Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии
Экспериментально исследован процесс активации воды в кавитационном аппарате динамического типа с использованием математической модели, предложен механизм активации и определены значения потребляемой мощности, мощности на активацию и нагрев, изучены закономерности массообмена при растворении твердых...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2007 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61341 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии / Т.Н. Витенько, Я.М. Гумницкий // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 7. — С. 148-154. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859672292930355200 |
|---|---|
| author | Витенько, Т.Н. Гумницкий, Я.М. |
| author_facet | Витенько, Т.Н. Гумницкий, Я.М. |
| citation_txt | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии / Т.Н. Витенько, Я.М. Гумницкий // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 7. — С. 148-154. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Экспериментально исследован процесс активации воды в кавитационном аппарате динамического типа с использованием математической модели, предложен механизм активации и определены значения потребляемой мощности, мощности на активацию и нагрев, изучены закономерности массообмена при растворении твердых тел в условиях гидродинамической кавитации, а также ее влияние на скорость растворения и экстрагирования при предварительной обработке жидкой фазы. Проведено сравнение полученных результатов с теоретическими зависимостями.
Експериментально досліджено процес активації води у кавітаційному апараті динамічного типу з використанням математичної моделі, запропоновано механізм активації і визначені значення споживаної потужності, потужності на активацію і нагрів, вивчені закономірності масообміну при розчиненні твердих тіл в умовах гідродинамічної кавітації, а також її вплив на швидкість розчинення і екстрагування при попередній обробці рідкої фази. Проведено порівняння отриманих результатів з теоретичними залежностями.
The water activating process in the dynamic cavitation device is experimentally explored, with the use of mathematical model the mechanism of activating is offered and the values of consumable power, powers on activating and heating are certain, experimental investigations are performed to explore the mass transfer during dissolution of solids under hydrodynamic cavitation conditions and to evaluate the effect of cafvitation on the dissolution rate and extraction after pretreatment of the liquid phase. The results obtained are compared with theoretical data .
|
| first_indexed | 2025-11-30T14:31:33Z |
| format | Article |
| fulltext |
Анализ научно;технической литературы, по;
священной использованию кавитационных уст;
ройств в химической, химико;фармацевтичес;
кой и пищевой технологиях показывает, что
среди известных гидромеханических методов
влияния на технологические процессы, позволя;
ющих существенно повысить их интенсивность,
кавитация является достаточно эффективной [1,
148 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7
Експериментально досліджено про)
цес активації води у кавітаційному апа)
раті динамічного типу з використанням
математичної моделі, запропоновано
механізм активації і визначені значення
споживаної потужності, потужності на
активацію і нагрів, вивчені зако)
номірності масообміну при розчиненні
твердих тіл в умовах гідродинамічної
кавітації, а також її вплив на швидкість
розчинення і екстрагування при попе)
редній обробці рідкої фази. Проведено
порівняння отриманих результатів з тео)
ретичними залежностями.
Экспериментально исследован про)
цесс активации воды в кавитационном
аппарате динамического типа с исполь)
зованием математической модели,
предложен механизм активации и опре)
делены значения потребляемой мощно)
сти, мощности на активацию и нагрев,
изучены закономерности массообмена
при растворении твердых тел в услови)
ях гидродинамической кавитации, а так)
же ее влияние на скорость растворения
и экстрагирования при предваритель)
ной обработке жидкой фазы. Проведено
сравнение полученных результатов с те)
оретическими зависимостями.
The water activating process in the
dynamic cavitation device is experimental)
ly explored, with the use of mathematical
model the mechanism of activating is
offered and the values of consumable
power, powers on activating and heating
are certain, experimental investigations are
performed to explore the mass transfer
during dissolution of solids under hydrody)
namic cavitation conditions and to evaluate
the effect of cafvitation on the dissolution
rate and extraction after pretreatment of
the liquid phase. The results obtained are
compared with theoretical data .
УДК 532.528
ВИТЕНЬКО Т.Н.1, ГУМНИЦКИЙ Я.М.2
1ТГТУ имени И. Пулюя, Украина
2Политехника Ченстоховска, Ченстохова, Польша
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ В
МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССАХ ХИМИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Ен – энергия, израсходованная на нагрев жид;
кости;
Еак – энергия, израсходованная на активацию воды;
m – масса воды, обрабатываемая в аппарате;
с – теплоемкость воды;
Тк – температура после обработки;
Т0 – начальная температура;
– скорость изменения концентрации гид;
роксильных радикалов во времени;
k1 – константа скорости реакции образования ра;
дикалов гидроксила;
k2 – константа скорости реакции рекомбинации
радикалов гидроксила с образованием моле;
кул воды;
k3 – константа скорости реакции рекомбинации
радикалов гидроксила с образованием моле;
кул перекиси водорода;
k4 – константа скорости реакции разрушения пе;
рекиси водорода;
С, Сs –текущая концентрация и концентрация
насыщения исследуемых веществ;
Ск, , С0 – конечная, средняя и начальная кон;
центрации исследуемых веществ;
Fср – усредненная площадь поверхности частиц;
d – конечный диаметр частиц;
k – коэффициент скорости растворения;
V – объем жидкой фазы;
Sc – коэффициент Шмидта;
τ, Δτ – время обработки и промежутки времени;
β – коэффициент массообмена;
ε0 – энергия диссипации;
ε – концентрация энергии;
ρ – плотность твердых веществ;
v – кинематическая вязкость суспензии.
C
•dC
dt
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7 149
2]. Сказанное в полной мере относится и к тепло;
массообменным процессам растворения и экстраги;
рования, которые часто используются в химической
и химико;фармацевтической промышленностях. В
то же время сведения о принципах действия вы;
шеназванных гидродинамических устройств не
исчерпывающе объясняют механизм интенси;
фикации и не описывают особенностей кинети;
ки таких процессов.
В данной работе проведены эксперименталь;
ные исследования в гидродинамическом кави;
тационном аппарате динамического типа [3].
Исследовано распределение потребляемой сис;
темой энергии, изменение физико;химических
свойств воды, особенности кинетики растворе;
ния твердых тел, экстрагирования из пористых
тел, представленные результаты использованы в
математических моделях процессов.
Исследования Маргулиса М.А., Федоткина И.М.,
и других авторов известных монографий в иссле;
дуемом направлении, показывают, что кавитация
создает условия для нестационарного массобме;
на (при многофакторном воздействии, включаю;
щим в себя турбулентные пульсации скорости
потока жидкости, ударные сферические волны
при пульсациях кавитационных пузырьков и ку;
мулятивное воздействие при их схлопывании)
[4], активирует молекулы воды и растворенные в
ней газы, а также приводит к диссоциации Н2О.
При жестких режимах наблюдается рентгенов;
ское излучение, люминесценция, инициация хи;
мических реакций, биологическое действие.
Опыты Саксени и Найборга [5] показали, что как
и пульсации резонансных пузырьков, которые
происходят с большой амплитудой в определен;
ных условиях, так и разрушение кавитационных
полостей могут привести к физико;химическим
и химическим эффектам. Экспериментально до;
казано, что при ударной нагрузке на водные рас;
творы существенно изменяются физико;химиче;
ские и химические свойства воды [6]. В работе [7]
изучалась кинетика образования радикалов гид;
роксила ОН при расщеплены воды в ударной
волне. Такие данные указывают на то, что интен;
сифицирующие факторы и эффекты влияния ги;
дродинамического кавитационного поля на воду
нельзя объяснять лишь кавитационным переме;
шиванием воды и воздуха.
С учетом вышеописанного, при проведении
исследований измеряли рН воды, концентрацию
радикалов гидроксила, продуктов их рекомбина;
ции, а также изучали изменение ее физических
характеристик. Концентрацию химически актив;
ных веществ определяли по стандартным мето;
дикам [8, 9, 10]. Физическую картину процесса
изучали путем визуальных исследований с ис;
пользованием цифровой съемки.
Результаты изменения физических свойств во;
ды представлены в таблицах 1 и 2. Полученные
результаты свидетельствуют об изменении плот;
ности, электропроводимости и температуры сре;
ды. Изменение рН при обработке дистиллята, де;
аэрированного дистиллята и отстоянной
водопроводной воды во времени представлено на
рис 1. Согласно полученным результатам деаэри;
рованный дистиллят изменяет рН лишь на 4%,
дистиллят на 12%, а водопроводная вода на 16%.
Эти результаты хорошо согласовываются с дан;
ными работы [8]. Для выявления фактора устой;
чивости активированной воды исследовали из;
менение рН во времени после кавитационной
обработки. Результаты изображены на рис.2. Со;
гласно полученным данным вода возвращается в
начальное состояние в течение 3,5;4 часов. При;
чем в течение первых 40 минут изменение рН яв;
ляется несущественным.
Очевидно, что все вышеописанные процессы
существенно зависят от энергии, вводимой в си;
стему. Эта энергия распределяется на две части.
Одна часть расходуется на активацию воды Еак,
вторая диссипируется в жидкости и приводит к
ее нагреву Ен
. (1)
Общую энергию Е определяли эксперимен;
тально. Энергию на нагрев рассчитывали по
уравнению теплового баланса, измеряя измене;
ние температуры во времени
. (2)
С учетом полученных данных была рассчитана
объемная энергия, расходуемая на активацию
Еак, которая пересчитывалась на секундное рас;
ходование энергии (мощность N) и концентра;
цию энергии ε (ε = N/Vp), поскольку такой пара;
0
( )
н к
E mc T T= −
н ак
E E E= +
метр хорошо характеризует гидродинамическую
ситуацию в системе.
Наибольшее влияние из всех возможных про;
дуктов химических реакций на степень актива;
ции воды имеют гидроксильные радикалы( кон;
центрации озона и перекиси водорода не
значительны). Поэтому согласно полученным
экспериментальным данным был принят меха;
низм образования гидроксильных радикалов, со;
гласно с которым этот процесс можно описать
следующим кинетическим уравнением:
. (3)
На основе уравнения (3) расчитывали констан;
ты k1, k2, k3, характеризующие процесс активации
воды (табл.3). Далее, подставляя эти константы в
уравнение (3), были построены теоретические
кривые изменения концентрации радикалов гид;
роксила во времени. Результаты представлены на
рис. 3, точками обозначены экспериментальные
2
1 2 3
1
2
dC
k k C k C
dt
•
• •= ε − −
150 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7
Та б л и ц а 2 . Изменение свойств дистиллированной воды под влиянием кавитационного поля
Та б л и ц а 1 . Зависимость размеров кавитационных пузырьков от потребляемой мощности
Рис. 1. Изменение рН воды во времени:
1 – деаэрированный дистиллят; 2 – дистиллят;
3 – отстоянная водопроводная вода
(n = 125c–1, Т = 15 оС).
Рис. 2. Изменение параметра рН во времени после
кавитационной обработки в течение 120 с:
– обработка при 15 oС; – обработка при
25 oС; – обработка при 35 oС;
× – обработка при 45 oС.
данные. Результаты аналогичные представленным
были получены для трех случаев (ε1 = 42,56 Вт/дм3,
ε2 = 36,3Вт/дм3, ε3 = 11,2 Вт/дм3).
В следующей серии экспериментов изучали
процесс растворения тел, которые растворяются
по кинетическому механизму. В качестве объекта
исследования использовали лангбейнит. Воду, в
которой растворяли твердую фазу, предваритель;
но активировали на экспериментальном стенде с
кавитирующей крыльчаткой, при температуре
20 oС на протяжении 120с. Коэффициенты ско;
рости растворения определяли согласно уравне;
нию, полученному на основе уравнений матери;
ального баланса и кинетики процесса с исполь;
зованием математических преобразований
. (4)
Результаты вычислений коэффициентов ско;
рости растворения по уравнению (4) представле;
ны на рис. 4. Факт интенсификации в данном
случае можно объяснить тем, что кавитационно
обработанная вода, как было сказано выше, обо;
гащается достаточным количеством свободных
радикалов – атомов и групп атомов с не спарен;
ным электроном. Такие активные частицы своим
не спаренным электроном притягиваются к по;
ложительному полюсу водного диполя, увеличи;
вая его дипольный момент на величину заряда
электрона. Это приводит к повышению его ак;
тивности, с последующим нарушением так назы;
ваемых водородных связей (последние возника;
ют между разноименными полюсами соседних
диполей и благодаря этому образуются ассоциа;
ции водных молекул, они будто «сшиваются»
между собой). Таким образом, кавитационно об;
работанная вода теряет свою пространственную
структуру, ее диполи активизируются свободны;
ми радикалами, становятся свободными и актив;
но гидратируют ионы К+ и Mg++ в узлах кристал;
лической решетки соли.
Интересными с точки зрения использования
кавитации являются процессы растворения твер;
дых тел, подчиняющиеся диффузионному меха;
низму. Поскольку природной гипс имеет диффу;
зионную природу растворения, его растворяли
непосредственно в аппарате. Для сравнения по;
( ) ( )
3
2
s
d N d
kN d C C
d
⋅π ρ
− = π −
τ
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7 151
Та б л и ц а 3 . Расчетные значения констант скорости химических реакций
Рис. 3. Кинетика образования: – радикалов
гидроксила в дистиллированной воде при ее
обработке в кавитационном устройстве при
температуре 15 oС и n=125c–1; – перекиси
водорода в дистиллированной воде при ее
обработке в кавитационном устройстве при
температуре 15 oС и n = 125c–1.
лученных результатов использовали метод расче;
та коэффициента массообмена, основанный на
оценке гидродинамической ситуации через вели;
чину удельной энергии диссипации. На рис.5.
представлена кривая, построенная согласно тео;
ретической зависимости (5) и являющаяся спра;
ведливой для условий интенсивного перемеши;
вания и турбулентных пульсаций [11]
. (5)
Точки соответствуют рассчитанным значени;
ям усредненных коэффициентов массообмена β,
м/с при растворении частиц гипса в случае рас;
творения в аппарате. Значения эксперименталь;
ного усредненного коэффициента массоотдачи
определяли по уравнению
. (6)
Положение экспериментальных точек выше те;
оретической кривой, начиная от 30с;1, указывает
на то, что дополнительным интенсифицирующим
фактором здесь выступает кавитация. В этом слу;
чае происходит турбулизация пограничного диф;
фузионного слоя жидкости кавитационными пу;
зырьками, возникает восходящее и нисходящее
движение жидкости возле поверхности твердой
частицы, замена насыщенного приповерхностно;
го слоя жидкости и доставка на поверхность све;
жей жидкости с низкой концентрацией соли.
Кроме того, проводились экспериментальные
исследования массообмена при экстрагировании
феноловых соединений из травы крапивы со;
бачьей и валериановой кислоты из корня вале;
рианы с использованием экстрагента, предва;
рительно обработанного в гидродинамическом
кавитационном устройстве, что сопровождается
( )
( )
0k
s
ср
V C C
F С C
−
β =
− Δτ
( )1/ 4 3/ 4
0
0,267 cS −β = ε ν
152 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7
Рис. 4. Изменение коэффициента растворения
лангбейнита k во времени: 1,2 – в
активированной дистиллированной воде;
О, Δ, × – в дистиллированной воде без активации.
Рис. 5. Зависимость коэффициента массообмена
β от величины диссипации энергии ε.
Сплошная линия – теоретическая зависимость
по уравнению (5); точки – экспериментальные
результаты.
Та б л и ц а 4 . Расчетные коэффициенты внутренней диффузии в системе спирт–Valerianae officinalis
его активацией. Полученные результаты позво;
лили выявить значительную интенсификацию
процесса с сохранением качественных характе;
ристик продукта в сравнении с современными
методами интенсификации. С использованием
математических моделей, на основе полученных
экспериментальных данных определены коэф;
фициенты массопереноса при различных харак;
теристиках твердой фазы (табл.4, 5). Вместе с тем
остаются вопросы относительно растворения ан;
самбля частиц полидисперсного состава, моде;
лирования механизма интенсификации при экс;
трагировании и другие, которые требуют допол;
нительных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоткин И.М., Гулый И.С. Кавитация,
кавитационная техника и технология, их ис;
пользование в промышленности (Теоретичес;
кие основы производства избыточной энергии,
расчет и конструирование кавитационных теп;
логенераторов). Часть II ;К.: АО «ГЛАЗ», 2000. –
898 с.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7 153
Таблица 5. Расчетные значения коэффициентов массопереноса в системе спирт–Laonurus cardiaca
2. Маргулис М.А. Основы звукохимии. – М.:
Высш. шк., 1984. – 272 с.
3. Вітенько Т.М. Інтенсифікація процесу при
екстрагуванні валеріани шляхом попередньої
кавітаційної обробки // Вісник тернопільського
державного технічного університету, – 2006, –
Т.11, №2. –С. 177–182.
4. О. А. Литвиненко, О.І. Некоз, П.М. Немиро[
вич, З. Кондрат. Кавітаційні пристрої в харчовій,
переробній та фармацевтичній промисловості. –
К.: РВЦ УДУХТ, 1999.– 87 с.
5. Saksena T.K., Nyborg W.L. //J. Chem. Fis. –
1970.–53, P. 1722.
6. Ананьин А.В., Бавина Т.В., Бреусов О.М. //
ДАН СССР. – 1975. – 222, С. 845.
7. Bayer S.H., Shott G.L.,Duff R.E. // J. Chem.
Fis. –1958.–28, P. 1089.
8. Есиков С.А. //Автореф.дис.канд.техн.наук. –
К., 1987. – 17 с.
9. Плотский И.Г. // Журнал общей химии.
1947. – 17, №6. – С. 1048–1054.
10. Н.А.Аристова, Н. Карпель Вель Лейтинер,
И.М. Пискарев.//Химия высоких энергий. – 2002. –
36, №3. – С. 228 –233.
11. Государстенная фармокопея СССР. – М.:
Медицина, 1968. – 1180 с.
154 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 7
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61341 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T14:31:33Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Витенько, Т.Н. Гумницкий, Я.М. 2014-04-30T16:59:09Z 2014-04-30T16:59:09Z 2007 Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии / Т.Н. Витенько, Я.М. Гумницкий // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 7. — С. 148-154. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61341 532.528 Экспериментально исследован процесс активации воды в кавитационном аппарате динамического типа с использованием математической модели, предложен механизм активации и определены значения потребляемой мощности, мощности на активацию и нагрев, изучены закономерности массообмена при растворении твердых тел в условиях гидродинамической кавитации, а также ее влияние на скорость растворения и экстрагирования при предварительной обработке жидкой фазы. Проведено сравнение полученных результатов с теоретическими зависимостями. Експериментально досліджено процес активації води у кавітаційному апараті динамічного типу з використанням математичної моделі, запропоновано механізм активації і визначені значення споживаної потужності, потужності на активацію і нагрів, вивчені закономірності масообміну при розчиненні твердих тіл в умовах гідродинамічної кавітації, а також її вплив на швидкість розчинення і екстрагування при попередній обробці рідкої фази. Проведено порівняння отриманих результатів з теоретичними залежностями. The water activating process in the dynamic cavitation device is experimentally explored, with the use of mathematical model the mechanism of activating is offered and the values of consumable power, powers on activating and heating are certain, experimental investigations are performed to explore the mass transfer during dissolution of solids under hydrodynamic cavitation conditions and to evaluate the effect of cafvitation on the dissolution rate and extraction after pretreatment of the liquid phase. The results obtained are compared with theoretical data . ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии Cavitation devices' use in mass transfer processes of chemical technology Article published earlier |
| spellingShingle | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии Витенько, Т.Н. Гумницкий, Я.М. |
| title | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии |
| title_alt | Cavitation devices' use in mass transfer processes of chemical technology |
| title_full | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии |
| title_fullStr | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии |
| title_full_unstemmed | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии |
| title_short | Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии |
| title_sort | использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61341 |
| work_keys_str_mv | AT vitenʹkotn ispolʹzovaniekavitacionnyhustroistvvmassoobmennyhprocessahhimičeskoitehnologii AT gumnickiiâm ispolʹzovaniekavitacionnyhustroistvvmassoobmennyhprocessahhimičeskoitehnologii AT vitenʹkotn cavitationdevicesuseinmasstransferprocessesofchemicaltechnology AT gumnickiiâm cavitationdevicesuseinmasstransferprocessesofchemicaltechnology |