способ определения структуры потока жидкости в аппарате

Формула изобретения

Способ определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, заключающийся в том, что в аппарат подают индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени и осуществляют дополнительную регистрацию концентрации индикатора, отличающийся тем, что дополнительную регистрацию концентрации индикатора осуществляют на выходе из аппарата после регистрации функции распределения частиц потока во времени путем ввода индикатора, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости, и по дополнительной зависимости этой концентрации от времени и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости на микро- и макроуровнях.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к способам исследования процессов перемешивания жидких гомогенных и гетерогенных сред и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах реагентной очистки промышленных и бытовых 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 (Закгейм А.Ю., Введение в моделирование химико-технологических процессов. - М.: Химия, 1973, с.44-45).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости и расчета его параметров только по одной функции концентрации индикатора от времени, получаемой на выходе из аппарата.

Известен способ определения структуры потока в проточном аппарате, включающий подачу во входящий поток индикатора, который ни с чем не реагирует, и определение изменения концентрации этого индикатора на выходе из аппарата, как функции времени, а также проведение в этом же аппарате качественной реакции второго порядка, например реакции омыления этилацетата и математической обработки полученных зависимостей концентрации индикатора на выходе из аппарата как функции времени и степени конверсии реагирующего компонента (этилацетата) для получения информации об уровнях смешения (сегрегации) жидкости в проточном аппарате (Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. - М.: Химия, 1969, с.255-256, 302-314; Novak V., Jandowrek V., Rider F. Homogenization efficiency of motionless mixer in Proc. 5-th Eur.Conf. of Mixing, Wurzburg, West Germany, 10-12 June, 1985, paper 23, p.571-579).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная точность физического и математического моделирования смешения частиц во времени на микро- и макроуровнях.

Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту и принятому за прототип является 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 функцию распределения частиц потока во времени, при этом регистрация функции распределения частиц потока во времени на выходе из аппарата осуществляется одновременно с дополнительной регистрацией концентрации индикатора вблизи мешалки и по этим концентрациям и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости (патент РФ №2232383, G 01 N 27/06, 15/00, 2004 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность определения в известном способе уровня смешения частиц на молекулярном уровне, а также ограниченность применения способа в проточных аппаратах с мешалкой.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение возможностей физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости в аппарате непрерывного действия за счет дополнительной подачи в аппарат реагирующего индикатора, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости и регистрации на выходе остаточной концентрации этого реагирующего индикатора во времени.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение точности физического и математического моделирования процесса перемешивания жидкости в аппарате непрерывного действия за счет дополнительного определения функций распределения частиц потока жидкости, перемешиваемых на уровне молекул и глобул (микро- и макроуровнях смешения).

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, заключающемся в том, что в аппарат подают индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени и осуществляют дополнительную регистрацию концентрации индикатора, при этом дополнительную регистрацию концентрации индикатора осуществляют на выходе из аппарата после регистрации функции распределения частиц потока во времени путем ввода индикатора, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости, и по дополнительной зависимости этой концентрации от времени и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости на микро- и макроуровнях.

Использование в качестве индикатора, служащего для дополнительной регистрации его концентрации на выходе из аппарата, вещества, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости, позволяет по изменению этой концентрации во времени после ее математической обработки судить о структуре потока частиц, смешиваемых на уровне молекул и глобул, и об их функциях распределения, в отличие от общей функции распределения и общей структуры потока, которые получают при использовании инертного индикатора, не вступающего в быструю химическую реакцию ни с одним из компонентов потока жидкости.

Целесообразно в качестве компонента потока жидкости и индикатора, вступающего в быструю химическую реакцию, использовать неорганические вещества, например, кислоты и основания, продукты реакции которых не оказывают влияния на электропроводность потока жидкости и не влияют на получаемую дополнительную зависимость концентрации индикатора от времени.

Так, в качестве индикатора, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости, может служить раствор гидрооксида бария Ва(ОН)₂, а компонентом потока жидкости, с которым он не вступает в быструю реакцию нейтрализации, - серная кислота H₂SO₄,

Продукты реакции нейтрализации не влияют на электропроводность потока жидкости, так как образующаяся соль сернокислого бария выпадает в осадок, а вода неэлектропроводна и является основой потока жидкости.

Пример.

Объем проточного аппарата V=5 л, расход воды составляет q=100 мл/с, то есть среднее время пребывания частиц потока жидкости:

Диаметр аппарата D=0,16 м, пропеллерная мешалка d=0,032 м, число оборотов n=150 об/мин.

Для регистрации функции распределения частиц потока во времени и дополнительной регистрации концентрации индикатора, в качестве которого используют Ва(ОН)₂, вступающий в быструю химическую реакцию с одним из компонентов (Н₂SO₄) потока жидкости, 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.

Сначала на вход аппарата импульсно подается 20 мл раствора гидрооксида бария Ва(ОН)₂ концентрацией 0,2 моль/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).

Так как в 20 мл раствора гидрооксида бария с концентрацией 0,2 моль/л содержится 20·10^-3·0,2=4·10^-3 моль гидрооксида бария, то для эквимолярного соотношения серной кислоты в 5 л аппарата необходимо, чтобы минимальная концентрация серной кислоты в ее водном растворе составляла: С_min=4·10 ^-3/5=0,8 ммоль/л.

Чтобы молекула реагирующего индикатора Ва(ОН)₂ быстро реагировала с молекулами реагирующего компонента Н₂SO₄, последнего берем с 10-кратным избытком.

C=10·C_min=8 ммоль/л.

Для дополнительной регистрации концентрации вещества индикатора Ва(ОН) ₂, вступающего в быструю химическую реакцию с компонентом потока жидкости (H₂SO₄) во втором опыте при непрерывной подаче разбавленной серной кислоты в воде (С=8 ммоль/л) расходом q_в=100 мл/с, на вход аппарата вводят в качестве индикатора 20 мл раствора Ba(OH)₂ с концентрацией 0,2 моль/л и получают дополнительную зависимость концентрации непрореагировавших молекул гидрооксида бария от времени на выходе из аппарата, которая регистрируется тем же потенциометром КСП-3 (фиг.1, кривая 2), то есть перемешиваемых на уровне глобул (макроуровень) и не вступивших в химическую реакцию молекул гидрооксида бария с серной кислотой.

Вычитая из соответствующих каждому значению времени ординат C_u1 ординаты С_u2, получаем кривую 3 (фиг.1), являющуюся зависимостью прореагировавших молекул гидрооксида бария с серной кислотой от времени, то есть соответствующую структуре потока, перемешиваемого на уровне молекул (микроуровне).

Для получения функций распределения частиц потока жидкости во времени проводим нормировку полученных размерных зависимостей.

По известным из аналогов и прототипа формулам обработки зависимостей концентраций индикатора от времени определяют средние времена пребывания частицы потока жидкости для каждой кривой фиг.1:

и средние концентрации индикатора:

Затем проводят нормировку каждой кривой с получением безразмерных графиков функций распределения частиц потока (фиг.2) по формулам:

, , i=1, 2, 3,

где кривые 1, 2 и 3 - соответственно графики функций распределения частиц всего потока, перемешиваемых на уровне глобул и на уровне молекул, при этом площади под всеми кривыми должны быть одинаковыми и равны 1.

Таким образом, дополнительная регистрация концентрации индикатора на выходе из аппарата с использованием в качестве индикатора вещества, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости, позволяет помимо общей структуры потока получить дополнительно зависимости концентраций частиц потока от времени, перемешивание которых прошло на уровне глобул и молекул (микро- и макроуровнях), и соответственно после математических преобразований этих зависимостей получить дополнительно графики функций распределения частиц потока во времени, перемешиваемых на уровне молекул и глобул.

Это расширяет возможности физического и математического моделирования структуры потоков в проточных аппаратах и увеличивается точность расчетов эффективности и интенсивности перемешивания в аппаратах с мешалками и оценки степени конверсии в химических реакторах.