Статья: 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<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.

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.