автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Виброакустические параметры гидродинамического активатора для обработки жидких сред

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМАТИКА

ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ

АКТИВАТОРОВ

1.1 Цели и задачи анализа

1.2 Базовые физические принципы обработки жидких сред акустическими методами

1.2.1 Анализ факторов, определяющих интенсивность технологических процессов в жидких средах

1.2.2 Механизмы воздействия на интенсивность жидкостных технологических процессов

1.2.3 Силовые воздействия, характерные для акустической обработки жидких сред

1.2.4 Характерные уровни акустического воздействия, используемые в промышленной практике обработки жидких сред

1.2.5 Классификация и сравнительная характеристика различных способов возбуждения акустических колебаний в жидкостях

1.3 Анализ состояния вопроса по проектированию и эксплуатации акустических активаторов гидродинамического

1.3.1 Основные задачи инженерного проектирования гидродинамических активаторов

1.3.2 Анализ расчетных методов, используемых при создании гидродинамических активаторов

1.3.3 Анализ основных проблем при проектировании гидродинамических активаторов

1.4 Постановка задачи исследования

Повышение экономической эффективности нефтегазоперерабатывающих и химических производств в значительной мере связано с внедрением перспективных методов интенсификации технологических процессов, основанных на использовании нетрадиционных методов воздействия на технологические среды [1-3]. Использование высокоэнергетических методов различной физической природы (акустической, электромагнитной и т.д.) позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты производственных процессов и повысить качество получаемой продукции.

Одним из наиболее активно развивающихся направлений интенсификации технологических процессов являются акустические методы воздействия на жидкие рабочие среды. Эффективность использования акустических методов для целей обработки жидкостей как таковых и жидких сред нефтегазопереработки и химической промышленности в частности подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями, по результатам которых можно сформировать основные предпочтительные направления практического использования акустических полей в нефтегазовой промышленности

1,4-13]:

• диспергирование твердых и жидких гетерогенных сред;

• эмульгирование и деэмульгирование жидких гетерогенных сред;

• дегазация низко- и высокомолекулярных жидкостей;

• интенсификация тепломассообменных процессов;

• интенсификация химических процессов получения органических и неорганических соединений.

Представленный достаточно широкий спектр областей практического использования свидетельствует о целесообразности внедрения акустических методов в технологическую практику нефтегазопереработки и химической промышленности.

Одним из аппаратов для промышленной обработки жидкостей является акустический активатор гидродинамического типа, представляющий собой самостоятельное малогабаритное устройство, в котором акустическое поле создается пластиной, совершающей колебания под действием потока жидкости [6, 7].

Однако, несмотря на имеющиеся многочисленные факты успешного промышленного внедрения гидродинамических активаторов, широкое их распространение сдерживается отсутствием инженерных методик их комплексного анализа на этапе проектирования. Указанное отсутствие инженерных методов анализа в значительной мере обусловлено тем обстоятельством, что акустические устройства являются весьма сложными как с физико-химической, так и с конструктивно-технологической точки зрения, и их внедрение в промышленности связано с решением широкого комплекса задач, относящихся к различным областям науки и техники: механике, акустике, гидродинамике, химии, физике твердого тела, надежности и т.д.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование виброакустических параметров акустического активатора гидродинамического типа, предназначенного для обработки жидких сред. Учитывая то обстоятельство, что круг применения указанного устройства достаточно широк, работа посвящена не рассмотрению конкретных вариантов его промышленного внедрения, а определению его универсальных технических показателей, необходимых при проектировании любых акустических методов обработки жидкостей. Указанная комплексная постановка вопроса нашла свое отражение в необходимости решения следующего круга задач, отражающих акустическую специфику активатора:

1. определение теоретическими и экспериментальными методами амплитудно-частотных характеристик излучающего элемента гидродинамического активатора в рабочих условиях;

2. разработка методики определения пространственно-временных и энергетических параметров акустического поля, создаваемого излучателем в рабочем объеме гидродинамического активатора;

3. определение гидравлических характеристик акустического активатора;

4. оценка ожидаемого уровня энергетического воздействия активатора на обрабатываемые жидкие среды.

Решение указанного комплекса задач позволит повысить качество проектирования и эффективность внедрения акустических активаторов гидродинамического типа и в перспективе перейти от эмпирических эпизодических технических решений к полномасштабным объемам их использования.

выводы

1. Проведенный анализ литературных данных показал перспективность направления, связанного с разработкой и использованием акустических активаторов гидродинамического типа в целях обработки жидких сред. На основании анализа сформулирована основная проблематика инженерного проектирования акустических активаторов гидродинамического типа, сдерживающая их широкое внедрение в производственную практику.

2. Разработана методика теоретического расчета основных собственных частот гидродинамического излучателя, базирующаяся на решении векового уравнения. Проведено экспериментальное подтверждение теоретической методики определения собственных частот.

3. Разработана теоретическая модель гидродинамического излучателя в виде системы из двух сосредоточенных масс, которая позволяет построить его амплитудно-частотную характеристику в условиях возбуждения колебаний потоком жидкости.

4. Проведены экспериментальные исследования амплитудно-частотной характеристики активатора в условиях гидродинамического возбуждения. На основании проведенных экспериментальных исследований выделены три основных режима работы активатора. Разработаны теоретические модели, позволяющие определить амплитуды колебаний излучателя в каждом из режимов.

5. Проведены исследования гидравлической характеристики экспериментального активатора, в ходе которых определены значения коэффициентов его гидравлического сопротивления. Они позволяют выбрать насос, обеспечивающий рабочий расход обрабатываемой жидкости, и получить исходные данные для акустического расчета активатора.

6. Разработана методика моделирования акустического поля в рабочем объеме гидродинамического активатора, основанная на принципе Гюйгенса-Френеля и методе угловых коэффициентов. Данная методика позволяет прогнозировать момент начала кавитационного режима и оценить объем кавитационной зоны. Для реализации данной методики разработано программное обеспечение.

7. Проведена оценка объемов кавитационной зоны в гидродинамическом активаторе при различных расходах обрабатываемой жидкости.

8. Разработана экспериментальная методика оценки ожидаемого энергетического уровня воздействия кавитации на жидкие среды. Методика базируется на теории изотропной турбулентности и сводится к исследованию дисперсного состава капель тестовой эмульсии, полученной с помощью акустического эмульгирования.

1. Кардашев, ГА. Физические методы интенсификации процессов химической технологии Текст. / Г.А.Кардашев.-М.: Химия, 1990.-208 с.

2. Задорский, В М. Интенсификация химико-технологических процессов на основе системного подхода Текст. /В.М.Задорский.-К.: Техника, 1989208 с.

3. Федоткин, ИМ Физико-математические основы интенсификации процессов и аппаратов пищевой и химической технологии Текст. / И.М.Федоткин.-Кишинев: Штиница, 1987.-263 с.

4. Ивченко, В.М. Кавитационная технология Текст. / В.М.Ивченко, В.А.Кулагин, А.Ф.Немчин.-Красноярск: Изд. Краен, ун-та, 1990.-200 с.

5. Тронов, В П. Прогрессивные технологические процессы в добыче нефти. Сепарация газа, сокращение потерь Текст. / В.П.Тронов.-Казань: ФЭН, 1996.-308 с.

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

7. Лутошкин, Г.С Сбор и подготовка нефти, газа и воды Текст. / Г.С.Лутошкин.-М.: ООО ТИД "Альянс", 2005.-319 с.

8. Гершгал, ДА. Ультразвуковая технологическая аппаратура Текст. / Д.А.Гершгал, В.Н.Фридман.-М.: Энергия, 1976.-320 с.

9. Новицкий, Б Г Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах Текст. / Б.Г.Новицкий.-М.: Химия, 1983192 с.

10. Физические основы ультразвуковой технологии //Под ред. Л.Д.Розенберга.-М.: Наука, 1970.-688 с.

11. Курочкин, А К Интенсификация некоторых процессов переработки сырья воздействием акустических колебаний Текст. / А.К.Курочкин, Г.Ф.Давыдов и др. // Химия. Технология переработки нефти и газа. Казань, 1982.-№10.-е. 15-17.

12. Гимаев, PH. Пути приготовления агрегативно-устойчивых топливных смесей Текст. / Р.Н.Гимаев, А.К.Курочкин, Г.Ф.Давыдов // Нефтепереработка и нефтехимия.-1981.-№10.-с.14-16.

13. Курочкип, А.К. Применение ультразвука в технологии получения высококонцентрированных нефтемасляных эмульсий Текст. /

14. A.К.Курочкин, Ю.В.Бадиков и др. // Химическая технология-1985 -№3.-с.45-49.

15. Штиллер, В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика Текст. /

16. B.Штиллер.-М.: Мир, 2000.-176 с.

17. Jlmiday, Л Д. Теоретическая физика: т.5. Статистическая физика. Часть 1. Текст. / Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц.-М.: Наука, 1976.-584 с.

18. Лееич, В Г. Курс теоретической физики, т.1. Текст. / Левич В.Г.-М.: Физматгиз, 1969.-912 с.

19. Карапетьянц, М.Х. Общая и неорганическая химия Текст. / М.Х.Карапетьянц, С.И.Дракин.-М.: Химия, 1993.-592 с.

20. Уэйлес С Фазовые равновесия в химической технологии. Т. 1, 2.-М.: Мир, 1989.

21. Рид, Р Свойства газов и жидкостей Текст. / Р.Рид, Дж.Праусниц, Т.Шервуд.-Л.: Химия, 1982.- 592 с.

22. Физический энциклопедический словарь //Под ред. Б.А.Введенского, Б.М.Вула.-М.: Советская энциклопедия, 1960—т.1 .—664 с.

23. Физический энциклопедический словарь //Под ред. Б.А.Введенского, Б.М.Вула.-М.: Советская энциклопедия, 1965.—т.4—592 с.

24. Кириллин, В А Техническая термодинамика Текст. / В.А.Кириллин, В.В.Сычев, А.Е.Шейндлин.-М.: Энергия, 1974.^148 с.

25. Шумилов, В А Основы физики ультразвука Текст. / В.А.Шутилов-Л.: ЛГУ, 1982.-280 с.

26. Донской, А В Ультразвуковые электротехнологические установки Текст. / А.В.Донской, О.К.Келлер, Г.К.Кратыш.-Л.: Энергия, 1968267 с.

27. Широкова, H.J1. Физические основы ультразвуковой технологии Текст. / Н.Л.Широкова.-М.: Наука, 1970.-680 с.

28. Эльпинер, ИЕ Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие Текст. / И.Е.Эльпинер.-М.: Физматгиз, 1963.^120 с.

29. Ультразвук. Маленькая энциклопедия //Под ред. И.П.Голямина.-М.: Советская энциклопедия, 1979.-400 с.

30. Запорожец, ЕП Исследование вихревых и кавитационных потоков в гидравлических системах Текст. / Е.П.Запорожец Е.П., Л.П.Холпанов, Г.К.Зиберт, А.В.Артемов // Теоретические основы химической технологии, 2004.-т.38.-№3.-с.243-252.

31. Красжъников, В А Введение в физическую акустику Текст. / В.А.Красильников, В.В.Крылов.-М.: Наука, 1984М00 с.

32. Маргулис, М.А Основы звукохимии Текст. / М.А.Маргулис.-М.: Высшая школа, 1984.-272 с.

33. Ультразвуковые преобразователи //Под ред. Е.Кикучи.-М.: Мир, 1972424 с.

34. Канторович, ЗБ Основы расчета химических машин и аппаратов Текст. / З.Б.Канторович.-М.: Машгиз, 1960.-744 с.

35. Тихонов, А Н Уравнения математической физики Текст. / А.Н.Тихонов,

36. A.А.Самарский.-М.: Наука, 1972.-736 с.

37. Константинов, Б Г Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде Текст. / Б.Г.Константинов.-JT.: Наука, 1974.-144 с.

38. Тюлин, ВН Введение в теорию излучения и рассеяния звука Текст. /

39. B.Н.Тюлин.-М.: Наука, 1976.-256 с.

40. Бурдик, В С Анализ гидроакустических систем Текст. / В.С.Бурдик-Л.: Судостроение, 1988.-392 с.

41. Бендат, Дж Прикладной анализ случайных данных Текст. / Дж.Бендат, А.Пирсол-М.:Мир, 1989.-540 с.

42. Дорофеев, Б М Акустический метод исследования роста и схлопывания пузырька пара при кипении Текст. / Б.М.Дорофеев, В.И.Волкова // Акустический журнал.-2003-т.49 -№6.-с.794-798.

43. Курочкин, А К Экспериментальные исследования кавитации в роторных гидродинамических излучателях Текст. / А.К.Курочкин, Е.А.Смородов // Акустический журнал-1987-т.ЗЗ.-№4.-с.707-711.

44. Флин, Г. Физика акустической кавитации в жидкостях Текст. / Г.Флин // Методы и приборы ультразвуковых исследований.-М.: Мир, 1967362 с.

45. Боббер, Р. Гидроакустические измерения Текст. / Р.Боббер.-М.: Мир, 1974.-368 с.

46. Перник, А.Д. Проблемы кавитации Текст. / А.Д.Перник.-Jl.: Судостроение, 1966.-439 с.

47. Майер, ВВ. Кумулятивный эффект в простых опытах Текст. / В.В.Майер.-М.: Наука, 1989.-192 с.

48. Регель, BP. Кинетическая природа прочности твердых тел Текст. / В.Р.Регель, А.И.Слуцкер, Э.Е.Томашевский.-М.: Наука, 1974.-560 с.

49. Епифанов, Г.И Физика твердого тела Текст. / Г.И.Епифанов.-М.: Высшая школа, 1977.-288 с.

50. Ильин, ММ Теория колебаний Текст. / М.М.Ильин, К.С.Колесников, Ю.С.Саратов.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003.-272 с.

51. Чигарев, А В ANSYS для инженеров: Справ, пособие Текст. / А.В.Чигарев, А.С.Кравчук, А.Ф.Смалюк.-М.: Машиностроение-1, 2004512 с.

52. Билля, Г Теория вихрей Текст. / Г.Вилля.-М.: ОНТИ НКТП СССР, 1936.-536 с.

53. Лойцянский, Л Г Механика жидкости и газа Текст. / Л.Г.Лойцянский-М.: Дрофа, 2003.-840 с.

54. Ландау, ЛД Теоретическая физика: т.6. Гидродинамика Текст. / Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц.-М.: Наука, 1988.-736 с.

55. Чугаев, P.P. Гидравлика Текст. / Р.Р.Чугаев.-JL: Энергоиздат, 1982672 с.

56. Ландсберг, ГС Оптика Текст. / Г.С.Ландсберг.-М.: Наука, 1976.-928 с.

57. Саксаганский, Г Л Вакуум электрофизических установок и комплексов Текст. / А.А.Саксаганский.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-216 с.

58. Коныгии, С.Б. Расчет уровня загрязнения космического аппарата Текст. / С.Б.Коныгин, Н.Д.Семкин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Серия: Актуальные проблемы радиоэлектроники.-Выпуск 2.-Самара, 1999.-С.65-69.

59. Воронов, К Е. Расчет загрязнения поверхности космического аппарата Текст. / К.Е.Воронов, С.Б.Коныгин, Н.Д.Семкин, А.Г.Саноян-ВИНИТИ №3022-В98 16.10.1998.

60. Воронов, К.Е Оценка влияния собственной внешней атмосферы на загрязнение поверхности космического аппарата и оптические элементы Текст. / К.Е.Воронов, С.Б.Коныгин, Н.Д.Семкин, А.Г.Саноян-ВИНИТИ №3883-В98 25.12.1998.

61. Иделъчик, ИЕ. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Текст. / И.Е.Идельчик.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.-464 с.

62. Кутателадзе, С С Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие Текст. / С.С.Кутателадзе.-М.: Энергоатомиздат, 1990.-367 с.

63. Чисхолм, Д Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках Текст. / Д.Чисхолм.-М.: Недра, 1986.-204 с.

64. Григорян, Л Г. К расчету потерь напора турбулентного потока жидкости в зигзагообразных каналах Текст. / Л.Г.Григорян, А.Н.Веригин, Ю.И.Игнатенков / /Журнал прикладной химии.-1978.-т.51.-№6-с.1312—1318.

65. Румер, Ю Б Термодинамика, статистическая физика и кинетика Текст. / Ю.Б.Румер, М.Ш.Рывкин.-М.: Наука, 1977.-552 с.

66. Рейф, Ф Статистическая физика Текст. / Ф.Рейф.-М.: Наука, 1986.336 с.

67. Коган, В.Б Теоретические основы типовых процессов химической технологии Текст. / В.Б.Коган.-JI.: Химия, 1977.-592 с.

68. Ванаг, В К Исследование пространственно распределенных динамических систем методами вероятностного клеточного автомата Текст. /В.К.Ванаг// Успехи физических наук, 1999.-т.169.-с.481-505.

69. Лоскутов, А Ю Введение в синергетику Текст. / А.Ю.Лоскутов,

70. A.С.Михайлов.- М: Наука, 1990.-272 с.

71. Карпов, Ю.Г. Теория автоматов Текст. / Ю.Г.Карпов.-СПб.: Питер, 2002.-224 с.

72. Varfolomeeva V. V, Konygin S В., Sanoyan A G. Modelling of monomolekular adsorbtion kinetiks using the method of problemanic cellular automation.-8-я международная конференция по фундаментальной адсорбции.-Аризона, США, 2004.-c.87.

73. Курбатова, С В Моделирование технологических процессов методом вероятностного клеточного автомата Текст. / С.В.Курбатова,

74. B.В.Варфоломеева, С.Б.Коныгин, А.Г.Саноян // Обозрение прикладной и промышленной математики.-М.:ТВП, 2001 -т.8.-Выпуск 1.-C.401-402.

75. Коныгин, С.Б. Компьютерное моделирование динамических систем методом ВКА Текст. / С.Б.Коныгин, А.Н.Агафонов // Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции XXVII Гагаринские чтения.-М., 2002.-Т.5.-87-88.

76. Келъцев, НВ Основы адсорбционной техники Текст. / Н.В.Кельцев-М.: Химия, 1984.-592 с.

77. Зельдович, Я Б Элементы математической физики Текст. / Я.Б.Зельдович, А.Д.Мышкис.-М.: Наука, 1973.-542 с.

78. Физические величины: Справочник //Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-1232 с.

79. Стопский, С.Б Акустическая спектрометрия Текст. / С.Б.Стопский.-Л.: Энергия, 1972.-137 с.

80. Мэнли, Р Анализ и обработка записей колебаний Текст. / Р.Мэнли.-М.: Машиностроение, 1972.-368 с.

81. Яворский, Б.М Справочник по физике Текст. / Б.М.Яворский, А.А.Детлаф.-М.: Наука, 1990.-624 с.

82. Коныгин, С.Б Моделирование частотной характеристики гидродинамического активатора для обработки жидких сред Текст. / С.Б. Коныгин, Л.Г. Григорян // Нефтепереработка и нефтехимия-2006-№12.-с.45-47.

83. Хэйвуд, Р Б Проектирование с учетом усталости Текст. / Р.Б.Хэйвуд-М: Машиностроение, 1969.-504 с.

84. Павлов, П.А Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность Текст. / П.А.Павлов.-Л.: Машиностроение, 1988.-252 с.

85. Трапезой, А Г. Расчет упругих элементов при резонансных усталостных испытаниях Текст. / А.Г.Трапезон.-Киев: Наукова думка, 1983.-96 с.

86. Филяев, А Т. Изнашивание сталей в ультразвуковом поле Текст. / А.Т.Филяев.-Мн.: Наука и техника, 1978.-288 с.

87. Левин, В Г. Физико-химическая гидродинамика Текст. / В.Г.Левич.-М.: Физматгиз, 1959.-700 с.

88. Дюран, Б Кластерный анализ Текст. / Б.Дюран, П.Одел.-М.: Статистика, 1977.-128 с.

89. Коныгин, С.Б. Метод экспресс-оценки дисперсного состава эмульсий Текст. / С.Б.Коныгин, Д.С.Кулешов // Тезисы докладов Ш Всероссийской конференции "Нефтегазовые и химические технологии".-Самара, 2005 -с.74.