Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

АППАРАТ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ В СИСТЕМАХ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ И ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ - Патент РФ 2186614
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
АППАРАТ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ В СИСТЕМАХ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ И ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ
АППАРАТ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ В СИСТЕМАХ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ И ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ

АППАРАТ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ В СИСТЕМАХ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ И ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение может быть использовано для проведения процессов диспергирования газа в жидкости, одной жидкости в другой (эмульгирования) с сопутствующими тепло- и массообменными процессами - газожидкостных реакций, абсорбции, охлаждения газов, экстракции, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Аппарат содержит корпус, одну или несколько труб контактирования фаз и технологические патрубки. Трубы контактирования фаз выполнены в виде последовательно соединенных конфузорно-диффузорных элементов типа трубы Вентури, угол раскрытия конфузорной части 10-40o, диффузорной 4-20o. Трубы могут быть выполнены путем пластического деформирования цилиндрических труб. Способ взаимодействия в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость заключается в подаче сплошной и диспергируемой фаз с конфузорных концов труб контактирования фаз. Объемный расход гетерогенной среды, подаваемой через каждую из труб, связан с объемом каждого конфузорно-диффузорного элемента труб контактирования фаз определенным соотношением. Технический результат состоит в повышении эффективности аппарата. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2186614
Класс(ы) патента: B01F5/00
Номер заявки: 2000123334/12
Дата подачи заявки: 07.09.2000
Дата публикации: 10.08.2002
Заявитель(и): Абиев Руфат Шовкет оглы
Автор(ы): Абиев Руфат Шовкет оглы
Патентообладатель(и): Абиев Руфат Шовкет оглы
Описание изобретения: Предлагаемое изобретение может быть использовано для проведения процессов диспергирования газа в жидкости, одной жидкости в другой (эмульгирования) с сопутствующими тепло- и массообменными процессами - газожидкостных реакций, абсорбции, охлаждения газов, экстракции, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен аппарат для осуществления взаимодействия в системе газ-жидкость (МПК 4 В 01 J 10/00. А.с. СССР 1745329), содержащий трубки, в нижних концах которых по их оси установлены специальные вставки, каждая из которых представляет собой тело вращения, состоящее из двух конусов с противоположно направленными вершинами и равными основаниями, соединенными цилиндрическим участком, площадь которого составляет 0,9-0,95 площади барботажной трубы, углы при вершинах нижнего и верхнего конусов составляют соответственно 40-60o и 10-20o, причем цилиндрическая часть вставок расположена на 1-1,5 диаметра барботажной трубы выше отверстий в барботажной трубе, предназначенных для подачи газа. В известном аппарате обеспечивается существенное дробление дисперсной фазы в узком кольцевом зазоре между вставкой и барботажной трубой, однако пузыри, поднимаясь выше вставки, осциллируют и за счет сил гидродинамического взаимодействия и турбулентных пульсаций быстро коалесцируют, вследствие чего резко снижается межфазная поверхность, и тепло- и массообменные процессы значительно замедляются. Кроме того, для достижения равномерного диспергирования вставка должна быть установлена соосно барботажной трубе с высокой точностью, что на практике трудно достижимо.
Известен аппарат для осуществления взаимодействия двух фаз, в котором размещена труба контактирования фаз в виде конфузорно-диффузорного устройства типа трубы Вентури (патент ЕР 0477846, кл. В 01 F 5/04, 01.04.92), угол раскрытия конфузорной части которого составляет 10-40o, а диффузорной - 4-20o. Известное устройство предназначено для улучшения диспергирования газа в жидкости, причем в трубе Вентури установлена коническая вставка, позволяющая регулировать проходное кольцевое сечение в горловине трубы Вентури. Скорость в горловине трубы Вентури развивается такой, что при данном газосодержании она превышает скорость звука в газожидкостной среде. В газожидкостной среде возникает ударная волна, которая приводит к улучшению диспергирования пузырьков газа в жидкости, что, в свою очередь, ведет к увеличению межфазной поверхности, улучшению массопереноса, ускорению реакций, протекающих в диффузионном режиме. В известном решении отмечается и возможность обработки систем жидкость-жидкость, однако она ограничена процессами испарения следов одной жидкости в диспергируемый газ, поскольку без введения газа в жидкость (или эмульсию) аппарат попросту не будет работать, т.к. скорость звука в жидкостях (и эмульсиях) чрезвычайно высока, и имеет порядок 103 м/с. Таким образом, ввод газа в известном решении продиктован реализуемым в нем принципом генерирования ударных волн. В процессах, где наличие газа не обязательно, это приведет к необходимости ввода в технологическую цепочку дополнительного нагнетателя газа, что обусловит рост капитальных и текущих затрат. Кроме того, существует ряд процессов, в которых присутствие газа нежелательно, например, в силу опасности окисления жидких сред и даже их взрыва. В такие жидкости придется вводить дорогостоящие инертные газы, что также повлечет за собой удорожание процесса.
В известном решении предполагается, что скорость звука в газожидкостной среде достаточно мала. Известно (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Л.: Наука, 1973. - С. 123), что скорость звука с, м/с в газожидкостной смеси связана с газосодержанием ϕ приближенным соотношением

где p - давление в жидкости, Па,
ρ1 - плотность жидкости, кг/м3,
и при ϕ = 0,5 имеет минимум, равный при атмосферном давлении в среде вода-воздух примерно 20 м/с. Такие низкие значения сохраняются в диапазоне газосодержаний ϕ = 0,4-0,6, а, например, при ϕ = 0,05 и ϕ = 0,95 уже достигают значений около 45 м/с. Потери давления в устройстве при турбулентном режиме течения пропорциональны квадрату скорости, и при снижении газосодержания, например, до 0,05 для создания ударной волны потребуется такой расход жидкости, при котором потери давления существенно возрастут (в (45/20)2= 5,06 раз), энергозатраты возрастут пропорционально кубу скорости, т. е. более чем в 10, а именно в (45/20)3=11,4 раз. Таким образом, известное устройство имеет определенный экономически целесообразный диапазон работы газосодержания, примерно равный ϕ = 0,4-0,6.
В известном решении предполагается, что за счет введения внутренней конической вставки увеличивается доля потока, проходящего через зону ударной волны, что происходит благодаря выравниванию профиля скорости в горловине. В действительности на поверхности стенок, как самой горловины, так и конической вставки, в силу условия прилипания скорость жидкости равна нулю, т.е. вблизи обеих поверхностей существует вязкий слой, в котором скорость все равно будет меньше скорости звука. Таким образом, если даже доля потока, подвергаемая воздействию ударной волной, и увеличится, все же немалая часть его не пройдет сквозь зону сверхзвуковой скорости, и не испытает указанного воздействия, и далее будет выведена из аппарата.
Известен аппарат для осуществления взаимодействия двух фаз, а именно для разделения пластовых флюидов на компоненты - нефть, газ, воду, содержащий конфузор с углом раскрытия 20-70o и диффузор с углом раскрытия 2-20o (пат. RU 2149260, кл. Е 21 В 43/34, 20.05.2000). В основу принципа действия известного решения в той части, которая связана с сужением и расширением потока, положены: а) высокая турбулизация потока в удлиненной горловине, что обеспечивает полное разрушение исходной эмульсии и удаление бронирующих оболочек; б) углы конусности расширяющейся и сужающейся частей выбраны в указанном диапазоне для разрушения смеси, состоящей из нефти и воды, причем угол конусности сужающейся части определяется условиями минимальных потерь давления, а расширяющейся - условиями увеличения вероятности столкновения тонкодисперсных капелек воды и предупреждения вторичного передиспергирования укрупнившихся капель. Использование известного устройства для процессов тонкого диспергирования газа в жидкости или одной жидкости в другой не представляется возможным, поскольку известный аппарат предназначен для предотвращения эмульгирования, т. е. для "деэмульсирования". Это не позволяет использовать известное устройство сколько-нибудь эффективно в процессах взаимодействия фаз газ-жидкость и жидкость-жидкость, где требуется высокая удельная поверхность межфазного взаимодействия, а также достаточное время пребывания фаз в аппарате.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение эффективности аппарата за счет тонкого диспергирования капель и пузырей и интенсификации внутреннего перемешивания в дисперсных включениях, в том числе благодаря их резонансным колебаниям, упрощение конструкции барботажных труб.
Нужный результат достигается тем, что в аппарате для осуществления взаимодействия в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость, содержащем 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, а угол раскрытия конфузорной части лежит в пределах от 10 до 40o, диффузорной - в пределах от 4 до 20o, трубы контактирования фаз выполнены путем пластического деформирования цилиндрических труб, при этом закон изменения площади их поперечного сечения вдоль оси потока соответствует таковому в конфузорно-диффузорных элементах типа трубы Вентури.
Нужный результат достигается также тем, что способ эксплуатации аппарата для осуществления взаимодействия в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость заключается в подаче сплошной и диспергируемой фаз с конфузорных концов труб контактирования фаз, причем объемный расход Q гетерогенной среды, подаваемой через каждую из труб, связан с объемом V каждого конфузорно-диффузорного элемента труб контактирования фаз соотношением

где π = 3,1415...;
n - номер моды колебаний капли (пузыря); для пузыря n=0,1,2,...; для капли n=2,3,4,...;
σ - межфазное натяжение, Н/м;
ρ1 - плотность сплошной среды, кг/м3;
ρ2 - плотность жидкости в капле (пузыре), кг/м3;
d - диаметр капли (пузыря), м.
Нулевая мода (n=0) соответствует радиальным колебаниям расширения-сжатия капли (пузыря) и для несжимаемой жидкости невозможна, первая мода (n=1) соответствует поступательным колебаниям капли (пузыря) как целого, и может осуществляться в периодически сужающемся и расширяющемся потоке благодаря разности плотностей фаз.
Формула (1) вытекает из анализа следующих двух аспектов работы предлагаемого аппарата. При подаче гетерогенной системы с расходом Q заполнение одного элемента объемом V произойдет за время
T=V/Q, (2)
т. е. в единицу времени поток будет проходить через конфузорно-диффузорные элементы с частотой
f=1/T=Q/V. (3)
Эта и есть та частота пульсаций давления, которую будут испытывать дисперсные включения (капли, пузыри), двигаясь вместе со сплошной средой через трубу контактирования фаз. При прохождении через ее узкие участки поток ускоряется (в узком сечении скорость максимальна), а давление, согласно известному уравнению Бернулли, - падает. При прохождении участка расширения скорость потока уменьшается, а давление - увеличивается. Такие переменные пульсации давления будет испытывать гетерогенная среда, двигаясь последовательно через конфузорно-диффузорные элементы.
При совпадении частоты этих пульсаций с частотой одной из мод собственных колебаний капли (пузыря), определяемой согласно формуле Рэлея (Coy С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - С.137)

происходят резонансные колебания капли (пузыря), сопровождающиеся наиболее мощным деформированием его поверхности, интенсивным внутренним перемешиванием и дроблением. Все это способствует улучшению гидродинамической обстановки как внутри капли, так и вблизи ее поверхности, а значит, приводит к интенсификации внутреннего и внешнего процессов массообмена. Приравнивание правых частей выражений (3) и (4) приводит к уравнению (1).
На фиг.1-3 показаны варианты исполнения предлагаемого аппарата: на фиг.1 - типа "труба в трубе", на фиг.2 - одноходовой кожухотрубный, на фиг.3 - двухходовой кожухотрубный. Все три варианта содержат трубы 1 контактирования фаз, состоящие из горловин 2, диффузоров 3, конфузоров 4. Штуцер 5 предназначен для ввода сплошной среды, патрубок 6 - для ввода дисперсной среды, штуцер 7 - для вывода эмульсии (газожидкостной смеси).
В аппарате, представленном на фиг.1, для отвода или подвода теплоты к аппарату служит рубашка 8, снабженная штуцерами 9 для ввода и вывода теплоносителя. Здесь же показаны фрагменты дробления дисперсных включений.
В одноходовом кожухотрубном аппарате, представленном на фиг.2, конфузорно-диффузорные элементы имеют одинаковое направление (на схеме условно показана одна труба). Трубы заключены в кожух 10, снабженный штуцерами 9 для ввода и вывода теплоносителя. Нижние и верхние части труб закреплены в трубных решетках 11 и 12 соответственно. Трубки 13 для подачи дисперсной фазы в горловины 2 в нижней части труб контактирования фаз нижней своей частью закреплены в трубной решетке 14, под которой находится камера 15 для распределения дисперсной фазы. Между трубными решетками 11 и 14 размещена камера 16 для распределения по трубам контактирования фаз сплошной фазы. Камера 17 в верхней части аппарата служит для слияния потоков эмульсии (газожидкостной системы), выходящих из труб контактирования фаз, для дальнейшего их вывода из аппарата через штуцер 7.
В двухходовом кожухотрубном аппарате, представленном на фиг.3, половина труб контактирования фаз направлена снизу вверх, вторая половина имеет противоположное направление (показано большими стрелками). Обозначения - те же, что и для аппарата по фиг.2. В камере 18 происходит разворот потока, для разделения камер 15 и 16 служит перегородка 19. Трубки 20 предназначены для подсоса сепарирующейся при развороте потока в камере 18 дисперсной фазы в горловины труб контактирования фаз, в которых поток движется вниз.
На фиг. 4 представлена схема пластически деформированной цилиндрической трубы контактирования фаз, позволяющая получить переменное сечение труб 1 контактирования фаз с заданным законом изменения площади поперечного сечения. Горловина 2, диффузор 3, конфузор 4 образуются путем сжатия цилиндрической трубы (контур исходной трубы показан штриховой линией) между рабочими поверхностями формующего инструмента (показан пунктирной линией), помещенного под пресс (усилие пресса показано жирной стрелкой). За одну операцию возможно формование одного или нескольких участков трубы, в зависимости от размеров формующего инструмента и мощности пресса. В сечении, показанном на разрезе Б-Б, происходит основное изменение формы продольного сечения трубы, тогда как в разрезе А-А показаны боковые деформации трубы. Аналогичным образом могут также изготавливаться трубы контактирования фаз из термопластов - путем прессования в нагретом до температуры размягчения состоянии. Такой способ изготовления труб контактирования фаз не требует проведения токарных работ с дальнейшим прецизионным закреплением вставок внутри труб, как это сделано в известных устройствах.
На фиг.5 показана схема одного конфузорно-диффузорного элемента. Объем V конфузорно-диффузорного элемента определяется как объем внутренней полости одного элемента, отсекаемой поперечными сечениями 0 и 4, или как сумма объемов усеченных конусов длиной L1 и L3, а также цилиндров (горловин) длиной L2 и L4 (см. фиг. 5). В случае пластического деформирования трубы, объем элемента V равен объему между двумя поперечными сечениями, проведенными в одноименных точках профиля (например, в самом узком месте двух горловин соседних элементов типа трубы Вентури); определение объема V можно выполнить опытным путем, например, измеряя объем вмещающейся в готовую трубу жидкости, и относя его к числу одинаковых конфузорно-диффузорных элементов.
Аппараты работают следующим образом. В штуцеры 5 подается сплошная фаза; под действием разрежения, возникающего в горловине 2, через патрубки 6 подсасывается дисперсная фаза (она может также дополнительно нагнетаться: жидкость - насосом, газ - газодувкой). Попав в горловину 2 трубы 1 контактирования фаз, дисперсные включения (капли, пузыри) под действием значительных касательных напряжений, обусловленных высокими поперечными градиентами скоростей, сильно деформируются, вытягиваясь вдоль потока (поз. а на фиг.1). Далее дисперсные включения сносятся потоком в диффузорную часть 3, где происходит его торможение с сопутствующим отрывом мелких капелек (пузырьков) от конца дисперсного включения, приводящее к тонкому диспергированию (поз. б). В зоне стыка диффузора 3 и конфузора 4 скорость потока минимальна, и там капля (пузырек) тормозится наиболее существенно, утолщаясь в поперечнике (поз. в); мелкие капельки (пузырьки) могут дополнительно отделяться от боковых частей крупных капель (пузырей). Далее, попав в следующую горловину 2, дисперсные включения вновь сильно растягиваются; цикл их растяжения, отрыва мелких капелек (пузырьков) и последующего торможения повторяется.
В конце своего продвижения вдоль аппарата гетерогенный поток выводится через патрубки 7, откуда поступает на сепарацию или в иные технологические аппараты.
В аппаратах, показанных на фиг.2-3, деформирование дисперсных включений и диспергирование происходит аналогично.
В аппарате, показанном на фиг.2, дисперсная фаза через штуцер 6 подается в камеру 15, далее распределяется по трубкам 13; сплошная фаза через штуцер 5 подается в камеру 16, затем распределяется по трубам контактирования фаз. Вышедший из труб контактирования фаз гетерогенный поток попадает в камеру 17, из которой выводится через патрубок 7.
В аппарате, показанном на фиг.3, гетерогенный поток разворачивается в камере 18 и далее движется вниз. При развороте потока возможно сепарирование фаз, выражающееся во всплытии легкой фазы. Для ее последующего подсоса в трубы контактирования фаз служат трубки 20, нижним своим концом соединенные с горловинами 2 труб контактирования фаз.
Для поддержания температурного режима процесса через штуцеры 9 вводится (выводится) теплоноситель.
Благодаря периодическому сильному деформированию дисперсных частиц существенно ускоряется процесс перемешивания как внутри них, так и вблизи их поверхности, служащей границей раздела между сплошной и дисперсной фазами. Все это приводит к ускорению процессов тепло- и массообмена и повышает его эффективность.
При подаче гетерогенной среды с суммарным объемным расходом, определяемым согласно формуле (1), дополнительным фактором, интенсифицирующим как внутреннее перемешивание, так и массо- и теплообмен на границе раздела фаз, является резонансное колебание дисперсных включений. Кроме того, возбуждение резонансных колебаний дисперсных включений способствует более тонкому их диспергированию.
На фиг.6 показаны характерные теоретические распределения средних по поперечному сечению величин: скорости w, м/с (a), ускорения a, м/с2 (б) и давления р, Па (в) по длине х, м одиночного конфузорно-диффузорного элемента, показанного на фиг.5, при следующих расчетных параметрах: dг=10 мм, D=20 мм, L1= 15 мм, L2= L4=10 мм, L3=50 мм, α = 36°, β = 11,5°, Q=7,8•10-4 м3/с. На фиг.7 показано теоретическое распределение давления р, Па по длине х, м трубы с периодическим профилем, состоящей из десяти последовательно соединенных конфузорно-диффузорных элементов. Расчетные условия - те же, что и к фиг.6. Из графиков видно, что макрообъемы среды, двигаясь вдоль оси трубы, испытывают действие огромных переменных по величине ускорений, на три порядка превышающих ускорение свободного падения, а также значительные пульсации давления с частотой, определяемой соотношением (3). Весь этот комплекс динамических воздействий способствует существенному улучшению днспергирования капель (пузырей).
Из расчетного соотношения (1), представленного в п.3 формулы, расчетным является расход Q, остальные величины задаются. При этом следует, однако, отметить, что процесс диспергирования носит стохастический характер, и поэтому может с достаточной полнотой описываться статистическими методами, подобно тому, как это делается в молекулярной физике или теории турбулентности. Поэтому расчет по предлагаемой детерминированной формуле (1) предполагает оперирование некоторыми усредненными параметрами, такими как математическое ожидание размера капель или наиболее вероятный размер капель, которые при унимодальном симметричном распределении размеров (например, нормальном законе Гаусса) совпадают. Обозначим do математическое ожидание размера капель в исходном потоке, которые формируются сразу после ввода обеих фаз (сплошной и дисперсной) в аппарат. Этот размер и должен входить в формулу (1) для расчета Q.
В качестве номера моды колебаний капли (пузыря) рекомендуется принимать n= 2, поскольку моды с n<2 характеризуют движение капли, не приводящее к ее диспергированию, а моды с n>2 имеют меньшие амплитуды колебаний, чем мода n= 2. Это значение (n=2) рекомендуется использовать для расчета расхода по формуле (1). Остальные параметры, входящие в формулу (1), являются либо известными физическими свойствами сред (ρ1, ρ2, σ), либо определяются геометрией трубы Вентури (объем V). Однако, если принять, например, n=3, и рассчитать соответствующий расход Q3, то даспергирование тоже будет происходить, но уже не так интенсивно, как при n=2, что связано с меньшими амплитудами колебаний капли. Моды колебаний с n>5 можно не рассматривать как имеющие незначительные амплитуды колебаний.
Вместе с тем капли в исходном потоке, имеющие диаметр, отличный от do (а именно более крупные), также могут подвергаться резонансным колебаниям, но на более высоких модах колебаний.
Таким образом, формула (1) позволяет не только рассчитать расход гетерогенной среды, обеспечивающий резонансные колебания капель размером do с модой n= 2, но и дает возможность найти размеры капель, которые будут резонансно колебаться с более высокими модами.
В предлагаемом устройстве пузырьки (капли) подвергаются многократной обработке, проходя последовательно через ряд конфузорно-даффузорных элементов. В силу этого вероятность воздействия периодическими пульсациями давления в предлагаемом устройстве выше: те макрообъемы среды, которые проходили вблизи стенок в первом конфузорно-диффузорном элементе, в результате перемешивания могут оказаться вблизи оси трубы в момент прохождения через второй, третий элементы и т.д. Доля эффективно обрабатываемого объема среды (газожидкостной смеси или эмульсии) численно равна вероятности эффективного воздействия. Пусть, например, доля эффективно обрабатываемого объема потока в известном устройстве и в одном конфузорно-диффузорном элементе предлагаемого устройства равна р=0,6, а доля неэффективно обрабатываемого объема q=0,4 (q по сути является вероятностью "отказа"). Пусть число последовательно установленных элементов в предлагаемом устройстве m. В силу вышеизложенного механизма обработки макрообъема среды предлагаемое устройство можно рассмотреть как систему с постоянным резервированием глубиной m (Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В. З. Надежность машин. - M.: Высш. школа, 1988. - С. 67-68): при "отказе" одного элемента поток попадает в другой ("включается" резервный элемент). Согласно теореме умножения вероятностей общая вероятность неэффективной обработки среды в предлагаемом изобретении
qобщ=qm,
и при m= 5 равна примерно qобщ=10-2, а при m=10 составляет всего qобщ= 10-4. Таким образом, доля эффективно обработанной среды в предлагаемом аппарате при m= 5 составит робщ=1-qобщ=1-10-2=0,99, а при m =10 найдем робщ= 1-10-4=0,9999, что гораздо выше, чем в известных устройствах, содержащих один конфузорно-диффузорный элемент (р=0,6).
Пример конкретного выполнения 1. Рассмотрим процесс диспергирования капель на примере системы провитаминный концентрат - 90% водный раствор этанола при температуре 60oС (свойства сред: ρ1 = 784 кг/м3, ρ2 = 920 кг/м3, μ1 = 0,69•10-3 Па•c, μ2 = 1,5 Па•c, σ = 2•10-4 Н/м).
Из предварительных опытов известно, что при вводе компонентов в аппарат образуется первичная эмульсия с математическим ожиданием размера капель do= 0,763 мм. Начальная удельная поверхность частиц при этом равна So=6/do=7864 м-1. Выбираем аппарат для осуществления взаимодействия фаз в системе жидкость-жидкость по предлагаемому изобретению со следующими размерами (см. фиг.5): больший диаметр диффузора 150 мм, меньший - 100 мм, длина узкой горловины L2=0,2 м, длина широкой горловины L4=0,071 м, углы при вершинах диффузора 8o и конфузора - 35o, число последовательно установленных элементов типа трубы Вентури - десять. Выбранные углы обеспечивают малое гидравлическое сопротивление аппарата, а объем одного элемента типа трубы Вентури, рассчитываемый как сумма объемов конфузора, диффузора, узкой и широкой горловин, составляет V= 6,77•10-3 м3. Задавая номер моды n=2, соответствующий наибольшей амплитуде колебаний капель, находим по формуле (1) расход гетерогенной среды Q =0,088 м3/с.
Результаты расчетов по формуле (1) при n=2-5 для рассматриваемой системы (провитаминный концентрат в 90% водном растворе этанола) представлены в таблице 1. Таким образом, таблица 1 служит для ориентировочного определения, с какой модой n будут колебаться капли различных размеров d на тех или иных частотах f.
При движении потока с данным расходом в данном аппарате возбуждаются колебания с частотой, определяемой по формуле (3) f=Q/V=13 Гц. При такой частоте капли с размером примерно do=0,763 мм испытывают резонансные колебания с модой n= 2, дробясь на более мелкие капли, которые, в свою очередь, могут диспергироваться на еще более мелкие капли под действием больших сдвиговых напряжений, обусловленных огромными поперечными градиентами скоростей и другими механизмами. Более крупные капли в то же время могут испытывать резонансные колебания на более высоких модах. Так, капли с размерами, близкими к указанным в таблице 2, будут совершать резонансные колебания с теми или иными модами, что повлечет за собой их сильное деформирование с последующим отрывом дочерних капелек, т.е. приведет к улучшению диспергирования. Проследим поведение капель, имеющих в исходном потоке размером около 1,526 мм. Из таблицы 2 видно, что они имеют 5-ю моду колебаний на частоте 13 Гц, т.е. на частоте, с которой пульсирует давление (и другие параметры) при заданном расходе и геометрии трубы в аппарате. С очень большой вероятностью уже в первом-втором элементах типа трубы Вентури эти капли подвергнутся резонансным колебаниям, и каждая разделится на две и более (обычно неравные) новые капли. Среди этих новых капель значительная часть будет иметь размеры, близкие к 0,763 мм, 1,061 мм или 1,307 мм, т.е. при прохождении через следующие элементы типа трубы Вентури в них возникнут резонансные колебания соответственно с модами n=2,3,4. Процесс диспергирования, обусловленный резонансными колебаниями, будет продолжаться и далее как цепная реакция. Аналогичным образом будет происходить диспергирование капель, имеющих в исходном потоке размеры 1,061 мм и 1,307 мм. В результате пульсаций давления при движении потока в предлагаемом устройстве по предлагаемому способу резонансным колебаниям на тех или иных модах при заданных расчетных параметрах подвергнутся все капли с размером больше do=0,763 мм, т.е. у выходного патрубка аппарата капель с размером более 0,763 мм практически не останется, средний размер капель составит dк=0,063 мм, а удельная поверхность Sк=6/dк= 95238 м-1, т.е. увеличится более чем на порядок. Таким образом, дисперсная фаза будет обладать большой удельной поверхностью, что способствует ускорению процесса массопереноса, а значит, и эффективности аппарата. Кроме того, в процессе диспергирования будут участвовать и другие известные механизмы дробления капель - турбулентность, разного рода гидродинамические неустойчивости, сдвиговое течение и т.п. (Эмульсии. Под ред. Ф. Шермана. - Л. : Химия, 1972. - 448 с.). Однако наибольшая роль в интенсификации внутреннего перемешивания в каплях, снижающего внутридиффузионное сопротивление массопереносу, принадлежит резонансным колебаниям капель, имеющим место в предлагаемом аппарате при условиях, описанных в предлагаемом способе. Это также будет приводить к повышению эффективности аппарата.
Пример конкретного выполнения 2. Процесс, описанный в примере 1, проводится с использованием упрощенной конструкции труб контактирования фаз, изготовленных путем пластического деформирования обычных цилиндрических труб. Цилиндрическая труба с внутренним диаметром 150 мм деформирована так, что ее площадь в узком сечении, например, овальной формы, равна площади круга диаметром 100 мм. Контуры элемента пластически деформированной трубы подбираются таким образом, чтобы добиться малого гидравлического сопротивления трубы (закон изменения площади их поперечного сечения вдоль оси потока соответствует таковому в элементах типа трубы Вентури, описанных в примере 1), и чтобы объем одного элемента был равен V=6,77•10-3 м3. В этом случае при расходе гетерогенной среды Q=0,088 м3/с в такой трубе происходят все те же процессы, что и в круглой трубе, состоящей из элементов типа трубы Вентури, описанной в примере 1.
Объем пластически деформированной трубы может несколько отличаться от указанного, при этом расход гетерогенной среды должен быть пересчитан по формуле (1), и в этом случае при работе аппарата в нем будут происходить те же процессы диспергирования, сопровождающиеся резонансными колебаниями капель.
Таким образом, в рассмотренных примерах достигаются заявленные технические результаты.
Формула изобретения: 1. Аппарат для осуществления взаимодействия фаз в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость, содержащий корпус, одну или несколько труб контактирования фаз, размещенных в нем, и технологические патрубки, отличающийся тем, что трубы контактирования фаз выполнены в виде последовательно соединенных конфузорно-диффузорных элементов типа трубы Вентури, причем угол раскрытия конфузорной части лежит в пределах 10 - 40o, а диффузорной в пределах 4 - 20o.
2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что трубы контактирования фаз выполнены путем пластического деформирования цилиндрических труб, причем закон изменения площади их поперечного сечения вдоль оси потока соответствует таковому в конфузорно-диффузорных элементах типа трубы Вентури.
3. Способ осуществления взаимодействия фаз в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость, заключающийся в подаче сплошной и диспергируемой фаз с конфузорных концов труб контактирования фаз, отличающийся тем, что объемный расход Q гетерогенной среды, подаваемой через каждую из труб, связан с объемом V каждого конфузорно-диффузорного элемента труб контактирования фаз соотношением

где π = 3,1415...;
n - номер моды колебаний капли (пузыря);
σ - межфазное натяжение, Н/м;
ρ1 - плотность сплошной среды, кг/м3;
ρ2 - плотность жидкости в капле (пузыре), кг/м3;
d - диаметр капли (пузыря), м.