Dт=0,012fVкdк; К=0,048f2Vк2; =0,021f3Vк3/dк;
|
|
tur=80,65l2/fVкdк;
mic=119,4(dк/(f3Vк3))0,5; mezo=3,62(l2dк)1/3/(fVк),
|
(1)
|
|
|
|
где
l – линейный размер области аппарата, в которой требуется создать необходимую
степень перемешивания реагентов (в работе l=dк); - кинематическая вязкость жидких потоков (м2/с);
f=0,117+0,049-0,00122+1,374.10-5 3-5,9.10-8 4. Полученные уравнения просты и пригодны для
инженерных расчетов, что подтверждается промышленным использованием трубчатых
турбулентных аппаратов, конструкция которых разработана на основе этих
зависимостей [5, 6].
В
работе изучено влияние геометрических размеров трубчатого турбулентного аппарата
диффузор-конфузорной конструкции, динамики его работы, а также физических
параметров жидких потоков на распределение средних значений характеристик
турбулентного смешения в объеме реактора.
Важными
характеристиками, определяющими возможность использования трубчатых
турбулентных аппаратов для конкретного процесса химической технологии, а также
его геометрические параметры, являются характерные времена турбулентного,
микро- и мезосмешения. Например, при осуществлении быстрой химической реакции,
когда процесс практически полностью протекает локально в местах ввода
реагентов, существенную роль играют численные значения характерного времени
мезосмешения mezo –
обмена между достаточно крупными турбулентными вихрями и находящимися внутри
них более мелкими вихрями. В случае протекания процесса эмульгирования или
агломерации частиц средний размер капель (частиц) дисперсной фазы зависит от
смешения потоков на микроуровне и определяется значением характерного времени
микросмешения mic. При
использовании трубчатых турбулентных аппаратов диффузор-конфузорной конструкции
для гомогенизации жидких потоков необходимо, чтобы время достижения требуемого
качества перемешивания (время пребывания смеси в аппарате) было сопоставимо с
характерным временем крупномасштабного турбулентного смешения tur. В общем случае, для оптимального
протекания процессов, лимитируемых массообменом, в турбулентных потоках,
ограниченных непроницаемой стенкой, должно выполняться соотношение х>tur >mezo >mic и L>V.хV . tur, где х – характерное время химической реакции, L –
длина трубчатого турбулентного аппарата.
Величинами,
определяющими значения характерных времен смешения, являются, согласно (1),
линейная скорость движения жидких потоков V, диаметр аппарата dк, угол
раскрытия диффузора , а
для микросмешения - кинематическая вязкость . Практически единственным и доступным способом
воздействия на гомогенизацию жидких потоков на различных масштабах в трубчатом
турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции является варьирование
диаметра реактора и линейной скорости движения жидкости (рис. 1-3). Видно, что
практически всегда соблюдается оптимальное соотношение tur >mezo >mic. Однако ввиду того, что смешение жидкости на
микроуровне главным образом определяется молекулярной диффузией, то на его
интенсивность существенное влияние оказывают физические характеристики жидких
потоков, в частности, плотность и вязкость (рис. 4). Увеличение вязкости и уменьшение
плотности жидкостей, подаваемых в трубчатый турбулентный аппарат, может
привести к тому, что гомогенизация потоков будет лимитироваться малоэффективной
молекулярной диффузией, т.е. mic>tur
(mezo), что часто встречается
при работе с растворами полимеров [7]. Оптимизировать работу трубчатого
аппарата в этом случае можно за счет увеличения линейной скорости движения
потоков в соответствии с соотношениями tur ~1/V, mezo ~1/V, mic~1/V1,5, что также позволяет значительно
увеличить и производительность процесса W, ибо W ~ V.
Рис.
1. Зависимость характерного времени турбулентного смешения tur от диаметра трубчатого
турбулентного аппарата dк и линейной скорости движения жидких потоков Vк. =450.
Рис.
2. Зависимость характерного времени мезосмешения mezo от диаметра трубчатого турбулентного
аппарата dк и линейной скорости движения жидких потоков Vк. =450.
Рис.
3. Зависимость характерного времени микросмешения mic от диаметра трубчатого турбулентного
аппарата dк и линейной скорости движения жидких потоков Vк. =450, =1000 кг/м3, =1 мПа . с.
Рис.
4. Зависимость характерного времени микросмешения mic от плотности и вязкости жидких потоков. =450, dк=0,025 м, Vк=4 м/с.
Увеличение
линейной скорости движения жидких потоков в трубчатом турбулентном аппарате
диффузор-конфузорной конструкции обеспечивает оптимальные значения характерных
времен смешения жидких потоков, коэффициента турбулентной диффузии и диссипации
удельной кинетической энергии турбулентности. Верхним пределом использования
трубчатых турбулентных аппаратов по динамическим характеристикам их работы в этом
случае, очевидно, является перепад давления на концах аппарата в соответствии с
р ~ V2 [8], а нижним
пределом – Dт10-4 м2/с.
Уменьшение
диаметра аппарата приводит к снижению характерных времен смешения, что является
ключом к проведению быстрых процессов в оптимальных условиях, однако это
приводит к снижению численных значений коэффициента турбулентной диффузии Dт
(рис. 5). Именно численные значения Dт определяют нижний предел возможности
использования трубчатых турбулентных аппаратов в условиях промышленного
производства по геометрическим параметрам. Расчеты показывают, что при
dк<0,023 м, Vк=4 м/с и =450
коэффициент диффузии принимает значение D<10-4 м2/с, что характерно для
переходного режима течения жидких потоков в цилиндрических каналах [9]. Верхний
предел по диаметру трубчатого турбулентного аппарата определяется нарушением
соотношений х<tur и/или L>Vtur.
Рис.
5. Зависимость коэффициента турбулентной диффузии Dт от диаметра трубчатого
турбулентного аппарата dк и линейной скорости движения жидких потоков Vк. =450.
Рис.
6. Зависимость диссипации удельной кинетической энергии турбулентности от диаметра трубчатого
турбулентного аппарата dк и линейной скорости движения жидких потоков Vк. =450.
Использование
трубчатых турбулентных аппаратов малого диаметра приводит к увеличению средних
значений диссипации удельной кинетической энергии турбулентности (рис. 6). Максимальная величина определяет интенсивность
смешения жидких потоков на микроуровне (Колмогоровский масштаб [3, 10, 11]),
что обеспечивает возникновение мелкомасштабных сдвиговых деформаций и, как
следствие, получение тонкодисперсных эмульсий [10] и суспензий [11]. В этом
случае уменьшение диаметра трубчатого турбулентного аппарата
диффузор-конфузорной конструкции и увеличение линейной скорости подачи
реагентов адекватно увеличению числа оборотов и диаметра лопатей механической
мешалки в объемных реакторах смешения.
Таким
образом, изменяя геометрию (дизайн) трубчатого турбулентного аппарата
диффузор-конфузорной конструкции, динамику его работы, а также физические
параметры жидких потоков, можно оптимизировать значения характеристик
турбулентного смешения в соответствии со спецификой протекающего процесса,
лимитируемого массообменом. Существует интервал значений диаметра трубчатого
турбулентного аппарата диффузор-конфузорной конструкции и линейной скорости
движения жидких потоков, при котором создаются условия для снятия диффузионных
ограничений протекания быстрых процессов. В соответствии с характером процесса
(кинетические параметры, физические характеристики жидких потоков и т.д.)
полученные в работе закономерности позволяют выбирать оптимальные условия для его
проведения.
Список литературы
Берлин
А.А., Минскер К.С., Дюмаев К.М. Новые унифицированные энерго- и
ресурсосберегающие высокопроизводительные технологии повышенной экологической
чистоты на основе трубчатых турбулентных реакторов. М.: ОАО “НИИТЭХИМ”, 1996.
188 с.
Берлин
А.А., Минскер К.С., Захаров В.П. // Доклады РАН. 1999. Т. 365. № 3. С. 360-363.
Тахавутдинов
Р.Г., Дьяконов Г.С., Дебердеев Р.Я., Минскер К.С. Турбулентное смешение в
малогабаритных трубчатых аппаратах химической технологии // Химическая
промышленность. 2000. № 5. С. 41-49.
Минскер
К.С., Берлин Ал.Ал., Тахавутдинов Р.Г. и др. // Доклады РАН. 2000. Т. 372. № 3.
С. 347-350.
Берлин
А.А., Минскер К.С., Дебердеев Р.Я. // Доклады РАН. 2000. Т. 375. № 2. С.
218-221.
Бусыгин
В.М., Дьяконов Г.С., Минскер К.С., Берлин Ал.Ал. // Сумма технологий. 2000. Т.
3. № 4. С. 48-49.
Байзенбергер
Д.А., Себастиан Д.Х. Инженерные проблемы синтеза полимеров. М.: Химия, 1988.
688 с.
Брагинский
Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические
основы и инженерные методы расчета. Л.: Химия, 1984. 336 с.
Sung M.-H., Choi I.-S., Kim J.-S., Kim W.-S. // Chemical Engineering
Science. 2000. V. 55. Р. 2173-2184.
Касаткин
А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. 784
с.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.bashedu.ru