СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В АППАРАТЕ
METHOD OF DETERMINING LIQUID FLOW STRUCTURE IN APPARATUS

Предлагаемое техническое решение относится к способам исследования процессов гидродинамики жидких гомогенных и гетерогенных сред и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод.
Известен способ определения структуры потока в проточном аппарате (аппарате непрерывного действия). Способ заключается в подаче во входящий поток какой-либо примеси (индикатора или метки), которая ни с чем не реагирует - это может быть раствор красителя, кислоты или соли, и определении изменения концентрации индикатора на выходе из аппарата как функции времени. (А.Ю.Закгейм. Введение в моделирование химико-технологических процессов. - М.: Химия, 1973, с.44).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность физического и математического моделирования гидродинамического процесса и расчета его параметров только по одной функции концентрации индикатора от времени, получаемой на выходе из аппарата.
Известен способ определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, заключающийся в том, что в аппарат подают индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата зависимость концентрации частиц индикатора от времени, при этом регистрация этой зависимости осуществляется одновременно с дополнительной регистрацией зависимости концентрации индикатора вблизи мешалки и по этим концентрационным зависимостям и функциям распределения частиц потока по времени судят о структуре потока жидкости (Патент 2232383 РФ, G01N 27/06, 15/00, 2004 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность физического и математического моделирования гидромеханического процесса и расчета его параметров аппаратами с мешалками и двумя концентрационными зависимостями одного и того же индикатора от времени, снятыми вблизи мешалки и на выходе из аппарата, что снижает точность исследования структуры потока жидкости.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является способ определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, заключающийся в подаче в аппарат индикатора, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени, при этом дополнительно регистрируют концентрацию индикатора и по этой концентрации и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости, причем дополнительную регистрацию индикатора осуществляют на выходе из аппарата, а в качестве индикатора, служащего для дополнительной регистрации концентрации на выходе из аппарата, используют вещество, вступающее в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости. По зависимости этой дополнительной концентрации и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости, смешиваемой на уровне молекул и глобул (микро- и макроуровнях смешения). (Патент 2281484 РФ, G01N 27/06, 2006 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность выбора дополнительного индикатора, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов жидкости, и в связи с этим ограниченность применения известного способа, связанная с наличием такого реагирующего компонента в жидкости. В отсутствие такого реагирующего компонента в жидкости, вступающего в быструю химическую реакцию с дополнительным индикатором, его необходимо подобрать и хорошо предварительно перемешать в основной жидкости, а это усложняет процесс измерения структуры потока, искажает структуру потока основной жидкости и ограничивает возможности исследования структуры потока.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение возможностей физического и математического моделирования структуры потока за счет использования дополнительного индикатора для определения структуры потока в различных аппаратах и реакторах.
Техническим результатом предлагаемого способа определения структуры потока жидкости в аппарате является повышение точности физического и математического моделирования гидромеханического процесса в различных аппаратах и реакторах непрерывного действия за счет использования дополнительного индикатора, имеющего диффузию молекул, отличающуюся от диффузии молекул первого индикатора.
Сущность предлагаемого способа определения структуры потока жидкости в аппарате заключается в том, что в аппарат подают основной индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени и осуществляют дополнительную регистрацию концентрации индикатора на выходе из аппарата после регистрации функции распределения частиц потока во времени путем ввода дополнительного индикатора, при этом в качестве дополнительного индикатора используют вещество, коэффициент диффузии которого в потоке жидкости отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, и по зависимости концентрации дополнительного индикатора от времени и функции распределения частиц в потоке во времени определяют дисперсии и числа Пекле, характеризующие структуру потока жидкости.
Использование в качестве дополнительного индикатора вещества, коэффициент диффузии которого в потоке отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, позволяет получить две разные функции распределения частиц во времени, зависящие от коэффициентов диффузии основного и дополнительного индикаторов в потоке жидкости, и рассчитать влияние коэффициентов диффузии на параметры структуры потоков: дисперсию и число Пекле диффузионной модели, так как в реакторах в реакцию обычно вступают молекулы исходных веществ, коэффициенты диффузии которых в потоке жидкости значительно отличаются друг от друга. Например, это реакции полимеризации, когда к фрагменту полимерной цепочки с малым коэффициентом диффузии последовательно присоединяются молекулы мономера с большим коэффициентом диффузии.
В качестве основного и дополнительного индикаторов могут быть использованы органические и неорганические вещества, красители, магнитные частицы и радиоактивные изотопы.
Таким образом, дополнительная функция распределения структуры потока во времени, полученная путем регистрации концентрации дополнительного индикатора на выходе из аппарата, имеющего коэффициент диффузии в потоке, отличный от коэффициента диффузии основного индикатора, позволяет получить дополнительную информацию о влиянии диффузии молекул потока на его структуру, в частности на дисперсию и число Пекле, а значит более точно учитывать влияние коэффициентов диффузии реагирующих молекул в потоке жидкости на степень конверсии, профили температур и концентраций исходных веществ и продуктов реакции.
Пример 1
Объем проточного аппарата V=5 л, расход воды q=10 мл/с, то есть среднее время пребывания частиц в потоке жидкости τ=V/q=500 с.
Диаметр аппарата D=0,16 м, диаметр лопастей пропеллерной мешалки d=0,032 м, число оборотов n=60 об/мин.
Для регистрации функции распределения частиц потока во времени и дополнительной регистрации концентрации индикатора в выходном патрубке аппарата установлены с зазором 8 мм два электрода кондуктометрической ячейки, соединенные с мостом сопротивления и потенциометром КСП-3, представляющим собой записывающее устройство.
+
-10
2
1
Сначала на вход аппарата импульсно подают 10 мл водного раствора КСl основного индикатора с концентрацией 7 г/л, электропроводность которого отличается от электропроводности потока воды, и с помощью потенциометра КСП-3 регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени в размерных координатах (фиг.1, кривая 1). Коэффициент диффузии катионов К в воде D=19,6·10 м/с [А.Х.Воробьев. Диффузионные задачи в химической кинетике. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003, с.92].
2
2
1
+2
-10
2
Для дополнительной регистрации концентрации индикатора в качестве дополнительного индикатора выбирают водный раствор ВаСl с коэффициентом диффузии катионов Ва D=7,92·10 м/c [А.Х.Воробьев. Диффузионные задачи в химической кинетике. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003, с.92], то есть отличающимся от коэффициента диффузии Dосновного индикатора - водного раствора КСl. Концентрация и объем дополнительного индикатора, импульсно подаваемого на вход аппарата, выбраны такими же, как для основного индикатора. С помощью потенциометра КСП-3 регистрируют на выходе из аппарата дополнительную зависимость этой концентрации от времени (фиг.1, кривая 2).
Для получения функций распределения частиц в потоке жидкости во времени проводят нормировку полученных размерных зависимостей.
Для этого по известным из аналогов и прототипа расчетным формулам обработки зависимостей концентрации индикатора от времени определяют средние времена пребывания частиц потока жидкости для каждой кривой фиг.1
средние концентрации каждого индикатора
и дисперсию концентрационных кривых
Затем проводят нормировку каждой кривой с получением безразмерных графиков функций распределения частиц потока (фиг.2) по расчетным формулам
+
-10
2
+2
-10
2
1
2
2
где кривые 1 и 2 - соответственно графики распределения частиц всего потока для основного индикатора - водного раствора КСl с коэффициентом диффузии катионов К D=19,6·10 м/с и для дополнительного индикатора - водного раствора BaCl с коэффициентом диффузии катионов Ва D=7,92·10 м/с, при этом площади под кривыми 1 и 2 фиг.2 должны быть одинаковыми и равны 1.
Как видно из графиков фиг.2, основному и дополнительному индикаторам, имеющим разные коэффициенты диффузии, соответствуют разные функции распределения частиц по времени пребывания и соответственно разные дисперсии  и , рассчитанные по уравнению (3). Разным значениям дисперсии  и  соответствуют разные расчетные критерии Пекле, являющиеся основными параметрами диффузионной модели для расчета химических реакторов и характеризующие в них структуру потоков реакционной массы
1
2
2
Так для  значение Pe=3,4, а для  Ре=7,17. Таким образом, определение структуры потока только по одной регистрации концентрации основного индикатора на выходе из аппарата без учета коэффициента диффузии дополнительного индикатора, служащего для дополнительной регистрации концентрации на выходе из аппарата, может приводить к значительным ошибкам: в определении дисперсии σ эта ошибка может достигать 75%, а в определении критерия Пекле - более 100%.
Пример 2
Опыты проводились в том же аппарате, при тех же расходах воды и тех же индикаторах - основном и дополнительном, но при числе оборотов мешалки, в 3 раза большем, то есть при n=180 об/мин.
1
2
1
2
Несмотря на разные коэффициенты диффузии индикаторов D и D, зарегистрированные с помощью потенциометра КСП-3, зависимости концентраций индикаторов от времени как для основного индикатора, так и дополнительного практически совпадают (кривые 1 и 2 на фиг.3). То же касается и функций распределения частиц потока жидкости во времени, рассчитанных после нормировки кривых 1 и 2 фиг.3 по формулам (1-4). Это видно из кривых 1 и 2 на фиг.4, соответствующих функциям распределения частиц потока жидкости во времени для основного и дополнительного индикаторов. Соответственно практически совпадают дисперсии полученных функций  и  и критерии Пекле Pe=1,87 и Рe=1,88.
Таким образом, при числе оборотов мешалки n=180 об/мин структура потока не зависит от коэффициентов диффузии перемешиваемых веществ и рассчитанные параметры дисперсии и критерии Пекле могут быть взяты за основу при расчетах гидромеханических, тепломассообменных и реакторных процессов.
Предлагаемый способ определения структуры потока жидкости в аппарате позволяет применять его не только для аппаратов с мешалками, но и в аппаратах трубчатых, колонных, шнековых, тарельчатых, насадочных и других, где нет специальных устройств для перемешивания жидкости.
Пример 3
ν
Объем трубки трубчатого реактора в лабораторной установке V=3,6 л, расход воды q=20 мл/с, то есть среднее время пребывания частиц потока жидкости τ=V/q=180 с.
Диаметр трубки D=0,006 м; высота воды в трубке h=1 м.
Регистрация функций распределения частиц потока во времени и дополнительная регистрация концентрации индикатора на выходе из аппарата проводились так же, как и в примерах 1 и 2. То же касается прибора для регистрации концентрации основного и дополнительного индикаторов в выходном патрубке, имеющих разные коэффициенты диффузии катионов в воде.
2
1
2
2
+
-10
2
+2
-10
2
На фиг.5 приведены функции распределения частиц потока во времени в размерных координатах для основного индикатора - водного раствора КСl (кривая 1) и дополнительная зависимость концентрации индикатора от времени для дополнительного индикатора - раствора BaCl (кривая 2). На фиг.6 приведены результаты нормировки кривых 1 и 2 фиг.5, рассчитанные по формулам (1-4), где кривые 1 и 2 являются соответственно графиками распределения частиц всего потока для основного индикатора - водного раствора КСl с коэффициентом диффузии катионов K D=19,6·10 м/с и для дополнительного индикатора - водного раствора BaCl с коэффициентами диффузии катионов Ва D=7,92·10 м/с.
1
2
Как видно из графиков фиг.6, основному и дополнительному индикаторам, имеющим разные коэффициенты диффузии, соответствуют разные функции распределения частиц по времени пребывания и соответственно разные дисперсии  и . Разным значениям дисперсии  и  соответствуют и разные рассчитанные по уравнению (5) критерии Пекле Pe=27 и Pe=51,1.
Таким образом, предлагаемый способ определения структуры потока жидкости, когда в качестве дополнительного индикатора, служащего для регистрации концентрации на выходе из аппарата, используют вещество, коэффициент диффузии которого в потоке жидкости отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, позволяет по этой дополнительной зависимости концентрации индикатора от времени судить о влиянии диффузии молекул на их структуру потока, их распределение по времени пребывания, а значит повышает точность физического и математического моделирования, упрощает выбор индикатора для дополнительной регистрации концентрации на выходе из аппарата и расширяет возможности применения предлагаемого способа на все типы аппаратов, а не только аппаратов с мешалками.