология.-1995.-Т.38, «б.- С. 56 - 59.

3. Готовцев В.М., Бараев Я.А. Оценка эффективности процесса увлажнения сыпучего материала с использованием пен// Изв. ВУЗов: Химия и хим. технология.- 1995.- Г.38, »6.- С. Ш-П6.

4. Готовцев В.М., Зайцев А.И., Сидоров З.Н. К определению режимов срыва жидкости с поверхности летящей твердой частицы// Теор. основы хим. технологии.- 1983.- Г. 17, №5.- С. 703 - 705.

5. Готовцев В.М., Куткин И.А., Зайцев А.И. Скоростная киносъемка

процесса' взаимодействия частиц со свободными жидкостными пленками// 1урн. научн. прикладной фотографии и кинематографии.-1982.- Т. 27, JI5.- С.'321-327.

6. Готовцев В.М., Световой В.В., Бытев Д.О. О проникании твердых частиц через свободные жидкостные пленки// Изв. ВУЗов: Химия и хим. технология. - i960.- Т. 14, №11. - С. 1453 - 1455.

7. Готовцев B.i»!., Рябков A.A., Бытев Д.О. ^тематическая модель гравитационного истечения жидкости из флотационных пен// Йзв. ВУЗов: Химия и хим. технология. - 1986. - Т. 29, №7.- С.129-131.

8. Готовцев В.М., Бытев Д.О., Данович JI.M. Математическая модель нестационарного гравитационного синерезиса пен// Изв. ВУЗов: Химия И хим. технология.- 1985.- Г.28, MI.- С. 121 - 123.

9'. Готовцев В.М., Рябков A.A., Бараев П.А. Некоторые особенности течения пен в каналах// Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов: Межвуз. сб. науч. тр. - ИХТИ. Иваново!/ 1987. - С. 120 - 124. •

10.'"'Готовцев В.М., Зайцев А.И., Суркова Л.В. «Экспериментальное исследование процесса брызгообразования при проникании твердых частиц скво'зь свободные жидкостные пленки// Технологические процессы "в пр-ве витаминов: Сб. трудов ВШШ витаминов. - М. 1980. С. 177 - 180. "

1Г-/Готовцев В.М., Бараев П.А. Промышленное применение пен высоковязких продуктов для обработки сыпучих материалов// Технология сыпучих'материалов: Тез. докл. Зсесоюз. ко'нф. - Ярославль. - I93S Т. 2.- С. 196 - 197.12. Готовцев B.Ii., Бараев П.А. Использование пенных структур в процессе смешения с жидкостью// Технология сыпучих материалов: Тез. докл~. Зсесоюз. конф. - Ярославль. - 1989. - Г. 2.- С. 2. 13. Готовцев В.И., Данович Л.Й., Бараев П.А. '¿кспериментальные исследования реологических свойств пены// Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов хим. производств: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - Харьков. - 1985. - Ч. I. - С. 92 - 93. '

"14. Готовцев В.Я., Зайцев А.И., Рябков A.A. Некоторые особенном^ реологического поведения пен// Процессы и аппараты для биологических производств. Биотехника - 86: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - Грозный. - 1986. - Ч."I. - С. 70 - 71. 15. Готовцев В.М., Рябков A.A., Бараев П.А. Вязкоупругая модель

течения пены применительно к расчету диспергирующего оборудования// Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии: Тез. докл. Всесоюз. совещ. - Сумы. - 1989. - С. 41.

16. Готовцев З.М., Рябков A.A., Бараев П.А. Некоторые особенности вискозиметрического течения пен// Теоретические основы механики сплошных сред: Тез. докл. межвузовского науч. семинара. - Ярославль. - 1987. - С. 13.

17. Готовцев В.М., Рябков A.A., Данович Л.М. .Математическая модель течения и разрушения пен ъ сужающихся каналах// Современные проблемы механики жидкости и газа: Тез. докл. Всесоюз. совещ. - Грозный. - 1986. - С. 15.

18. Готовцев В.М., Рябков A.A., Данович Л.М. Зязкопластичная модель вискозиметрического течения пены// Современные проблемы механики жидкости и газа: Тез. докл. Всесоюз. совещ. - Грозный. - 1986.-С,18.

19. Готовцев В.М., Рябков A.A., Бараев П.А. Основы математического моделирования процессов смешения сыпучих материалов с использованием пен// Технология сыпучих материалов, лимтехника - 66: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - Белгород,- 1986. - Ч. II. - С. 25-26.

20. Готовцев В.М., Световой 3,5., Данович Л.М. Математическая модель течения пены в цилиндрическом канале// Пены. Физ. хим. св-ва и применение: Тез. докл. Зонал. науч. конф. - Пенза. - 1985.-С.13.

21.Готовцев В.М., Данович Л.м., Бараев П.А. Исследование реологических свойств пены методом капиллярной вискозиметрии// Пены. ¿из. хим. св-ва и применение: Тез. докл. Зонал. науч. конф. - Пенза.-1985. - С. 14.

22. Готовцев В.У. Раков В.А., Данович Л.М. Устройство для нанесения пленочных покрытий на твердые частицы с использованием пенных структур// Современные методы гранулирования и капсулирования удобрений: Тез. докл. III Всесоюз. совещ. - М. - 1983. - С. 110.

23. Готовцев В.М., Блинова Е.И., Световой В.Б. Метод и устройство для введения связующего при нанесении покрытий на семена с/х культур// Современные методы гранулирования и капсулирования удобрений: Тез. докл. III Всесоюз. совещ. - И. - IS83. - С. 112 - 113.

24. Готовцев В.М., Зайцев А.И., Сидоров В.Н. Технология и аппаратура для улучшения физико- механических свойств минеральных удобрений// Технология неорганических веществ и минеральных удобрений: Тез. докл. III Всесоюз. науч. конф. - Чимкент. - 1981. - Т. II. -С. 536 - 540.

25. Готовцев З.М., Сидоров В.Н., Зайцев А.И. Аппарат для пропитки

грнулированных пористых материалов// Химическое и нефтяное машиностроение. ~ ЦИНТЙХИМШГЕМАШ. - 1981. - №4. -С. 1-2.

26. Готовцев В.М., Макаров iC.II., Раков В.А. Новая конструкция аппарата для пропитки пористых материалов и основы его гидродинамического расчета// Современные машины и аппараты хим. производств: Тез. докл. II Всееоюз. науч. конф. - Чимкент.- 1980. - Т. I. - С. 435 - 438.

27. О применении модели вязкопластичной жидкости для описания движения пен/ Готовцев В.М., Бараев П.А., Рябков A.A.: - 5с. - Деп.

в ВИНИТИ 5.03.87, »1604.

28. Готовцев В.М., Рябков A.A., Попков А.Н. Особенности применения пен в процессах смешения с сыпучим материалом// Роль колодах конструкторов .......: 1ез. докл. У Всесоюз. науч. конф. - ЦИНТИХИМ-

ШТЕМАШ. - 1986.- С. 18.

29. Готовцев В.М., Рябков A.A., Кравцов A.B. Анализ некоторых особенностей течения пен// Роль молодых конструкторов ....: Тез, докл У Всесоюз. конф. - ЦИШЖШНЕШЫАШ. - 1986. - С. 19.

30. Экспериментальные исследования процесса синерезиеа флотационных пен/ Готовцев В.М., Данович 1.М., Зайцев А.И., Рябков A.A. : -4с. - Деп. в ВИНИТИ 4.05.85, Н467.

31. Теоретические и экспериментальные исследования течений пен/ Готовцев З.М., Зайцев А.Й., Данович JI.M.: -6с.- Деп. в ВИНИТИ 19.06.84, №4065.

32. О механизме механического гашения пены/ Готовцев В.М., Данови' Л.И., Бараев П.А.: -5с. - Деп. в ВИНИТИ 01.03.84, №1183.

Новые технические решения защищены авторскими свидетельствами №№: устройства для генерации пена - 1286264, I73I892; пеногасители -I308621, 1095937, I2I9II3, II97688, II8004I, II39460; смесители -119203,- 1060481, 1027876,- 1000087, 749445?-устройства для нанесен! оболочек на твердые частицы - -833821, 710657 , 665936 , 848029, 879223, 1090398, 1263245.

Перечень условных обозначений и сокращений: а, - радиус эквивалентного пузырька, А - удельная работа, 3 - осевой градиент давления, Е - удельная энергия, ^(а)- плотность распределения пузырьков по размерам,Ь - толщина жидкостного слоя, Ь^ - равновесная толщина смачивающей пленки, К - кратность пены, Р - давление, Р^ - капиллярное давление, Р** - капиллярное разрежение,Рь -лапласово давление эквивалентного сферического пузырька, О. - расход, Z - текущее значение радиуса, К - радиус канала, Ко - радиус ядра течения, 3 - площадь поверхности, и - осевое смещение точек сечения,V - объем, V - скорость, £ - относительное удлинение,^' - компоненты тензора деформаций, f - коэффициент поверхностного натяжения, - компоненты тензора напряжений,"^ - касательное напряжение ^.время смешения), £> - предел сдвиговой текучести, в - коэффициент объемного сжатия- коэффициент динамической вязкости жидкости, С - коэффициент жесткости пружины (влажность смеси), Ус - коэффициент неоднородности смеси. Индексы: 6 - жидкость,^ - газ, / - пена, 0 - начальное состояние, СР - среднее значение, КР - критическое значение, ПР - проскальзывание, Я - ядро, К - сдвиговая зона.

Подл, в печ. 20.05.97. Печ.л.2. 3.864. Т.100. Ярославль

Типография государственного технического университета