Змішання рідких потоків у трубчастих турбулентних апаратах дифузор-конфузорной конструкції

Захаров В.П., Тахавутдінов Р.Г., Мухаметзянова А.Г., Дьяконов Г.С., Мінскер К.С., Берлін А.А.

Розробка нового типу промислових реакторів на базі трубчастих турбулентних апаратів дифузор-конфузорной конструкції [1-3] визначає доцільність вдосконалення процесів хімічної технології, лімітуються, масообмінних [1, 2]. Факторами, що визначають ефективність роботи трубчастих турбулентних апаратів дифузор-конфузорной конструкції, є співвідношення dд/dк, LС/dд, а також величини і V, де dд, dк - діаметри діффузорной і конфузорной частини апарату (м), LС - довжина секції (м), - кут розкриття дифузора (град), V - лінійна швидкість руху рідких потоків (м/с). Можливість реалізації в апаратах цього типу автомодельного режиму течії рідких потоків [4] розширює область їхнього використання при роботі з високов'язких середовищами і дозволяє отримати рівняння для розрахунку середніх значень коефіцієнта турбулентної дифузії Dт (м2/с), питомої кінетичної енергії турбулентності К (м2/с2), її дисипації (м2/с3), а також характерних часів турбулентного ( tur), мікро-( mic) і мезосмешенія ( mezo) (с) [3, 4] (dд/dк = 2, LС/dд = 3):        

Dт = 0,012 fVкdк; К = 0,048 f2Vк2; = 0,021 f3Vк3/dк;         

            

tur = 80,65 l2/fVкdк;    mic = 119,4 ( dк/(f3Vк3)) 0,5;    mezo = 3,62 (l2dк) 1/3/(fVк),         

(1)       

де l - лінійний розмір області апарату, в якій потрібно створити необхідну ступінь перемішування реагентів (в роботі l = dк); -- кінематична в'язкість рідких потоків (м2/с); f = 0,117 +0,049 -0,0012 2 +1,374.10 -5 3-5,9.10-8 4. Отримані рівняння прості і придатні для інженерних розрахунків, що підтверджується промисловим використанням трубчастих турбулентних апаратів, конструкція яких розроблена на основі цих залежностей [5, 6].

В роботі вивчено вплив геометричних розмірів трубчастого турбулентного апарату дифузор-конфузорной конструкції, динаміки його роботи, а також фізичних параметрів рідких потоків на розподіл середніх значень характеристик турбулентного змішування в обсязі реактора.

Важливими характеристики, які визначають можливість використання трубчастих турбулентних апаратів для конкретного процесу хімічної технології, а також його геометричні параметри, є характерні часи турбулентного, мікро-і мезосмешенія. Наприклад, при здійсненні швидкої хімічної реакції, коли процес практично повністю протікає локально в місцях введення реагентів, істотну роль відіграють чисельні значення характерного часу мезосмешенія mezo - обміну між досить великими турбулентними вихорами і знаходяться всередині них більше дрібними вихорами. У випадку протікання процесу емульгування або агломерації частинок середній розмір крапель (часток) дисперсної фази залежить від змішання потоків на мікрорівні і визначається значенням характерного часу мікросмешенія mic. При використанні трубчастих турбулентних апаратів дифузор-конфузорной конструкції для гомогенізації рідких потоків необхідно, щоб час досягнення необхідного якості перемішування (час перебування суміші в апараті) було порівняти з характерним часом великомасштабного турбулентного змішування tur. Загалом випадку, для оптимального протікання процесів, лімітуються, масообмінних, в турбулентних потоках, обмежених непроникною стінкою, має виконуватися співвідношення г> tur> mezo> mic і L> V. х V. tur, де х -- характерний час хімічної реакції, L - довжина трубчастого турбулентного апарату.

величинами, визначальними значення характерних часів змішання, є, відповідно до (1), лінійна швидкість руху рідких потоків V, діаметр апарату dк, кут розкриття дифузора , а для мікросмешенія - кінематична в'язкість . Практично єдиним і доступним способом впливу на гомогенізацію рідких потоків на різних масштабах в трубчастих турбулентному апараті дифузор-конфузорной конструкції є варіювання діаметра реактора і лінійної швидкості руху рідини (рис. 1-3). Видно, що практично завжди дотримується оптимальне співвідношення tur> mezo> mic. Однак з огляду на те, що змішування рідини на мікрорівні головним чином визначається молекулярної дифузії, то на його інтенсивність істотний вплив роблять фізичні характеристики рідких потоків, зокрема, щільність і в'язкість (рис. 4). Збільшення в'язкості і зменшення щільності рідин, що подаються в трубчастий турбулентний апарат, може привести до того, що гомогенізація потоків буде лімітувати малоефективною молекулярної дифузії, тобто mic> tur

( mezo), що часто зустрічається при роботі з розчинами полімерів [7]. Оптимізувати роботу трубчастого апарату в цьому випадку можна за рахунок збільшення лінійної швидкості руху потоків відповідно до співвідношеннями tur ~ 1/V , mezo ~ 1/V, mic ~ 1/V1, 5, що також дозволяє значно збільшити і продуктивність процесу W, бо W ~ V.

Рис. 1. Залежність характерного часу турбулентного змішування tur від діаметра трубчастого турбулентного апарату dк і лінійної швидкості руху рідких потоків Vк. = 450.

Рис. 2. Залежність характерного часу мезосмешенія mezo від діаметра трубчастого турбулентного апарату dк і лінійної швидкості руху рідких потоків Vк. = 450.

Рис. 3. Залежність характерного часу мікросмешенія mic від діаметра трубчастого турбулентного апарату dк і лінійної швидкості руху рідких потоків Vк. = 450, = 1000 кг/м3, = 1 мПа. с.

Рис. 4. Залежність характерного часу мікросмешенія mic від щільності й в'язкості рідких потоків. = 450, dк = 0,025 м, Vк = 4 м/с.

Збільшення лінійної швидкості руху рідких потоків в трубчастих турбулентному апараті дифузор-конфузорной конструкції забезпечує оптимальні значення характерних часів змішування рідких потоків, коефіцієнта турбулентної дифузії та дисипації питомої кінетичної енергії турбулентності. Верхнім межею використання трубчастих турбулентних апаратів за динамічними характеристиками їх роботи в цьому випадку, очевидно, є перепад тиску на кінцях апарату в Відповідно до р ~ V2 [8], а нижньою межею - Dт 10-4 м2/с.

Зменшення діаметра апарата призводить до зниження характерних часів змішання, що є ключем до проведення швидких процесів в оптимальних умовах, проте це призводить до зниження чисельних значень коефіцієнта турбулентної дифузії Dт (рис. 5). Саме чисельні значення Dт визначають нижню межу можливості використання трубчастих турбулентних апаратів в умовах промислового виробництва по геометричним параметрам. Розрахунки показують, що при dк <0,023 м, Vк = 4 м/с і = 450 коефіцієнт дифузії приймає значення D <10-4 м2/с, що характерно для перехідного режиму течії рідких потоків в циліндричних каналах [9]. Верхній межа по діаметру трубчастого турбулентного апарату визначається порушенням співвідношень х < tur та/або L> V tur.

Рис. 5. Залежність коефіцієнта дифузії турбулентної Dт від діаметру трубчастого турбулентного апарату dк і лінійної швидкості руху рідких потоків Vк. = 450.

Рис. 6. Залежність дисипації питомої кінетичної енергії турбулентності від діаметра трубчастого турбулентного апарату dк і лінійної швидкості руху рідких потоків Vк. = 450.

Використання трубчастих турбулентних апаратів малого діаметру призводить до збільшення середніх значень дисипації питомої кінетичної енергії турбулентності (мал. 6) . Максимальна величина визначає інтенсивність змішування рідких потоків на мікрорівні (Колмогоровскій масштаб [3, 10, 11]), що забезпечує виникнення дрібномасштабних зсувних деформацій і, як наслідок, отримання тонкодисперсних емульсій [10] та суспензій [+11]. У цьому разі зменшення діаметра трубчастого турбулентного апарату дифузор-конфузорной конструкції і збільшення лінійної швидкості подачі реагентів адекватно збільшенню числа обертів і діаметра лопатою механічної мішалки в об'ємних реакторах змішання.

Таким чином, змінюючи геометрію (дизайн) трубчастого турбулентного апарату дифузор-конфузорной конструкції, динаміку його роботи, а також фізичні параметри рідких потоків, можна оптимізувати значення характеристик турбулентного змішування відповідно до специфіки протікає процесу, лімітуються, масообмінних. Існує інтервал значень діаметра трубчастого турбулентного апарату дифузор-конфузорной конструкції і лінійної швидкості руху рідких потоків, при якому створюються умови для зняття дифузійних обмежень протікання швидких процесів. У відповідності з характером процесу (кінетичні параметри, фізичні характеристики рідких потоків і т.д.) отримані в роботі закономірності дозволяють вибирати оптимальні умови для його проведення.

Список літератури

Берлін А.А., Мінскер К.С., Дюма К.М. Нові уніфіковані енерго-та ресурсозберігаючі високопродуктивні технології підвищеної екологічної чистоти на основі трубчастих турбулентних реакторів. М.: ВАТ "НІІТЕХІМ", 1996. 188 с.

Берлін А.А., Мінскер К.С., Захаров В.П.// Доповіді РАН. 1999. Т. 365. № 3. С. 360-363.

Тахавутдінов Р.Г., Дьяконов Г.С., Дебердеев Р.Я., Мінскер К.С. Турбулентний змішання в малогабаритних трубчастих апаратах хімічної технології// Хімічна промисловість. 2000. № 5. С. 41-49.

Мінскер К.С., Берлін Ал.Ал., Тахавутдінов Р.Г. и др.// Доповіді РАН. 2000. Т. 372. № 3. С. 347-350.

Берлін О.А., Мінскер К.С., Дебердеев Р.Я.// Доповіді РАН. 2000. Т. 375. № 2. С. 218-221.

Бусигін В.М., Дьяконов Г.С., Мінскер К.С., Берлін Ал.Ал.// Сума техн?? логій. 2000. Т. 3. № 4. С. 48-49.

Байзенбергер Д.А., Себастіан Д.Х. Інженерні проблеми синтезу полімерів. М.: Хімія, 1988. 688 с.

Брагинский Л.Н., Бегачах В.І., Барабаш В.М. Перемішування в рідких середовищах: Фізичні основи та інженерні методи розрахунку. Л.: Хімія, 1984. 336 с.

Maggioris D., Goulas A., Alexopoulas A.H. etc.// Chemical Engineering Science. 2000. V. 55. Р. 4611-4627.

Sung M.-H., Choi I.-S., Kim J.-S., Kim W.-S.// Chemical Engineering Science. 2000. V. 55. Р. 2173-2184.

Касаткін А.Г. Основні процеси та апарати хімічної технології. М.: Хімія, 1971. 784 с.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.bashedu.ru