Смешение жидких потоков в трубчатых турбулентных аппаратах диффузор-конфузорной конструкции

СОДЕРЖАНИЕ: Разработка нового типа промышленных реакторов на базе трубчатых турбулентных аппаратов диффузор-конфузорной конструкции [1-3] определяет целесообразность совершенствования процессов химической технологии, лимитируемых массообменом.

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 хtur mezo mic и LV.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. mictur

(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 dк0,023 м, Vк=4 м/с и =450 коэффициент диффузии принимает значение D10-4 м2/с, что характерно для переходного режима течения жидких потоков в цилиндрических каналах [9]. Верхний предел по диаметру трубчатого турбулентного аппарата определяется нарушением соотношений хtur и/или LVtur.

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.

Скачать архив с текстом документа