WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 22 |

Разработка и исследование установки приготовления композитного котельного биотоплива из отходов животноводческих ферм и нефтехозяйств

-- [ Страница 9 ] --

Вышеперечисленные решения позволяют получать дисперсии с размером частиц до 1-10 мкм. Повышение эффективности эмульгирования способствует использование поверхностно-активных веществ (ПАВ), снижающих поверхностную энергию диспергируемых твёрдых частиц (дисперсной фазы) или жидкостей. Кроме того, они препятствуют агрегации, т. е. процессу коагуляции и коалесценции [12]. Стойкость эмульсии можно повысить, используя замкнутый гидродинамический контур, состоящий из трубопроводов и насоса, по которому многократно перекачивает эмульсию через замкнутый гидродинамический контур. Проведенные исследования показали, что стойкость эмульсии можно увеличить на 10-16 %, при этом время образования эмульсии сокращается почти в 2 раза [10]. Перспективным направлением снижения энергоемкости оборудования для диспергирования является применение ультразвуковых и роторнопульсационных аппаратов [246].

В современной практике наиболее широкое применение при приготовлении эмульсий получили следующие типы диспергаторов: механические, роторные, пароэжекторные, ультразвуковые и гидродинамические. К наиболее эффективным аппаратам относятся устройства, работающие на принципе использования кавитации [11, 31,30,36].

При работе всех диспергирующих устройств наблюдается возникновение турбулентности. Турбулентное давление жидкости характеризуется числом Рейнольдса Rе. При числах Re»1000 возникают очаги турбулентности, быстро затухающие при удалении от источника. Установлено, что в области возникновения турбулентности происходит диспергирование, а в других областях — только транспорт частичек. При турбулентном движении может возникнуть кавитация, которая интенсифицирует эмульгирование. Использование этого явления привело к созданию целого класса диспергирующих устройств — кавитационных диспергаторов, характеризующихся невысокими удельными энергозатратами, высоким качеством получаемой эмульсии, большой производительности при небольших габаритах установки [11,31,36].

Кавитационные диспергаторы обеспечивают более высокую дисперсность, которая является одним из определяющих факторов диспергирования. В области кавитационных режимов работы происходит ускорение эмульгирования, при сохранении удельных энергетических затрат неизменными. Для стабилизации получаемых эмульсий вводятся различные эмульгаторы. Стабильность ВМЭ более высокая, чем у других дисперсионно-топливных систем. Это объясняется тем, что мазут является сложной коллоидной системой, содержащей ароматические углероды до 25%, парафиновые до 30—60%, нафтеновые до 20— 40% [1,34]. Асфальтены и смолы, содержащиеся в мазуте до 20%, способствуют образованию стабильной дисперсной системы [1,34,42-43]. Сравнительно высокая стабильность ВМЭ обеспечивается также тем, что плотность мазута 950— кг/м3 практически равна плотности воды. При комнатных температурах большая вязкость мазута препятствует седиментации. По этим причинам введение ПАВ в водомазутные эмульсии не требуется.

Научные исследования [42-43] показали, что эмульгирование топлива приводит к значительному снижению требованию удельного содержания топливного компонента в испаряющейся газокапельной струе. В результате снижения содержания топливного компонента предпламенные химические превращения при впрыске водотопливных эмульсий протекают в несколько раз более бедной смеси, чем при впрыске безводного топлива.

2.1.1. Гидромеханические параметры диспергирующих систем Важными динамическими параметрами гидромеханических систем и их элементов являются спектры собственных частот, формы колебаний, амплитуднои фазочастотные характеристики. Задача определения их сводится к расчету акустических (малых) колебаний в выделенном контуре или в РПА в целом, а также отдельных ее элементах, моделируемых в зависимости от вводимых допущений в виде систем с сосредоточенными или распределенными параметрами [37].

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, проектно-конструкторских работ и промышленных испытаний выбран тип роторно-пульсационных аппаратов наиболее полно отвечающих требованиям к обрабатываемому сырью (навоз, нефтешламы) и соответствующих следующим принципам:

При возбуждении колебаний в аппарате с частотой, близкой к собственной частоте системы, происходит генерирование резонансных колебаний [11, 12], способствуя расходу энергии с наибольшей эффективностью, приводя к снижению энергозатрат, приведенных к единице получаемого продукта.

временных и пространственных масштабов воздействия на систему "РПА – гетерогенная среда", согласование с геометрическими, физическими и физикохимическими свойствами элементов этой системы на следующих уровнях:

Мезоуровень (аппарат и его элементы; слой частиц в аппарате) – периодическом режиме), либо выравнивание полей температуры и вытеснительного типа).

деформируемых частиц (капель или пузырей) целесообразно, чтобы подведенная к их поверхности энергия приводила к достаточному внутреннему перемешиванию, к дроблению крупных капель и пузырей, в том числе за счет их резонансных колебаний [14, 15]. При обработке твердых частиц временной масштаб должен быть согласован с временем релаксации твердой частицы при ее разгоне/торможении, а подводимой энергии должно быть достаточно для интенсивного подвода/отвода вещества к/от поверхности частицы.

Субмикроуровень (поры и микроканалы в частицах). Продолжительность и интенсивность воздействия должны быть согласованы с длиной микроканалов, пористой структурой материала и свойствами жидкости Возможность воздействия и на микроуровне (молекулы и надмолекулярные образования), что подразумевает соответствующий пространственно-временной масштаб, т. е. сверхвысокие частоты (электромагнитные микроволны в СВЧпечах, ультразвуковая обработка на сверхвысоких частотах), экстремальные сдвиговые напряжения (например, в коллоидных мельницах или роторнопульсационных аппаратах [19]).



Преобразование энергии, вводимой в аппарат от источника энергии (привода, генератора пульсаций), должно осуществляться предельно близко к той зоне, где она должна быть использована, т. е. там, где должна быть выполнена полезная работа.

Равномерность распределения внешних воздействий по частицам дисперсной среды и, как следствие, равномерность распределения выходных параметров – температуры, концентрации веществ. Равномерное распределение не по всему объему аппарата (что являлось бы нарушением третьего принципа), а более или менее равномерный подвод внешних воздействий ко всем частицам, равная доступность (в среднем за несколько периодов колебаний) их поверхности.

Недостаточная равномерность распределения как вводимой в аппарат энергии, так и частиц по объему аппарата, приводят к существенному снижению качества продуктов [127] и к непроизводительным затратам энергии, а в конечном счете – к нерациональному использованию сырьевых и энергетических ресурсов.

В работах [127-128,130,138 ] предлагается осуществлять макроперенос за счет:

вторичных течений, возникающих при колебательном движении тел в возвратно-поступательно перемещения элементов дисперсной фазы поверхностной пленки и перемешиванием внутри капель/пузырей;

радиальной конвекции, обусловленной периодически изменяющимся поперечным сечением аппарата и порождаемыми им радиальными скоростями течения ur (ПА проточного типа, рисунок 2, [130,139,138]) либо наличием боковых течений в Т- и Г-образных элементах Создание управляемых течений для интенсификации процессов, в которых энергия расходуется в основном на достижение полезного эффекта, т. е.

на повышение коэффициентов переноса. Более того, с целью снижения непроизводительных затрат энергии следует искать пути подавления турбулентности [144,145,147].

Доля непроизводительных затрат энергии зависит от геометрии аппарата, рабочих органов и частиц дисперсной среды, физических свойств сред (плотности, вязкости, межфазного натяжения и т. д.), а также – от временного и пространственного масштабов вводимой энергии.

Турбулентность не является необходимым условием протекания многих процессов. Турбулентность лишь сопровождает их в силу дестабилизации течения – ее положительная роль заключается в усилении переноса энергии (в форме теплоты), импульса и массы (вещества) за счет конвекции турбулентных вихрей, которые принято называть турбулентным переносом.

адекват- гетерогенной паратурбулизация форме теплоты (рост энтропии) метрами Рисунок 10 – Схема преобразования вводимой в аппарат энергии:

при направленном подводе энергии к месту совершения полезной работы Поэтому более привлекательной является разработка такого оборудования, в котором при умеренных поперечных размерах d аппарата и достаточно больших скоростях U жидкости течение либо вообще не турбулизуется, либо турбулизация происходит, но локально, лишь в некоторых областях аппарата, причем именно там, где локальная турбулизация необходима для достижения существенного положительного эффекта (диспергирования капель и пузырей, тепло- и массообмена) [146,147,149,150,152].

Примером может служить пульсационный аппарат проточного типа (см.

риc.2.): турбулизация происходит в горловине, где и осуществляется диспергирование капель/пузырей, обновляется пограничный слой на поверхности частиц; в широкой же части поток тормозится, и при корректной геометрии аппарата можно добиться плавного расширения потока, способствующего подавлению турбулентных вихрей и переходу к ламинарному режиму.

гидродинамической системы оказывает двухфазность потока. Формирование и распространенным случаем, лежащем в основе многих технологических процессов: смешение, эмульгирования, экстракции и т.д. [151,153,155-157].

2.2. Обзор существующих ультразвуковых кавитиационных аппаратов их достоинства и недостатки Для интенсификации технологических процессов применяют различные физические факторы воздействия, в частности акустические колебания.

Изучением взаимодействия мощных акустических волн с веществом и возникающих при этом химических и физико-химических эффектов занимается звукохимия.

Акустические колебания с частотой выше 20 кГц условно принято называть ультразвуковыми, от 15 Гц до 20 кГц – звуковыми, а ниже 15 Гц – инфразвуковыми.

Химическое действие акустических колебаний отличается большим разнообразием. Звуковые и ультразвуковые волны могут ускорять некоторые химические реакции за счет:

эмульгирования некоторых жидких компонентов;

диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов;

дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов реакции;

интенсивного перемешивания и т.д.

Но действие ультразвука, например, на катализаторы нельзя сводить только к тривиальному диспергированию. При определенных условиях обнаруживается повышение активности катализаторов; природа этих эффектов пока недостаточно ясна. Одной из основных задач звукохимии является исследование химических реакций, возникающих под действием акустических колебаний (звукохимических реакций), которые в отсутствии акустических волн не идут, или идут, но медленно. Поэтому главное внимание уделяется звукохимическим реакциям.

2.2.1. Хемоакустическое воздействие как фактор интенсификации химических реакций К настоящему времени опубликовано много работ по звукохимическим реакциям. Примеры звукохимических реакций и величины энергетических выходов звукохимических реакций (число молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ химико-акустической энергии) приведены ниже.. Откуда видно, что в случае окислительно-восстановительных реакций энергетический выход составляет несколько молекул, а для цепных реакций достигает тысячи молекул [154,155].

Звукохимические реакции:

Окислительно-восстановительные реакции Реакции газов в кавитационной полости Цепные реакции

CH-COOH HOOCH



Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 22 |
 





 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.