авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 10 |

«А.Ю. АНДРЮШКИН ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ СВЕРХЗВУКОВЫМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РАСПЫЛЕНИЕМ Министерство образования и науки Российской Федерации ...»

-- [ Страница 2 ] --

1 2 4 5 Рис. 1.5. Типы контактов макромолекул в студне, расположенные в порядке увеличения их прочности от 1 до Структурными единицами пространственной сетки студней могут являться не только отдельные макромолекулы, но и их пачки. К сожале нию, этот вопрос остается до сих пор мало исследованным.

Если образовавшиеся между макромолекулами связи не слишком прочны, то механическое воздействие (перемешивание или встряхива ние) может разрушить структуру студня (так же, как и гель), и он пре вращается в жидкость. При устранении внешнего воздействия растворы обычно снова самопроизвольно образуют студень [43, 58, 82, 99, 148, 195, 233, 258].

Растворы высокомолекулярных веществ, в которых межмолекуляр ные связи непрочны, способны течь, то есть реагируют на сдвиговые усилия. Однако, если время существования контактов между макромоле кулами становится очень большим, образовавшийся студень уже спосо бен противостоять течению вплоть до какого-то определенного значения напряжения сдвига и ведет себя при сдвиговых усилиях ниже этого кри тического значения, как эластическое твердое тело. Значение критиче ского напряжения сдвига зависит от числа и прочности молекулярных контактов.

На механические свойства студней влияет их концентрация. Студни, содержащие в единице объема малое число постоянных межмолекуляр ных связей, обычно весьма эластичны. Наоборот, студни с большим числом связей между макромолекулами не эластичны, так как чем больше связей между цепями полимера, тем меньше возможность изменения формы макромолекулы, тем более жестка образовавшаяся сет ка.

Студни высокомолекулярных веществ при малом содержании в них растворителя очень близки по свойствам к самим высокомолекулярным веществам. Высокомолекулярное вещество может быть получено из студня путем высушивания и легко превращено в студень в резуль тате набухания. Поэтому высокомолекулярные вещества, способные набухать, часто рассматривают как предельное состояние студня.

Высокомолекулярные вещества, не способные к набуханию, относят к смолам.

1.5. Формирование полимерных смесей В зависимости от состава исходных компонентов, их свойств фор мирование полимерной смеси может осуществляться в результате прове дения химических реакций или без них [68, 82, 99, 162, 248, 268, 283-285].

1.5.1. Формирование полимерных смесей, осуществляемое в результате химических реакций Химические реакции между мономерами или олигомерами приводият к образованию линейных, разветвленных, а затем и про странственно-сшитых полимеров. Образование полимеров может про исходить в результате реакций гомополимеризации, сополимеризации, поликонденсации, солеобразования или протекания нескольких реакций одновременно.

Продолжительность формирования смеси определяется скоростью протекания химических реакций, а ее свойства – степенью превращения мономера или олигомера, то есть степенью завершенности процесса.

Формирование полимерных смесей, основанное на реакции по лимеризации. Полимеры получают полимеризацией из масляных, нена сыщенных полиэфирных, эпоксидных, полиуретановых мономеров.

При полимеризации необходима высокая скорость генерирования свободных радикалов, что достигается введением различных ускорите лей. Защита смеси от контакта с окружающей средой достигается путем экранирования зеркала смеси введением всплывающих добавок, прове дением процесса в вакууме или в инертной среде. Если кислород воздуха необходим для проведения полимеризации смеси, то его доступ к по верхности смеси обеспечивается путем увеличения площади зеркала сме си и созданием движения воздуха над зеркалом смеси. Для ускорения полимеризации используется энергетическое инициирование – термиче ское, фотохимическое, радиационное, действием коронного разряда, по тока ускоренных электронов, акустического или магнитного поля.

Следует отметить, что при сильных энергетических воздействиях (ионизирующее излучение, высокотемпературный нагрев) вследствие больших скоростей инициирования и роста цепи влияние кислорода воз духа на процесс полимеризации существенно уменьшается.

Формирование полимерных смесей, основанное на реакции по ликонденсации. Поликонденсацией формируют полимеры из фено лоальдегидных, полиэфирных, кремнийорганических олигомеров. Благо даря полифункциональности олигомеров конечные продукты реакции представляют собой пространственно-сшитые полимеры. Особенностью трехмерной поликонденсации является способность реакционной смеси при определенной степени конденсации превращаться в состояние студ ня. После достижения точки студнеобразования вязкость смеси резко растет, а растворимость уменьшается. Смесь из жидкой превращается в каучукоподобную и, наконец, в твердую, жесткую. По степени молеку лярной разветвленности различают три стадии трехмерной поликонден сации:

1) образование растворимого линейного полимера;

2) образование частично растворимого, разветвленного полимера;

3) образование нерастворимого неплавкого полимера сетчатой структуры.

Ускорение процесса формирования полимера поликонденсационно го типа достигается применением катализаторов: органических и неорга нических кислот и их ангидридов, комплексных соединений металлов.

1.5.2. Формирование полимерных смесей, осуществляемое без химических реакций Отсутствие химических превращений между макромолекулами предопределяет получение обратимых (термопластичных и растворимых) полимеров. При этом свойства готовой смеси во многом соответствуют свойствам исходных компонентов, которыми служат преимущественно полимеры аморфного или кристаллического строения. В зависимости от химической природы исходных компонентов смеси, их растворимости, термопластичности полимеры получают из растворов, расплавов, водных и органических дисперсий, аэрозолей.

Формирование полимерных смесей из растворов. Получение по лимерных смесей из растворов связано с удалением из них растворите лей, их удаляют обычно испарением. С кинетической точки зрения про цесс испарения растворителей можно разделить на две стадии:

1) испарение растворителей с зеркала смеси, определяемое поверх ностными явлениями;

2) испарение из сформировавшейся смеси, определяемое диффузи онными процессами в ней.

Первую стадию из-за низкой вязкости и наличия конвективного пе ремешивания раствора можно рассматривать как испарение растворите лей со свободной поверхности. Вторая стадия испарения обычно начина ется при содержании растворителя в смеси 5…15%, когда вязкость рас твора становится высокой и вследствие этого не происходит его конвек тивного перемешивания.

Формирование полимерных смесей из водных дисперсий. Вод ные дисперсии полимерных смесей (поливинилацетатные, бутадиенсти рольные, полиакрилатные) характеризуются наличием двух фаз: твердой – полимера и добавок (пигменты, ПАВ) и жидкой – воды. Водные дис персии относятся к лиофобным коллоидным системам;

размер частиц (глобул) 0,01…0,25 мкм.

Формирование полимерных смесей и покрытий из водных диспер сий рассматривается как процесс ликвидации межфазной границы «по лимер-среда» при одновременном удалении дисперсионной среды. Фор мирование полимерных смесей связано с переходом гидрозоля в студень (астабилизацией латекса) и последующим самопроизвольным сжатием (контракцией) образованного промежуточного студня до монолитного состояния. Астабилизация в реальных условиях обычно достигается за счет концентрирования дисперсий (испарения жидкости). При формиро вании смесей посредством испарения жидкости (воды) различают три стадии.

Первая стадия – образование промежуточного студня, которое ха рактеризуется сближением частиц и усилением взаимодействия между ними. Вязкость смеси повышается, она становится пастообразной;

со держание жидкой фазы в ней не превышает 20…30%. Скорость испаре ния жидкости постоянна и близка к скорости испарения ее со свободной поверхности.

Вторая стадия – синерезис (сжатие) промежуточного студня. При этом происходит дальнейшее удаление жидкости из смеси и разрушение имею щихся на поверхности глобул. Частицы деформируются: теряют шарооб разную форму и принимают вид плотно уложенных многогранников.

Третья стадия – аутогезионные процессы, заключающиеся в ликви дации межфазной границы, то есть слиянии глобул. При этом содержа щиеся на их поверхности ПАВ либо растворяются в полимере, либо вы тесняются из межглобулярного пространства, образуя самостоятельную фазу.

Формирование полимерных смесей из органозолей. Органозоли – это двухфазные системы, занимающие промежуточное положение между коллоидными системами и грубыми дисперсиями. Размер частиц дис персной фазы колеблется от долей микрометра до десятков микрометров.

Дисперсионной средой служит органический растворитель или смесь растворителей. Органозоли полимеров в зависимости от их состава явля ются дисперсиями либо лиофобного, либо переходного типа. В лиофоб ных дисперсиях отсутствует заметный переход жидких компонентов в полимерную фазу, частицы полимера практически не набухают в диспер сионной среде. Дисперсии переходного типа (поливинилхлоридные, по лиакрилонитрильные) имеют более высокую степень взаимодействия полимерной фазы со средой, они состоят из частиц, ограниченно набух ших в растворителях.

Формирование полимеров из органозолей связано с удалением дис персионной среды и коалесценцией полимерных частиц, то есть перехо дом золя в студень, который носит необратимый характер. В зависимости от типа дисперсии смесеобразование протекает по-разному.

1. Дисперсия переходного типа (улетучивание дисперсионной среды) – Промежуточный студень (улетучивание дисперсионной среды) – Студень (улетучивание остатков дисперсионной среды) – Полимер.

2. Лиофобная дисперсия (улетучивание дисперсионной среды) – Промежуточный студень или порошок (нагревание или удаление остатков дисперсионной среды) – Полимер.

Формирование полимерных смесей из порошков. Порошковые полимеры (аэрозоли) относятся к грубым дисперсиям. Они обладают большим избытком поверхностной энергии: поверхностное натяжение на границе с воздухом составляет у них 20…50 мДж/м2, что в несколько раз больше, чем у дисперсий в жидких средах. Как и в случае других дис персных систем, формирование смесей из порошков связано с деформа цией и слиянием их частиц под влиянием поверхностной энергии. Эти процессы с удовлетворительной скоростью проходят в вязкотекучем со стоянии полимеров, когда вязкость последних достигает 102…103 Пас.

Порошковые пленкообразователи переводят в вязкотекучее состоя ние нагреванием или дозированным введением растворителя (пара). При этом роль растворителей могут выполнять и мономеры. Смесеобразова ние с участием растворителей протекает при более низких температурах (20…120°С).

Таким образом, формирование смесей из любого порошка может быть проведено в широком интервале температур, однако продолжитель ность процесса при этом сильно различается. Скорость слияния частиц можно регулировать путем изменения их размера, вязкости и поверх ностного натяжения расплава полимера. Вязкость снижают использова нием компонентов с меньшей молекулярной массой, введением пласти фикаторов, применением более высоких температур или более активных растворителей.

Формирование полимерных смесей с участием жидких сред.

Формирование полимерных смесей с участием жидких сред (растворите лей и мономеров) не связано с применением высоких температур, а в ря де случаев нагрева вообще, испарение также отсутствует. В порошковый материал вводят инициатор полимеризации, в результате чего сорбиро ванный мономер почти полностью полимеризуется. Степень превраще ния достигает 90…95%. В зависимости от характера распределения ини циатора в порошке образование новой фазы (полимера) может происхо дить или равномерно во всей смеси, или локально. Соответственно обра зуются биполимерные смеси с равномерным или послойным расположе нием полимера в смеси.

1.6. Анализ дисперсных систем Обеспечение высокой дисперсности частиц, а, следовательно, мак симальной поверхности раздела фаз обуславливает высокую скорость и полноту протекания реакций и взаимодействий. Это обеспечивает высо кое качество формируемых технологических смесей: связующих, клеев, герметиков, паст, суспензий, эмульсий и прочих. Разнообразие объектов и явлений, связанных с дисперсными системами, обуславливает широкий круг теоретических и практических проблем, возникающих при их ис следовании. В настоящее время большое внимание уделяется созданию материалов с заранее заданными свойствами. Такие конструкционные и функциональные материалы обладают комплексом уникальных и специ фических свойств и представляют собой дисперсные системы. Уникаль ные и специфические свойства материалов получают за счет введения в материал частиц нужных компонентов и придания материалу определен ной структуры на микро- и макроуровне. Также активно проводятся ис следования наносистем. Поэтому исследование технологий формирова ния дисперсных систем является актуальной проблемой.

Технологические смеси являются дисперсными системами, реологи ческие свойства которых определяются дисперсной структурой. Взаимо действие элементов структуры дисперсной системы обуславливает явле ния в смесях – тиксотропию, дилатансию, синерезис. Смеси представля ют собой ньютоновские и неньютоновские жидкости и их можно разбить на четыре группы: жидкости низкой вязкости;

жидкости средней вязко сти;

жидкости высокой вязкости;

жидкости сверхвысокой вязкости.

Соответственно можно выделить следующие разновидности течений этих жидкостей: ньютоновское, дилатантное, псевдопластическое, пла стическое. Основными технологическими параметрами, влияющими на процесс формирования смеси, являются вязкость и поверхностное натя жение. Некоторые смеси одновременно обладают текучестью и упруго стью, то есть способны восстанавливать свою форму. Для описания по ведения таких систем применяют реологические модели Фойхта и Макс велла.

Большой практический интерес представляют технологии формиро вания полимерных смесей. Изменяя технологические режимы, состав исходных компонентов, можно регулировать свойства полимерных сме сей, а, следовательно, материалов и покрытий, полученных на их основе.

Формирование полимерных смесей может осуществляться как в резуль тате химических реакций (полимеризация, поликонденсация), так и без химических реакций из растворов, из водных дисперсий, из органозолей, из порошков, с участием жидких сред.

Проведя анализ дисперсных систем, можно сделать следующие вы воды.

1. Технологические смеси представляют собой дисперсные системы.

На основе многокомпонентных смесей создают конструкционные и функциональные материалы с уникальными и специфическими свой ствами.

2. Основными характеристиками дисперсных систем являются гете рогенность и дисперсность. Многие свойства дисперсных систем опреде ляются их дисперсной структурой.

3. Основными технологическими параметрами смесей являются вяз кость и поверхностное натяжение.

2. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 2.1. Методы конденсации и диспергирования Разнообразие дисперсных систем обуславливает многочисленность методов их получения. Методы формирования дисперсных систем можно разделить на две группы [39, 68, 98, 108, 148, 153, 155, 167, 179, 230, 245, 248]:

группа методов диспергирования, в основе которых лежит дроб ление крупных кусков вещества до требуемых размеров;

группа методов конденсации, в основе которых лежит объедине ние молекул или ионов в агрегаты требуемых размеров.

Методы конденсации. Методами диспергирования достичь весьма высокой дисперсности обычно не удается. Дисперсные системы с разме рами частиц 10-8…10-9м получают методами конденсации. Различают физическую и химическую конденсацию.

Физические методы формирования дисперсных систем основаны на конденсации из паров или на замене растворителя. Лиозоли получают в процессе совместной конденсации паров веществ, образующих дисперс ную фазу и дисперсионную среду на охлажденной поверхности. В отли чие от конденсации паров, основанного на изменении температуры ком понентов системы, при замене растворителя изменяют состав дисперсной среды. При замене растворителя получают пересыщенный раствор, что приводит к агрегированию молекул и образованию дисперсной фазы.

Химические методы основаны на конденсационном выделении но вой фазы из пересыщенного раствора. В отличие от физических методов, вещество, образующее дисперсную фазу, появляется в результате хими ческой реакции.

Методы диспергирования. Можно выделить следующие процессы формирования дисперсных систем:

измельчение твердых материалов (формирование сыпучих мате риалов);

распыление жидкостей и сыпучих материалов газом (формиро вание аэрозолей);

перемешивание жидкостей, сыпучих материалов, газов (форми рование суспензий, эмульсий, паст, пульп, пен, пористых тел).

Необходимо отметить, что технологически эти процессы могут быть организованы последовательно, то есть следовать друг за другом, или могут идти совместно. Например, формирование суспензии при переме шивании сыпучего материала с жидкостью может одновременно сопро вождаться измельчением сыпучего материала. Следующим этапом может быть распыление полученной суспензии [77, 252, 260, 261, 268, 279-281, 283].

Далее рассмотрим традиционные методы формирования дисперсных систем, в основе которых лежат упомянутые процессы.

2.2. Измельчение твердых материалов Сыпучие материалы. Сыпучий материал – дисперсная система, со стоящая из твердых частиц произвольной формы, находящихся в контак те. Состояние сыпучего материала характеризуется диаметра dч частиц:

пылевидное (dч0,05 мм), порошкообразное (0,05 ммdч0,5 мм), мелко зернистое (0,5 ммdч2 мм), крупнозернистое (2 ммdч10 мм), кусковое (dч 10мм).

Основными характеристиками сыпучего материала являются размер и форма частиц. Гранулометрический или дисперсный состав сыпучего материала – характеристика, показывающая, какую долю или процент по массе, объему, поверхности или числу частиц составляют определенные частицы или группы частиц во всей массе анализируемой пробы.

Из показателей сыпучих материалов, влияющих на условия получе ния и свойства смесей, следует выделить: дисперсионный состав, сыпу честь, насыпную плотность, относительную плотность и относительную пористость. Сыпучесть зависит от степени взаимодействия между части цами, которая в свою очередь определяется дисперсностью порошка, степенью изометричности его частиц, влажностью и температурой. Для получения качественных смесей желательно иметь более сыпучие по рошки. Такие порошки равномерно распределяются по объему формиру емой смеси.

Способность сыпучих материалов равномерно распределяться по объ ему связана с их массовыми и объемными характеристиками: насыпной плотностью нас (масса свободно насыпанного порошка в единице объема), относительной плотностью отн (отношение насыпной плотности к истин ной плотности материала), относительной пористостью (доля объема, зани маемая воздухом). Для многих порошковых материалов нас=100...600 кг/м3, отн=10...50%;

иначе говоря, твердое вещество (дисперсная фаза) в порош ковых материалах составляет не более 0,1...0,5 их объема.

Для формирования технологических смесей в основном используют сыпучий материал или порошок с размером частиц 5...350 мкм. Необхо димо отметить, что промышленные порошки полидисперсны.

Измельчение. Сыпучие материалы получают измельчением твердых материалов. Конечная крупность получаемых при измельчении продук тов устанавливается исходя из требований технологии потребляющих производств.

Измельчение – процесс уменьшения размеров кусков (зерен) матери ала путем разрушения их под действием внешних сил, преодолевающих внутренние силы сцепления, которые связывают между собой частицы твердого вещества. При измельчении твердых материалов условно при нято считать, что дробление – это измельчение кусков до размера более 1мм, а размол – измельчение частиц до размера менее 1мм.

Твердые вещества грубо можно разделить на две группы: хрупкие и пластичные. При разрушении хрупких материалов энергия расходуется на упругую деформацию, выделение тепла и, в значительной степени, на преодоление сил сцепления в самом материале. При измельчении пла стичных материалов большую часть энергии поглощает пластическая деформация материала. Многократное нагружение твердых тел приводит к понижению их механической прочности и последующему разрушению.

Под действием внешних усилий в толще твердого тела образуются тре щины, началом которых обычно служат естественные дефекты тела. Ко гда внешняя нагрузка превышает пределы упругости, тело разрушается с образованием новой поверхности.

Методы измельчения. Метод измельчения зависит от природы силы, разрушающей куски материала. Измельчение проводят следующими мето дами: раздавливанием, раскалыванием, истиранием и ударом (рис. 2.1).

а) б) в) г) Рис. 2.1. Методы измельчения: а – раздавливание;

б – раскалывание;

в – истирание;

г – удар Выбор метода измельчения производится в зависимости от прочност ных (физико-механических) свойств материала и от исходной крупности его кусков. Так, например, раздавливание и удар применяют главным об разом при крупном и среднем измельчении, а истирание – при тонком.

По пределу прочности пр при раздавливании материалы условно можно разделить на следующие группы:

твердые материалы (гранит, диабаз) пр50МПа;

материалы средней твердости (известняк, антрацит) пр=10…50МПа;

мягкие материалы (уголь, глина) пр10МПа.

Т а б л и ц а 2. Виды измельчения в зависимости от размера частиц Начальный размер ча- Конечный размер Вид измельчения стицы dч, мм частицы dч, мм Крупное дробление 1500…150 250… Среднее дробление 250…40 40… Мелкое дробление 25…3 5… Тонкий размол 10…1 1…0, Сверхтонкий размол 12…0,1 0,075…0, В зависимости от физико-механических свойств материалов обычно выбирают следующие методы измельчения:

1) твердый и хрупкий материал–раздавливание, удар;

2) твердый и вязкий материал–раздавливание;

3) хрупкий материал средней твердости – удар, раскалывание и ис тирание;

4) вязкий материал средней твердости – истирание или истирание и удар.

В зависимости от начального и конечного размера dч наибольших ча стиц (кусков) условно различают следующие виды измельчения (табл. 2.1).

Крупное и среднее дробление производят, как правило, в сухом виде, мелкое дробление и размол – в мокром виде (обычно в водной среде).

При мокром измельчении уменьшается пылеобразование, частицы полу чаемого материала имеют более равномерную дисперсность [108, 153, 155, 226, 281].

2.3. Распыление жидкостей Распыление – процесс дробления струи и/или пленки жидкости на большое число капель и распределение их в пространстве (объеме аппарата).

Распылитель – устройство, обеспечивающие дробление жидкости газом.

Узел распыления – часть распылителя, обеспечивающая взаимодей ствие потоков жидкости и газа.

Распыл – образовавшийся в процессе распыления поток капель.

Факел распыления (газожидкостный факел) – сформировавшаяся в процессе распыления дисперсная система капель жидкости в газовой среде.

Зона напыления (орошения) – часть поверхности, на которую нано сят капли жидкости.

Интенсивность напыления (орошения) – количество жидкости, наносимое на единицу площади в единицу времени[37-39, 44, 53, 66, 83].

Дробление жидкости на капли не является самоцелью, оно обеспе чивает высокоразвитую поверхность контакта взаимодействующих фаз.

Распыление необходимо рассматривать в единстве и взаимосвязи со все ми операциями технологического процесса, например, с операцией пере мешивания (рис. 2.2).

Жидкость Распылитель Узел распыления А Факел распыления А Интенсивность напыления Зона напыления Поверхность (орошения) Поверхность (орошения) Газ Объем технологического аппарата Рис. 2.2. Схема технологической установки с распылителем Теория и практика распыления жидкостей постоянно развиваются.

Появляются новые методы распыления, представляющие собой совокуп ность способов, которые в свою очередь реализуются в конструкциях конкретных распылительных устройств [96, 118, 120, 166,-168, 171, 175, 176, 181, 182, 188].

Процесс распыления жидкости обусловлен потерей устойчивости течения в струях или пленках в связи с возникновением неустойчивых волн на поверхности раздела жидкости и газа. Распылению подвергают в основном низковязкие жидкости (ж=10-3…10-2Пас), так как диспергиро вание вязких жидкостей затруднено. Это связано с недостаточным сило вым воздействием на поток жидкости и трудностью организации устой чивого факела распыления с заданной дисперсностью капель. Для эффек тивного распыления жидкость, подаваемая в газожидкостный факел в виде струй и/или пленок, должна иметь наибольшую поверхностную энергию. По схеме подвода энергии к жидкости можно классифициро вать методы распыления [189, 203-205, 250, 251, 266, 267].

Гидравлическое распыление. Основным энергетическим факто ром, приводящим к распаду жидкости на капли, является давление нагне тания. Проходя через распылитель, поток жидкости приобретает высо кую скорость и преобразуется в форму, способствующую быстрому и эффективному распаду (струя, пленка, крупные частицы).

Гидравлическое распыление – самое экономичное по потреблению энергии (2…4кВт на диспергирование 1т жидкости). Этот способ широко распространен вследствие сравнительной его простоты. Однако можно вы делить ряд существенных недостатков. Получаемый распыл довольно гру бый и неоднородный. Регулирование расхода жидкости при заданном каче стве диспергирования, а также распыление вязких жидкостей затруднено.

Механическое распыление. Жидкость получает энергию вслед ствие трения о быстровращающийся рабочий элемент. Приобретая вме сте с рабочим элементом вращательное движение, она под действием центробежных сил срывается с распылителя (в виде пленок или струй) и дробится на капли.

К достоинствам этого способа следует отнести возможность распы ления высоковязких и загрязненных жидкостей и регулирования произ водительности распылителя без существенного изменения дисперсности.

Недостатками является то, что вращающиеся распылители дороги, слож ны в изготовлении и эксплуатации, энергоемки (15кВт на диспергирова ние 1т жидкости). Механическое распыление используют главным обра зом для дробления вязких жидкостей и суспензий.

Газодинамическое (пневматическое) распыление. При газодина мическом распылении энергия подводится к жидкости главным образом в результате динамического воздействия на нее высокоскоростного пото ка газа. Благодаря большой относительной скорости потоков в распыли теле или за его пределами жидкость сначала расслаивается на отдельные струи, которые затем распадаются на капли.

К достоинствам газодинамического распыления относятся неболь шая (в то время как при гидравлическом распылении она существенна) зависимость качества распыления от расхода жидкости, надежность в эксплуатации, возможность распыления вязких жидкостей. Недостатками являются повышенный расход энергии на распыление (50…60кВт на 1т жидкости), необходимость в газе и в оборудовании для его подачи.

Акустическое распыление. Жидкость получает энергию при взаи модействии с потоком газа. Однако при этом, в отличие от газодинамиче ского распыления, газу сообщают акустические колебания, что обеспечи вает более тонкое и однородное дробление. Акустическое распыление экономично, однако конструкции акустических распылителей сложны.

Ультразвуковое распыление. Жидкость подается на колеблющий ся с ультразвуковой частотой элемент пьезоэлектрического или магнито стрикционного генератора и срывается с него в виде мелких капель.

Недостатками пьезоэлектрических и магнитострикционных распы лителей являются малая производительность (0,5…6кг/ч) и высокая сто имость.

Пульсационное распыление. Наложение пульсаций давления или расхода (чаще – и того, и другого) на поток жидкости, вызывает допол нительные колебания жидкостной пленки (или струи) способствуют уве личению поверхностной энергии, быстрой потере устойчивости потока и, как следствие, более тонкому диспергированию.

Пульсационное распыление может сочетаться с любым из методов распыления. При этом к преимуществам того или иного метода добавля ется еще одно: повышение качества и однородности распыла. Примене ние этого метода распыления не требует существенных энергозатрат и незначительно усложняет конструкцию распылителя.

Распыление с предварительным газонасыщением. Жидкость пе ред подачей в распылитель или непосредственно в самом распылителе насыщают газом. Распределенный в жидкости в виде пузырьков газ сжи мается до ее давления и частично растворяется в ней. При этом возраста ет поверхностная энергия потока. Увеличение энергии, а также быстрое расширение пузырьков и десорбция газа при истечении жидкости из рас пылителя приводят к ее распаду на более мелкие, чем в условиях обыч ного гидравлического распыления, капли.

Электростатическое распыление. Жидкости еще до ее истечения или в момент истечения из распылителя сообщают электростатический заряд. Под действием кулоновских сил струя жидкости распадается на капли таких размеров, при которых силы взаимного отталкивания капель уравновешиваются силами поверхностного натяжения.

Возможен и другой вариант, когда жидкость подают в область силь ного электростатического поля, под действием которого на поверхности жидкости происходит некоторое распределение давления. Это вызывает деформацию струи и распад ее на капли.

Недостатками электростатического распыления являются необходи мость в дорогостоящем оборудовании, его высокая энергоемкость, малая производительность и сложность обслуживания.

Электрогидравлическое распыление. Потоку жидкости сообщается дополнительная энергия за счет высоковольтного электрического разряда (пробоя жидкости) в полости распылителя. В образующемся плазменном шнуре наблюдается скачок температуры до нескольких тысяч градусов и скачок давления до нескольких тысяч атмосфер. Происходит выброс высо коскоростного потока капель, которые догоняют и дополнительно дробят капли, покинувшие распылитель в период между импульсами. Кроме того, сопровождающие разряд эффекты (ударная волна, кавитация) длятся прак тически весь промежуток времени между импульсами и также приводят к дроблению жидкости, покидающей распылитель за это время.

2.4. Перемешивание смесей Цели перемешивания. Из исходных компонентов перемешиванием формируют смесь, которая может быть как готовым продуктом, так и по луфабрикатом. В технологических процессах, можно выделить несколько групп явлений, которые непосредственно связаны с перемешиванием:

1) перемешивание взаимно растворимых жидкостей;

2) выравнивание температуры в объеме перемешиваемой среды;

3) равномерное распределение твердых, жидких и газообразных ча стиц по объему жидкости или предотвращение их оседания;

4) диспергирование капель жидкости или пузырьков газа;

5) интенсификация теплообмена в перемешиваемой системе;

6) интенсификация массообмена в перемешиваемой системе.

Перемешивание – путь интенсификации процессов распределения растворенных веществ, взвешенных частиц и теплоты, а также дисперги рования капель и пузырьков в жидкости путем приведения ее в вынуж денное движение (табл. 2.2) [34, 68, 70, 77, 108, 153-155, 167, 230, 245].

Т а б л и ц а 2. Области применения перемешивания и его цели Цель перемешивания Распределение раство Распределение тепло Распределение частиц кой и внутренними Теплообмен с рубаш устройствами смеси ка Массообмен с части цами дисперсной фазы дисперсной фазы Диспергирование пель и пузырьков ренных веществ Технологическое назначение аппарата теля ты Приготовление смесей взаимно + растворимых жидкостей Приготовление суспензий + Приготовление эмульсий + + Растворение твердых частиц + + Экстрагирование из твердых ча + + стиц (выщелачивание) Окончание табл. 2. Цель перемешивания ча стиц дисперсной фа Распределение теп Теплообмен с рубаш устройствами смеси кой и внутренними Распределение рас Массообмен с части дисперсной творенных веществ капель и пузырьков Диспергирование Технологическое назначение Распределение аппарата фазы цами лоты теля зы Жидкостная экстракция + + + Абсорбция (десорбция) газов + + + Кристаллизация из растворов + + Гомогенная реакция + Гетерогенная реакция «жидкость + + твердая фаза»

Гетерогенная реакция «жидкость + + + жидкость»

Гетерогенная реакция «газ-жидкость» + + + Нагревание или охлаждение гомо + + генных жидкостей Нагревание или охлаждение сус + + + пензий Нагревание или охлаждение эмульсий + + + + Эндотермическая или экзотермиче + + + ская реакция в гомогенной системе Эндотермическая или экзотермиче ская реакция в гетерогенной систе- + + + + ме «жидкость – твердая фаза»

Эндотермическая или экзотермиче ская реакция в гетерогенной систе- + + + + + ме «жидкость – жидкость»

Эндотермическая или экзотермиче ская реакция в гетерогенной систе- + + + + + ме «газ – жидкость»

Методы перемешивания. Конструкции перемешивающих устройств и их рабочие режимы зависят от агрегатного состояния и фи зико-химических свойств перемешиваемых компонентов, а также от тре бований, предъявляемых к получаемой смеси. Формируемая смесь может быть однофазной (раствор) или двухфазной (многофазной). Перемеши вающее устройство должно обеспечивать получение однородной смеси при максимальной производительности и минимальном расходе энергии.

Совокупность этих условий предопределяет выбор метода перемешива ния. При формировании смеси эффективность перемешивания определя ется однородностью смеси, то есть тем, как близки концентрации компо нентов смеси по ее объему. Интенсивность перемешивания характеризу ется временем достижения заданного результата, то есть определенной однородности смеси [248, 250, 268, 279].

Получили применение следующие методы перемешивания:

– механический метод – перемешивание механическими мешалками;

– пневматический метод или барботирование – перемешивание пу тем подачи в жидкую среду газа (пара);

– гидравлический метод – перемешивание струйными и центробеж ными насосами.

Перемешивание компонентов смеси любым методом сводится к многократному относительному перемещению элементов ее объема.

2.4.1. Механический метод перемешивания Сложное движение смеси, возникающее в объеме смесителя при вращении мешалки, можно разложить на радиальную (вдоль радиуса вращения), тангенциальную (по касательной к окружности, описываемой концом мешалки) и осевую (вдоль оси вала) составляющие. В аппаратах различных конструкций эти составляющие находятся в разных соотно шениях. У ряда смесителей две или даже все три составляющие соизме римы. Аппараты с мешалки можно разделить на быстроходные и тихо ходные.

К быстроходным смесителям относят аппараты с пропеллерными и турбинными мешалками, а также специальные мешалки, например дис ковые, лопастные. Эти мешалки в зависимости от формы лопаток (лопа стей) и способа их установки могут создавать радиальный, осевой и ра диально-осевой потоки жидкости (рис. 2.3). Быстроходные мешалки чаще всего работают в аппаратах с отражающими перегородками. Отсутствие перегородок приводит к завихрению смеси и образованию воронки (рис. 2.3, в).

К тихоходным смесителям относят аппараты с лопастными, якорны ми и рамными мешалками. Они создают главным образом окружной поток смеси, то есть смесь вращается вокруг оси аппарата (рис. 2.4).

В эту группу входят также аппараты со шнековыми и ленточными ме шалками.

Турбинные мешалки. Турбинные мешалки снабжены лопатками и имеют четко очерченный ротор, вязкость формируемой смеси может до стигать 50 Пас. У закрытых турбинных мешалок лопатки заключены в корпус, при этом образуются закрытые каналы как у ротора центробеж ного насоса. У открытых мешалок лопатки не заключены в корпус. Число оборотов мешалки составляет поб=2…20 об/с, а окружная скорость конца лопатки 3…9 м/с (рис. 2.5).

а) б) в) nоб nоб nоб 1 1 5 5 2 2 3 4 4 Рис. 2.3. Быстроходные аппараты с турбинными и пропеллерными мешалками:

а – турбинная мешалка, сосуд с перегородками;

б – пропеллерная мешалка, сосуд с перегородками;

в – пропеллерная мешалка;

сосуд без перегородок;

1 – сосуд;

2 – мешалка;

3 – перегородка;

4 – перемешиваемая смесь;

5 – поверхность смеси а) б) в) г) nоб nоб nоб nоб 1 1 1 4 4 4 2 2 2 3 3 3 Рис. 2.4. Тихоходные аппараты с различными мешалками: а – лопастная;

б – ли стовая;

в – якорная;

г – рамная;

1 – сосуд;

2 – мешалка;

3 – перемешиваемая смесь;

4 – поверхность (зеркало) смеси а) б) в) г) А А-А А Рис. 2.5. Турбинные мешалки: а – с прямыми лопатками;

б – с загнутыми лопат ками;

в – с прямыми наклонными лопатками;

г – закрытая мешалка c направляю щим аппаратом Наиболее простой и одновременно высокоэффективной является мешалка с прямыми лопатками (рис. 2.5, а), расположенными радиально.

Плоские лопатки могут также быть наклонены под определенным углом (чаще всего 45) относительно плоскости вращения мешалки (рис. 2.5, в).

Такая мешалка создает осевой поток смеси, что может потребоваться, например, при перемешивании суспензий, для поднятия твердых частиц со дна сосуда. Изгиб лопаток относительно радиуса применяется более редко (рис. 2.5, б).

Мешалки закрытого типа содержат направляющий аппарат, представ ляющий собой неподвижный обод с изогнутыми лопатками (рис. 2.5, г).

Задача направляющего аппарата заключается в выпрямлении потока жид кости, отбрасываемого мешалкой. Вследствие этого отражающие перего родки в аппарате с закрытой мешалкой становятся излишними.

Пропеллерные мешалки. Пропеллерные мешалки создают значи тельную циркуляцию смеси в аппарате при минимальном расходе энер гии, так как они обеспечивают осевую циркуляцию смеси за счет насос ного эффекта (рис. 2.6). Из-за насосного эффекта частицы легко под нимаются со дна сосуда, что важно при формировании суспензий и эмульсий. Мешалки с числом оборотов nоб=400об/мин применяют для перемешивания тяжелых масел, шламов, при этом вязкость формируемой смеси не должна превышать 0,2Пас, а объем смеси в аппарате – 7,5м3.

Мешалки с nоб=1150об/мин используют для перемешивания легких масел, лаков, вязкость перемешиваемой жидкости до 0,05Пас, а объем смеси в аппарате до 2м3. Мешалки с nоб=1750об/мин применяют для пе ремешивания низковязких смесей и в аппаратах небольшого объема.

в) а) б) Рис. 2.6. Пропеллерные мешалки: а – пропеллер;

б – пропеллер с отверстиями в лопастях, применяется при перемешивании смесей и трудносмачиваемых порош ков;

в – пропеллер с зубчатыми краями лопастей, применяется для перемешива ния волокнистых материалов Лопастные мешалки. Как правило, лопастные мешалки — низко оборотные, с двумя лопатками (лопастями), длина которых по отноше нию к диаметру сосуда больше, чем у турбинных мешалок. Если пере мешивание производится в высоких аппаратах, то на одном валу можно устанавливать несколько мешалок. Окружная скорость лопастных меша лок находится в пределах 1,5…4м/с, вязкость формируемой смеси – 0,1…50Пас (рис. 2.7).

а) б) в) А А-А г) А д) Рис. 2.7. Лопастные мешалки: а – мешалка с низкими лопастями;

б – мешалка с низкими наклонными лопастями;

в – мешалка со скрещенными лопастями;

г – мешалка c высокими лопастями;

д – мешалка со многими лопастями на валу в сосуде с радиальными отражательными перегородками Лопастные мешалки создают главным образом окружную (перимет рическую) циркуляцию смеси и лишь весьма незначительную радиально осевую циркуляцию. Основным достоинством лопастных мешалок явля ется их простота, а также низкая стоимость.

Недостаток лопастных мешалок — слабая интенсивность перемеши вания. Наклонные лопасти (рис. 2.7, б) более интенсивно перемешивают смесь, чем прямые. Мешалки с такими лопастями применяются в случае трудноперемешиваемых жидкостей, плотности которых значительно от личаются друг от друга, а также для создания суспензий и эмульсий.

Угол наклона чаще всего составляет 45°. Можно крепить на валу две или три пары лопастей (рис. 2.7, в) в виде креста, что способствует лучшему перемешиванию.

Встречаются также лопастные мешалки с высокими лопастями (рис. 2.7, г). Эти мешалки называют также листовыми. Такие мешалки успешно применяются при растворении и теплообмене. Иногда в лопа стях высверливают отверстия, вследствие чего усиливается турбулент ность перемешиваемой смеси. В случае перемешивания высоковязкой смеси на корпусе аппарата монтируются радиальные перегородки (рис. 2.7, д), которые препятствуют завихрению жидкости, усиливают турбулентность и улучшают перемешивание во всем объеме. Нецелесо образно применять мешалки со слишком длинными лопастями, так как с увеличением диаметра мешалки быстро возрастает потребляемая мощ ность. Поэтому в сосудах большого диаметра устанавливают две (или больше) мешалки с меньшим диаметром. Это привело к созданию плане тарных мешалок, которые вращаются вокруг оси аппарата и дополни тельно вокруг собственной оси, параллельной оси аппарата. Это позво лило сократить диаметр мешалки в два раза.

Якорные и рамные мешалки. Эти мешалки отличаются исключи тельно низким числом оборотов. Их окружная скорость не превышает 0,5…1,5м/с, а число оборотов — 1об/с. Якорные и рамные мешалки при меняют для перемешивания смесей высокой вязкости. Якорные мешалки пригодны для перемешивания смесей вязкостью до 30Пас, а рамные — для перемешивания смесей вязкостью до 100Пас. Форма якорных меша лок повторяет профиль днища сосуда (рис. 2.8,а). При перемешивании вязких смесей якорную мешалку снабжают дополнительными попереч ными или вертикальными элементами. Таким образом, образуется рамная мешалка (рис. 2.8, в). Если мешалка имеет только вертикальные элементы (пальцы), между ними могут быть установлены вертикальные перегород ки, прикрепляемые к крышке (рис. 2.8, б), что усиливает турбулентность смеси и интенсивность перемешивания во всем объеме аппарата. Такого же эффекта добиваются, устанавливая внутри рамы дополнительные ме шалки, лучше всего с наклонными лопастями (рис. 2.8, г).

а) б) в) г) Рис. 2.8. Якорные и рамные мешалки: а – якорная мешалка эллиптической фор мы;

б – якорная мешалка с пальцами и вертикальными отражательными перего родками;

в – рамная мешалка;

г – рамная мешалка со встроенными дополнитель ными лопастными мешалками а) б) в) г) nоб nоб nоб nоб 1 1 1 5 5 5 2 2 3 4 4 4 Рис. 2.9. Смесители со шнековыми и ленточными мешалками: а – шнековая мешалка, сосуд без перегородок;

б – шнековая мешалка, сосуд с перегородками;

в – шнековая мешалка с диффузором, сосуд без перегородок;

1 – сосуд;

2 – мешалка;

3 – перегородка;

4 – перемешиваемая смесь;

5 – поверхность (зерка ло) смеси;

6 – диффузор;

7 – ленточная мешалка Шнековые и ленточные мешалки. Шнековые мешалки работают по тому же принципу, что и пропеллерные, но при меньших числах обо ротов (1…4об/с);

они пригодны для перемешивания смесей высокой вяз кости до 500Пас, неньютоновских жидкостей и паст. Они потребляют меньше энергии, чем пропеллерные мешалки, при создании одинаковой циркуляции смеси в аппарате. Шнековые мешалки могут работать в со суде без перегородок и с перегородками (рис. 2.9, а, б). Шнековые ме шалки снабжаются также диффузором (циркуляционной трубой), что обеспечивает осевую циркуляцию смеси в аппарате (рис. 2.9, в). Для сме сей с особо высокими вязкостями до 3000Пас, при больших объемах смеси применяются ленточные мешалки (рис. 2.9, г). Ленточные мешалки работают как в вертикальных, так и в горизонтальных аппаратах.

Мешалки, обеспечивающие высокие напряжения сдвига. Наибо лее простой мешалкой рассматриваемого типа является диск (рис. 2.10), который благодаря небольшой потребляемой мощности (по сравнению с другими мешалками) может работать при высоких окружных скоростях (5…35м/с).

Энергия от вращающегося диска передается смеси в непосредствен ной близости от диска в результате трения диска о смесь. Ввиду больших окружных скоростей вокруг диска возникают большие градиенты скоро стей, что приводит к возникновению высоких напряжений сдвига (рис. 2.10, а).

а) б) nоб в) г) Рис. 2.10. Мешалками, обеспечивающие высокие напряжения сдвига: а – принцип работы дисковой мешалки;

б – гладкий диск;

в – диск с зубцами;

г – турбинная мешалка со срезанными лопатками Дополнительный эффект сдвига может быть получен, если по окружности диска сделать зубцы или надрезы, как у дисковой пилы или фрезы (рис. 2.10, в). Высокие напряжения сдвига создают также турбин ные мешалки со срезанными лопатками (рис. 2.10, г). Мешалки, создаю щие большие напряжения сдвига, успешно применяются в процессах диспергирования в неоднородных системах (например, в процессах экс тракции и адсорбции, для перемешивания частичек твердого тела с вяз кими жидкостями до 300Пас, для разрыва волокнистых частиц или дроб ления частиц твердого тела).

Барабанные смесители. Перемешивание высоковязких смесей до 5кПас, твердых сыпучих материалов (порошков) производится в аппара тах, имеющих вращающийся барабан. Простейшими смесителями явля ются цилиндрические барабаны, укрепленные на валу в горизонтальном (рис. 2.11, а) или вертикальном (рис. 2.11, б) положении. Более интен сивное перемешивание достигается в барабанах шестигранной формы, обладающих измельчающим действием (рис. 2.11, в). Незначительное измельчение происходит в барабанах с коническими днищами (рис. 2.11, г). В качестве смесителей малой емкости применяются барабаны типа «пьяная бочка» (рис. 2.11, д). В аппарате, состоящем из двух цилиндри ческих барабанов, соединенных под прямым углом, смесь не только мно гократно перемешивается при вращении, но и многократно делятся на две части и вновь соединяются (рис. 2.11, е).

а) б) в) д) е) г) Рис. 2.11. Схемы барабанных смесителей: а – барабан закреплен на валу верти кально;

б – барабан закреплен на валу горизонтально;

в – барабан шестигранной формы;

г – барабан с коническими днищами;

д – барабан типа «пьяная бочка»;

е – смеситель из двух барабанов, соединенных под прямым углом 2.4.2. Гидравлический метод перемешивания Перемешивание в потоке неподвижными турбулизаторами. Пе ремешивание жидкостей и газов возможно в трубопроводах путем искус ственной турбулизации потока. Для этой цели в трубопроводе после вво да жидких или газообразных компонентов смеси размещают разнообраз ные неподвижные детали, обеспечивающие многократное изменение ве личины и направления скорости потока. Турбулизаторами служат попе речные полуперегородки (рис. 2.12, а) или диафрагмы со смещенными отверстиями (рис. 2.12, б), при этом поток многократно расширяется, сужается и изменяет свое направление. Размещение в трубопроводе вин товых вставок, часто с чередованием направления винтового хода (впра во и влево), приводит к многократному разнонаправленному закручива нию потока (рис. 2.12, в). Используют смесители типа трубы Вентури (инжекционные смесители) в сочетании с винтовыми вставками на пути движения смеси (рис. 2.12, г).

2 а) в) 1 3 1 2 г) б) 1 3 1 Рис. 2.12. Схемы устройств для перемешивания в потоке: а – вставка из полупе регородок;

б – диафрагмовая вставка;

в – винтовая вставка;

г – струйный смеси тель;

1, 2 – входы компонентов смеси;

3 – выход смеси Перемешивание в потоке применимо в случае взаимной растворимо сти и невысокой вязкости смеси (до 0,01Пас), при больших скоростях течения и достаточной длине трубопровода. Такое перемешивание неэф фективно, так как требует больших затрат энергии.

а) б) 3 Рис. 2.13. Схемы циркуляционных смесителей: а – смеситель с циркуляционным насосом;

б – смеситель с циркуляционным насосом и эжектором;

1 – смеситель, 2 – распылитель;

3 – насос;

4 – эжектор Циркуляционное перемешивание. Эффективное перемешивание жидких компонентов смеси с вязкостью до 0,05Пас может быть достиг нуто путем многократной циркуляции содержимого аппарата при помо щи центробежного или струйного насоса, являющегося как бы локаль ным турбулизатором. При большой емкости аппарата и различных плот ностях компонентов смеси, нижние слои жидкости, в которых до полного перемешивания преобладает содержание более тяжелого компонента, всасываются центробежным насосом и нагнетаются на свободную по верхность уровня смеси в аппарате через распылитель (рис. 2.13, а). При этом в перемешиваемом объеме смеси нарастает циркуляция по мере увеличения производительности насоса.

Более интенсивно происходит перемешивание при сочетании цирку ляционного насоса с эжектором (рис. 2.13, б). Жидкость из аппарата сверху всасывается центробежным насосом и нагнетается в сопло эжек тора. Вытекающий из сопла поток увлекает окружающую жидкость, пе ремешивается с ней, и образовавшаяся смесь выбрасывается вверх. Та ким образом, внутри объема жидкости, наполняющей аппарат, возникают внутренние циркуляционные токи в дополнение к внешнему циркуляци онному контуру, создаваемому насосом.

2.4.3. Пневматический метод перемешивания Пневматический метод основан на пропускании через объем смеси потока диспергированного газа. Применение этого метода целесообразно в тех случаях, когда газ или его компоненты (например, кислород возду ха) должны вступать в химическую реакцию с перемешиваемой смесью.

Пневматический метод используется в процессах массообмена между жидкостями и газами или парами, где, благодаря диспергированию по следних, наряду с перемешиванием достигается большая межфазная по верхность.


Пневматический метод реализуют с помощью барботажных пере мешивающих устройств, важным условием эффективной работы которых является равномерное распределение диспергированного потока газа по поперечному сечению аппарата. При небольших диаметрах аппарата это условие обеспечивается при помощи горизонтальной перфорированной решетки с мелкими отверстиями или пористой плиты (рис. 2.14, а). В аппаратах больших размеров и при более вязких жидкостях используют сочетание барботера и лопастной мешалки (рис. 2.14, б), у которой в ка честве лопастей применены трубы с перфорированными стенками. Аппа раты средних и больших размеров часто снабжают внутренними (рис. 2.14, в) или наружными (рис. 2.14, г) циркуляционными перемеши вающими устройствами. В обоих случаях циркуляция жидкости создает ся благодаря образованию в подъемных трубах газожидкостной смеси, имеющей меньшую плотность, чем жидкость.

4 а) б) в) г) 1 2 3 Рис. 2.14. Барботажные перемешивающие устройства: а – аппарат с решеткой;

б – трубчатый барботер с лопастной мешалкой;

в – аппарат с внутренней цирку ляционной трубой;

г – аппарат с внешней циркуляционной трубой;

1 – аппарат;

2 – газораспределитель;

3, 4 – вход и выход газа Достоинствами барботажного перемешивания являются отсутствие движущихся частей, простота устройства и легкость поддержания твер дой фазы суспензий во взвешенном состоянии. Недостатки этого метода:

большой расход энергии на получение сжатого газа и его применимость только для жидкостей с вязкостью до 0,1 Пас. Заметим, что интенсив ность перемешивания при прочих равных условиях возрастает, и удель ный расход воздуха падает по мере увеличения высоты слоя жидкости.

2.5. Анализ методов формирования дисперсных систем Выделяют две группы методов формирования дисперсных систем:

группу методов диспергирования и группу методов конденсации (физи ческие и химические методы). Методы диспергирования основаны на процессах измельчения твердых материалов;

распылении жидкостей и сыпучих материалов газом;

перемешивании жидкостей, сыпучих матери алов, газов.

Анализ методов измельчения. Для приготовления технологических смесей используют сыпучие материалы в пылевидном, порошкообразном и мелкозернистом состояниях. Эти порошки имеют дисперсность частиц 5…350 мкм. Измельчение твердых материалов осуществляют следую щими методами: раздавливанием, раскалыванием, истиранием и ударом.

На выбор метода измельчения решающую роль оказывают физико механические свойства порошка, в частности его твердость. Полученный порошок, имеющий заданную дисперсность, является компонентом, ко торый вводят в смесь, перемешивая с другими компонентами.

Анализ методов распыления. Существующие методы распыления эффективны при диспергировании низковязких жидкостей. Широкое распространение в промышленности получили гидравлический и газоди намический методы распыления. Это связано с простотой и универсаль ностью оборудования для реализации этих методов. Остальные методы распыления нашли применение в специфических технологических про цессах. Для получения высокодисперсных капель при незначительной производительности применяют акустическое и ультразвуковое распыле ние. Механическое, электростатическое и электрогидравлическое распы ление весьма эффективно при диспергировании вязких жидкостей. Ос новными недостатками этих методов являются высокая стоимость обору дования, высокая энергоемкость, малая производительность и сложность обслуживания. Пульсационное распыление и распыление с предвари тельным газонасыщением жидкости чаще всего употребляют совместно с другими методами для повышения эффективности диспергирования.

Повышение эффективности диспергирования жидкости возможно путем более значительного энергетического воздействия на поток жидко сти. В настоящее время основным направлением повышения эффектив ности распыления является сочетание нескольких перечисленных выше методов распыления. Это позволяет получить такие характеристики рас пыла, которые невозможно обеспечить применением каждого из них в отдельности. При этом оборудование становится более сложным и доро гостоящим, требующим более высокой квалификации обслуживающего персонала.

Низковязкие жидкости дробят дозвуковым газовым потоком, при этом дисперсность капель получается низкой 10-3…10-4 м. Повышение вязкости жидкости приводит к невозможности ее диспергирования, так как дозвуковой поток газа оказывает на струю жидкости незначительное силовое воздействие. Таким образом, дозвуковое распыление является малоэффективным в процессах формирования смесей.

Перспективным направлением диспергирования жидкостей является газодинамическое распыление сверхзвуковыми струями газа. Сверхзву ковое газодинамическое распыление (СГР) позволяет резко повысить силовое воздействие сверхзвукового потока газа на поток жидкости, что приводит к повышению дисперсности образующихся капель. Эффектив ность СГР по сравнению с дозвуковым газодинамическим распылением значительно возрастает, расширяется область применения газодинамиче ского распыления, становится возможным диспергирование вязких жид костей. Переход от дозвукового к сверхзвуковому газодинамическому распылению не приводит к значительному усложнению оборудования, а, следовательно, стоимость оборудования увеличивается несущественно.

Анализ методов перемешивания. Большое разнообразие конструк ций перемешивающих устройств, сложность процессов происходящих при перемешивании не позволяют выделить универсальный критерий, который позволил бы совершать выбор соответствующего перемешива ющего аппарата для определенного процесса. Поэтому при выборе пере мешивающего устройства руководствуются опытом, накопленным при разработке и эксплуатации аналогичных устройств. Такой выбор не будет оптимальным, он часто не лишен субъективных факторов, например, вследствие традиций, сложившихся в данной технологии.

По сравнению с пневматическим и гидравлическим методом пере мешивания механический метод получил наибольшее распространение, так как этот метод позволяет формировать смеси с очень высокой вязко стью до 3000Пас, обеспечивает приемлемую производительность и каче ство смеси. В различных технологических процессах для турбинных, пропеллерных и лопастных мешалок можно выделить области их приме нения, а также величины, лимитирующие эти процессы (табл. 2.3).

Т а б л и ц а 2. Области применения турбинных, пропеллерных и лопастных мешалок в технологических процессах Величина, Явление, харак- лимитиру- Значение Процесс Тип мешалки теризующее ющая про- величины процесс цесс до 2000м Турбинные Перемеши- Циркуляция в Объем до 4000м Пропеллерные вание объеме смесителя о 400м Лопастные Диспергиро- до 4м3/мин Турбинные вание непе- Дисперсность Расход до 1м3/мин Пропеллерные ремешиваю- капель;

жидкостей щихся жид- рециркуляция до 0,5м3/мин Лопастные костей до 80м Турбинные Интенсивность Химические перемешивания;

Объем до 40м Пропеллерные реакции в циркуляция в реактора растворах объеме до 5м Лопастные до 40м Турбинные Напряжение Растворение сдвига;

Объем до 15м Пропеллерные частиц по- циркуляция в аппарата рошка объеме до 40м Лопастные Окончание табл. 2. Величина, Явление, харак- лимитиру- Значение Процесс Тип мешалки теризующее ющая про- величины процесс цесс Формирова- Турбинные до 80% Циркуляция ние суспензий Концентра Пропеллерные в объеме;

до 50% (суспендиро- ция частиц средняя скорость Лопастные 60…90% вание) до 150м3/мин Напряжения Турбинные Перемешива- сдвига;

до 15м3/мин Пропеллерные ние систем циркуляция Расход газа газ-жидкость в объеме;

до 5м3/мин Лопастные высокая скорость Перемешива- Турбинные до 50 Пас Циркуляция ние жидко- Пропеллерные до 10 Пас в объеме;

Вязкость стей с высо- низкая скорость Лопастные до 50 Пас кой вязкостью до 80м Турбинные Циркуляция Объем ап до 50м Теплообмен Пропеллерные в объеме;

парата до 20м высокая скорость Лопастные Напряжения до 80м Турбинные сдвига;

Кристаллиза- Объем ап- до 40м Пропеллерные циркуляция ция парата в объеме;

до 80м Лопастные малая скорость Важную роль при выборе смесителя играют физические параметры формируемой смеси и, прежде всего, вязкость. Можно отметить, что в перемешивающих аппаратах для формирования низковязких смесей при годны высокоскоростные мешалки, а для высоковязких смесей - тихо ходные мешалки (табл. 2.4). Наиболее широкую область применения имеют турбинные и пропеллерные мешалки, которые пригодны для пе ремешивания смесей с большим диапазоном вязкостей. Для перемешива ния смесей высокой вязкости лучше всего применять шнековые и лен точные мешалки, а для смесей со средней вязкостью можно пользоваться несколькими типами мешалок.

Т а б л и ц а 2. Диапазоны вязкостей смесей, перемешиваемых различными мешалками Тип мешалки Тип мешалки Вязкость ж, Пас Вязкость ж, Пас Пропеллерная 0,001…10 Рамная 1… Лопастная 0,1…50 Шнековая 5… Турбинная 0,001…50 Ленточная 10… Мешалки с высо Якорная 0,1…30 ким напряжением 0,1… сдвига Для получения однородной смеси необходимо измельчить компо ненты смеси до частиц с размерами 10-3…10-7м, в зависимости от назна чения смеси. Механический метод перемешивания смесей трудоемок, энергоемок, требует сложного в эксплуатации оборудования. Процесс перемешивания занимает много времени, требуется точное соблюдение технологических режимов. При этом однородность смеси остается весьма низкой. На качество смеси существенное влияние оказывают: рабочий объем смесителя, интенсивность перемешивания, наличие вакуума, по следовательность ввода компонентов в смеситель, температурно временной режим и прочее. Гомогенизация смеси затруднена, так как процесс перемешивания характеризуется сложным распределением ско ростей в объеме смесителя, и для достижения равномерной концентрации компонентов смеси по всему объему требуется очень длительное время.

Гомогенизация — создание устойчивой во времени однородной (гомо генной) структуры в двух- или многофазной дисперсной системе путём ликвидации концентрационных микронеоднородностей.


Для повышения эффективности диспергирования и перемешивания смесь подвергают дополнительно воздействию вибраций, колебаний. При воздействии на смесь ультразвуковом диспергирование и перемешивание происходит за счет разрывающих усилий. Они возникают как вследствие чередующихся локальных сжатий и расширений в жидкости при прохож дении волны, так и вследствие кавитации. Резкие локальные изменения давления (порядка тысяч атмосфер) происходящие за ничтожно малые промежутки времени (10-4…10-5 с) приводят к разрыву не только жидко стей, но и твердых тел. Однако, применение этих мер приводит к услож нению оборудования, а его производительность остается низкой.

Таким образом, при механическом методе диспергирование и пере мешивание компонентов смеси имеет низкую эффективность, а однород ность полученной смеси остается весьма низкой, особенно если число компонентов, входящих в ее состав, велико.

Альтернативы механическому методу перемешивания при формиро вании высоковязких смесей в настоящее время нет (рис. 2.15). Гидравли ческий и пневматический методы перемешивания имеют ограниченную область применения, вязкость формируемых смесей лежит в диапазоне 0,001…0,05 Пас. Однако, у этих методов есть преимущества перед меха ническим методом перемешивания: отсутствие подвижных частей в пе ремешивающем устройстве, высокая производительность, низкая трудо емкость и энергоемкость.

Повышение эффективности операций диспергирования и перемеши вания, их интенсификация является актуальной проблемой. За рубежом и у нас в стране проводятся работы по созданию непрерывнодействующих смесителей и смесителей с нетрадиционными рабочими органами и спо собами перемешивания. К таким устройствам относятся вибросмесители, газодинамические смесители (пневмосмесители), центробежно-гравита ционные смесители, бипланетарные смесители, смесители с планетарно осциллирующим движением мешалок.

Гидравлический метод Пневматический метод Вязкость смеси (жидкости), Па*сек 101 Газодинамический метод Механический метод 6 10- 10- 1 3 2 10- Метод перемешивания Рис. 2.15. Области применения методов перемешивания в зависимости от вязко сти смеси: 1 – гидравлический метод;

2 – пневматический метод;

3 – газодинами ческий метод (дозвуковой – до 0,005 Пас;

сверхзвуковой – до 5Пас);

4 – пропел лерные мешалки;

5 – турбинные мешалки;

6 – лопастные мешалки;

7 – якорные мешалки;

8 – рамные мешалки;

9 – шнековые мешалки;

10 – ленточные мешалки Перспективным с точки зрения получения значительных объемов смеси достаточно высокого качества при минимальных затратах является перемешивание в газодинамическом факеле распыления. Диспергирова ние жидкости газом довольно широко распространено в различных тех нологических устройствах и разнообразно в инженерном исполнении.

Эффективность диспергирования и перемешивания компонентов смесей значительно возрастает при применении сверхзвукового потока газа.

При СГР струи и/или пленки жидкости разбивают сверхзвуковым потоком газом на мельчайшие частицы, которые затем перемешиваются между собой в газожидкостном факеле. Процесс диспергирования и пе ремешивания становится коротким по времени, высокопроизводитель ным, энергосберегающим. Высокая концентрация технологических опе раций позволяет совместить операции диспергирования компонентов смеси, их перемешивания и гомогенизации. Эти операции проходят в газодинамическом факеле распыления как совмещенные технологиче ские переходы, что позволяет резко повысить производительность и со кратить время диспергирования и перемешивания до минимума.

Проведя анализ методов формирования дисперсных систем, можно сделать следующие выводы.

1. Измельчение твердых материалов осуществляют следующими ме тодами: раздавливанием, раскалыванием, истиранием и ударом.

2. Распыление жидкостей проводят следующими методами: гидрав лическим, газодинамическим, акустическим, ультразвуковым, механиче ским, электростатическим, электрогидравлическим, пульсационным, с предварительным газонасыщением жидкости.

2.1. Повышения эффективности диспергирования жидкости достига ют одновременным применением нескольких методов распыления, что значительно увеличивает силовое воздействие на поток жидкости. Это приводит к усложнению конструкции оборудования и росту его стоимости.

2.2. Наиболее универсальным является метод газодинамического распыления, эффективность этого метода значительно возрастает при применении сверхзвукового потока газа.

2.3. СГР расширяет область применения газодинамического метода и позволяет диспергировать ньютоновские и неньютоновские жидкости низкой, средней и высокой вязкости.

3. Перемешивание осуществляют механическим, пневматическим и гидравлическим методами.

3.1. Механический метод перемешивания имеет наибольшую об ласть применения, им перемешивают жидкости высокой и сверхвысокой вязкости.

3.2. Механический метод имеет низкую эффективность диспергиро вания и перемешивания. Однородность получаемой смеси остается низ кой при высокой трудоемкости, продолжительность операции перемеши вания значительна.

3.3. Гидравлический и пневматический метод перемешивания при меняют для перемешивания жидкостей низкой вязкости.

3.4. Перемешивание жидких компонентов смеси в сверхзвуковом факеле распыла расширяет технологические возможности гидравличе ского и пневматического методов перемешивания, позволяет дисперги ровать жидкости низкой, средней и высокой вязкости, формировать мно гокомпонентные смеси.

Вывод. Применение СГР перспективно в процессах диспергирова ния и перемешивания, оно позволяет формировать многокомпонентные смеси, повышает производительность и снижает трудоемкость техноло гических процессов.

3. ТЕОРИЯ СВЕРХЗВУКОВОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ 3.1. Состояние вопроса распыления жидкостей сверхзвуковым газовым потоком и формирования смеси из распыленных компонентов Диспергирование жидкостей газовым потоком является одной из ак туальных научных проблем, что связано со сложностью процессов про исходящих при взаимодействии потоков жидкости и газа.

Распыление дозвуковым газовым потоком применимо для низковяз ких жидкостей. Диспергирование жидкостей средней и высокой вязкости требует более существенного силового воздействия со стороны газового потока, поэтому использование сверхзвукового потока газа расширяет об ласть применения газодинамического распыления. Исследование СГР и создание на его основе конкурентоспособных и высокопроизводительных технологий является перспективным направлением в науке и технике.

Исследованиям процессов сопровождающих взаимодействие газо вых струй с потоком жидкости, посвящено значительное количество ра бот, как у нас в стране, так и за рубежом. Влияние параметров жидкости на характеристики процесса диспергирования в потоке газа исследова лось в значительном количестве экспериментальных работ. В них отме чается определяющая роль вязкости жидкости в формировании двухфаз ных потоков [36-39, 44, 53, 61, 66, 71, 83, 93, 95, 118, 120, 138, 146, 152, 159, 162, 165, 166, 175, 188, 197, 203-205, 283-285, 289]. Для определения характеристик тепло- и массообмена двухфазной системы, образующейся при распылении, весьма важным оказывается не только размер капель (частиц), но и распределение их по размерам, этому вопросу посвящено значительное число экспериментальных и теоретических работ [59, 171 173, 176, 181, 192, 230, 242, 266, 267, 290].

Из анализа схем распыления экспериментальных и полупромышлен ных установок, можно заключить, что для различных технологических задач возможно достижение требуемой дисперсности капель путем соот ветствующей организации узла распыления. Однако, как это отмечается в ряде работ, выбор параметров и применение той или иной схемы узла распыления носит полуэмпирический характер ввиду неполноты теоре тических исследований по обоснованию гидрогазодинамики и явлений массопереноса в таких процессах. Особенно это касается сверхзвуковых узлов распыления.

В некоторых работах отдается предпочтение в исследовании процес са распыления жидкостей экспериментальным работам, считая, что тео ретически этот процесс в настоящее время, по-видимому, описан быть не может. Действительно, использование математического анализа при ре шении задач диспергирования жидкостей в большинстве случаев ограни чивается лишь формулировкой задачи, то есть составлением системы дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и гра ничными условиями протекания процесса. Решение же этих уравнений возможно лишь для некоторых частных случаев с целым рядом упроща ющих допущений (например, без учета вязкости жидкости). И хотя это мнение распространено, представляется, что теоретический подход также правомерен. На это указывают и авторы некоторых работ, например, для расчета распределения капель (частиц) при дроблении жидкости до- и сверхзвуковыми струями [93-96] или для расчета вероятного размера капли в двухфазном потоке при распылении жидких металлов [239-242].

В работах [36, 41, 91-97, 103-106, 109-111, 124, 125, 129, 133, 151, 157, 161, 172, 185, 232, 286, 291] рассматривалось взаимодействие сверх звукового газового потока, а именно, скачка уплотнения с единичной каплей жидкости. Были получены положительные практические резуль таты, говорящие об эффективности диспергирования жидкости в сверх звуковом потоке газа, представлены эмпирические зависимости, позво ляющие оценить дисперсность капель. Эксперименты в основном прово дились с маловязкими жидкостями, рассматривалось влияние на процесс распада капли поверхностного натяжения, влияние вязкости на этот про цесс не принималось во внимание.

На сегодняшний день нет явных концепций, на которых может быть построен теоретический аппарат сверхзвукового газодинамического мето да распыления (СГМР) и проектирования на его основе технологических процессов формирования смесей. Можно сделать следующие выводы.

1. Накоплен большой экспериментальный материал по сверхзвуко вому распылению жидкостей малой вязкости. Авторами работ предложен ряд эмпирических выражений для определения дисперсности образую щихся при распылении капель.

2. Процесс распыления вязких жидкостей сверхзвуковым потоком газа теоретически и экспериментально изучен слабо. Отсутствуют иссле дования процессов распада струи высоковязких жидкостей, каплеобразо вания, дробления капель, гомогенизации компонентов смесей в сверхзву ковом факеле распыления.

3. Формирование смесей с помощью сверхзвукового потока газа в настоящее время находится в процессе разработки, широкого внедрения этот метод пока не получил из-за недостаточной изученности и отсут ствия серьезной теоретической базы.

4. Отсутствуют концепции формирования смесей из вязких компо нентов в сверхзвуковом потоке газа.

5. Отсутствует теоретическая база для инженерного проектирования технологического оборудования, реализующего СГМР.

Для решения этих проблем требуется разработка теории СГР, опи сывающая происходящие в сверхзвуковом факеле распыления процессы.

Необходимо установить связь между входными и выходными технологи ческими параметрами распылительного оборудования. На базе теории СГР можно разработать новые перспективные технологии.

При взаимодействии одиночных сверхзвуковых струй образуется факел распыления с большим числом скачков уплотнения. Этот эффект можно использовать при дроблении струй жидкости, особенно при рас пылении жидкостей, обладающих высокой вязкостью. Первичные капли, образующиеся в результате распада струи жидкости, проходят через большое число скачков уплотнения, что позволяет значительно умень шить размеры получаемых вторичных капель.

3.2. Анализ оборудования для распыления При распылении жидкости потоком газа размеры получаемых капель зависят, в основном, от скорости газового потока, поэтому газу придают высокую скорость. В то же время скорость движения жидкости крайне ма ла. Напор в магистрали подачи жидкости необходим лишь для обеспечения транспортировки требуемого количества жидкости к распылителю. В неко торых конструкциях распылителей применен эжекционный принцип, то есть газовый поток играет роль подсасывающего фактора, поэтому давле ние в магистрали подачи жидкости не значительно. В других конструкциях распылителей напор в магистрали подачи жидкости может быть суще ственным, например при подаче вязкой жидкости. Скорость газового потока в распылителях достигает сотен метров в секунду, иногда применяют сверхзвуковые скорости истечения газа. В соответствии с этим давление газа, как правило, составляет 0,3…1,0МПа и более. В отдельных устрой ствах вместо газа часто используют пар давлением 0,3…2,5МПа. В особых случаях применяют инертные газы (аргон, гелий) [37-39, 44, 66, 72, 73, 83, 118, 120].

Широкое распространение получили следующие принципиальные схе мы газодинамических систем для распыления жидкостей (рис. 3.1). Каждая из представленных схем имеет свои особенности. Рассмотрим систему с ре циркуляцией жидкости (рис. 3.1, а). Такая схема применяется там, где необ ходимо компенсировать разницу между вязкостью жидкости, поступающей на распыление и находящейся в расходном баке 1. Подачу жидкости из рас ходного бака осуществляют с помощью насоса 2 и далее через дроссель (регулятор расхода) к распылителю 7 [146, 152, 159, 162, 166, 175].

При работе с маловязкими жидкостями, которые имеют тенденцию просачиваться или поступать нерегулярно в распылитель 7, рекомендуют применять систему с балансированием давления (рис. 3.1,б). В схеме для достижения устойчивости подачи жидкости в трубопроводе от насоса 2 до распылителя 7 установлено переменное ограничительное устройство, например, дроссель с регулятором давления 11. Таким образом, можно обеспечивать регулирование давления жидкости [188, 197, 203-205, 265, а б 8 4 3 1 9 2 8 3 9 7 М М 8 10 сброс в сброс в 8 атмосферу атмосферу 6 9 9 3 5 Рис. 3.1. Принципиальные схемы систем для распыления жидкостей: а – с рециркуляцией жидкости;

б – с балансированием дав ления;

в – вытеснительная система подачи жидкости;

г – подача жидкости самотеком;

1 – расходный бак;

2 – насос;

3 – клапан (вентиль);

4 – дроссель (регулятор расхода);

5 – редукционный клапан (регулятор давления);

6 – баллон с сжатым газом;

7 – рас пылитель;

8 – манометр;

9 – вентиль манометра;

10 – предохранительный клапан;

11 – дроссель с регулятором давления в г 1 8 4 9 3 сброс в 8 атмосферу 7 9 9 8 10 8 сброс в сброс в атмосферу атмосферу 6 9 9 3 5 Газ Жидкость Рис. 3.1 (окончание) В вытеснительной системе подачи жидкости (рис. 3.1, в) газ, посту пающий из баллона 6, подают в распылитель 7 и в расходный бак 1. В расходном баке 1 создается избыточное давление, под действием которо го жидкость движется к распылителю 7.

Наиболее проста система, в которой жидкость подают из расходного бака 1 к распылителю 7 самотеком, под действием собственного веса (рис. 3.1, г).

Распылители соединяют шлангами со вспомогательным оборудовани ем, которое обеспечивает подачу жидкости и газа. Питание распылителя газом может быть централизованным (от общей заводской сети) или от ин дивидуального компрессора (при единичных работах). На распыление жидкость может поступать из верхнего резервуара (рис. 3.2, а), или из ниж него резервуара (рис. 3.2, б), при больших расходах жидкость подают под давлением по магистрали из системы централизованной подачи (рис. 3.2, в).

Рис. 3.2. Распылители с различным подводом жидкости: а – из верхнего резервуара;

б – из нижнего резервуара;

в – из магистрали под давлением;

1 – узел распыления;

2 – резервуар В зависимости от конструктивных особенностей корпуса, размеров сопел для подачи газа распылители могут быть высокого (давление газа более 6·105 Па), среднего (2·105...6·105 Па) и низкого (не превышает 2·105 Па) давления. Для получения сверхзвукового режима истечения газа применяются распылители высокого давления, распылители среднего и низкого давления применяют при дозвуковом режиме истечения газа.

Используемые при формировании смесей газодинамические системы для распыления жидкостей могут выполнять операции дозирования ком понентов смеси, их диспергирование, перемешивание и гомогенизацию в газовом потоке. То есть такая технологическая система представляет со бой газодинамическую операционную систему (ГОС), состоящую из двух подсистем:

– подсистема подготовки и подачи газа в факел распыления;

– подсистема подготовки и подачи компонентов смеси в факел рас пыления.

Состав элементов ГОС и их взаимодействие определяется конкрет ным технологическим процессом, в котором ее применяют, а также свой ствами материалов, подвергаемых диспергированию. Основным элемен том ГОС является узел распыления, который в основном и определяет выходные технологические параметры: дисперсность капель, конфигура цию зоны напыления (орошения), интенсивность напыления (орошения), угол факела распыления, дальнобойность факела распыления.

В литературе предложено достаточно большое число конструктивно технологических решений узлов распыления, в том числе с использова нием сверхзвукового газового потока. Однако, представленные в этих работах узлы распыления малопригодны для диспергирования жидкостей высокой вязкости. Для получения высокодисперсных капель необходимо кроме рациональной организации взаимодействия потоков жидкости и газа введение в конструкцию узла распыления элемента, интенсифици рующего процесс дробления.

Ниже предложена классификация способов СГМР. Способы СГМР можно разбить на две группы по месту взаимодействия потоков газа и жидкости (рис. 3.3): с внутренним взаимодействием, то есть потоки газа и жидкости встречаются внутри узла распыления (рис. 3.3, а);

с внешним взаимодействием, то есть потоки газа и жидкости встречаются за предела ми узла распыления (рис. 3.3, б).

Ж Ж а) б) Г Г Рис. 3.3. Узлы распыления: а – с внутренним взаимодействием потоков;

б – с внешним взаимодействием потоков;

Ж – жидкость;

Г – газ В каждой из этих групп выделим подгруппы, имеющие схожие кон структивно-технологические решения (общие признаки). Рассмотрим эти общие признаки.

1. По химическому взаимодействию газа с жидкостью.

1.1. Химическое взаимодействие наблюдается.

1.2. Химическое взаимодействие отсутствует.

2. По положению узла распыления в пространстве.

2.1. Горизонтальное.

2.2. Вертикальное.

2.3. Промежуточное – под углом к горизонту.

3. По направлению движения потоков газа и жидкости относитель но друг друга (рис. 3.4).

3.1. Попутная схема – направление движения потоков газа и жидко сти совпадают (рис. 3.4, а). Угол в точке встречи струй 090.

а) б) Ж Ж Г Г Г Г в) г) Ж Ж Г Г Г Г Г Г Г Рис. 3.4. Схемы взаимодействия газового и жидкостного потоков: а – попут ная схема;

б – боковая схема;

в – встречная схема;

г – комбинированная схема;

– угол в точке встречи струй;

Г – газ;

Ж – жидкость 3.2. Боковая (перпендикулярная) схема – поток газа движется пер пендикулярно потоку жидкости (рис. 3.4,б). Угол в точке встречи струй = 90.

3.3. Встречная схема – газовый поток движется навстречу потоку жидкости (рис. 3.4, в). Угол в точке встречи струй 90.

3.4. Комбинированная схема – сочетание схем, рассмотренных выше, например, попутной и встречной (рис. 3.4, г).

4. По обтеканию потока жидкости газовым потоком (рис. 3.5).

4.1. Осесимметричное обтекание (рис. 3.5, а).

4.2. Асимметричное обтекание (рис. 3.5, б).

Ж Ж а) б) Г Г Г Г Рис. 3.5. Схемы обтекания потока жидкости потоком газа: а – осесимметричное обтекание (=);

б – асимметричное обтекание ();



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

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.