RU2306975C2 - Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent - Google Patents
Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent Download PDFInfo
- Publication number
- RU2306975C2 RU2306975C2 RU2005123114/15A RU2005123114A RU2306975C2 RU 2306975 C2 RU2306975 C2 RU 2306975C2 RU 2005123114/15 A RU2005123114/15 A RU 2005123114/15A RU 2005123114 A RU2005123114 A RU 2005123114A RU 2306975 C2 RU2306975 C2 RU 2306975C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- oscillations
- heterogeneous
- reaction
- mass transfer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам интенсификации реакционных и массообменных процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности для обработки гетерогенных сред жидкость-твердые частицы, жидкость-жидкость, жидкость-газ и жидкость-газ-твердые частицы в различных технологических процессах, таких как абсорбция, газожидкостные реакции, в том числе с использованием твердого катализатора, эмульгирование, жидкостная экстракция, растворение твердых частиц (в том числе с химической реакцией), выщелачивание, репульпация, пропитка и т.п.The invention relates to methods for intensifying reaction and mass transfer processes and can be used in chemical, petrochemical, food, pharmaceutical and other industries for the treatment of heterogeneous media liquid-solid particles, liquid-liquid, liquid-gas and liquid-gas-solid particles in various technological processes, such as absorption, gas-liquid reactions, including using a solid catalyst, emulsification, liquid extraction, dissolution of solid particles (including with a chemical reaction), leaching, repulpation, impregnation, etc.
Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах, реализованный в пульсационных аппаратах (Карпачева С.М., Захаров Е.И. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов. - М.: Атомиздат, 1980. - С.4), принцип действия которых заключается в генерировании пульсаций - возвратно-поступательного движения объема реагентов в реакторе с постоянной частотой колебаний. Пульсационные аппараты имеют более высокие показатели эффективности по сравнению с реакторами других типов. Однако энергия, затрачиваемая на возвратно-поступательное движение объема реагентов, в известном способе используется недостаточно эффективно, так как возбуждаемые колебания постоянной частоты могут совпадать с собственной частотой колебаний дисперсных включений лишь определенных размеров, т.е. лишь включения определенных размеров могут колебаться в энергетически наиболее выгодном резонансном режиме.There is a method of intensification of reaction and mass transfer processes in heterogeneous environments, implemented in pulsating apparatuses (Karpacheva SM, Zakharov EI Fundamentals of the theory and calculation of pulsed column reactors. - M .: Atomizdat, 1980. - P. 4), principle the action of which is to generate pulsations - the reciprocating movement of the volume of reagents in the reactor with a constant oscillation frequency. Pulsation apparatuses have higher efficiency indicators compared to other types of reactors. However, the energy spent on the reciprocating movement of the volume of the reagents in the known method is not used efficiently, since the excited oscillations of a constant frequency can coincide with the natural frequency of the dispersed inclusions of only certain sizes, i.e. only inclusions of certain sizes can fluctuate in the energetically most favorable resonance mode.
Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах, реализованный в аппарате для растворения твердых частиц в жидкости (Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело-жидкость. Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. - С.155), в котором жидкость, несущая твердые частицы, движется по трубе, площадь поперечного сечения которой переменна по длине трубы. При этом труба состоит из множества последовательно соединенных элементов одинаковой формы, состоящих из двух частей: одна часть каждого элемента представляет собой веретенообразное полое тело, вторая - горловину цилиндрической формы. При движении в такой трубе жидкость периодически меняет свою скорость. Твердые частицы также периодически меняют скорость своего движения, в одном полупериоде отставая от ускоряющейся в узком сечении жидкости, в другом - опережая затормаживающуюся в широком сечении жидкость. Вследствие инерции твердых частиц в трубе возникает относительное движение фаз, способствующее возрастанию коэффициента массоотдачи. Однако такой инерционный эффект возможен лишь при наличии ненулевой разности плотностей твердого либо жидкого компонента (дисперсной фазы) и жидкого компонента (сплошной фазы), а значительным он будет при существенном отличии этих плотностей. Кроме того, в известном способе частота воздействий на обрабатываемую среду никак не согласована с собственной частотой колебаний дисперсных включений. Это приводит к неэффективному использованию вводимой в аппарат энергии, т.е. реакционные и массообменные процессы протекают в нем недостаточно эффективно.There is a method of intensification of reaction and mass transfer processes in heterogeneous media, implemented in an apparatus for dissolving solid particles in a liquid (Axelrud G.A. Mass transfer in a solid-liquid system. Lvov: Publishing House Lviv Univ., 1970. - P. 155), in which a liquid carrying solid particles moves through a pipe whose cross-sectional area is variable along the length of the pipe. In this case, the pipe consists of many series-connected elements of the same shape, consisting of two parts: one part of each element is a spindle-shaped hollow body, the second is the neck of a cylindrical shape. When moving in such a pipe, the fluid periodically changes its speed. Solid particles also periodically change their speed of movement, in one half-cycle lagging behind the fluid accelerating in a narrow section, and in the other, ahead of the fluid slowing down in a wide section. Due to the inertia of solid particles in the pipe, a relative phase motion occurs, which contributes to an increase in the mass transfer coefficient. However, such an inertial effect is possible only if there is a nonzero difference in the densities of the solid or liquid component (dispersed phase) and the liquid component (continuous phase), and it will be significant if the densities differ significantly. In addition, in the known method, the frequency of exposure to the medium being processed is not consistent with the natural frequency of the dispersed inclusions. This leads to inefficient use of the energy introduced into the apparatus, i.e. reaction and mass transfer processes in it are not effective enough.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах, реализованный в аппарате для осуществления взаимодействия в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость (патент РФ №2186614, МПК7 В01F 5/00, Б.И. 22, 2002), содержащий корпус, одну или несколько труб контактирования фаз, размещенных в нем, и технологические патрубки, причем трубы контактирования фаз выполнены в виде последовательно соединенных конфузорно-диффузорных элементов типа трубы Вентури, угол раскрытия конфузорной части составляет от 10 до 40°, а диффузорной - в пределах от 4 до 20°. Благодаря оптимальной геометрической форме элементов типа трубы Вентури гидравлическое сопротивление известного аппарата ниже, чем у аналогичных конструкций. Это способствует более рациональному использованию вводимой энергии и увеличению КПД аппарата. Вследствие постоянства расхода подаваемой в аппарат гетерогенной среды и одинаковых размеров элементов типа трубы Вентури вдоль линий тока в аппарате будет генерироваться постоянная частота пульсаций. При совпадении этой частоты с частотой собственных колебаний включений (пузырьков, капель, капиллярно-пористых твердых частиц с защемленным газом и т.п.) будут возникать резонансные колебания дисперсных включений (поверхности пузырька или капли, жидкости в порах капиллярно-пористых твердых частиц). Очевидно, что резонансные колебания будут возникать лишь у дисперсных включений определенных размеров (при заданном давлении в аппарате и физических свойствах фаз - их плотности, вязкости, поверхностного натяжения). В подавляющем большинстве случаев дисперсная фаза в гетерогенных средах имеет полидисперсное распределение, т.е. обладает достаточно широким диапазоном размеров. По этой причине резонансные колебания будут возбуждаться лишь в дисперсных включениях, размеры которых ограничены узким интервалом, а остальные частицы дисперсной фазы будут испытывать лишь слабое воздействие. Это приводит к тому, что продолжительность реакционных и массообменных процессов увеличивается, а вводимая в гетерогенную среду энергия используется далеко не в полной мере.Closest to the proposed invention is a method of intensification of reaction and mass transfer processes in heterogeneous environments, implemented in an apparatus for interacting in gas-liquid and liquid-liquid systems (RF patent No. 2186614, IPC 7 B01F 5/00, B.I. 22, 2002), comprising a housing, one or more phase contact tubes placed in it, and process pipes, the phase contact tubes being made in the form of series-connected confuser-diffuser elements such as a Venturi pipe, the opening angle to nfuzornoy portion is from 10 to 40 °, and the diffuser - in the range of 4 to 20 °. Due to the optimal geometric shape of elements such as Venturi pipes, the hydraulic resistance of the known apparatus is lower than that of similar structures. This contributes to a more rational use of the input energy and increase the efficiency of the apparatus. Due to the constancy of the flow rate of the heterogeneous medium supplied to the apparatus and the identical sizes of elements such as a Venturi pipe, a constant pulsation frequency will be generated along the stream lines in the apparatus. If this frequency coincides with the natural frequency of inclusions (bubbles, drops, capillary-porous solid particles with a trapped gas, etc.), resonant oscillations of dispersed inclusions (surface of a bubble or drop, liquid in the pores of capillary-porous solid particles) will occur. Obviously, resonant oscillations will occur only in dispersed inclusions of certain sizes (for a given pressure in the apparatus and physical properties of the phases - their density, viscosity, surface tension). In the vast majority of cases, the dispersed phase in heterogeneous media has a polydisperse distribution, i.e. has a fairly wide range of sizes. For this reason, resonant vibrations will be excited only in dispersed inclusions, the sizes of which are limited by a narrow interval, and the remaining particles of the dispersed phase will experience only a weak effect. This leads to the fact that the duration of the reaction and mass transfer processes increases, and the energy introduced into the heterogeneous medium is far from fully used.
Задача предлагаемого изобретения - интенсификация реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.The objective of the invention is the intensification of reaction and mass transfer processes by increasing the efficiency of use of energy introduced into a heterogeneous medium.
Поставленная задача достигается тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении механических колебаний в аппарате с гетерогенной средой, содержащей дисперсные включения, при этом возбуждают колебания поличастотного характера, причем спектр частот колебаний задают непрерывным или дискретным так, чтобы границы спектра частот соответствовали минимальной и максимальной собственным частотам колебаний дисперсных включений, а амплитуду колебаний устанавливают в зависимости от частоты.The problem is achieved in that the method of intensification of reaction and mass transfer processes in heterogeneous media consists in the excitation of mechanical vibrations in a device with a heterogeneous medium containing dispersed inclusions, while exciting vibrations of a polyfrequency nature, and the spectrum of vibration frequencies is set continuous or discrete so that the spectrum borders frequencies corresponded to the minimum and maximum natural frequencies of dispersion of inclusions, and the amplitude of the oscillations is set in Property versus frequency.
Поставленная задача достигается также тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении колебаний в аппарате с гетерогенной средой, а возбуждение колебаний во всем спектре частот проводят одновременно и непрерывно.The task is also achieved by the fact that the method of intensification of reaction and mass transfer processes in heterogeneous media consists in the excitation of oscillations in a device with a heterogeneous medium, and the excitation of oscillations in the entire frequency spectrum is carried out simultaneously and continuously.
Поставленная задача достигается также тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении колебаний в аппарате с гетерогенной средой, при этом возбуждение колебаний проводят с циклически изменяющимися амплитудой и частотой, причем продолжительность цикла задают, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания среды в аппарате, а по мере стабилизации геометрических размеров дисперсных включений под действием возбужденных в гетерогенной среде колебаний диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают.The task is also achieved by the fact that the method of intensification of reaction and mass transfer processes in heterogeneous media consists in the excitation of oscillations in a device with a heterogeneous medium, while the excitation of oscillations is carried out with cyclically changing amplitude and frequency, and the cycle time is set at least twice as long as the average the residence time of the medium in the apparatus, and as the geometrical dimensions of the dispersed inclusions stabilize under the action of the oscillations of the range excited in a heterogeneous medium ones amplitude changes and oscillation frequency are gradually narrowed.
Кроме того, поставленная задача достигается тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении колебаний в аппарате с гетерогенной средой, при этом собственную частоту колебаний системы "гетерогенная среда - аппарат" непрерывно подстраивают таким образом, чтобы она совпадала с частотой возбуждаемых в системе колебаний.In addition, the task is achieved by the fact that the method of intensification of reaction and mass transfer processes in heterogeneous media is to excite oscillations in a device with a heterogeneous medium, while the natural frequency of the heterogeneous medium-device system is continuously tuned so that it matches the frequency excited in the oscillation system.
За счет генерирования поличастотных колебаний согласно заявляемому изобретению происходит возбуждение резонансных колебаний дисперсных включений всех размеров. Поличастотными (полигармоническими в случае, если колебания - гармонические) называют колебания, происходящие с несколькими (более одной) частотами (Вибрации в технике: Справочник. - T.1. Колебаний линейных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - С.20). Таким образом, энергия каждой из возбуждаемых частот трансформируется в кинетическую энергию различных форм движения дисперсных включений: осцилляции поверхности пузырей и капель с различными модами, пульсации жидкости и защемленного газа в капиллярах капиллярно-пористых твердых частиц, деформации пристенного гидродинамического слоя вблизи поверхности растворяющихся частиц и поверхности катализатора. Кроме того, перестройка гидродинамической обстановки в аппарате при переходных режимах также способствует ускорению реакционных и массообменных процессов (Долинский А.А., Накорчевский А.И. Принципы оптимизации массообменных технологий на основе метода дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. - 1997. - т.19, №6. - С.5-9).Due to the generation of poly-frequency oscillations according to the claimed invention, the resonance oscillations of dispersed inclusions of all sizes are excited. Polyfrequency (polyharmonic in case the oscillations are harmonic) are called vibrations occurring with several (more than one) frequencies (Vibrations in the technique: Handbook. - T.1. Oscillations of linear systems. - M .: Mechanical Engineering, 1978. - P.20 ) Thus, the energy of each of the excited frequencies is transformed into the kinetic energy of various forms of motion of dispersed inclusions: oscillations of the surface of bubbles and drops with various modes, pulsations of a liquid and trapped gas in capillaries of porous-porous solid particles, deformation of a wall hydrodynamic layer near the surface of dissolving particles and the surface catalyst. In addition, the restructuring of the hydrodynamic situation in the apparatus under transient conditions also contributes to the acceleration of reaction and mass transfer processes (Dolinsky A.A., Nakorchevsky A.I. Principles of optimization of mass transfer technologies based on the method of discrete-pulse energy input // Industrial heat engineering. - 1997. . - t.19, No. 6. - S.5-9).
Таким образом, совокупность явлений и процессов, возникающих в аппарате при возбуждении в нем поличастотных колебаний согласно предлагаемому изобретению, приводит к интенсификации реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.Thus, the totality of the phenomena and processes that occur in the apparatus upon excitation of polyfrequency oscillations in it according to the invention, leads to the intensification of reaction and mass transfer processes by increasing the efficiency of use of the energy introduced into the heterogeneous medium.
На фиг.1 представлен пример аппарата, в котором реализован предлагаемый способ, на фиг.2 - временные диаграммы парциальных (фиг.2, а) колебаний и суммарных (фиг.2, б) колебаний для случая трех парциальных частот возбуждения. На фиг.3 изображен случай циклического дискретного изменения амплитуды (фиг.3, а) и частоты (фиг.3, б) колебаний с продолжительностью цикла Т. Возмущающий физический фактор (фиг.3, е) в различные моменты времени (на фиг.3 продолжительностью N1·τ1, N2·τ2 и N3·τ3, где Ni - число колебаний с периодом τi, i=1, 2, ...) имеет различные амплитуды и частоты колебаний, которые циклически повторяются. Представленные на фиг.4 графики характеризуют сужение диапазона частоты колебаний Δf(t) с течением времени (В момент времени t1 диапазон частот колебаний Δf(t1) уже, чем в начальный момент времени t=0). На фиг.4, а средняя частота колебаний остается постоянной, на фиг.4, б средняя частота колебаний растет, а на фиг.4, в средняя частота колебаний снижается. Аналогичным образом может изменяться и диапазон амплитуды колебаний.Figure 1 presents an example of an apparatus in which the proposed method is implemented, figure 2 is a timing diagram of partial (figure 2, a) oscillations and total (figure 2, b) oscillations for the case of three partial frequencies of excitation. Figure 3 shows the case of a cyclic discrete change in the amplitude (Fig. 3, a) and frequency (Fig. 3, b) of oscillations with a duration of cycle T. The disturbing physical factor (Fig. 3, f) at different points in time (in Fig. 3 of duration N 1 · τ 1 , N 2 · τ 2 and N 3 · τ 3 , where N i is the number of oscillations with a period τ i , i = 1, 2, ...) has different amplitudes and frequencies of oscillations that are cyclically are repeated. The graphs shown in Fig. 4 characterize the narrowing of the range of oscillation frequency Δf (t) over time (At time t 1, the range of oscillation frequencies Δf (t 1 ) is narrower than at the initial time t = 0). In Fig. 4, a, the average oscillation frequency remains constant, in Fig. 4, b, the average oscillation frequency increases, and in Fig. 4, the average oscillation frequency decreases. In a similar way, the range of the amplitude of oscillations can also change.
Парциальные колебания описываются гармоническим законом в соответствии с формулой (Вибрации в технике: Справочник. - T.1. Колебания линейных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - С.20)Partial vibrations are described by a harmonic law in accordance with the formula (Vibrations in technology: Reference. - T.1. Oscillations of linear systems. - M .: Mechanical Engineering, 1978. - P.20)
где F - возмущающий физический фактор (перемещение, скорость, ускорение, давление и т.д.);where F is a disturbing physical factor (displacement, speed, acceleration, pressure, etc.);
i - номер парциального колебания;i is the number of partial oscillations;
ai - амплитуда i-го колебания, м (либо м/с, м/с2, Па);a i is the amplitude of the i-th oscillation, m (or m / s, m / s 2 , Pa);
fi - частота i-го колебания, Гц;f i is the frequency of the i-th oscillation, Hz;
φi - начальная фаза i-го колебания, рад;φ i is the initial phase of the i-th oscillation, rad;
t - время, с.t is the time, s.
В качестве возмущающего физического фактора могут выступать такие физические величины, как перемещение, скорость, ускорение, давление.As a disturbing physical factor, such physical quantities as displacement, velocity, acceleration, and pressure can act.
Суммарные колебания определяются соотношением (Вибрации в технике: Справочник. - T.1. Колебания линейных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - С.21-22)The total fluctuations are determined by the ratio (Vibrations in the technique: Handbook. - T.1. Oscillations of linear systems. - M.: Mechanical Engineering, 1978. - P.21-22)
Параметры колебаний, представленных в качестве примера на фиг.2, следующие: n=3, парциальные частоты f1=500 Гц, f2=600 Гц, f3=700 Гц, амплитуды a1=0,010 м, a2=0,015 м, a3=0,012 м и начальные фазы φ1=0, φ2=π/6; φ3=π/3.The oscillation parameters presented as an example in FIG. 2 are as follows: n = 3, partial frequencies f 1 = 500 Hz, f 2 = 600 Hz, f 3 = 700 Hz, amplitudes a 1 = 0.010 m, a 2 = 0.015 m , a 3 = 0.012 m and the initial phases φ 1 = 0, φ 2 = π / 6; φ 3 = π / 3.
Аппарат состоит из корпуса 1 с побудителем колебаний 2 (в виде поршня, мембраны или другого рабочего органа), соединенного с ним привода 3 (вибрационного, пневматического, эксцентрикового или другого типа), на который с генератора поличастотных колебаний 4 подается управляющий сигнал. Корпус 1 снабжен патрубками 5 и 6 для подачи сплошной и дисперсной фаз, патрубком 7 для вывода готового продукта, и может быть оборудован другими необходимыми элементами химического оборудования: теплообменной рубашкой, змеевиками, технологическими патрубками, регулирующими клапанами и т.п. Газонаполненный упругий элемент 8 необходим для настройки упругих свойств системы "гетерогенная среда - аппарат" путем плавного перемещения поршня 9.The apparatus consists of a housing 1 with an oscillation inducer 2 (in the form of a piston, membrane or other working body), a drive 3 connected to it (vibration, pneumatic, eccentric or other type), to which a control signal is supplied from a poly frequency oscillation generator 4. The housing 1 is equipped with
Аппарат работает следующим образом. После включения генератора поличастотных колебаний 4 в корпус 1 через патрубки 5 и 6 подают соответственно сплошную и дисперсную фазы. Возбуждаемые генератором 4 колебания в виде управляющих сигналов преобразуются в механические (акустические) поличастотные колебания приводом 3 и передаются побудителю колебаний 2 и далее - гетерогенной среде, находящейся в корпусе 1. Под действием поличастотных колебаний возбуждаются резонансные пульсации дисперсных включений (пузырьков, капель, капиллярно-пористых частиц) различных размеров. За счет резонанса амплитуда колебаний дисперсных включений резко усиливается, происходит дробление дисперсной фазы (пузырьков, капель), увеличиваются коэффициенты массообмена, ускоряются диффузионные процессы в гетерогенных химических реакциях. Все это приводит к интенсификации реакционных и массообменных процессов.The device operates as follows. After turning on the generator of the frequency fluctuations 4 in the housing 1 through the
Влияние поличастотных колебательных воздействий на гетерогенные среды, содержащие дисперсные включения с упругими (жидкость - газ) и квазиупругими (жидкость - жидкость, жидкость - капиллярно-пористые частицы) свойствами, сначала рассмотрим на системах жидкость - газ и жидкость - жидкость. Известно, что под действием колебаний пузыри (капли) как деформируемые тела могут совершать колебания с различными модами (формами) (Кубенко В.Д., Кузьма В.М., Пучка Г.Н. Динамика сферических тел в жидкости при вибрации. - Киев: Наукова думка, 1989. - С.31; Протодьяконов И.О., Ульянов С.В. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость - жидкость. - Л.: Наука, 1986. - С.105). Нулевая мода колебаний соответствует изменению его объема при сохранении сферической формы, первая мода колебаний соответствует перемещениям центра тяжести пузырька, вторая и более высокие моды колебаний характеризуются изменением сферической формы пузырька (капли), т.е. его вытягиванием в сигарообразную или чечевицеобразную (или более сложную) форму, образованием ряби на поверхности раздела фаз.The effect of polyfrequency vibrational effects on heterogeneous media containing dispersed inclusions with elastic (liquid - gas) and quasielastic (liquid - liquid, liquid - capillary-porous particles) properties, we first consider liquid-gas and liquid-liquid systems. It is known that under the influence of vibrations, bubbles (drops) as deformable bodies can oscillate with different modes (shapes) (Kubenko V.D., Kuzma V.M., Puchka G.N. Dynamics of spherical bodies in a liquid under vibration. - Kiev : Naukova Dumka, 1989. - P.31; Protodyakonov I.O., Ulyanov S.V. Hydrodynamics and mass transfer in dispersed liquid-liquid systems.- L .: Nauka, 1986. - P.105). The zero vibration mode corresponds to a change in its volume while maintaining a spherical shape, the first vibration mode corresponds to displacements of the center of gravity of the bubble, the second and higher vibration modes are characterized by a change in the spherical shape of the bubble (drop), i.e. pulling it into a cigar-shaped or lentil-shaped (or more complex) form, forming ripples on the interface.
Собственные частоты колебаний пузырьков в невязкой жидкости с нулевой модой колебаний определяются соотношением (Кубенко В.Д., Кузьма В.М., Пучка Г.Н. Динамика сферических тел в жидкости при вибрации. - Киев: Наукова думка, 1989. - С.31)The natural vibration frequencies of bubbles in an inviscid fluid with a zero mode of vibration are determined by the relation (Kubenko V.D., Kuzma V.M., Puchka G.N. Dynamics of spherical bodies in a fluid under vibration. - Kiev: Naukova Dumka, 1989. - P. 31)
где f0 - частота собственных колебаний пузырька с нулевой модой колебаний, Гц;where f 0 is the natural frequency of the bubble with the zero mode of vibration, Hz;
γ - показатель адиабаты газа, содержащегося в пузырьке;γ is the adiabatic exponent of the gas contained in the bubble;
ρ - плотность жидкости, кг/м3;ρ is the density of the liquid, kg / m 3 ;
R - радиус пузырька в невозмущенном состоянии, м;R is the radius of the bubble in an unperturbed state, m;
p0 - давление в жидкости в невозмущенном состоянии, Па;p 0 - pressure in the liquid in an unperturbed state, Pa;
σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.σ is the surface tension coefficient, N / m.
Из формулы (3) видно, что частота собственных колебаний пузырьков сильно зависит от их радиуса. Для пузырьков с радиусом R более 10 мкм при атмосферном давлении капиллярное давление незначительно, и тогда из формулы (3) следует f0~1/R.From formula (3) it is seen that the frequency of natural vibrations of the bubbles strongly depends on their radius. For bubbles with a radius R greater than 10 μm at atmospheric pressure, capillary pressure is negligible, and then f 0 ~ 1 / R follows from formula (3).
Собственные частоты колебаний капель в невязкой жидкости определяются соотношением (Протодьяконов И.О., Ульянов С.В. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость - жидкость. - Л.: Наука, 1986. - С.105)The natural vibration frequencies of droplets in an inviscid liquid are determined by the relation (Protodyakonov I.O., Ulyanov S.V. Hydrodynamics and mass transfer in dispersed liquid-liquid systems. - L .: Nauka, 1986. - P.105)
где fk - частота собственных колебаний капли с k-й модой колебаний, Гц;where f k is the natural frequency of the droplet with the k-th mode of oscillation, Hz;
k - номер моды колебаний, для капель возможны значения k=2, 3, 4, ...;k is the number of the vibrational mode; for drops, the values k = 2, 3, 4, ... are possible;
σ - межфазное натяжение, Н/м;σ is the interfacial tension, N / m;
ρ1 - плотность сплошной фазы, кг/м3;ρ 1 is the density of the continuous phase, kg / m 3 ;
ρ2 - плотность жидкости в капле, кг/м3;ρ 2 - the density of the liquid in the drop, kg / m 3 ;
R - радиус капли, м.R is the radius of the drop, m
Рассмотрим особенности колебаний в системе жидкость - капиллярно-пористые частицы на примере пропитки частиц. Собственная частота колебаний жидкости в капилляре без трения определяется из соотношения (Абиев Р.Ш. Исследование процесса пропитки тупиковых капилляров при гармоническом изменении давления в жидкости // Журнал прикл. химии, 2000. Т.73, №7, С.1141-1144)Let us consider the features of oscillations in the liquid – capillary-porous particles system by the example of particle impregnation. The natural frequency of oscillations of a liquid in a capillary without friction is determined from the relation (Abiyev R.Sh. Investigation of the process of impregnation of dead-end capillaries with a harmonic change in pressure in a liquid // Journal of Prikl. Chemistry, 2000. V.73, No. 7, S.1141-1144)
где fт - частота собственных колебаний жидкости в капилляре, Гц;where f t is the frequency of natural oscillations of the liquid in the capillary, Hz;
φ=l/l0 - безразмерная глубина пропитки;φ = l / l 0 - dimensionless depth of impregnation;
l - глубина пропитки, м;l is the depth of impregnation, m;
l0 - длина капилляра, м;l 0 is the length of the capillary, m;
φm - предельная глубина пропитки при рc, φm=(рk+pс-p0)/(pk+pс);φ m is the limiting depth of impregnation at p c , φ m = (p k + p s -p 0 ) / (p k + p s );
r - радиус капилляра, м;r is the radius of the capillary, m;
p0 - давление газа в капилляре перед погружением в жидкость, Па;p 0 - gas pressure in the capillary before immersion in liquid, Pa;
pc - постоянная составляющая внешнего давления, Па;p c is the constant component of the external pressure, Pa;
pk - капиллярное давление, рk=2σcosθ/r, Па;p k - capillary pressure, p k = 2σcosθ / r, Pa;
σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;σ is the coefficient of surface tension, N / m;
θ - угол смачивания поверхности капилляра жидкостью;θ is the contact angle of the surface of the capillary with liquid;
ρ - плотность жидкости, кг/м3.ρ is the density of the liquid, kg / m 3 .
Из соотношений (3)-(5) видно, что собственные частоты колебаний пузырьков и капель существенно зависят от их размеров, собственные частоты колебаний жидкости в порах капиллярно-пористых тел определяются радиусом, длиной капилляров и давлением в жидкости.It can be seen from relations (3) - (5) that the eigenfrequencies of the oscillations of the bubbles and drops substantially depend on their size, the eigenfrequencies of the fluid in the pores of the capillary-porous bodies are determined by the radius, length of the capillaries, and pressure in the fluid.
Любая реальная среда обладает более или менее широким диапазоном размеров (пузырьков, капель, пор) либо физических свойств (плотности, поверхностного натяжения), поэтому возбуждение поличастотных колебаний с набором определенных гармоник способствует резонансным колебаниям преобладающего большинства дисперсных включений. При выраженном дискретном распределении дисперсных включений по размерам спектр частот колебаний целесообразно задавать дискретным; если же распределение дисперсных включений по размерам носит непрерывный характер, то и спектр частот колебаний задают непрерывным.Any real medium has a more or less wide range of sizes (bubbles, droplets, pores) or physical properties (density, surface tension), therefore, the excitation of polyfrequency oscillations with a set of certain harmonics contributes to the resonant vibrations of the vast majority of dispersed inclusions. With a pronounced discrete distribution of dispersed inclusions in size, it is advisable to set the spectrum of vibration frequencies to discrete; if the size distribution of dispersed inclusions is continuous, then the spectrum of vibration frequencies is set continuous.
Частоты колебаний должны выбираться так, чтобы каждая из гармоник возбуждала резонансные колебания дисперсных включений того или иного размера. Поэтому границы спектра частот должны соответствовать минимальной и максимальной собственным частотам колебаний дисперсных включений.Oscillation frequencies should be chosen so that each of the harmonics excites resonant oscillations of dispersed inclusions of one size or another. Therefore, the boundaries of the frequency spectrum should correspond to the minimum and maximum eigenfrequencies of the dispersed inclusions.
Амплитуда колебаний дисперсных включений определяется внутренними (упругими, инерционными и вязкими) свойствами гетерогенной среды и зависит от их размеров. Кроме того, амплитуда колебаний дисперсных включений зависит от частоты и амплитуды внешних колебательных воздействий. Поскольку размер дисперсных включений связан с частотой собственных колебаний, а резонанс колебаний каждого из дисперсных включений наступает при совпадении частоты возбуждаемых колебаний с собственной частотой дисперсного включения, то и амплитуда внешних колебательных воздействий должна определяться частотой внешних колебательных воздействий. Так, на фиг.2, а показан случай различных амплитуд колебаний аi, соответствующих различным частотам колебаний fi.The amplitude of oscillations of dispersed inclusions is determined by the internal (elastic, inertial and viscous) properties of a heterogeneous medium and depends on their size. In addition, the amplitude of oscillations of dispersed inclusions depends on the frequency and amplitude of external vibrational influences. Since the size of dispersed inclusions is related to the frequency of natural oscillations, and the resonance of oscillations of each of the dispersed inclusions occurs when the frequency of the excited oscillations coincides with the natural frequency of the dispersed inclusion, the amplitude of the external vibrational influences should be determined by the frequency of external vibrational influences. So, figure 2, a shows the case of different oscillation amplitudes a i corresponding to different vibration frequencies f i .
В аппаратах большого объема, в которых существуют большие различия по размерам дисперсных включений в различных локальных зонах, со стабильными свойствами дисперсных включений, возбуждение колебаний во всем спектре частот целесообразно проводить одновременно и непрерывно. При этом возбуждаемые поличастотные колебания могут иметь разные спектры частот в различных зонах аппарата, который должен быть в этом случае оборудован соответствующим количеством генераторов и побудителей колебаний.In large-volume apparatuses in which there are large differences in the sizes of dispersed inclusions in different local zones, with stable properties of dispersed inclusions, it is advisable to excite oscillations in the entire frequency spectrum simultaneously and continuously. In this case, the excited polyfrequency oscillations can have different frequency spectra in different zones of the apparatus, which in this case should be equipped with the appropriate number of oscillators and oscillation drivers.
В аппаратах малого объема, с нестабильными свойствами дисперсных включений (главным образом капель и пузырьков, склонных к дроблению или слиянию) возбуждение колебаний целесообразно проводить с циклически изменяющимися амплитудой и частотой. При этом резонансные колебания будут возбуждаться циклически то в одних дисперсных включениях, то в других. Например, сначала возбуждаются колебания с частотой, соответствующей собственной частоте колебаний крупных капель в соответствии с формулой (2), в результате чего они дробятся на более мелкие капли, частота собственных колебаний которых выше; поскольку частота внешних воздействий постепенно увеличивается, она теперь соответствует частоте собственных колебаний раздробившихся капель (см. фиг.3, в в качестве примера), что приводит к их резонансным колебаниям и дальнейшему дроблению. Таким образом, продолжительность цикла задают, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания среды в аппарате. Частота внешних воздействий может увеличиваться непрерывно либо дискретно; для того чтобы переходные процессы в капле успели произойти, более благоприятным является дискретный способ изменения частоты, причем с каждой частотой необходимо возбуждать несколько (более одного) периодов колебаний. Пока капли находятся в аппарате, они должны испытать хотя бы один цикл изменения частоты внешних колебаний, а для повышения технологической надежности процесса таких циклов должно быть не менее двух. При этом интенсификация реакционных и массообменных процессов достигается не только за счет увеличения межфазной поверхности при дроблении капель, но и за счет более мощного перемешивания в них (интенсификация внутреннего массообмена в дисперсных включениях), а также уменьшения толщины диффузионного слоя вблизи их поверхности (интенсификация внешнего массообмена).In devices of small volume, with unstable properties of dispersed inclusions (mainly drops and bubbles, prone to crushing or merging), it is advisable to excite oscillations with cyclically changing amplitude and frequency. In this case, resonant oscillations will be cyclically excited either in some dispersed inclusions or in others. For example, first oscillations are excited with a frequency corresponding to the natural frequency of oscillations of large drops in accordance with formula (2), as a result of which they are split into smaller drops, the frequency of natural oscillations of which is higher; since the frequency of external influences is gradually increasing, it now corresponds to the frequency of natural vibrations of the fragmented droplets (see Fig. 3, as an example), which leads to their resonance vibrations and further fragmentation. Thus, the cycle time is set at least twice the average residence time of the medium in the apparatus. The frequency of external influences can increase continuously or discretely; in order for the transient processes to occur in the drop, a more discrete way of changing the frequency is more favorable, and with each frequency it is necessary to excite several (more than one) oscillation periods. While the droplets are in the apparatus, they must experience at least one cycle of changing the frequency of external vibrations, and to increase the process reliability of the process, such cycles should be at least two. At the same time, intensification of reaction and mass transfer processes is achieved not only by increasing the interphase surface during droplet crushing, but also by more powerful mixing in them (intensification of internal mass transfer in dispersed inclusions), as well as reducing the thickness of the diffusion layer near their surface (intensification of external mass transfer )
Если аппарат периодического типа, то в нем может происходить стабилизация геометрических размеров дисперсных включений под действием возбужденных в гетерогенной среде поличастотных колебаний. Это означает, что диапазон размеров частиц становится более узким, следовательно, частота и амплитуда внешних воздействий не должны находиться в таких же широких интервалах, как в начале процесса. Поэтому по мере сужения диапазона размеров частиц диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают (см. фиг.4).If the apparatus is of a periodic type, then stabilization of the geometric dimensions of dispersed inclusions under the influence of polyfrequency oscillations excited in a heterogeneous medium can occur in it. This means that the particle size range becomes narrower, therefore, the frequency and amplitude of external influences should not be in the same wide intervals as at the beginning of the process. Therefore, with the narrowing of the range of particle sizes, the ranges of changes in the amplitude and frequency of oscillations gradually narrow (see figure 4).
Теперь перейдем к анализу влияния поличастотных колебательных воздействий на гетерогенные среды, содержащие несжимаемые дисперсные включения, а именно жидкость - твердые частицы.Now we turn to the analysis of the influence of polyfrequency oscillatory influences on heterogeneous media containing incompressible dispersed inclusions, namely, liquid - solid particles.
В случае внешнего обтекания твердых частиц (при взвешивании, растворении, экстрагировании, кристаллизации) интенсивность взаимодействия сплошной фазы с дисперсными включениями определяется инерционными силами, пропорциональными массе самих включений и присоединенной к ним массе жидкости, т.е. кубу диаметра частиц. Сила сопротивления частиц пропорциональна квадрату их диаметра. При нестационарном процессе время разгона частицы от состояния покоя до предельной скорости, определяемой скоростью потока, определяется как время релаксации. Для ламинарного режима обтекания время релаксации может быть рассчитано по формуле (Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. - СПб.: Наука, 2000. - С.178)In the case of external flow around solid particles (when weighing, dissolving, extracting, crystallizing), the intensity of the interaction of the continuous phase with dispersed inclusions is determined by the inertial forces proportional to the mass of the inclusions themselves and the mass of the liquid attached to them, i.e. cubic particle diameter. The resistance force of particles is proportional to the square of their diameter. In a non-stationary process, the particle acceleration time from the rest state to the limiting speed determined by the flow rate is defined as the relaxation time. For the laminar flow regime, the relaxation time can be calculated by the formula (Ostrovsky G.M. Applied Mechanics of Inhomogeneous Media. - St. Petersburg: Nauka, 2000. - P.178)
где tp - время релаксации, с;where t p is the relaxation time, s;
d - диаметр частицы, м;d is the particle diameter, m;
ρ1 - плотность сплошной фазы (жидкости), кг/м3;ρ 1 is the density of the continuous phase (liquid), kg / m 3 ;
ρ2 - плотность материала твердой частицы, кг/м3;ρ 2 is the density of the material of the solid particle, kg / m 3 ;
μ - динамическая вязкость жидкости, Па·с.μ is the dynamic viscosity of the liquid, Pa · s.
Если период колебаний связан с временем релаксации приближенным соотношениемIf the oscillation period is related to the relaxation time by an approximate relation
а частота колебаний, соответственноand the oscillation frequency, respectively
то частицы с диаметром d успевают полностью разогнаться за четверть периода колебаний τо, который связан с диаметром частиц d соотношениями (6)-(7), а за другую четверть периода колебаний τо они успевают затормозиться. При этом частицы за половину периода τо успевают разогнаться до скорости потока, в то же время скорость относительного движения фаз непрерывно меняется, не достигая нулевых значений. Кроме того, перестройка пограничного слоя, осуществляющаяся дважды за период, также способствует полному изменению концентрационного поля вблизи поверхности частицы, т.е. вводимая в аппарат энергия используется рационально.then particles with a diameter d have time to completely accelerate in a quarter of the oscillation period τ о , which is associated with the particle diameter d by relations (6) - (7), and in another quarter of the oscillation period τ о they have time to slow down. In this case, the particles manage to accelerate to the flow velocity for half the period τ о , while the relative phase motion speed continuously changes, without reaching zero values. In addition, the rearrangement of the boundary layer, carried out twice during the period, also contributes to a complete change in the concentration field near the particle surface, i.e. The energy introduced into the apparatus is used rationally.
Если частота колебаний превышает частоту fo, то силы инерции, действующие на частицы, оказываются заметно выше сил взаимодействия потока с частицами, и они не успевают разгоняться до скорости потока. В результате этого интенсивность перемешивания частиц в аппарате, условия доступа реагентов к поверхности частиц резко ухудшаются, и поэтому реакционные и массообменные процессы протекают недостаточно эффективно.If the oscillation frequency exceeds the frequency f o , then the inertia forces acting on the particles are significantly higher than the forces of interaction of the flow with the particles, and they do not have time to accelerate to the flow velocity. As a result of this, the intensity of the mixing of particles in the apparatus, the conditions for the access of reagents to the surface of the particles deteriorate sharply, and therefore the reaction and mass transfer processes are not effective enough.
Если частота колебаний меньше частоты fo, то силы инерции, действующие на частицы, значительно меньше сил взаимодействия потока с частицами, и частицы очень быстро разгоняются, двигаясь далее со скоростью, близкой к скорости потока; после смены направления движения потока процесс разгона частиц происходит в другую сторону. В результате этого частицы хорошо взвешиваются, однако скорость относительного движения фаз большую часть периода колебаний близка к нулю. Поскольку толщина гидродинамического и диффузионного слоев определяется значением относительной скорости, эффективность диффузионных процессов резко снижается, а реакционные и массообменные процессы протекают недостаточно эффективно.If the oscillation frequency is less than the frequency f o , then the inertia forces acting on the particles are much less than the forces of interaction of the flow with the particles, and the particles accelerate very quickly, moving further at a speed close to the flow velocity; after changing the direction of flow, the process of particle acceleration occurs in the other direction. As a result of this, the particles are well weighed, however, the relative phase motion velocity is close to zero for most of the oscillation period. Since the thickness of the hydrodynamic and diffusion layers is determined by the value of the relative velocity, the efficiency of diffusion processes decreases sharply, and the reaction and mass transfer processes are not effective enough.
Учитывая полидисперсный состав частиц, т.е. тот факт, что величина d в формуле (6) лежит в некотором диапазоне, можно придти к выводу о том, что при фиксированной частоте колебаний, определяемой формулами (6)-(8), лишь небольшая доля частиц будет находиться в благоприятных с точки зрения проведения реакционных и массообменных процессов условиях. При реализации поличастотных колебаний в диапазоне частот, определяемом формулами (6)-(8) и диапазоном диаметров частиц d, частицы всех размеров будут возбуждаться с наиболее благоприятными частотами, что приведет к интенсификации реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.Given the polydisperse composition of the particles, i.e. the fact that the value of d in formula (6) lies in a certain range, we can conclude that for a fixed frequency of oscillations defined by formulas (6) - (8), only a small fraction of particles will be favorable from the point of view of carrying out reaction and mass transfer processes. When poly-frequency oscillations are realized in the frequency range defined by formulas (6) - (8) and the particle diameter range d, particles of all sizes will be excited with the most favorable frequencies, which will lead to intensification of reaction and mass transfer processes by increasing the efficiency of use of a heterogeneous medium energy.
Закон изменения некоторого возмущающего физического фактора с циклически изменяющимися амплитудой и частотой возбуждаемых колебаний запишем в виде соотношенияThe law of change of some disturbing physical factor with cyclically changing amplitude and frequency of the excited oscillations is written as the ratio
где a(t) - амплитуда колебаний, изменяющаяся периодически (циклически) с продолжительностью цикла Т;where a (t) is the amplitude of the oscillations, changing periodically (cyclically) with the duration of the cycle T;
P(t) - периодическая функция времени t, изменяющаяся циклически с продолжительностью цикла Т и частотой колебаний f(t), зависящей от времени.P (t) is a periodic function of time t, which varies cyclically with the duration of the cycle T and the oscillation frequency f (t), which depends on time.
Функции a(t) и f(t) могут изменяться непрерывно или дискретно (ступенчато, с разрывом производной). Случай дискретного изменения частоты является предпочтительным, так как при непрерывном изменении частоты могут возникнуть апериодические движения; кроме того, в дисперсных включениях гетерогенной среды не успеют завершиться переходные процессы, вследствие чего резонансные их колебания не будут реализованы; все это ухудшает эффективность воздействия на гетерогенные среды.The functions a (t) and f (t) can change continuously or discretely (stepwise, with a discontinuity of the derivative). The case of a discrete change in frequency is preferable, since aperiodic movements can occur with a continuous change in frequency; in addition, in dispersed inclusions of a heterogeneous medium, transient processes do not have time to complete, as a result of which their resonant oscillations will not be realized; all this worsens the effectiveness of exposure to heterogeneous environments.
При дискретном изменении частоты функция f(t) имеет видWith a discrete change in frequency, the function f (t) has the form
где fi - дискретные значения частот колебаний, Гц;where f i - discrete values of the oscillation frequencies, Hz;
mod(t/T) - остаток от целочисленного деления t на Т;mod (t / T) is the remainder of the integer division of t by T;
Ni - число колебаний с периодом τi, τ=1/fi;N i is the number of oscillations with a period τ i , τ = 1 / f i ;
i=1, 2, ...n;i = 1, 2, ... n;
n - число гармоник;n is the number of harmonics;
T - продолжительность цикла, с.T - cycle time, s.
Продолжительность цикла Т существенно превышает наибольший из периодов колебаний τ(t) и равнаThe duration of the cycle T significantly exceeds the largest of the periods of fluctuations τ (t) and is equal to
На фиг.3 представлен случай ступенчатого задания функций a(t) и f(t) с параметрами: n=3; N1=N2=N3=3; f1=500 Гц; f2=800 Гц; f3=1200 Гц; а1=0,010; a2=0,015; а3=0,012; τ1=0,002 с; τ2=0,00125 с; τ3=0,000833 с; продолжительность цикла Т=0,012 с. Из графика на фиг.3, в, полученного с использованием формулы (10), видно, что после завершения колебаний с частотой f1 происходит плавный переход к колебаниям с частотой f2, а затем - с частотой f3, далее - снова с частотой f1 и т.д. Одновременно с частотой и соответственно ей меняется и амплитуда колебаний.Figure 3 presents the case of stepwise setting functions a (t) and f (t) with parameters: n = 3; N 1 = N 2 = N 3 = 3; f 1 = 500 Hz; f 2 = 800 Hz; f 3 = 1200 Hz; a 1 = 0.010; a 2 = 0.015; a 3 = 0.012; τ 1 = 0.002 s; τ 2 = 0.00125 s; τ 3 = 0.000833 s; cycle time T = 0.012 s. From the graph in FIG. 3, c, obtained using formula (10), it is seen that after the oscillations are completed with a frequency f 1, there is a smooth transition to vibrations with a frequency f 2 , and then with a frequency f 3 , then again with a frequency f 1 etc. Simultaneously with the frequency and, accordingly, the amplitude of the oscillations also changes.
Пример конкретного выполнения 1. В аппарат, схема которого показана на фиг.1, через патрубок 5 подается вода, в которую через патрубок 6 барботируют пузырьки воздуха. Давление в аппарате - атмосферное, начальный радиус образующихся пузырей - от 1 до 5 мм. Расчет по формуле (3) дает значения собственных частот f0 колебаний пузырей в зависимости от их радиуса R, представленные в таблице 1. Амплитуду колебаний давления а задают таким образом, чтобы в наибольшей степени деформировались и дробились наиболее крупные пузырьки, т.е. амплитуда колебаний зависит от частоты (см. таблицу 1).An example of a specific implementation 1. In the apparatus, the circuit of which is shown in figure 1, water is supplied through the pipe 5, into which air bubbles are bubbled through the
В аппарате возбуждаются поличастотные колебания с расчетными частотами, указанными в таблице 1, т.е с дискретным спектром, причем границы спектра частот соответствуют минимальной (652 Гц) и максимальной (3264 Гц) собственным частотам колебаний дисперсных включений (пузырьков). В процессе колебательного воздействия на пузырьки возбуждаются резонансные колебания, происходит их дробление. Из крупных пузырьков образуются более мелкие, которые тоже испытывают колебательные воздействия с частотой, близкой к их собственной частоте колебаний. Это приводит к возбуждению резонансных колебаний более мелких пузырьков, и они дробятся на еще более мелкие. Таким образом, происходит "цепная реакция" дробления пузырьков с большой амплитудой колебаний. Благодаря возбуждению резонансных колебаний при равных затратах энергии достигается максимально возможная амплитуда колебаний. Это приводит к более эффективному использованию вводимой в гетерогенную среду энергии, а в конечном счете - к интенсификации реакционных и массообменных процессов, протекающих в газожидкостной среде.The apparatus excites polyfrequency oscillations with the calculated frequencies listed in Table 1, i.e., with a discrete spectrum, and the boundaries of the frequency spectrum correspond to the minimum (652 Hz) and maximum (3264 Hz) natural frequencies of dispersed inclusions (bubbles). In the process of oscillatory action on the bubbles, resonant vibrations are excited, their fragmentation occurs. From large bubbles, smaller ones are formed, which also experience vibrational effects with a frequency close to their own frequency of vibrations. This leads to the excitation of resonant vibrations of smaller bubbles, and they are split into even smaller ones. Thus, a "chain reaction" of the fragmentation of bubbles with a large amplitude of vibrations occurs. Thanks to the excitation of resonant oscillations with equal energy expenditures, the maximum possible amplitude of oscillations is achieved. This leads to a more efficient use of the energy introduced into the heterogeneous medium, and ultimately to the intensification of reaction and mass transfer processes occurring in a gas-liquid medium.
В случае использования проточного аппарата (вытеснительного типа) большого объема возбуждение колебаний во всем спектре частот проводят одновременно и непрерывно (аналогично показанным на фиг.2), причем колебания с низкими частотами (652 и 815 Гц) проводят в нижней части аппарата, где крупные пузыри еще не раздробились, а с высокими частотами (1087, 1631 и 3264 Гц) - в средней и верхней частях аппарата, где преобладают средние и мелкие пузырьки.In the case of using a flowing device (displacing type) of a large volume, the excitation of oscillations in the entire frequency spectrum is carried out simultaneously and continuously (similar to those shown in figure 2), and oscillations with low frequencies (652 and 815 Hz) are carried out in the lower part of the apparatus, where large bubbles not yet fragmented, but with high frequencies (1087, 1631 and 3264 Hz) - in the middle and upper parts of the apparatus, where medium and small bubbles predominate.
В случае использования аппарата малого объема возбуждение колебаний проводят с циклически изменяющимися амплитудой и частотой (по аналогии с тем, как показано на фиг.3). При этом резонансные колебания возбуждаются циклически то в крупных пузырях с частотами 652 и 815 Гц, то в средних и мелких - с частотами 1087, 1631 и 3264 Гц. Продолжительность цикла задают, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания пузырьков в аппарате, чтобы успели произойти все процессы перестройки профиля скоростей, деформации и дробления пузырьков. В результате дробления и коалесценции происходит обмен газом между пузырьками, что приводит к выравниванию концентрации газа по дисперсной фазе и в целом ведет к интенсификации реакционных и массообменных процессов.In the case of using the apparatus of small volume, the excitation of oscillations is carried out with cyclically changing amplitude and frequency (by analogy with that shown in figure 3). In this case, resonant vibrations are cyclically excited either in large bubbles with frequencies of 652 and 815 Hz, then in medium and small ones with frequencies of 1087, 1631 and 3264 Hz. The duration of the cycle is set at least twice as long as the average residence time of the bubbles in the apparatus, so that all the processes of restructuring the velocity profile, deformation and fragmentation of the bubbles have time to occur. As a result of crushing and coalescence, gas is exchanged between the bubbles, which leads to equalization of the gas concentration in the dispersed phase and, as a whole, leads to intensification of reaction and mass transfer processes.
Если аппарат периодического типа, то под действием возбужденных в гетерогенной среде поличастотных колебаний в нем происходит стабилизация размеров пузырьков: крупные и средние пузырьки дробятся, и в аппарате преобладают мелкие пузырьки радиусом 1-2 мм. Таким образом, если в начале процесса распределение амплитуды и частоты колебаний описывается данными таблицы 1, то через некоторое время по мере сужения диапазона размеров пузырьков диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают (см. фиг.4, б), сохраняя колебания только с амплитудами и частотами, соответствующими пузырькам размером 1 и 2 мм (см. столбцы 1 и 2 в таблице 1).If the apparatus is of a periodic type, then under the influence of polyfrequency oscillations excited in a heterogeneous medium, bubble size is stabilized in it: large and medium bubbles are fragmented, and small bubbles with a radius of 1-2 mm prevail in the apparatus. Thus, if at the beginning of the process, the distribution of the amplitude and frequency of oscillations is described by the data in Table 1, then after a while, as the range of bubble sizes narrows, the ranges of changes in the amplitude and frequency of oscillations gradually narrow (see Fig. 4, b), maintaining oscillations only with amplitudes and frequencies corresponding to bubbles 1 and 2 mm in size (see columns 1 and 2 in table 1).
Повышение эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии и интенсификация реакционных и массообменных процессов могут достигаться за счет того, что при изменении частоты колебаний в гетерогенной газожидкостной среде собственную частоту колебаний системы "гетерогенная среда - аппарат" непрерывно подстраивают таким образом, чтобы она совпадала с частотой возбуждаемых в системе колебаний. С этой целью можно изменять (регулировать), например, упругие свойства газонаполненного упругого элемента 8 путем плавного перемещения поршня 9 (см. фиг.1) либо изменять (регулировать) инерционные свойства системы "гетерогенная среда - аппарат" за счет переменной высоты слива газожидкостной системы, что достигается путем установки нескольких патрубков 7 по высоте аппарата.An increase in the efficiency of using the energy introduced into the heterogeneous medium and the intensification of reaction and mass transfer processes can be achieved due to the fact that when the oscillation frequency in a heterogeneous gas-liquid medium changes, the natural frequency of the heterogeneous medium-apparatus system is continuously tuned so that it coincides with the frequency of the excited in the oscillation system. For this purpose, it is possible to change (adjust), for example, the elastic properties of the gas-filled elastic element 8 by smoothly moving the piston 9 (see Fig. 1) or to change (adjust) the inertial properties of the heterogeneous medium-apparatus system due to the variable discharge height of the gas-liquid system that is achieved by installing several nozzles 7 along the height of the apparatus.
Пример конкретного выполнения 2. В аппарат периодического действия, схема которого показана на фиг.1, через патрубок 5 подается вода плотностью ρ1=1000 кг/м3 и вязкостью μ=10-3 Па·с, а через патрубок 6 вводят твердые частицы плотностью ρ2=2500 кг/м3, которые растворяются с одновременным протеканием химической реакции в сплошной фазе. Начальный диаметр частиц d колеблется от 0,5 до 2,5 мм. Расчет по формулам (6)-(8) дает значения рекомендуемых по настоящему изобретению частот fo колебаний в зависимости от диаметра частиц d, представленные в таблице 2. Амплитуду колебаний фронта жидкости а задают таким образом, чтобы происходило интенсивное растворение, но без излишних затрат энергии на движение частицы вместе с потоком.An example of a specific implementation 2. In a batch apparatus, the circuit of which is shown in Fig. 1, water with a density ρ 1 = 1000 kg / m 3 and a viscosity μ = 10 -3 Pa · s is supplied through the pipe 5, and solid particles are introduced through the
Колебания в аппарате с частотами и амплитудами, представленными в таблице 2, возбуждаются циклически (по аналогии с тем, как показано на фиг.3). По мере растворения частиц их дисперсный состав сужается, а сами частицы уменьшаются в размерах. Поэтому диапазон частот колебаний постепенно сужают с зависимостью, график которой приведен на фиг.4, б: в начале процесса циклически возбуждаются колебания с частотами от 0,24 до 6 Гц, а в установившейся стадии процесса колебания возбуждаются циклически с частотами 1,5 и 6 Гц.Oscillations in the apparatus with frequencies and amplitudes presented in table 2 are cyclically excited (by analogy with that shown in figure 3). As the particles dissolve, their dispersed composition narrows, and the particles themselves decrease in size. Therefore, the frequency range of the oscillations is gradually narrowed with the dependence, the graph of which is shown in Fig. 4, b: at the beginning of the process, oscillations are cyclically excited with frequencies from 0.24 to 6 Hz, and in the steady-state stage of the process, oscillations are cyclically excited with frequencies of 1.5 and 6 Hz
В результате того что внешние колебательные воздействия согласованы со свойствами гетерогенной среды, происходит более эффективное использование вводимой в аппарат энергии. Это выражается в увеличении амплитуды относительного движения частиц и в конечном итоге приводит к интенсификации реакционных и массообменных процессов при растворении.As a result of the fact that external vibrational influences are consistent with the properties of a heterogeneous medium, a more efficient use of the energy introduced into the apparatus occurs. This is expressed in an increase in the amplitude of the relative motion of particles and ultimately leads to an intensification of reaction and mass transfer processes during dissolution.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет интенсифицировать реакционные и массообменные процессы за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.Thus, the present invention allows to intensify the reaction and mass transfer processes by increasing the efficiency of use of energy introduced into a heterogeneous medium.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005123114/15A RU2306975C2 (en) | 2005-07-20 | 2005-07-20 | Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005123114/15A RU2306975C2 (en) | 2005-07-20 | 2005-07-20 | Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005123114A RU2005123114A (en) | 2007-01-27 |
| RU2306975C2 true RU2306975C2 (en) | 2007-09-27 |
Family
ID=37773224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005123114/15A RU2306975C2 (en) | 2005-07-20 | 2005-07-20 | Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2306975C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2377061C1 (en) * | 2008-05-29 | 2009-12-27 | Анатолий Георгиевич Баканов | Method of producing dispersed liquid mixture |
| RU2422129C2 (en) * | 2009-05-27 | 2011-06-27 | Андрей Александрович Геталов | Method of obtaining emulsion cosmetic preparation |
| RU2422130C1 (en) * | 2009-10-15 | 2011-06-27 | Андрей Александрович Геталов | Method of obtaining emulsion cosmetic preparation |
| RU2685206C1 (en) * | 2018-08-23 | 2019-04-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный лесотехнический университет" | Device for intensification of mass exchange and reaction processes in heterogeneous media |
| RU2732142C1 (en) * | 2019-10-11 | 2020-09-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1012586A (en) * | 1963-05-09 | 1965-12-08 | Robert Edouard Guerin | Improvements in devices for homogenizing a mixture by ultra-sonic vibrations |
| US4556174A (en) * | 1980-06-26 | 1985-12-03 | Helmut Sieke | Apparatus for treating dispersions and the like with non-sinusoidal vibration |
| SU1269821A1 (en) * | 1985-03-18 | 1986-11-15 | Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа | Hydrodynamic powder dispenser |
| SU1673195A1 (en) * | 1989-05-04 | 1991-08-30 | Институт Прикладной Физики Ан Мсср | Hydrodynamic mixer |
| RU2186614C2 (en) * | 2000-09-07 | 2002-08-10 | Руфат Шовкет оглы Абиев | Apparatus and method of interaction of phases in gas- to-liquid and liquid-to-liquid systems |
-
2005
- 2005-07-20 RU RU2005123114/15A patent/RU2306975C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1012586A (en) * | 1963-05-09 | 1965-12-08 | Robert Edouard Guerin | Improvements in devices for homogenizing a mixture by ultra-sonic vibrations |
| US4556174A (en) * | 1980-06-26 | 1985-12-03 | Helmut Sieke | Apparatus for treating dispersions and the like with non-sinusoidal vibration |
| SU1269821A1 (en) * | 1985-03-18 | 1986-11-15 | Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа | Hydrodynamic powder dispenser |
| SU1673195A1 (en) * | 1989-05-04 | 1991-08-30 | Институт Прикладной Физики Ан Мсср | Hydrodynamic mixer |
| RU2186614C2 (en) * | 2000-09-07 | 2002-08-10 | Руфат Шовкет оглы Абиев | Apparatus and method of interaction of phases in gas- to-liquid and liquid-to-liquid systems |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2377061C1 (en) * | 2008-05-29 | 2009-12-27 | Анатолий Георгиевич Баканов | Method of producing dispersed liquid mixture |
| RU2422129C2 (en) * | 2009-05-27 | 2011-06-27 | Андрей Александрович Геталов | Method of obtaining emulsion cosmetic preparation |
| RU2422130C1 (en) * | 2009-10-15 | 2011-06-27 | Андрей Александрович Геталов | Method of obtaining emulsion cosmetic preparation |
| RU2685206C1 (en) * | 2018-08-23 | 2019-04-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный лесотехнический университет" | Device for intensification of mass exchange and reaction processes in heterogeneous media |
| RU2732142C1 (en) * | 2019-10-11 | 2020-09-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005123114A (en) | 2007-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2073918B1 (en) | Ultrasonic liquid treatment system | |
| Rodríguez-Rodríguez et al. | Generation of microbubbles with applications to industry and medicine | |
| Chakravorty | Process intensification by pulsation and vibration in miscible and immiscible two component systems | |
| WO2004013492A2 (en) | Devices for cavitational mixing and pumping and methods of using same | |
| RU186315U1 (en) | MASS TRANSFER NOZZLE | |
| RU2306975C2 (en) | Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent | |
| Kozlov et al. | Steady flows in an oscillating deformable container: Effect of the dimensionless frequency | |
| RU2186614C2 (en) | Apparatus and method of interaction of phases in gas- to-liquid and liquid-to-liquid systems | |
| Parvizian et al. | Macro-and micromixing in a novel sonochemical reactor using high frequency ultrasound | |
| JP2014198327A (en) | Method and apparatus for producing fine bubble | |
| Knopf et al. | Pulsing to improve bubble column performance: I. Low gas rates | |
| US8231707B2 (en) | Gas separation using ultrasound and light absorption | |
| Lei et al. | Microfluidic ultrasonic shaker | |
| Knopf et al. | Pulsing to improve bubble column performance: II. Jetting gas rates | |
| EP3204169A1 (en) | Liquid atomization method and device | |
| Waghmare et al. | Mass transfer in a viscous bubble column with forced oscillations | |
| WO1994022567A1 (en) | Processing of mixtures by means of pulsations | |
| Khmelev et al. | Ultrasonic exposure of the liquid film for highly efficient gas absorption | |
| US20040257907A1 (en) | Method and apparatus for mixing fluids | |
| RU2392046C2 (en) | Hydrocarbon destruction device and application thereof | |
| Dalmazzone | The mechanical generation of emulsions | |
| RU2089274C1 (en) | Method of preparing disperse systems | |
| Gwiazda et al. | Intensification of mass transfer in the pulsed bubble column—Comparison of the efficiency of static and pulsed aerator | |
| Savenkova et al. | Formation of structure for gas-liquid, non-equilibrium polymer media | |
| Abolhasani et al. | CFD Simulation and Enhancement of Liquid-Liquid Mass Transfer under the Effect of 1.7 MHz Ultrasonic Waves |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130721 |