СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Российский патент 1997 года по МПК B01F3/08 

Изобретение относится к способам получения дисперсных систем типа жидкость-газ, жидкость-жидкость, жидкость-жидкость-газ, жидкость-твердое вещество-газ и интенсификации в них процессов тепломассообмена и может применяться в машиностроении, пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ получения смеси путем возбуждения в рабочей среде нелинейных высокочастотных колебаний и дополнительных колебаний с частотой в 10 50 раз ниже, чем частота нелинейных колебаний [1] При наложении низкочастотных колебаний в рабочей среде возбуждается кавитация, способствующая перемешиванию. Однако для того, чтобы осуществить этим способом качественное перемешивание и получить однородную по объему смесь, требуются большие затраты энергии, поскольку в этом способе не реализуется энергетически наиболее выгодный режим возбуждения и не осуществляется однородное по объему интенсивное перемешивание, кроме того, его относительно сложно реализовать на практике.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является способ получения дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-жидкость, заключающийся в вибрировании с частотой ускорения 4 150 Гц и ускорением 2 - 35g герметично закрытой емкости с жидкостью, контактирующей с газом, находящимся над ее свободной поверхностью [2] Интенсивное перемешивание жидкости в емкости, названное вибротурбулизацией, сопровождается резким повышением давления, которому предшествует интенсивный захват пузырьков газа поверхностью жидкости. Недостатком этого способа является большая неопределенность при выборе конкретных параметров вибрации из указанных интервалов, отвечающих режиму вибротурбулизации, который в действительности имеет резонансный характер и существенно зависит от газонасыщения, высоты и диаметра столба дисперсной системы. Произвол при выборе параметров вибрации, высоты и диаметра столба дисперсной системы, величины ее газонасыщения приводит к повышенным затратам энергии, при этом режим вибротурбулизации может вообще не возникнуть. Известно, однако, что режим вибротурбулизации имеет резонансный характер [3] Это свидетельствует о необходимости выполнения некоторых резонансных соотношений для того, чтобы этот режим имел место, при этом, чем острее резонансная кривая, тем меньше будет произвол в выборе параметров вибрации. В частности, если в примере использования известного способа [2] выбрать высоту 0,15 м, то при количестве вовлеченного воздуха в водомасляную эмульсию 50 мл для достижения режима вибротурбулизации необходима частота 159 Гц, а при объеме воздуха 20 мл 249 Гц, что выше значений, заданных этим способом [2]
В основу изобретения положена задача снижения затрат энергии и достижение устойчивой и надежной вибротурбулизации дисперсной системы с различными геометрическими параметрами.

Для решения поставленной задачи в способе получения дисперсных систем путем вибрационного воздействия на жидкую систему в присутствии газа в режиме вибротурбулизации предлагается вибрационное воздействие на дисперсную систему осуществлять на частотах основной моды акустического резонанса, в частности на частоте
f c_эф/2Н,
где c_эф скорость звука в дисперсной среде; H высота столба дисперсной системы, равная половине длины акустической волны в дисперсной среде, при этом размеры колеблющейся дисперсной системы составляют не менее удвоенной толщины пограничного слоя, а амплитуда вибраций a не менее величины , где p среднее давление в вибрируемом сосуде; ρ плотность жидкости, k 0,6 0,7 коэффициент, что создает условия для возникновения кавитации в объеме жидкости и образованию однородной по объему дисперсной среды. Жидкую систему в присутствии газа вибрируют с двумя и более частотами, отвечающими основным резонансам нелинейной колебательной системы, состоящей из дисперсной среды и упруго-пластичного сосуда. Вибрационное воздействие на дисперсную систему осуществляют путем вибрирования днища или мешалок и других активаторов или путем использования резонаторов.

На фиг. 1 показано устройство для получения дисперсных систем, в котором вибрационное воздействие на жидкую систему в присутствии газа осуществляют пи помощи вибрирования емкости; на фиг. 2 устройство для получения дисперсных систем, в котором вибрационное воздействие осуществляется при помощи активатора, а емкость неподвижна.

Устройство для получения дисперсных систем (см. фиг. 1) содержит емкость 1 с днищем 2 и герметической крышкой 3, патрубков 5 и 6 для подачи компонентов и 7 для отвода готового продукта, а также вибропривод 8, имеющий пружины 9. Днище 2 может быть выполнено вибрируемым, а емкость неподвижной.

Устройство для получения дисперсных систем (см. фиг. 2) содержит неподвижную емкость 1 с патрубками подачи компонентов 2, 3, 4 и патрубком отвода продукта 5. Внутри емкости выполнен активатор 6, служащий для аэрации, перемешивания и созданий колебаний столба жидкости. Активатор 6 состоит из вертикально установленной сильфонной оболочки 7, открытой снизу и опирающейся на штыри 8. На верхнем торце сильфонной оболочки 7 закреплена перфорированная коническими отверстиями 9, направленными сужениями вверх, пластина 10. В отверстии пластины 10 установлена труба 11, которая верхним, сообщаемым с окружающей средой концом присоединена к штоку 12 вибратора 13. Дно 14 трубы 11 выполнено перфорированным коническими отверстиями 15, направленными сужениями вниз, а снаружи закрыто сеткой или тканью 16. На днище емкости 1 установлено клапанное приспособление для аэрации придонного слоя жидкости.

Пример 1. Для получения дисперсной системы жидкость-газ выбирают сосуд диаметром 20 мм. Высота емкости изменялась от 200 до 800 мм, а газосодержание жидкости в диапазоне 5 20 Здесь и далее в примерах в качестве жидкости используется вода, а в качестве газа воздух, находящиеся при комнатной температуре и атмосферном давлении. Параметры вибрации были следующими: частота 20 100 Гц, амплитуда 2 10 мм (ускорение 5 40g). При всех исследованных параметрах вибрации в примере 1 выполнялось соотношение
d ≅ 2δ, (1)
где d диаметр сосуда; δ толщина пограничного слоя колеблющейся дисперсной системы, при этом
d = 5,0a (2),
где a амплитуда вибрации. Соотношение (2) следует из известных результатов теории пограничного слоя [4] на основе которых можно получить, что толщина пограничного слоя около колеблющейся границы определяется по формуле
,
где ω = 2πf круговая частота колебаний; f частота; v кинематическая вязкость турбулентного движения жидкости. Турбулентную вязкость дисперсной среды можно определить из оценок v ≈ νa, ν ≈ ωa, где ню характерная скорость колебаний среды. Отсюда следует v = ωa². Подставляя это значение в выражении для δ (3), можно найти соотношение (2). Опыты показали, что во всем исследованном диапазоне высот сосуда, газосодержания жидкости, параметров вибрации явление вибротурбулизации не наблюдалось, перемешивание было плохое, газ распределялся в объеме жидкости неоднородно, а акустический резонанс и кавитация не имели места. Таким образом, в сосуде, меньшим или равным удвоенной толщины пограничного слоя, нельзя организовать интенсивное перемешивание дисперсной системы.

Пример 2. Был выбран сосуд диаметром d 110 мм и высотой H 200 мм, так чтобы d > 2δ (см. пример 1), который заполнили жидкостью (водой) до уровня, соответствующего газосодержанию в сосуде 5 При всех исследованных параметрах вибрации (частота 20 100 Гц, амплитуда вибрации 1 10 мм) качественного перемешивания не происходит, пузыри крупные, кавитация не возникает. Далее определяют частоту вибрации, соответствующую основной резонансной частоте акустического резонанса в закрытой емкости, которая соответствует условию размещения в емкости стоячей полуволны звуковых колебаний
f c_эф/2H,
где c_эф скорость звука в дисперсной среде определяется по формуле Меллока

где k коэффициент адиабаты; p давление; Φ газосодержание; r - плотность жидкости. Для воздуха k 1, 4; p 10⁵ Па; v 0,05; r 1000 кг/м³. По формуле (5) скорость звука в дисперсной среде составляет 60 м/с, а частота согласно (4) будет 150 Гц. То есть в условиях примера резонанс, связанный с образованием стоячей волны, не возникает при всех исследованных параметрах вибрации, поэтому интенсивность перемешивания небольшая, образование кавитационных пузырьков не происходит, установление однородного распределения газа по всему объему затруднено. Следует отметить, что низкочастотные вибрации для организации хорошего перемешивания и получения однородных по объему дисперсных систем являются более выгодными с точки зрения энергетических затрат, технического исполнения и эксплуатации.

Пример 3. Выбирают сосуд диаметром 110 мм, высотой 1000 мм и заполняют его жидкостью до уровня, соответствующего газосодержанию 10 Расчет во формуле (4) определяет резонансную частоту 20 Гц. При вибрировании с этой частотой и амплитудой 8,2 мм > a_* возникает интенсивное перемешивание, образуются кавитационные полости, распределение газа по объему становится равномерным и дисперсная система переходит в режим вибротурбулизации.

Пример 4. Выбирают сосуд диаметром 100 мм, высотой 500 мм и заполняют его жидкостью до уровня, соответствующего газосодержанию в сосуде 5 Определяют скорость звука в дисперсной системе по формуле (5), которая оказывается равной 60 м/с. Согласно (4) основная резонансная частота в этом случае f 60 Гц. Опытные данные свидетельствуют, что при этой частоте и амплитуде 2,3 мм > a_* наблюдается установление режима вибротурбулизации с хорошим перемешиванием. При небольшом отклонении частоты от расчетной (± 5 Гц) происходит срыв с режима интенсивного перемешивания и для того, чтобы этот режим поддержать требуются значительно большие амплитуды вибрации.

Пример 5. В условиях примера 4 увеличивают газосодержание до 10 Скорость звука дисперсной системы, определяемая по формуле (5) становится 37,4 м/с, а резонансная частота 37,4 Гц. Полученные расчетом результаты подтверждаются экспериментом, показывающим, что резонансная полуволна, кавитация и интенсивное перемешивание происходит при частотах 32 38 Гц и значении амплитуд более 3,6 4,0 мм.

Следует отметить, что резонанс, отвечающий условию H = 1/2λ, где l длина волны; H высота емкости, может быть обеспечен подбором соответствующей высоты емкости при заданной частоте и газосодержании дисперсной системы или изменением газосодержания при постоянной частоте и высоте емкости.

Интенсивность перемешивания можно существенно увеличить, если емкость будет вибрировать с двумя и более частотами, отвечающими резонансам нелинейной колебательной системы, состоящей из газожидкостной смеси и упруго-пластичного сосуда. Интенсивность перемешивания проще всего повысить, увеличивая амплитуду вибраций, но это сопровождается значительным повышением энергозатрат. Кроме этого, при достаточно больших амплитудах колебаний становится заметной нелинейность системы и это выражается в том, что ее добротность снижается, резонансная кривая уширяется и появляется зависимость частоты от амплитуды колебаний. Для осуществления более эффективного перемешивания необходимо наиболее полно использовать резонансные свойства системы без увеличения амплитуды вибрации. Для этого целесообразно вибрировать на двух частотах. Первая отвечают резонансу на основной моде колебаний в продольном направлении, что соответствует резонансному условию равенства высоты столба дисперсной системы половине длины волны акустических колебаний H = λ₁/2, f₁ c_эф/2H, вторая частота обеспечивает аналогичный резонанс в поперечном направлении, когда поперечный размер дисперсной системы d равен половине длины акустической волны d = λ₂/2, f₂ c_эф/2d, если емкость изготавливают в виде параллелепипеда с квадратным поперечным сечением. Если емкость изготовлена в виде цилиндра, то поперечная резонансная частота f₂= 2,4c_эф/2πR где R радиус сосуда.

Режим вибротурбулизации, обеспечивающий качественное и интенсивное перемешивание дисперсной системы реализуется при создании условий для образования кавитации в жидкости. Схлопывание кавитационных полостей вносит в дисперсную систему очень мощные импульсы давления (до 10⁷ Па), которые приводят к дроблению воздушных полостей на пузырьки и формированию гидравлических ударов, что способствует образованию однородной по объему газожидкостной среды. Для возникновения кавитации необходимо, чтобы в системе возникали "отрицательные" давления. Этого можно достичь путем увеличения амплитуды колебаний на начальном этапе вибрирования. Для этого амплитуда колебаний емкости a должна иметь значение величины не менее a_*
,
где f частота колебаний; p среднее давление в вибрируемом сосуде; r плотность жидкости; k 0,6 0,7 эмпирический коэффициент. Выражение (6) отражает тот факт, что для возникновения кавитации в жидкости характерный динамический напор должен превышать разницу между давлением в дисперсной системе p и давлением насыщенных паров жидкости при данной температуре среды p_d. Критический динамический напор определяется из соотношения
.

В условии (7) ν_*≈ ωa_* характерная критическая скорость жидкости; a_* характерная критическая амплитуда колебаний; ω = 2πf круговая частота колебаний. Если пренебречь давлением насыщенных паров жидкости, то из (7) следует оценка для критической амплитуды a_* (6). В этом приближении величина критической амплитуды получится несколько завышенной, что не существенно для большинства практических приложений. Приведенный вывод справедлив в качестве критериальной оценки, поэтому в условии (6) присутствует безразмерный коэффициент k, значение которого находится из эксперимента и оказывается равным 0,6 0,7. После достижения дисперсной системой режима вибротурбулизации скорость жидкости в сосуде при наличии резонанса будет превышать скорость вибрируемых поверхностей, поэтому условие для поддержания процесса кавитации в системе будет слабее указанного (6) и амплитуду вибраций можно сделать меньше, чем a_* без ущерба для процесса перемешивания.

Образование стоячей полуволны и кавитации в резонаторах вибросмесителей (см. например, [6]) или объеме вибросмесителя, имеющего резонатор [7] также улучшит качество перемешивания и уменьшит потребление энергии.

Приведенные результаты могут быть распространены на газожидкостные дисперсные системы, получаемые при помощи пульсационной техники.

Литература.

1. Авторское свидетельство СССР N 750795, кл. B 01 F 3/08, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР N 428768, кл. B 01 F 3/08, 1974.

3. Е. Д. Зайцев, Н. В. Михайлов. Экспериментальное исследование поведения жидкости в вибрирующем сосуде. Изв. СО АН, сер. техн. наук, 1987, N 4, вып. 1, с. 102 106.

4. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. Наука. 1969.

5. Бэтчелор Дж. Волны сжатия в суспензиях газовых пузырьков в жидкости. Механика: периодический сборник иностранных статей. 1968. N 3, с. 67 84.

6. Патент России N 2004316, кл. B 01 F 11/00, 1994.

7. Авторское свидетельство СССР N 1315330, кл. B 28 C 5/00, 1987.

Использование: получение дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-жидкость, жидкость-твердые частицы и интенсификация в них процессов тепломассообмена. Сущность изобретения: согласно способу получения дисперсных систем путем вибрационного воздействия на жидкую систему в присутствии газа воздействие осуществляют с резонансными частотами основных мод акустических колебаний дисперсной среды. Амплитуду вибраций выбирают из условия возникновения кавитации в объеме жидкости. При этом размеры дисперсной системы составляют не менее удвоенной толщины ее пограничного слоя. 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения дисперсных систем путем вибрационного воздействия на жидкую систему в присутствии газа, отличающийся тем, что вибрационное воздействие осуществляют с резонансными частотами основных мод акустических колебаний дисперсной среды и амплитудами вибраций, выбираемыми из условия возникновения кавитации в объеме жидкости, при этом размеры колеблющейся дисперсной системы составляют не менее удвоенной толщины пограничного слоя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационное воздействие на дисперсную систему осуществляют с амплитудой вибраций не менее величины

где f частота вибрации;
P среднее давление в вибрируемом сосуде;
ρ - плотность жидкости;
k 0,6 0,7 коэффициент. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсную систему выбрируют с двумя и более частотами, отвечающими основным резонансам нелинейной колебательной системы, состоящей из многофазной среды и упругопластичного сосуда. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационное воздействие на дисперсную систему осуществляют путем вибрирования днища. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационное воздействие на дисперсную систему осуществляют путем вибрирования погруженных в нее мешалок и других активаторов. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрационное воздействие на дисперсную систему осуществляют с использованием резонаторов.