Интенсификация процесса диффузии генерацией вихрей на примере экстракции в системе керосин-уксусная кислота тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Касаткин, Дмитрий Владимирович

• Касаткин, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Касаткин, Дмитрий Владимирович

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

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

1.2 Явления, наблюдающиеся при воздействии на межфазную поверхность.

1.3 Постановка задачи.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

МАССООБМЕНА В ВИХРЕВОМ ПОЛЕ.

2.1 Вывод уравнения конвективной диффузии в завихренной зоне

2.2 Критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию

2.3 Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ГИДРОДИНАМИКИ И МАССОПЕРЕНОСА.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.1.1 Определение погрешности установки амплитуды колебания.

3.2 Исследование гидродинамических характеристик вибрационной установки.

3.2.1 Методика измерения гидромеханических характеристик механического вибратора.

3.2.2 Исследование влияния параметров колебания вибратора на интенсивность вихрей.

3.3 Исследование влияния интенсивности вихрей на скорость массопереноса.

3.4 Вывод зависимости массообмена от интенсивности вихрей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процесса диффузии генерацией вихрей на примере экстракции в системе керосин-уксусная кислота»

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

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

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

При решении поставленных задач получены следующие результаты:

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

Получено дифференциальное уравнение, описывающее влияние 8 вихрей на диффузию.

Выведен критерий подобия, учитывающий влияние вихрей на диффузию.

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

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

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

- Экспериментальное подтверждение теоретических выводов;

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

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Касаткин, Дмитрий Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Касаткин, Дмитрий Владимирович, 2000 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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