Смешение жидких потоков в трубчатых турбулентных
аппаратах диффузор-конфузорной конструкции
Захаров В.П., Тахавутдинов Р.Г., Мухаметзянова А.Г.,
Дьяконов Г.С., Минскер К.С., Берлин А.А.
Разработка
нового типа промышленных реакторов на базе трубчатых турбулентных аппаратов
диффузор-конфузорной конструкции [1-3] определяет целесообразность
совершенствования процессов химической технологии, лимитируемых массообменом
[1, 2]. Факторами, определяющими эффективность работы трубчатых турбулентных
аппаратов диффузор-конфузорной конструкции, являются соотношения dд/dк, Lс/dд,
а также величины и V, где dд,
dк – диаметры диффузорной и конфузорной части аппарата (м), Lс – длина секции
(м), - угол
раскрытия диффузора (град), V – линейная скорость движения жидких потоков
(м/с). Возможность реализации в аппаратах этого типа автомодельного режима
течения жидких потоков [4] расширяет область их использования при работе с
высоковязкими средами и позволяет получить уравнения для расчета средних
значений коэффициента турбулентной диффузии Dт (м2/с), удельной кинетической
энергии турбулентности К (м2/с2), ее диссипации (м2/с3), а
также характерных времен турбулентного (tur), микро- (mic) и
мезосмешения (mezo) (с) [3,
4] (dд/dк=2, Lс/dд=3):
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=450
коэффициент диффузии принимает значение Dхtur 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.
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.
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