автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Нестационарные гидромеханические процессы в импульснокавитационных аппаратах с прерыванием потока

МОСКОВСКОЕ ВЫСШЕЕ ОБЩЕВОЙСКОВОЕ КОМАНДНОЕ УЧИЛИЩЕ

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИМПУЛЬСНО-КАВМТАЦИОННЫХ АППАРАТАХ С ПРЕРЫВАНИЕМ ПОТОКА

Специальность 05.17.08. - Процессы и аппараты

химической технологии

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

НА ПРАВАХ

Зимин Алексей Иванович

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные обозначения......................7

Введение............................10

Глава 1. Обзор научно-технической и патентной литературы и

постановка задачи исследования ............ 19

1.1. Нестационарные (в том числе - кавитационные) потоки обрабатываемой среды: основные свойства

и характеристики, технологическое применение ..... 20

1.2. Применение аппаратов с прерыванием потока обрабатываемой среда в процессах химической технологии......................36

1.3. Основные закономерности работы, эксплуатационные характернотики, методы расчета и масштабирования роторных аппаратов.с периодическим прерыванием

потока..............................44

Выводы........................... 59

Глава 2. Общие вопросы теории нестационарных

гидромеханических процессов в аппаратах с прерыванием потока ................. 63

2.1. Построение математической модели движения обрабатываемой среды в прерывателе (модуляторе) аппарата...........................64

2.2. Результаты численного решения уравнения нестационарного движения обрабатываемой среды

в модуляторе (прерывателе) аппарата .......... 76

2.3. Результаты аналитического решения уравнения нестационарного движения обрабатываемой среды

в модуляторе (прерывателе) аппарата ......... 100

2.4. Линейный анализ течения обрабатываемой среды в

прерывателе роторного аппарата - расчет коэффициента

местного гидравлического сопротивления для нестационарного потока; гидравлический гистерезис. . 109

2.5. 0 бифуркациях и парадоксах в теории нестационарных гидромеханических процессов..............134

2.6. Компьютерное моделирование нестационарных гидромеханических процессов в аппаратах с прерыванием потока обрабатываемой среды ....... 148

2.7. Расчет формы поперечного сечения каналов ротора и статора аппарата с прерыванием потока ........ 166

Выводы..........................172

Глава 3. Анализ нестационарных гидромеханических процессов в полости ротора и рабочей камере аппарата. Кавитация в нестационарных потоках ......... 174

3.1. Режим резонансных синхронных колебаний в полости

ротора и рабочей камере аппарата .......... 174

3.2. Возникновение кавитации в нестационарных потоках

под воздействием отрицательного импульса давления. . 176

3.3. Влияние объемного газосодержания и температуры обрабатываемой среды, числа кавитации на интенсивность кавитационного режима работы.............187

3.4. Перколяционная модель кавитационного диспергирования жидких гетерогенных сред при импульсном возбуждении кавитации......................201

3.5. Турбулентный режим диспергирования.........210

3.6. Модель кавитационного ансамбля при импульсном возбуждении кавитации................215

Выводы..........................219

Глава 4. Анализ процесса обогащения двухкомпонентных смесей одним из компонентов в нестационарных потоках при импульсном возбуждении кавитации..........220

4.1. Постановка задачи. Основные допущения. Исходные уравнения.....................221

4.2. Решение системы уравнений тепломассообмена в двухфазной двухкомпонентной среде при импульсном возбуждении кавитации ............... 227

4.3. Аналитические оценки процесса "кавитационной ректификации" (процесса обогащения смеси одним из компонентов) .................... 232

Выводы.........................236

Глава 5. Экспериментальные исследования нестационарных

гидромеханических процессов и импульсного возбуждения кавитации.....................238

5.1. Методика исследований нестационарных гидромеханических процессов.....................238

5.2. Определение гидромеханических характеристик

роторного аппарата ................. 246

5.3. Возникновение и развитие кавитации в нестационарных потоках обрабатываемой среды при импульсном возбуждении.....................250

5.4. Определение кавитационных характеристик нестационарных гидромеханических процессов

в рабочей камере аппарата .............. 257

5.5. Имитационное моделирование нестационарных гидромеханических процессов.............266

5.6. Экспериментальная проверка резонансных и бифуркационных явлений в роторном аппарате ..... 269

Выводы.........................273

Глава 6. Разработка роторных и ротационных аппаратов для интенсификации гидромеханических и массообменных процессов в нестационарных потоках обрабатываемых сред........................278

6.1. Разработка роторных аппаратов с прерыванием потока для интенсификации технологических процессов в нестационарных некавитационных течениях ....... 278

6.2. Разработка роторных аппаратов для интенсификации технологических процессов в нестационарных потоках

при импульсном возбуждении кавитации ........ 284.

6.3. Разработка ротационных аппаратов с прерыванием потока для интенсификации и оптимизации процессов диспергирования и коагуляции ............ 293

6.4. Применение прерывистых потоков для определения газосодержания жидкости, для кавитационной "ректификации" жидких смесей ............ 300

6.5. Основы методики расчета роторного импульсно-кавитационного аппарата ............... 301

Выводы..........................303

Глава 7. Практическое использование результатов исследований: применение импульсно-кавитационных аппаратов для проведения гидромеханических (технологических) процессов в нестационарных потоках гетерогенных сред при импульсном возбуждении кавитации

и в докавитационном режиме ..............306

7.1. Диспергирование газов и жидкостей в нестационарных потоках при импульсном возбуждении кавитации .... 306

7.2. Интенсификация растворения труднорастворимых веществ (на примере растворения эвкалимина в этиловом спирте)

в кавитационном режиме . . .............329

7.3. Приготовление рабочих жидкостей (шахтных эмульсий) и топливно-дисперсных смесей для промышленных котельных в кавитирующих потоках.......... . 333

7.4. Диспергирование компонентов при производстве детергентов.....................346

7.5. Интенсификация технологии переработки'нейтрализованных

сернокислых шламов в железооксидный пигмент ..... 364

7.6. Интенсификация процесса обогащения двухкомпонентной смеси одним из компонентов (на примере процесса разделения водно-спиртовой смеси на составляющие)

под воздействием кавитации ............. 366

7.7. Механизм интенсификации процессов диспергирования и растворения в прерывистых потоках при импульсном возбуждении кавитации ................ 371

Выводы..........................374

Основные выводы и результаты ................ 376

Литература..........................378

Приложение..........................412

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - постоянная; отношение ширины канала ротора ар к ширине канала

статора ас, А = а /а,; В - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль• К); ВЦ) - коэффициент; - постоянные; С - постоянные величины;

с - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг-К); скорость распространения возмущений давления в среде, м/с;

9

I) - коэффициент температуропроводности, м~/с; £ - кинетическая энергия, Дж; С - плотность кинетической энергии, Дж/м3;

С- - любой из теплофизических параметров смеси; расход газа через аппарат, кг/ч;

9

«7" - поток массы, кг/(м~-с); К - коэффициент массопередачи, кг/(ч-м2);

Д2 - доли компонентов смеси; постоянные интегрирования; Ъ - расход жидкости через аппарат, м3/ч, кг/ч; I - длина модулятора (прерывателя) аппарата, м; М - число Маха;

т - масса, кг; коэффициент модуляции расхода; $ - давление, безразмерная величина;

Р - давление, Па; АР+ - высота положительной части импульса давления, Па; АР_- глубина отрицательной части импульса давления,Па; Р^ - статическое давление в рабочей камере аппарата, Па;

Р^^ - высота кавитационного импульса давления, Па; кэв

Р^ - совокупное давление возмущения в рабочей камере (кавитацион-

ное и генерируемое в прерывателе), Па; Р■ - давление насыщенных паров жидкости при данной темпера туре, Па; АР - перепад давления на прерывателе аппарата, Па;

Q - объемный расход, м3/с; q - элементарный объемный расход, м3/с; R - радиус пузырька, м;

R^ - радиус внутренней поверхности рабочей камеры, м; Нр - радиус внутренней поверхности ротора, м; г - радиальная координата, м;

S^ - площадь поперечного сечения выходного отверстия канала статора, м2;

S(t) - площадь поперечного сечения прерывателя аппарата, м2; з - безразмерная площадь проходного сечения прерывателя; Т - температура, К; период прерывания потока, с; Тг - период вторичной модуляции потока;

t - текущее время, с; А£_- длительность отрицательной части импульса давления, с; Аi - период повторения импульсов, с; U - скорость движения межфазной границы с учетом массообмена, м/с; 7 - объем, м ; v - скорость, м/с;

w - относительная (безразмерная) скорость; У - концентрация газа в жидкости, кг/м3;

а - паросодержание (газосодержание) смеси; относительное (безразмерное) ускорение; ат - глубина отрицательного импульса безразмерного ускорения; Од - коэффициент аккомодации; а - коэффициент; ß - коэффициент; 7 - коэффициент;

А - безразмерный (относительный) зазор; б - зазор между ротором и статором, м; С - коэффициент гидравлического сопротивления; 9 - температура, °С;

зе - коэффициент теплопроводности,Вт/(м-К); коэффициент заполнения; X - удельная теплота парообразования, Дж/кг; относительная элект-

ропроводность газожидкостной смеси; ц- молекулярная масса, кг/моль; коэффициент расхода; собственное число;

- коэффициент вязкости, Па-с; р - плотность, кг/м ;

0 - коэффициент поверхностного натяжения, н/м; коэффициент модуля-

ции объема обрабатываемой среды; т - относительное (безразмерное) время; Ф - коэффициент извлечения; фаза; % - число кавитации; оз - частота колебаний, с-1; Q - угловая скорость ротора, с-1; Но - критерий гомохронности; Re - критерий Рейнольдса; fe - критерий Вебера; Ей - критерий Эйлера; Ro - ротационный коэффициент.

Индексы

1 - жидкая фаза; v - паровая фаза;

О - начальное значение; ¿ = 1, 2 - номера компонентов, к - рабочая камера; р - ротор;

Сокращения

РИА - роторно-импульсный аппарат;

РАМП - роторный аппарат с модуляцией потока;

РПА - роторно-пульсационный аппарат;

ГАРТ - гидродинамический аппарат роторного типа;

ГМД - гидромеханический диспергатор.

ВВЕДЕНИЕ

Перспективы развития химической промышленности и смежных с ней отраслей, повышение эффективности производства на основе увеличения в оптимальных пределах единичной мощности технологического оборудования при снижении его габаритов, материалоемкости, энергопотребления и уменьшения стоимости единицы конечного продукта связаны с использованием достижений науки и техники и созданием на этой основе многофункциональных технологических аппаратов, а также с использованием высокоэффективных методов обработки.

Повышение эффективности, совершенствование процессов (гидромеханических и массообменных) и аппаратов химической технологии и смежных отраслей промышленности связывают с глубоким изучением сущности происходящих процессов и на этой основе - с разработкой технологических аппаратов [1].

Резервы увеличения объемов производства и повышения качества конечного продукта следует искать, главным образом, в инженерных решениях, на которых основывается технология. Необходимо решать проблемы создания и использования в производстве высокопроизводительного оборудования новых видов с применением самых разных способов интенсификации хтшко-технологических процессов: нестационарных (разгонных и тормозных) течений; акустических колебаний; вибраций и пульсаций. В разрабатываемых для проведения массообменных и гидромеханических процессов аппаратах необходимо также реализо-вывать воздействие на реагирующие компоненты обрабатываемой жидкой среды такого мощного интенсифицирующего фактора, как кавитация.

К таким аппаратам относятся рассматриваемые в настоящей работе аппараты с прерыванием потока обрабатываемой среды, и в частности, наиболее эффективные из них - роторные аппараты с периодическим прерыванием потока обрабатываемой среды [2], устройство и принцип работы которых позволяют использовать наряду с импульсной

кавитацией (т.е., кавитацией, возбуждаемой отрицательными, необязательно повторяющимися импульсами пониженного (отрицательного) давления) такие способы воздействия на вещество, как значительные сдвиговые напряжения в радиальном зазоре между ротором и статором, турбулентные пульсации в рабочей камере, акустические (в том числе резонансные) колебания в полости ротора и рабочей камере роторного аппарата.

В аппарате такого типа (для краткости в дальнейшем изложении будем называть его "роторный", или "роторно-импульсный аппарат") наиболее ярко и эффективно реализуются нестационарные гидромеханические процессы, включая кавитацию, которые, в свою очередь, служат материальной основой, на которой интенсифицируются многие технологические процессы.

Роторно-импульсные аппараты применяются в качестве дисперга-торов в различных отраслях: в пищевой промышленности для гомогенизации мороженого и майонеза; в химической и фармацевтической отраслях промышленности для получения и гомогенизации различных эмульсий, витаминных препаратов; в парфюмерной промышленности для приготовления кремов; в машиностроении и металлообработке для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей; в горнодобывающей промышленности для получения рабочих жидкостей (водомасляных эмульсий) механизированных шахтных крепей; в промышленных котельных для приготовления топливно-дисперсных смесей. Этот ряд можно продолжить, но следует отметить, что многие варианты использования роторного аппарата до настоящего времени являются пробными, экспериментальными, и до широкого применения в промышленности в силу многих причин, основные из которых - консерватизм в технической политике, недостаток финансовых, материальных и энергетических ресурсов на реконструкцию производств, дело еще не дошло.

Вместе с тем, роторно-импульсные аппараты обладают значительными преимуществами перед другими гидромеханическими аппаратами.

хЧапример, отличие таких аппаратов от гомогенизаторов высокого давления заключается в том, что кавитация в рабочей камере роторного аппарата возбуждается при значительно меньших перепадах статического давления между входом и выходом. Кроме того, импульсный характер возникновения и развития кавитации в роторном аппарате определяет простоту управления этим процессом.

Роторные аппараты по классификации [3] относятся к гидромеханическим преобразователям механической энергии в акустическую, кавитационную и энергию других видов и поэтому просты по конструкции и надежны в работе. Большое значение имеет организация гидромеханического процесса в аппарате, так как многие процессы химической технологии (диспергирование, эмульгирование, гомогенизация, растворение, выщелачивание, экстракция, абсорбция, кристаллизация и другие) в условиях нестационарных (в частности, колеблющихся [4]) потоков обрабатываемой среды протекают более интенсивно, чем в случаях применения традиционных методов химической технологии.

Исследователи как в нашей стране [3, 5, б], так и зарубежные [Т] интенсификацию химико-технологических процессов связывают с тенденцией уменьшения габаритов аппаратуры, сопровождаемой применением следующих факторов: ударных воздействий для интенсификации процессов; интенсивного перемешивания со струйным движением жидкости; высоких тангенциальных напряжений, развиваемых вращающимися поверхностями; кавитации и других факторов. Этой тенденции в полной мере отвечает роторно-импульсный аппарат, относящийся к современным аппаратам химических производств [8], эффективно применяющийся для интенсификации гидромеханических и массообменных процессов химической технологии [9, 10].

Положительные результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний по применению роторных аппаратов для интенсификации процессов химической технологии свидетельствуют о его эффективности. Вместе с тем, более широкое применение роторных аппаратов,

их рациональное конструирование и наиболее эффективное использование затрудняется недостаточной изученностью закономерностей их работы, сущности происходящих в них физико-химических явлений.

К числу вопросов, на которые еще не получены ясные ответы, относятся, в частности, следующие проблемы: взаимодействие возмущений давления с гетерогенной средой; динамика и кинематика кави-тационных пузырьков в обрабатываемых жидких средах с большим газосодержанием; влияние температуры, статического давления и объемного газосодержания среды на интенсивность кавитации; определение резонансных параметров, оптимальных геометрических и режимных характеристик аппарата; взаимосвязь параметров нестационарных гидромеханических процессов в аппарате и импульсной кавитации в его ра-чей камере; влияние параметров импульсной кавитации на ход технологических процессов; зависимост