РАСТВОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

МОСКВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО „ХИМИЯ** 1977 г.

УДК 66.061 : 539.21

Аксельруд Г. А., Молчанов А. Д.

Растворение твердых веществ. М., «Химия», 1977 (серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии»).

В книге рассматриваются промышленные процессы взаимодействия твердого вещества с жидкостью, в результате которых вещество переходит в раствор. Большое внимание уделяется кинетике растворения и кинетическим расчетам процессов, часто встречающихся в промышленной практике. Приводятся примеры, иллюстрирующие применение расчетных методов.

Описываются конструкции аппаратов-растворителей, методы интенсификации растворения и их реализация в аппаратуре, а также перспективные методы интенсификации.

Книга предназначена для инженерно-технических работников химической, металлургической и других отраслей промышленности. Она может быть использована студентами и аспирантами соответствующих специальностей.

272 стр.; 18 2 рис.; 20 табл.; список литературы 248 ссылок.

31402-081

А 81-77

050(01)-77

© Издательство «Химия», 1977 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

Глава /. Теоретические основы процесса растворении

Общая характеристика и исходные понятия .

Термодинамические основы растворения . •.

Кинетика простого (физического) растворения

4・ Кинетика химического растворения

5. Электрохимическое растворение

79伍29曲

Глава 71. Растворение при различных схемах взаимодействия фаз ♦・•50

Классификация процессов растворения ....

Кинетические расчеты процессов растворения .

Растворение многокомпонентных смесей ....

Растворение в стационарном и взвешенном слоях

Растворение в аппаратах с мешалками

Подземное растворение

505678940005

Глава III. Способы интенсификации процесса растворения

124

Реальные условия растворения дисперсной твердой фазы и классификация способов интенсификации

Интенсификация растворения дисперсной твердой фазы

Интенсификация электрохимического растворения металлов ...

Интенсификация подземного растворения

24276371

i 11 1

Глава 7V. Аппараты для растворения

176

2.工殳5

Классификация аппаратов

Аппараты периодического действия со стационарным слоем твердых частиц

Аппараты периодического действия с перемешиванием Аппараты непрерывного действия со взвешенным слоем ・・・. Аппараты непрерывного действия с перемешивающими устройствами

6 8 9 9

7 7 8

111

6・ Аппараты с наложением поля колебаний

7・ Аппараты с совмещением процессов растворения и измельченияЛитература

6 6 16

9 0 5 5

12 2 2

ПРЕДИСЛОВИЕ

термином растворение обозначают гетерогенные реакции, про- 丄 текающие между твердым веществом и жидкостью и сопровождающиеся переходом этого вещества в раствор Более всего этот процесс используется в химической промышленности, но он играет важную роль и в металлургии, пищевой промышленности и даже машиностроении. Накоплен большой материал по растворимости твердых веществ, особенно солевых систем. Дальнейшее развитие получило учение о кинетике гетерогенных химических реакций, в том числе учение о кинетике растворения. Знание равновесия и кинетики позволяет перейти к построению математической модели процесса и ею оптимизации.

В последнее время исследуются и вводятся в практику аппараты- растворители, в которых применяют различные устройства, интенсифицирующие процесс. Их действие основано на возбуждении низкочастотных или высокочастотных колебаний в жидкости, сочетании растворения с дроблением растворяющихся частиц, использовании искровых разрядов в жидкости и других физических воздействий.

В предлагаемой книге последовательно рассмотрены равновесие и кинетика, математические модели периодических и непрерывных процессов, аппаратура и средства интенсификации. В текст вклю- яены примеры и расчеты, иллюстрирующие существо предлагаемых методов. Эти расчеты обычно завершаются на ЭЦВМ. Содержание книги точно соответствует ее названию, позтому читатель не найдет в ней материала, относящегося к процессу выщелачивания [23], существенно отличающегося от растворения. Значительный вклад в теорию и практику процессов растворения внесли А. Б. Зданов- ский, Е. М. Вигдорчик и А. Б. Шейнин, Н. С. Спирин [51, 76, 178], работы которых приобрели широкую известность. При подготовке рукописи авторы использовали материалы гтих и многих других исследователей, а также свои собственные работы в той мере, в какой они сочетались с планом и характером книги.

Они выражают глубокую благодарность лонтору технических наук В. А. Мазурову, написавшему разд. 5 гл. III, и кандидату тех- ническ их наук Б. Е. Ковальчуку за ценные советы и консультации. 6

^=KF(CsC)

с/Г

ГЛАВА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ИСХОДНЫЕ ПОНЯТИЯ

Р

астворение твердых веществ можно рассматривать как физико-химический процесс. Такое рассмотрение, однако, не является целью данной работы, хотя обойтись без изложения основополагающих физических и химических закономерностей не представляется возможным- Цель работы состоит в изложении закономерностей процесса растворения именно так, как это принято в науке о процессах и аппаратах химической технологии. Необходимо указать, что под термином «процесс растворения» мы будем понимать промышленный процесс, который при определенных благоприятных обстоятельствах завершается исчезновением твердой фазы (растворимого материала) . Это требуется для того, чтобы отличать процессы растворения от процессов экстрагирования твердой фазы (выщелачивания) [23].

Действительно, в условиях выщелачивания контактирующие с жидкостью твердые частицы состоят из инертного носителя, в котором распределено растворимое твердое вещество. При выщелачивании растворяется и переходит в основную массу раствора только растворимая часть материала, а пористый инертный носитель сохраняется. Различие между растворением и выщелачиванием особенно четко проявляется при сравнении кинетических закономерностей обоих процессов. В условиях растворения вещество, переходящее в раствор, контактирует с движущейся жидкостью в течение всего процесса. При экстрагировании (выщелачивании) растворяющееся вещество быстро теряет контакт с движущейся жидкостью, так как граница межфазного контакта непрерывно продвигается внутрь пористой частицы (рис. 1.1).

В условиях растворения диффундирующее вещество должно преодолеть очень малое сопротивление диффузионного слоя. Для веществ, растворяющихся по диффузионному механизму, величина зтото сопротивления может значительно уменьшаться с увеличением скорости движения жидкости относительно частиц вещества, а следовательно, пропорционально должна возрастать скорость растворения.

При экстрагировании (выщелачивании) ьеличина диффузионно] © сопротивления гораздо больше, так как диффундирующие молекулы

должны пройти путь, в среднем равный половине радиуса частицы. Поэтому возможность интенсификации процесса увеличением скорости относительного движения фаз ограничена. Таким образом, в кинетическом аспекте процесс растворения более благоприятен, чем экстрагирование. Однако не во всех случаях твердая инертная фаза существенно глияет на характер процесса. Небольшое колцрество инертных примесей в растворяющихся частицах не осложняет процесс растворения, если не образуется сплошной инертный скелет и если поверхность растворения не экранируется примесями. Закономерности процесса растворения существенно не изменятся, если растворяющийся материал представляет собой механическую смесь растворимых и нерастворимых частиц.

Рис. 1.1. Виды частиц, перерабатываемых растворением (а, 6) и выщелачивав нием (в); штриховкой обозначена растворимая часть.

В основу классификации процессов растворения могут быть положены различные принципы. Мы остановимся на более общей классификации, основанной на физико-химической природе взаимодействия фаз и рассматривающей физическое, химическое и электрохимическое растворения.

В результате физического растворения исходное твердое вещество не меняет своего химического состава. После растворения в чистом растворителе это вещество можно восстановить в твердом состоянии, используя такие процессы, как выпаривание и кристаллизацию. Химическое растворение — это гетерогенная химическая реакция, протекающая в системе твердое тело — жидкость. При этом исходное вещество в твердом виде не может быть восстановлено из раствора чисто физическими методами. Электрохимическое растворение протекает в условиях, когда процессу сопутствует перенос электрических зарядов.

Процессы растворения широко используются для следующих целей:

отделения растворимых веществ от инертных примесей. Такую операцию широко применяют в химической промышленности, она является первой стадией производства минеральных солей и удобрений 175, 1491;

получения растворов и, если необходимо, последующей переработки их галургическими методами [75];

для перевода в раствор компонентов руд, что является первой стадией гидрометаллургического производства [1481. Следует ответить, что в специальной литературе по гидрометаллургии термин 8

«выщелачивание» используют для характеристики всех процессов перевода руды в раствор, поэтому целесообразно различать процессы растворения и выщелачивания 1231;

образования полостей большого объема в соляной толще, которые могут служить надежными хранилищами жидкостей и газов [1271;

обработки растворимых материалов (в том числе и металлов) с тем, чтобы придать им определенные формы и размеры.

Во многих случаях процессы растворения осложняются выделением мешающих фаз. Это происходит при химическом и электрохимическом взаимодействии твердого вещества с раствором. Выделяющиеся в результате реакций твердые, жидкие или газообразные продукты могут оказывать существенное влияние на условия процесса вблизи границы раздела вещество — жидкость. Жидкие рас- тв оримые продукты реакции в меньшей степени влияют на процесс взаимодействия. Твердые продукты значительно затормаживают скорость процесса, особенно если они осаждаются на реакционной поверхности. Газообразные продукты, с одной стороны, способствуют хорошему перемешиванию вблизи поверхности реакции, а с другой стороны, изолируют ее от жидкого реагента. Ниже эти вопросы рассмотрены более подробно.

Два аспекта растворения играют наиболее важную роль — это равновесие и кинетика. Равновесие в системе твердое вещество — раствор достигается тогда, когда химический потенциал растворенного вещества становится равным химическому потенциалу твердого вещества. При этом концентрация вещества в растворе становится равной концентрации насыщения, величина которой зависит от свойств растворенного вещества, растворителя и температуры процесса. Кинетика растворения устанавливает закономерности протекания процесса во времени, определяет скорость процесса. Производительность аппаратов ——растворителей также определяется кер* нетикой процесса. Наиболее известным средством повышения производительности аппаратов ——растворителей является измельчение частиц твердого вещества, так как большая поверхность взаимодействия фаз способствует быстрому протеканию процесса. Однако уменьшение размера частиц, поступающих в растворитель, связано с удорожанием сопутствующих растворению процессов — измельчения и очистки раствора.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСТВОРЕНИЯ

Чтобы твердое вещество перешло в раствор, оно должно обладать определенным свойством — растворимостью. Не все вещества обладают в одинаковой степени этим свойством Какие физические и химические явления сопровождают растворение? Можно ли предсказать растворимость?

В дальнейшем мы сосредоточим свое внимание на твердых телах, имеющих ионную кристаллическую решетку, к числу которых

относятся главным образом соли. При растворении веществ такого рода кристаллическая решетка разрушается, связи, удерживающие ионы, разрываются, и последние переходят в раствор. Для разрушения одного моля, кристаллического вещества на ионы и удаления газообразных ионов на бесконечно большое расстояние одного от другого следует затратить энергию, которая называется энергией кристаллической решетки. Рассчитать энергию решетки можно по уравнению М. Борна [173J.

где N — числоJАвогадро; 々 и"г2 — валентности ионов; е — заряд электрона； г — расстояниеТмежду ионами, равное сумме кристаллохимических радиусов иовов; п — коэффициент, величина которого находится в пределах 8—12; q — постояняая, зависящая от структуры кристалла (например, для NaCl а = =1,748).

Перейдем теперь к рассмотрению состояния ионов в растворе. Развивая химическую теорию растворов, Д. И. Менделеев указал на химическое взаимодействие растворителя с растворенным веществом. Взаимодействие такого рода было названо сольватацией или гидратацией, если растворителем являлась вода.

Строение сольватов представляется в следующем виде.

Ион растворенного вещества окружен сольватной оболочкой, состоящей из ориентированных дипольных молекул, прочно связанных с ионом. К этой оболочке примыкают другие молекулы растворителя, менее прочно связанные с ионом. Сильно сольватированные ионы образуют крупные сольватные комплексы, состоящие из многих слоев молекул растворителя. Поведение молекул растворителя в сольватном комплексе зависит от их расстояния от иона растворенного вещества. Молекулы, расположенные ближе всех к иону, участвуют в тепловом движении вместе с ионом Чем дальше расположена молекула растворителя от иона, тем сильнее проявляется тенденция к независимому движению. В процессе гидратации выделяется тепло, количество которою увеличивается с увеличением валентности иона, а для одновалентных катионов — с уменьшением их радиуса [1751. Оценка теплоты гидратации показывает, что эта теплота играет большую роль в общем энергетическом балансе растворения. Для рассмотрения энергетических соотношений процесса растворения представим его состоящим из двух стадий: 1) стадии испарения кристалла с образованием газообразных ионов и 2) стадии перехода этих ионов в раствор (гидратации). Тогда сможем построить замкнутый термодинамический цикл:

и 〃

'Кристаллическая —> газоооразные

решеткаионы

АНр\^ с А/▲ раствор —

где U — энергия решетки； АНг — теплота гидратации; ДЯР — теплота растворения.

(1.2)(1.2)В соответствии с законом Гесса тепловой эффект не зависит от пути протекания реакции, а определяется только исходным и конечным состояниями. Таким образом

(1.2)

(1.2)

АНр = и—А%

Из уравнения (1.2) следует, что процессы растворения твердых веществ могут протекать как с поглощением, так и с выделением тепла в зависимости от соотношения величин U и АН「. При U > 〉А% и А%〉0 система приобретает тепло (реакция эндотер- мична). При U <厶心 и А% V。система выделяет, отдает тепло (реакция экзотермична).

(1.3)(1.3)Перейдем теперь к установлению условий, при которых существует возможность самопроизвольного протекания процесса растворения. Эти условия определяются знаком величины AG, т. е. изменением энергии Гиббса, которая подсчитывается из соотношения

(1.3)

(1.3)

AG = AHp—Т AS

где АНр — изменение энтальпии; AS — изменение энтропии; Т 一 абсолютная температура.

Если AG <0 (энергия Гиббса уменьшается), то идет процесс растворения. При AG = 0, ито соответствует минимуму энергии Гиббса, система находится в равновесии. Наконец, при AG >0 вероятным является протекание обратною процесса (кристаллизации).

В выражении (1.3) член А%, как мы уже знаем, может быть положительным или отрицательным. Однэко и величина TAS также может принимать положительные и отрицательные значения. Как известно, энтропия является мерой неупорядоченности, хаотичности системы, степень которых возрастает с переходом ионов в раствор. С этой точки зрения AS должно быть больше нуля. Между тем молекулы воды, вступая в сольватные комплексы, «организовываются», теряют способность к хаотическому движению, что соответствует AS <0. Из этого следует, что подсчет по уравнению (1.3) может дать положительный или отрицательный результаты (отсутствие или наличие растворимости).

Пример 1.1. Определить изменение энергии Гиббса при растворения LiCl, КС1 и CaF2, Г = 298 К.

Пользуясь справочными данными [108, с. 30, 57] и уравнениями (1.2) и (L3), определим искомую величину для каждого соединения, полученные дан- Вые сведем в таблицу：

И

2 V

CL

V工

LiCl

842

883

—41

0,011

3,32

-44,32

Да

КС1

704

690

+伍

0,075

22,3

—8,30

Да

CaFg

2620

2318

+302

—0,143

—42,7

+344,7

Нет

Рассмотрим полученные результаты. При растворении хлористого лития энергия, необходимая для разрушения кристаллической решетки, с избытком покрывается энергией гидратации. Таким образом создаются и непрерывно поддерживаются условия, необходимые для растворения, которое протекает с выделением тепла. При растворении хлористого калия тепла гидратации недостаточно для разрушения его кристаллической решетки. Необходимое для этого тепло частично доставляется извне. На примере растворения КС1 можно видеть, какое значение имеет член TAS. В соответствии с уравнением (1.3), полученные величины указывают на способность КС1 к раствореншо. Такая способность не обнаружена у фтористого кальция, что обусловлено большим дефицитом анергии.

В большинстве случаев растворимость твердых веществ в жидкостях ограничена. При определенной концентрации, называемой концентрацией насыщения (растворимостью), между твердым телом и раствором устанавливается равновесие. Концентрация насыщения— важнейший физико-химический и технологический параметр, с определения которого и начинается анализ или расчет любого процесса растворения. Действительно, эта величина указывает на емкость растворителя, его способность воспринимать растворяющееся вещество. Кроме того, она является фактором, сильно влияющим на кинетику (скорость) растворения Из химической термодинамики нз- вестно, что равновесие между твердым телом и раствором будет достигнуто тогда, когда химический потенциал вещества А в растворе (рА) станет равным химическому потенциалу в твердом состоянии (рд) [217]. Химический потенциал вещества Л в растворе

= На "^ ^-^ ^n ха (L&)

где хА — мольная доля вещества Л; Я — газовая постоянная; Т — абсолютная температура;卩彳 一 потенциал вещества в стандартном состоянии, зависящий от температуры Г.

Если уравнение (1.4) сохраняет свою силу при всех значениях концентрации 祖，то такой раствор называется идеальным. В этом

12

случае 威=N*，где 卩]—химический потенциал чистого вещества 4 В большинстве случаев, однако, уравнение (L4) пригодно лИ1Пь для разбавленных растворов, а прямолинейная зависимость ^А = f (1口 二厶)при высоких значениях хА переходит в криволинейную. В этом случае [ia =/=[х а ^ является экстраполированной величиной [217]. Для неидеальных растворов вместо уравнения (1.4)

попользуют уравнение

Na = n£ ~рКТ In g&(1・5)

где аА = 丫厶京厶；«л — активность вещества Л в растворе; 丫厶一коэффициент

активности.

Рис. 12 К определению концентрации насыщения.

Химический потенциал твердого раство^шющегося вещества 卩： зависит от температуры и не зависит от концентрации вещества в растворе. На рис. 1.2 представлено графическое определение концентрации насыщения (%а)$, которая соответствует, точке пересечения прямых 卩 & = / (In %а) и 卩厶=р д = const. Из рис. L2 вытекает

In (")s=In (")s=吟一直吟一直(1.6)(1.6)соотношение

In (")s=

In (")s=

吟一直

吟一直

(1.6)

(1.6)

Входящая в числитель разность потенциалов твердого и жидкого вещества，может быть выражена через константы плавления твердого тела, после чего уравнение (1.6) принимает следующий вид [2171: ln (^)s =_%(* —六)(l・7)

где £ 一 теплота плавления; ГПл т температура плавления.

Ценность полученного теоретического уравнения ограничена, поскольку речь идет об идеальных растворах. Тем не менее из него можно сделать определенные выводы качественного характера Так, при одинаковой температуре плавления вещество, обладающее меньшей теплотой плавления, будет обладать большей растворимостью. При одинаковой теплоте плавления большую растворимость имеет вещество с более низкой температурой плавления.

Таким образом, растворимость зависит от рода вещества, природы растворителя и температуры. Однако обнаружено влияние ряда Других факторов. Так, установлена более высокая растворимость

мелких кристаллов по сравнению с крупными. При взаимодействии жидкости с полидисперсной смесью кристаллов наблюдалось уменьшение растворимости, что обусловлено перекристаллизацией ——растворением мелких и ростом крупных кристаллов [207].

Ниже приводится простейшее уравнение, выражающее гависи- мость растворимости от размера частиц: -

1п/ =1п/ =2МпРтАТ2МпРтАТ(L8)(L8)

1п/ =

1п/ =

2Мп

РтАТ

2Мп

РтАТ

(L8)

(L8)

где С$1, С$2 — растворимости, соответствующие размерам частиц г± и r^ М — молекулярная масса вещества; а — поверхностное натяжение на границе фаз твердое тело — жидкость; рт ——плотность растворяющего вещества.

Вычисления по формуле (1.8) показывают, что заметное изменение растворимости следует ожидать для частиц, размеры которых менее 0,01 мкм. Однако в ряде случаев повышение растворимости констатируется для частиц более крупных размеров. Аномально высокая растворимость часто свягана с нарушением кристаллической структуры поверхностных слоев частиц, что является следствием механической обработки и продолжительного измельчения [207]. В заключение отметим, что существует значительное число справочников, в которых сосредоточены опытные данные по концентрациям насыщения и равновесным системам [77, 91].

КИНЕТИКА ПРОСТОГО (ФИЗИЧЕСКОГО) РАСТВОРЕНИЯ

В условиях простого физического растворения в первую очередь обогащаются веществом те слои жидкости, которые примыкают к поверхности растворения. С возрастанием концентргции и приближением ее к концентрации насыщения эти слои теряют способность воспринимать вещество, и поэтому дальнейшее растворение связано с отводом вещества из областей вблизи поверхности растворения в основную массу раствора Механизмом такого отвода является молекулярная или конвективная диффузия. Именно этим объясняется интерес к диффузии при изучении процессов растворения. В 7853 г. А. Фик установил закон, в соответствии с которым плотность диффузионного тока прямо пропорциональна градиенту концентрации:

j = —Dgrad С(1.9)

Плотностью диффузионного тока называется масса вещества, диффундирующего через единицу площади в единицу времени:

.dM

Градиентом концентрации называется изменение концентрации на единицу длины в направлении нормали к поверхности постоянной концентрации:

dCgradC=H

Свойства диффундирующих молекул, среды, в которой протекает диффузия, количественно характеризуются коэффициентом диффузии 力，который также зависит от температуры. В 1896 г. А. Н. Щу- карев сформулировал основной закон кинетики физического растворения: плотность потока вещества с поверхности растворения пропорциональна концентрационному недонасыщению раствора, который может быть записан в виде

i = K(Cs-C]• (1-10)

где Cs — концентрация насыщения; Q — концентрация раствора; К — коэффициент скорости растворения.

Нойес и Уитней предположили, что у поверхности растворения формируется очень тонкий слой насыщенного раствора, а скорость растворения определяется диффузией вещества из этого слоя в основную массу растворителя. В 1900——1907 гг. Нернст предложил диффузионную теорию гетерогенного взаимодействия. По Нернсту, на поверхности раздела фаз весьма быстро достигается равновесие, а концентрация становится равной концентрации насыщения Cs. При достаточно интенсивном перемешивании вблизи поверхности растворения возникает неподвижный слой жидкости толщиной 6, в пределах которого концентрация изменяется* от Cs до С—концентрации в основной массе раствора. При этом градиент концентрации определяется величиной

к「 с — Csgrad С=―—

Сравнивйя выражения (L9) и (1.10), получаем

K=D/6(1.11)

По формуле (1.11) невозможно рассчитать коэффициент К, и многие исследователи пользовались ею для расчета толщины диффузионного слоя 6, которая в значительной степени зависит от интенсивности перемешивания жидкости вблизи поверхности растворения. Бруннер и Толлочко по экспериментально найденным значениям коэффициента скорости растворения К вычислили толщину б, которая при различных скоростях перемешивания изменялась в пределах от 5 до 100 мкм.

Изучение гидродинамических явлений вблизи поверхности растворения существенно изменило представление о диффузионной кинетике растворения. Оказалось, что предположение о неподвижности диффузионного слоя является несостоятельным. Прямыми экспериментальными данными зарегистрировано движение жидкости на расстоянии порядка 0,1 мкм от твердой поверхности [1221. G увеличением расстояния от поверхности у тангенциальная скорость Движения жидкости рх возрастала в пределах некоторого скорост- R°ro пограничного слоя толщиной 6 0 от нуля до максимального зна- "ения 必.Оценивая величину и*, получаем

% Q wy/bo% Q wy/bo(1-12)

% Q wy/bo

% Q wy/bo

15

(1.13)(1.13)а величина 6 0 в условиях обтекания твердого тела при больших, числах Рейнольдса допускает следующую оценку [1231：

(1.13)

(1.13)

瓦 ~ Z/rRe

где Re = u?Z/v; Z — характерный размер твердого тела; v — кинематическая

вязкость.Оценим теперь абсолютную величину нормальной составляющейвязкость.Оценим теперь абсолютную величину нормальной составляющейскорости vy вблизи цилиндрической поверхности, воспользовавшисьскорости vy вблизи цилиндрической поверхности, воспользовавшисьрастворяющегосярастворяющегосяслои на поверхности тела.слои на поверхности тела.для этого уравнением неразрыв-для этого уравнением неразрыв-ности для двумерногоности для двумерногоизиз况х丄加" e выражения (1.14)况х丄加" e выражения (1.14)(при n 〜2)(при n 〜2)УУУ2У2потокапотока(L14)(L14)следуемследуем5=切两5=切两(1.15)(1.15)Гидродинамические соотношения (1.12) и (1.15) использованы для анализа диффузионных явлений вблизи поверх] пости растворения.Рассмотрим для простоту цилиндрическое тело, обтекаемое жидкостью в направлении,Гидродинамические соотношения (1.12) и (1.15) использованы для анализа диффузионных явлений вблизи поверх] пости растворения.Рассмотрим для простоту цилиндрическое тело, обтекаемое жидкостью в направлении,перпендикулярном образующим (см. рис. 1.3). Стационарное распределение концентрации у поверхности растворения С (з, у) определится дифференциальным уравнением конвективной диффузииперпендикулярном образующим (см. рис. 1.3). Стационарное распределение концентрации у поверхности растворения С (з, у) определится дифференциальным уравнением конвективной диффузиидСдСасас以W +切石以W +切石/ 32。=0(百 +/ 32。=0(百 +(1Л6：(1Л6：

вязкость.

Оценим теперь абсолютную величину нормальной составляющей

вязкость.

Оценим теперь абсолютную величину нормальной составляющей

скорости vy вблизи цилиндрической поверхности, воспользовавшись

скорости vy вблизи цилиндрической поверхности, воспользовавшись

растворяющегося

растворяющегося

слои на поверхности тела.

слои на поверхности тела.

для этого уравнением неразрыв-

для этого уравнением неразрыв-

ности для двумерного

ности для двумерного

из

из

况х丄加" e выражения (1.14)

况х丄加" e выражения (1.14)

(при n 〜2)

(при n 〜2)

У

У

У2

У2

потока

потока

(L14)

(L14)

следуем

следуем

5=切两

5=切两

(1.15)

(1.15)

Гидродинамические соотношения (1.12) и (1.15) использованы для анализа диффузионных явлений вблизи поверх] пости растворения.

Рассмотрим для простоту цилиндрическое тело, обтекаемое жидкостью в направлении,

Гидродинамические соотношения (1.12) и (1.15) использованы для анализа диффузионных явлений вблизи поверх] пости растворения.

Рассмотрим для простоту цилиндрическое тело, обтекаемое жидкостью в направлении,

перпендикулярном образующим (см. рис. 1.3). Стационарное распределение концентрации у поверхности растворения С (з, у) определится дифференциальным уравнением конвективной диффузии

перпендикулярном образующим (см. рис. 1.3). Стационарное распределение концентрации у поверхности растворения С (з, у) определится дифференциальным уравнением конвективной диффузии

дС

дС

ас

ас

以W +切石

以W +切石

/ 32。

=0(百 +

/ 32。

=0(百 +

(1Л6：

(1Л6：

(1.17(1.17и краевыми условиями

(1.17

(1.17

С (司 0) = Cs； С Q оо) = G

Для условий, которым соответствуют большие значения числа Пекле Ре = wl!D. уравнение (1.16) можно упростить. Действительно, это число определяет роль конвективного переноса вещества [члены левой части уравнения (1.16)] в сравнении с молекулярным переносом вещества (члены правой части). При больших значения； Ре членами, отражающими молекулярный перенос, можно прен^ бречь. Полученное уравнениея

ас дСI

имеет единственное решение С = С* = const. Это решение, однак, непригодно для области, прилегающей к поверхности растворениед

где Q > &• Приходится допустить, что в этой области молекулярным переносом вещества пренебрегать нельзя. Малые значения коэффициента диффузии в жидкостях (Р ^ 10"9 м/с) компенсируются большим значением производной ^2С/^2, имеющей в пределах диффузионного слоя порядок ДС/62, при этом ДС = Cs — С±. По сравнению с этой производной величиной 巒^伤支纟，имеющей порядок △С〃2, можно пренебречь.

Таким образом, в пределах диффузионного слоя уравнение (1.16} н краевые условия принимают вид: .

дС дС 82c

""万=0 御2(I.®

C(xy 0) = Cs; C(x^) = Cr

Для определения толщины 6 диффузионного слоя оценим членыт входящие в уравнение (1.18), при у ~6- Тогда в соответствии с (1.12} п (1.15)

662

以=山药；VL W1S^(I ・19)

Из уравнений (1.18) следует, что оба члена правой части имеют один и тот же порядок

6 АС АС

"ЗГ 丁 Q ° В(L2°>

Решая уравнение (1.20) относительно 6 и учитывая (1.13), получаем с точностью до постоянного коэффициент

6〜尹缶T(四

где Pie=v/D.

Уравнения типа (1.21) являются основным результатом гидродинамической концепции диффузионного слоя, развивающей и уточняющей теоретическую модель Нернста. Действительно, последняя предполагает vx = % = 0, а из уравнения (1.18) следует Dd^Cldy^ = =0 или DdCldy = const. Это означает, что модель Нернста учиты- 需ет только молекулярную диффузию вещества в направлении оси у. Кроме того, из рассмотрения исчезают факторы, которые могли бы объяснить влияние гидродинамики на толщину диффузионного слоя.

Уравнение (1.21) и вытекающие из него результаты учитывают не только молекулярную диффузию в направлении оси у, но и конвективный перенос вещества в направления # и у. Результат (1.21) содержит в себе все факторы, определяющие толщину диффузион- ного слоя. Важнейшим из них является число Рейнольдса и входящая R него скорость обтекания твердой частицы жидкостью w. Именно :та скорость в конечном итоге определяет толщину диффузионного ^；н 6 Н\ следовательно, коэффициент скорости растворения [по

В литературе часто рассматривается фактор перемешивания ц влияние скорости перемешивания на коэффициент скорости раство- рения. Нетрудно установить, что скорость перемешивания неэквивалентна понятию скорость обтекания. Так, при перемепшвании мешалкой жидкости, содержащей растворяющиеся твердые частицы, скорость вращения мешалки сильно отличается от скорости движения жидкости относительно твердых частиц. Последняя может на один-два порядка отличаться от первой, а может вообще не зависеть от числа оборотов мешалки [6]. Для простейших геометрических форм вместо оценочных операций можно решить дифференциальное уравнение (1.18). При этом обнаружится, что толщина диффузионного слоя 6 будет возрастать в направлении з; в соответствии с этим будет уменьшаться коэффициент скорости растворения К. Осредненные, характерные для данного тела значения коэффициента скорости растворения К определятся интегрированием по поверхности [5] •

KG-CQF—D §(礬)…産 (1.22)

(F)

Уравнению (1.22) можно придать иной вид, если ввести диффузионный критерий Нуссельта

Nu="^" = t" (I-23J представляющий собой отношение характерного размера тела к толщине диффузионного слоя. Тогда с учетом (1.21) получим

Nu —-^Рг /Re (I.24M

В течение ряда лет усилия теоретиков и экспериментаторов! концентрировались на определении коэффициента скорости раствор рения для тела сферической формы, что обусловлено необходимостью идентификации теоретических и эксйериментальных данных по кинетике растворения с тем, чтобы исключить форму тела как деист-; вующий фактор. Кроме того, результаты, установленные для сфери-； ческих тел, с определенным поправочным коэффициентом, близким к единице, пригодны для тел других форм, размеры которых в трех взаимно перпендикулярных направлениях близки один другому-

Наконец, для тел сферической формы оказалось возможным получить аналитические результаты решением уравнения (1.18). Обычнц эти решения представляются в виде критериальных уравнений彳 определяющим размером является диаметр сферы (I = d). Предпо-< лагая рассмотреть кинетику растворения единичной сферы в широком диапазоне чисел Рейнольдса, начнем с его значения Re = 0. В этом случае жидкость, окружающая сферу, неподвижна. Результат решения дифференциального уравнения диффузии без конвективных членов принимает наиболее простую форму

(1.25)(1.25)Nu = 2

(1.25)

(1.25)

Пусть теперь течение жидкости около сферы характеризуется условиями Re <1, по Ре》1. Такие условия возможны, так как ре = PrRe, а критерий Рг для диффузии в жидкостях составляет величину Рг = 103 — 106. Как мы уже отмечали, при Ре》1 на поверхности тела возникает диффузионный слой. Скоростной пограничный слой в рассматриваемых условиях отсутствует, а распределение скоростей вблизи сферы соответствует уравнению Стокса [122]. Приведенный ниже результат получен одним из нас в 1952 г. [51： _ 一

Nu = 0,99 ^TF 声 Re (I.26>

Более точное решение гидродинамической задачи [43] позволило получить критериальные уравнения, которые можно использовать при значениях чисел Re, несколько превышающих единицу [8, 2221

/1317\2/3

Nu = 0.99 声玩，京—-——#——=(1.27)

■壶Re

Nu=0,99V?FV章(N』Re +q|o-Re2 In Re)(1.28)

Попытки аналитического продвижения в область Re》1 наталкивались на серьезные трудности. Уже при Re = 16 позади сферы скорость vx меняет свой знак. Визуализация течения позади сферы указывает на возникновение вихревого кольца, свойства которого в настоящее время подробно изучены [43, 246]. С увеличением числа Рейнольдса размеры вихревого кольца увеличиваются; при Re = = 150 оно теряет стабильность и начинает осциллировать. Начиная с Re = 500, наблюдается отрыв колец от кормовой части сферы II их движение вниз по потоку. Во фронтальной части сферы движение жидкости является устойчивым. Распределение скоростей здесА соответствует представлению о ламинарном пограничном слое. Методы расчета толщины этого слоя и распределения скоростей в нем хорошо разработаны [122]. Применение уравнений (1.18) и (1.22) приводит к определению массового потока — цели, которая достижима в отношении передней половины сферы. Впоследствии возникла тенденция распространить полученную описанным способом закономерность на всю поверхность шара. Так появился известный результат [5, 145, 169]:_

Nu = Z ^Рг /Йё(1.29)

где 4 = 0,8-0,95.

Уравнение (1.29) удовлетворительно объясняет опытные данные в диапазоне Re = 102 — 104 [5, 233, 242, 244].

^『наиителъны而 интерес представляет угловое распределение ко- эФфициента скорости растворения и убыли массы вещества по

Рис. 1.4. Изменение @ормы и размеров растворимых сферических образцов из KNO3 и NaCl (а) и распределение убыли вещества за время растворения, найденное в результате теоретического расчета (6).Рис. 1.4. Изменение @ормы и размеров растворимых сферических образцов из KNO3 и NaCl (а) и распределение убыли вещества за время растворения, найденное в результате теоретического расчета (6).

Рис. 1.4. Изменение @ормы и размеров растворимых сферических образцов из KNO3 и NaCl (а) и распределение убыли вещества за время растворения, найденное в результате теоретического расчета (6).

Рис. 1.4. Изменение @ормы и размеров растворимых сферических образцов из KNO3 и NaCl (а) и распределение убыли вещества за время растворения, найденное в результате теоретического расчета (6).

поверхности сферы [5]. На рис. 1.4 изображены тела вращения, обра

зовавшиеся в результате растворения шаров из прессованных порошков KNO3 и NaCL До растворения диаметр сферических образ

цов совпадал с диаметром железного шаблона. Растворение происходило вследствие обтекания

направленным потоком жидкости (направление указано стрелкой) при числах Рейнольдса, приведенных на рисунке.

С увеличением углового расстояния от передней крити- ческой точки К коэффициент скорости растворения и соответственно убыль вещества уменьшаются вплоть до характерного кольцевого выступа а. Это объясняется утолщением в этом диапазоне диффузионного слоя. Справа на рис. L4 показана убыль вещества, теоретически рассчитанная для фронтальной части сферы [5]. Рисунок отчетливо иллюстрирует большую активность фронтальной части сферы по сравнению с активностью кормовой части. Однако с увеличением числа Рейнольдса роль кормовой части сферы увеличивается и при Re > 104 становится преобладающей.

Гидродина мику за сферой экспериментально изучали Ли и Берроу [240], которые установили существование пограничного слоя, подобного ламинарному, при Re = 60 — 410. На этом основании для кормовой части сферы постулировалась зависимость Nu 〜Rem при т = 0,5, подтверждающая правомерность уравнения (1.29).

В других исследованиях [234, 241] для условий за сферой были найдены значения т = 0,9. Предполагается, что причиной этого является турбулизация пограничного слоя за сферой, в то время как на фронтальной части течение в пограничном слое является ламинарным. Указанное обстоятельство побудило исследователей конструировать двучленные

критериальные уравнения, примером которых является уравнение

(1.30)(1.30)Nun^宣(0,51Re0,5 + 0,0224Re0,78)

(1.30)

(1.30)

ПрИГодиое в диапазоне Re = 200 — 200 000.

д0 спх пор мы рассматривали массообмен между м<идкостью п плохо обтекаемыми телами. Обтекание таких тел потоком жидкости обычно сопровождается отрывом пограничного слоя и образованием вихревой зоны позади тела. Это необычайно осложняет анализ н расчет переноса вещества. Поэтому наибольшие успехи в развитии теории массообмена достигнуты применительно к безотрывным течениям. Класс течений такого рода довольно широк; в него входит движение жидкости по трубе, а также движение жидкости, побуждаемое вращением цилиндра или диска. Растворение материала трубы движущейся по ней жидкостью встречается в технике растворения [19]. Последовательная теория развита в работах Т. С. Корниенко [104]. Для условий развитого диффузионного слоя при Рг》1 и турбулентном движении жидкости по трубе получен следующий результат:

(1.31)(1.31)(1.32)(1.32)(1.33)(1.33)Nu = 0,li5Pr1/4Re

(1.31)

(1.31)

(1.32)

(1.32)

(1.33)

(1.33)

где Cf — коэффициент трения.

Для условий начального диффузионного участка трубы

Nucp = 0,115Pr1/*Re V 矍 卜th (1,17沙巾'

玩=2,1 • 10-3Pr-'/4Re

При больших значениях отношения длины к диаметру Ltd уравнение (L32) переходит в (1.31). С учетом (1.33) величина начального участка определится выражением

(1.34)

при этом Nucp/Nu 〜=1,05.

Обратимся снова к условиям Re = 0; в соответствии с выраже- нпем (1.25) этим условиям отвечает уравнение Nu = 2. Однако подавляющее число экспериментальных данных указывает на значения Пи，гораздо превышающие это число. Причиной этого является воз- “"кновение движения в слоях жидкости, примыкающих к поверх- ностц частицы, под влиянием разности удельных весов раствора у по- [ерхности н раствора вдалеке от нее — то, что мы называем естест- енной конвекцией. Для одиночной сферической частицы, растворя-

югцепся в спокойной жидкости, получено критериальное уравнение1 (17, 18]—

Nu = 0,6^pFGi(1.35)

где сPs — Р g"3

PrGr=к(1.36)，

Ps — плотность насыщенного раствора у поверхности сферы; р — плотность в основной массе жидкости.

Рис. 1.5. Растворение одиночной с^еры в условиях естественной конвекции：' I — данные Г. А. Аксельруда, KNO3 ——вода; 2 — данные Гарнера и Гоффмана, бензойная кислота — вода; 3 — то же, салициловая кислота — бензол; 4 — то же, |янтарная] кислота ——бутанол.

Опытные данные 117, 18, 232, 236] подтверждают результат (1.35) в диапазоне 106 <Pr Gr <1010 (рис. 1.5). При PrGr〉1Ю10 следует ожидать перехода к другой зависимости:

Nu = 0,135 {<PrG? (1.37)

На рис. 1.6 представлены опытные данные ряда исследователей по кинетике растворения одиночной сферы в условиях вынужденной конвекции [5, 232, 233, 242, 244]. Как видно из этого рисунка, при числах Re & 100 подтверждаются уравнения типа (1.29). В диапазоне чисел Рейнольдса 1 <Re <20 уравнения типа (1.29) не подтверждаются. Это объясняется тем, что в указанном диапазоне чисел определяющую роль играет естественная конвекция.

Действительно, мы располагаем опытными данными Гарнера и Гоффмана [236] по растворению бензойной кислоты в воде как в условиях обтекания, так и в спокойной жидкости при одинаковых температуре, диаметре образца, критерии Рг = 788. Для растворения в спокойной жидкости получено значение Nu = 52. Если бы естественной конвекции не было, то при обтекании в условиях Re = 1 и Nu = 0,99 声屈声7n 9,1 1см. формулу (1.26)], что гораздо меньше. Становится также понятным образование двух ветвей 7 и 8 на рис. 1.6, так как коэффициент скорости растворения должен быть выше для нисходящего потока (кривая 7), чем для восходящего (кривая 8).

Мз сказанного, однако, не следует, что уравнения (1.26)—(1.28) не могут найти применения. При растворении мелких частиц в растворах высокой концентрации вынужденная конвекция может сыграть большую роль, чем естественная, даже при малых числах Рейнольдса.

Таким образом, для разных диапазонов чисел Re наблюдаются различные закономерности, поэтому понятно стремление исследователей получить единое уравнение для широких пределов применения.

Рис. L6. Опытные данные по кинетике растворения одиночной сферы:Рис. L6. Опытные данные по кинетике растворения одиночной сферы:7|— данные Аксельруда, KN08 — вода; 2 — данные Мак Кюнэ и Вильгельма» р-нафтол — вода; J ——данные Гарнера и Графтона, бензойная кислота — вода; 4 — данные Стейнбергера и Трейбала, бензойная кислота — вода; 5 ——данные Гарнера и Гоффмана, бензойная кис- лога —вода; 6 — соответствует уравнению (1.29) при Д = 0,8; 7, 8 — нисходящий и восходящий потоки.7|— данные Аксельруда, KN08 — вода; 2 — данные Мак Кюнэ и Вильгельма» р-нафтол — вода; J ——данные Гарнера и Графтона, бензойная кислота — вода; 4 — данные Стейнбергера и Трейбала, бензойная кислота — вода; 5 ——данные Гарнера и Гоффмана, бензойная кис- лога —вода; 6 — соответствует уравнению (1.29) при Д = 0,8; 7, 8 — нисходящий и восходящий потоки.

Рис. L6. Опытные данные по кинетике растворения одиночной сферы:

Рис. L6. Опытные данные по кинетике растворения одиночной сферы:

7|— данные Аксельруда, KN08 — вода; 2 — данные Мак Кюнэ и Вильгельма» р-нафтол — вода; J ——данные Гарнера и Графтона, бензойная кислота — вода; 4 — данные Стейнбергера и Трейбала, бензойная кислота — вода; 5 ——данные Гарнера и Гоффмана, бензойная кис- лога —вода; 6 — соответствует уравнению (1.29) при Д = 0,8; 7, 8 — нисходящий и восходящий потоки.

7|— данные Аксельруда, KN08 — вода; 2 — данные Мак Кюнэ и Вильгельма» р-нафтол — вода; J ——данные Гарнера и Графтона, бензойная кислота — вода; 4 — данные Стейнбергера и Трейбала, бензойная кислота — вода; 5 ——данные Гарнера и Гоффмана, бензойная кис- лога —вода; 6 — соответствует уравнению (1.29) при Д = 0,8; 7, 8 — нисходящий и восходящий потоки.

Первая попытка такого рода представлена классом уравнений типа

Nu = 2+Z 中而/Йё(1.38)

причем по данным [235] величина Л = 0,95. Идея, заложенная в это уравнение, заключается в результате Nu = 2 при Re = 0, в то время как при больших значениях Re двойка практически не влияет на определяемые значения Nu.

Такой подход может вызвать возражение по крайней мере по пвум пунктам. Во-первых, может возникнуть иллюзия правомер- ностн уравнения (1.38) при малых числах Рейнольдса; во-вторых, как мы знаем, при Re->0 величина Nu стремится не к двум, а его значениям в условиях естественной конвекции. В работе [233], например, получаем результат

Nu=44+0,48/?Р /Re

(Т.39)23(Т.39)23В связи с этим большое внимание заслуживает обобщение Nu = 2+0,569 (PrGr)0,23+0,347 (Re /Рг)0-62

(Т.39)

23

(Т.39)

23

•Sora I qKG •JsnD 6 史 Ob 丨0c -Bnoa — oaHOI'oszeN ож Ob I «FOHIOmg • -dwua - SSXMO* 。曰 I 9 -SOB I ©«ffio^ •*oomg 6% 01 — g 首08 I SSRCT子 Oil p ЙИОН —OBN s* OH — 2 rtHOH I IOM COJOHUHOH 良m A •<■ §KS8 I w rtnoa —OBNrtIfAaqlfao •x<-・v .J 03tett§ 丨 r:^фзйл^ фйиняно^ &Hortp ивй гнфпттнttHHodoHILOEa вн 016H0H ・8・I ・。0d•Sora I qKG •JsnD 6 史 Ob 丨0c -Bnoa — oaHOI'oszeN ож Ob I «FOHIOmg • -dwua - SSXMO* 。曰 I 9 -SOB I ©«ffio^ •*oomg 6% 01 — g 首08 I SSRCT子 Oil p ЙИОН —OBN s* OH — 2 rtHOH I IOM COJOHUHOH 良m A •<■ §KS8 I w rtnoa —OBNrtIfAaqlfao •x<-・v .J 03tett§ 丨 r:^фзйл^ фйиняно^ &Hortp ивй гнфпттнttHHodoHILOEa вн 016H0H ・8・I ・。0dВ。 многих случаях появление скорости °6те・ каНия обусловлено инерционными свойств а ми твердой частицы. Это происходит тогда, когда твердая частица участвует в потоке жидкости, изменяющим направление или величину скорости, или же переходит из одного потока (I) в другой поток (II), причем каждый из этих потоков характеризуется своим вектором скорости. Попав в поток I, твердая частика не сразу приобретает характерную для него скорость. При интенсивном перемешивании твердая частица из потока I перейдет в поток II раньше, чем она приобретет скорость, характерную для потока I.Таким образом, формируется переменная во времени скорость обтекания. Аналогичные гидродинамические условия создаются и тогда, когда частица весьма малых размеров участвует в турбулентном потоке жидкости, Даже если осредненная скорость этого потока постоянна по величине и направлению. В этом случае Р°ль потоков I и II играют турбулентные пульсации. Сложность рассмотрения такпх процессов заключа- ется в том, что они яв- ляются нестационарными в гидродинамическом и ДпффуЭИОННОМ отноше- Нпях- Это означает, что на поверхности растворн-В。 многих случаях появление скорости °6те・ каНия обусловлено инерционными свойств а ми твердой частицы. Это происходит тогда, когда твердая частица участвует в потоке жидкости, изменяющим направление или величину скорости, или же переходит из одного потока (I) в другой поток (II), причем каждый из этих потоков характеризуется своим вектором скорости. Попав в поток I, твердая частика не сразу приобретает характерную для него скорость. При интенсивном перемешивании твердая частица из потока I перейдет в поток II раньше, чем она приобретет скорость, характерную для потока I.Таким образом, формируется переменная во времени скорость обтекания. Аналогичные гидродинамические условия создаются и тогда, когда частица весьма малых размеров участвует в турбулентном потоке жидкости, Даже если осредненная скорость этого потока постоянна по величине и направлению. В этом случае Р°ль потоков I и II играют турбулентные пульсации. Сложность рассмотрения такпх процессов заключа- ется в том, что они яв- ляются нестационарными в гидродинамическом и ДпффуЭИОННОМ отноше- Нпях- Это означает, что на поверхности растворн-、zm $ н s z sI I i I I I I I •OV，口・口X、zm $ н s z sI I i I I I I I •OV，口・口X&&33

•Sora I qKG •JsnD 6 史 Ob 丨0c -Bnoa — oaHOI'oszeN ож Ob I «FOHIOmg • -dwua - SSXMO* 。曰 I 9 -SOB I ©«ffio^ •*oomg 6% 01 — g 首08 I SSRCT子 Oil p ЙИОН —OBN s* OH — 2 rtHOH I IOM COJOHUHOH 良m A •<■ §KS8 I w rtnoa —OBNrtIfAaqlfao •x<-・v .J 03tett§ 丨 r

:^фзйл^ фйиняно^ &Hortp ивй гнфпттнttHHodoHILOEa вн 016H0H ・8・I ・。0d

•Sora I qKG •JsnD 6 史 Ob 丨0c -Bnoa — oaHOI'oszeN ож Ob I «FOHIOmg • -dwua - SSXMO* 。曰 I 9 -SOB I ©«ffio^ •*oomg 6% 01 — g 首08 I SSRCT子 Oil p ЙИОН —OBN s* OH — 2 rtHOH I IOM COJOHUHOH 良m A •<■ §KS8 I w rtnoa —OBNrtIfAaqlfao •x<-・v .J 03tett§ 丨 r

:^фзйл^ фйиняно^ &Hortp ивй гнфпттнttHHodoHILOEa вн 016H0H ・8・I ・。0d

В。 многих случаях появление скорости °6те・ каНия обусловлено инерционными свойств а ми твердой частицы. Это происходит тогда, когда твердая частица участвует в потоке жидкости, изменяющим направление или величину скорости, или же переходит из одного потока (I) в другой поток (II), причем каждый из этих потоков характеризуется своим вектором скорости. Попав в поток I, твердая частика не сразу приобретает характерную для него скорость. При интенсивном перемешивании твердая частица из потока I перейдет в поток II раньше, чем она приобретет скорость, характерную для потока I.

Таким образом, формируется переменная во времени скорость обтекания. Аналогичные гидродинамические условия создаются и тогда, когда частица весьма малых размеров участвует в турбулентном потоке жидкости, Даже если осредненная скорость этого потока постоянна по величине и направлению. В этом случае Р°ль потоков I и II играют турбулентные пульсации. Сложность рассмотрения такпх процессов заключа- ется в том, что они яв- ляются нестационарными в гидродинамическом и ДпффуЭИОННОМ отноше- Нпях- Это означает, что на поверхности растворн-

В。 многих случаях появление скорости °6те・ каНия обусловлено инерционными свойств а ми твердой частицы. Это происходит тогда, когда твердая частица участвует в потоке жидкости, изменяющим направление или величину скорости, или же переходит из одного потока (I) в другой поток (II), причем каждый из этих потоков характеризуется своим вектором скорости. Попав в поток I, твердая частика не сразу приобретает характерную для него скорость. При интенсивном перемешивании твердая частица из потока I перейдет в поток II раньше, чем она приобретет скорость, характерную для потока I.

Таким образом, формируется переменная во времени скорость обтекания. Аналогичные гидродинамические условия создаются и тогда, когда частица весьма малых размеров участвует в турбулентном потоке жидкости, Даже если осредненная скорость этого потока постоянна по величине и направлению. В этом случае Р°ль потоков I и II играют турбулентные пульсации. Сложность рассмотрения такпх процессов заключа- ется в том, что они яв- ляются нестационарными в гидродинамическом и ДпффуЭИОННОМ отноше- Нпях- Это означает, что на поверхности растворн-

、zm $ н s z s

I I i I I I I I •OV，口・口X

、zm $ н s z s

I I i I I I I I •OV，口・口X

&

&

3

3

Следует указать, что аддитивные операции, с помощью которых получены формулы (1.38) и (1.39), придают .им условный характер и снижают их теоретическую ценность.

В ряде случаев в процессе растворения твердая частица участвует в прямолинейном и равномерном потоке жидкости. Если бы плотность частицы не отличалась от плотности жидкости, то частица приобретала бы скорость, не отличимую от скорости жидкости. Различие плотностей частицы (рт) и жидкости (р) приводит к возник

новению скорости относительного движения, величина которой определяется обобщенным уравнением:

Re=/(Ar)(L4。)

где

.Рт —Р gd3

Функция / обычно представляется интерполяционной формулой Тодеса [35]:

. Аг

18 + 0,61 /Аг

Подстановка этого значения Re в (L30) приводит к линейной зависимости Nu = / (Аг) в логарифмических координатах с тангенсом угла наклона, приблизительно равным 嶋(рис. L7).

Таким образом, для практически важного диапазона чисел Архимеда можно принять осредненную зависимость

Nu=B(PrAr)I/s(1.41)

где В = 0,28.

которая была предложена в 1953 г. Г. А. Аксельрудом и, независимо от него, А. Б. Здановским [76, 6].

Из уравнения (1.41) вытекает свойство автомоде л ьности (незави- симости коэффициента скорости растворения от размера частицы). Это свойство позволяет для данного режима считать К = const для каждого момента растворения. На рис. 1.8 приведены опытные результаты по растворению различных минеральных солей во взвешенном состоянии. Результат (1.41) в общем подтверждается опытом: В ~ 0,3 незначительно отличается от теоретической величины.

ющегося тела возникают переменные во времени скоростной и диффузионный слой и, следовательно, переменный во времени коэффициент скорости растворения.

Обычно для расчета коэффициента скорости растворения используют метод, основанный на представлении о квазистационарном процессе. Сущность метода состоит в том, что применяют уравнения, обоснованные для стационарных процессов, для оценки кинетики растворения в нестационарных условиях. Если коэффициент К изменяется от минимального до максимального значения, то выполняют осреднение за период, в течение которого происходит это изменение. Этот коэффициент и является характеристикой кинетики.

Теоретически возможны и практически найдены такие случаи растворения, при которых скорость растворения лимитируется не диффузией, а скоростью межфазового перехода вещества в раствор [76]. В других случаях межфазовый переход вещества может играть роль осложняющего фактора в диффузионном растворении. М. В. Товбину и А. Б. Здановскому [76, 193] принадлежит современная интерпретация такой усложненной кинетики, в соответствии с которой общее сопротивление переходу вещества в раствор складывается из двух сопротивлений

1 . {

Коб = ~KR + Т (1/2)

где KR — константа скорости меж^азового процесса; К — коэффициент мас- соотдачи.

В соответствии с уравнением (L42) диффузионное растворение реализуется при i/KR《ПК, т. е. при больших скоростях межфазового процесса. При i/KR》1/К скорость процесса лимитируется межфазовым процессом. Возможны и промежуточные случаи, когда скорости обоих процессов сравнимы по величине.

Константа KR зависит от температуры, но не зависит от скорости w. Константа К, как нам известно, зависит от гидродинамики. В условиях обтекания частицы со скоростью w К 〜wm и '

11КобКоб1( const衣г十"m1( const衣г十"m(1.43)(1.43)

1

1

Коб

Коб

1( const

衣г十"m

1( const

衣г十"m

(1.43)

(1.43)

Уравнение (1.43) указывает на способ определения лимитирующей стадии растворения по экспериментально установленной зависимости 芻6 от скорости обтекания частицы жидкостью (рис. 1.9). Другой способ описан в разд. L5.

До сих пор проведено сравнительно мало исследований, устанавливающих влияние таких факторов, как шероховатость поверхности растворяющихся частиц, динамическое действие потока жидкости на поверхность растворения. Возможно, что эти факторы способствуют так называемому субмикронному распаду растворяющихся тел [76], т. е. такому растворению, при котором от твердого тела от- щепляются частицы микроскопических размеров.

Растворение сопровождается тепловым эффектом положительным П1И отрицательным, влияние которого на кинетику следует устано- впть# Выделение или поглощение тепла приведет к увеличению или уменьшению температуры вблизи растворяющегося объекта. Вследствие этого претерпят изменение физические константы — вязкость и коэффициент диффузии. Если процесс протекает в кинетической области, то существенно изменяется константа KR скорости растворения. Выделяющееся в результате растворения тепло неравномерно распределяется между жидкостью и твердой частицей. Подавляющее количество тепла переходит в жидкость. Во многих случаях это можно объяснить плохой теплопроводностью веществ.

рис. 1.9. К определению лимитирующей стадии в кинетике растворения:

1 — кинетический (межфаэовый) процесс; 2 — диффузионно-кинетический процесс; 3 — диффузионный процесс. 、

переходящих в раствор, и высокой теплоотдачей. Однако и в случае хорошей теплопроводности растворяющегося вещества оно быстро прогревается до некоторой стационарной температуры и перестает воспринимать тепло.

Обозначим 7м и ；q соответственно плотности потоков вещества и тепла; q ——тепловой эффект растворения. Тогда

Ь = 9 喘Г так как.

，м = К (Cs—Cj и % = а(Тп—ТО

где а — коэффициент теплоотдачи； Тп — температура на поверхности объекта Г】—температура в основной массе жидкости.

Отсюда вытекает

Tn-Ti К

Правую часть этого уравнения можно преобразовать, используя однотипные критериальные зависимости

礬〜^/^必岩；о±_ух_~у-^

rye 九 一 коэффициент теплопроводности жидкости; а — коэффициент темпера— т Уропроводности жидкости а =九/с「р; ср — удельная теплоемкость жидкости; Р — плотность жидкости..

Так как гидродинамика, определяющая коэффициентъг К п d, одинакова, то из приведенных критериальных уравнений вытекает ври wd/v = const

'а \ a J срр

Это уравнение отличается от известного уравнения Льюиса

К 1

"0"—石 P

множителем ①]*^. для идеальных газов D ~ а, и оба уравнения становятся тождественными. Для условий диффузии и теплоотдачи в жидкостях D/a 〜10~*2, и предложенное уравнение дает результат, отличный от результата, полученного по уравнению Льюиса. В окончательной форме изменение температуры вблизи поверхности растворения составит

к — Lu / з q —GCpp

где Lu =刀/a — критерий Лыкова.

Величины, входящие в правую часть этого уравнения, зависят от температуры Т”, определение которой представляет известные трудности. При малых АТ = Zn — 7\ можно брать величины, входящие в правую часть при 2\. Рассмотрим растворение LiCl в воде при Т* = 298 К. Для этой системы Q = 370 кг/м3; q = 0,875 X X 106 Дж/кг; D = 1,37 -10-9 м2/с; а = 1,46 *10~7 м2/с; ср = 4,19 X X 10s Дж/(кг -К); р = 10s кг/м3; & = 0

… с 八0,875 • 406 7 4,37 ・ 40-9 V/s

А7 = 370・—.юз. юз ( ]&б • IO” )=3,4К

Таково повышение температуры вблизи поверхности растворения LiCl.

Следует отметить, что в рассмотренном примере величина тепло- вогр эффекта очень велика. При растворении большинства солей величина АТ не превышает 1К и, следовательно, влиянием локального повышения температуры на кинетику можно пренебречь. Для химического растворения локальное повышение температуры А? может составить величину, гораздо большую, чем для физического растворения. Учет влияния этого повышения становится необходимым.

Рассмотрим теперь повышение температуры 7\ в основной массе жидкости, в которую переносится тепло от поверхностей растворения. Изменение этой температуры можно легко рассчитать

cpWp (Ti—To) = Moq・ q方一7。1 =

где 7Ио — масса растворившегося вещества; W — объем жидкости; То — начальная температура жидкости.

Расчет по этой формуле показывает, что повышение температуры раствора мо;кет быть значительным. Так, при образовании насыщен- нок)раствора LiCl температура может повышаться на 70 К, если н процессе растворения тепло не отводится.

КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКОГО РАСТВОРЕНИЯ

Растворение без образования новой фазы

СТвия икислов и гидроокисей металлов сСТвия икислов и гидроокисей металлов с44концентраций реагирующих веществ и продуктовконцентраций реагирующих веществ и продуктовРис. 1.10. Распределение реакции：Рис. 1.10. Распределение реакции：а ——общий случай; б — быстрая реакция на поверхности; в—твердое вещество растворяется в жидкости, лишенной реагента.а ——общий случай; б — быстрая реакция на поверхности; в—твердое вещество растворяется в жидкости, лишенной реагента.%%К числу процессов такого рода относятся химические взаимодей- кислотами. На рис. 1.10

СТвия икислов и гидроокисей металлов с

СТвия икислов и гидроокисей металлов с

4

4

концентраций реагирующих веществ и продуктов

концентраций реагирующих веществ и продуктов

Рис. 1.10. Распределение реакции：

Рис. 1.10. Распределение реакции：

а ——общий случай; б — быстрая реакция на поверхности; в—твердое вещество растворяется в жидкости, лишенной реагента.

а ——общий случай; б — быстрая реакция на поверхности; в—твердое вещество растворяется в жидкости, лишенной реагента.

%

%

схематически представлены распределения концентраций реагирующих веществ и продуктов реакции вблизи поверхности R. Принятые обозначения соответствуют реакции

K+A=B-\-W

где К — твердое вещество； Л — реагент в растворе; В — продукты реакции, растворимые в воде; W — вода.

Скорость процесса, определяемая как масса вещества К, покидающего твердую фазу в единицу времени с единицы поверхности Я, пропорциональна концентрации реагента вблизи поверхности Car (рис. 1.10, а). Эта скорость должна быть обеспечена доставкой реагента Л к поверхности реакции. Таким образом

、(1.44)、(1.44)(1.45)(1.45)dMС& 一°ar

、(1.44)

、(1.44)

(1.45)

(1.45)

—TdT = mKRCAR = m6-

「Re m — стехиометрический коэффициент пересчета.

Пэ этих уравнений вытекает

£ar^ca

При К叔Da《 1； САц = СА ~ кинетический режим. При Kr6/Da》1； Car = 0 — диффузионный режим (рис. [.10, 6). Так как толщина диффузионного слоя б зависит от скорости движения жидкости относительно твердого тела, по влиянию скорости жидкости на константу процесса можно судить о механизме (один способ) процесса. Другой способ заключается в следующем: для условий кинетического режима легко получить из уравнения (1.44) зависимость

1-Ф=^-(1.46)

где <р = 〃1о；厶 н Z — размер частиц до растворения и в момент времени £； Ts — время полного растворения.

Для условий диффузионного режима при обтекании неподвижной частицы потоком жидкости

1一9* =号(1.47)

Это уравнение получено интегрированием уравнения (1.44) с учетом зависимости 6 от размера I; 8 〜]/Т(см. раздел 1.3). Таким образом, определение механизма растворения сводится к сопоставлению экспериментальных данных с двумя разнородными по конфигурации кривыми (рис. 1.11). На рис. 1.10, 8 представлена схема еще одного варианта химического растворения, когда твердое вещество растворяется в жидкости даже в отсутствие реагента. Появление реагента в растворе ускоряет растворение, так как при этом возрастает градиент концентрации Ск. Более подробно этот случай рассмотрен на примере растворения бензойной кислоты в растворе щелочи [104].

Растворение с образованием новой твердой фазы

Реакции такого рода можно классифицировать следующим образом:

реакции, при которых выделяющаяся твердая фаза немедленно удаляется с поверхности растворения. В этом случае скорость рас- 30

творения остается постоянной (разумеется, при постоянных поверх- ностп растворения и концентрации реагента в растворе);

реакции, при которых выделяющиеся твердые продукты образуют пленку с постоянной по высоте пористостью, плотно связанную с исходным твердым материалом. С ходом процесса толщина пленки возрастает, а скорость процесса падает;

реакции, при которых образующаяся твердая фаза кристаллизуется в растворе, что обусловлено его пересыщением. Появляющиеся кристаллы могут оседать на поверхность растворяющегося вещества, уменьшая ее свободную часть. Экранирование поверхности тем значительнее, чем больше концентрация твердых частиц в растворе.

дуктов реакции.дуктов реакции.Рис. 1.12. Поле концентраций при растворении твердого тела с образованием пористой пленки из про

дуктов реакции.

дуктов реакции.

Рассмотрим два последних случая, представляющих наибольший интерес.

На рис. 1.12 изображено поле концентраций при растворении тела N с образованием твердых продуктов реакции в виде пленки с постоянной пористостью. Для установившегося процесса справедливы следующие уравнения:

=KG一C五)=苛(〃一%)=弓/(1.48)

Z! lI — L

где К — коэффициент массоотдачи; Dh 一 коэффициент массопроводности пористой пленки;衣几一коэффициент скорости реакции; цифрами 1,2 и 3 отмечены потоки вещества соответственно к поверхности пленки, через пленку и к поверхности реакции； М — масса реагента, подводимого к поверхности реакции

dM = phF dhm (1.49)

Рй — плотность материала пленки； т — стехиометрический коэффициент пересчета, равный отношеншо эквивалентных масс реагента и продуктов реакции.

В результате подстановки в (1.48) и последующего интегрирования придем к зависимости, определяющей толщину пленки как функ

цию временицию времени品十（++吉卜=盆品十（++吉卜=盆(1.50)(1.50)

цию времени

цию времени

品十（++吉卜=盆

品十（++吉卜=盆

(1.50)

(1.50)

В условиях, при которых К ->s (конвективная диффузия интенсивна) и KR —> s (быстрая реакция на поверхности R)

(L51)(L51)无2 _%2% — mph

(L51)

(L51)

сферический слой.сферический слой.Рис. 1.13. Схема растворения 吸ери^ ческой частицы с образованием сфе« рического слоя из продуктов реакции. JРис. 1.13. Схема растворения 吸ери^ ческой частицы с образованием сфе« рического слоя из продуктов реакции. JСистема уравнений, определяющих кинетику процесса, имеет вид (рис. 1.13)「-礬="(%，『(L52|С = С]呼——F(1.53)ro Ап44；■у n (碣一噺 рп =血丁冗(R3 —喲 Рт(1.54)где n — стехиометрический коэффициент пересчета от исходного вещества* к реагенту; F = 4冗];Dn — коэффициент диффузии реагента в пористой среде П; С — концентрация реагента; А — первоначальный радиус частицы; 7?п — радиус пористого сферического образования; т —— стехиометрический коэффициент пересчета от пористого материала П к исходному веществу N.Система уравнений, определяющих кинетику процесса, имеет вид (рис. 1.13)「-礬="(%，『(L52|С = С]呼——F(1.53)ro Ап44；■у n (碣一噺 рп =血丁冗(R3 —喲 Рт(1.54)где n — стехиометрический коэффициент пересчета от исходного вещества* к реагенту; F = 4冗];Dn — коэффициент диффузии реагента в пористой среде П; С — концентрация реагента; А — первоначальный радиус частицы; 7?п — радиус пористого сферического образования; т —— стехиометрический коэффициент пересчета от пористого материала П к исходному веществу N.Уравнение (1.52) определяет количество вещества ^, реагирующее с реагентом А, диффундирующим через пористую структуру П. Уравнение (1.53) показывает распределение концентраций реагента' в среде П. Наконец, уравнение (1.54) отвечает материальному балансу исходного вещества и твердых продуктов реакции. Интегрирование системы (1.52)—(1.54) приводит к следующему результату:Уравнение (1.52) определяет количество вещества ^, реагирующее с реагентом А, диффундирующим через пористую структуру П. Уравнение (1.53) показывает распределение концентраций реагента' в среде П. Наконец, уравнение (1.54) отвечает материальному балансу исходного вещества и твердых продуктов реакции. Интегрирование системы (1.52)—(1.54) приводит к следующему результату:1-фЧ1-фЧ4 — [а+(1 — а) срз]'"—4 — [а+(1 — а) срз]'"—а—1а—12DnnCi2DnnCiгдегде〃2рТ〃2рТ(1.55)(1.55)Е Г°・a —a%Е Г°・a —a%Рт а = тРп_2%"с1力Рт а = тРп_2%"с1力(1.56)4(1.56)4Ts — время полного растворения (屮=0).32Ts — время полного растворения (屮=0).32

сферический слой.

сферический слой.

Рис. 1.13. Схема растворения 吸ери^ ческой частицы с образованием сфе« рического слоя из продуктов реакции. J

Рис. 1.13. Схема растворения 吸ери^ ческой частицы с образованием сфе« рического слоя из продуктов реакции. J

Система уравнений, определяющих кинетику процесса, имеет вид (рис. 1.13)

「-礬="(%，『(L52|

С = С]呼——F(1.53)

ro Ап

44；

■у n (碣一噺 рп =血丁冗(R3 —喲 Рт(1.54)

где n — стехиометрический коэффициент пересчета от исходного вещества* к реагенту; F = 4冗];Dn — коэффициент диффузии реагента в пористой среде П; С — концентрация реагента; А — первоначальный радиус частицы; 7?п — радиус пористого сферического образования; т —— стехиометрический коэффициент пересчета от пористого материала П к исходному веществу N.

Система уравнений, определяющих кинетику процесса, имеет вид (рис. 1.13)

「-礬="(%，『(L52|

С = С]呼——F(1.53)

ro Ап

44；

■у n (碣一噺 рп =血丁冗(R3 —喲 Рт(1.54)

где n — стехиометрический коэффициент пересчета от исходного вещества* к реагенту; F = 4冗];Dn — коэффициент диффузии реагента в пористой среде П; С — концентрация реагента; А — первоначальный радиус частицы; 7?п — радиус пористого сферического образования; т —— стехиометрический коэффициент пересчета от пористого материала П к исходному веществу N.

Уравнение (1.52) определяет количество вещества ^, реагирующее с реагентом А, диффундирующим через пористую структуру П. Уравнение (1.53) показывает распределение концентраций реагента' в среде П. Наконец, уравнение (1.54) отвечает материальному балансу исходного вещества и твердых продуктов реакции. Интегрирование системы (1.52)—(1.54) приводит к следующему результату:

Уравнение (1.52) определяет количество вещества ^, реагирующее с реагентом А, диффундирующим через пористую структуру П. Уравнение (1.53) показывает распределение концентраций реагента' в среде П. Наконец, уравнение (1.54) отвечает материальному балансу исходного вещества и твердых продуктов реакции. Интегрирование системы (1.52)—(1.54) приводит к следующему результату:

1-фЧ

1-фЧ

4 — [а+(1 — а) срз]'"—

4 — [а+(1 — а) срз]'"—

а—1

а—1

2DnnCi

2DnnCi

где

где

〃2рТ

〃2рТ

(1.55)

(1.55)

Е Г°・

a —a%

Е Г°・

a —a%

Рт а = т

Рп

_2%"с1力

Рт а = т

Рп

_2%"с1力

(1.56)4

(1.56)4

Ts — время полного растворения (屮=0).

32

Ts — время полного растворения (屮=0).

32

Рассмотрим сферическую частицу вещества N, взаимодействуй ющую с раствором реагента А с образованием пористой пленки nJ Принятая математическая модель основывается на допущении о том； что твердые продукты реакции of к л адыв аются на твердой частице J образуя проницаемый

Результаты (1.55) и (1.56) можно объединить:

[a+(4-а)屮3]'%一[a + (4 -a)炉]=丄([方7)

Для этого выражения легко получить крайние значения. При больших а

1_<р2=-2-(1.58)

прн а = 4

1 —Зф2 + 2ф3 = у-(1.59)

(см. рис. 1.14). Уравнение (1.59) широко известно. Оно описывает кинетику извлечения твердой фазы из пористых тел [18, 23]. Укажем

что при а = 1 En = R = const. Установлено, что реакция рассматриваемого типа протекает при взаимодействии хризоколлы CuSiO3- 5Н2О с серной кислотой [10]

CuSiOs - 5H2。+ Н2so4 = C11SO4+ SiO2 + 6H2O

Образующийся гель кремнезема покрывает поверхность твердых частиц хризоколлы пористым сферическим слоем, через который диффундирует серная кислота. На рис. L15 изображены микрофотографии, иллюстрирующие возрастание радиуса Ип частиц хризоколлы. Количественно процесс удовлетв орите л ьно описывается соотношением (1.57).

3333Рассмотрим теперь такие гетерогенные реакции, в результате которых плохо растворимые продукты реакции П выделяются во всем реакционном объеме. Пока вещество П находится в растворе, скорость реакции будет постоянной (при постоянных поверхности Реакции и концентрации реагента). С момента появления в растворе кристаллов вещества П скорость реакции начнет уменьшаться, так как кристаллы, осаждаясь на поверхности реакции, будут частично экра- йировать эту поверхность. С увеличением концентрации кристаллов

33

33

3 Заказ 1159

степень экранизации возрастает. Между частицами, находящимися в растворе, п частицами, осевшими на реакционной поверхности, возникает своеобразное равновесие, зависящее от гидродинамики движения раствора относительно поверхности растворения.

Скорость движения раствора играет здесь такую же роль, как и температура в процессе адсорб- цпи. С увеличением скорости / равновесие смещается в сторону раствора, т. е. число инертных частиц, экранирующих поверхность, уменьшается.

Для объяснения экспериментальных данных по кинетике рас-

Рнс. 1.13. Микрофотографии пре вращения частицы хризоколлы CuSiO3 ■ 5Н2О при взаимодействии С серной кислотойРнс. 1.13. Микрофотографии пре вращения частицы хризоколлы CuSiO3 ■ 5Н2О при взаимодействии С серной кислотойтворения горизонтальной пластины фосфорита в растворе серной кислоты с образованием плохо растворимого сернокислого кальция использована простейшая кривая равновесия [121：

Рнс. 1.13. Микрофотографии пре вращения частицы хризоколлы CuSiO3 ■ 5Н2О при взаимодействии С серной кислотой

Рнс. 1.13. Микрофотографии пре вращения частицы хризоколлы CuSiO3 ■ 5Н2О при взаимодействии С серной кислотой

尸0-尸 源

(L60

где F — свободная поверхность реакции； С” ——концентрация кристаллов экранирующего вещества в растворе; Сп — концентрация, при которой по" верхность реакции полностью закрыта*

Левая часть уравнения (1.60)— степень экранирования. При % = =const и С а — const легко получается согласующееся с опытными данными 112] уравнение кинетики i

Сп-с； \1-е ” / (1.61);

где р — стехиометрический коэффициент пересчета от реагента к инертным твердым продуктам реакции; V — объем раствора.1

Растворение с образованием газообразной фазы]

Взаимодействия такого рода встречаются особенно часто. К их' иислу относятся растворение металлов в кислотах с выделением, водорода, разложение карбонатов кислотами с выделением углекислого газа, разложение сульфитов кислотами с выделением серни- стого газа. Широко распространены процессы взаимодействия твер-

ДЬ1Х гшстпц с жидкостью,, в результате которых выделяются окислы азота, ацетилен, аммиак, сероводород, азот, хлор и другие газы, растворение такого рода изучено сравнительно слабо. В частности, недостаточно изучено влияние выделяющегося газа на скорость

Рис. 1.16. Зависимость коэффициента массоотдачи от концентрации реагента для процессов растворения, сопровождающихся газообразованием.Рис. 1.16. Зависимость коэффициента массоотдачи от концентрации реагента для процессов растворения, сопровождающихся газообразованием.飴丿2〃-2储飴丿2〃-2储Рис. 1.17. Зависимость коэффициента массоотдачи от плотности массового потока для процессов растворения, сопровождающихся газовыделенпем.Рис. 1.17. Зависимость коэффициента массоотдачи от плотности массового потока для процессов растворения, сопровождающихся газовыделенпем.

Рис. 1.16. Зависимость коэффициента массоотдачи от концентрации реагента для процессов растворения, сопровождающихся газообразованием.

Рис. 1.16. Зависимость коэффициента массоотдачи от концентрации реагента для процессов растворения, сопровождающихся газообразованием.

飴丿2〃-2储

飴丿2〃-2储

Рис. 1.17. Зависимость коэффициента массоотдачи от плотности массового потока для процессов растворения, сопровождающихся газовыделенпем.

Рис. 1.17. Зависимость коэффициента массоотдачи от плотности массового потока для процессов растворения, сопровождающихся газовыделенпем.

растворения, между тем это влияние в большинстве случаев является определяющим.

Одним из нас совместно с Л. А. Походенко было обращено внимание на аналогию между рассматриваемым взаимодействием и теплообменом при кипении [13]. Впоследствии эта аналогия была подтверждена и более подробно изучена А. И. Дубыниным, Я. М. Гум- ницким, М. Зелиньски |14—16, 78]. ,

Обратимся к рис. 1.16 и 1.17. На них изображены зависимости коэффициента массоотдачи & (по выделению газовой фазы) от концентрации реагента CR (соляной кислоты) и от плотности массового потока газа (водорода) q「при взаимодействии магния с соляной кислотой по реакции

Mg + 2НС1 = MgCl2 + Н2 (1・ 62)

一 Читатель, знакомый с элементами теории теплообмена, легко оонаружит сходство между графиками на рис. 1.16и 1.17и зависимо- стнмн коэффициента теплоотдачи при кипении а от перегрева жидко- Сти △? и от плотности теплового потока q [114]. В обоих случаях

3* 35

коэффициент переноса с ростом движущей силы возрастает, достигает максимума и затем снижается. Восходящие кривые на графикам рис. 1.16 соответствуют так называемому пузырьковому режимуj С увеличением концентрации реагента увеличивается поток реагент, к поверхности реакции, что приводит к увеличению газовыделенш и более интенсивному перемешиванию жидкого объема пузырькам! газа. При больших движущих силах начинает играть роль изоляции поверхности реакции от жидкого реагента, и скорости процесса уменьшается.

В процессе теплопередачи при кипении на границе твердо1 и жидкой фаз жидкость перегрета; температура на поверхности выше температуры кипения жидкости. В процессе массообмена в условиях химической реакции жидкость на границе фаз пересыщена выделяющимся газом. Однако аналогия между процессам! теплообмена при кипении и массообмена при реакции с газообразованием не является полной, что обусловлено двумя обстоите л ьств ами

в условиях теплообмена может существовать предельный (npi больших движущих силах) пленочный режим, при котором твердая поверхность отделена от жидкости пленкой пара, через которук передается тепло. В условиях массообмена режим такого рода существовать не может, так как это означало бы прекращение контакта твердого вещества с реагентом;

при теплообмене направление движения пузырьков совпадав! с направлением естественной конвекции (снизу вверх). При массооб- мене эти направления противоположны. Действительно, естествен^ ная конвекция побуждается обьгано твердым растворенным продуктом реакции. В примере (1.62) — это растворенный MgCl2- Обогащенный хлористым магнием раствор стекает вниз по поверхности растворяющейся частицы в направлении, противоположном движению пузырьков газа.

Перейдем к установлению количественных соотношений, для этого предварительно сформулируем исходные данные. Итак, твердая сферическая частица радиуса R погружена в спокойную жидкость. На поверхности частицы протекает быстрая реакция в диффузионной области

处+片=口 +f (1.63)

где А — исходное твердое вещество частицы; 7? — реагент в растворе; П — продукт реакции (в растворе); Г ——газообразный продукт реакции (пузырьки).

Используя обозначения реагентов (1.63) в качестве индексов, образуем выражения, определяющие плотности массовых потоков

qr = Кr RCr； 4п = КпАСп； 9г = Кг АСг (1.64)

Для быстрой реакции на поверхности ACr = CR. Если продукты реакции П диффундируют в чистую жидкость, то ДСП = Сп; ДСГ = =Сг — & $ (гДе & s — концентрация насыщения газа в жидкости) Схема распределения концентраций вблизи поверхности реакции

(1.65)(1.65)9п = ^п r9r； 9r = "r RqR9п = ^п r9r； 9r = "r RqRпредставлена на рис. 1.18. Связь между величинами q устанавли- вается стехиометрическими коэффициентами и:

(1.65)

(1.65)

9п = ^п r9r； 9r = "r RqR

9п = ^п r9r； 9r = "r RqR

Из уравнений (1.64) и (1.65) следует

с KR .Cn = °R Кп "n R1с KR .Cn = °R Кп "n R1△С*г =>С△С*г =>СR К： "г RR К： "г R(1.66)(1.66)

с KR .

Cn = °R Кп "n R1

с KR .

Cn = °R Кп "n R1

△С*г =>С

△С*г =>С

R К： "г R

R К： "г R

(1.66)

(1.66)

Входящие в уравнения (1.66) коэффициенты массоотдачи зависят от гидродинамики обтекания частицы и от физических констант

Рис. 1.18. Схема распределения концентраций для химических реакций с газовыделением.

[см., например, (1.29)]. При вычислении отношений KrIК「、KRIKn характеристики, зависящие от гидродинамики, исключаются. Полагая справедливым соотношение Nu 〜歹Рг, получаем

On = % ( A ) nn r>AC「= C冗(A ) nr R (L67)

Образуем безразмерную переменную величину

(1.68) Pr^n'

где pr 一 плотность газа; wn — скорость конвективного движения жидкости' вследствие выделения растворимого продукта П; дг/рг — средняя скорость газообразования.

При малых значениях критерия (1.68) преобладающим 嚅総 в определении гидродинамической обстановки явля ью естественной конвекции вблизи поверхности частщ .

До постоянного коэффициента она определяется [

Р(°n)— P g"R/т 69》

外〜, P,

гДе р (Сп) — плотность жидкости (раствора с концентрацией С”)； &— плотность чистой жидкости; On и vn — коэффициент диффузии продукта П п вязкость раствора с концентрацией Сп・

При больших значениях (1.68) гидродинамика вблизи поверхности растворения определяется газообразованием. Используя уравне- ние (1.68), нетрудно обосновать зависимость

(I・70>(I・70>q『

(I・70>

(I・70>

Рг^п

где Кп — искомый коэффициент массоотдачи при пузырьковом режиме； Кп」 коэффициент массоотдачи при естественной конвекции, вычисляемой по крпн сериальному уравнению: i

(I・71)(I・71)Nun = 0,6^PrnGrn '

(I・71)

(I・71)

g@3Vn°ng@3Vn°nKndp (Cn) — P

g@3

Vn°n

g@3

Vn°n

№1口 = q.~ ； РГп Gfn = p

На рис. L19 представлены экспериментальные результаты nol кинетике растворения в области пузырькового режима для ряда；

0I正ис. 1.19. Кинетика растворения в области пузырькового режима:1 — СаСОв + HNOa； 2 — СаС03 + НС1; 3 — Mg + HG1; 4 — Mg + H2SO4; 5 — Mn 卡0I正ис. 1.19. Кинетика растворения в области пузырькового режима:1 — СаСОв + HNOa； 2 — СаС03 + НС1; 3 — Mg + HG1; 4 — Mg + H2SO4; 5 — Mn 卡

0I

正ис. 1.19. Кинетика растворения в области пузырькового режима:

1 — СаСОв + HNOa； 2 — СаС03 + НС1; 3 — Mg + HG1; 4 — Mg + H2SO4; 5 — Mn 卡

0I

正ис. 1.19. Кинетика растворения в области пузырькового режима:

1 — СаСОв + HNOa； 2 — СаС03 + НС1; 3 — Mg + HG1; 4 — Mg + H2SO4; 5 — Mn 卡

систем в обобщенных координатах уравнения (1.70). При малых значениях переменной величины, выражаемой (1.68), величина KJK； должна стремиться к единице, это подтверждается графиком на рис. 1.19. Однако существует область изменения чисел (1.68), для которой KJK^ <1. Это объясняется ослаблением суммарногс движения жидкости вследствие конкуренции естественной конвек：

38

пИ и пузырькового движения. При больших значениях qT/pri^n > A IO*

/ 9г V»65 ЧРг^п// 9г V»65 ЧРг^п/与=75与=75(L72>(L72>До сих пор рассматривалось растворение с газообразованием, протекающее в спокойной жидкости. Перейдем теперь к изучению того влияния, которое оказывает на этот процесс движение жидкости.

/ 9г V»65 ЧРг^п/

/ 9г V»65 ЧРг^п/

与=75

与=75

(L72>

(L72>

М. Зелиньски [78] выполнил эксперименты по растворению кальцита растворе соляной кислоты. В опытах он использовал сфе-

(СаСО3) в рпческпй(СаСО3) в рпческпйрпс. 1.20.кальцита врпс. 1.20.кальцита вКинетика растворения растворе соляной ки-Кинетика растворения растворе соляной ки-слоты при механическом перемеши^ ваноп (Ск — концентрация НС1):слоты при механическом перемеши^ ваноп (Ск — концентрация НС1):КриваяКривая254254Ск，г-экв/л0,070,140,230,331,12Ск，г-экв/л0,070,140,230,331,12образец кальцита, неподвижно закрепленный в сосуде

(СаСО3) в рпческпй

(СаСО3) в рпческпй

рпс. 1.20.

кальцита в

рпс. 1.20.

кальцита в

Кинетика растворения растворе соляной ки-

Кинетика растворения растворе соляной ки-

слоты при механическом перемеши^ ваноп (Ск — концентрация НС1):

слоты при механическом перемеши^ ваноп (Ск — концентрация НС1):

Кривая

Кривая

2

5

4

2

5

4

Ск，г-экв/л

0,07

0,14

0,23

0,33

1,12

Ск，г-экв/л

0,07

0,14

0,23

0,33

1,12

с мешалкой. Жидкость, заполняющая сосуд, приводилась во вращение лопастной мешалкой. В процессе эксперимента определялись концентрация кислоты Сд, число оборотов мешалки (угловая скорость ①),убыль массы (образца АМ). Коэффициент массоотдачи

“ АМК= mFCRt

где тп — стехиометрический коэффициент пересчета； F — поверхность образца (в процессе эксперимента изменялась незначительно).

На рис. 1.20 представлены результаты экспериментов в виде зависимостей коэффициента массоотдачи от частоты вращения мешалки при различных концентрациях реагента. Из рис. 1.20 видно, что К значительно зависит от со лишь при малых концентрациях реагента (НС1). При больших концентрациях CR эта зависимость ослабевает (см. кривую 5 рис. 1.20). Описанные закономерности находят следующее объяснение. При малых концентрациях Cr Вк^ад пузырькового режима в турбулизацию пограничного диффузионного слоя невелик. Основное влияние на диффузионный слой ока- зывает скорость обтекания образца раствором. При высоких концентрациях реагента гидродинамическая обстановка вблизи поверх- Ностп растворения определяется выделяющимися пузырьками газа, а влияние скорости обтекания существенно уменьшается.

Повышение скорости жидкости при таких обстоятельствах не сопровождается эквивалентным возрастанием скорости вблизи поверхности, поскольку последняя покрыта пузырьками газа.

Систематические опыты по растворению металлов и минералов в кислотах были выполнены А. И. Дубыниным 114—16] на установке7

Рис. 1.21. Кинетика рас- творения в условиях газообразования при обтекании твердых частиц жидкостью：

1 — Mg + НС1； 2 — Mn+HCl； 3 — СаС03 + НС1.

допускающей изменение скорости обтекания. При обработке опытных данных по кинетике обнаружено, что величина

° Kr — K賢

где Kr — коэффициент массоотдачи для процессов растворения без газообразования;

Dr …5了%r/? /sd/vR

&賛 ——коэффициент массоотдачи при скорости обтекания, равной нулю.

в условиях газообразования меняется в пределах 0,7—1,6 при изменении числа Re на порядок (рис. 1.21).

Таким образом, грубая оценка выражается уравнением

kr=k^+ek^

свидетельствующим о возможности представления суммарного эффекта (величина Кц) как результат сложения эффектов газообразования (К賢)и движения жидкости (К粉. 』

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ 才

Электрохимическое растворение твердых тел является важнейшим процессом в гидромета л л ургии (рафинирование меди, никеля, серебра, золота, свинца, висмута, олова, сурьмы [71]), при переработке отходов цветных металлов 136], в практике электрохимических покрытий [441 и электрохимической размерной обработки (ЭХРО) металлов в машиностроении [144], а также в технике защиты металлов от коррозии [93].

Особенностью этих процессов является переход массы от электропроводного твердого тела к жидкости в виде заряженных частиц, (номов) с возникновением электрических зарядов у обеих фаз. Это приводит к скачку электрического потенциала на границе между фазами, что обусловлено формированием двойного электрического

слоя. Механизм его образования может быть различным. Если энергия сольватации превышает энергию кристаллической решетки, тойоны металла легко переходят в раствор, а на твердой поверхности остается эквивалентное количество электронов. При этом поверхность твердого тела приобретает отрицательный заряд, а на границе раздела фаз возникает двойной слой из электронов и положительных ионов, расположенных у поверхности в растворе. Если энергии сольватации недостаточно для разрыва связей в ионной кристаллической решетке, то двойной электрический слой может образоваться в результате адсорбции анионов или катионов из раствора [931. Присутствие в растворе поверхностно-активных ионов и полярных молекул может приводить к образованию двойного слоя и тогда, когда поверхность электрода не имеет заряда. В этом случае они входят в состав плотной части двойного слоя, а их полюса, обращенные в сторону раствора, притягивают противоположно заряженные ионы.

Процесс формирования двойного сдоя завершается достижением - равновесного состояния, которому отвечает определенный равновес- н&宓 потенциал (р р, определяемый уравнением Нернста:

Фр = Фо+-^- Е^Ме(L73)

г“е 屮° — нормальный (стандартный) потенциал; аМе — активность ионов, рав- н?я единице； А — универсальная газовая постоянная; Z — заряд катиона; Т — абсолютная температура; Fa — число Фарадея.

Двойной электрический слой аналогичен конденсатору, одной из обкладок которого является поверхность металла, а другой — cuog ионов в растворе у поверхности металла. Поскольку толщина Двойного слоя небольшая (1——10 мкм), при скачке потенциала 1 В напряженность электрического поля в двойном слое достигает

МВ/см. Поэтому двойной слой оказывает сильное влияние на свой- ства поверхности раздела фаз и скорость электрохимического рас- творсння. Двойной слой можно разделить на две части: плотнуюг содержащую большую часть катионов, и «размытую» (диффузную).

в которой концентрация ионов снижается до концентрации во всей массе раствора (рис. 1.22)

9M = W+Wi(1-74)

В плотной части двойного слоя реализуется почти весь скачок потенциала 屮.

Для прохождения тока через систему из двух электродов, разделенных электропроводной жидкостью (электролитическую ячейку), к электродам должна быть приложена электродвижущая сила, превышающая равновесный потенциал. Разность между потенциалом <ра； на границе электрод ——раствор при плотности тока Z и равновесным потенциалом называют перенапряжением или поляризацией [204]:

Дф = фд/^фр(1-75)

Величина перенапряжения характеризует отклонение от квази- равновесных условий при прохождении через ячейку конечного по величине тока. Поскольку раствор обладает омическим сопротивлением, для осуществеления электрохимического процесса требуется приложить к ячейке разность потенциалов V:

У=Дф + Д(ром|(1.76)

где Дфом ——омическое падение потенциала в растворе, зависящее от геометрического пути тока, его плотности и электропроводности раствора.

Процесс электрохимического растворения, как и другие гетерогенные процессы, можно расчленить на несколько стадий:

электрохимическая реакция на поверхности электрода (переход ионов металла в раствор);

отвод ионов металла из пограничного слоя в толщу раствора; образование конечных продуктов реакции.

Скорость процесса электрохимического растворения определяется скоростью самой медленной стадии и измеряется числом ионов, переходящих в раствор с единицы поверхности в единицу времени.； Поскольку ионы являются электрически заряженными частицами, 'Скорость электрохимического растворения можно измерять плотностью электрического тока L

В конкретных условиях кинетика процесса может быть электрохимической, диффузионной или смешанной (когда скорости электрохимической реакции и отвода продуктов сравнимы по величине).

Электрохимическая кинетика|

При равновесном потенциале не прекращается протека ние реак-. Ций окисления (анодный процесс) и восстановления (катодный процесс). Ионы металла переходят с поверхности анода в раствор и из раствора возвращаются на его поверхность. При этом скорости прямой и обратной реакций равны. Если потенциал отличается от， равновесного, то скорости прямой и обратной реакций различны.1 Разность этих скоростей и будет общей скоростью процесса. Завися- мость скорости анодной % и катодной гк реакций от смещения потен-

ццала Дф найдем по уравнению кинетики химической реакции первого порядка [175]:‘

△% а%

ia ^ ^ = KBCZ^= ^Г(L77>

△ Uk

'к 〜^^ = КкСк/к(1.78)

где dATa и dMK ——количество вещества, прореагировавшего на единице поверх- ностп анода и катода за время di; Кап Кк — константы скорости анодной и катодной реакций; Саз и Скз — концентрации реагирующего вещества в слое яшдкости, прилегающем к поверхности твердого тела; ДГа и А" — энергия активации анодной и катодной реакции.

Так как в раствор переходят катионы поверхности анода, величина Саэ = const и входит в константу К；. Из опыта известно, что скорость электродной реакции зависит от потенциала. Сдвиг его Aq от равновесного значения определяет скорость реакции и, следовательно, влияет на величину энергии активации AZ7. В этом заключается важнейшая особенность электрохимических реакций по сравнению с обычными химическими.

Как указывалось выше, сдвиг потенциала возникает вследствие изменения концентрации раствора или пропускания через раствор тока (при постоянной концентрации). Под действием тока на катоде и аноде протекают электрохимические превращения, требующие на 1 г-ион продуктов реакции затраты работы:

А — ^zFa(1.79}

Если аир ——доли величины Л (а + р = 1), соответствующие анодному и катодному процессам, то

Аа = аА = 0£屮名尸а = a (q)a i —屮1) %尸а(【80)

XK = P«4 = pipzFa = f (фа z —覗)zFa

Из экспериментальных данных следует, что а = р =0,5. Сдвиг потенциала рассматриваемого электрода в ту или иную сторону от равновесного зависит от направления тока. При одном и том же направлении тока, отвечающем сдвигу потенциала анода в положительную сторону, его потенциал (и скорость анодной реакции} возрастает, а потенциал катода (и скорость катодной реакции) уменьшается. Это связано с уменьшением энергии активации анодного процесса на величину Аа и увеличением энергии активации катодного процесса на величину Лк. Следовательно, энергия активации состоит из двух частей: постоянной величины Д£7р, отвечающей равновесному состоянию, и переменной (Ла или Лк), зависящей от сдвига потенциала:

AUa = AUp — Na = AUp — а (фа f —屮1) Z^a8公

AUk = AUp + 4k = AUp+ В (фа i—屮 1)zFa

Подставляя значения AU в уравнения (1.77), (1.78) и принимая хо внимание, что для данной электрохимической реакции Д£7р =' = const, получаем丿

С『》「а(9а£ —WJzba1]

'а 〜exp [ 百J[

Ik ~ек3 exp [-^^

Если концентрация раствора достаточно велика, то диффузная ■часть двойного слоя становится ничтожно малой, т. е.屮】〜0. Подставляя в выражение (1.82) значение ф а ； из (1.75) и принимая во вни-j мание, что 屮 i = 0, a q)p = const, получаем

(

a A(pz歹 а、 ~йТ~丿

./₽\”83)

1K 〜екз ехр〈一 ^^ j,

Логарифмирование выражения для 厶 приводит к результату, установленному экспериментально И. Тафелем в 1905 г.:,

△屮=a+ь In Ха(1，84)!

где а и fe — постоянные величины.

I

Диффузионная кинетика

Выше были рассмотрены закономерности протекания электро хи- мического растворения в условиях, когда транспортирование ионов от поверхности анода в раствор не играло определяющей роли. Очевидно, что такое соотношение скоростей отдельных стадий возможно при сравнительно малых плотностях тока, когда поток ионов невелик и диффузия обеспечивает их отвод. При больших плотностях тока скорость реакции возрастает настолько, что транспортные затруднения начинают тормозить процесс в целом. Поляризационная кривая »а=/(д), при небольших плотностях' тока имеющая вид вогнутой экспоненты, согласно (1.83), с ростом плотности тока приобретает вид выпуклой кривой (рис. 1.23). Это связано с изменением скорости протекания стадий электрохимического процесса. При малых отклонениях потенциала от равновесного наиболее медленной является электрохимическая реакция на поверхности анода, при больших — диффузия катионов в толщу жидкости. Между ними находится область смешанной кинетики.

* Проследим за изменением концентрации в приэлектродном слое с момента включения тока. Если скорость диффузии меньше скорости образования катионов, то в приэлектродный слой в единицу времени поступает катионов больше, чем отводится в глубь раствора. В результате концентрация катионов растет во времени. Одновременно к аноду диффундируют анионы. Таким образом, в приэлектр одном слое ^концентрация соли нарастает от Сх в основной массе 44

〔створа до концентрации С, которая может превысить концентра- Р；1Ю Cs насыщения. При достижении определенной величины пере- ” s С — Cs в приэлектродном слое начинается кристаллизация〔створа до концентрации С, которая может превысить концентра- Р；1Ю Cs насыщения. При достижении определенной величины пере- ” s С — Cs в приэлектродном слое начинается кристаллизация(1.85)(1.85)(1.87)(1.87)

〔створа до концентрации С, которая может превысить концентра- Р；1Ю Cs насыщения. При достижении определенной величины пере- ” s С — Cs в приэлектродном слое начинается кристаллизация

〔створа до концентрации С, которая может превысить концентра- Р；1Ю Cs насыщения. При достижении определенной величины пере- ” s С — Cs в приэлектродном слое начинается кристаллизация

(1.85)

(1.85)

(1.87)

(1.87)

СН1Д0Н11Н

coqii・ Если поверхность электрода не пассивируется осадком соли н；н пленками другого происхождения, то увеличение сдвига потен- ццала приводит к росту С и, следовательно, скорости кристаллиза- вплоть до нарушения стационарного процесса вследствие возник- новенпя электрических разрядов [116]. Плотность тока, соответст- вующая расстройству анодного процесса по этой причине (% = 5——

16 А/см?), называют предельной.

Рис. 1.23. Анодная поляризационная кривая: 7—гл — электрохимическая, смешанная и диффузионная кинетика.

Перенос ионов от поверхности электрода в раствор обусловлен двумя причинами: диффузией вследствие разности концентраций С ——Сг и движением их под действием электрического поля. Таким образом, общая плотность анодного тока:

以=1д + 1м

где 1Д — диффузионная плотность тока; /м — миграционный ток, обусловлен - ный действием электрического поля.

Плотность тока %а является результатом переноса электрических зарядов анионами и катионами, движущимися в электрическом поле навстречу друг другу:

以=心一1K(1.86)

Доли тока пк и лга, переносимые катионами и анионами, называются числами переноса (孔长 + ^а = 1)« Тогда анодный миграционный ток можно представить в виде:

"м = *А% =以(1 — пк)

Пусть от 1 м2 поверхности анода в жидкость диффундирует dM грамм-ионов за время dt. Каждый грамм-ион несет заряд электричества zF^ В таком случае диффузионная плотность тока составит:

dM

® = zFa~^「 —(1-88)

В соответствии с основным законом массоотдачи dMIdt = KF(C— С。Так как F = 1 м2, а К = 0/5, получим:

zFa D

以=不二元 可 (С一g)(1-89)

что величина хчто величина хЕсли в растворе присутствуют две соли, причем ионы одной ид ннх участвуют в электродной реакции, а ионы другой — только в переносе электрических зарядов, то миграционный ток составщ долю х от произведения числа переноса на плотность тока. Очевидно,

что величина х

что величина х

пропорциональна удельной электропроводности а

той солп.той солп.которая содержит реагирующие ионы:

той солп.

той солп.

у =у =ОрОроp +0nоp +0n(1.90)(1.90)

у =

у =

Ор

Ор

оp +0n

оp +0n

(1.90)

(1.90)

где оп ~ удельная электропроводность раствора посторонней соли.

(1.91(1.91Уравнение (1.89) для раствора двух солей принимает вид:

(1.91

(1.91

%= —-к ~5~(° —G)

где 6 — толщина пограничного диффузионного слоя.

Для вращающегося дискового электрода при ламинарном режиме обтекания (Re“ = r2(o/v 言 3 -IO5) [200]:

(1-92)(1-92)6 = 1,61

(1-92)

(1-92)

Для гладкой при ламинарномДля гладкой при ламинарномгде(о — угловая скорость вращения диска; г —— радиус диска.

Для гладкой при ламинарном

Для гладкой при ламинарном

пластинки, обтекаемой потоком со скоростью режиме:

…(3广总厂…(3广总厂(1.93：(1.93：

…(3广总厂

…(3广总厂

(1.93：

(1.93：

где х — расстояниегде х — расстояниеот переднего края пластины вдоль направления потока-

где х — расстояние

где х — расстояние

Если при анодном растворении в раствор переходят два иона с зарядами zt и z2 и коэффициентами диффузии D х и D2, то в выражения (1.92) и (1.93) вместо D вводится [3]:

(1.94；(1.94；D 力。2 (Zl + %2)限= z1,1 +名2D2

(1.94；

(1.94；

Дстя других случаев растворения 6 можно определить из критериальных зависимостей, приведенных в разд. 1.3 (б = d/Nu).

Уравнение (1.91) не характеризует зависимость скорости анодного растворения от скорости диффузии ионов к аноду. Это связано с возможностью неограниченного роста концентрации катионов на поверхности анода С вследствие того, что сама поверхность электрода является источником катионов. Следовательно, уравнение (L91) дает лишь возможность найти величину С для стационарного состояния в зависимости от скорости анодного растворения га и факторов, определяющих скорость переноса массы (0,6, С\). Так как фактическая скорость электрохимической реакции равна скорости переноса продуктов реакции в глубь раствора, то, подставив в выражение для 46

анод-анод-гА = ^1 ехргА = ^1 ехрa A(pz尸а ~RTa A(pz尸а ~RT—к2c ехр(——к2c ехр(—f A(pzFa \~^Т~ /f A(pzFa \~^Т~ /(1.95)(1.95)./j 86) значения ia и 益 из (1.83), характеризующие скорость 窝ГО и катодного процессов, получим:

анод-

анод-

гА = ^1 ехр

гА = ^1 ехр

a A(pz尸а ~RT

a A(pz尸а ~RT

—к2c ехр(—

—к2c ехр(—

f A(pzFa \~^Т~ /

f A(pzFa \~^Т~ /

(1.95)

(1.95)

Приравняв правые части уравнений (1.91) и (1.95), можно определить величину С для стационарного состояния и, подставив полу- ченпый результат в выражение (1.91), найти связь между i& и Аф при данной концентрации раствора Q:

(1.96)(1.96)1—乂株 丁 [月 exp ( RT J — A2cl exp RT J」优exp(一 一百一)十4_Y我6

(1.96)

(1.96)

Если скорость массоотдачи очень велика по сравнению со скоростью электрохимической реакции, то, пренебрегая первым членом знаменателя в уравнении (1.96), приходим к результату (1.95). В этом случае концентрация у поверхности анода С = Q.

Если скорость диффузии мала по сравнению со скоростью анодной реакции, то, пренебрегая вторым членом знаменателя выражения (1.96) и перенапряжением А(р, получаем уравнение (1.91). Оно показывает, что возрастание сдвига потенциала в положительную сторону от равновесного может только увеличивать скорость процесса. Однако оно не учитывает возможности замедления или почти полного прекращения процесса, вызванного пассивированием поверхности анода осадком соли или пленками из адсорбированного кислорода, окислов и т. и. При этом сдвиг потенциала может достигнуть такой величины, при которой возможно протекание других анодных реакций: окисление анионов из раствора или окисление материала электрода с переходом в раствор ионов высшей валентности. В последнем случае пленка быстро разрушается и наступает процесс транспассивного растворения [93, 144], характерный, например, для Cr, Ni, Mo, Fe.

Повышение температуры и интенсивности механического перемешивания раствора приводит к депассивации анода (рис. 1.24, а, 6). Аналогичное влияние оказывают добавки в раствор активирующих анионов (С1~, Вг*, Г, SO[) или восстановителей (Н2, Na2sО?, Na 2s 2O3).

Основной причиной пассивации является адсорбция кислорода на поверхности электрода. Поэтому электроды, соприкасавшиеся с воздухом, пассивируются несравненно быстрее, чем злектроды, поверхность которых полностью освобождена от кислорода [175].

В последнее десятилетие Я. М. Колотыркипым, Ю. А. Поповым, —А. Алексеевым [98, 99] развивается концепция прямого участия анионов в электрохимических процессах, согласно которой в боль- тинстве случаев анодного растворения в условиях электрохимиче- с«ого перенапряжения механизм воздействия анионов на поверхность

металла сводится к действию двух основных факторов. Первый фактор — когда анионы, обладающие достаточным сродством к металлу, образуют с ним промежуточные поверхностные комплексы, слабо связанные с решеткой и легко переходящие в раствор. Прочность связи зависит от природы анионов, металла и величины потенциала. Второй фактор является решающим ——когда анионы не склонны к образованию легко растворяющихся комплексов, но способны адсорбироваться на поверхности. Они занимают свободные места, препятствуя активному растворению.

弘 В ". А. з/伤'"

■ аА

Рис. 1.24. Поляризационные кривые электрохимического растворения железа на дисковом электроде:

а — неподвижный электрод в 10%-ном растворе Na2sО. при различных температурах. К： 1 — 293; 2 — 308： 3 — 323; 4 — 338; 5 — 353; 6 — 368; 6 — вращающийся дисковый электрод в 10%-ном растворе NasS04 + 1,5е 10-® г-ион/л С1- при температуре 293 К и различных скоростях вращения (в об/с): 1 — 6,5; £ — 9,2; з — 18,3; 4 — 36,7.

Многообразие явлений анодного растворения можно объяснить конкуренцией упомянутых факторов. При этом существенное значение имеют свойства поверхности, степень ее неоднородности и взаимодействие адсорбированных частиц между собой.

Эти представления позволяют сформулировать общую принципиальную схему участия анионов в процессе растворения, состоящую из трех стадий:

хемосорбция аниона с образованием комплекса;

ионизация комплекса с переходом его в объем раствора;

химическое преобразование комплекса в растворе (если оно имеет место), в частности его диссоциация с регенерацией анионов-

Если в растворе находится несколько видов анионов, то изменение концентрации любого из них приводит к изменению степени заполнения поверхности анода всеми анионами. Этим можно объяснить наблюдаемое в ряде случаев резкое изменение плотности тока с изменением концентрации компонентов раствора. Характерным примером такого явления может служить электрохимическое раство- 48

ение никеля. Известно, что при pH <2 плотность анодного тока зависит от pH, но в то же время зависит от концентрации ионов

SOT

/1~e結4(L97)

Наоборот, в области pH > 2 плотность анодного тока не зависит от Csoc а определяется концентрацией ионов водорода Сн

小1 〜='36(1-98)

По-видимому, изменение pH приводит к изменению механизма адсорбции ионов SO| .

Известно также, что процесс растворения никеля тормозится в присутствии анионов иода. Это явление объясняется торможением процесса адсорбции ионов SO；- вследствие их взаимодействия с га" лоидными ионами.

Существенное влияние на кинетику электродных процессов оказывает также поверхностное натяжение раствора. Чем оно выше» тем больше его воздействие на двойной электрический слой.

4 Заказ 1159

РАСТВОРЕНИЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ

1・ КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ

П

ротекание процесса растворения обусловлено движущей силой, в простейшем случае — разностью концентраций С§ — С】. Кинетически наиболее выгодная ситуация возникает тогда, когда С】=0 на протяжении всего процесса растворения. В технологическом аспекте эта ситуация лишена смысла, так как целью процесса является получение раствора заданной (в большинстве случаев возможно большей) концентрации. Поэтому процесс организуют так, чтобы концентрация жидкости непрерывно возрастала, при этом движущая сила непрерывно меняется.

Повышение концентрации раствора С± связано с отдачей вещества твердыми частицами и зависит от схемы процесса растворения. Каждой схеме соответствует определенное уравнение материального баланса, связывающее концентрацию жидкости Сг с массой вещества Af 1，остающегося в твердом состоянии, к любому моменту времени 2. Такие балансовые уравнения позволят совместно с уравнением кинетики (1.10) образовать замкнутую систему и решить задачу о кинетике растворения в условиях принятой схемы.

Периодический процесс растворения

В аппарат, снабженный перемешивающим приспособлением, одновременно загружают М ь кг растворимого вещества и W м? растворяющей жидкости. В результате энергичного перемешивания достигается равномерное распределение твердой фазы по объему аппарата. Величины ” и С\ зависят только от времени, а балансовое уравнение имеет вид

M^M^W (Сг~С^(ПЛ)

где Сг и Сн — текущая и начальная концентрации раствора, пли、

ВН-УХб-Он(IL2)

ЕсЛИ смесь частиц, подлежащих растворению, монодисперспа, т

(Н.З)(Н.З)〃=(*)'=唳

(Н.З)

(Н.З)

где /• и I — размер частиц соответственно до растворения и в данный момент времени»

В конце растворения у = 0 н концентрация раствора

Ск=Сн+ Р

Такие условия имеют место при

Ск=Сн+в < а

где Ск н G — концентрации в конце процесса и насыщения.

равновесие приравновесие приCs —仆Ув = 4— ВCs —仆Ув = 4— ВЕсли 仁 + В > Cs, то растворение не идет до конца и создается

равновесие при

равновесие при

Cs —仆

Ув = 4— В

Cs —仆

Ув = 4— В

Недостаток полученного простейшего уравнения материального баланса состоит в том, что им не учитывается изменение объема раствора в процессе растворения твердого вещества. Установим более точное уравнение, основанное на соотношениях

WP —%Рн = Мо —М

WC^W^C^M^-M

и эмпирических уравнениях

.P = Po+IG_

Ph=Po+G Ch

где %, W — объемы раствора в начале растворения и в момент времени t; Рн, Р — плотности раствора в те же моменты времени; pg — плотность растворяющей жидкости;工 ——опытный коэффициент для линейной зависимости плотности раствора от концентрации растворенного вещества.

Совместное решение приведенных четырех уравнений относитель- но Ж и С*! дает следующие результаты:

w=也w=也С]=С]=.Ро — Сн(Р н Ро —С1НТ) Сн+ В (I—V).Ро — Сн(Р н Ро —С1НТ) Сн+ В (I—V)(П.4)(П.4)1+(1—□СУ)1+(1—□СУ)

w=也

w=也

С]=

С]=

.Ро — Сн(Р н Ро —С1НТ) Сн+ В (I—V)

.Ро — Сн(Р н Ро —С1НТ) Сн+ В (I—V)

(П.4)

(П.4)

1+(1—□СУ)

1+(1—□СУ)

Из этих результатов следует, что с ходом растворения объем раствора увеличивается тем больше, чем меньше параметр [• Максимальная ошибка, возникающая при замене приближенного уравнения (IL1) точным, составляет

—苗

Приведенные соотношения удобно представить в виде концентрационных графиков (рис. IL1).

Перейдем к оценке периодического процесса. Используем для этого основное кинетическое уравнение (1.10), в соответствии с которым скорость растворения пропорциональна поверхности растворения и движущей силе. Интенсивное перемешивание в условиях периодического процесса позволяет достигнуть высоких значений коэффициента массоотдачи К. В этом состоит достоинство метода.

〃6Рис. II.1. Концентрационные графики для периодического растворения:一V Cs; 1 — по линейному балансовомууравнению (II. 4) при С = 0,5, р0 ^〃6Рис. II.1. Концентрационные графики для периодического растворения:一V Cs; 1 — по линейному балансовомууравнению (II. 4) при С = 0,5, р0 ^а — Мк = и，％ н ZU кг/мв, В = 400 丛г/м', Сн + Р уравнению (II.2); 2 — по нелинейному балансовому =1000 кг/М»; 6 — yK^Q, Он + В > С$.а — Мк = и，％ н ZU кг/мв, В = 400 丛г/м', Сн + Р уравнению (II.2); 2 — по нелинейному балансовому =1000 кг/М»; 6 — yK^Q, Он + В > С$.

〃6

Рис. II.1. Концентрационные графики для периодического растворения:

一V Cs; 1 — по линейному балансовому

уравнению (II. 4) при С = 0,5, р0 ^

〃6

Рис. II.1. Концентрационные графики для периодического растворения:

一V Cs; 1 — по линейному балансовому

уравнению (II. 4) при С = 0,5, р0 ^

а — Мк = и，％ н ZU кг/мв, В = 400 丛г/м', Сн + Р уравнению (II.2); 2 — по нелинейному балансовому =1000 кг/М»; 6 — yK^Q, Он + В > С$.

а — Мк = и，％ н ZU кг/мв, В = 400 丛г/м', Сн + Р уравнению (II.2); 2 — по нелинейному балансовому =1000 кг/М»; 6 — yK^Q, Он + В > С$.

В начале процесса скорость растворения велика. Этому способствуют большая поверхность контакта фаз и высокие значения движущей силы (см. рис. IL1). К концу растворения скорость процесса сильно уменьшается, так как уменьшаются одновременно поверхность растворения и движущая сила. Поэтому для завершения растворения требуется много времени. .И все же периодический процесс растворения находит широкое применение, особенно в малотоннажных производствах.

Прямоточный процесс

На рис. II.2 изображена схема прямоточного процесса. Твердые частицы с массовой скоростью Мо кг/с непрерывно поступают в аппарат; в том же направлении непрерывно поступает жидкость, расход которой равен W м3/с. Рассматривая материальный баланс по растворимому веществу для части аппарата, ограниченной левым его сечением и произвольным сечением, получим балансовое уравнение, не отличающееся от уравнения (IL2). Сходство уравнений 52

материального баланса для периодического и прямоточного процессов приводило к ошибочным представлениям о тождественности этих процессов.

Между тем периодический процесс является процессом нестационарным; размеры растворяющихся частиц и концентрация жидкости одинаковы в каждой точке жидкого объема и зависят только от времени. Прямоточный процесс является непрерывным и стационарным;

размеры частиц й концентрация жидкости в данном сечении аппаратаразмеры частиц й концентрация жидкости в данном сечении аппарата- ― ———с ссгсжтг оттттотлото

размеры частиц й концентрация жидкости в данном сечении аппарата

размеры частиц й концентрация жидкости в данном сечении аппарата

Рис. IL2. Схема прямоточного процесса.

сохраняют свои значения в каждый момент времени и меняются только при переходе к другому сечению.

Таким образом, в условиях прямоточного процесса существует неизменное во времени стационарное концентрационное поле. Обратим внимание на то, что балансовые уравнения (II.2), точные для периодического процесса, являются приближенными для прямоточного. Действительно, в пределах прямоточного аппарата существует меняющийся по длине градиент концентраций, вызывающий перенос вещества в направлении, обратном течению жидкости. Применение уравнения (IL2) для прямоточного процесса основано на том, что этим переносом можно пренебречь.

Нетрудно сделать вывод о недостатках прямоточного процесса, которые сходны с недостатками периодического процесса. Вместе с тем отчетливо видны н преимущества прямоточного процесса: непрерывность действия, практическая легкость осуществления, например в виде гидравлического транспорта твердой фазы.

. Противоточный процесс

Mo —M = W(Ck—&)В (1—у)=Ск—с*Mo —M = W(Ck—&)В (1—у)=Ск—с*(115)(П.6)(115)(П.6)Этот непрерывный процесс широко используется в практике растворения. Реализация процесса требует движения фаз одной навстречу другой (рис. IL3). Организовать такое движение значительно труднее, чем прямоточное. Перейдем к выводу материальных соотношений для противотока. Пользуясь схемой на рис. II.3, получим

Mo —M = W(Ck—&)В (1—у)=Ск—с*

Mo —M = W(Ck—&)В (1—у)=Ск—с*

(115)

(П.6)

(115)

(П.6)

При растворении монодисперсного материала у = <р3. Из уравнения (П.6) при р = 0 находим

&=Сн；6 к Ск—Сн

(П.7)

53

подставляя в уравнение (II.6), получим

G = Ch +削(Н 8)

На рис. II・4 представлен концентрационный график противоточного процесса. График наглядно иллюстрирует преимущества противоточного процесса. В начальный момент (точка А) при входе

W

С/

W

〃к

Рис. II.3. Схема

противоточного процесса.

твердых частиц в аппарат движущая сила минимальна и равна Cs——Ск, однако процесс протекает с достаточной скоростью, что объяс- няется большой поверхностью растворения. К концу процесса (точ- ка В) поверхность уменьшается, но возрастает движущая сила, максимальное значение которой равно Cs —— С”. Поскольку скорость процесса пропорциональна произведению движущей силы на по

верхность растворения, она на протяжении всего процесса претерпевает гораздо меныпие изменения, чем в условиях периодического процесса или прямотока.

Многоступенчатые и комбинированные схемы

Рассмотрим систему трех прямоточных аппаратов, соединенных противотоком (рис. IL5). Схема позволяет сочетать достоинства прямотока (высокие значения коэффициента массоотдачи) с достоинствами противоточного процесса. Возникающие осложнения связаны с необходимостью разделять систему твердые частицы — жидкость на выходе из каждого аппарата. Уравнения материального баланса запишутся в следующем виде:

для аппарата 1

В (1 一У1) = Ск1— Ок2

Рис. II.5. Схема растворения, включающая три прямоточных аппарата, соединенные противотоком.Рис. II.5. Схема растворения, включающая три прямоточных аппарата, соединенные противотоком.Рис. II.6. График ступенчатого процесса растворения, схема которого изображена на рис. IL5.

Рис. II.5. Схема растворения, включающая три прямоточных аппарата, соединенные противотоком.

Рис. II.5. Схема растворения, включающая три прямоточных аппарата, соединенные противотоком.

для аппарата 2

В（У1 — У2）= Ск2 —СкЗ

для аппарата 3

р 也—°） = СкЗ—Сн

Для всех трех аппаратов

р = Скт—Сн

График ступенчатого процесса растворения

представлен напредставлен нарис. II.6.

представлен на

представлен на

Процесс идеального смешения

Этот процесс также является непрерывным. В единицу времени в аппарат непрерывно подается Мо кг твердого вещества и W м3 жидкости. Из рабочего объема аппарата отводится W кг/с раствора с концентрацией Ск. По возможности этот раствор не должен содержать растворяющихся частиц. Вследствие перемешивания жидкой фазы концентрация раствора одинакова во всех точках аппарата, неизменна во времени и равна концентрации Ск. Уравнение материального баланса определяет эту концентрацию:

Mo + WCh = WCk

Ск=Сн+В

2. КИНЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ

Целью кинетического расчета является определение времени растворения частиц Ts в условиях данного процесса. При известной скорости 〃р перемещения частиц по аппарату легко устанавливается его длина

L = "рТ s во многом определяющая габариты, массу и стоимость аппарата. Для определения времени растворения рассмотрим результаты, полученные интегрированием основного уравнения

dM

—k = K/(Cs — G)(П.9)

при следующих исходных допущениях:

растворение происходит в условиях автомодельного режима, при котором К = const, и не меняется с изменением размера частиц. Как было указано выше, такой режим реализуется в условиях взвешенного состояния твердой фазы. При изменении величины К будем оперировать средним его значением;

в процессе растворения частицы не меняют своей формы. Это допущение справедливо для условий свободного движения частиц в потоке жидкости, поскольку ориентация поверхностей таких частиц при этом произвольно меняется. Математическим выражением данной закономерности являются выражения:

M—Nxvprl^ )

F = Nql2]("'°)

где l — размер частицы к моменту времени t; N ——число-частиц; рт——плотность вещества частиц; Ху, 乂尸——коэффициенты пропорциональности, зависящие от ④ирмы частиц.

Используя уравнение (IL10), выражение зовать:Используя уравнение (IL10), выражение зовать:(П.9) можно преобра-(П.9) можно преобра-_ j*где*х ——приведенный коэффициент ^ормы, равный_ j*где*х ——приведенный коэффициент ^ормы, равный(11.11)(11.11)хх乂斤ЗНу乂斤ЗНуРассмотрим различные варианты процесса, исходя из уравнения(11.11).、Рассмотрим различные варианты процесса, исходя из уравнения(11.11).、

Используя уравнение (IL10), выражение зовать:

Используя уравнение (IL10), выражение зовать:

(П.9) можно преобра-

(П.9) можно преобра-

_ j*

где*х ——приведенный коэффициент ^ормы, равный

_ j*

где*х ——приведенный коэффициент ^ормы, равный

(11.11)

(11.11)

х

х

乂斤ЗНу

乂斤ЗНу

Рассмотрим различные варианты процесса, исходя из уравнения

(11.11).、

Рассмотрим различные варианты процесса, исходя из уравнения

(11.11).、

Движущая сила Cs—С\ постоянна. Система частиц монодисперсна

Этот случай соответствует растворению ограниченного числа частиц в большом объеме жидкости, вследствие чего концентрация С] является малой величиной и Cs — С* ~ С§・ Интегрируя уравнение (11.11), получаем

Cs— С】

"—I =х——— Kt(11.12)

где ]. 一 размер частиц до растворения или в безразмерных переменных 〃％ =

乳 一 время полного растворения;

?s = к(С：Г】0 К(11/3)

Из уравнения (IL12) вытекает «закон кубического корня», полученный и экспериментально проверенный Хиксоном:

乎拓一芷冠=声丽西矢鱼"益(11.14)

Между у/^М и t существует линейная связь, справедливая до тех пор, пока N = const.

Движущая сила Cs—Сх переменна (периодическое растворение или прямоток).

Система частиц монодисперсна

В процессе периодического растворения или в прямоточном аппарате концентрация раствора возрастает, что приводит к уменьшению движущей силы во времени или по длине прямоточного аппарата. Кинетика определится совместным решением кинетического уравнения (11.11) и балансового (II.2). При этом получаются уравнения

或 ” Cs — Ci)

(11.15)

С1 = Сн 千p(4—唳)J

Установленный при этом результат имеет следующий вид [19]:

■■i空黄咤 。=/中一

или иначе

、з/ С$-Сн

2 y Ск-Сн J

Функция ① 1 (砌 приведена ниже. Вместо

подставить соответственно 1/。и <р/а

1 , (1+于1

Ф1(#)— 6 In q —叶工2 1 y^arctg

-(11.16)

аргумента % следует

型I-⑴/7)

На рис. IL7 представлен график функции 4)丄(况).

Принимая во чаем из (П.16)Принимая во чаем из (П.16)внимание, что при q = 0 величина £ = 7\，по”У-внимание, что при q = 0 величина £ = 7\，по”У-ххС$一 Сн КТ sС$一 Сн КТ sртрт虱匕三)У а (1 — а)2/ ®虱匕三)У а (1 — а)2/ ®(ПЛ8)(ПЛ8)гдегдеа =а =，к~~Сн Cs— Сн，к~~Сн Cs— СнРис. И.7. Графики функции Oj (с) и Ф2 (办Рис. И.7. Графики функции Oj (с) и Ф2 (办

Принимая во чаем из (П.16)

Принимая во чаем из (П.16)

внимание, что при q = 0 величина £ = 7\，по”У-

внимание, что при q = 0 величина £ = 7\，по”У-

х

х

С$一 Сн КТ s

С$一 Сн КТ s

рт

рт

虱匕三)

У а (1 — а)2/ ®

虱匕三)

У а (1 — а)2/ ®

(ПЛ8)

(ПЛ8)

где

где

а =

а =

，к~~Сн Cs— Сн

，к~~Сн Cs— Сн

Рис. И.7. Графики функции Oj (с) и Ф2 (办

Рис. И.7. Графики функции Oj (с) и Ф2 (办

При значениях а, близких единице, имеет приближенный результат:

(11.19)(11.19)Cs—Сн KTS 1.209

(11.19)

(11.19)

Рт 瓦 (1 — а) /а

В некоторых случаях может оказаться полезным уточненное решение, основанное на нелинейном балансовЪм уравнении (II.4): 「 Сн+В(1з).

G- l + e(l-q>3)> IIT) Ро

Полученные при этом результаты имеют следующий вид:

(与 jea) Ж) —①1⑶卜(1 一叫=玲\ 岩

а =а =q—Снq—Сн0 — еС$0 — еС$11

а =

а =

q—Сн

q—Сн

0 — еС$

0 — еС$

1

1

q—°нq—°на ①1 ( V

q—°н

q—°н

—(1-а)г/>(а_^)*/.(1+е)

e=1 + e

При е = 0 н Е = 0 эти уравнения переходят в (IL17) и (11.18).

Перейдем теперь к рассмотрению такого прямоточного процесса, при котором твердые частицы образуют плотный слой и сохраняют это состояние в процессе растворения (рмс. IL9). Твердые частицы и жидкость поступают сверху и с разной скоростью перемещаются вниз. При этом размер твердых частиц непрерывно уменьшается и приближается к нулю вблизи решетки. Свободный объем Усв и, следовательно, скорость фильтрации могут не измениться. Такое предположение принято для дальнейших выводов. В рассматриваемом случае нельзя считать постоянным коэффициент массоотдачи К. Действительно, опытные данные [19] показывают, что для оценки коэффициента массоотдачи в слое с точностью до постоянного множителя может быть использовано уравнение (1.29), из которого следует:

где 2。一 размер частиц, входящих в аппарат; I — то же, в произвольном сечении аппарата; Ко — коэффициент массоотдачи для частиц размером h

Пусть в аппарат в единицу времени поступает N частиц размера 2°. Через любое сечение аппарата также будет проходить в единицу времени N частиц размера Z. Если бы это было не так, то в промежутке между верхним и произвольным сечениями число частиц непрерывно увеличивалось бы.или уменьшалось, т. е. процесс не был бы стационарным. Рассматривая стационарный процесс растворения, имеем:

Nx “与 Рт = Л/о

“х/Зрт — М откуда

гДе М ——масса твердого материала, проходящего через сечение аппарата. Для частиц которого I = <р0/0.

Скорость перемещения материала в этом сечении

(11.20)(11.20)dh m _м。崂

(11.20)

(11.20)

VP-° = ~dt = /'■(1-Vcb) рт = f (1-Vcb) рт

где 九—расстояние от точки входа частиц до произвольного сечения.

Рис. II.8. Безразмерное время полного рас- Рис. II.9. Схема прямоточ- творения в зависимости от параметра а： ного растворения в слое.

1 — идеальное смешение; 2 — прямоток; 3 — противоток.-

. Таким образом, скорость перемещения твердой фазы зависит от расположения частиц; она максимальна в точках, где А = 0; Фо = 1; она равна нулю при h = Н; ф 0 = 0.

Решение задачи основывается на уравнении (11.11), уравнении материального баланса при р = Ск, Сн = 0 и Сх = Ск (1 —ф3)» а также уравнении (IL2). Стационарное распределение концентрации Сг и частиц различных размеров 屮 ° по высоте h показано на рис. 11.10; оно рассчитано по уравнениям (11.21):

（）о（）о(11.21)(11.21)

（）о

（）о

(11.21)

(11.21)

Движущая сила Cs—Сг переменна (противоток). Система частиц монодисперсна

Подлежащая решению системаПодлежащая решению системаdldtdldt=кК=кКуравнений имеет видCs—с：ртуравнений имеет видCs—с：рта результат:а результат:С1 = Ск-₽(1-ф3)С1 = Ск-₽(1-ф3)包(£)-5偿)=需"岩包(£)-5偿)=需"岩(11.22)(11.23)(11.22)(11.23)Рис. II.10. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при прямотоке в слое:】—q/Cs = °，】；2 — cK/cs ^ 0,5； 5 — q/Cs = 0,8; 4 — CK/CS = 0,95.Рис. II.10. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при прямотоке в слое:】—q/Cs = °，】；2 — cK/cs ^ 0,5； 5 — q/Cs = 0,8; 4 — CK/CS = 0,95.С учетом (II.7)1①2 (")=一 g I"С учетом (II.7)1①2 (")=一 g I"6 = V Ск—源6 = V Ск—源(1一")24+二 + 22(1一")24+二 + 22F^T^ctg 乔戸F^T^ctg 乔戸(П.24)(П.24)График этой функции показан на рис. IL7. Принимая во внимание, что при ф = 0 величина t = 7\，получаем из (11.23)Cs一еH K7s①2 昨)~ =甘(ИЗ)При значениях а = С』С$, близких единице, имеем приближенное решение:■'~^盛 ~^~= —/1п(1Т/Т)+0,4854 一 (П.26)График этой функции показан на рис. IL7. Принимая во внимание, что при ф = 0 величина t = 7\，получаем из (11.23)Cs一еH K7s①2 昨)~ =甘(ИЗ)При значениях а = С』С$, близких единице, имеем приближенное решение:■'~^盛 ~^~= —/1п(1Т/Т)+0,4854 一 (П.26)Пример IL1. Частицы хлористого натрия растворяются в воде в уело- ^ях взвешенного состояния. Первоначальный размер частиц 2° = 0,003 и« ①орма частиц — кубическая (% = 2). Физические константы при температуре растворения Е = 16 ℃ следующие: D = 1,45・10一9 м2/с; Св = 316 кг/м?; v = =2,15-10-е М2/с; рт = 2170 кг/мз； р = 1000 кг/м«.Определить время полного растворения для условий прямотока и противо- тока (а = Ck/Cs = 0,8).一丄 Коэффициент массоотдачи К (в м/с) определяем по формуле (1.41) Nu=0,28VPfAr которая в размерных величинах имеет видПример IL1. Частицы хлористого натрия растворяются в воде в уело- ^ях взвешенного состояния. Первоначальный размер частиц 2° = 0,003 и« ①орма частиц — кубическая (% = 2). Физические константы при температуре растворения Е = 16 ℃ следующие: D = 1,45・10一9 м2/с; Св = 316 кг/м?; v = =2,15-10-е М2/с; рт = 2170 кг/мз； р = 1000 кг/м«.Определить время полного растворения для условий прямотока и противо- тока (а = Ck/Cs = 0,8).一丄 Коэффициент массоотдачи К (в м/с) определяем по формуле (1.41) Nu=0,28VPfAr которая в размерных величинах имеет видА = 0,28А = 0,28VVРт — Р gO'Рт — Р gO'

Подлежащая решению система

Подлежащая решению система

dl

dt

dl

dt

=кК

=кК

уравнений имеет вид

Cs—с：

рт

уравнений имеет вид

Cs—с：

рт

а результат:

а результат:

С1 = Ск-₽(1-ф3)

С1 = Ск-₽(1-ф3)

包(£)-5偿)=需"岩

包(£)-5偿)=需"岩

(11.22)

(11.23)

(11.22)

(11.23)

Рис. II.10. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при прямотоке в слое:

】—q/Cs = °，】；2 — cK/cs ^ 0,5； 5 — q/Cs = 0,8; 4 — CK/CS = 0,95.

Рис. II.10. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при прямотоке в слое:

】—q/Cs = °，】；2 — cK/cs ^ 0,5； 5 — q/Cs = 0,8; 4 — CK/CS = 0,95.

С учетом (II.7)

1

①2 (")=一 g I"

С учетом (II.7)

1

①2 (")=一 g I"

6 = V Ск—源

6 = V Ск—源

(1一")2

4+二 + 22

(1一")2

4+二 + 22

F^T^ctg 乔戸

F^T^ctg 乔戸

(П.24)

(П.24)

График этой функции показан на рис. IL7. Принимая во внимание, что при ф = 0 величина t = 7\，получаем из (11.23)

Cs一еH K7s①2 昨)

~ =甘(ИЗ)

При значениях а = С』С$, близких единице, имеем приближенное решение:

■'~^盛 ~^~= —/1п(1Т/Т)+0,4854 一 (П.26)

График этой функции показан на рис. IL7. Принимая во внимание, что при ф = 0 величина t = 7\，получаем из (11.23)

Cs一еH K7s①2 昨)

~ =甘(ИЗ)

При значениях а = С』С$, близких единице, имеем приближенное решение:

■'~^盛 ~^~= —/1п(1Т/Т)+0,4854 一 (П.26)

Пример IL1. Частицы хлористого натрия растворяются в воде в уело- ^ях взвешенного состояния. Первоначальный размер частиц 2° = 0,003 и« ①орма частиц — кубическая (% = 2). Физические константы при температуре растворения Е = 16 ℃ следующие: D = 1,45・10一9 м2/с; Св = 316 кг/м?; v = =2,15-10-е М2/с; рт = 2170 кг/мз； р = 1000 кг/м«.

Определить время полного растворения для условий прямотока и противо- тока (а = Ck/Cs = 0,8).一

丄 Коэффициент массоотдачи К (в м/с) определяем по формуле (1.41) Nu=0,28VPfAr которая в размерных величинах имеет вид

Пример IL1. Частицы хлористого натрия растворяются в воде в уело- ^ях взвешенного состояния. Первоначальный размер частиц 2° = 0,003 и« ①орма частиц — кубическая (% = 2). Физические константы при температуре растворения Е = 16 ℃ следующие: D = 1,45・10一9 м2/с; Св = 316 кг/м?; v = =2,15-10-е М2/с; рт = 2170 кг/мз； р = 1000 кг/м«.

Определить время полного растворения для условий прямотока и противо- тока (а = Ck/Cs = 0,8).一

丄 Коэффициент массоотдачи К (в м/с) определяем по формуле (1.41) Nu=0,28VPfAr которая в размерных величинах имеет вид

А = 0,28

А = 0,28

V

V

Рт — Р gO'

Рт — Р gO'

К = 0,28К = 0,28『/2170—10UU 9,8 (1,45「IO-。/『/2170—10UU 9,8 (1,45「IO-。/100010002,15 • 10-е2,15 • 10-е■ 6,3 -io-ь■ 6,3 -io-ь2. По кривым на рис. П.8 определяем безразмерное время нС$/рт・ АТ$/1о при а = 0,8. Для прямотока получаем 3,25, для противотока 1,45. Таким образом, время прямоточного растворения 厶(в с):1 Рт Zp 2170-0,003.3,25CsJ = 2 • 316 • 6,3 • 10耳=2. По кривым на рис. П.8 определяем безразмерное время нС$/рт・ АТ$/1о при а = 0,8. Для прямотока получаем 3,25, для противотока 1,45. Таким образом, время прямоточного растворения 厶(в с):1 Рт Zp 2170-0,003.3,25CsJ = 2 • 316 • 6,3 • 10耳=

К = 0,28

К = 0,28

『/2170—10UU 9,8 (1,45「IO-。/

『/2170—10UU 9,8 (1,45「IO-。/

1000

1000

2,15 • 10-е

2,15 • 10-е

■ 6,3 -io-ь

■ 6,3 -io-ь

2. По кривым на рис. П.8 определяем безразмерное время нС$/рт・ АТ$/1о при а = 0,8. Для прямотока получаем 3,25, для противотока 1,45. Таким образом, время прямоточного растворения 厶(в с):

1 Рт Zp 2170-0,003.3,25

CsJ = 2 • 316 • 6,3 • 10耳=

2. По кривым на рис. П.8 определяем безразмерное время нС$/рт・ АТ$/1о при а = 0,8. Для прямотока получаем 3,25, для противотока 1,45. Таким образом, время прямоточного растворения 厶(в с):

1 Рт Zp 2170-0,003.3,25

CsJ = 2 • 316 • 6,3 • 10耳=

для противоточного растворения при тех же условиях

2170.0.003 • 1Л5= 2 • 316 • 6,3 -10-5 237

Рассмот'рим противоточный процесс в слое. При этом нам придется повторить допущения, приведенные в предыдущем разделе.

Рис. П.11. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при противотоке в слое:1 — CK/CS = 0,95； 2 — CK/CS = 0,8； 3 — q</Cs и 0,5； 4 — q/q =仇 LРис. П.11. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при противотоке в слое:1 — CK/CS = 0,95； 2 — CK/CS = 0,8； 3 — q</Cs и 0,5； 4 — q/q =仇 LРис. ПЛ2. Зависимость длины слоя (безразмерная величина) от Ск/С$: 1 — прямоток; 2 — противоток.Рис. ПЛ2. Зависимость длины слоя (безразмерная величина) от Ск/С$: 1 — прямоток; 2 — противоток.

Рис. П.11. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при противотоке в слое:

1 — CK/CS = 0,95； 2 — CK/CS = 0,8； 3 — q</Cs и 0,5； 4 — q/q =仇 L

Рис. П.11. Распределение частиц различных размеров по длине аппарата при противотоке в слое:

1 — CK/CS = 0,95； 2 — CK/CS = 0,8； 3 — q</Cs и 0,5； 4 — q/q =仇 L

Рис. ПЛ2. Зависимость длины слоя (безразмерная величина) от Ск/С$: 1 — прямоток; 2 — противоток.

Рис. ПЛ2. Зависимость длины слоя (безразмерная величина) от Ск/С$: 1 — прямоток; 2 — противоток.

Исключением является балансовое уравнение, которое для противотока принимает вид С* = Скфо， Распределение концентраций Сх и частиц различных размеров ф 0 по высоте Л представится (рис. 11.11)

Arth/.— J寸次

Ar，］/寿—М晉〃>

Arth (/告砂)-/。端/*fe(IL27)

/庁 Arth/ Cs—Pt%.丛

Интересно сравнить уравнение (11.27) с соответствующими уравнениями для прямотока (IL21). Из уравнений (11.27) и (11.21) еле- дует, что для прямоточного процесса теоретически достпжима конечная концентрация Ск = Cs при Зр KH/pTVp,ol0 = 1, в то время как для противотока условие Ск = Cs выполняется при Е = оо (рис. 11.12).

Движущая сила Cs—Ск постоянна в процессе идеального емешевия. Система частиц монодисперсна

В этом случае частицы растворяются в условиях, которые описаны в начале этого параграфа

7s=7s=Рт】0Рт】0х (Cs—CQ Кх (Cs—CQ К(IL28)(IL28)

7s=

7s=

Рт】0

Рт】0

х (Cs—CQ К

х (Cs—CQ К

(IL28)

(IL28)

(П.29)(П.29)В каждый момент времени в аппарате будут присутствовать частицы всех размеров от 2。до нуля. Все эти частицы создадут поверхность растворения Fo6, которая при коэффициенте массоотдачи К обеспечит массовую скорость растворения Мо:

(П.29)

(П.29)

M0 = KFo6 (Cs—Ск)

Пусть поверхность частиц, поступающих в аппарат в единицу времени, равна 尸°. За время dt в аппарат войдут частицы с поверхностью Fodt; к моменту времени I эта поверхность уменьшится

FodtFodtФ2Го dt =

Fodt

Fodt

Суммарная поверхность всех частиц, находящихся в аппарате идеального смешения, составит

専F“s専F“s

専F“s

専F“s

С$ — Сн с?\С$ — Сн с?\рт 历 1一aрт 历 1一a(JI.32)(JI.32)

С$ — Сн с?\

С$ — Сн с?\

рт 历 1一a

рт 历 1一a

(JI.32)

(JI.32)

Аналогично определяется масса этих частиц:

(11.31)

Из уравнения (11.11) можно определить безразмерное время растворения в условиях процесса идеального смешения (см. рис. II.8).

Рис. 11.13. Кривые функций распределения в различные моменты растворения：7 ——начальное состояние; 2 — А = =25 мкм; 3 — А ^ 50 ыкм; 4 — А = —100 мкм.Рис. 11.13. Кривые функций распределения в различные моменты растворения：7 ——начальное состояние; 2 — А = =25 мкм; 3 — А ^ 50 ыкм; 4 — А = —100 мкм.Движущая сила Cs—С\ постоянна.

Рис. 11.13. Кривые функций распределения в различные моменты растворения：

7 ——начальное состояние; 2 — А = =25 мкм; 3 — А ^ 50 ыкм; 4 — А = —100 мкм.

Рис. 11.13. Кривые функций распределения в различные моменты растворения：

7 ——начальное состояние; 2 — А = =25 мкм; 3 — А ^ 50 ыкм; 4 — А = —100 мкм.

Система частиц полидисперена

Пусть кривая 1 (рис. 11.13) графически изображает функцию 屮(】о) распределения частиц по их размерам до растворения. В соответствии с уравнением (11.12) к момен*гу времени t размер всех частиц уменьшится на величину А = 2。一厶 При этом частицы, размер которых меньше Д, исчезнут, а масса частиц с размерами больше А уменьшится в соотношении

⑴・3з)

Таким образом, для определения функции распределения, соответствующей моменту времени 力 следует каждую ординату кривой I умножить на выражение (11.33). Так строят кривые 2 (А = 25 мкм), 3 (А = 50 мкм), 4 (△二 100 мкм) и т. п. Площадь, ограниченная кривой 7, принята равной единице. Площади под кривыми 2——6 численно равны массовым долям частиц, размеры которых уменьшены на величину As

'макс

?= S (1一备)1(20)〃0(11.34)

А

Уравнение (11.34) определяет функцию у (Д), которая может быть названа характеристической, так как она полностью определяется первоначальным распределением частиц по их размерам. Значение характеристической функции влечет за собой установление кинетики растворения в условиях рассматриваемого случая, так как

.A = mVk£-(П.35)

Двюкущая сила Cs——С\ переменна (периодическое растворение или прямоток). Система частиц полидисперена

Уравнение материально! о баланса (II.2) для данного случая не может быть сведено к выражению (IL3). Оно может быть представлено в форме

(11.36)(11.36)G = Ch+B(i—u)

(11.36)

(11.36)

Уравнение кинетики (IL11) принимает вид

В = Н IG—ChT (D】В = Н IG—ChT (D】(11.37)(11.37)右=1—炉(1—у)右=1—炉(1—у)ки — экспериментальные данные по кинетике):ки — экспериментальные данные по кинетике):т =т =1-₽* (1-У)1-₽* (1-У)(II 39)(II 39)Интегрирование выполнено графически (кривая 2 дает аначения подынтегральной функции при р* = 0,5 в зависимости от ж, а кривая 3 — значения т). Наконец, криваяИнтегрирование выполнено графически (кривая 2 дает аначения подынтегральной функции при р* = 0,5 в зависимости от ж, а кривая 3 — значения т). Наконец, кривая1 — ха рактерн^тическая функция у — f (х); 2 — значения подынтегральной функции 1/1 +6*(1—у)； з— значения времени т «= / (х) (бедраэ- мерная величина); 4 — кривая у = / (т). 、1 — ха рактерн^тическая функция у — f (х); 2 — значения подынтегральной функции 1/1 +6*(1—у)； з— значения времени т «= / (х) (бедраэ- мерная величина); 4 — кривая у = / (т). 、4 дает искомую кинетическую4 дает искомую кинетическуюзависимость у (т), которая сопоставлена с опытными данными творению CaSO4-2HaO в воде.зависимость у (т), которая сопоставлена с опытными данными творению CaSO4-2HaO в воде.[9] по рас-[9] по рас-

В = Н IG—ChT (D】

В = Н IG—ChT (D】

(11.37)

(11.37)

右=1—炉(1—у)

右=1—炉(1—у)

ки — экспериментальные данные по кинетике):

ки — экспериментальные данные по кинетике):

т =

т =

1-₽* (1-У)

1-₽* (1-У)

(II 39)

(II 39)

Интегрирование выполнено графически (кривая 2 дает аначения подынтегральной функции при р* = 0,5 в зависимости от ж, а кривая 3 — значения т). Наконец, кривая

Интегрирование выполнено графически (кривая 2 дает аначения подынтегральной функции при р* = 0,5 в зависимости от ж, а кривая 3 — значения т). Наконец, кривая

1 — ха рактерн^тическая функция у — f (х); 2 — значения подынтегральной функции 1/1 +6*(1—у)； з— значения времени т «= / (х) (бедраэ- мерная величина); 4 — кривая у = / (т). 、

1 — ха рактерн^тическая функция у — f (х); 2 — значения подынтегральной функции 1/1 +6*(1—у)； з— значения времени т «= / (х) (бедраэ- мерная величина); 4 — кривая у = / (т). 、

4 дает искомую кинетическую

4 дает искомую кинетическую

зависимость у (т), которая сопоставлена с опытными данными творению CaSO4-2HaO в воде.

зависимость у (т), которая сопоставлена с опытными данными творению CaSO4-2HaO в воде.

[9] по рас-

[9] по рас-

Движущая сила Cs—Сх переменна (противоток).

Система частиц полидисперсна

Уравнение материального баланса имеет вид (II.6) или (II.8)

G = Q-B(1 ")

G=源+明

65653 Заказ 1159

65

65

Уравнение кинетики выражается как

Рис. 11.16. Xарактеристическая функция для полидпсперсной смеси КС1 (к примеру II.3).Рис. 11.16. Xарактеристическая функция для полидпсперсной смеси КС1 (к примеру II.3).Рис. 11.17. Кинетика растворения при противотоке (частицы размером более 0,2 см отсеяны):Кривая В, кг/м8℃12262523810032261004226100Рис. 11.17. Кинетика растворения при противотоке (частицы размером более 0,2 см отсеяны):Кривая В, кг/м8℃12262523810032261004226100

Рис. 11.16. Xарактеристическая функция для полидпсперсной смеси КС1 (к примеру II.3).

Рис. 11.16. Xарактеристическая функция для полидпсперсной смеси КС1 (к примеру II.3).

Рис. 11.17. Кинетика растворения при противотоке (частицы размером более 0,2 см отсеяны):

Кривая В, кг/м8℃

122625

238100

3226100

4226100

Рис. 11.17. Кинетика растворения при противотоке (частицы размером более 0,2 см отсеяны):

Кривая В, кг/м8℃

122625

238100

3226100

4226100

Пример II.3. В противоточном аппарате непрерывного действия растворяется хлористый калий в воде. Первоначальная функция распределения частиц по их размерам показана на рис. 11.15 (кривая 2). Построить кривые

GU

«диетики растворения для условий: В = 0,226 г/см3; [ = 25 ℃； 0 = 0,380 г/см3; 2= ЮО ℃; ₽ = 0,226 г/см3; « = 100℃; Р = 0,226 г/см3; t = 100 ℃ при от- 72ве частиц размером более 0,2 см от первоначальной смеси; рт = 1,987 г/см3； С = 0,318 г/см3 при £ = 25 ℃; Cs = 0,435 г/см3 при t = 100 ℃ н Сн = 0・ ' решение начинается с построения характеристической функции у (я) при а； = I/1т； 1т = 0,7 см методом, который изложен в предыдущем примере (ркс. 11.16). В дальнейшем численно или графически интегрируется уравнение кинетики

t = Pt§Cs-1®⑴ 41)

Исключая промежуточный параметр z из функции т (■) м у (х), определяем искомую кинетическую кривую. Так получены четыре кинетических кривых, соответствующих четырем заданным условиям (рис. 11.17).

、-

Движущая сила Cs—Ск постоянна в процессе идеального смешения. Система частиц полидиеперсна

Как и ранее, нам следует определить время растворения частиц (максимального размера) Гмакс, массу растворяющегося материала Моб и его поверхность /о6. Время растворения определится, исходя из максимального размера частиц

力Рт^макс

■макс= .. — Ск) К

Величина Моб определится способом, указанным ранее. За время dt в аппарат поступает масса

".Mo dt

твердого вещества, которая будет уменьшаться со временем

Mo dty (=)

где у (с) — характеристическая функция; х = Д//макс или с использованием (11.35) величин х = f/Тмакс-

Искомая масса твердых частиц в аппарате составит

『макс

Лоб== j Л/oJ/ (w) d,о

или

1

Мо6 = 〃о7макс J У (^) dx(11.42)

9

Чтобы установить поверхность всех частиц, находящихся в аппарате, следует вначале по массовому распределению частиц определить поверхностное распределение 屮斤(2). Из выражений (11.10) находим

dF = к pl2 dN\ dM =XypTZ3 dN откуда следует

産=石胃 d/U; d," = W (I) di;

Искомая функция распределения поверхностей частиц по их размерам

WU)

丹")=不嬴

，屮爪Qhh

где 1где 1嘗W (О

где 1

где 1

I ―j— dl — нормирующий множитель, приводящий к соотношению

/ мин

макс

Г灯⑺成=i.

При уменьшении размеров всех частиц на величину Д их поверхности уменьшатся в соотношении (1 — Д//0)а, а вся поверхность

^макс .

Уf= У (‘一石)9斤"。)也。(П.44

Таким образом, мы устанавливаем поверхностную характеристическую функцию ур (Д) или ур (з), которая может быть использована для определения Fo6

•1

Гоб—^О^макс J Ур (х) dx

6 гДе 匹0 ——поверхность частиц, поступающих в аппарат в единицу времени.

Двухступенчатая схема растворения

Рассмотрим процесс растворения, протекающий в двух прямоточных аппаратах, соединенных противотоком (рис. 11.18). В соответствии с обозначениями на цис. 11.18, запишем балансовые уравнения в форме:

для аппарата 1

В1 (1一力)=a 1-R2； В1 = *^"

для аппарата 2

02 (1 —У2)= Ск 2 —Сн；02 = "^ = B1V1

для двух аппаратов вместе

61(1—%) =Ск 1—Сн

Для условий полного растворения (у2 = 0) имеем

Pi = Ск 1 一 Сн

(П.45)(П.45)Ск 2 = Сн+ (Ск 1 — Gi) %

(П.45)

(П.45)

В уравнении (11.45) величина Сн = const; СК1 также следует читать величиной заданной, поскольку она выбирается в зависимо-от концентрации насыщения СК1 = аС$； величина а = const《 /1 Таким образом, в уравнении (П.45) — две зависящие одна от 盆V*o宓 переменные, одной из которых следует задаться. При этом суммарное время растворения и, следовательно, суммарная длина растворителя будут зависеть от при- нятой величины у】. Для монодиспер- сного материала (以=屮；)можно поставить и решить две задачи, связанные с рациональным подбором величины у「1. Подобрать величину у】 такую, при которой время растворения в обоих аппаратах, а значит и длина аппаратов были бы одинаковы. Определяя дляВ уравнении (11.45) величина Сн = const; СК1 также следует читать величиной заданной, поскольку она выбирается в зависимо-от концентрации насыщения СК1 = аС$； величина а = const《 /1 Таким образом, в уравнении (П.45) — две зависящие одна от 盆V*o宓 переменные, одной из которых следует задаться. При этом суммарное время растворения и, следовательно, суммарная длина растворителя будут зависеть от при- нятой величины у】. Для монодиспер- сного материала (以=屮；)можно поставить и решить две задачи, связанные с рациональным подбором величины у「1. Подобрать величину у】 такую, при которой время растворения в обоих аппаратах, а значит и длина аппаратов были бы одинаковы. Определяя дляусловий аппарата 7 время Zsl из внения (IL16) и приравнивая коусловий аппарата 7 время Zsl из внения (IL16) и приравнивая коУРа- вре-УРа- вре-меня ?s2 для аппарата 2, получим трансцендентное уравнениеменя ?s2 для аппарата 2, получим трансцендентное уравнение%)…偿)%)…偿)г1 — aV/e-[0-喲(1-哨)г1 — aV/e-[0-喲(1-哨)(IL46)(IL46)гдегдеааR1 .R1 .з1—а『 a (-喲；з1—а『 a (-喲；Рис. ПЛ8. Схема двухступенчатого растворения:2, 2 — прямоточные аппараты;Рис. ПЛ8. Схема двухступенчатого растворения:2, 2 — прямоточные аппараты;т ▽т ▽3 — разделитель системы частицы — жидкость.3 — разделитель системы частицы — жидкость.твердыетвердые

В уравнении (11.45) величина Сн = const; СК1 также следует читать величиной заданной, поскольку она выбирается в зависимо-

от концентрации насыщения СК1 = аС$； величина а = const《 /1 Таким образом, в уравнении (П.45) — две зависящие одна от 盆V*o宓 переменные, одной из которых следует задаться. При этом суммарное время растворения и, следовательно, суммарная длина растворителя будут зависеть от при- нятой величины у】. Для монодиспер- сного материала (以=屮；)можно поставить и решить две задачи, связанные с рациональным подбором величины у「

1. Подобрать величину у】 такую, при которой время растворения в обоих аппаратах, а значит и длина аппаратов были бы одинаковы. Определяя для

В уравнении (11.45) величина Сн = const; СК1 также следует читать величиной заданной, поскольку она выбирается в зависимо-

от концентрации насыщения СК1 = аС$； величина а = const《 /1 Таким образом, в уравнении (П.45) — две зависящие одна от 盆V*o宓 переменные, одной из которых следует задаться. При этом суммарное время растворения и, следовательно, суммарная длина растворителя будут зависеть от при- нятой величины у】. Для монодиспер- сного материала (以=屮；)можно поставить и решить две задачи, связанные с рациональным подбором величины у「

1. Подобрать величину у】 такую, при которой время растворения в обоих аппаратах, а значит и длина аппаратов были бы одинаковы. Определяя для

условий аппарата 7 время Zsl из внения (IL16) и приравнивая ко

условий аппарата 7 время Zsl из внения (IL16) и приравнивая ко

УРа- вре-

УРа- вре-

меня ?s2 для аппарата 2, получим трансцендентное уравнение

меня ?s2 для аппарата 2, получим трансцендентное уравнение

%)…偿)

%)…偿)

г1 — aV/e

-[0-喲(1-哨)

г1 — aV/e

-[0-喲(1-哨)

(IL46)

(IL46)

где

где

а

а

R1 .

R1 .

з1—а

『 a (-喲；

з1—а

『 a (-喲；

Рис. ПЛ8. Схема двухступенчатого растворения:

2, 2 — прямоточные аппараты;

Рис. ПЛ8. Схема двухступенчатого растворения:

2, 2 — прямоточные аппараты;

т ▽

т ▽

3 — разделитель системы частицы — жидкость.

3 — разделитель системы частицы — жидкость.

твердые

твердые

Решение этого уравнения численными методами позволяет определить

У1 =(р； в зависимости от а. Так, при а = 0,8,屮】= 0,59 вели- тана % = 0,205.

2. Величины у】 или Ск2 подобраны так, чтобы суммарное время растворения в обоих аппаратах было минимальным (ZMHH = 7S1 + + ?s2)・ Задача решается суммированием времен растворения по формуле (П.16) и анализом полученной функции на экстремальные значения.

На рис. 11.19 приведены окончательные результаты. Сравнивая Рис. 11.19 и рис. II.8, можно убедиться, что время растворения Тмнн в Двух аппаратах мало отличается от времени растворения при аДеальном противотоке в одном аппарате. Значительно сложнее определить значение у^ для случая растворения полидисперсной смеси. На рис. 11.20 изображена кривая кинетики двухступенчатого

растворения хлористого калия (функция распределения частиц по размерам представлена на рис. 11.15), рассчитанная для условий р = 0,38 г/см3; t = 100 ℃; % = 0,3.

Рис. ПЛ9. Значение безразмерного параметра СК2/С8, отвечающее минимальному суммарному времени растворения Тмин (7)，и минимальное время растворения (безразмерная величина) (2)при двухступенчатой схеме.

растворения хлористого калия.растворения хлористого калия.Рис. II.20. Кинетика двухступенчатого

растворения хлористого калия.

растворения хлористого калия.

Неизотермическое растворение

Пример II.4. Гранулированный хлористый калий (размеры гранул ：о = 0,005 м, плотность рт = 2000 кг/м3, 乂 = 2) в количестве 600 кг растворяется в периодически действующем аппарате, содержащем 2 м3 воды; Сн = 0- Раствор в аппарате непрерывно подогревается теплоносителем, температура которого постоянна Тп = 100 ℃. Тепло подводится через поверхность нагрева 尸=6 м2 при коэффициенте теплопередачи Кт = 2000 Вт/(м2-К). Начальная температура жидкости Тн = 15 ℃. Плотность раствора увеличивается с ростом концентрации р = р0 + t^i； Ро 一 плотность воды, равная 1000 кг/м3; ： = 0,59.

Теплоемкость раствора определяется линейным соотношением ср = =103 (4,17 — 0,0046*!)Дж/(кг«К). Теплоемкость твердого хлористого калия G =0,615 • 103 Дж/(кг - К). При этих данных установить изменение концентрации раствора со временем 0工(0, изменение относительного размера <р (£) = Z/Zo и нарастание температуры со временем 7\ (£).

Для решения составим уравнения баланса тепла

(“РТУ + С"/) d7\ = KtF (Тп —厶)dt в левой части которого записано приращение (энтальпия) жидкой и твердой фаз, а в правой ——количество тепла, доставляемое в аппарат теплопередачей, и уравнение материального баланса

pW = рнРИн +Ло (1 — ф3) ез которых следует

d7\ е & 尸 Tn fl

dt = 1Рн с-Рн十 В А (1 — <₽з)十 СтфЗ)

К этому уравнению следует добавить уравнение (П.4)

•Сн+ва-вз)

в

1 + (1—С)而(I—叫

pnc IJ.21. Изменение размера ча- 】ш!(1)，концентрации (2) и темпе- патурм (5) со временем в процессе растворения.

уравнение кинетики

—~ л 7 К (А) [С$ (7。— СJ

н эмпирические уравнения, определяющие зависимости; теплоемкости раствора от концентрации

ср = 103 (4,17 — 0.004G)

концентрации насыщения от температуры

Cs =- 252,2 + 2,4687\—0,0066Г ； коэффициента массоотдачи от температуры

к = 10-4(0,5838+00217771 + 0,000059357；)

полученные Интерполированием табличных данных [181, с. 303, 76].

Таким образом, разработана простейшая математическая модель периодического растворения в неизотермических условиях. Подстановка численных значений параметров приводит основные уравнения к ВВДУ

dTr 6(100 - 74)

~^Г в (4 17—0.0046*!)[1000 + 300 (1 —(р3)] + 184q)3

300(1—炉)С1= 1 + 0,123(1 —<рэ)I

—需=02K (7i) [Cs (厶)-G1

厶(0) = 15 ℃

<Р(0) = 1

G(O)=U

пригодному для численного решения на ЭЦВМ. На рис. II.21 приведено это решение, при котором определены искомые функции 0】(£)； <р (t)； Tj. (»)•

Инвариантные функции，

Понятие

В общем случае в процессе растворения участвует определенное число твердых частиц разной формы и размеров. С ходом растворения зто число как и размеры частиц систематически уменьшаются, а их

71

форма изменяется. При этом соотношения (IL10) уже не могут быть использованы для интегрирования уравнения кинетики. Дин преодоления возникающих вследствие этого трудностей математического описания можно воспользоваться своеобразным соединением теории и опытных данных. Излагаемые ниже методы инвариантных функций были развиты Г. А. Аксельрудом [19, 23], Е. М. Вмгдор. чиком и А. Б. Шейниным [51].

Обратимся к основному уравнению

一学= KF(Cs-G)(IIO)

где М = Моу； у — доля нерастворившегося вещества； Мо — первоначальная масса частицы.

Непрерывно уменьшающаяся поверхность растворения F однозначно связана с величинЬй у, так что

F=FMf@)

где 尸0 — поверхность до растворения.

Коэффициент массоотдачи К в общем случае, зависит от частицы и, следовательно, также является функцией у

К=-К^к(у)

В величину К。входят такие факторы, как скорость обтекания, вязкость жидкости, коэффициент диффузии (см. гл. 1.3). Подстановка величины К в основное уравнение и последующее интегрирование дает:

уf

-a J -(у)%®) = j G-G)也

1о•

где

Noа= 7^

Введем функцию 0, определяемую соотношением

уе=_а J .(и)%5

и, следовательно, в данных гидродинамических условиях зависящую только от у. Вместе с тем

е= J(с$—G_)dtо

откуда следует, что 0 зависит от времени и от изменения концентрации раствора g со временем. В этих утверждениях нет противоречия, поскольку 6 является сложной функцией 0 = 6 [у (£)】•

При фиксированном значении у =力 функция 6 приобретает определенное значение 6 (уЗ но значение у】 достигается за разное время в зависимости от концентрации С\ (0. Таким образом, функции 8 ®) или у (6) инвариантны по отношению к изменениям концентрации; функция 0 (力，разумеется, таким свойством не обладает. Понятие инвариантной функции можно распространить на полидисперс- ную смесь частиц. Действительно, для Z-той частицы можно записать

6 = a『力(以)

В этом уравнении величина 6 не снабжена индексом, так как для всех частиц она определяется одинаковой зависимостью С\ (I) и

t

е= J [c,-g ⑴]dt

О

Вместо параметров сс； удобно ввести в рассмотрение параметры бмакс, равные значениям 0, при которых соответствующие частицы полностью растворяются (у, = 0):

& макспа^/е (0)е /(3仇 макс 力(°)

Масса каждой твердой частицы -в произвольный^момент времени

%=м, m=妬。方nf0ё^]

где /71 — функция, обратная /:

玄 мЕм|[м。)嬢]

"工1-1

y = F=n

工Mo2%0

Из этого уравнения вытекает зависимость у (6) или обратная ей ®(У)・ Для частиц большего размера 0/ макс больше и соответственно возрастает 6, при которой у, становится равным нулю. Максимальное значение 0 определяется частицами самого большого размера. При ° ^ 6/ макс величина /71 [/； (0)] = 0 и Х-е слагаемое в числителе становится равным нулю.

Теоретическое определение функции у (6) возможно лишь в про- ^тейших случаях. Так, для монодисперсного материала при К = —const и для условий, при которых соотношения (11.10) справед- "皿网,легко устанавливается результат

^(^《-■д^у；%”繚

Определение

Инвариантную функцию можно определить в условиях эксперц ментальной процедуры, соответствующей любой схеме процесса Наиболее просто использовать для этой цели периодический процес/ в аппарате с мешалкой. В аппарат, содержащий V м3 жидкости, в во дится Мо кг растворимого вещества. Анализируя раствор чер(^ известные промежутки времени, определяют концентрацию С\ (Z) Искомая функция устанавливается исключением времени как пара метра из двух уравнений (см. гл. II.1).

t

6«)= JlCs—GQ)]山

о

"（。=1一"（。=1一& (i) — Сн ~

"（。=1一

"（。=1一

Мо

Интегрирование удобно выполнять в графическом или численно: виде.

Использование

Если инвариантная функция известна при данных гидродинам! иескнх условиях растворения, то ее можно использовать для он卩 деления кинетики растворения в тех же гидродинамических усл( виях, но при любом законе изменения концентрации раствора со вр( менем. Рассмотрим в качестве примера преобразование, которое сиа волически удобно обозначить в виде

В1Т %

Процесс периодического растворения протекает в аппарату। с мешалкой при значениях параметра р = р i = Мо1/У. Способоз указанным выше, устанавливается инвариантная функция у (6 Следует определить кинетику растворения в условиях

也会小

ной загрузки твердой фазы, приведет к существенному изменена концентрационного поля в аппарате. Для решения используем я уравненияной загрузки твердой фазы, приведет к существенному изменена концентрационного поля в аппарате. Для решения используем я уравненияСовершенно ясно, что изменение параметра р, т. е. первоначал

ной загрузки твердой фазы, приведет к существенному изменена концентрационного поля в аппарате. Для решения используем я уравнения

ной загрузки твердой фазы, приведет к существенному изменена концентрационного поля в аппарате. Для решения используем я уравнения

— — — — ~ ——— — —"•—*^ ^ .c^w>^4b，Л

С] = Сн + “(1-力 из которых следует

〃е)= ) (Cs-cM-BzH-y —

После интегрирования (графического или численного) искомый результат получается исключением промежуточного параметра 0 по схеме:

£(。)、

才—> у (0 ―а с\ (О

В качестве другого примера рассмотрим процесс, протекающий в аппарате идеального смешения с одной загрузкой твердой фазы, поданной в определенный момент времени.

В аппарат, содержащий V объемных единиц жидкости, непрерывно поступает жидкость, расход которой Q и концентрация Сн. Из аппарата также непрерывно отводится жидкость с тем же расходом Q и концентрацией С\, равной концентрации раствора в данный момент. Следует определить изменение концентрации вытекающего раствора со временем. Дифференциальное уравнение баланса вещества имеет вид

卩鲁"QCh + (-Mo^)-qg

Подстановка Сх = Cs — dB/dt приводит к дифференциальному уравнению 2-то порядка; после однократного интегрирования при краевых условиях £ = 0, у=1,6=0, dQ/dt = Cs — Сн получаем de

卩丁 十 Q6—Mo H-v (8)1 = U(Cs-Ch)+Q G-Сн) t

После введения группы безразмерных переменных и параметров

?一一L..6No

—ср *Q '” =(Cs-Ch)Wp 'P(Cs—Ch)

уравнение принимает окончательный вид

je* , 右+併+je* , 右+併+。口 一y（e*）l=i+〈。口 一y（e*）l=i+〈

je* , 右+併+

je* , 右+併+

。口 一y（e*）l=i+〈

。口 一y（e*）l=i+〈

G—G de*

ПримеПримеP IL5・ Определить концентрациюP IL5・ Определить концентрацию—5…2 2y"……выходящей жидкости из аппарата идеального смешения с единовременной загрузкой растворимого вещества при следующих исходных данных: Сн = 0； Cs = НЮ кг/м ; *ср = =100 с; а = 0,8 и а = 10- Инвариаитную функцию—5…2 2y"……выходящей жидкости из аппарата идеального смешения с единовременной загрузкой растворимого вещества при следующих исходных данных: Сн = 0； Cs = НЮ кг/м ; *ср = =100 с; а = 0,8 и а = 10- Инвариаитную функциюможно представить уравнениемможно представить уравнениемУ 俨)=1У 俨)=1

Приме

Приме

P IL5・ Определить концентрацию

P IL5・ Определить концентрацию

—5…2 2y"……выходящей жидкости из аппарата идеального смешения с единовременной загрузкой растворимого вещества при следующих исходных данных: Сн = 0； Cs = НЮ кг/м ; *ср = =100 с; а = 0,8 и а = 10- Инвариаитную функцию

—5…2 2y"……выходящей жидкости из аппарата идеального смешения с единовременной загрузкой растворимого вещества при следующих исходных данных: Сн = 0； Cs = НЮ кг/м ; *ср = =100 с; а = 0,8 и а = 10- Инвариаитную функцию

можно представить уравнением

можно представить уравнением

У 俨)=1

У 俨)=1

°макс = 5

следке課 выполнено на ЭЦВМ и представлено на рис. 11.22. Из рисунка ,что при больших значениях параметра а концентрация Сг в течение

вначительного времени изменяется слабо. При таких условиях аппарат идеальД ного смешения может быть источником раствора с приблизительно постоянней концентрацией.

Рассмотрим теперь такой процесс растворения, который проте-i кает в описанном выше аппарате идеального смешения, но сопровоЛ ждается выдачей раствора постоянной концентрации С】=constJ При этом расход Q должен систематически уменьшаться в соответ< ствии с закономерностью, которую следует установить.'

Рис. 11.22. Изменение концентрацщ выходящей /кидкости из аппарата идеального смешения с одной загрузкой растворяющегося веществ! со временем т:

— а= 1; 2 — а ^ 10.

Так как С\ = const, то уравнение баланса запишется в вищ

QlP^C^^—Mo^

Кроме того,

e=(Cs-Ci)t；色一包理一也/前-1ё衣一育(%一3

Таким образом, окончательный результат Cs—G dy (б)

также выражен через функцию у (6).

Суммируем свойства функции у (0):

доля нерастворившегося вещества у определяется обобщенны» аргументом 6 = | [Cs — С工(/)] d£, а не отдельно Сг (^) и 力 подобнл тому как изменение количества движения в механике определяется J Р (力)d力 а не отдельно силой Р (力)и временем Е;

для процессов растворения, отличающихся один от другого только законом изменения концентрации со временем, функция у (6) одинакова, а функции 6 (力)——различны;

функция у (6) изменяется с изменением гидродинамическое обстановки и температуры, поскольку от них зависит коэффициент массоотдачи.

E，M. Вигдорчик и Л. Б. Шейнин 151] предложили использовать функцию, инвариантную также относительно телшературы и гидродинамической обстановки. Считается возможным представить коэффициент массоотдачи К в, виде произведения двух функций

К=/к(У)•/吟 Т (з. Г)

одна из которых /к (у) зависит только от у, а вторая /切，丁 (s, Т)— от гидродинамику и температуры. Основное уравнение кинетики после включения в него этих функций и интегрирования принимает вид

Уf

-%, т J 77誅而=J (Cs-G) di

о

где Мо aw-T= F0fWtT(w. 7)

Вьшолним также интегрирование в пределах от 0 до Ts, где Ts — время полного растворения — величина конечная, если Сг <5 Cs

О

%’ т『7Й謀而'■丨а-，)山ТО

Простым делением одного уравнения на другое исключим величину а叫t

у

J % (v) • - ® J (Cs—G) dt

^3e ^

f也『(Cs—Cl)山

J益5小⑺ -,

В левой части этого уравнения находится некоторая функция От У； в правой части — величина, обозначаемая буквой х

е" —aОмаке

Таким образом, искомая функция

у = у Q)

J (Cs-G)血

J (С$—Ci) &

6

Аргумент x приобретает особенно простой вид при С — Ci = 二 Const

Тогда

卜=

Найденная для условий некоторой экспериментальной процедуры функция у (х) остается справедливой и для промышленных условий. Кинетическую функцию широко применяют для анализа и расчета кинетики растворения. Соответствующие примеры приведены в работах [51, 1621.

РАСТВОРЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

Простые многокомпонентные смесиi

В промышленной практике часто приходится растворять смес иJ состоящие из обычных солей или их к рист алло гидратов, при условии! ,конгруэнтного их растворения. Такие многокомпонентные смеси] называют простыми. Скорость растворения f-го компонента простой， смеси в растворе, содержащем другие компоненты /, концентрацпн/ которых изменяется во времени, определится уравнением Шукарева!»

票 Q&/(Cst—Q)票 Q&/(Cst—Q)(II词(II词

票 Q&/(Cst—Q)

票 Q&/(Cst—Q)

(II词

(II词

где Mi — масса i-ro компонента б твердой фазе; Ki — коэффициент массоот-J дачи для г-го компонента; Ft — поверхность растворения; Csi — концентрация насыщений 1-го компонента в растворе； G — текущая концентрация i-ro коан поиента* .

Отличительной особенностью уравнения (11.47) является зависимость коэффициента массоотдачи Kt и концентрации насыщения С. от концентрации других компонентов в растворе. Указанная зави симость для коэффициента., массоотдачи проявляется в разной мерс [76, 96]. В некоторых случаях влияние растворенных веществ существенно. Например, коэффициент массоотдачи при растворении КС уменьшается на 25% при изменении концентрации NaCl в растворе от 0 до 250 кг/м3 [76]. В других случаях растворенное веществе) не влияет на скорость массоотдачи другого вещества, например пр£ растворении NaCl в растворе КС1.

До последнего времени не разработано надежной теории, позвог ляющей определять расчетом коэффициенты массоотдачи при раствог рении веществ в растворах сломшого состава. В. В. Сердюк [36| установил связь коэффициента массоотдачи с эффективным коэфф< циентом диффузии для случая, когда в растворе содержится иостт ронний электролит. Принятая лри этом гипотеза связывает измен, ние коэффициента массоотдачи с изменением вязкости погранично^ раствора. Другие авторы обусловливают изменение коэффициент массоотдачи адсорбционными явлениями.

В качестве первого приближения примем, что коэффициент маг • соотдачи “го компонента является величиной постоянной, а в раечв

02,"2/"302,"2/"3Рнс. 11.23. Диаграмма равновесия системы NaCl—КС1—Н2О.Рнс. 11.23. Диаграмма равновесия системы NaCl—КС1—Н2О.тах будем использовать его усредненное в данном диапазоне концентраций других компонентов значение. Обратимся теперь к определению концентрации насыщения 0仪，входящей в уравнение (II 47) В качестве примера рассмотрим систему NaCl — КС1 — НО. Как видно из диаграммы равновесия (рис. IL23), концентрация насыщения раствора по КС1 уменьшается с увеличением в растворе содержания NaCl. Пусть в уравнении кинетики (11.47) используется по- стоянное во времени усредненное значение концентрации насыщения Ст по КС1 (на рис. 11.23 штриховая линия). Тогда может оказаться что в некоторые моменты времени'

02,"2/"3

02,"2/"3

Рнс. 11.23. Диаграмма равновесия системы NaCl—КС1—Н2О.

Рнс. 11.23. Диаграмма равновесия системы NaCl—КС1—Н2О.

уравнение кинетики принципиально неверно отражает направление процесса.

Действительно, для состояния, которое определяется точкой М, расчетная движущая сила отрицательна (точка М находится справа от штриховой линии), хотя по существу она положительна. Для состояния, которое определяется точкой ^, расчетная движущая сила положительна, что соответствует растворению. В действительности же она отрицательна и отвечает процессу кристаллизации. Это рассуждение показывает, что допущение Csf = const неправомерно и что нельзя рассматривать

кинетику растворения Z-fo компонента вне связи с кинетикой рас- творения остальных компонентов. Таким образом, при анализе кинетики растворения смеси, состоящей из п компонентов, следует рассмотреть п уравнений'‘

.近—=K/t(Csi —G); t = i, 2, . . ., n(11.48)

Csi=/c(Cp С?，• . ♦• &一1? ^i+v • • •• C/i)(11.49)

Ei=fp (Mi)(11.50)

Уравнение (11.49) определяет концентрацию насыщения i-ro компонента в растворе данного состава. Уравнение (11.50) показы- вает зависимость поверхности растворения от текущего значения массы данного компонента. Как видно из приведенных уравнений, 'мело неизвестных функций системы вдвое превышает число уравнений. Чтобы замкнуть систему, следует воспользоваться уравненп- нмн материального баланса, которые различны для различных схем процесса.

Современная теория растворов дает громоздкие выражения для Функций (11.49), определяющих растворимость Csi. К тому же эти

выражения недостаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными по растворимости. Поэтому для расчета кинетики раство- рения целесообразно использовать эмпирические уравнения, полученные аппроксимацией экспериментальных значений растворимости.

Итак, используя принятые в этом параграфе допущения, а также учитывая допущения (11.10) предыдущего параграфа, можно скон-

МНОГО- IМНОГО- I(П-2),(П-2),струировать математическую модель кинетики растворения компонентной смеси.

МНОГО- I

МНОГО- I

(П-2),

(П-2),

Для(II.3) иДля(II.3) имонодиспе рсной смеси частиц исходные уравнения (11.11) принимают вид

Для

(II.3) и

Для

(II.3) и

^^ 一囚[(Csf —Со,) —Ri (1 —屮汨；Z = l, 2,・.•，九

C&i=fct(G，J，C&i=fct(G，J，，Cf—i，G+t，乂团，Cf—i，G+t，乂团CQCQ(11.51)(11.51)Для и 11.37Для и 11.37полидисперсной смеси частиц исходные уравнения 11.34 можно записать какполидисперсной смеси частиц исходные уравнения 11.34 можно записать как^^~e~~ I(C$i — С。,)一Pz (1 —打)1； £ = 1, 2, . . .. n ас рт]匕 макс^^~e~~ I(C$i — С。,)一Pz (1 —打)1； £ = 1, 2, . . .. n ас рт]匕 макс。мин。мин^z (hi) ©б^z (hi) ©бC$i= fci(C】'。2‘ - - •，С*т，Cj+l’ - • •，^*n)C$i= fci(C】'。2‘ - - •，С*т，Cj+l’ - • •，^*n)(11.52；(11.52；Пример П.6. Рассчитать кинетику растворения двухкомпонентной* (NaCl и КС1) монодисперсной смеси в воде для условии периодического процесса в аппарате с кипящим слоем и циркуляцией раствора. Исходные данные приведены в табл. ПЛ для трех вариантов процесса.Пример П.6. Рассчитать кинетику растворения двухкомпонентной* (NaCl и КС1) монодисперсной смеси в воде для условии периодического процесса в аппарате с кипящим слоем и циркуляцией раствора. Исходные данные приведены в табл. ПЛ для трех вариантов процесса.ВариантКомпонентlo-10«, M力℃К-10», м/сСн， кг/маВ, кг/м*1Примечание1NaCl0,9259,30123,1118,1Ch + BVCsКС10,9259,8567,0163,4Сн + Р V С$2NaCl0,9259,30432,7101,6Сн + 6《с$KC10,9259,5271,3110,0еh + 6三 G3NaCl0,9259,30140,4155,4Сн + р m с$KC10,9259,5272,948,5Сн + в < аВариантКомпонентlo-10«, M力℃К-10», м/сСн， кг/маВ, кг/м*1Примечание1NaCl0,9259,30123,1118,1Ch + BVCsКС10,9259,8567,0163,4Сн + Р V С$2NaCl0,9259,30432,7101,6Сн + 6《с$KC10,9259,5271,3110,0еh + 6三 G3NaCl0,9259,30140,4155,4Сн + р m с$KC10,9259,5272,948,5Сн + в < аТаблица ".?. Исходные данные при расчете кинетики растворения двухкомпонентной смесиТаблица ".?. Исходные данные при расчете кинетики растворения двухкомпонентной смеси

C&i=fct(G，J，

C&i=fct(G，J，

，Cf—i，G+t，

乂团

，Cf—i，G+t，

乂团

CQ

CQ

(11.51)

(11.51)

Для и 11.37

Для и 11.37

полидисперсной смеси частиц исходные уравнения 11.34 можно записать как

полидисперсной смеси частиц исходные уравнения 11.34 можно записать как

^^~e~~ I(C$i — С。,)一Pz (1 —打)1； £ = 1, 2, . . .. n ас рт]

匕 макс

^^~e~~ I(C$i — С。,)一Pz (1 —打)1； £ = 1, 2, . . .. n ас рт]

匕 макс

。мин

。мин

^z (hi) ©б

^z (hi) ©б

C$i= fci(C】'。2‘ - - •，С*т，Cj+l’ - • •，^*n)

C$i= fci(C】'。2‘ - - •，С*т，Cj+l’ - • •，^*n)

(11.52；

(11.52；

Пример П.6. Рассчитать кинетику растворения двухкомпонентной* (NaCl и КС1) монодисперсной смеси в воде для условии периодического процесса в аппарате с кипящим слоем и циркуляцией раствора. Исходные данные приведены в табл. ПЛ для трех вариантов процесса.

Пример П.6. Рассчитать кинетику растворения двухкомпонентной* (NaCl и КС1) монодисперсной смеси в воде для условии периодического процесса в аппарате с кипящим слоем и циркуляцией раствора. Исходные данные приведены в табл. ПЛ для трех вариантов процесса.

Вариант

Компонент

lo-10«, M

力℃

К-10», м/с

Сн， кг/ма

В, кг/м*

1

Примечание

1

NaCl

0,9

25

9,30

123,1

118,1

Ch + BVCs

КС1

0,9

25

9,85

67,01

63,4

Сн + Р V С$

2

NaCl

0,9

25

9,30

432,7

101,6

Сн + 6《с$

KC1

0,9

25

9,52

71,3

110,0

еh + 6三 G

3

NaCl

0,9

25

9,30

140,4

155,4

Сн + р m с$

KC1

0,9

25

9,52

72,9

48,5

Сн + в < а

Вариант

Компонент

lo-10«, M

力℃

К-10», м/с

Сн， кг/ма

В, кг/м*

1

Примечание

1

NaCl

0,9

25

9,30

123,1

118,1

Ch + BVCs

КС1

0,9

25

9,85

67,01

63,4

Сн + Р V С$

2

NaCl

0,9

25

9,30

432,7

101,6

Сн + 6《с$

KC1

0,9

25

9,52

71,3

110,0

еh + 6三 G

3

NaCl

0,9

25

9,30

140,4

155,4

Сн + р m с$

KC1

0,9

25

9,52

72,9

48,5

Сн + в < а

Таблица ".?. Исходные данные при расчете кинетики растворения двухкомпонентной смеси

Таблица ".?. Исходные данные при расчете кинетики растворения двухкомпонентной смеси

растворимость компонентов в системе NaCl—КС1—H.0 с удовлетворитель- о京 точностью может быть аппроксимирована линейными зависимостями (см.

рис. П-23)

(П.53)(П.53)Gi = Mi + %2c2； С82 = С^2 + ^21^1 где С?】=317;瓦2 = —0474; С»2 = 303; Ь21 = —0,684

(П.53)

(П.53)

Используя балансовые уравнения (II.2) для обоих компонентов, получим после подстановки в (11.48) следующие выражения:

(IL54)(IL54)(11.55)(11.55)К 嗡"=% — С； + 0№； -•加嘴白噜=С；2 - С； + 02屮—21 喈

(IL54)

(IL54)

(11.55)

(11.55)

С； = Сн1 + 61； С； = Сн2 + 02

С：1=%6+С£； с；2=МС；+с：2

偉2=瓦202；

乂 №1 .网=瓦硏

После того как подсчитаны все постоянные и подставлены в уравнения (IL54), последние становятся пригодными для численного решения:

、1) — -^ = 10-б(13,50 + 29,11<р| + 114,38<р®)

(П.56)

-陪=10-5(8,41 + .89,93喝 + 70,58増)

2)一学* = IOT (-3,11 + 49,51中；+ 96,55騎)

d(H.57)

—-嘗=Ю-6 (—42,59 + 76,86嗎 + 121,55<рЗ)

3)—-^-=10-5(—34,77+21,99<р®+148,70ф8)

西2 /,(IL58)

# = 10-5(-21,84+112,08<р| 451,12神)

Решения приведенных трех систем выполнены на ЭЦВМ и в графической форме представлены на рис. П.24—11.26. Для доказательства адекватности, представленной уравнениями (11.56)—(11.58) математической модели, результаты решения (11.56)—(11.58) сопоставлены с экспериментальными данными; исход- Ные Данные экспериментов соответствуют данным табл. ПЛ. Рассмотрим полученные расчетные и экспериментальные результаты. В первом варианте на протяжении всего процесса концентрации обоих компонентов в растворе остаются меньшими концентрации насыщения. Это также видно из диаграммы растворимости (рис. 11.27), на которой изменение состава раствора в условиях первого варианта показано лпнией 1.

Во втором и третьем вариантах полностью растворялся лишь один компо- ент (Nad в варианте 2 п КС1 в варианте 3). Проследим за изменением кон- ^нтрацпп обоих компонентов для условий варианта 2 (кривая 2, рис. 11.27). з рис. П.27 видно, что растворение NaCl происходит на протяжении всего роцесса, и концентрация его в растворе непрерывно увеличивается; КС1 вна- але также растворяется, и его концентрация возрастает, достигая насыщения.

бЗаказ 115981

竺

”

150

W0

50

1500 2000

(11.59)

NaCl—KC1 по уравне-

V 250

NaCl—КС1 по уравне-

丁亠仃仁一点）

woo

Рис. П.24. Кривые кинетики растворения монодисперсной смеси по варианту 1 [сплошные линии соответствуют расчетным данным ншо (11.56), точки ——экспериментальным]: Z. 3 —— NaCl； 2, 4 — Kei.

Рис. 11.25. Кривые кинетики растворения монодисперсной смеси по варианту 2 [сплошные линии соответствуют расчетным данным нию (11.57), точки — экспериментальным]： 儿 3 — Nad; z, * 一 Kei.

Точка пересечения кривой 2 с равновесной прямой отвечает состоянию раствора, насыщенному КС1 и не насыщенному NaCl. Растворение последнего продолжается. Это приводит к тому, что концентрация насыщения хлорпстого калия уменьшается. Фигуративная точка раствора переходит в область растворов, перенасыщенных по хлористому калию, и начинается его кристаллизация.

Как видно из графиков на рис. 11.27, теоретические решения (сплошные, линии) и в случае кристаллизации одного из компонентов также хорошо согласуются с экспериментальными данными. Необходимо, однако, отметить, что этот вывод не является общим. Он справедлив, если кристаллизация (как и раство-, рение) лимитируется диффузией и описывается простейшим уравнением

где Q — Cs — величина перенасыщения (движущая сила кристаллпзацип).

В ряде случаев кинетика кристаллизации определяется кинетическим межфазовыми процессами. Прп этом коэффициент К в (П.59) будет значительн отличаться от коэффициента массоотдачи прп растворении, а математическая модель, основанная на закономерностях растворения, непригодна для оппсанпя кинетики кристаллизации.

Пример II.7. В воде растворяется смесь трех компонентов (NaCl, К Cl и NH.C1). Размеры частиц р астворяющихся веществ одинаковы: ZOi == =Z()2 =】n§ = 0,009 м. Следует рассчитать кинетику растворения в условиях периодического процесса, т. е. определить концентрацип всех трех компонентов в растворе и размеры растворяющихся частиц в каждый момент времени. Исходные данные представлены в табл. II.2.

Рис. 11.26. Кривые кинетики растворения монодисперсной смесп NaCl—KG; по варианту 3 [сплошные линип соответствуют расчету по уравнениям (11.58)1 точки — экспериментальным данным]:

1, 3 — NaCl; 2. 4 — Kei.

рис. 11.27. Диаграмма растворимости смеси NaCl—КС1 и изменение положения фигуративных точек при растворении (сплошные линии — расчетные данные; точки — экспериментальные данные):

1—3 一 варианты; А и В — линии равновесия.

Вначале следует аналитически представить диаграмму растворимости смеси [77]. Для аппроксимации полей растворимости используются уравнения поверхностей второго порядка [24, 28, 29].

С$1 = С?1 十 й12^2 + Й13^з + 匕 12°2 + %3。3 + Ра23c2°3 0$2 = e金 +。23 党 +。21 / + b 2303 + 621cl + ，231e3С1 e.3 = е；3 +a31/ +a32 臂 + 531cl + 632c2 +p312cle盒

(11.60)

Коэффициенты С®; а; b; р определяются на ЭЦВМ методом наименьших квадратов. Для данного примера они приведены в табл. II.3-

Вещество

сн» кг/м8

₽, кг/м8

К-10е. м/с

t, ℃

NaCl

87,30

70,0

7,18

15

КС1

16,12

70,8

7,39

15

NHaCl

60,12

58,0

6,12

15

Таблица //.2. Исходные данные при расчете кинетики растворения ^рехкомпонентной смеси

Таблица I 1.3. Коэффициенты уравнении (11.60)

Вещество

%%то・

а〃・ IS

力

ьи

Pikl

NaCl

0

0

—0,477

—0,675

990

316,0

КС1

485

981

—0,752

—0,945

290

288,9

NH4CI

250

505

—0,625

—0,488

887

280,0

П р и м е ч а h=2, 1 = 3).

н и е. £, h, 1 —

-циклическая

перестановка чисел

;2; 3 (если 2=1, то

Подстановка (11.60) в основное кинетическое уравнение (11.51) и использование балансовых уравнений для периодического процесса приводит к следующей системе, подлежащей численному решению на ЭЦВМ:

р7 ^^ = С；工一С； +『曬 + а13ф| + &23骑喷一112嗯 一 £з唸 + Pi嚼 J 一不 若"='；2 - С； + a23 魄 + %1中:+ ^231ф|T1 - 03 嘴一(21 史 + 02 骑 I (11. G1) 一正"金=c；3 一 С； +*31屮：+ «32^2 + ^312T1T2 -迄1中：—迄2骑 +03谭]

Постоянные коэффициенты системы (II.61) определяются выражениялш

x1&._ -2及2. .3k3

.=匕仙1， 因=pT2.，

%2 =012 縁； 融3 = a13 階；%3 = "230：

a?1 =级210；；a31 =0316；1a32- fl32p2

В]23 = Р12зб2Вз；^231 — Р231РзР1»^312 = РЗ12Р1Р2

?12 = Ра (2д12С2 + А2 + Р123С；)； 113= 03 (2«1зС； + &1з+Р132^2)g23 = Р3 (2。23w + %3+р231С；)；121 = p1 (2。210； + b21 + 网131)

?31 = Bl (2。310； + 匕31 + p3121)；132 = p2 (2a32g +ь32 +p321С；)

с； = Chi + 又；弓=5+ ₽2； с； = Снз+Рз

Величина С；/ определяется по уравнениям (11.60) при подстановке в них С； вместо Cj (J = 1; 2; 3; JR I). Например

С；1 = С：1 +。12 (Сн?+ 02卢 +。13 (Снз + Вз)2 + Р12 (Сн2+ 02)+

+ %3 (Снз+Рз) + Р123 (Сн?+02)(Снз + 03)

В табл. П.4 представлены коэффициенты уравнений (11.61), соответствующие условиям данного примера.

84

Таблица I 1.4. Коэффициенты уравнений (11.61)

Вещество

叱то，

csi—ci

■

а〃

^ikl

С/

NaCl

7,36

47,70

0

0

4,06

—25,50

—34,15

КС1

8,20

21,77

2,37

3,30

5,23

—29,57

—31,28

NH4CI

8,88

43,31

1,22

2,53

4,39

—32,83

—18,48

На рпс. 11.28 представлены результаты решения системы (11.61) в виде кривых <Р1 (t)；屮2 (。；屮3 ")，а также С】(t)； С% (£)； Сз «)，вычисленные с использованием уравнений материального баланса. Решение выполнено на ЭЦВМ методом Рунге — Кутта. Расчетные данные сопоставлены с опытными.

Рис. 11.28. Кривые кпнетпки растворения смеси NaCl—К Cl—NH4cl (сплошные линии — расчетные данные, точки соответствуют экспериментальным данным)：7 — NaGI; 2 — KG1; 3 — NH4cLРис. 11.28. Кривые кпнетпки растворения смеси NaCl—К Cl—NH4cl (сплошные линии — расчетные данные, точки соответствуют экспериментальным данным)：7 — NaGI; 2 — KG1; 3 — NH4cL

Рис. 11.28. Кривые кпнетпки растворения смеси NaCl—К Cl—NH4cl (сплошные линии — расчетные данные, точки соответствуют экспериментальным данным)：

7 — NaGI; 2 — KG1; 3 — NH4cL

Рис. 11.28. Кривые кпнетпки растворения смеси NaCl—К Cl—NH4cl (сплошные линии — расчетные данные, точки соответствуют экспериментальным данным)：

7 — NaGI; 2 — KG1; 3 — NH4cL

Рис. П.29. Дифференциальные гранулометрические характеристики однокомпонентных полидпсперсных материалов;

7 — NaCl; 2 — КС!

Пример II.8. Рассчитать кинетику растворения двухкомпонентной (Nad и КС1) полмдисперсной смеси. Дифференциальные гранулометрические характеристики 巾〔(屮0 и 巾。(屮2)однокомпонентных материалов приведены на рис. 11.29. ~

】О1Ф1= /01Макс】О1Ф1= /01Макс6/02 макс6/02 максSPi макс ~ 屮2 макс = 1SPi макс ~ 屮2 макс = 1

】О1

Ф1= /01Макс

】О1

Ф1= /01Макс

6/02 макс

6/02 макс

SPi макс ~ 屮2 макс = 1

SPi макс ~ 屮2 макс = 1

Вначале определяются характеристические функции по уравнениям, аналогич. ным (11.34).

中2 （中2）或在中2 （中2）或在11以=，（I一氏）屮1（%）d%以=，（I一氏）屮1（%）d%(11.62)

中2 （中2）或在

中2 （中2）或在

1

1

以=，（I一氏）屮1（%）d%

以=，（I一氏）屮1（%）d%

функций:функций:1 — Nad; 2 — KCl.1 — Nad; 2 — KCl.Рис. 11.31. Кривые кинетики растворения полидисперсной смеси хлористого натрия 1 и хлористого калия 2 (сплошные лтшии соответствуют расчетным данным; точки——экспериментальным).Рис. 11.31. Кривые кинетики растворения полидисперсной смеси хлористого натрия 1 и хлористого калия 2 (сплошные лтшии соответствуют расчетным данным; точки——экспериментальным).Для ВЫЧПСЛСШ1Я интегралов (TI.62) фппкции гр (ф) удобно ашрокепмпро- вать совокупностью отрезков прямых пли кривых линий. Возможно, впрочем.

функций:

функций:

1 — Nad; 2 — KCl.

1 — Nad; 2 — KCl.

Рис. 11.31. Кривые кинетики растворения полидисперсной смеси хлористого натрия 1 и хлористого калия 2 (сплошные лтшии соответствуют расчетным данным; точки——экспериментальным).

Рис. 11.31. Кривые кинетики растворения полидисперсной смеси хлористого натрия 1 и хлористого калия 2 (сплошные лтшии соответствуют расчетным данным; точки——экспериментальным).

численное пли графическое определение (рис. (1.30). Кинетические уравнения легко выводятся из основного уравнения (11.11), балансовых уравнений (II.2) и линейных аппроксимаций равновесной диаграммы (11.53)

(П.63)

=С。一 С； 一£1% + 62V2

где 卩I，卩二 вычисляются по формулам (П.55) с заменой I。на Iq макс-

В табл. IL5 приведены исходные данные и вьпшсленные значения коэффициентов уравнений (11.63).

Компонент

0, кг/мя

，н，кг/м'

кто，, м/с

山10， м*/(кг^с)

с：-с*・ нг/м8

& кг/м8

NaCl

133,0

119,0

8,75

1,19

15

—25,6

КС1

53,9

57,5

9,56

1,30

26

—91,0

Используя эти данные и данные рпс. II.30, на ЭЦВМ решили уравнения HI.63), а по балансовым уравнениям (II.2) определили концентрации раствора К и С2. На рис. 11.31 сопоставлены данные эксперимента, условия которого отвечают табл. П.5, и расчетные.

Двойные соли

Перейдем теперь к рассмотрению кинетики растворения таких солевых систем, компоненты которых образуют двойную соль. На диаграмме растворимости ей соответствует своя ветвь насыщения (кристаллизации). Типичной диаграммой растворимости двух солей, которые образуют двойную соль, является диаграмма системы (NH4)2SO4 — Na2sО4 — Н2О (рис. IL32).

На этой диаграмме ветвь BE 2 отвечает равновесию раствора с кристаллами Na2SO4 -10Н2О, линия Е^ — равновесию р аствора с кристаллами (NH^)2SOd, линия Е?Е* характеризует состав растворов, которые находятся в равновесии с двойной солью (NH4)2SO4- • Na2SO4 -4Н2О. Таким образом, при растворении солевой смеси компонентов (NH4)2SO4 и Na2SO4 в общем случае в твердой фазе будут находиться частицы трех видов. Кинетика растворения двойных солей рассматривается в ряде работ [28, 29, 76]. Значительное внимание уделил этой проблеме А. Б. Здановский [76], который экспериментально исследовал кинетику растворения ка рналита (КС1 • •MgCl2 • 6Н2О), шенита (K2SO4 -MgS04-6Н2О), астрахаппта (Na2SO4 MgSO4 - 4Н2О). Во всех работах экспериментальные данные обрабатывали либо па основе ^'равнения А. Н. Шукарева, которое использовали без каких-нибудь изменений, либо определяли скорость растворения в зависимости от условий его проведения. Во всех слу- ^ях трудность заключалась в определении движущей сплы процесса.

Уравнение А. Н. Шукарева в его простейшей форме (11.9) можно использовать для объяснения кинетики растворения двойных солей только в частных случаях, именно тогда, когда растворение прово- 口нтся в чистом растворителе или в растворе, в котором массовое соотношение компонентов такое же, как в двойной соли. В этих слу- "ан? раствор можно рассматривать как содержащий только одну Двойную соль. Таким образом, растворение двойной соли формально сводится к растворению простой соли, а использовапие уравнения UL9) становится правомерным. Однако в промышленной практике Растворение индивидуальной двойной соли встречается редко. Чаще

всего твердая фаза кроме двойной содержит и простые соли, а соотношение компонентов в растворе отнюдь не равно их соотношению в твердой фазе. В этих случаях должно быть найдено новое описание кинетики растворения и прежде всего уточнено понятие движущей силы.

Рис. 11.32. Диаграмма растворимости системы (NH4)2SO4—Na2SO4—H2O:

I—3 — точки, соответствующие ковцентрации комповентов (в кг/мя) в растворах, при которых проводились эксперимевты по кинетике (см. рис. 11.33).

При диффузионном растворении простых солей движущая сила выражается величиной Cs ——С\, причем концентрация раствора вблизи поверхности растворения Cs не зависит от концентрации С\ в основной массе раствора. При диффузионном растворении двойных солей концентрация около поверхности растворения по обоим компонентам однозначно определяется концентрациями в основной массе раствора. Значение концентраций на поверхности раздела фаз можно найти графически по диаграмме растворимости (см. рис. IL32). Для этого из фигуративной точки (точки, координаты которой — концентрации компонентов раствора) следует провести луч растворения двойной соли до пересечения с линией насыщения (кристаллизации) этой соли. Координаты точки пересечения дают искомые концентрации.

Лучом растворения двойной соли называется прямая, исходящая из фигуративной точки раствора, наклоненная под углом а к горизонтали, тангенс которого определяется соотношением компонентов. Пусть компоненты двойной соли обозначены буквами Л и В; состав соли соответственно mA -пВ -рН2О (机,пир — коэффициенты)• 88

ТогдаТогда.(11.64).(11.64)九G2

Тогда

Тогда

.(11.64)

.(11.64)

〔ga = R；

где Ga и ^b 一 молекулярные массы компонентов.

Запишем уравнения диффузионного переноса для каждого из компонентов двойной соли mA -пВ -рН2О:

一-^=以尸(《4一0人)

@叫(IL65)

一 "^犷= *(C；l6)

где МА и Мв ——массы компонентов в составе двойной соли к моменту времени i ； КА^КВ — коэффициенты массоотдачи;勺厶 и С*в — равновесные концентрации; СА и Св — текущие концентрации компонентов в растворе.:

Пусть xad — массовая доля компонента Л в двойной соли, a xbd —— то же, для компонента В. Тогда, если 7ИД ——масса двойной соли к моменту 力 то

力1厶=ХА D^ 又；^В = *ВЕ)Мд

и уравнения (11.65) можно объединить в одно

一 T=^F [(с：а + ^в)-(^а + св)]

(11.66)(11.66)где

(11.66)

(11.66)

При экспериментальной проверке уравнения (IL66) следует показать, что коэффициент массоотдачи Кд сохраняет постоянное значение, не зависящее от концентраций компонентов в растворе. Были проведены эксперименты по растворению двойных солей Na2SO4.(NH4)2SO4.4H2O и (NH4)2SO4. Fe2(SO4)3-24H2O в раство- Рах, содержащих соответствующие простые соли в различных количественных соотношениях [28, 29]. Методика эксперимента отве- Чала условиям проточного растворителя [76].

Схема эксперпментальной установки представлена на рис. П.ЗЗ. В раство- рителе 1 крыльчаткой 4, которая приводится во вращение электродвигателем вариатором 5, создается восходящий поток жидкости. Частица 2 витает в по- к^ жидкости, произвольно меняя ориентацию своих граней. В результате такого пженпя все гранп частицы омываются равномерно, а форма частицы не ме- De『cfl・ Установка такого рода может служить для изучения кинетики раство- ^е®йя простых или двойных солей. Растворение частицы происходит при практи- п р и постоянных концентрациях раствора, так как масса раствора значительно Р восходит массу двойной солп, которая переходит в раствор.

Для случая, когда движущая сила в процессе растворения остается постоянной, уравнение (П.66) может быть представлено в следу, ющей интегральной форме (см. IL14):

3/ 3/-З /-

Г Мод— у Мд х у ху

；=下一 ^1а + С：^-(Са+С^\(П.67)

Обозначим левую часть уравнения буквой /, тогда для растворов, фигуративные точки которых лежат

Рис. 11.33. Схема установки для изучения кинетики растворения солей проточным методом:】—растворитель; 2 — частица соли; з — рубашка (теплообменная поверхность); 4 — крыльчатка; 5 — электродвигатель с вариатором.Рис. 11.33. Схема установки для изучения кинетики растворения солей проточным методом:】—растворитель; 2 — частица соли; з — рубашка (теплообменная поверхность); 4 — крыльчатка; 5 — электродвигатель с вариатором.Рис. П.34. Обработка экспериментальных данных по кинетике растворения (NH4)2SO4-Na2SO4-4H2O (7—5) и (NHJ2SOr Fe2(SO4)3-24H2O (4, 5) в соответствии с уравнением (11.67). Нумерация кривых 1——3 идентична нумерация лучей.“

Рис. 11.33. Схема установки для изучения кинетики растворения солей проточным методом:

】—растворитель; 2 — частица соли; з — рубашка (теплообменная поверхность); 4 — крыльчатка; 5 — электродвигатель с вариатором.

Рис. 11.33. Схема установки для изучения кинетики растворения солей проточным методом:

】—растворитель; 2 — частица соли; з — рубашка (теплообменная поверхность); 4 — крыльчатка; 5 — электродвигатель с вариатором.

ной 1 и суммой концентраций должна существовать линейная связь. Действительно, для такой совокупности растворов С：а + СЗ = =const.

На рис. 11.34 представлены результаты экспериментов в координатах С а + Св — /. Из рис. 11.34 видно, что все линии, выражающие зависимость Сд + Св от /, действительно прямые, следовательно, коэффициент Яд не зависит от концентраций СА + Св и от дви/кущей силы. Этот коэффициент также не зависит от соотношения компонентов в растворе, о чем свидетельствует параллельность кинетических прямых. Таким образом, возникает возможность использования уравне耳пк (П.67) для анализа п расчета кинетики растворения двойных солей.

Двухкомпонентные смеси, включающие двойную соль

Рассмотрим процесс растворения смеси частиц, состоящей из двух простых солей Л -ггН2О, В -тпН2О (в общем случае кристалле- гпдратов) и двойной соли рА -дВ тН2О. В общем случае кинетика растворения описывается системой уравнений

am 4

(11.68)(11.68)一 aT-^F^C^C^

(11.68)

(11.68)

dP = KBFв (Gb 一 св)

-寸=金% [(% + /)-(以+ G)

Для использования этой системы необходимо установить зависимость растворимостей G& Csb и Csa 十 Gb от текущих концентраций С а и Св. Растворимости простых солей можно аппроксимировать линейными полиномами типа

(П.69>(П.69>CsA = Csa + ^BCsB = С；В + ^В^А

(П.69>

(П.69>

Обратимся к анализу растворимости двойной соли. Из уравнений (IL65) следует, что

11

(11.70)(11.70)^^ КА (fsA — Сл) =КВ(С1в — СВ)

(11.70)

(11.70)

С；А —点—*А0-В/ — Св XBDKA

При растворении двойной соли в растворе с первоначальными концентрациями Со厶 и Сов концентрации раствора в каждый момент времени определяются линейным соотношением

С；а-°а =脸—』а =延。=石竺g_ (IL71) . C；B —°B CsB~C0B XBDKA

Уравнение (11.71) определяет наклон луча (Б. Е. Ковальчук называет его кинетическим [28, 29]), выходящего из фигуративной точки раствора (Соа, С。,)，в котором растворяется двойная соль. Пересечение кинетического луча с линией растворимости дает значе- НИЯ &厶 И СsB'

Входящее в (П.71) отношение коэффициентов массоотдачи можно °пределить по соотношепиям, приведенным в 1.3 [например, (1.29)]. Тогда

(ТТ.72)

Для многих электролитов различие между Db и 刀厶 невелико, а их отношение близко единице. Еще ближе к единице отношение коэффициентов, возведенных в степень 2/3. Существуют признаки того, что при протекании двух процессов массообмена (диффузии компонентов Л и В) коэффициенты массоотдачи гораздо ближе один к другому, чем это следует из уравнения (11.72).

Таким образом, в широкой области Кр/Ka а 1 и tg oc — Xad/^bdi т. е. наклон кинетического луча совпадает с наклоном луча раство^ рения двойной соли. В процессе одновременного растворения двойной соли и простых солей концентрации Са и Св непрерывно меняются, поэтому непрерывно изменяются равновесные концентрации С*а н С；в. Используя рис. 11.32, можно равновесные концентрации

определить вПоложение величинамиопределить вПоложение величинамизависимости от точек С；а, С；взависимости от точек С；а, С；втекущих.можно определить, задаваясь двумятекущих.можно определить, задаваясь двумя

определить в

Положение величинами

определить в

Положение величинами

зависимости от точек С；а, С；в

зависимости от точек С；а, С；в

текущих.

можно определить, задаваясь двумя

текущих.

можно определить, задаваясь двумя

XADXAD—XADи °lG-G市—XADи °lG-G市

XAD

XAD

—XAD

и °lG-G市

—XAD

и °lG-G市

При постоянном а сумма концентраций (С；« + Csb)^ необходимая для использования уравнения (11.67), может быть аппроксимирована квадратным трехчленом

(Csa+^sb) = Csd+^a + 勿2 (IL73)

Дополним систему (11.68) уравнениями материального баланса для условий периодического процесса

%Cqa + "4 2 加0厶+ *AJD 2 “0。Нгe4 + "4 2 ^a+^AD 2 "0

^О^ов + хв \ 取06 + 勾0 光 ^OD = ^В"Ьхв 2 ^b^xbd 2 "о

где МА и Мв — массы произвольных единичных частиц простых солей Л и В в момент £ растворения; Vo п V — начальный объем раствора и объем к моменту времени 土； хА и хв ——содержание безводных веществ в составе солей Л 口与； xAD и xBD— содержание безводных веществ в составе двойной соли; MnD и MD— массы частицы двойной солп в начальный момент и к моменту времени £.

Принимая, что объем раствора в процессе растворения существенно не изменяется, преобразуем балансовые уравнения к виду

点=e04+m(1-以)+ "AD6。(1一%)[

^в = ^ов + Рв (^^Ув)^~хвб^п (^^d) J'

где

ХА X ^ОА .益2屈06.XD 2^0D

卩厶= у ，у ， Pd~ у

Для монодисперсной смесп частиц

&4=吸； 与=唠；心=屮1)

примет видпримет видТогда система, подлежащая решению,

примет вид

примет вид

即厶

dt

幽Рbdt

=Нл (%4 — °А)；

=2в (‘SB — G)；

*4= рT-4%； хв^в

%= PtbL/

^Фр^Фр(11.75)(11.75)

^Фр

^Фр

(11.75)

(11.75)

=也［(《A + -b) - (cA +%)］；①=p2心

^sA^A + bACB CsB = C：B + ^В^А

(《А + %В)= Md + аГ^А + bDCACA=CA~CB^

Са = /а+Ва (1—Фа) ^xai^d(I—鸣)

^в = с，ов + ₽в (1—嗝)^~XBD^D(I—啕)

В приведенной системе имеется девять неизвестных: (р& фв» фр, Сач Св, С$а, G占,(С；厶 + Ge) и С а и столько же уравнений.

Пример II.9. Изучить кинетику растворения монодисперсного материала—смеси солей Na2SO4-10H2O (компонент Л); (NH4)2SO4 (компонент В} и NH4NaSO4 • 2Н2О (компонент D). ^Постоянные параметры, входящие в уравнения системы, приведены в табл. II.6.

Таблица II.6. Постоянные параметры, входящие в уравнения системы

S

6

工

о

О

式

6 Q

о£

Ооо

X

@

蓋

士翦

證

60

19,14

262,5

35,1

7,65

8,75

0,420

0,009

112,8

45,06

542

—46,6

—

3,80

5,04

0,367

0,009

73,18

—

一7,9

7,57

4,26

5,72

—

0,009

После подстановок система (11.75) сводится к трем кинетическим уравнениям, в которых использованы данные табл. II.6:

——五±=8,75 - 10-е(211,5+ 25,95啕一15,80喙 +19,14吸)

一^"=5,035.10-6(298,5 + 52,90(^ + ：8,94喷+45,06呜)(R 76)

——片=5,720 • 10-6(210,7 + 0,278(p^ +1,83 屮％ —

一 147 喷嗝 + 20,94(吟 + 40,51 嗝+7 3,18 唯)

Интегрирование этих уравнении выполнено на ЭЦВМ. Наибольщий технологический интерес представляет изменение концентрации раствора со временем：

СА= 60+19.14 (1-<j>^)+0,420-73,18 (1-фЬ) |__

Св=112,84-45,06 (1 —фз^_|_0>367.73 18 Q —唾)j ⑴〃')

Результаты расчетов по уравнениям (11.76) и (11.77) представлены на рис. 11.35 (сплошные линии). Данные расчета сопоставлены на рисунке с экспериментальными данными (точки), полученными по методике, описанной в пункте 9 т'тт ТТ

Рис. 11.35. Изменение концентраций раствора в процессе растворения смеси Na«,S04«10H20— (NHfl)2SO4—NH4NaSOr2H2O:

7 — NatSO<; 2 —(NHJ2SO4.

4・ РАСТВОРЕНИЕ В СТАЦИОНАРНОМ И ВЗВЕШЕННОМ СЛОЯХ

При растворении в стационарном слое жидкость фильтруется через слой твердых растворяющихся частиц. Такой способ проведения растворения имеет определенные достоинства (высокая объемная производительность аппарата, высокая чистота образующегося раствора) и недостатки, основной из которых при определенных условиях ——большое сопротивление слоя. А. А. Комаровским п В. В. Стрельцовым проведены систематические исследования этого варианта растворения. При излоячении материала этого параграфа мы будем им следовать [100—103, 183—1851.

Гидродинамика движения жидкости через слой растворяющихся частиц

В процессе растворения высота слоя йс, удельная поверхность о, эквивалентный диаметр d§ и гидравлическое сопротивление Ар непрерывно меняются. Доля свободного объема слоя Кв также претерпевает изменение. Если плотность укладки частпц и их форма не изменяются в процессе растворения, то неизменным останется и свободный объем. Пусть в процессе растворения выдерживается условие Cs》С、При этом все частицы одинакового размера будут растворяться с одинаковой скоростью. Обозначим через G* массу слоя до растворения; G"——массу слоя в произвольный момент времени £ в процессе растворения.

Степень растворения

S=1一厅

определит значения указанных параметров слоя [100—103]. Здесь и далее одним штрихом обозначено начальное состояние, а двумя штрихами ——состояние в момент времени 九 Высота слоя

■—у

丄 ■ св

if

А г св

Удельная поверхность

О' — (1 — S)"3

Эквивалентный диаметр сечения

(11.79)

%-(〔 А"%

(11.80)

где%

т~吸в

Гидравлическое сопротивление слоя при ламинарном режиме 零=(1-5)"3煮(IL8D

Гидравлическое сопротивление слоя при турбулентном режиме и коэффициенте сопротивления

определяется соотношением

部=《(，-$)¥(П-82)

где п и В — константы.

Приведенные формулы приобретают более простую форму для условий Vcb = const, тогда д==1иш = 1. В процессе растворения слоя следует учитывать возможность изменения режима течения. Из уравнения (IL80) после некоторых преобразований следует, что такое изменение наступит при степенях растворения

$кр=1—дз (^^У(Н.83)

Как видно из выражения (IL83), при значениях ReKp, в три раза меньших Re', переход в ламинарную область произойдет при степени Растворения 5кр = 0,963 при q = 4, что практически не окажет влияния на ход растворения. В других работах А. А. Комаровский

95

и В. В. Стрельцов разработали более точную методику расчета сопротивления растворяющегося слоя [100, 102]

Ар=I屮зР 沸(11.84)

*72,6 .八

I=-^+0,9(11.85)

Re=-=v,2 Vcb 亠，

"зк =У 1 —%8 &(I I・86)

где v — скорость движения жидкости, отнесенная к свободному сечению слоя； d — диаметр частицы;

"Ген

w — скорость, отнесенная ко всему сечению слоя.

Входящий в уравнение (IL84) коэффициент <р 3 учитывает форму частиц и ее изменение в процессе растворения. Опытом установлена зависимость

屮з = 3,15+ &18S

Используя выражения (11.84)——(11.86), получили соотношение

Ар” Г 9 Л 0,9 \ 丄 0,9](l—S)2/3

АУ = LVT^ (|—年)与-(ПЗС

Это уравнение точнее определяет потери напора и их изменение с ходом растворения, чем (IL81). Таким образом, при периодическом растворении сопротивление слоя непрерывно уменьшается. Разумеется, это справедливо при растворении чистых веществ. В присутствии нерастворимых примесей эта закономерность существенно изменяется. ‘

Массоотдача в слое растворяющихся частиц

Для характеристики массоотдачи в слое можно использовать коэффициент 兄，входящий в уравнение

dG

ТГ・&，обАСср(IL88)

А°сР = "気等(П.89)'

где NC*= Cs — С/ NC%= С$ — С?； Ст — концентрация жидкости на входе в слой; С2 — то 撩е, на выходе из слоя; FO6 !— поверхность растворения в слое-

Для определения коэффициента массоотдачи предложено уравне-

(П.90)

ниениеN% = 0.38Pr°a (Re&2+0,102Re0,8)N% = 0.38Pr°a (Re&2+0,102Re0,8)проверенное в области изменения чисел Рейнольдса и Прандтля: Re = 0,5—5000; Рг = 130—13 000; о — удельная поверхность.

ние

ние

N% = 0.38Pr°a (Re&2+0,102Re0,8)

N% = 0.38Pr°a (Re&2+0,102Re0,8)

При малых числах Re коэффициенты массоотдачи превышают значения, определяемые уравнением (IL90). Как выяснилось [184], это отклонение от уравнения (IL90) тем больше, чем больше диаметр частиц и чем ниже концентрация раствора. Это объясняется той ролью, которую при низких числах Рейнольдса играет естественная конвекция. А. А. Комаровский и В. В. Стрельцов обнаружили пороговый переход от области законов вынужденной конвекции к области законов естественной конвекции [184]. Предложенная ими формула имеет вид: •

Nuo = 0,0387 (Gr Рг)1/3 (11.91)

;р§ ——плотность насыщенного раствора; р —;р§ ——плотность насыщенного раствора; р —где Gr=*9・@i・」^ Р e 4 -

;р§ ——плотность насыщенного раствора; р —

;р§ ——плотность насыщенного раствора; р —

плотность раствора.

Для отделения области преобладания вынужденной конвекции [Уравнение (11.90)1 от области преобладания свободной конвекции 〔Уравнение (11.91)] предложено уравнение:

Gr1/3 = 1,62 (ReO.8+WReO>2) и гРафик (рис. П.36).

7 Заказ И59

В статье [186] приведен пример расчета непрерывнодействующего у растворителя с движущимся слоем. Кроме расчетного метода, пред, ложенного в этой работе, для этой цели могут быть использованы» уравнения разд. 2 гл. II.

Растворение во взвешенном слое

В технике проведения массообменных процессов с участием твер-1 дой фазы часто используется состояние взвешенного слоя. При дви-1 женин жидкости или газа через слой зернистого материала при некоторой скорости твердые частицы приходят в движение одна от-： ноентельно другой. Образующаяся при этом двухфазная система. получила название псевдоожиженного или кипящего слоя.| Н. И. Гельперин установил аналогию между свойствами псевдоожиженного слоя и свойствами капельной жидкости【57], аналогию, которая объясняет термин «псевдоожиженный слой». Рассматривав- * мый метод проведения массообменных процессов имеет ряд преимуществ [57, 124, 155, 161] и нашел широкое применение главным образом для системы газ ——твердое тело. Интересующая нас система жидкость ——твердое тело в условиях псевдоожиженного слоя имеет ряд особенностей:一

скорость жидкости, соответствующая началу псевдоожижения, значительно меньше скорости газа, ожижающего слой с частицами того же сорта;

образующийся при этом псевдоожиженный слой обладает однородной структурой, не изменяющейся с ростом скорости жидкости вплоть до выноса частиц из аппарата [57, 161]. Для однородного псевдоожиженного слоя характерно равномерное распределение потока жидкости по сечению слоя и отсутствие застойных зон [57, 1241;

рассматриваемый псевдоожиженный слой во многом сходен с суспензией в процессе отстаивания; жидкость движется вверх со скоростью, равной скорости осаждения твердых частиц [161]；

в псевдоожиженном слое наблюдается классификация твердых частиц по их размерам. Большая часть мелких частиц собирается в верхних зонах слоя, в то время как крупные частицы группируются внизу.

Систематическое изучение растворения во взвешенном слое было предпринято А. А. Комаровским и М. С. Вертешевым [49, 50, 100, 103]. Закономерности расширения псевдоожиженного слоя описываются авторами с помощью соотношения

Re = 1,15屮 Аг0.5р^5(II ⑵

где i|)— коэффициент формы, определяемый опытным путем [49, 5U]; для тар「 образных частиц 屮=1 ； для цилиндрических (высота равна диаметру) яр = 1,0＜； для частиц дробленой каменной соли фракции 3—5 мм《=0,66; фракций 2—3 мм 牛=0,54； фракции 1—2 мм 屮=0,55.

98

По-видимому, для этой цели пригодно также интерполяционное

уравнение О. М. Тодеса [35]

(П.93)(П.93)аГ陰六Не=—，—

(П.93)

(П.93)

18 + 0,6 /Аг 唸75

При % = 0,4 (средняя пористость беспорядочно насыпанного слоя шарообразных частиц) уравнение (11.93) принимает вид

Аг

ReK —“ =~(11-94)

1400 + 5,22 /Аг'

Уравнение (11.94) определяет критическую скорость псевдоожижения. При 匕6 = 1 слой настолько расширен, что взвешенное состояние каждой частицы можно рассматривать независимо от состояния других частиц. Скорость витания частиц при этом определится

(П.95)(П.95)Аг

(П.95)

(П.95)

18 + 0,6/Аг

Перейдем к рассмотрению массообмена в кипящем слое растворяющихся частиц. Общее уравнение массоотдачи может быть записано в виде

Мо = К%бАСср (11.96)

Для определения величины К А. А. Комаровский и М. С. Верте- шев [49, 50, 100] приводят критериальное уравнение, обобщающее экспериментальные данные в пределах Re = 1,7 — 90Q; Рг = 750— 5400:

Nu = / ReO,76PrO,63噌，27 (и.97)

где Л — коэффициент, зависящий от формы частиц; Л = 0,022 для сферических частиц; А = 0,031 для цилиндров с высотой, равной диаметру; & = 0,06 для дробленых солей.

Определение VCB из уравнения (IL92) и подстановка в (11.97) Дает следующий результат:

Nn=。ReO»25Aro.25pro,63 (IL98) где с=1,О73Л1ро»51.

Подстановка в уравнение (11.98) критериев, выраженных через исходные величины, показывает, что коэффициент массоотдачи К не зависит от размера частиц.

Определение средней разности концентраций в значительной сте- □енп зависит от структуры потока жидкости в аппарате. Для аппарата псевдоожиженного слоя, в котором реализуется полное смеше- ние ожижающего агента, средняя разность концентраций опреде- "яется наиболее просто

△Сср = С$ — Ск (11.99) 貶 °к 一 постоянная, одинаковая во всех точках аппарата концентрация, “ 口孤发 концентрации раствора на выходе из аппарата.

Однако, как указывает Н. И. Гельперин с сотрудниками [57], при псе в до о /кижешш твердых частиц капельной ткмдкоствю реально приближение к режиму, при котором твердые частицы идеально перемешаны, а жидкость движется в условиях идеального вытеснения. В таких условиях

АСср =АСср =InIn<s — <кС$ — Сн<s — <кС$ — Сн(II.100)(II.100)

АСср =

АСср =

In

In

<s — <к

С$ — Сн

<s — <к

С$ — Сн

(II.100)

(II.100)

а общая поверхность растворения Fo6 может быть приближенно рассчитана по формуле (IL30).

Таким образом, рассматривая псевдоожиженный слой как средство проведения массообменных процессов в системе твердое тело — жидкость, можем отметить две особенности метода:

коэффициент массоотдачи для разбираемой системы в условиях взвешенного состояния в 1000 раз ниже, чем для системы твердое тело ——газ. В этом можно убедиться, вычисляя по формуле (1.41) коэффициенты массоотдачи соответственно для условий жидкой и га- зовой сред и принимая во внимание, что D^ 〜10~® м2/с; % = / 〜10~6 м2/с; рж = Ю3 кг/м3； Рг а 1 кг/м3； Vr Q 10-5м2/с; тж = I 〜10~6 м2/с;

как правило, коэффициенты массоотдачи для условий плотного слоя более высокие, чем для условий псевдоожиженного слоя. Особенно это относится к коэффициентам массоотдачи, отнесенным, к единице объема слоя [100].

5・ РАСТВОРЕНИЕ В АППАРАТАХ С МЕШАЛКАМИ

Закономерности движения жидкости

При вращении лопастей мешалки в аппарате возникает сложное трехмерное движение жидкости. Визуальное наблюдение показывает, что жидкость в аппарате вращается вокруг оси вала мешалки, j При интенсивном вращении поверхность жидкости приобретает форму I воронки, ось которой совпадает с осью вращения. В жидкости вблизи вала имеется область, в которой скорость вращения увеличивается с ростом радиуса (область центрального цилиндрического вихря).I Затем следует небольшая переходная область, в которой с ростом радиуса скорость вращения практически не изменяется. При дальнейшем увеличении расстояния от otn скорость вращения уменьшается (периферийная область).

Одновременно в плоскости вращения лопастей мешалки возникает радиальный поток жидкости. Достигнув стенки сосуда, этоТ| поток делится на две части (рис. 11.37): одна часть жидкости движется вверх (к поверхности), а другая — вниз (к днищу сосуда). При зтом возникают аксиальные потоки жидкости. При обычных соотношениях основных размеров сосуда, когда высота не более чем в 1,5 раза превышает диаметр, возникает двухконтурная циркуляция жидко-

сТи в меридиональном направлении. Наложение ее на первичное окружное движение и приводит к трехмерному движению, в котором средняя окружная составляющая скорости примерно на порядок превышает средние зцачения радиальной и аксиальной составля- кдапх・

Гидродинамику жидкости в сосуде с мешалкой характеризует центробеж- ный критерий Рейнольдса [90, 216]:

где п — частота I вращения вала мешалки; 曲一диаметр окружности, описываемой лопастью мешалки; v — кинематическая вязкость жидкости.

В зависимости от величины Reu в аппаратах с мешалками возможны следующие гидродинамические режимы: ламинарный режим (Reu < 10), характеризующийся слаборазвитым трехмерным течением. Центральный цн~

линдрический вихрь отсутствует, су- Рис. 11.37. Схема потоков в ществуют лишь переходная и перифе- аппарате с мешалкой, рпйная области течения;

переходной режим (10 <Лец < 103), характеризующийся формированием области центрального цилиндрического вихря;

турбулентный режим (Reu = 104 ——10е), характеризующийся развитой областью центрального цилиндрического вихря и турбулентным движением всей массы жидкости в аппарате.

Движение^частиц

При небольших скоростях вращения мешалки твердые частицы неподвижно лежат на дне аппарата. Гидродинамические силы неве- пнкн, и частица не может быть увлечена ими [7]. Повышение частоты вращения мешалки приводит к росту гидродинамических сил, сдвигающих частицы к оси мешалки. Поэтому они образуют конус (см. Рнс. 11.37). Дальнейшее увеличение скорости вращения мешалки приводит к росту аксиальной составляющей вектора скорости по- тока. Твердые частицы движутся по круговым траекториям вблизи 期山 аппарата и удерживаются на них гидродинамическими силами Радиального потока, направленного к оси мешалки. Такой режим называют центробежным [7].

При дальнейшем увеличении скорости потока твердые частицы Начинают подниматься и вращаться по круговым траекториям вне области центрального вихря. В условиях турбулентного режима Истицы срываются с круговых траекторий, а интенсивность их аксиального потока возрастает. Поэтому они полностью увлекаются

Таблица П.7. Величины q и Л

Тип перемешивающего устройства

С»

А

%/%

Лопастное •

14,8

0

1,3—1,5

Лопастное с наклонными лопастями (45°)....

88

1

2-4

Турбинное закрытого типа

4,7

1

1,5—4

Пропеллерное

6,6

1

1,5—5

потоками жидкости и дви;кутся (витают) во всем объеме аппарата во взвешенном состоянии. При этом достигается и наиболее равно- мерное распределещ!е частиц в объеме сосуда.

Дальнейшее повышение скорости вращения мешалки приводит к снижению равномерности распределения частиц, что обусловлено их перемещением в верхний слой суспензии [1411. Это связано с изменением аксиальной составляющей скорости от сравнительно больших значений в нижней части сосуда до небольших значений в верх* ней. Таким образом, существует некоторая оптимальная частота вращения мешалки, при которой распределение твердых частиц в объеме сосуда оказывается наиболее равномерным. Она получила название определяющей [141] и может быть найдена из критериальной зависимости, установленной в результате обработки многочисленных экспериментальных данных [87]:

Reu = CiArO，s(劫 2(£У(IL101)

5 -102 < Кец < 1,3 • 10" 2.4 • I0& < Аг < 4,1 • 10口

где Аг ——критерий Архимеда;

АРт —Р g©3

аr=—-

d — диаметр твердых частиц; dc — диаметр сосуда.

Значения постоянных величин с】н 宓 для некоторых типов перемешивающих устройств приведены в табл. IL7.

Кинетика растворения

Выше (гл. I) было показано, что скорость процесса диффузионного растворения определяется скоростью относительного движения твердых частиц и жидкости (скоростью сколь/кения или обтеканияУ Совершенно ясно, что скорость скольжения всегда меньше скорости дви/кения жидкости и лишь в некоторых случаях (обтекание закр" пленных или тяжелых твердых частиц) равна ей.

А. Хпксон и С. Баум [237], обобщив опытные данные по скорь стям растворения различных твердых веществ (гидроокиси барн爪 хлористого бария, хлористого натрия, нафталина) в различны5

жидкостях (воде, бензоле, метиловом спирте, сахарных растворах, этиленгликоле), получили следующие критериальные зависимости для кинетики растворения:

для четырехлопастной мешалки

Nu= 1,96 • 10-4ReJ,4 Рг0»5

(ПЛ02)(11.103)(ПЛ04)(ПЛ02)(11.103)(ПЛ04)3.3-102 <Re4 <7,5-103

(ПЛ02)

(11.103)

(ПЛ04)

(ПЛ02)

(11.103)

(ПЛ04)

Nu = 0,625Re：，62pr0,5

7,5 • 103 < Reu < 6,7 • 1。5

для пропеллерной мешалки

Nu = l»22 • 10-3ReqPr0*6

3,3 • 102 < 1^ < 6,7 • 105

где Nu — диффузионный критерии Нуссельта: Kd

Nu= р-

Рг — диффузионный критерий Прандтля;

Рг = Т

Позже Г. Аксе льр удом [6] было показано, что в режиме витания скорость обтекания определяется скоростью падения частиц в жидкости, а кинетика растворения описывается зависимостями (1.41) для частиц, взвешенных потоком жидкости. Таким образом, в режиме витания скорость вращения мешалки практически не оказывает влияния на скорость обтекания. Это связано с тем, что частицы увлекаются потоком жидкости и движутся вместе с ним. Следовательно, п с точки зрения кинетики растворения скорость вращения ме- шалкп целесообразно ограничить определяющей величиной.

Вышеизложенные закономерности справедливы для процесса растворения сравнительно крупных и тяжелых частиц. В случае растворения мелких частиц (порядка десятых долей миллиметра) при небольшой разности плотностей жидкости и твердых частиц скорость скольжения оказывается исчезающе малой величиной и не зависит от скорости вращения мешалки. Согласно уравнению (1.25), в таких условиях Nu=2. В действительности же при интенсив- ном перемешивании значения Nu оказываются намного выше [511. Зто связано с тем, что кинетика растворения мелких частиц сущест- венно зависит от турбулентности потока жидкости [238]. Баркер п Трейбал [223] исследовали кинетику растворения мелких частиц ^ условиях турбулентного режима в диапазоне чисел Рг = 735—

000. Предложенная ими зависимость имеет следующий вид:

Nu=0.052ReJ«833Pr0*5

3 • 103 与 Re^ 忘 3 • 105(ПЛ05)

В данной формуле Nu = KdJD.

Обращает на себя внимание тот факт, что результат (11.105) не содержит размера частиц. По-видимому, условия эксперимента соответствовали автомодельному режиму, при котором инерционные явления не играли существенной роли при возникновении скорости скольжения. В последнее время сделаны попытки использовать тео^ рйю локально-изотропной турбулентности А. Н. Колмогорова 【97] для определения скорости скольжения в условиях турбулентного

движения жидкости в аппарате с мешалкой [238]. Такой подход позволяет определить скорость скольжения в зависимости от количества энергии, подводимой в единицу времени к единице объема жидкости N/V. Окончательные результаты Хугмарка [238] имеют следу- ющий вид:

/ 7VdM \1/з

" = 15,5 • Ю-з (―^(ПЛ06)

Re4<2

w,^.i0^^S)

Req >2; 胃 > 0,2

где Др — разность плотностей твердой и жидкой фаз; “о и ” 一 коэффициенты кинематической вязкости воды и жидкости.

Этими формулами следует воспользоваться для определения коэффициента массоотдачи с помощью критериальных уравнений. Следует, однако, указать, что эти критериальные уравнения справедливы для гидродинамически установившегося режима обтекания частицы. В условиях аппарата с мешалкой такой режим, разумеется, не реализуется. Поэтому вычисленную величину коэффициента массоотдачи необходимо умножить на поправочный коэффиициент 〃人 зависящий от числа Re (рис. 11.38). Входящая в уравнения (11.106) и (11.107) мощность определяется по известному соотношению:

(ПЛ08)(ПЛ08)N=Epn3 州

(ПЛ08)

(ПЛ08)

Зависимость 己 от числа Re“ и от отношения dc/dM для раз личный типов мешалок приводится в литературе [88, 91, 165, 179, 186L 404

Для мелких частиц d = 0,3—1,6 мм плотностью рт = 1160— 6950 кг/м3, не сильно отличающихся по форме от сферы (за исключе- нВем пластинок или игл), кинетика растворения в аппаратах с ме- валкой может быть описана следующей критериальной зависимостью, установленной Нагата с сотрудниками [2431：

譬=2,6. w (wy (釘偎厂■严5图

(11.109)

Значения р 0 q определяются из выражений:

/> = 0,0802 (-^-)°，0772 [lg (РТ~Р +0.043)+1.35^] 10 ^^ % (п.цо)

д = -14,4 -^+1.84 (—7Р')°116(ПЛИ)

Рассмотренная совокупность уравнений кинетики позволяет в конечном итоге определить коэффициент массоотдачи при растворении твердых частиц в аппаратах с мешалками.

Точность этого определения будет тем большей, чем блюке условия определения к условиям, для которых установлены соответствующие уравнения. Громоздкость некоторых формул, особенно (11.109)—(11.111), объясняется попытками исследователей учесть возможно большее число факторов, влияющих на коэффициент массоотдачи. Однако эти попытки должны основываться больше на теоретических соображениях, а не являться простой аппроксимацией опытных результатов.

ПОДЗЕМНОЕ РАСТВОРЕНИЕ

Выше рассмотрены типовые процессы растворения больших групп твердых частиц, имеющих сравнительно небольшие размеры. Однако в некоторых случаях необходимо растворять единичные круп- н&е тела. К их числу принадлежит подземное растворение природ- н&х залежей солей, главным образом NaCl и КС1, с целью их добычи 口口п создания подземных резервуаров для хранения жидкого и газообразного топлива. Ва/кнейшей особенностью процесса подземного Растворения является необходимость получения заданной формы камеры растворения, чтобы обеспечить ее прочность пли максималь- Но извлечь вещества. Отношение количества вещества, извлеченного "з залежи, к его количеству, содержащемуся в залежи, называется коэффИциентом извлечения.

В пластах каменной соли мощностью от 5 до 30 м через вертикаль- скважины можно создавать полости только в форме конуса, доращенного вершиной вниз, объемом от 1 до 15 тыс. м3. Высокая °Sioctb бурения скважин и небольшие объемы полостей делают ^ОоРУжение хранилищ в таких пластах неэкономичным. Поэтому в • астах соли мощностью до 30 м целесообразно создавать хранилища

в виде протяженных полостей с поперечными размерами, ограниченными мощностью пласта [127].

Поскольку имеется большое число пологих и наклонных пластов каменной соли мощностью от 5 до 30 м и существует техническая возможность бурения наклонно-горизонтальных скважин па глубину 400 м и более с длиной горизонтальной ветви 600——800 м, разработка и внедрение метода сооружения протяженных полостей приобрели самостоятельное значение.

Опыты [127] показали, что протяженные емкости имеют форму туннеля, ограниченного сверху горизонтальной плоскостью, с боков ——плоскостями, наклоненными к горизонту. •

Резервуары, предназначенные для хранения жидких топлив и ут- леводородного сырья, являются долговременными подземными сооружениями, прочность которых во многом зависит от их формы. Высокие требования к длительной прочности подземных резервуаров диктуются и условиями безопасности, так как в случае их обрушения и разрыва сплошности вышележащего массива пород выход газов (или паров) может привести к пожару (взрыву) газовоздушной смеси на земной поверхности. Поэтому одна из основных задач — разработка методов дистанционного управления образованием резервуаров наперед заданных форм и размеров.

В управляемых способах добычи рассола через буровые скважины используется вещество, называемое нерастворителем, которое химп-1 чески нейтрально к воде, соли и рассолу, т. е. к массообменной системе, и плотность которого меньше единицы. В качестве нераство- рителя используются нефть, нефтепродукты и различные газы, прежде всего сжатый воздух. Управление процессом выемки соли рас* творением с использованием этих нейтральных веществ заключается в предохранении от растворения потолочины камеры растворения, для этого необходимо удеряшвать нсрастворитель на заданном уровне.

В процессе растворения соли на реакционные поверхности камеры, расположенные под небольшими углами к горизонту, осая<Д8в, ются нерастворимые включения, снижающие скорость растворения соли. При толщине слоя 2—4 см массообменные процессы на таких поверхностях практически прекращаются.

Если нерастворимые вещества беспорядочно распределены в массиве соли, то выпадение их на реакционные поверхности, с одной стороны, приводит к резкому изменению формы камеры, а с другой стороны, к возможности повреждения пми рабочих колонн п внеоМ из строя эксплуатационной скважины. Предельный угол естественного откоса для нерастворимых включений составляет 30—35 • Поэтому растворение соли целесообразно вести таким образом, чтобы реакционные поверхности находились под углами, значительно большими углов естественного откоса для нерастворимых включений-

В известной мере эту задачу решает метод добычи рассолов, пре# ложенный П. Л. Кулле, «системой с гидроврубом» [113]. Виемка полезного ископаемого начинается от почвы залежи созданием гпД* ровруба (рис. П.39, б). Гидровруб — выработка, имеющая форм?

工?券/:：n工?券/:：nРассол ВодаНерастборительРассол ВодаНерастборитель—а Рассол*— Во до и ЬозСут—а Рассол*— Во до и ЬозСутijij++士一士一十十〈〈 к 入-〈〈〈 к 入-〈+L, ++L, +〈 〈 一〈 〈〈 〈 一〈 〈+ +十+ + +? 十/■++ +十+ + +? 十/■+03 QEH03 QEH一I一IРис. П.39. Метод растворения с гпдроврубом:Рис. П.39. Метод растворения с гпдроврубом:кольцевого паза в окрестности скважины, создается искусственно (пресной водой) и служит для естественного осаждения нерастворп- мнх включений и развития активных поверхностей. По окончании сооружения гпдровруба диаметром 50——100 м и высотой 1——2 м боль- т*о часть (60—70%) нерастворителя отбирают из камеры, поэтому часть потолочины камеры контактирует с растворителем и начинает растворяться. Оставшееся небольшое количество не раство рите л я,

工?券/:：n

工?券/:：n

Рассол Вода

Нерастборитель

Рассол Вода

Нерастборитель

—а Рассол

*— Во до и ЬозСут

—а Рассол

*— Во до и ЬозСут

ij

ij

+

+

士一

士一

十

十

〈〈 к 入

-〈

〈〈 к 入

-〈

+L, +

+L, +

〈 〈 一〈 〈

〈 〈 一〈 〈

+ +

十

+ + +? 十

/■+

+ +

十

+ + +? 十

/■+

03 QEH

03 QEH

一I

一I

Рис. П.39. Метод растворения с гпдроврубом:

Рис. П.39. Метод растворения с гпдроврубом:

Z—7П ——порядок растворения слоев (ступеней); а ——схема Трэмпа; б ——схема П. А. Кулле; 1—3 — обсадная, водоподающая и рассолоподъемная колонны труб; 4 — воздухоперепускная труба; 5—клапан; 6 — полость гидро вруба.

по мнению автора способа, «блуждает» по потолочине камеры и как бы нивелирует ее по мере растворения выступов. Таким образом, потолочина камеры сохраняет горизонтальность, т. е. наиболее выгодное положение для съема соли и наименее приемлемое, если исходить пз условий устойчивости и прочности камеры. Вследствие этих противоречий «блуждающая» пленка нерастворителя не получила распространения в практике рассол о добычи.

По этим же причинам не получил распространения и метод Трэмпа [611, отличающийся от метода П. А. Кулле тем, что в каче- стве нерастворителя используется сжатый воздух, позволяющий снизить энергозатраты процесса на 10—12%, что обусловлено эффектом эрлифта (см. рис. 11.39, о).

В практике рассолодобычи наиболее совершенной является схема иосдойного растворения, разработанная П. С. Бобко [38,39]. Так же, Как и при растворении с гпдроврубом, сначала создают обычную Противоточную полбсть в форме опрокинутого конуса — гидровруб (Piic. II.40). После образования гидровруба водоподающую колонну труб поднимают на высоту, равную высоте отрабатываемого слоя, а рассолоподъемную — на высоту, при которой исключается зашла- ь,овывание ее нерастворимыми осадками, выпадающими иа дно ка- мерм. Для подъема не раство рител я па высоту слоя его отбирают Из камеры.' •

Если соль сильно загрязнена нерастворимыми включениями,川 чтобы создать гидровруб, вынимают несколько слоев, пока не бу姑 получено заданное отношение высоты выработки к ее диаметру Мощность слоев по мере их отработки увеличивается от 0,5 до 5 м В этот период, называемый подготовительным, создается реакциоц* ная поверхность требуемой площади, обеспечивающая насыщение растворителя солью до нужных кондиций при заданной производи, тельности.

Последующий процесс выщелачивания (добыча рассола) протекает при ограничении растворения боковых поверхностей камеру

Рис. 11.40. Ступенчатый (послойный) метод растворения:

也一высота ступени растворения (мощность слоя); Л» и ft, — соответственно начальная и конечная зоны формирования раствора; hSt Л4 — соответственно высоты активной зоны и зоны консервации; 1—з — обсадная, водоподак>щая и рассолоподъемная колонны труб; 4—труба для контроля уровня нерастворителя; а, 6, 8 — стадии перемещения реакционной поверхности при растворении слоя 也；5— пассивная зона; 6 —зона закла&ки.

заданной мощностью вынимаемого слоя соли, выше и ниже которого боковые поверхности не растворяются. Растворение камеры сверху ограничивается нерастворителем, который подается периодически. Для контроля уровня нерастворителя применяют геофизические методы или контрольную трубку. Степень растворения камеры снизу контролируют по насыщенному рассолу (по высоте активной зоны). По мере отработки слоев мощность их возрастает с 5 до 10* и более. Производите л ьность выщелачивания по концентрировав- ному рассолу при этом способе может достигать 0,02 м3/с.

Если достаточно точно рассчитаны параметры процесса раствора ния и в соответствии с ними соблюдается режим выполнения всех операций, то кровля камеры может сохранять форму свода. Одна®° диспропорция между линейными скоростями растворения боковик поверхностей по высоте камеры создает непреодолимые трудное^ для образования полости наперед заданной формы, особенно 口Р” небольшой ее высоте. При образовании камеры верхняя часть ак， тпвной зоны далеко не всегда заполнена насыщенным рассолам* поэтому процесс растворения ее не останавливается даже при прг кращешш подачи воды, и добиться плавного сопряжения поверх ностей между слоями весьма сложно.

Наиболее целесообразной, особенно при создании подземных полостей для хранения жидких и газообразных углеводородных топлив, является комбинированная схема (рис. 11.41). Конструкция технологической скважины и оборудование ее оголовка остаются практически такими же, как в предыдущих схемах (см. рис. 11.40). 'Процесс сооружения полости начинают с создания гидровруба (см・ рис. 11.41, /)・ При этом растворяются только боковые поверх- нОсти, а образующаяся потолочина прикрывается нерастворителем. Цо мере увеличения гидровруба в камеру систематически поступает яерастворитель. Размеры гидровруба определяются площадью реакционной поверхности, необходимой для развития фронта очистных работ, и объемом нерастворимых включений в массиве соли. При этом заранее учитывается также частичное растворение боковых стенок гидровруба в процессе формирования верхней части полости.

В чистой и рядовой соли гидровруб сооружают, как правило, при противоточном режиме движения воды и раствора, а в соли, со~ держащей 10—15% и более нерастворимых включений, — главным образом при прямоточном режиме. Независимо от направления движения потоков воды и рассола производительность растворения гидровруба должна быть переменной: от 0,0028—0,0042 м3/с в начале до 0,11—0,14 м3/с в конце процесса. Объясняется это тем, что при ограниченных площадях обнажения соляной поверхности подача большого количества воды не приводит к пропорциональному съему соли.

После создания гидровруба полезное ископаемое растворяют при противоточном режиме, ступенями снизу вверх (рис. IL41, //). При этом в растворении участвуют не только боковые поверхности, но и кровля полости, в результате этого достигается повышенный съем соли. Наиболее интенсивно растворяется потолочина полости, что объясняется более благоприятными условиями отвода растворенного вещества по сравнению с условиями растворения других поверхностей. Боковая поверхность, расположенная выше потолочины данной ступени, растворяется интенсивнее аналогичной поверхности, расположенной ниже потолочины, так как в первой растворитель, участвующий в массообменном процессе, имеет меньшую концентрацию.'

После образования полости расчетных размеров на этапе выемки полезного ископаемого снизу вверх уровень нерастворителя устанавливается на отметке замка свода сооружаемой полости. Процесс продол?кается при периодическом добавлении нерастворителя рас- ^етными порциями, обеспечивающими формирование верхней части полости заданной формы и размеров.

Наибольшая эффективность послойной и комбинированной схем п°Дземного растворения соли достигается прп режиме сближенного ^прямотока» пли «противотока». Это понятие характеризует уровень ’отметку) ввода растворителя в камеру выщелачивания и отметку, которой отбирается рассол из камеры, или, иными словами, расстоя- ° между башмаками рабочих колонн прп этом режиме устаиавли- 10T меньше высоты активной зоны растворения соли (эта высота

РоссолВода二 Н^риЕбпрительРоссолВода二 Н^риЕбпрительРассолРассолВода-Нега ст зрительВода-Нега ст зрительРоссол.Вода-НерастворительРоссол.Вода-Нерастворитель

Россол

Вода

二 Н^риЕбпритель

Россол

Вода

二 Н^риЕбпритель

Рассол

Рассол

Вода

-Нега ст зритель

Вода

-Нега ст зритель

Россол

.Вода

-Нерастворитель

Россол

.Вода

-Нерастворитель

равна расстоянию между глубиной уровня контакта нерастворитель-^ рассол и отметкой отбора рассола из полости). Сближенные режимц обеспечивают более равномерное перемешивание раствора в камере, так как вода, плотность которой меньше плотности рассола, поступаех в камеру на уровне башмака центральной (сближенный «прямоток») или внешней рабочей (сближенный «противоток») колонн труб. При этом создаются более благоприятные условия для интенсивного массообмена между рассолом, находящимся в полости, и поступающей водой. Поэтому в верхнюю часть активной зоны поступает

++ ++++ +++ + +" +Нерастбир吧吧工+ + +" +Нерастбир吧吧工

+

+ ++

+

+ ++

+ + +" +

Нерастбир吧吧工

+ + +" +

Нерастбир吧吧工

с а а /\

НерастВорип

++

Рис. 11.41. Схема растворения подземной полости комбинированным способом (слоями снизу вверх и ступенями сверху вниз):

7 — создаппе гидровруба; II — растворение полости слоями снизу вверх; III — растворение ступенями сверху вниз (завершающий этап); а——г ——стадии растворения полости; 1——8 — обсадная, водоподающая и рассолоподъемная колонны труб.

уже не пресная вода, а рассол с определенной степенью минерализации, зависящей от высоты камеры и глубины погружения водоподающей колонны. Вследствие этого происходит более равномерное распределение концентрации раствора по высоте, что, в свою очередь, влечет за собой и более равномерное распределенпе скоростей растворения по высоте сооружаемой полости, поскольку разность концентраций в пограничном слое и основной массе растворителя является движущей силой процесса.

Отсутствие значительных скоростей растворения на уровне контакта нерастворитель — рассол (по сравнению со скоростями растворения в остальной части активной зоны) позволяет уменьшить ра" меры свода потолочины сооружаемых полостей, что существен^0 повышает их прочность. Еще одно важное достоинство указанной технологии состоит в том, что отпадает необходимость в частой перестановке рабочих колонн труб. Это, кроме снижения затря* времени на производство работ по добыче полезного мскопаеп°1" 11 особенно при сооружении полостей, благоприятно сказывается н“ процессе их формообразования, поскольку в периоды простоев (пр°

проведении спуско-подъемных операций) происходит практически неуправляемое растворение поверхностей в верхней части активной зовы.

Расстояние между башмаками рабочих колонн при растворении содп в режиме сближенного «противотока» определяется из успо- вин, что поступление (проскок) воды в рассолоподъемную колонну труб исключается. При существующих конструкциях скважин и принятых расходах воды это расстояние не должно превышать 5 м. Одвако возможен подъем центральной колонны труб нижней части

полости при заполнении минимальное расстояниеполости при заполнении минимальное расстояниеее нерастворимыми примесями, поэтомумежду башмаками колонн практически

полости при заполнении минимальное расстояние

полости при заполнении минимальное расстояние

должно быть не менее 10 м.

Режим сближенного «прямотока» имеет ограниченную область применения, что обусловлено меньшей интенсивностью растворения каменной соли. В тех случаях, когда в массиве соли содержится более 10——15% нерастворимых включений, способных находиться в растворе во взвешенном состоянии (например, глина), сближенный прямоток является пока единственным режимом, позволяющим создавать подземные полости заданных размеров и форм.

Из изложенного следует, что независимо от технологических схем и приемов, обеспечивающих их реализацию, существует тесная связь между управляемостью процессом образования осесимметричной полости, закономерностями растворения различно ориентиро- ванных в пространстве реакционных поверхностей каменной соли, количеством и концентрацией растворителя. Поэтому без надежного аналитического расчета основных параметров процесса технологические схемы сами по себе не позволяют решить вопрос формирования полостей заданных форм и размеров.

Описанные способы подземного растворения каменной соли осуществляются главпым образом в условиях естественной конвекции. С учетом поперечных размеров полостей и расхода воды скорость Движения растворителя в камере должна составлять 0,09—0,1 см/с • в начальный (небольшой) период л 0,1——0,003 см/с в основной период пРоцесса.

Замеры скоростей движения жидкости в диффузионном слое, пройденные Р. В. Дьюри [224], показали, что, как правило, они больше скоростей движения растворителя в полости. Эти эксперименты под- ткерд11ли полученную В. А. Мазуровым [126] теоретическую завпсп- м℃ть для определения толщины диффузионного слоя, в которую не Б°П1ла скорость движения растворителя в полости, т. е. толщина ДиФфузионного слоя определяется в основном естественной копвек-

Безотрывное ламинарное течение в пределах диффузионного слоя ° Шероховато证 растворяемой поверхности при положительном гра- "енте давления (диффузионное течение) сопровождается необратп- "м преобразованием энергии, приводящим к возппкновепию обрат- 「о течения и последующему отрыву диффузионного слоя. По- °'У существует критическая длина растворяемой поверхности zcp,

ill

Таблица "8. Значения zcp

0, градусы

zcp-10*, м (при Ci, кг/м1)

0

50

100

150

200

250

1,86

2,49

3,53

5,01

6,92

9,80

1,94

2.65

3,70

5,25

7,10

10,01

2,90

4,00

5,72

7,70

Ю,51

2,23

3,20

4,45

6,37

8,46

11,25

2,56

3,94

5,70

7,80

10,30

13,60

4,50

6,52

9,75

13,60

18,00

23,20

на которой происходит безотрывное ламинарное течение в диффузионном слое и величина которой однозначно определяется углом наклона реакционной поверхности к вертикали 0 и концентрацией раствора в основной массе 以・

Предложенная модель течения в диффузионном слое впервые объяснила экспериментальные данные о стабилизации скорости растворения соляной поверхности, начиная с некоторой ее длины (высоты) Zcp (табл. П.8), и позволила получить аналитические зависимости для определения коэффициента скорости растворения.

Рис, IL42. Углы наклона 0 растворяемой поверхности：

а — поверхность соли над растворителем; б — растворитель над поверхностью соли.

Если растворитель находится над поверхностью соли (рис. IL42, 6), то коэффициент скорости растворения определяется следующим выражением [126, 127]:

К1 = 0,74К1 = 0,74°3(ps —Po)gcos8°3(ps —Po)gcos8NcpZcpNcpZcp(II.112i(II.112i

К1 = 0,74

К1 = 0,74

°3(ps —Po)gcos8

°3(ps —Po)gcos8

NcpZcp

NcpZcp

(II.112i

(II.112i

где D — коэффициент диффузии (табл. II.9), ps и р0 — плотности насыщенного раствора и растворителя; 0 ——угол наклона реакционной поверхности к вертикали; р.ср — средний коэффициент Д1шамическон вязкости раствора; %ср — среднестатистическая длина участка растворяемой поверхности каменной солй, на котором происходит безотрывное лам!шарное течение (обновление) дпффУ" знойного слоя при постоянных концентрации растворителя и угле накло^а растворяемой поверхности к вертикали (см. табл. II.9); g — ускорение св°* бодпого падения.

А」，/ П.9, Численные значения 力，ps — р0,卩ср

Концентрация растворителя, кг м3

Температу- ра, К

01051,7107,7230,5

Коэффициент диффузии £>・109, м2/с

8 о oo Q о 6 0^7^6 7/^君君狗 0 1112 28 о oo Q о 6 0^7^6 7/^君君狗 0 1112 2330706080607 0 3 7 16330706080607 0 3 7 160 1112 20 1112 20600300130107 0 3 7 160600300130107 0 3 7 160 1112 20 1112 22 0 0 0 0 03 4 7 16 0 ?Q,3,8,2君01112 22 0 0 0 0 03 4 7 16 0 ?Q,3,8,2君01112 23000 007305418228823000 0073054182288201112 201112 23 3 3 3 3 3^^^ ^^^3 3 3 3 3 3^^^ ^^^

8 о oo Q о 6 0^7^6 7/^君君狗 0 1112 2

8 о oo Q о 6 0^7^6 7/^君君狗 0 1112 2

33070608060

7 0 3 7 16

33070608060

7 0 3 7 16

0 1112 2

0 1112 2

060030013010

7 0 3 7 16

060030013010

7 0 3 7 16

0 1112 2

0 1112 2

2 0 0 0 0 0

3 4 7 16 0 ?Q,3,8,2君

01112 2

2 0 0 0 0 0

3 4 7 16 0 ?Q,3,8,2君

01112 2

3000 00730541822882

3000 00730541822882

01112 2

01112 2

3 3 3 3 3 3

^^^ ^^^

3 3 3 3 3 3

^^^ ^^^

Разность плотности р$ — Ро，кг/м3

J,0,3,8巨君 2,2,1 ,ot& a5 5 5 5 5J,0,3,8巨君 2,2,1 ,ot& a5 5 5 5 5о^о^л^к^лл 3 3 2 2 2 2 111111о^о^л^к^лл 3 3 2 2 2 2 1111115 4 7 2 2 55 4 7 2 2 518 5 3 197 6 6 6 6 518 5 3 197 6 6 6 6 51彦自6 5 8 2 刃幺kOT?, Q о 9 9 8 8 2 111111彦自6 5 8 2 刃幺kOT?, Q о 9 9 8 8 2 11111JC^A6 3 5 9 5 1 8 A^4 о ю о 9 9 9 2 2 2 111JC^A6 3 5 9 5 1 8 A^4 о ю о 9 9 9 2 2 2 1113 3 33337 8 9 0 1222 23 3 33 3 33337 8 9 0 1222 23 3 3

J,0,3,8巨君 2,2,1 ,ot& a

5 5 5 5 5

J,0,3,8巨君 2,2,1 ,ot& a

5 5 5 5 5

о^о^л^к^лл 3 3 2 2 2 2 111111

о^о^л^к^лл 3 3 2 2 2 2 111111

5 4 7 2 2 5

5 4 7 2 2 5

18 5 3 19

7 6 6 6 6 5

18 5 3 19

7 6 6 6 6 5

1彦自6 5 8 2 刃幺kOT?, Q о 9 9 8 8 2 11111

1彦自6 5 8 2 刃幺kOT?, Q о 9 9 8 8 2 11111

JC^A6 3 5 9 5 1 8 A^4 о ю о 9 9 9 2 2 2 111

JC^A6 3 5 9 5 1 8 A^4 о ю о 9 9 9 2 2 2 111

3 3 3333

7 8 9 0 12

22 23 3 3

3 3 3333

7 8 9 0 12

22 23 3 3

Коэффициент динамической вязкости рср**03, Па-с

и 5 5 5 9 28 6 7 5875464139 л-^Q^ ло^2 2 1110и 5 5 5 9 28 6 7 5875464139 л-^Q^ ло^2 2 111018 6 9 9 67 17 0 4 49】5 3 6 7 15 8 厶1 3 J2 1110 018 6 9 9 67 17 0 4 49】5 3 6 7 15 8 厶1 3 J2 1110 03 2 5 9 9 35 17 4 4 116 6 0 17Л7 H3.9J2 1110 о3 2 5 9 9 35 17 4 4 116 6 0 17Л7 H3.9J2 1110 о8 2 2 2 2 93 9 8 2 0 37 14 6 8 3а*зо 8 72 1110 08 2 2 2 2 93 9 8 2 0 37 14 6 8 3а*зо 8 72 1110 07 6 2 4 2 28 743266 0 1 57 2 君"30 8 72 1110 07 6 2 4 2 28 743266 0 1 57 2 君"30 8 72 1110 03 3 3 3 3 32728-293031323 3 3 3 3 32728-29303132

и 5 5 5 9 2

8 6 7 587

546413

9 л-^Q^ ло^

2 2 1110

и 5 5 5 9 2

8 6 7 587

546413

9 л-^Q^ ло^

2 2 1110

18 6 9 9 6

7 17 0 4 4

9】5 3 6 7 1

5 8 厶1 3 J

2 1110 0

18 6 9 9 6

7 17 0 4 4

9】5 3 6 7 1

5 8 厶1 3 J

2 1110 0

3 2 5 9 9 3

5 17 4 4 1

16 6 0 17

Л7 H3.9J

2 1110 о

3 2 5 9 9 3

5 17 4 4 1

16 6 0 17

Л7 H3.9J

2 1110 о

8 2 2 2 2 9

3 9 8 2 0 3

7 14 6 8 3

а*зо 8 7

2 1110 0

8 2 2 2 2 9

3 9 8 2 0 3

7 14 6 8 3

а*зо 8 7

2 1110 0

7 6 2 4 2 2

8 74326

6 0 1 57 2 君"30 8 7

2 1110 0

7 6 2 4 2 2

8 74326

6 0 1 57 2 君"30 8 7

2 1110 0

3 3 3 3 3 32728-29303132

3 3 3 3 3 32728-29303132

Если растворяемая поверхность находится над растворителем (рис. 11.42, а), то коэффициент скорости растворения возрастает:

k2=长1十k2m9(П.112>

где Kv — средний коэффициент скорости растворения горизонтальной (0 = 90°) потолочины.

Численное значение Кг находится по экспериментальной 巾ор- муие, полученной В. А. Мазуровым [126 — 128]:

Кг = Т2 (0,00038901 + 0,522) • 1Q-8—Г(0,00005228G -t- 0,02117) • 10~< +

(11.114)(11.114)+ ((WMXM086cl + 0,0002078)

(11.114)

(11.114)

где Т о температура (273 W 丁 W 323 К).

При управлении процессом подземного растворения необходимо '亜叫 как изменяются радиус полости г. ее объем Vn и концентрация раствора С2 на высоте z с течением времени Е. В. А. Мазу-

8 Заказ 1159 113

ровым [126—128] предложены следующие формулы для расчета этих параметров при растворимой (рис. 11.43, а) и

(рис. 11.43, 6)потолочине:

нерастворимо^

凡

1 +凡

nKcpZ

(H.lljj

Q

Cz=Cs—АС,

(H」l；l(H」l；l(11.118)(11.118)%!=冗^ (Ко —г)

(H」l；l

(H」l；l

(11.118)

(11.118)

При активной (растворимой) потолочине полости

-=]/.十 ]/(劫3十(券~十十j/f-M(戮十(IF

3Q . _ 3AcpQ AG (» 3Q/?oo

尸=碼「kpt/w $+/°+ n%® ；

。"="^，△e=П/屮缁+Q_"

"2屮C*2寸、К

AQ = Cs —См 厶=-^—J ДС dt^ AC

При пассивной (нерастворимой) потолочине полости

% = .KcpACi .acx = AC = Cs-C01(П.И9}

рт

где г и Rq — радиусы нижнего и верхнего основания полости; Кер — среднее гндчение К】；Cz — концентрация раствора в полости на отметке z; & — концентрация растворителя, отходящего от активной потолочины; Coi — концентрация растворителя, поступающего в полость; Cs — концентрация насыщенного раствора; Q — расход растворителя; рт — плотность каменной соли; t — время протекания процесса; Ноо — радиус верхней части полости при 方=0;屮一угол наклона потолочины камеры к вертикали; Ln — подвижка потолочины емкости 38 время t; А?"= 0,5 (АСо+АСк) — среднее по времени значение АС на этапе образования емкости с растворимой потолочиной; АСо и АСк — начальное и кс вечное значение АС.

» Если потолочина полости сразу была растворимой, то отсчет времени ведется от начала образования полости и /?Оо =，°; г。一 радиус буровой скважины принят равным нулю, поскольку А。》‘°， Если потолочина полости некоторое время была нерастворимой, т° отсчет времени ведется от момента, когда потолочина стала раство* римой; в этом случае К。。равен тому радиусу, который был полу* чен на этапе образования емкости с нерастворимой потолочивой-

Выше указывалось, что для создания полости заданной конфигУ- рации используется нерастворитель, график подачи которого стр°、‘

I。

Рис. 11.43. Схема растворения полости с активной (а) и пассивной (6》 потолочиной.

в соответствии с регламентом образования полости, рассчитанным по формулам (11.112)—(11.119). Количество закачиваемого нераство- рптеля в емкость в зависимости от £ определяется из выражения [1261：•

для газообразного нерастворителя (воздух)

?г=—=Гв(0Г=[Гс(0Г+5* [V(i)r+v[S*(t)v+s6[Vy(t)Y(11.120)

для жидкого нерастворителя (нефтепродукты)

9*=F~ =[%(£)]'(11.121)

где dVR (d%J — объем газа (жидкости), который необходимо подать в полость за время d 九

Объем воздуха для заполнения верхней (сводовой) части по- пости определяется из выражения

伍()'=舒["&в (")的一Ppg")十‘叱客/pg»] [^(0Г

Го и г — соответственно нормальная температура воздуха и температура воздуха в своде полости; ро — нормальное давление воздуха; /?св — радиус родовой части полости на уровне плоскости раздела нерастворитель — рассол, Измеряемый высотой Н от дна полости； р& ——давление рассола у башмака рас- ^°лоподъекшой колонны труб; рр —— плотность рассола; 7сВ —— объем сводовой Части полости.

Объем газа, идущий на растворение в рассоле, находящемся в полости, рассчитывается как сумма объемов S* [V (£)Г + 卩 js*«)]',

8*

а вынос его с рассолом (в растворенном состоянии) на поверхпослх составляет S% [Vy «)Г; Wy (OF = Qp — производительность ц0 рассолу; S； — растворимость воздуха в рассоле на уровне 6а《・ мака рассолоподъемной колонны труб; S* — доля воздуха, раства* рившегося в единице объема рассола: S* = ре^; р — давление.

Показатель степени 忆 определяется из выражения

№ = —12,66 • 109卩—5,5 • 10-зс + 12,2・ 10-6С2—0,1817+0,281 • 10”+ 打 ％ 1

где С — концентрация рассола; Т — температура (273 w 才；323 К).

Несмотря на простой вид формул (IL112)—(11.121), расчет пара, метров процесса образования полостей требует определенных знаний и навыков. Поэтому покажем на примере последовательность и eg цифику расчета регламента образования двух ступеней полости на противоточном режиме (гидровруба с пассивной потолочиной и первой ступени ——с активной потолочиной). Этого будет достаточно, чтобы рассчитать регламент образования полости, состоящей из любого числа ступеней.

Известнымп величинами при проектировании подземных полостей являются начальная (исходная) концентрация растворителя Со1. высота Нп и верхний радиус К。полости, температура процесса Т и плотность каменной соли рт. Расход растворителя Q принимают либо исходя из производственных соображений (наличия насосного оборудования, получения рассола определенной концентрации времени строительства полости и др.), либо, если нет ограничивающих факторов, исходя из решения технико-экономической задачи— минимум затрат на создание емкости.

Пример 11.10. Исходные данные для расчета регламента создания гидровруба (пассивная потолочина) следующие: COi = 0; Яг = 10 м; R。= =10 м; Рт = 2160 кг/м8; Т = 288 К; Q = 0,00833 м3/с; Cs = 317 кг/м3.

Расчет регламента создания гидровруба

По формуле (11.112) с учетом данных табл. II.8 и II.9 при 0=0° находим К] = 0,000014 м/с. По формуле (11.119) при COi = 0 определяем время создания гидровруба: £= 4870-103 с. По формуле (11.115) находим нижний радиус гидровруба г = 6,56 м при z = НГ 'и. Кг = Кср・ По формуле (11.117) находим объем гидровруба при К± = ЛГср： Рц = 2050 м3. По формуле (11.116) опрез> ляем концентрацшо рассола на глубине (z = 〃「) при известных А。, г и С(и.=收 Q = 181,5 кг/м3. Практически рассол никогда не отбирается со дна емкости Отбирая его, скажем с отметки z = 9,5 м, получаем Cz = 165 кг/м3. Проектв- ровщик должен учитывать это обстоятельство.

Средняя концентрация рассола, оставшегося в емкости, определится выражения

Во

3■^j Cs 卜一君 dis [T (1 +嘉 + 旬卜96.7 krm W

Количество соли, оставшейся в емкости в виде рассола, находится из выр*' женмя: Gn = ^пСср = 2050-96,7 = 198,2-103 кг. Общее количество раст吧 рившойся соли составит G = VnpT = 2050-2160 = 4425-103 кг. Средняя к°：： центра只ия рассола, выданного из емкости за время t с отметки 〃「= 1° • •

%= G^"^ =104,1 кг/мз

Средняя концентрация растворителя, действующая на реакционные по- верхностн (Cg), определяется из выражения (а) при замене 丁②/区^ через его зна- дение, равное 1 — CQt/Cs, т. е.

0=G/一4"(1 + 1一君 + 1一母)=53,8 нг:mЗ

На этом расчет в нулевом приближении заканчивается. Далее необходимо рассчитать все параметры процесса образования гидровруба в первом приближении, т. е. прп Cg = С。】=53,8 кг/м3 и среднем значении угла 0, которое, как это следует пз заданных величш К。，Яг н полученного значения г, измеряется от 0° до 17。30'・ Принимаем 0 = 8°45\

Запишем результаты расчетов первого приближения: Кх = 0,00001147 м/с; ,=595 •!О4 с; г = 6,97 м; Vn = 2223 м3; z = 10 м; С^ = 164 кг/м3; Сср = =86,2 кг/м8; / = 192.103 кг; G = 4800-103 кг; CQt = 93 кг/м3; С& = =47,6 кг/м3.

Итак, средняя концентрация растворителя, действующая на реакционные поверхности, отличается от цолученной после нулевого приближения на 11,5%. Расхождение — большое, поэтому необходимо сделать расчет во втором приближении при Cg = С。] = 47,6 кг/м3. Не приводя здесь вычислений, запишем результаты: Кг = 0,000010 м/с; t = 682 • 10* с; г = 7,25 м; Vn = 2284 м3; Cz = 151 кг/м3; Сер = 79,3 кг/м3; Gn = 181-103 кг;' G = 4940 • 103 кг; Cq^ = =83,7 кг/м8; С& = 45,9 кг/м8.

Таким образом, второе приближение дает сходимость в пределах до 3,5%. На этом расчет регламента образования гидровруба можно закончить.

Расчет регламента образования первой ступени полости

Принимаем Q = 0,0167 м3/с;屮=90°; Cq = 0; t = 2592-103 с. В данном случае Но = Яоо = 10 м.

По формулам (11.112)—(11.114) находим в нулевом приближении коэффициент скорости растворения потолочины емкости 勺屮 при 屮=90Q и Coi = 0

/w = sin[ = 0,000034 м/с

По формуле (11.118) находим концентрацию рассола Сх, отходящего от потолочины емкости, при С。】=0, АСг = Cs — Cqi = Ск 口 Яо = 10 м, Сх = = Cs — AC = 123 кг/м3. В соответствии с полученной концентрацией CL уточняем /屮；芥2屮=0,000031 м/с. По новому 与池 уточняем по формуле (11.118) концентрацию рассола, отходящего от потолочины. С】= 118 кг/м3. Определяем коэффициент скорости растворения наклонных поверхностей при Сх = =118 кг/м3, используя формулу (11.112) и данные табл. П.8 и II.9: Кер = =А】=0,0000078 м/с. По формуле (ПЛ18) находим радиус потолочины ступени полости К。= 11,78 м, определив предварительно р = 506 м2 и ^ = ==754 м3.

Уточняем концентрацию рассола, отходящего от потолочины емкости, в соответствии с полученными А。по формуле (11.118): С】=143,5 кг/м3. Утон- ияем коэффициент скорости растворения потолочины К?^ ПРИ Ci = 143,5 кг/м3 по формулам (П.113) и (11.118)： К?* = 0,0000176 м/с. Уточняем коэффициент Скорости растворения 右)=吊 наклонной стенки при Сх = С(ц = 143,5 кг/м3 По формуле (11.112) при 0 = 6。，используя данные табл, IL8 и II.9. Кх = Кср = =0,0000091 м/с.

Средние коэффициенты скорости растворения наклонной стенки и гори- аонтальной потолочины определяются как среднеарифметические в начале и конце процесса образования ступени: ^ср = К】=0,00000846 м/с;芯岂屮= 0 0,0000246 м/с."

ступени полостиОпределяем (П.118)ступени полостиОпределяем (П.118)По уточненным Кер и /也 находим параметры р н q н радиус верхней част^ по формуле(п.118)： р = 650 м2, q = 9595 м3, Лв = 12,03 м подвижку потолочины ступени полости： согласно формул

ступени полости

Определяем (П.118)

ступени полости

Определяем (П.118)

AC нужно былоAC нужно было

AC нужно было

AC нужно было

бы получить, разбив время, в течение которого происходил процесс образования ступени емкости, на п частей величиной △£(£= пДл Тогда “

АС=； £ АС.

寵г

где АСЛ есть АС через время nAt после начала образования этапа (АС^ = =△&<)•

Приняв п достаточно большим, найдем АС с любой точностью. Однако для данного расчета в этом нет необходимости, поэтому мы ограничились начальным и конечным значениями АС® и АСк и приняли их среднюю величину равной АС, тогда Еп = 5,47 м.

Высота полости Нп ~~ Нг + £ц —■ 15,47 м.

Определяем нижний радиус емкости по формуле (11.115): г = 7,61 м. При этом коэффициент скорости растворения принимается среднеарифметическим по камере:

Кср+ К 2山人= 2—" = 0,0000165 м/с

Находим концентрацию рассола, выдаваемого из полости с отметки 15,47 м, по формулам (11.113) и (11.116); при этом C°i принимаем как среднюю в начале и конце процесса, т- &

с 118 + 443,5

Coi=^——=130,7 кг/мз, С = 242.8 кг/мз

Определяем среднюю концентрацию рассола в емкости в конце выщелачивания ступени по формуле：

Находим общий объем полости по формуле (11.117). При этом коэффициент скорости растворения принимаем средним по камере Кк = 0,0000165 м/с, Vn = 4470 м3. Количество соли, оставшейся в полости в виде рассола, Gn ^ =837 • 103 кг. Общая масса растворенной соли

G=買加丁 =必70 • 2160 = 9650 • 103 кг

На этом расчет регламента образования первой ступени полости с учетом подрастворения стенок гидровруба заканчивается.

График подачи нерастворителя в полость в процессе ее сооружения строят на основании расчета по формулам (П.120) и (11.121)・

Из формулы (11.120) видно, что для определения q「 необходимо найти ［匕(OF, IV ⑴匕［S* (£)1，и ［% (。匕 Величины 7, 7°, р。， 118

p6, g, Я, Рр, VCB, входящие в [Vc (力)1\ являются известными или Щупаются из расчета регламента образования емкости. Для опре- селеНИя Wc (£)К — объема воздуха, необходимого для заполнения оДОвой части емкости, нужно ввести в это выражение вместо /?сВ Щ) начение, соответствующее выбранной форме свода полости. Пусть, например, форма свода будет шаровой с радиусом R, тогда 虎в (Н) = R% — (Н 十 А — Яп)2, где Нп — высота полости.

с Цо данным расчета регламента образования полости графически 0Л0 аналитически находим функцию, характеризующую изменение

Рнс. IL44. Схема растворения аглерейной (протяженной) полости.

уровня нерастворитель — рассол во времени Н «), и после ее дифференцирования подставляем в уравнение [匕⑶匕 которое легко решается, так как все члены, входящие в него, известны. Для этого необходимо при £ = 0 принять Fc == Ро; в этом случае можно принять за V。объем воздуха, необходимого для заполнения ме?ктруб- ного пространства обсадной и внешней рабочей колонн труб. Далее принимаем Az q dt, равное какому-либо постоянному числу суток. Целесообразно △£ принять таким, чтобы получить 6—8 точек, через Которые с большой надежностью мо?кно было бы провести кривую

Для расчета объема воздуха, растворенного в рассоле, необхо- 口ммо найти значения двух членов S* IF (£)]'十 V [S* (£)]'・ По нз- вестшям из расчета регламента образования емкости изменениям величин V и S* от £ графически или аналитически устанавливаем 皿口 функций V (/) и S* (0 и после подстановки в исходное уравне- Нне интегрируем это выраярение по / в требуемых пределах. Аналогич- Но определяем объем воздуха, уносимого с рассолом на земную по- верхность.

Сущность метода подземного растворения галерейной емкости Состоит в бурении наклонной скважины с выходом на горизонталь °° возможности в нижней части пласта соли (рис. IL44). Затем

скважину обсаживают трубами, тщательно тампонируют и опускает в нее до забоя эксплуатационную колонну труб меньшего диаметр^ В период растворения по этой колонне подают в скважпну во”？, а из межтрубного пространства отбирают рассол. Для образования емкостей с одинаковыми или близкими поперечными сечениями ць всей длине используют следующие два приема. *

Ио первому из них растворение осуществляют ступенями (захват- ками), подавая воду в забой. Вследствие разности удельных весов воды и рассола последний опускается вниз, а новые порции свежей воды поднимаются вверх. Слабый раствор, образующийся в забое, донасыщается при двиткении его относительно поверхности соли вдоль сква/кины. Поэтому вначале образуется камера, вытянутая вдоль горизонтальной оси, и соль вокруг трубы размывается равномерно во все стороны, затем камера постепено развивается вверг, приобретая конечную форму у забоя. После размыва первой захватки эксплуатационную трубу поднимают из скважины на заданную величину, при этом укорачивается горизонтальный участок и происходит растворение следующей захватки.

По второму приему растворение проводят одновременно на всю длину галерейной емкости. Горизонтальная часть эксплуатационной трубы через определенные расстояния имеет отверстия для подачи воды в сква?кину.

Емкости большого объема (50—100 тыс. м3) целесообразно сооружать при высоких производительностях по отбору рассола. Вначале бурят наклонно-горизонтальную скважину, горизонтальную часть которой располагают по падению пласта. По окончании бурения определяют ее пространственное положение и составляют исполнительную схему. Затем намечают точку заложения вертикальной

Таблица 11.10. Значения поправочных множителей / при 0°彳三0近90°

Угол наклона плоскости подошвы емкости к горизонту

Пределы изменения высоты емкости, м

Отношение nj к высоте ем

по формулам

А. П. Кулле

)олета кровли кости (2 а/h)

по экспериментальным данным

Множител! /

2°wPw20。

1 w 力 W 7

7«8,5

8,5«17,0

17«20,0

20«25

25«30

0,765-: 1

0,98 : 1

1,08 : 1

1,18 : 1

1,20 : 1

1,22 : 1

1,24 : 1

1,28

1,41

1,54

1,57

1,60

1,62

20° w У 勾。

1《7

7«15

15«24

24«30

0,765 : 1

0,67 : 1

0,82 : 1

0,92 : 1

1,02: 1

0,87 1,07 1,20 1,33

нваяятн так, чтобы забои обеих скважин были по возможности ближе один к другому.

'Если при бурении забои обеих скважин не соединились, то осуществляют их сбойку (соединение), растворяя соль через одну или обе скважины. После сбойки центральную колонну труб извлекают на поверхность, а воду подают через обсадную трубу. Периодически изменяя направление движения воды и раствора, создают полость практически одинакового поперечного сечения по всей ее длине. Зтпм способом можно в короткие сроки с высокими технико-эконо- лическими показателями создать равнопрочную по длине емкость в пластах соли со значительным (до 20——25%) содержанием нерас- творимых включений.

Исследования показали [126, 128], что форма и соотношения отдельных элементов поперечных сечений протяженных емкостей слабо зависят от скорости движения растворителя в растворяемой полости. При этом боковые поверхности и кровля полостей в процессе растворения перемещаются параллельно самим себе. В таких условиях съем соли с реакционных поверхностей, расположенных под углом наклона 90° W 6 W 180° к горизонту, можно определить по формуле А. П. Кулле [ИЗ]:

。=I - ^^ ] [ 1 + 概г]【& 73 si n Р + 5,87](11.122)

Для поверхностей, расположенных под углом наклона 0° w 0 w W 90° к горизонту, съем соли q определяют по формуле А. П. Кулле [ИЗ] с поправочным коэффициентом В. А. Мазурова [127]:

"=[|-署]['+ й~] [3,25 >ШЖ十1,8]/ (п.123)

где Ср — концентрация растворителя; ps — плотность насыщенного рассола; р — плотность растворителя; £р —— температура растворителя, ℃ (0,5 W ер W &25); / — поправочный множитель (табл. 11.10).

Концентрацию растворителя в концевом сечении можно определить по выражению [127]:

Ск = С§\1—е Q 丿а (11.124)

где к 一 средний коэффициент скорости растворения казенной соли; F —— 盟щадь активной поверхности растворения соли; Q —— производительность ，т6ора рассола из емкости; а ——коэффициент, учитывающий режим растворения (“пн прямотока а = 0,71—0,76, для противотока а = 1).

Концентрация растворителя в начальном сечении Сн определяется 口。рис. П.45. Высота полости в конечном сечедии Лк при прямоточ- ном растворении определяется по выражению

力к = “力к = “Рн (арк—CkPs)рк (CspH — СнР§)Рн (арк—CkPs)рк (CspH — СнР§)(11.125)(11.125)

力к = “

力к = “

Рн (арк—CkPs)рк (CspH — СнР§)

Рн (арк—CkPs)рк (CspH — СнР§)

(11.125)

(11.125)

Рн и pK 一 плотность растворптеля в начальном и конечном сечениях камеры; и ^к — ко нцентрация растворителя в начальном и конечном сечениях.

Величину 饱 принимают в зависимости от мощности пласта. При периодическом изменении направления движения раствора теля 九к = %

эти же приемы, однако процессэти же приемы, однако процессконгруэнтноеконгруэнтноеВсе вышесказанное относится к проблеме подземного растворения пластов каменной соли. При подземном растворении сильвинитов (смеси КС1 и NaCl) для извлечения КС1 [38, 391 используют имеет следующие особенности:

эти же приемы, однако процесс

эти же приемы, однако процесс

конгруэнтное

конгруэнтное

Рис. 11.45. Изменение концентрации растворителя в начальном сечении полости Сн в зависимости от ее высоты h и расхода воды Q.

растворение пласта, т. е. сохранение в рассоле

примерно такого же соотношения сильвина и галита, каки в пласте;

подготовительное вышелачивание осуществляют в подстилающих залежах каменной соли, поэтому при подходе к пласту сильвинита диаметр полости увеличивается до 60—150 м;

при достижении больших размеров камеры (более 100 м в диаметре) возможно преимущественное извлечение КС1 из пласта растворами, насыщенными по NaCl или маточными растворами с пони- м^енным отношением содержания КС1 к NaCl;

чтобы устранить накопление мелких кристаллов на внутренних стенках камеры, в растворитель в небольших количествах вводят соли тяжелых металлов (хлориды кадмия, висмута, железа);

для компенсации потерь тепла при эндотермическом растворении сильвина растворитель подогревают на 4—8 ℃ выше температуры

стенок камеры.

К наиболее совершенным из современных методов подземного растворения калийных руд относится метод управляемого послойного растворения через одиночные скважины, их батарею или группу снизу вверх. Благоприятное расположение поверхности растворения (угол наклона к горизонту 90——180°) при использовании этого ^ тода обеспечивает не только интенсивное растворение, но и умень* шение вредных воздействий, вызванных выпадением на дно камеры нерастворимых включений. Так как скорость растворения уменк шается с увеличением концентрации раствора, время пребывания ег° в камере должно быть по возможности больше для достижения задан’ ной степени насыщения.*

При обычных для растворения каменной соли условиях врем" пребывания раствора в камерах составляет десятки суток и меся車'

а при групповой системе — годы. Следовательно, групповая система является наиболее подходящей для подземного растворения сильви- ннтовых месторождений. Кроме того, она позволяет достичь максимального извлечения полезного ископаемого по сравнению с дру- гн、т системами. Если же по каким-либо причинам эту систему применить невозможно, то следует использовать батарейное или ступенчатое растворение.

< кКС1, % "吟 от суммысолей< кКС1, % "吟 от суммысолейРис. 11.46. Зависимость скорости растворения сильвинита в воде от температуры при В = 180° (Z — сильвин молочно-белый; 2—КС1; 3 — NaCl).Рис. 11.46. Зависимость скорости растворения сильвинита в воде от температуры при В = 180° (Z — сильвин молочно-белый; 2—КС1; 3 — NaCl).пхитм 工 з Vпхитм 工 з V

< кКС1, % "吟 от суммы

солей

< кКС1, % "吟 от суммы

солей

Рис. 11.46. Зависимость скорости растворения сильвинита в воде от температуры при В = 180° (Z — сильвин молочно-белый; 2—КС1; 3 — NaCl).

Рис. 11.46. Зависимость скорости растворения сильвинита в воде от температуры при В = 180° (Z — сильвин молочно-белый; 2—КС1; 3 — NaCl).

пхитм 工 з V

пхитм 工 з V

Рис. 11.47. Зависимость оптимальной температуры подземного растворения от содержания КС1 в. залежи.

Одним из существенных факторов, влияющих на процесс подземного растворения калийных руд, является температура. С ее увеличением возрастает скорость растворения, улучшаются составы рассолов и облегчается их дальнейшая переработка, уменьшаются потери КС1 вследствие высаливания. Следовательно, температуру растворов в камерах следует поддерживать максимально высокой. Так как на определенной глубине руды имеют определенную температуру, то при большой разности температур между раствором н стенками камеры возможны большие потери тепла. Поэтому температуру растворения определяют технико-экономическими расче- тами。Зависимость скорости растворения сильвинитовых пород в воде °т температуры приведена на рис. 11.46 [38]. В то же время темпера- тура не должна быть ниже некоторого значения (рис. 11.47), отве- ^ающего потере части КС1, вызванной высаливанием из раствора на Заключительной стадии формирования его состава.

Из других минералов показана принципиальная возможность по- ^езв°го растворения бишофита [158]. Основной отличительной осо- енностью его является высокая линейная скорость растворения, Ревыщающая в 5 раз скорость растворения каменной соли в тех же JGobiikx.

СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ

РЕАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ РАСТВОРЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

Т

еоретические основы кинетики процесса растворения, изложенные в главе I, дают возможность определить степень влияния отдельных параметров (температуры, размера частиц, физических свойств жидкости, интенсивности перемешивания и др.) на скорость процесса. Однако в ряде случаев при промышленной реализации процессов возникают осложнения, вынуждающие вносить существенные коррективы как в теоретические зависимости, описывающие кинетику, так и в конструктивное оформление аппаратуры. В связи с этим рассмотрим основные особенности реальных процессов растворения, осуществляемых в промышленности. Их можно разделить на кинетические и аппаратурные.

Кинетические особенности

В большинстве случаев растворению подвергается дисперсная твердая фаза полифракционного состава, образующаяся при измельчении исходного материала. Так, при измельчении калийных руд до крупности 5 мм образуется около 30% частиц, диаметр которых менее 0,25 мм. Как известно, чем мельче частицы материала, теш больше его удельная поверхность (а значит, и поверхность контакте с растворителем),-тем быстрее он должен растворяться.

Однако этого не происходит в тех случаях, когда кристаллики растворимого вещества находятся в оболочке из нерастворимого вещества, т. е. когда примеси экранируют (полностью или частично) активную поверхность твердой частицы.

Именно такое экранирование происходит при растворении калий^ ных руд Прикарпатского месторождения, содержащих до 16% глин*1 [177]. Оказалось, что из частиц размером менее 1 мм только 15’’ представляет собой чистые кристаллы; остальные склеены с наст”’ цами глины пли представляют собой «соленосную глину» —— qacTHR11 соли в оболочке из глины. Специальными опытами показано, 口丁： очень мелкие частицы сильвина (KG1), содержащиеся в «соленосе^*

jjiiie, растворяются гораздо медленнее крупных частиц, не на- ^одЯщихся в тесном контакте с глиной. Таким образом, инертные рримссн или продукты реакций, экранирующие поверхность раство- еНпя, осложняют кинетику растворения, а использование законо- *1ерностей растворения чистых веществ в этих случаях может при- вестп к неверным выводам.

Прп растворении одного из минералов полиминеральных руд (например, калийных) вначале может растворяться несколько минералов с постепенной их кристаллизацией (высаливанием) из раствора по мере его насыщения. Эти вновь образовавшиеся кристал- лйки откладываются на активной поверхности частиц, экранируя ее в затрудняя дальнейшее отделение их от раствора. Вследствие та- ких осложнений приходится вести длительное многоступенчатое растворение.

К существенным кинетическим отклонениям реальных процессов

от модельных могут привести также трещины в твердых частицах при дроблении, распад частиц в процессе растворения на более мелкие и измельчение материала (при интенсивном растворении или при использовании специальных устройств).

Аппаратурные особенности

В реальных условиях часто приходится вести процесс растворения в горячих агрессивных жидкостях или под давлением, когда первостепенное значение приобретает обеспечение надежности работы аппарата. В таких случаях могут оказаться предпочтительными устройства, обеспечивающие интенсификацию без контакта со средой (например, перемешивание воздухом), либо малогабаритные бессальниковые перемешивающие устройства (ультразвуковые, взрывные. с вихревым слоем ферромагнитных частиц и т. д.), несмотря на их высокую стоимость.

При осуществлении многоступенчатого процесса растворения агрессивные и абразивные суспензии вызывают быстрый износ аппаратуры п особенно центробежных насосов. В подобных случаях некоторые конструкции аппаратов, например с кипящим слоем, не могут быть применены.

Необходимо также учитывать осложнения, которые возникают в присутствии обломков дерева, обрывков кабеля, троса, попада- юЩих в больших количествах при шахтной добыче полезных иско- цаемых. Эти примеси закупоривают трубопроводы, решетки, а также другие внутренние устройства и могут вывести аппарат из строя.

Долговечность и надежность аппаратуры особенно важны для Реализации многотоннажных процессов растворения. Поэтому эти качества являются определяющим критерием при выборе типа аппарата. Широкий диапазон размеров частиц растворяемого материа- приводит к осаждению крупных и уносу мелких. Это обстоятель- Ств° затрудняет использование для подобных материалов аппаратов ° кипящим слоем.

«ой^о^геопго^

CS93S-9CD£3EQn2S^S^H^SQouu nqn•z^s >EaEIJ0Q QW ang—ewe

•(啃нв 口 03 唠。0 00 导 ко 口 нокнвохен Ф31Я50«一。omwimmwodu в мквннзюН -зюоооно ной зее沿эаоп&рэу»HOHodono0t£HHH6do0E--oced OJOHHO0EA® 曲 0n нм^йё^йои^нкя no^ooos §^лии^воой^к VIII .00d

(Edoua ，工 odEQdQne) sqEQQX ,PBM HEaE — JnJ g anq _ r,E=3peog&

YhnEaoh 旦q±JEnH2Q£Qds-dlEaQqeJEwqad■ J -qEDdDU，UDWhnHqs£hqEQdQUUQ-弋，岁quouawdoE—QdrosEEqQ£-WRWaEJna D=-■启EJ尽靠

(QE3E3A3目工吕d}H3dutwq-qdeqFw号，营 nHs.aI:】RxgEtxT_MquKU£n02XW0Q

HzgQxhqe I QdEquK 、/7宫0、专0 HWHEQECJQh — Qww ?H LgaJUQX w、、 •CJahnHQEs-e OJnxaMQUn尹

— 04 QZQHEnH.27七、Q2QmhndEwe Hqz—dQHQnhoESw 关 070*

unJHWH ，笈 agQdEHs- aifou g、窮 —00 PQQaagE Wds-X&R

h'SOA HGP—§E 027J

fd^.A、EJQXQn 若 5^，BdEq{fn6*

a'H，号maJKad• 10 uahgxQHaE*

sqEmpnx52^ QQQIdagE M*№mw£

nnnaEGn ndu stnxlE ■ go REgdNU A、O0 DR、0E*2* ПЕ ♦WHrs-QQU anHahnlfag' aow=a£2d9QHs

00*092\2、anHaJEQqnH

『UQU d/99Q702 HZK

♦dDHQnhDEJ anHa*QUDH

(KnHa 若 qczQXCJ) KnHOHaEgQ nEJQdoxa aRHahnua^

KnxahquaEen A 2& 0£n nEgxHs-qQU anHah'uas

“так, реальные условия растворения оказывают существенное на выбор способа интенсификации и конструкции аппарата. * механизму воздействия на кинетику диффузионного растворения " способы интенсификации можно разделить на три группы:

° ])способы, основанные на развитии поверхности контакта фаз;

2) способы, основанные на увеличении скорости обтекания твер- частиц жидкостью;

“ 3) комплексные способы, основанные на одновременном развитии поверхности контакта фаз и увеличении скорости обтекания.

В случае кинетического (недиффузионного) растворения можно вкдепмть два способа интенсификации:

измельчение твердого материала до растворения или в процессе растворения;

увеличение температуры реакции.

Классификация основных способов интенсификации процесса растворения дисперсной твердой фазы (см. разд. 2 гл. III) приведена на рис. IIL1.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАСТВОРЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ

Обычно для обеспечения приемлемых скоростей растворения твердый материал измельчают. Чем труднее растворяется данный материал, тем более высокой должна быть степень измельчения. На практике применяют оптимальную степень измельчения, соответствующую получению минимальных приведенных затрат.

Под способами развития поверхности контакта фаз будем понимать те из них, которые обеспечивают в процессе растворения максимально возможную поверхность при заданной степени измельчения. В случае растворения, не осложненного экранированием реакционной поверхности, максимальная поверхность контакта фаз достигается разобщением частиц одной от другой на расстояния, значительно превышающие толщину пограничного гидродинамического слоя. Такое разобщение можно осуществить при механическом, пульсационном или вибрационном перемешивании, а также при взвешива- Шш твердой фазы жидкостью.

Многообразие физических свойств твердой и жидкой фаз, исполь- зуеммх в. промышленных процессах растворения, а также широкий интервал размеров твердых частиц является причиной применения Различных методов увеличения скорости обтекания.

Мы уже видели, что наиболее простыми и экономичными мето- "амн (взвешивание твердых частиц жидкостью или механическое ^еремешивание) можно достичь приемлемых скоростей обтекания Скольжения) только для достаточно тяжелых и крупных частиц.

Для интенсификации процессов растворения, особенно в тех слу- анх, когда легкие твердые частицы малых размеров взаимодей- ТвУют с жидкостью, можно использовать стационарные силовые поля °“е центробежных сил, скрещенные электрическое и магнитное

поля) и нестационарные (низкочастотные механические колебан^ и пульсации жидкости; высокочастотные гармонические колеб* нин звукового и ультразвукового диапазона частот; широк оно, лесные импульсные колебания, возбуждаемые высоковольтныец электрическими разрядами, мембранами магнитоимпульсных устроц. ств и т. д.).

Интенсификация наложением стационарных силовых полей

Растворение в поле центробежных сил

Известно, что во вращающейся вместе с сосудом суспензии твердые частицы отбрасываются к стенкам сосуда. Если стенки сосуда выполнить перфорированными, а жидкость насосом прокачивать от стенок к центру, то при определенных условиях твердые частицы могут удерживаться на круговых траекториях гидродинамической силой радиального потока. Таким образом можно увеличить скорость обтекания и, следовательно, скорость растворения. Если радиальный поток жидкости движется к оси вращения со скоростью w, то условием движения сферической частицы на круговой траектории является [191：

Рг = Рц+Рп(Ш.1；

где Рг — сила гидродинамического воздействия потока на частицу, напра* вленная к центру вращения (「「= i|?pd2iz?2); Рц — центробежная сила (Рц =

п& \

= —g— рт(о2г ); Рц — сила противодавления, аналогичная архимедовой вытал

кивающей силе в гравитационном поле〈Рц = ^^-p©2rY ©—угловаяскорость

вращения сосуда; г — радиус вращения частицы; d — диаметр твердых частиц; 屮一коэффициент сопротивления; р, рт — плотность жидкости и твердого тела.

W = WgW = WgПодставив значения всех сил в уравнение (Ш.1), получим значение скорости обтекания в центробежном поле

W = Wg

W = Wg

(III.2)

где Wg—скорость взвешивания в гравитационном иоле.

Поскольку диаметр растворяющейся частицы уменьшается со временем, форма вращающегося сосуда должна обеспечивать уменьшение скорости потока в направлении от входа жидкости к ее выходу- В цилиндре, вращающемся вокруг оси, перпендикулярной оси цилиндра, скорость потока постоянна. Следовательно, цилиндрическая форма сосуда непригодна для центробежного растворения. Простейшей из пригодных является коническая форма (рис. IIL2). Из геометрических соображений следует:

戶/ , л R ——г .\2

(III.3)(III.3)与( 4+2—т— tgd )

(III.3)

(III.3)

尸一площадь сечения конуса на расстоянии г от центра вращения; FR —

рлощадь сТояниирлощадь сТоянииотверстия конуса при г = К; dr — диаметр сечения конуса на рас- г от центра вращения; d^ — диаметр меньшего отверстия конуса.

рлощадь сТоянии

рлощадь сТоянии

С помощью уравнения неразрыв- ности Fw = ErWr из выражения (IIL3) следует:

吁 7瓦=；―7?"(ш")

Решение системы уравнений (III.2) и (Ш.4) дает следующее выражение:

у = Н+р(1—『)】2=П(III.5)

где

W 1eк一г丄,

% jFrg

Рис. Ш.2. Силы, действующие на твердую частицу в центробежном поле.Рис. Ш.2. Силы, действующие на твердую частицу в центробежном поле.На рис. IIL3 представлено графическое решение этого уравнения при р = 1. Пересечение кривой Z = у [1+ р (1 — 严)]2 с ПРЯМОЙ z = П дает две точки, отвечающие различным значениям у. Однако лишь точка, отвечающая большим значениям у, соответствует устойчивому вращению частицы. Это связано с изменением центробежной и гидродинамических сил по разным законам при изменении положения частицы.

Рис. Ш.2. Силы, действующие на твердую частицу в центробежном поле.

Рис. Ш.2. Силы, действующие на твердую частицу в центробежном поле.

Из графика р = / (г/7?), представленного на рис. Ш.4, следует. Что равенство этих сил достигается при двух различных значениях г. При отклонении частицы от положения М возникают силы, возвращающие ее в исходное положение. Отклонение частицы от положения N не приводит к ее возврату в исходное положение. Легко установить, "то максимальное значение z соответствует абсциссе

9 Заказ 11599 Заказ 1159wt^yw^ >zFr; Ут<у<1wt^yw^ >zFr; Ут<у<1(III.6)429(III.6)429Величина скорости обтекания составит

9 Заказ 1159

9 Заказ 1159

wt^yw^ >zFr; Ут<у<1

wt^yw^ >zFr; Ут<у<1

(III.6)

429

(III.6)

429

Заменив ускорение свободного падения g, входящее в критерий Аг [см. уравнение (1.40)], центростремительным ускорением u?2r получим уравнение кинетики растворения сферических одиночных частиц в центробежном поле

Nu = 0,3 (Рг • Аг • Fr)1/3(III.7)Nu = 0,3 (Рг • Аг • Fr)1/3(III.7)При легко достигаемых значениях Fr = 1000 можно увеличить скорость обтекания более чем в 30 раз, а коэффициент скоростиПри легко достигаемых значениях Fr = 1000 можно увеличить скорость обтекания более чем в 30 раз, а коэффициент скоростиРис. IIL4. Устойчивость частицы в центробежном поле.Рис. IIL4. Устойчивость частицы в центробежном поле.

Nu = 0,3 (Рг • Аг • Fr)1/3(III.7)

Nu = 0,3 (Рг • Аг • Fr)1/3(III.7)

При легко достигаемых значениях Fr = 1000 можно увеличить скорость обтекания более чем в 30 раз, а коэффициент скорости

При легко достигаемых значениях Fr = 1000 можно увеличить скорость обтекания более чем в 30 раз, а коэффициент скорости

Рис. IIL4. Устойчивость частицы в центробежном поле.

Рис. IIL4. Устойчивость частицы в центробежном поле.

растворения — более чем в 10 раз по сравнению с этими величи

нами при режиме гравитационного взвешивания.

Растворение при наложении скрещенных электрического в магнитного полей

Если непроводящее твердое тело поместить в неподвижную жидкость, по которой протекает постоянный электрический ток, то вокруг тела возникает движение жидкости, обусловленное неоднородностью электрического поля. Принимая во внимание, что растворение в этом случае будет ускоряться, так как возникает суммарное течение, вызванное электрическим током и естественной конвекцией, теоретическое решение задачи о кинетике растворения неэлектропроводных сферических частиц можно представить в виде [138]：

(Ш・8)(Ш・8)Nu.% z2d4 (GrPr)iH

(Ш・8)

(Ш・8)

硏产"GT-

где zn — постоянный коэффициент;卩& — магнитная проницаемость жидкости； Р-, V — динамическая и кинематическая вязкость жидкости; г — плотность тока； Gr — критерий Грасгофа ( Gr = -^-巫.Р ); ps и р — плотность насыщенного раствора и растворяющей жидкости.

130

Экспериментальная проверка этого уравнения показала, что по раВнению с естественной конвекцией процесс растворения неэлек- тропроводных частиц диаметром 1 см ускоряется на 20—30%. Так согласно (Ш.8), эффект должен существенно уменьшаться с уменьшением диаметра частиц, использование этого метода для пнтенсификации физического растворения нецелесообразно.

Весьма эффективным представляется использование постоянного тока для таких процессов химического растворения, на которые существенно влияют продукты электролиза. Примером таких процессов может быть электрохимическое растворение окисленных ми- еералов марганцевых руд [59]. При величине потенциала на графитовых электродах, находящихся в суспензии, порядка 0,8 В скорость растворения возрастает в 2,5—3 раза и увеличивается степень извлечения марганца. При добавлении в раствор двухвалентных ионов железа эти показатели возрастают на порядок, что обусловлено каталитическим действием железа.

Имеются сведения об увеличении скорости (на 6—40%) растворения солей КС1 и NaCl в воде и водных растворах [61] при наложении магнитных полей напряженностью 0,1—0,5 МА/м (300—1500 Э) или использовании жидкостей, прошедших магнитную обработку. Наши опыты по растворению тех же солей в воде при напряженности магнитного поля до 1 МА/м не дали основания сделать вывод о каком-либо влиянии магнитного поля на скорость растворения.

Существенное влияние на кинетику растворения оказывают скрещенные электрические и магнитные поля, при которых направление силовых магнитных линий перпендикулярно направлению электрического тока. В таком скрещенном поле жидкость можно «утяжелить» или «облегчить» в зависимости от направления электрического и магнитного полей 1147]:

y=Yo土(ZxE) (HI.9)

где у。一 удельный вес жидкости без наложения скрещенных полей; i — плотность тока; В — магнитная индукция.

Из выражения (IIL9) следует, что электропроводная жидкость плотностью р = 1000 кг/м3 может стать невесомой при легко дости~ н<имых значениях плотности тока i = 10 кА/м2 и магнитной индукции В = 1 Тл. Если скрещенное поле охватывает только часть сосуда с электропроводной жидкостью, то последняя начинает циркулировать, что обусловлено разностью ее удельных весов. Очевидно, скорость циркуляции тем выше, чем больше высота столба «утяжелен- но宜》или «облегченной» жидкости, т. е. чем больше отношение длины канала в скрещенном поле Zn к общей его длине Z.

Различие электрических и магнитных свойств твердых частиц н жидкости вызывает локальное искажение электрического и магнит- норо полей в окрестности твердой частицы, поэтому распределепие объемной силы на поверхности твердой частицы оказывается вихре- »Ым. Вблизи поверхности тела, форма которого близка сферической.

俨俨К；1

俨

俨

Рис. III.5. Схема циркуляционных течений жидкости вблизи поверхности твердой частицы, помещенной в скрещенное поле.Рис. III.5. Схема циркуляционных течений жидкости вблизи поверхности твердой частицы, помещенной в скрещенное поле.и; см/с твердаяи; см/с твердаяРис. IIL6. Зависимость скорости падения твердых частиц в скрещенном поле от величины и направления объемной силы [гХ5]: G —- пластмасса, р= 1420 кг/м®; 2 — эффективный диаметр d равен 3,58 мм; 纟一то же, 4,56 мм; 3 — то же, 4,76 мм; 6 — гравий, р — 2660 кг/м8; {— эффективный диаметр d равен 2,68 мм; 2 — то же, 3,53 мм； 3 — же, 4,48 мм.Рис. IIL6. Зависимость скорости падения твердых частиц в скрещенном поле от величины и направления объемной силы [гХ5]: G —- пластмасса, р= 1420 кг/м®; 2 — эффективный диаметр d равен 3,58 мм; 纟一то же, 4,56 мм; 3 — то же, 4,76 мм; 6 — гравий, р — 2660 кг/м8; {— эффективный диаметр d равен 2,68 мм; 2 — то же, 3,53 мм； 3 — же, 4,48 мм.

Рис. III.5. Схема циркуляционных течений жидкости вблизи поверхности твердой частицы, помещенной в скрещенное поле.

Рис. III.5. Схема циркуляционных течений жидкости вблизи поверхности твердой частицы, помещенной в скрещенное поле.

и; см/с твердая

и; см/с твердая

Рис. IIL6. Зависимость скорости падения твердых частиц в скрещенном поле от величины и направления объемной силы [гХ5]: G —- пластмасса, р= 1420 кг/м®; 2 — эффективный диаметр d равен 3,58 мм; 纟一то же, 4,56 мм; 3 — то же, 4,76 мм; 6 — гравий, р — 2660 кг/м8; {— эффективный диаметр d равен 2,68 мм; 2 — то же, 3,53 мм； 3 — же, 4,48 мм.

Рис. IIL6. Зависимость скорости падения твердых частиц в скрещенном поле от величины и направления объемной силы [гХ5]: G —- пластмасса, р= 1420 кг/м®; 2 — эффективный диаметр d равен 3,58 мм; 纟一то же, 4,56 мм; 3 — то же, 4,76 мм; 6 — гравий, р — 2660 кг/м8; {— эффективный диаметр d равен 2,68 мм; 2 — то же, 3,53 мм； 3 — же, 4,48 мм.

наблюдается четыре вихревых ячейки (рис. III.5) с центрами нац. боггьших окружных скоростей жидкости в экваториальном сеченвц [32]. По оси каждой из этих ячеек жидкость поступает к поверхности

тела, затем вовлекается в интенсив^ ное вращение вокруг оси ячейки и на периферии растекается в ра・ диальном направлении.

На циркуляционные течения расходуется часть электромагнитной энергии, поэтому эффект《утя- желения» или «облегчения» и, следовательно, выталкивающая сила жидкости уменьшаются. Отношение реальной выталкивающей силы к той же силе, рассчитанной по выражению (IIL9) в предположении от^ сутствия вихревых течений, получило название коэффициента электромагнитного выталкивания а [30, 31]. Для частиц, форма которых близка сферической, а = 0,55——0,65, для острогранных тел (пирамиды! конуса) а = 0,7 [32].

Влияние коэффициента а на скорость осаждения твердых непроводящих частиц пластмассы и гравия в электропроводной жидкости иллюстрирует рис. IIL6, на котором штриховыми линиями даны расчетные кривые изменения скорости осаждения при а = 1 [52]. При повышении -концентрации твердой фазы в суспензии вихревое движение затрудняется и значение а возрастает. Так, а = 0,9 при объемной концентрации твердой фазы 55% 152]. Для проводящих твердых тел величина объемной силы в 2 раза выше, чем для непроводящйх. Взаимодрв^ ствие циркуляционных течений вблизи твердых частиц приводит к неньютоновскому характеру течения суспензии. Поэтому осаждение

частиц в скрещенных полях подчиняется закону Стокса толвк, при небольших концентрациях твердых частиц или малых объем

ных силах.

一.% 一疗〃。纱 % N / Обленив .夕办加,〃e““s一.% 一疗〃。纱 % N / Обленив .夕办加,〃e““sАнализ размерности и сопоставление членов дифференциального уравнения для скорости циркуляционного течения показывает, что

一.% 一疗〃。纱 % N / Обленив .夕办加,〃e““s

一.% 一疗〃。纱 % N / Обленив .夕办加,〃e““s

единственным безразмерным параметром является [32] следующий-

4 = ±^[良X瓦]4 = ±^[良X瓦](IIL1G)(IIL1G)

4 = ±^[良X瓦]

4 = ±^[良X瓦]

(IIL1G)

(IIL1G)

где г — радиус твердой частицы; Ее, Не — напряженность электрического и магнитного иолей.

Параметр А играет роль определяющего критерия: его малым значениям соответствует вязкое течение, большим — инерци- онное.

Оценки скорости циркуляционных течений имеют вид: для вязкого течения

р，е(Уж [Ее X Яе]

少=證d2(IIL11)

для инерционного течения

/ Не°ж [ЕеНД d

丿(111.12)

При инерционном течении на поверхности крупных частиц диаметром несколько сантиметров скорости циркуляционных течений могут достигать 30—45 см/с [32].

Изложенные сведения о гидродинамике суспензий в скрещенных полях позволяют ожидать существенного ускорения процесса растворения. Экспериментальная проверка этого предположения выполнена авторами совместно с Л. Н. Гавришкевич. Для оценки влияния вихревых течений на скорость физического и химического растворения неэлектропроводных (KNO3) и электропроводных (медь) закрепленных образцов сферической формы последние растворяли в кювете (рис. III.7,а) при небольшой скорости циркуляции жидкости & : 2 = 1 : 12).

Кювета представляла собой прямоугольный сосуд 1 (200 X 200 К X 25 мм), изготовленный из органического стекла, с плоскими ме・ Фаллическими электродами 2. Объем жидкости, заключенной между электродами, находился в магнитном поле электромагнита 3. При подаче выпрямленного тока на электроды жидкость между электродами перемещалась вверх или вниз, вызывая циркуляцию в кювете. Для охлаждения порций жидкости, нагреваемых электрическим током, длину контуров циркуляции увеличили перегородками 4・ Температуру жидкости в скрещенных полях контролировали по ртутному термометру 5. Исследуемый образец 6 помещали в жидкость на держателе 7. В такой кювете о беспечив ал ос ь интенсивное вихр^ вое движение жидкости на поверхности образцов при небольшой скорости обтекания их циркуляционным потоком.

Для создания условий использования максимальной скорости циркуляции жидкости (Zn : Z = 1 ; 1,2) применяли цилиндрическую кювету (рис. IIL7, 6). Кювета представляла собой горизонтальны” цилиндрический сосуд 1 из нержавеющей стали с рубашкой 口”夕 134

a

6

Рас. IIL7. Кювета:

а — опыты с небольшой скоростью циркуляции жидкости: 1 — сосуд; 2 — олектроды; 3 — ®°люс електромагшгга; 4 — перегородка; 5 — термометр; 6 — исследуемый оираззц; 7 — предатель о血a8noв; б — с большой скоростью циркуляции жидкости： 1 — цилиндрические 2°суд； £ — рубашка; 8 — електрод; 4 — стенка; 5 — шпилт>ка; 6 — термометр; 7 — иссле- куйщй образец; в — держатель; 9 — полюс електромагнита.

охлаждения 2 и графитовым электродом 3. Вторым электродом с л у. жил металлический корпус сосуда. Съемные стенки кюветы являлись торцевыми крышками сосуда 1. Они были выполнены из листов органического стекла 4 и стянуты латунными шпильками 5. -Рабочий

объем кюветы с термометром 6 и исследуемым образцом 7, закре.

口・8］，m7#/戸口・8］，m7#/戸Рис. IIL8. Зависимость К от величины объемной силы при растворении в скрещенном поле:Рис. IIL8. Зависимость К от величины объемной силы при растворении в скрещенном поле:1 и 2 — сферические образцы KN03 в 10 %-ном (масс.) растворе KNO# в прямоугольной кювете при «облегчении» и «утяжелении» раствора; 3 — та же система в круглой кювете при «утяжелении» раствора; 4 — сферические образцы из меци в 22,5 ?0-ном растворе Fed* в круглой кювете при «утяжелении» раствора.1 и 2 — сферические образцы KN03 в 10 %-ном (масс.) растворе KNO# в прямоугольной кювете при «облегчении» и «утяжелении» раствора; 3 — та же система в круглой кювете при «утяжелении» раствора; 4 — сферические образцы из меци в 22,5 ?0-ном растворе Fed* в круглой кювете при «утяжелении» раствора.пленном на медном держателе 8, находился между полюсами электромагнита 9.

口・8］，m7#/戸

口・8］，m7#/戸

Рис. IIL8. Зависимость К от величины объемной силы при растворении в скрещенном поле:

Рис. IIL8. Зависимость К от величины объемной силы при растворении в скрещенном поле:

1 и 2 — сферические образцы KN03 в 10 %-ном (масс.) растворе KNO# в прямоугольной кювете при «облегчении» и «утяжелении» раствора; 3 — та же система в круглой кювете при «утяжелении» раствора; 4 — сферические образцы из меци в 22,5 ?0-ном растворе Fed* в круглой кювете при «утяжелении» раствора.

1 и 2 — сферические образцы KN03 в 10 %-ном (масс.) растворе KNO# в прямоугольной кювете при «облегчении» и «утяжелении» раствора; 3 — та же система в круглой кювете при «утяжелении» раствора; 4 — сферические образцы из меци в 22,5 ?0-ном растворе Fed* в круглой кювете при «утяжелении» раствора.

Эффект воздействия скрещенных полей оценивали по изменению коэффициента скорости растворения в

скрещенном поле в зависимости от величины и направления объемной

- -[i^B]- -[i^B]силысилы• Анализ эксперименталь• Анализ экспериментальных результатов (рис. III.8) приво

- -

[i^B]

- -

[i^B]

силы

силы

• Анализ эксперименталь

• Анализ эксперименталь

дит к следующим выводам:

при низких скоростях обтекания образцов циркуляционным потоком (Re = 20 — 40 для кривых 2 и 2) скорость растворения [возрастает в 4 раза по сравнению со скоростью при естественной конвекции. Как известно, в условиях обычной вынужденной конвекции величины коэффициентов скорости растворения при Re = 20 — 40 не отличаются от соответств ующих значений для естественной конвекции [19]. Из рис. III.8 (кривые 2, 2) следует, что вихревые течения на поверхности образцов оказывают существенное влияние на кинетику диффузионного растворения. В условиях «утяжеления» эффект воздействия выше (кривая 2), чем в условиях «облегчения» (кривая 7), так

как в условиях «утяжеления» направление движения жидкости совпадает с направлением естественной конвекции, а в условиях «облегчения» —— противоположно ей;

при оптимальных условиях для осуществления циркуляционного течения (высокое значение 2口 ： Z, малое гидравлическое сопротивление канала) скорость физического (кривая 3) и химин* ского (кривая 4) растворения электропроводных и неэлектропровоД- ных твердых тел увеличивается в 7——10 раз. Следовательно, скр^ щенное поле позволяет создавать достаточно интенсивные потоки электропроводной жидкости без применения каких-либо движущий рабочих органов. Это обстоятельство свидетельствует о перспектпн-

goCTii использования метода скрещенных полей для интенсификации процессов растворения в тех случаях, когда применение перемеши- вающпх устройств с движущимися элементами затруднительно или невозможно: в автоклавных процессах химической и металлургической промышленности, при травлении сложных профилей в машиностроении, радиоэлектронике и т. д.

Интенсификация наложением нестационарных силовых полей

К нестационарным относятся поля, напряженность которых меняется во времени. К ним принадлежат поля акустических колебаний, возбуждаемых в жидкости или суспензии при передаче им колебательного движения твердыми, жидкими или газообразньши телами. В зависимости от характера изменения частоты и амплитуды во времени акустические колебания можно разделить на две группы: гармонические и импульсные.

Гармонические колебания, частота которых постоянна, а амплитуда изменяется по определенному закону, в свою очередь делятся на низко- и высокочастотные (звуковые и ультразвуковые). Низкочастотные колебания (пульсации) жидкости или суспензии возникают при сообщении колебаний аппарату или его внутренним устройствам. К высокочастотным относятся колебания, частота которых составляет сотни герц и выше. Амплитуда низкочастотных колебаний обычно не превышает нескольких сантиметров, а высокочастотных — несколько десятков микрометров. Таким образом, низкочастотные колебания являются пульсациями крупного масштаба, а высокочастотные ——малого. В связи с этим первые целесообразно использовать для интенсификации растворения крупных частиц, а вторые — мелких. Высокочастотные колебания могут ускорять и растворение крупных частиц, однако в связи с большой диссипацией энергии более выгодно для этих целей использовать низкочастотные колебания.

К импульсным относятся колебания широкого спектра частот, амплитуды которых быстро затухают. Они возбуждаются в жидкости при очень высоких (взрывных) скоростях преобразования одного вида энергии (механической, тепловой, электрической или электромагнитной) в другой или перехода ее от одного тела к другому. В зависимости от скорости преобразования или перехода энергии разл0- QaioT мягкий, средний и жесткий режимы. При мягком режиме по- т^нциальная энергия преобразуется в кинетическую без образования Ударной волны ——некоторой движущейся в жидкости поверхности, характеризуемо宜 резким увеличением давления и плотности.

При среднем режиме часть потенциальной энергии (до 15%) Преобразуется в энергию ударной волны. Жесткий режим харак- Теризуется существенной долей энергии (20——50%), расходуемой на образование ударной волны. При этом режиме происходит интен- 5вное измельчение твердых частиц в жидкости. Как при гармони- :еских, так и мягких импульсных колебаниях основную роль в пере- ℃е массы от поверхности твердых частиц в жидкость играет КоР℃ть обтекания их потоком жидкости.

Г. ШлихтингГ. ШлихтингРастворение при наложении поля гармонических колебаний

Г. Шлихтинг

Г. Шлихтинг

колеблю-колеблю-[214] обнаружил, что вокруг цилиндра,

колеблю-

колеблю-

щегося в среде с круговой частотой со и амплитудой смещения А, которая меньше диаметра частицы цилиндрической формы d, воз

Рис. III.9. Схема вихревых течений вокруг сферы в поле гармонических колебаний жидкости.Рис. III.9. Схема вихревых течений вокруг сферы в поле гармонических колебаний жидкости.никают ламинарные вихревые течения (рис. Ш.9), толщина динамиченникают ламинарные вихревые течения (рис. Ш.9), толщина динамиченского пограничного слоя которых составляет 6Д = (2v/со)°>5. Для случая Aid > 1 характер течения более сложен, что объясняется поочередского пограничного слоя которых составляет 6Д = (2v/со)°>5. Для случая Aid > 1 характер течения более сложен, что объясняется поочередным отрывом пограничного слоя.ным отрывом пограничного слоя.При //d》1 поле скоростейПри //d》1 поле скоростейдый моментдый моментвременивремениввкажкажподчиняетсяподчиняетсязакономерностям стадионарногозакономерностям стадионарноготекания.Если Aid <^ 1, то твердая чатекания.Если Aid <^ 1, то твердая частица практически не жидкостью, а кинетикастица практически не жидкостью, а кинетикаувлекаетсяувлекаетсядиффузиондиффузионного растворения при наложении колебаний на неподвижную жид-ного растворения при наложении колебаний на неподвижную жид-уравнениями, полученными аналитически [139]:для сферыуравнениями, полученными аналитически [139]:для сферыкость описывается критериальными В. Е. Накоряковым и А. П. Бурдуковымкость описывается критериальными В. Е. Накоряковым и А. П. Бурдуковым^=2+0.416^=2+0.4161/31/3(Ш.1)(Ш.1)

Рис. III.9. Схема вихревых течений вокруг сферы в поле гармонических колебаний жидкости.

Рис. III.9. Схема вихревых течений вокруг сферы в поле гармонических колебаний жидкости.

никают ламинарные вихревые течения (рис. Ш.9), толщина динамичен

никают ламинарные вихревые течения (рис. Ш.9), толщина динамичен

ского пограничного слоя которых составляет 6Д = (2v/со)°>5. Для случая Aid > 1 характер течения более сложен, что объясняется поочеред

ского пограничного слоя которых составляет 6Д = (2v/со)°>5. Для случая Aid > 1 характер течения более сложен, что объясняется поочеред

ным отрывом пограничного слоя.

ным отрывом пограничного слоя.

При //d》1 поле скоростей

При //d》1 поле скоростей

дый момент

дый момент

времени

времени

в

в

каж

каж

подчиняется

подчиняется

закономерностям стадионарного

закономерностям стадионарного

текания.

Если Aid <^ 1, то твердая ча

текания.

Если Aid <^ 1, то твердая ча

стица практически не жидкостью, а кинетика

стица практически не жидкостью, а кинетика

увлекается

увлекается

диффузион

диффузион

ного растворения при наложении колебаний на неподвижную жид-

ного растворения при наложении колебаний на неподвижную жид-

уравнениями, полученными аналитически [139]:

для сферы

уравнениями, полученными аналитически [139]:

для сферы

кость описывается критериальными В. Е. Накоряковым и А. П. Бурдуковым

кость описывается критериальными В. Е. Накоряковым и А. П. Бурдуковым

^=2+0.416

^=2+0.416

1/3

1/3

(Ш.1)

(Ш.1)

для цилиндра

等=0,35+0,62等=0,35+0,62'布'布Р I’CDVР I’CDV(III.14)(III.14)

等=0,35+0,62

等=0,35+0,62

'布

'布

Р I’CDV

Р I’CDV

(III.14)

(III.14)

Kd丁 = 2 + 0,26Kd丁 = 2 + 0,26呢J‘2 v呢J‘2 v券= 0,35+0,48券= 0,35+0,48

Kd

丁 = 2 + 0,26

Kd

丁 = 2 + 0,26

呢

J‘2 v

呢

J‘2 v

券= 0,35+0,48

券= 0,35+0,48

где г —— радиус частицы; Вл = 4лЛсо — амплитуда колебательной скорости; 刀:一коэффициент диффузии.

При 4/d》1 эти зависимости имеют вид:

для сферы

0，в Рг1/3(III.15)

для цилиндра

0,62…

Рг0,з(ЦЕ 1b)

Если гармонические колебания накладываются на поток жидко* сти, обтекающей твердую частицу со скоростью w, то кинетика растворепиялхорошо описывается критериальной зависимостью, уста- 138

сферическихгдеГиберт исферическихгдеГиберт иповленной И. Н. Фиклистовым 1199] по результатам растворения частиц гипса в воде:

сферических

где

Гиберт и

сферических

где

Гиберт и

Nu = 7.4Re2,8(pO,22

(Ш.17> (о42w

ReM=F~；屮=封

Pr = 600; 0,2 < Л <0,4 см;(о = 3—36 Гц;

w = 4 — 5,6 см/с; ReM〉100;屮 < 4

Ангелино [230] для этих условий предложили следующее уравнение, учитывающее влияние отношения d/A:

Nu=0,477Re0.638pri/3 卩十i,05旧一0,06)卩，触(ШЛ8)

где

Reo / d 、0,45.44sd

丿 ；Re(o = ~v~

При сообщении колонне co взвешенным слоем твердых частиц сферической формы горизонтальных колебаний частотой со = 5— 35 Гц и амплитудой А = 0,1—0,4 см относительное увеличение скорости растворения Nu/Nu0 (рис. ШЛО) описывается зависимостью, установленной в результате обработки экспериментальных данных по растворению гипса И. Н. Фиклистовым [198]:

NuсоЛ.、

^=0,81 + 1,3—(П1-19}

где Nu и Nu® — значения критерия Нуссельта с наложением колебании и беа них.

Как видно из рис. IIL10, влияние колебаний на массообмен об* наруткивается при ^A!w& >0,15.

朋

川

as

0(2,40,6 亥 弘 /*

3“/

Рис. IIL10. Кинетика растворения псевдоожиженного слоя сферических частиц гипса при горизонтальных колебаниях вертикальной колонны.

;N=N

Когда растворение происходит в аппарате цилиндр ичес к @ормы, снабженном вибрационным устройством в виде круглой пл стины, закрепленной на штанге и совершающей колебания по оси сосуда, кинетика растворения крупных цилиндрических частиц

d > 0.5 см описывается уравнением, полученным П. П. Лооодов и В. Н. Стабниковым [117, 118]:

(К^^。) ■= 4,4• ]0_2*РМв при ^=0(Шз)

На рпс. IIL12 приведена зависимость коэффициента скорости растворения цилиндров из Al2(SO4)s в воде от скорости стационар- бого (кривая 1) и пульсирующего (кривая 2) потоков, свидетельствующая о более высокой эффективности пульсирующих потоков. Естественно, что для создания таких потоков требуется затрачивать энергию. Поэтому для окончательного вывода об эффективности того или иного способа интенсифпкации скорость процесса необходимо сравнивать с расходом энергии. По данным А. П. Лободы [118],

в пульсирующем потоке достигаются более высокие значения К при меньшем расходе энергии, если р > 0,6.

Расход мощности на растворение можно вычислить по выражению [118]:

K — Kq =

(111.22)

где Fp. о ——площадь рабочего органа (пластины); N — мощность, расходуемая на растворение； В。一 угловой коэффициент линейной зависимости К — Kq от средней за период скорости пульсирующих потоков при L/dc = 0, определяемой из выражения (Ш.21).

где К и Kq — коэффициенты скорости растворения при наложении колебаний и без них; ReB = wLd/v]笫工一средняя скорость пульсирующего потока на расстоянии Е от колеблющейся пластины; w — скорость стационарного потока жидкости до наложения колебаний.

Рис. III.12. Зависимость коэффициента скорости растворения цилиндров из A12(SO4)3 в воде от скорости потока jd = 6—14 мм; h = 11— 22 мм):

2 — в стационарном потоке; £ — в пульсирующем потоке*

Зависимость §。от отношения 工/厶, относящаяся к растворению сернокислого алюминия в воде, приведена ва рис. IIL13.

Величина 必工 уменьшается с увеличением Ыdc (рис. IIL11) и 適 жет быть вычислена по выражению [117]:

WL = Wq

1

(III.-1

где wo = wcp/2 = 2Лрсо/е — средняя за период скорость пульсации пото^ при £ = 0; со — частота колебаний рабочего органа; р = (dp.o/dc)2— °^ош _ площади вибрирующей пластины к площади сечения сосуда; е = I живое сечение?аппарата в месте установки рабочего органа; 4 — ^1^ n^r колебаний; т = 2 + 0,5 «Ю6 р.2 при 卩 < 1,52*10-3 кг/(м*с)；卩 一 вяЗК^| жидкости; для воды m = 2,38.

Уравнение (III.20) справедливо при ReB = 0—4000; Рг ==吗30 000; 4 = 1 — 6,5 мм; з = 4 — 34 Гц; р = 0,25 — 0,85; К

= (0—2,5) &・

Рис. II 1.13. Зависимость углового коэффициента % от отношения L/dc

В ряде случаев, когда необходимо растворить твердую фазу (на- иример, апатитовый концентрат, металлы, карбонаты, примеси железа из оловянных руд и т. д.) в агрессивных кислых растворах, более Надежным и простым в эксплуатации оказывается способ растворе-

Нин в условиях трехфазной системы: твердое вещество ——жидкость—— газ (при пневматическом перемешивании или в потоке газоткидкост- в°й смеси). При этом существенное влияние на кинетику массоот- 口aqu оказывают факторы турбулизации жидкости и изоляции поверх- ：ости твердых частиц газом. При небольших удельных расходах газа 8。0,4 м3 на 1 м3 жидкости) ускорение процесса массоотдачи, обус- л°влендое трубулизацией жидкости, превалирует над замедлением, вызванным изоляцией поверхности твердых частиц газом. В этих Условиях скорость растворения увеличивается в 1,5—3 раза по срав- йению со скоростью в условиях взвешенного состояния [20].

V Работы по исследованию кинетики растворения в условиях трех- 宜 системы находятся в начальной стадии. Г. А. Аксельруд с со- с渺никами [20] исследовали кинетику растворения закрепленных "ерпиескнх образцов гипса “ бензойной кислоты d = 1—2 см

в воде при обтекании их газожидкостным потоком. Обработка опытных данных в соответствии с критериальным уравнением, полученным методом анализа размерностей, привела к следующему резуль

тату:тату:Nu = 7.66Re 泞 5Pr°J9Fr： «°5Nu = 7.66Re 泞 5Pr°J9Fr： «°5(111.23}(111.23}

тату:

тату:

Nu = 7.66Re 泞 5Pr°J9Fr： «°5

Nu = 7.66Re 泞 5Pr°J9Fr： «°5

(111.23}

(111.23}

где 3680 < ReT< 41 200; 600 < Рг < 1400; 2,6-IO*3 < FrT < 2; ReT— кри. / ApQdc、’/3 d

терий Рейнольдса для трехфазной системы; ReT =(———丿 —;Лр — потеря

напора в слое жидкости; Q ——расход газа; dc — диаметр аппарата; М — масса жидкости в аппарате; FrT = Q21g心 ——критерий Фруда для трехфазной системы； wn 〜(ApQdc/M)%— пульсационная скорость, создаваемая в жидкости потоком

газа.

Использование газожидкостного потока при растворении твердых тел, сопровождаемом выделением газа, оказывается более эффективным, чем механическое перемешивание, в области низких концентраций реагента в жидкости (см. разд. 1.4). Основным недостатком метода интенсификации растворения с использованием пневматиче- ского перемешивания является захват воздухом мелких капель жидкости с образованием аэрозолей [86]. Если жидкость агрессивна или токсична, то приходится строить дорогостоящие установки для очистки выбрасываемого воздуха. В таких случаях для растворения мелкодисперсных материалов (d < 1 мм) целесообразно исполь- вовать пульсацию суспензии в аппарате, вызываемую периодическим соединением аппарата с магистралью повышенного и пониженного давления воздуха (см. рис. IV.32).

Полупромышленные испытания пульсационных реакторов-сгустителей для растворения молибденовой и вольфрамовой кислот в водных растворах аммиака показали их высокую эффективность. Так, при интенсивности пульсаций (характеризуемой произведением частоты колебаний на двойную амплитуду) порядка 1,8 м/с время растворения твердых частиц упомянутых кислот крупностью 0,02—0,1 мм сокращалось на порядок по сравнению со временем растворения в аппаратах с механическими мешалками [159].

К наиболее простым и надежным методам создания пульсаций скорости обтекания относится метод, основанный на использовании потоков с периодически меняющейся скоростью. Для этого суспензию прокачивают через трубу, площадь сечения которой по ходу потока периодически меняется, что достигается сплющиванием трубы или вставками большего диаметра. Отставая от жидкости в узких сечениях и опережая ее в широких, твердые частицы периоДИ' чески изменяют скорость скольжения в потоке. В опытах по рас~ творению одиночных частиц азотнокислого калия в воде достигалось трехкратное увеличение скорости растворения по сравнени10 с опытами при использовании трубы одинакового сечения и скоросТ0 потока w = 1,5 м/с [19]. Результаты опытов хорошо аппроксим0* руются зависимостью:

占* = 3(—(II 网

где К и Ло — коэффициенты скорости растворения при движении по трубе переменного и постоянного сечении; % — скорость псевдоожижения твердых частиц в жидкости. -

Недостатком метода является возможность закупорки узких сечений трубопровода посторонними предметами или крупными твердыми частицами.

К ультразвуковым относят колебания, частота которых превышает порог слышимых звуков (16 кГц). Существенной физической разницы между ультразвуком и слышимым звуком нет. Однако с повышением частоты и интенсивности изменяется ряд свойств упругих колебаний, поэтому изменяется и их воздействие на окружающую среду. При колебаниях средней и высокой интенсивности (десятки — сотии киловатт на квадратный метр) возникают эффекты второго порядка, важнейшими из которых являются звуковое давление, кавитация и звуковой ветер.

При распространении колебаний в жидкости происходит чередование сжатия и разрежения с частотой, отвечающей частоте колебаний. Среднеквадратичная величина такого знакопеременного давления называется звуковым давлением. Достаточно мощный излучатель вызывает не только колебания среды, но и сильное ее течение, называемое звуковым ветром.

Со звуковым давлением тесно связан эффект ультразвуковой кавитации. Суть его состоит в том, что в фазе разрежения образуется большое количество разрывов сплошности в виде мельчайших пузырь- ков. Последние появляются в местах пониженной прочности жидкости: около частиц посторонних примесей, газовых пузырьков и т. п. Совершив несколько затухающих пульсаций, пузырьки исчезают, вызывая импульсное повышение давления и температуры. Специальное исследование этого процесса ⑵ в воде при Т = 293 К, частоте колебаний 20 кГц и амплитуде звукового давления 980665 Па показало, что максимальная скорость расширения парогазовой полости кавитационного пузырька составляет 23 м/с, а в стадии исчезновения 250 м/с. При этом парогазовая смесь сжимается до давления 300 МПа (3000 ат) и нагревается до Т = 6000 К за время 40 мкс.

Экспериментально установлено [1941, что ультразвуковая кави- та口из возникает лишь при достижении некоторого давления, называемого порогом кавитации. Для лишенной газа дистиллированной во^ы порог кавитации составляет около 28 МПа, а для загрязненных Жидкостей — во много раз меньше. Это связано с присутствием R них кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твер- 4ых тел; частиц с трещинаьш, заполненными газом; микроскопиче- ских газовых пузырьков; ионных образований и т. д.

Чем больше радиус кавитационного пузырька, тем выше давле- 史е на фронте ударной волны, образовавшейся при его исчезновении. ^Цнако с ростом радиуса растет и время существования кавитацион- н吗)пузырька. Если это время превышает полупериод колеба- н碱，то процессу схлопывания пузырька препятствует разрежение » окружающей его жидкости, сменяющее фазу давления. Поэтому

давления Дости гаетдавления Дости гаетинтенсивность кавитации снижается. При повышении над жидкостью интенсивность кавитации возрастает и максимума при р = 0,4—0,6 МПа.

давления Дости гает

давления Дости гает

Вынужденные колебания жидкости приводят к изменению характера движения ее молекул. Так как всякая жидкость представляет собой среду с квазикристаллическимп неоднородностями различных

Рис. III.14. Зависимость степени ускорения процесса диффузии через пористую керамику (Qa u Q — количество вещества, перенесенного соответственно при акустическом воздействии и без него)：Рис. III.14. Зависимость степени ускорения процесса диффузии через пористую керамику (Qa u Q — количество вещества, перенесенного соответственно при акустическом воздействии и без него)：

Рис. III.14. Зависимость степени ускорения процесса диффузии через пористую керамику (Qa u Q — количество вещества, перенесенного соответственно при акустическом воздействии и без него)：

Рис. III.14. Зависимость степени ускорения процесса диффузии через пористую керамику (Qa u Q — количество вещества, перенесенного соответственно при акустическом воздействии и без него)：

а — от времени f при узкополосном воздействии： 1 — частота 600 Гц; 2 — частота 20 кГц; з — широкополосное воздействие той же интенсивности; 4 — удвоенная интенсивность;

6 — от колебательного числа Рейнольдса при диффузии через колеблющийся одиночный капилляр: 1—при отношении амплитуды колебаний к диаметру капилляра Aid = 0.5： f — Z/d = 1,1; 3 — А/d = 1,5.

размеров [82], то возбуждение в ней колебаний приводит к разрушению этих неоднородностей и увеличению коэффициента диффузии:

4=4" ("so+ ＜翻)ехр ( ^)(III.25)

где 0K — коэффициент диффузии при наложении колебаний; Л и соо ——амплитуда и частота тепловых колебаний молекул; 4в и со — амплитуда и частота вынужденных колебании жидкости; ДЕ — приращение потенциальной энергии взаимодействия молекул при изменении их концентрации от Cs до С; К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Так как амплитуда вынуя^денных колебаний максимальна при резонансной частоте, то, согласно выражению (IIL25), наибольшее увеличение коэффициента и степени ивтенсификации процесса растворения достигается при некоторых оптимальных значениях Лв и со. Это экспериментально подтверждено Г. А/ Кардашевым и П. Е. Михайловым [82] при исследовании диффузии через пористую керамику (рис. IIL14).

Из рис. III.14 следует также, что эффект воздействия импульсных широкополюсных колебаний в несколько раз выше эффекта гармонических колебаний той же интенсивности. Это связано с те\【，

qro импульсные колебания обеспечивают резонансные условия для растворения частиц различных геометрических размеров. Такой эффект особенно ценен при растворении полидисперсной твердой фазы в жидкости.

По-видимому, при наложении поля колебаний уменьшается также динамическая вязкость жидкостей, особенно полярных —— ТИпа воды. Об этом свидетельствуют изменения условий течения о перемешивания вязких неньютоновских жидкостей [82]. Однако количественные оценки воздействия колебаний на изменение вязкости отсутствуют. -

Знакопеременные нагрузки, вызываемые в основном кавитационными процессами, приводят к существенному диспергированию твер- дых частиц вследствие усталостного разрушения наиболее слабых межкристаллитных связей. Наиболее вероятно такое разрушение на границе раздела фаз с различным акустическим сопротивлением. Для обеспечения больших градиентов напряжений длина волны должна быть меньше или соизмерима с размерами твердых частиц [82]. 。

Кинетика растворения при наложении ультразвуковых полей в до- кавитационном режиме описывается зависимостями (111.13) и (III.14). Кавитация сопровождается диспергированием твердой фазы, поэтому кинетика растворения осложняется. Пока еще не представляется возможным рекомендовать какие-либо зависимости, описывающие кинетику растворения под воздействием интенсивных ультразвуковых колебаний, сопровождающихся кавитацией. Однако имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о существенной интенсификации процессов растворения в ультразвуковом поле.

И. А. Якубовичем и др. [194] изучалось влияние ультразвука на растворение металлической меди в аммиачных растворах. Для работы был применен ультразвуковой генератор УЗГ-10М и магнитострикционный преобразователь ПМС-6. Опыты проводили в стакане с механической мешалкой, объем раствора в каждом опыте равнялся 1 л. Ультразвук подводили через дно стакана. Опыты проводили с растворами NH4OH, (NH4)2CO3 и их смесями. Воздух для окисления меди подавали в раствор через кольцеобразную трубку с отверстиями по всему ее периметру. Температуру раствора выдерживали в пределах 290—293 К. Для наблюдения за ходом растворения через определенные промежутки времени отбирали для анализа пробу раствора (1 мл).

Результаты экспериментов представлены на рис. III.15. Из Рис. Ш.15 видно, что при воздействии ультразвука (частотой 20 кГц й интенсивностью 2 Вт/см2) скорость растворения металлической Ме^о в в одноаммиачных растворах увеличивается в 3—4 раза. Мак- сймальная степень растворения без ультразвукового воздействия была достигнута за 3 ч при использовании в качестве растворителя 6%-ного (NHJOH и 10%-ного (NH4)2CO3. В этих же условиях на- ло>кение ультразвукового поля позволило достичь той же степени Растворения за 60 минут (рис. III.<5, в).

Перегибы на кривых растворения (см. рис. III.15, а) объясняются тем, что при недостатке аммиака в растворе и достаточно инте^ раствор обедняется аммиаком н гидролитическое разложение мед：

сивном барботировании воздуха как следствие этого, происходит ной соли.сивном барботировании воздуха как следствие этого, происходит ной соли.О £「120 ЛУО$ мин бО £「120 ЛУО$ мин бРезультаты проведенной работыРезультаты проведенной работы* CDdogEQnd HnhDdEHahHOX* CDdogEQnd HnhDdEHahHOXРис. IIL15. Кинетика растворения меди в растворе NH40H концентрацией 12% (а), 20% (6) и в 6%-ном растворе NH40H и 10%-ном растворе (NH.)2cО* (в):

сивном барботировании воздуха как следствие этого, происходит ной соли.

сивном барботировании воздуха как следствие этого, происходит ной соли.

О £「120 ЛУО

$ мин б

О £「120 ЛУО

$ мин б

Результаты проведенной работы

Результаты проведенной работы

* CDdogEQnd HnhDdEHahHOX

* CDdogEQnd HnhDdEHahHOX

】一при механическом перемешивании; 2 ——с использованием ультразвукового поля.

позволили установить, что, ис

пользуя ультразвук, можно ускорить растворение металлической меди в водноаммиачных растворах, причем ускоряется не только процесс образования медноаммиачного комплекса (CuNHs)；*, но 0 восстановление этого иона металлической медью до [Cu(NH3)21+'

Существенно ускоряется также процесс аммиачного растворений молибденовой кислоты. Так, при обработке в роторно-пульсацион* но? аппарате процесс заканчивается через 30 мин при 353 К,彳2%' ной концентрации аммиака и Т : Ж = 1 : 5. При растворении в ап- 146

□аратах с мешалками такие результаты достигаются через 4 ч [194].

Характерные для ряда гидрометаллургических процессов производства цветных и редких металлов гетерогенные реакции типа твердое тело — жидкость, протекающие с образованием новой твердой фазы, сильно замедляются вследствие тормозящего действия пленок вновь образовавшихся соединений, покрывающих частицы исходного твердого вещества. Так, в процессе разложения шеелита соляной кислотой на поверхности частиц этого минерала образуется плотная сплошная пленка вольфрамовой кислоты. Эта пленка сохраняется даже при интенсивном перемешивании суспензии. Подобные процессы можно значительно интенсифицировать, если совместить действие химических реагентов с механическим истиранием или измельчением, например в шаровых или вибрационных мельницах. Однако из-за сложности аппаратурного решения это не всегда может быть экономически приемлемо.

Значительная группа рудных материалов, подобных шеелиту, поступает на растворение с чистой реакционно способной поверхностью, в то время как другие объекты растворения уже несут на себе защитные (например, окисные) пленки, затрудняющие доступ реагента и тормозящие процесс.

Такие процессы могут быть интенсифицированы в ультразвуковом поле. В Московском институте стали и сплавов изучалось [194] влияние акустических колебаний на протекание процесса автоклавно-содового растворения шеелита

CaWO4 + Na2CO3 ^： CaCO3+Na2WO4

Скорость реакции на этой стадии замедляется, поскольку имеется защитная пленка. Для дальнейшего растворения необходимо повышение температуры и избыток соды в автоклаве.

Влияние акустических колебаний на процесс автоклавно-содового растворения шеелита изучали на экспериментальной акустической установке, состоящей из автоклава емкостью 210 л и гидродинамической роторно-пульсационной сирены, через которую Циркулировала суспензия.

Для полноты растворения шеелитовых концентратов необходимо Поддержание высокой температуры (473——498 К) в автоклаве и дарения 1,8—2,5 МПа (18—25 ат).

Приведенное на рис. IIL16 семейство кинетических кривыхг характеризующих степень извлечения при различных значениях избыточного давления в автоклаве, свидетельствует об усложнении характера кривых с появлением экстремальных точек.

Важная особенность процесса при акустической обработке — Наличие оптимального давления, при котором достигается максимальное извлечение металла в раствор при прочих равных усло- 胆х； Так, можно отметить, что при избытке соды, равном 300%, 1 ： Ж = 1 ： 5, у1 = 443 К и акустической обработке в течение 90 мин Оптимальное избыточное давление составляет 0,7 МПа. При этом Извлечение вольфрамового ангидрида достигает 82,6%.

При растворении шеелита минимально необходимое количество соды составляет 300% от теоретически необходимого. Вследствие этого около половины соды в реакции не используется, а на нейтрализацию оставшейся свободной соды в последующих операциях приходится дополнительно расходовать значительное количество кислоты. Поэтому вопрос об уменьшении первоначального избытка соды является весьма актуальным.

Приведенные опытные данные о влиянии акустических колебаний на процесс растворения шеелита позволяют говорить о значи-

Рис. III.16. Кинетика растворения шеелита при Т : Ж = 1 : 4 (сплошные линии — при акустической обработке, штриховые ——без нее):

а — при давлении 0,5 МПа (1 и Г) и 2а0 МПа (2 и 2*); б 一 при давлении 0,5 МПа и «содовом еквпваленте»>, равном 3.

тельном эффекте их воздействия. При акустической обработке процесс довольно хорошо протекает и при 150 %-ном избытке соды против стехиометрически необходимого количества, а при увеличении содержания соды можно снизить температуру в автоклаве.

При воздействии акустических колебаний на кинетической кривой имеется четко выраженный максимум. Это свидетельствует о существовании оптимального времени растворения, когда достигается максимальный перевод вольфрама в раствор. На величину и положение максимума кривой в основном оказывают влияние количество соды в растворе и температура суспензии.

Процесс растворения шеелита исследовали также при воздействии ультразвука и повышенного статического давления. '

Минералогический анализ проб после ультразвуковой обработки показывает, что на зернах шеелита практически отсутствует карбо* натная пленка; кроме того, сами частицы минерала имеют мень- шие размеры. Подтверждается наличие большого количества хлопьевидных двойных карбонатных соединений. По-видимому, в могцн°£ ультразвуковом поле интенсифицируется протекание и нежелательных побочных реакций взаимодействия соды с пустой породой»

а также с мелкодисперсными частицами карбоната кальция, которые откалываются от поверхности зерен шеелита под действием интенсивной кавитации в объеме суспензии.

Был исследован и процесс ультразвуковой аммонизации апатита (разложение апатита 50%-ным раствором азотной кислоты). Измельченный апатит загружали в автоклав, в котором магнитострикционным преобразователем создавали ультразвуковые колебания ин

тенсивностью 1,5—2 Вт/см2. В промышленных условиях процесс аммонизации апатита продолжается 3,5—4 ч, при этом степень извлечения фосфора в раствор достигает 98—99%. При возбуждении в автоклаве ультразвуковых колебаний процесс аммонизации апатита азотной кислотой проходит за 10 мин, при этом степень извлечения фосфора в раствор составляет ту же величину.

Используя селективно действующие реагенты, провели растворение в ультразвуковом поле некоторых минералов, содержащих свинец и медь 1194]. Ультразвуковые колебания создавали в трансформаторном масле пьезокварцевым преобразователем, работающим на частоте 550 кГц. Навеску исследуемого минерала и селективно действующую растворяющую жидкость загружали в коническую колбу и подвергали интенсивной ультразвуковой обработке. Полученные результаты показали, что под влиянием ультразвука скорость реакции в большинстве случаев повышается в 10—30 раз. Однако в некоторых случаях ультразвук никакого ускоряющего действия не оказывал;

Рис. IIL17. Кинетика нейтрализации раствора серной кислоты известняком крупностью 1,0—0,5 мм:7 — в отсутствие ультразвука； 2 — под воздействием ультраг эвука.Рис. IIL17. Кинетика нейтрализации раствора серной кислоты известняком крупностью 1,0—0,5 мм:7 — в отсутствие ультразвука； 2 — под воздействием ультраг эвука.например, скорость реак- смеси 2 %-ного растворанапример, скорость реак- смеси 2 %-ного растворации растворения металлической меди в

Рис. IIL17. Кинетика нейтрализации раствора серной кислоты известняком крупностью 1,0—0,5 мм:

7 — в отсутствие ультразвука； 2 — под воздействием ультраг эвука.

Рис. IIL17. Кинетика нейтрализации раствора серной кислоты известняком крупностью 1,0—0,5 мм:

7 — в отсутствие ультразвука； 2 — под воздействием ультраг эвука.

например, скорость реак- смеси 2 %-ного раствора

например, скорость реак- смеси 2 %-ного раствора

Pe2(SO4)3 и 5%-ного раствора Н28О4не зависела от воздействия ультразвука. Вопросами ультразвукового растворения примесей из минерального сырья занимались В. И. Ревнивцев и Ю. Г. Дмитриев [194]

как в лабораторных условиях, так и на полупромышленных установках. Использование ультра звуковых колебаний позволяет сократить продолжительность обработки исходного сырья до 10— 15 мин вместо нескольких часов по существующей технологии, сделать процесс непрерывным и проводить его без дополнительного подогрева раствора. Кроме того, степень очистки обрабатываемого продукта этим методом от вредных примесей — более высокая, чем и。существующей технологии. В некоторых случаях ультразвуковая обработка суспензии дает возможность получать продукты, содержащие до 99,5% основного компонента.

При нейтрализации растворов серной кислоты известняком на поверхности минеральных частиц образуется плотная пленка сернокислого кальция. В обычных условиях даже при интенсивном перемешивании частицы известняка крупностью 1—0,5 мм очень медленно реагируют с растворами серной кислоты.

На рис. IIL17 приведен график уменьшения кислотности раствора под воздействием ультразвука (кривая 2) и в отсутствие ультразвуковой обработки (кривая 2). Наиболее сильное действие оказывает ультразвук при использовании для нейтрализации частиц класса —1,0—0,5 мм. -

На ряде процессов растворения в цветной металлургии доказана целесообразность совмещения действия ультразвуковых колебаний и механического перемешивания. При этом роль механического перемешивания сводится к равномерному распределению дисперсной фазы в жидкости, а ультразвуковые колебания уменьшают диффузионное сопротивление.

Растворение при наложении импульсных колебании широкого спектра частот и амплитуд

В предыдущем параграфе показано, что импульсные колебания обеспечивают ре зона ясный # режим воздействия на полифракцион- ную систему, поэтому позволяют достичь большего эффекта по сравнению с эффектом^ достигаемым при использовании гармонических колебаний одинаковой интенсивности. Кроме того, они отличаются еще рядом положительных качеств, важнейшими из которых являются следующие:

более высокий коэффициент преобразования тепловой или электрической энергии в механическую, так как сокращается число ступеней преобразования;

простота устройства, отсутствие движущихся деталей и небольшие габариты источников колебаний при минимальных поверхностях контакта с агрессивной средой;

большая удельная мощность, подводимая к рабочему объему аппарата (до 1 МВт/м3). Это позволяет воздействовать на поток суспензии при удельном расходе энергии, достаточном для разрушения неметаллических твердых тел (порядка 20 МДж/м3).

Последнее качество открывает перспективу существепного ускорения процессов растворения, осложненных экранированием поверхности частиц твердыми продуктами реакций или примесями.

Основным способом генерации импульсных колебаний является быстрый (взрывной) переход порций одного вида энергии в другой или передача порций энергии от одного тела к другому. Поэтому накопитель энергии (паровой котел, батарея электрических конденсаторов, заряд химического взрывчатого вещества) должен иметь вне, кий потенциал (давление, электрическое напряжение, химический потенциал). Чем выше скорость преобразования или передачи энергии и меньше число ступеней, тем выше к. п. д. источника импульсных колебаний.

Примером длительного практического использования мощных импульсов механической энергии могут служить шаровые и стержневые мельницы. С энергетической точки зрения они являются преобразователями потенциальной энергии, запасаемой шарами, в импульсы механической энергии при пх ударе. Однако такие аппараты, если их применять для растворения, имеют ряд недостатков: большое число ступеней преобразования энергии; большой коррозионный и эрозионный износ шаров; малый коэффициент использования полезного объема аппарата.

Основу энергетического баланса составляет химическая энергия твердого, жидкого и газообразного топлив, большая часть которой превращается в тепловую и электрическую. Энергия этих видов преобразуется в энергию других видов (электромагнитную, механическую) ,поэтому использование химической и тепловой энергии отличается минимальный! числом ступеней преобразования.

Обычно химическая энергия транспортируется газообразными, жидкими и твердыми носителями, а тепловая — жидкими и паровыми. Наиболее удобными носителями тепловой энергии являются жидкости или их пары.

Для интенсификации процессов растворения необходимо длительное периодическое повторение взрывов сравнительно небольшой энергии в некотором объеме растворяющей жидкости или суспензии.

Импульсные колебания возникают в результате быстрого повышения давления при испарении порции жидкости (например, сжиженного газа в жидкости с комнатной температурой) или расширении с последующей конденсацией порции пара при впрыскивании ее в холодную жидкость. Вследствие инерции жидкости расширение пара происходит до образования вакуума в каверне. Поэтому после расширения происходит сжатие (схлопывание) каверны, и давление в ней повышается. Таким образом, паровая каверна за время своего существования совершает несколько затухающих пульсац ий. Если Давление пара немного больше давления в жидкости, то процесс пульсации каверны начинается с ее схлопывания в результате быстрой конденсации пара. При впрыскивании в нагретую жидкость порций сжиженных газов или взрывах порций химических веществ основную роль играет процесс взрывного расширения газа. Известно, что при впрыскивании 1 г водяного пара (р = 2,5 МПа, Т = 573 К )* в жидкость с комнатной температурой может обеспечиваться 1 кДж механической работы.

Если батарею высоковольтных импульсных конденсаторов замкнуть на зазор между электродами (жидкостный разрядный проме- 出уток), то происходит мгновенный электролиз и нагрев жидкости, Приводящие к образованию плазменной каверны, совершающей 2— 3 затухающих пульсации.

С физической точки зрения все процессы, при которых значи- тельное количество энергии выделяется за весьма короткий проме-

• Современные ТЭЦ работают в режиме р = 15 МПа» Т = 800 К.

жуток времени и в малом объеме, относятся к взрывам. По этой причине нестационарное импульсное движение жидкости при взры» вах химических веществ, перегретых порций жидкости, пара или сжиженных газов, а также при высоковольтных искровых разрядах или фокусировании импульсов лазерного излучения в "жидкости (электрогидра в л ический и светогидравлический эффекты) происходит по одним и тем же законам.

Следовательно, кинетика процессов растворения под воздействием таких возмущений может быть рассмотрена на базе хорошо разработанной теории подводного взрыва [105, 172].

Согласно этой теории, все взрывы делятся на точечные сферические, цилиндрические и плоские. Точечному взрыву на практике соответствуют случаи, когда энергия взрыва выделяется в центре достаточно большого объема жидкости. Взрывы достаточно длин- ных прямолинейных цилиндрических зарядов, струй перегретых жидкостей или сяжкенных газов, а также электрические разряды при больших расстояниях между электродами называются цилиндрическими ,а взрывы зарядов, размещенных вдоль плоскости,— плоскими. Для интенсификации процессов растворения практически можно использовать взрывы всех разновидностей. Точечный мощный взрыв в сосуде мало’。диаметра будем называть линейным в связи с тем, что паровая или плазменная каверна может расширяться только вдоль оси такого сосуда (трубы). Его гидродинамические характеристики приближаются к характеристикам плоского взрыва.

Скорость развития взрывного процесса определяет долю энергии, которая преобразуется в энергию ударной волны. Так, при взрывах большинства химических взрывчатых веществ под водой [156] около 50% энергии взрыва преобразуется в энергию ударной волны, плотность жидкости на фронте которой может достигать 2,8 г/см3. При фокусировании лазерного излучения или высоковольтном электрическом разряде в жидкости в энергию ударной волны преобразуется до 35% энергии, выделившейся в плазменном канале [1]. Режим взрывного процесса, соответствующий максимальной доле энергии, преобразуемой в ударную волну, называют жестким. Взрыв без ударной волны называют мягким.

Как отмечалось ранее, режим взрыва определяется разностью потенциалов и величиной порции энергии. Так, при умеренной индуктивности разрядного контура (5—15 мкГн) высоковольтные электрические разряды в воде могут соответствовать различным режимам взрыва в зависимости от напряжения UQ и емкости батареи конденсаторов Се [218]:

Режим взрыва

С。，мкФ

и。，кВ

Жесткий

ДО 0,1

>50

Средний ....

0,1—1

20—50

Мягкий

>1

до 20

С увеличением индуктивности разрядного контура возрастает время выделения энергии в канале разряда. При этом снижается 152

коэффициент преобразования энергии и смягчается взрыв. Так, при 〃о = 20 нВ, Се = 1,5 мкФ и зазоре между электродами Zp = 15 мм в канале разряда выделяется 88% подведенной электрической энергии при индуктивности разрядного контура 10 мкГн, 65% — при индуктивности 300 мкГн, 5 5% — при индуктивности 1200 мкГн [1]. Соответственно снижается и энергия ударной волны с 20 до 6%.

Взрывы перегретых жидкостей, паров или сжиженных газов относятся к мягким.

Таким образом, все многообразие аппаратурного оформления процессов растворения можно свести к условиям сферической, цилиндрической и плоской симметрии при известном режиме взрывного процесса. Основные параметры неуст ано вившегося движения жидкости эа первый период пульсации плазменной каверны при взрывном процессе позволяет определить теория подводного взрыва [107, 172]. В табл, IIL1 приведены некоторые важные результаты аналитического решения задачи о ха рактеристиках неустановившегося движения жидкости при взрывах, полученные для сферической симметрии Виллари [140], а для цилиндрической и плоской ——нами совместно с В. Д. Онищенко.

Из табл. П1.1 видно, что скорость нестационарного колебательного движения жидкости зависит от величины коэффициента 屮

Таблица II 1.1. Некоторые аналитические характеристики, рассчитанные по первому периоду пульсаций плазменной каверны

X арактеристика движения жидкости

Тип взрыва*

сферический

цилиндрический

плоский **

Первый период пульсации

Т] = 1』4р'%х

Х(屮E)'%pJ%

Т]=包(叱)1%

7\ = 1,42р%Х x*产

Средняя колебательная скорость жидкости при частоте следования разрядов со

<рЕ(о Wcp^o, 157-^2"

<р£(о

№р=。，38K五

(р£(о 切 cp=L52-^-

М аксимальный радиус каверны

『макс =

=/3 ФЕГ/.

\ 4几Pi/

/ 1 屮/y/2 『макс-〈冗• A%丿

(pE

Какс — rF

* р—плотность жидкости;屮——коэффициент п^образования потенциальной энер- гнн в кинетическую энергию колебаний жидкости; Е——потенциальная энергия взрыва; Pi —давление на глубине взрыва; wcp—средняя колебательная скорость; з—частота следования взрыва； 1 —длина цилиндрического заряда (расстояние между электродами. Длина струи и т. д.); г——удаление от любой точки в жидкости до эпицентра взрыва; 「=冗％/4—площадь поперечного сечения сосуда.

** Если каверна может расширяться в обе стороны от плоскости взрыва, то Тц wcp и「макс уменьшаются в 2 раза.

преобразования потенциальной энергии взрыва в кинетическую знер- гию м^идкости. В случае жестких взрывов 屮 <0,5, так как ударная волна образуется до начала пульсаций плазменной каверны. При мягких взрывах существенная доля энергии теряется, что обусловлено теплообменом с окружающей средой. С учетом других потерь практически можно принять для любых режимов взрыва 屮 〜 ^^ 0,3.

Р. Коул [107] экспериментально установил, что при сферическом подводном взрыве твердых химических взрывчатых веществ возникают три затухающие пульсации плазменной каверны с отношениями

периодов Тг : 7\ ： Т§ 〜1 ： 0,79 : 0,62 и максимальных радиусов %кс 1 ：『макс 2 ： Гмакс 3 ^ 1 : 0,4 ： 0,25. Отсюда следует, что полный период существования каверны Гк = 2,417\. Очевидно, что частота следования взрывов должна быть ограничена некоторой максимальной величиной сомакс, обеспечивающей завершение процесса пульсации каверны от предыдущего взрыва до начала последующего:

SMaKcW^* (Ш.26)

В первом приближении, приняв 屮=0,3 и Тк = 2,417\ и воспользовавшись значением 2\ из табл. IIL1, для сферической симметрии получим: -

Оакс 2 0,55рТ/2ЕТ/Зр；/6 (Ш.27)

При со <J «макс колебательная скорость жидкости возрастает с ростом со. При со > (Омаке процессу схлопывания плазменной каверны от предыдущего взрыва препятствует процесс ее расширения от последующего взрыва. В результате этого колебательная скорость жидкости и эффект воздействия взрывов уменьшаются. След, вательно, величине сомакс должен соответствовать максимальный эффект воздействия взрывов на процесс растворения. Опыты п° растворению прессованных цилиндров из соли KNO3 и фракцй0 дробленого гипса (d = 1,5—2 мм) в дистиллированной воде при и3* менении частоты следования разрядов Е = 1 Дж (рис. IIL18) п°^ твердили это предположение [ 135].

Экспериментальному значению сомакс 〜200 Гц соответствует постоянный коэффициент уравнения (IIL27), равный 0,44. Следовательно, оценка по уравнению (IIL27) дает достаточную для инженерной практики точность. Сведения о характере затухания пульсаций плазменной каверны для случаев цилиндрической и плоской симметрии отсутствуют. Поэтому для грубых оценок омакс можно воспользоваться следующими выражениями, полученными аналогично выражению (III.27):

Рис. III.19. Зависимость относительной скорости растворения К!К^ от длины жидкостного разрядного промежутка Zp：

а — в слабоэлектропроводной жидкости (воде): 1 ——со = 1 Гц, г = 14 см, d = 6,5 мм, Е = 275,5 Дж; 2 — то же, Е = 189,5 Дж; 3 — то же, Е = 95,8 Дж; 6 — в электропроводной жидкости (растворе KNOe): 1 — Е = 25,5 Дж, о = 4 Гц, г = 3 см, d = 1,2 см, S3 « =34,6 мм1; аж = 0,12 Ом-^см-1; 2 — то же, ож «= 0,08 Ом-1-см-1; з — то же, S3 = и И мм*, и* = 0,08 Ом-1-см-1.

0,62〃 (亲 У"0,62〃 (亲 У"при цилиндрической симметрии

0,62〃 (亲 У"

0,62〃 (亲 У"

(III.28)(III.29)(III.28)(III.29)"макс R

(III.28)

(III.29)

(III.28)

(III.29)

при плоской симметрии

Коэффициент преобра зования энергии и эффект воздействия разрядов зависят от длины зазора между электродами 2P [134]. Из Рнс. III.19 видно, что максимальному эффекту воздействия разрядов на скорость процесса растворения соответствует оптимальное рас- Стояние между электродами ZonT.

При высоких значениях удельной электропроводности жидко- СТй % и небольшой неизолированной поверхности положитель- ното электрода 5Э на кривой зависимости эффекта воздействия

от расстояния между электродами (рис. IIL20) наблюдается второй максимум [134]. Это, вероятно, связано с изменением механизма пробоя (электронный механизм заменяется тепловым).

Рис. Ш.20. Зависимость относительной скорости растворения разрядного промежутка Zp в растворах KN03 (со = 1,9 Гц):Рис. Ш.20. Зависимость относительной скорости растворения разрядного промежутка Zp в растворах KN03 (со = 1,9 Гц):При оптимальных условиях преобразования энергии во взрывном процессе (со < coMaKC; 2P = /опт) кинетика растворения определяется величиной средней колебательной скорости %р (см. табл. III.1), если не происходит существенного измельчения твердых частиц удар-

Рис. Ш.20. Зависимость относительной скорости растворения разрядного промежутка Zp в растворах KN03 (со = 1,9 Гц):

Рис. Ш.20. Зависимость относительной скорости растворения разрядного промежутка Zp в растворах KN03 (со = 1,9 Гц):

Кривая

Е, Дж

Uo, кВ

S* мм2

С, кг/м8

%, мкФ

I

102

13,7

10

150

1,09

2

102

13.7

25

150

1,09

3

15з

10,1

23

50

3

4

102

13,7

10

50

1,09 J

К1Ко

от длины

Нами вместе с В. П. Косыком и И. Н.①шишстовым [135] исследовалась кинетика растворения сравнительно крупных (d = 1 — 14 мм) твердых частиц гипса и соли KNO3 в воде (Т = 293 К) при воздействии высоковольтных электрических разрядов для условий сферической и линейной задач.

При закреплении цилиндрических образцов из соли KNO3 на таком расстоянии от разрядного промежутка, которое исключает их разрушение, кинетика растворения описывается критериальными уравнениями (табл. IIL2) со среднеквадратичным отклонением не более 16%.

Дальнейшие эксперименты показали, что эти зависимости спра： ведливы при Е <400 Дж и Uo = 10—15 кВ- При более высокой энергии эффект воздействия возрастает в большей степени, чем это следует из приведенных зависимостей, что объясняется существен- ным измельчением твердых частиц. Такую энергию целесообразно использовать для интенсификации процессов растворения, осно冰. ненных экранированием поверхности контакта фаз твердыми,济口к кими или газообразными продуктами реакций или примесями. Зт。

хорошо видно из рис. 111.21, на котором представлены кинетические кривые процесса растворения фракций гипса (d = 1,5—2 мм), экранированного смесью глины и цемента. В отсутствие разрядов процесс растворения прекращается через 30 мин (кривая 4), при разрядах он продолжается до полного растворения всех твердых частиц (кривая 2).

Примером промышленного осуществления таких процессов может быть растворение калийных руд Прикарпатья, содержащих 10— 20% глины. В этом случае многие кристаллики солей заключены в оболочку из глины, препятствующую доступу растворителя к поверхности контакта фаз. На рис. III.22 представлены кинетические кривые растворения такой руды крупностью минус 5 мм в маточном щелоке при 7 = 343 К. Из рисунка следует, что при воздействии разрядов время насыщения раствора калием сокращается с 32 до 12 мин. Аналогичные опыты А. И. Дубинина [14——16] по химическому растворению металлического магния в соляной кислоте концентрацией 18,4 кг/м3, осложненному выделением газообразной фазы,

Таблица II 1.2. Уравнения кинетики растворения закрепленных цилиндров KNO3 при Рг=720

Сферический взрыв

Линейный взрыв

Периодические взрывы в y =

/ Ecod

Nu — 20+7/( р产)

Ecod 100<Кем=-^г^<12 100 30VEV300 Дж

O,5<co<5 Гц 6<r<22 см 0,4<d<l,4 cm

Pi = 50—370 кН/м2

Периодические взрывы в стацпо

Nu (Есо XVt

Nu。-(°，74 + 3.2 pg) £(o

。4< pg <3.8

(0 = 1 Гц; г = 5 см 0,4<d<I,4 см v = 10—90 см/с Pi = 100 кН/м2

неподвижной жидкости, 0

Nu —21 + 3,4(「/у ) Esd 3600<ReM = 7^*67 600 55<Е<220 Дж

尸=9 см2

г=0,25 м; О,5<со<3 Гц d = l,2 см

Pi=50—370 кН/м2 нарном потоке жидкости, w=^0 Nu0-(1。“+",2 p/и.)

°'°15V P1Fw <0.26

E = 55 Дж;(o = 2,75 Гц F=9 см2； p1==100 кН/м2 ip=6,4—109 cm/c > 0,4<dVl,4 cm

、подтвердили возможность ускорения этого процесса в несколько ра3 при воздействии высоковольтных искровых разрядов.

Сведений по кинетике растворения при воздействии взрывов, возбуждаемых в жидкости другими способами, не найдено. Однако существенное повышение производительности диспергирования при вводе в аппарат с вращающимися пальцевыми дисками перегретого пара [208] свидетельствует о целесообразности использования этого вида взрывных процессов для интенсификации процессов растворения.

Рис. III.21. Кинетика растворения фракции гипса (d = 1,5—2 мм), экранированного смесью глины и цемента (w = 0,75 м/с):

I, 2 — с разрядами, Е = 430 Дж, % = 6 мкФ, " = 3 мм, % = 190 мм«, w = 1, 2 ГЦ； 8, 4 — без разрядов; 1, з — при акранировании смесью глины *и цемента; 2, 4 — при экранировании цементом.

Рис. III.22. Кинетика растворения калийной руды в маточном щелоке при Т = 343 К в трубчатом аппарате при Е = 500 Дж, со = 3,7 Гц, шп = 0,75 м/с, Се = 6 мкФ, I = 4 мм, % = 193 мм2：

— разрядами; 2 — беэ разрядов.

Наиболее высоких степеней интенсификации во всех практически важных случаях (при растворении веществ, загрязненных примесями млн экранированных твердыми, жидкими или газообразными пленками) можно достичь, если использовать одновременное воздействие комплекса факторов: увеличение скорости обтекания, измельчение твердых частиц или истирание (эрозия) их поверхности в результате соприкосновения одной с другой, стенками сосуда или специально вводимыми твердыми телами. При больших скоростях скольжения эрозионное разрушение поверхности твердых частиц могут вызывать и жидкости.

В качестве источников в о змущений, приводящих к хрупкому или эрозионному разрушению, можно использовать твердые тела (растворение в роторно-пальцевых и роторно-пульсационных аппаратах [37, 146], в аппаратах типа вибрационных [42], стержневых и шаро- внх мельниц [180], в аппаратах с вихревым слоем ферромагнитных частиц, вращающихся в бегущем электромагнитном поле [120, 1211)» жидкости (растворение полифракционной твердой фазы в реяшме гидротранспорта [152], при гидромониторной добыче полезных иско- 158

паемых [152]), газ или плазму (растворение при воздействии взрывах процессов, сопровождающихся образованием ударных волн ц35], или при воздействии ультразвуковых колебаний высокой ин- тенсивности в кавитационном режиме [194]).

Большинство из упомянутых приемов интенсификации являются сравнительно новыми, поэтому опубликованных экспериментальных данных недостаточно для обобщения, пригодного в расчетных целях. Однако известные результаты весьма интересны в практическом отношении. Поэтому остановимся на наиболее существенных из них.

На Узбекском комбинате тугоплавких и жаропрочных металлов внедрена роторно-пульсационная акустическая установка для автоклавно-содового растворения минерала шеелита [37]. Она представляет собой циркуляционный контур: автоклав ——роторно-пульсационный аппарат (РПА). Последний смонтирован в корпусе высоконапорного насоса в виде ротора и статора трехцилиндровой конструкции с радиально профрезерованными прямоугольными окнами. Суспензия поступает из автоклава в корпус и затем проходит через окна ротора и статора. При вращении ротора происходит чередование совмещения и несовмещения окон, поэтому в жидкости возникают пульсации давлений, сопровождающиеся кавитацией. Одновременно внутри ротора создается вакуум, позволяющий проводить непрерывную циркуляционную обработку суспензии.

Гетерогенная реакция взаимодействия шеелита с азотной кислотой сопровождается образованием на поверхности твердых частиц нерастворимой пленки H2WO4, затрудняющей доступ кислоты к активной поверхности.

При прохождении таких экранированных твердых частиц через РПА пленки разрушаются, а интенсивные акустические колебания ускоряют диффузию реагента к поверхности. В результате этого достигается практически полное извлечение вольфрама (99%) при сокращении длительности процесса в 3—4 раза. Аналогичные результаты обеспечивают и роторно-п а льцевые акустические аппараты, в которых роторные и статорные диски снабжены пальцами прямоугольного сечения, расположенными в шахматном порядке [146]. Их преимуществом является возможность обработки грубодисперс- вых суспензий. К недостаткам следует отнести появление биений и резкий рост динамических нагрузок, что обусловлено неравномерным износом окон или пальцев. Можно исключить этот недостаток и существенно снизить стоимость ремонтных работ, если использовать барабанные аппараты типа мельниц.

Для растворения мелких фракций твердой фазы (типа сахарного песка) в воде целесообразно использовать вибрационные мельницы %2], переоборудовав их в растворители. Барабан заполняют мелю- Щими стальными шариками. При вращении дебаланса барабан с та- Риками совершает близкие к круговым колебания в плоскости, Серпендпкулярной оси вибратора. Шарики совершают сложное дви- 永ение, сталкиваясь друг с другом, скользя, вращаясь вокруг своего Центра и перемещаясь по круговой траектории в сторону, обрати ую

направлению вращения вибратора. При этом происходит весьма интенсивное измельчение материала и его растворение.

函"м勿"0 £遂求SF・^4^оённмдон &悬* ogEghmox函"м勿"0 £遂求SF・^4^оённмдон &悬* ogEghmoxДля комплексной интенсификации процессов растворения мелко* дисперсной твердой фазы более подходящим является аппарат с вихревым слоем (АВС) ферромагнитных частиц, предложенный Д. Д. Логвиненко [120, 121] (см. рис. IV.78). В трубу аппарата засыпают ферромагнитные частицы цилиндрической формы (куски стальной или никелевой проволоки диаметром 0,8——2 мм, длиной 5—20 мм) в количестве, составляющем 0,02—0,15 объема отрезка трубы.

函"м勿"0 £遂求SF

・^4^оённмдон &悬* ogEghmox

函"м勿"0 £遂求SF

・^4^оённмдон &悬* ogEghmox

Рис. III.23. Кинетика восстановлен ния 1,8-нитросульфокислоты нафталина чугунной стружкой：

1—4 — в аппарате с вихревым слоем при загрузке 40, 50. 60 и 75% чугунной стружки от теоретически необходиыой； 5 — в аппарате с мешалкой при эагрузке 40% чугунной стружки от теоретически необходимой.

При включении магнитного поля, имеющего среднюю напряженность 0,1—0,2 Т, каждая ферромагнитная частица начинает вращаться вокруг своей наименьшей оси с частотой, близкой частоте вращения магнитного поля (^50 Гц). Кроме того, все частицы перемещаются в направлении вращения поля, совершая колебания относительно вектора напряженности магнитного поля с частотой в несколько тысяч герц. В результате этого возникает слой из вращающихся вокруг своей оси ферромагнитных частиц. Одновременно этот слой вращается вокруг оси трубы, что исключает возможность проскока твердой фазы без воздействия на нее такого вихревого слоя. Столкновения ферромагнитных частиц приводят к интенсивному измельчению растворяемой твердой фазы и самих частиц [121].

Такие аппараты целесообразно использовать для интенсификации процессов растворения, осложненных экранированием реакционной поверхности твердыми продуктами реакции. Одним из примеров таких процессов может быть восстановление нитросоединений в кислой среде чугунной стружкой. Образующаяся на поверхности металлических частиц окисная пленка сильно тормозит процесс. Осуществление его в аппарате с вихревым слоем ферромагнитных частиц 【121】 приводит к постоянному обновлению реакционной поверхности и существенной интенсификации (рис. Ш.23).

К недостаткам этого способа следует отнести унос и износ значительного количества ферромагнитных частиц (особенно из нерясаве- кицих сталей) в течение нескольких часов работы аппарата. Это обусловлено большими ускорениями, приобретаемыми частицами при соударениях, или большими скоростями суспензии. Избежать зтого недостатка увеличением загрузки ферромагнитных частиц не представляется возможным, так как при достижении определенной 160

плотности вихревого слоя его движение внезапно прекращается, поскольку ферромагнитные частицы группируются в тонкие, параллельно расположенные диски. Условия, при которых частицы прекращают вихревое движение, характеризуются величиной критического коэффициента заполнения реакционного объема fcKp:

У V с

где V4 ——суммарный объем всех ферромагнитных частиц в реакционном объеме

Рис. Ш.24. Зависимость А：кр от l/d никелевых частиц (d = 0,8 мм) для жидкости различной вязкости：

1—у, = 1 мПа* с; 2 — “ = 38 мПа- с;

В — |Л = 50 мПа- с; 4 — ц. = 85 мПа・ с.

Коэффициент ЛКр зависит от формы и размеров ферромагнитных частиц, вязкости среды, концентрации суспензии, напряженности магнитного поля и геометрических размеров реакционного объема. На рис. IIL24 представлена зависимость 幻р от соотношения геометрических размеров никелевых частиц (d = 0,8 мм) при различной вязкости жидкости для аппарата внутренним диаметром 70 мм и длиной 100 мм [89]. “

Другим недостатком является интенсивный нагрев ферромагнитных частиц и электропроводных растворов, вызванный вихревыми электрическими токами. Это снижает к. п. д. преобразования энергии до 30% и приводит к усломшению аппарата, связанному с необходимостью охлаждения обмоток генератора электромагнитного поля. Однако в большинстве случаев использование таких аппаратов оказывается экономически выгодным, поскольку они компактны и имеют большую удельную ироизводительность.

Весьма удобным и эффективным оказалось использование жидкостей для разрушения твердой фазы и последующего ее растворения при гидротранспорте. Этот метод широко применяют в промышленности для совмещения процессов разгрузки, растворения и транспорта рассолов со складов-растворителей каменной соли к электролизерам [163], для добычи и растворения содовой руды [1521, а также Для очистки трубок выпарных аппаратов от накипи 1215].

С. ф. Поплавским и Ю. А. Русецким [152] исследовался процесс насыщения рассола при гидротранспорте содовой руды, отбитой

Заказ 1159 〔61

гидромонитором, в зависимости от расстояния транспортирования 厶 при скорости потока смеси 3,5 м/с (рис. IIL25). Из рисунка видно, что скорость насыщения рассола тем выше, чем больше объемное содержание руды в смеси. Однако сделать какие-либо выводы в отношении влияния самоизмельчения материала на кинетику насыщения не представляется возможным, так как процесс осложнен экра~ пированием поверхности нерастворимыми примесями, содержание которых в руде составляло 29,6%.

Рис. III.25. Кинетика насыщения рассола содой в процессе гидротранспорта содовой руды при различном объемном содержании руды в гидросмеси：

2— 1:1,2： 2 —1：1,5； 5 — 1 ： 1,7； 4— 1:2; 5 — 1 ： 2,5; 6 — 1 ： 3,4； 7 — 1:5； 8 — 1 ： 10.

Результаты работы показали, что при гидроотбойке содовой руды, обеспечивающей объемную концентрацию руды в гидросмеси 1 : 3— 1 : 5, насыщение рассола содой в количестве 12——14% (при 290 К) может быть достигнуто в трубопроводе длиной до 400 м и четырехкратном возврате рассола к гидромонитор у.

В ГДР успешно эксплуатируется установка для скоростного растворения галита в режиме гидротранспорта. Растворяющая жидкость подается через сопло под давлением 500——600 кПа для обеспечения скорости движения смеси в трубе 1,8——2,5 м/с. В таких условиях галит растворяется в течение 5——7 мин, в то время как в аппарате с рамной мешалкой, окружная скорость которой составляет 2,8 м/с [137], растворение достигается за 15 мин.

Выше рассмотрены способы интенсификации таких процессов растворения, лимитирующей стадией которых был перенос вещества от поверхности твердых частиц в ядро потока жидкости. Однако на практике часто встречаются случаи недиффузионного растворения, когда лимитирующей стадией является переход атомов, молекул или ионов с поверхности твердого тела в жидкость (растворение минералов лангбейнита — K2SO4 -2MgSO4 и кизерита — MgSO4 • • Н2О в воде при производстве минеральных удобрений, диаспор- бемитов ых бокситов в цветной металлургии и др.).

Отличительные особенности недиффузионного растворения следующие [76]:

малые абсолютны.значения коэффициентов скорости растворения» не зависящие от скорости сколья^енпя;

быстрое увеличение коэффициентов скорости растворения с повышением температуры растворов;

нелинейная зависимость скорости растворения от концентрации собственных растворов.

Для интенсификации таких процессов используют измельчение твердого материала до растворения или в процессе растворения и повышение температуры. Согласно представлениям, изложенным в разд. 1.2, в основе этих способов лежит подвод к системе твердое тело ——жидкость механической или тепловой энергии, необходимой для разрушения кристаллической решетки твердых частиц. Растворение можно ускорить, если подводить химическую энергию в систему при добавлении в растворяющую жидкость веществ, вступающих в реакцию с твердыми частицами. Однако присутствие посторонних веществ в растворе не всегда допустимо, поэтому такой способ находит ограниченное применение.

Для интенсификации недиффузионного растворения можно использовать рентгеновские лучи, электроны энергией до 100 кэВ и гамма-лучи, разрушающие регулярную структуру, например CdS, с выходом на поверхность элементарной серы при дозах порядка 500 Мрад (5 МДж/кг) [129]. При этом величина коэффициентов диффузии примесей соответствует величине коэффициентов тепловой диффузии при 773—873 К [182]. Рентгеновские и ультрафиолетовые лучи позволяют интенсифицировать процесс выщелачивания бокситов [112]. Однако стоимость облучения изотопными источниками высока, поэтому в промышленных масштабах необходимо ориентироваться на отработанные топливные элементы ядерных реакторов атомных электростанций.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО

РАСТВОРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Как следует из рассмотрения теоретических основ электрохимического растворения, на механизм процесса оказывают влияние режим электролиза (плотность тока и ее изменение во времени, температура электролита, гидро дина мическая обстановка у поверхности электрода, газовыделение на электродах) и физико-химические свойства электролита (концентрации электролита, посторонних солей, восстановителей и активирующих ионов, поверхностно-активных веществ, величины поверхностного натяжения, удельной электропроводности и др.). Роль каждого из этих факторов зависит прежде всего от стадии электрохимического процесса, которая в конкретных условиях лимитирует скорость анодного растворения. Так как в состоянии пассивации эта скорость очень мала, практически используют режимы активного и транспассивного растворения при концентрационном перенапряжении.

При активном анодном растворении лимитирующей стадией процесса является диффузия продуктов растворения от поверхности

11*163

электрода в толщу раствора. Как и при других процессах диффузионного массообмена, способы интенсификации должны приводить к уменьшению толщины пограничного диффузионного слоя. Последняя, как известно, определяется вязкостью жидкости» коэффициент том диффузии и скоростью обтекания электрода раствором. Поэтому умеренное повышение температуры раствора, приводящее к понижению вязкости, увеличению коэффициента диффузии и повышению удельной электропроводности раствора, издавна используется как эффективное средство интенсификации электрохимических процессов.

Из рис. IIL26 видно, что при повышении температуры возрастает плотность тока и выход по току. Однако при температурах, близких к точке кийения раствора, вследствие обильного газовыделения

Рис. IIL26. Влияние температуры на выход по току 斗

удельная электропроводность раствора может снизиться. Это ведет к снижению плотности тока и выхода по току, не говоря уже об ухудшении качества поверхности растворения. Поэтому обычно применяют оптимальную температуру в каждом конкретном случае.

Повышение скорости перекачки раствора через зазор мем<ду электродами приводит к росту плотности тока (рис. III.27) и скорости растворения. Однако для создания больших скоростей потока необходимо высоконапорное насосное оборудование, требующее большого расхода электроэнергии и отличающееся недолговечностью при работе на агрессивных электролитах. Поэтому Т. Фахиди [226] считает перспективным использование взвешенного слоя инертных твердых частиц (стеклянных шариков, песка, полистирола, металлических шариков и т. п.) в зазоре между электродами. Эти частицы турбулизуют пограничный слой, более равномерно распределяют ток и увеличивают удельную электропроводность, так как происходит дополнительный перенос зарядов при столкновениях частиц. Конструкция таких электролизеров разработана группами Ф. Гудриджа [228, 229] и Д. Флетта [227]. Эксперименты по никелированию [2471 и гальванопластике меди [245] во взвешенном слое показали, что величина предельного тока возрастает в 5—6 раз по сравнению с аналогичной величиной в серийных аппаратах при одинаковом или несколько лучшем качестве покрытий. Метод взвешенного слоя особенно целесообразно использовать для электролиза и электрорафини- рования меди, так как он без ощутимых потерь тока позволяет сн°; зить остаточную концентрацию в растворе до 6 40-6 моль на 1 Дм 1247].

В условиях интенсивного анодного растворения в зазоре выделяется большое количество тепла, поэтому часто выбор больших скоростей прокачки электролита связан с необходимостью поддержа- пия оптимальной температуры. Верхний предел повышения скоростей обтекания электродов ограничивается появлением кавитационных процессов, приводящих к полному нарушению анодного растворения и качества обработки.

При растворении больших поверхностей или длинных деталей в условиях прокачки электролита через зазор скорость растворения уменьшается в направлении потока, что обусловлено уменьшением удельной электропроводности раствора и насыщением его

Рис. III.27. Влияние скорости потока ”п на скорость Q электрохи^ мического растворения углеродистой и хромомолибденовой стали в различных электролитах：

Z и £ — хромомолибденовая сталь в растворе NaNOa и NaCl соответственно; 8 и 4 — углеродистая сталь в растворе NaNO з и NaCl соответственно.

продуктами растворения. В таких случаях изменяют направление подачи электролита, используют низкочастотные пульсации или высокочастотные акустические колебания как электролита, так и электрода.

Результаты многочисленных теоретических и прикладных исследований, посвященных колебательным процессам в жидкостях, привели к открытию многих эффектов специфического действия ультразвуковых колебаний, в том числе моющего действия. Использование этого явления представляет интерес как для процессов обезжиривания изделий в гальванотехнике, так и для процессов Депассивирования электродов, не говоря уже об известном эффекте интенсификации диффузионных процессов.

Для наложения на электрохимический процесс ультразвуковых колебаний последние сообщаются электролиту [45] или твердому телу ——аноду [125]. В первом случае интенсивность колебаний в прианодном диффузионном слое значительно ниже, чем во втором. Это связано с затуханием колебаний. Кроме того, во втором случае эффект воздействия ультразвукового поля на процесс анодного рас- творенпн должен усилиться, так как появляются новые факторы воздействия [125 ]:

весьма интенсивные колебания поверхности анода могут разрушить двойной электрический слой;

при амплитуде колебаний поверхноети анода 8——12 мкм мн- тенспвно разрушаются и удаляются пассивирующие пленки.

Рис. III.28. Схема инструмента для ультразвуковой электро химической обработки абразивной суспензией: 1 — магнитос грикцио нный преобразователь; 2 ——волновод-инструмент; 3 — заготовка; 4 — анод.Рис. III.28. Схема инструмента для ультразвуковой электро химической обработки абразивной суспензией: 1 — магнитос грикцио нный преобразователь; 2 ——волновод-инструмент; 3 — заготовка; 4 — анод.При давлении электролита в рабочей зоне 0,5 МПа, зазоре 0,3 мм сообщение аноду ультра звуковых колебаний частотой 16,5 кГц, амплитудой 8——12 мкм приводит к увеличению анодной плотности тока на 42% [125], в то время как сообщение колебаний такой же интенсивности катоду не вызывает существенного увеличения анодной плотности тока. Однако вследствие сравнительной дороговизны ультразвуковой аппаратуры и энергии ультразвуковых колебаний их применение для интенсификации анодного растворения в диффузи* онпой области целесообразно только в тех случаях, когда обычные методы (нагрев, механическое перемешивание, изменение состава электролита и т. д.) уже предельно использованы пли когда процесс осложнен интенсивным пассивированием [45].

Рис. III.28. Схема инструмента для ультразвуковой электро химической обработки абразивной суспензией: 1 — магнитос грикцио нный преобразователь; 2 ——волновод-инструмент; 3 — заготовка; 4 — анод.

Рис. III.28. Схема инструмента для ультразвуковой электро химической обработки абразивной суспензией: 1 — магнитос грикцио нный преобразователь; 2 ——волновод-инструмент; 3 — заготовка; 4 — анод.

Представляет интерес также использование ультразвука для снижения электрохимического перенапряжения. Так, в работе [45] установлено, что при возбуждении ультразвуковых колебаний в электролите перенапряжение выделения водорода существенно снижается. При этом наклон прямых, определяемых уравнением Тафеля, не изменяется. Однако подобные сведения для процессов анодного растворения отсутствуют.

В последнее время получил развитие новый метод интенсификации анодного растворения с использованием ультразвуковых ко

лебаний, заключающийся в механическом воздействии на поверхность электрода электролитом, представляющим собой абразивную суспензию, прокачиваемую через рабочий ультразвуковой инструмент (рис. IIL28) [95].

В этом случае эффективно депассивируется электрод и улучшается удаление продуктов растворения, поэтому скорость съема металла возрастает в несколько раз по сравнению со скоростью при чисто ультразвуковом воздействии. Для отрезных операций широко используют электрохимико-механическую обработку [95], которая представляет собой разновидность анодного растворения, когда продукты растворения удаляются из зоны обработки механически (абразивом) и уносятся потоком электролита. Различают обработку: с применением абразивонесущего инструмента, абразивонесущего электролита и нейтрального инструмента. Абразивонесущим инструментов

служит обычно абразивный круг, изготовленный прессованием смеси абразивного и металлического порошков. Для очистки труднодоступных поверхностей применяют абразивонесущий электролит, содержащий кусочки фарфора или керамики. Нейтральный инструмент применяют для шлифования.

Основной причиной повышенной скорости растворения при электрохимико-механическом воздействии является коррозионное растрескивание сплава [63]. При этом коррозионные микротрещины возникают на участках наибольших напряжений. По мере анодного растворения поверхности лунок, образующихся в результате микроскалывания абразивом, связи между локальными участками сплава ослабевают и происходит его растрескивание. Поверхность образующихся микротрещип резко увеличивает общую поверхность сплава.

Представляет интерес применение магнитных полей для интенсификации электродных процессов [54, 55]. В этом случае на электрическое поле ячейки накладывается магнитное поле, при этом возникают попдеромоторные объемные силы, приводящие к уменьшению или увеличению удельного веса жидкости в зависимости от направления полей [55]. Кроме того, любая неоднородность в распределении электрического и магнитного полей неизбежно вызывает циркуляционные течения жидкости на поверхности неоднородности [31]. В результате этого структура пограничного диффузионного слоя и двойного электрического слоя изменяется настолько существенно, что увеличение предельного тока в магнитном поле намного превышает уровень, достигаемый механическим перемешиванием [55].

Хороших результатов можно достичь также при подводе к электродам переменного электрического тока и наложением магнитного поля той же частоты и фазы. Так, в этих условиях для растворов NiSO4 концентрацией 0,2—0,1 г-экв/л наблюдалось увеличение предельного тока в 4 раза [55].

Специфической особенностью анодного растворения при электрохимической размерной обработке является необходимость повышения чистоты обработки при достаточно высокой скорости растворения. Как указывалось выше, при интенсивных режимах растворения возрастает вероятность неравномерности растворения, что связано с изменением локальной проводимости электролита, вызванным неравномерностью обтекания анода, газовыделением, искрением и т. д.

В этих случаях оказались весьма эффективными нестационарные режимы электрохимического растворения, для реализации которых изменяют во времени скорость потока жидкости или плотность тока. К числу таких процессов принадлежит, например, растворение им- пульсным током в стационарном потоке [167] пли импульсным Током в пульсирующем потоке электролита [53].

При наложении нмпулвса тока вблизи катода образуется газо- ^идкостная зона, фронт которой движется к аноду со скоростью, пропорциональной скорости наложения тока. При достижении

движущимся газожидкостным фронтом поверхности анода происходит запирание зазора между электродами разовыми пробками, превы* тающими в 5—10 раз величину зазора. Быстрое импульсное газо- выделение в зазоре вызывает колебательное движение жидкости, при этом скорость съема металла возрастает и выравнивается по длине зазора.

При пульсирующем потоке электролита импульсы тока подаются в моменты, когда электролит неподвижен и, следовательно, его электропроводность одинакова во всех точках зазора. Периодическое отключение тока и сообщение в этот период импульса движения электролиту улучшает условия отвода тепла, газов, продуктов растворения и шламов из зоны обработки. Частота следования импульсов тока зависит от частоты пульсаций жидкости, при которой достигается достаточно полное освобождение зазора от продуктов электролиза, и составляет обычно 3——7 Гц [53].

Характерной особенностью описанного метода интенсификации электрохимического растворения в нестационарном режиме является мгновенное периодическое изменение плотности тока и скорости жидкости. Для этих условий на дисковом электроде аналитически получена приближенная оценка характерного времени установления стационарного гидродинамического режима Zo 〜b2ID [200]. При t <^ tQ основную роль в переносе массы играет молекулярная диффузия, а при £》Ео ——конвективная (Е ——текущее время).

Хорошие результаты дает периодическое изменение направления тока (реверсирование). Это связано с тем, что периодическое изменение полярности вызывает пер иодическое разрушение двойного электрического слоя. В результате этого снижается перенапряжение и возрастает плотность тока анодного пассивирования [115]. Продолжительность тока в прямом направлении составляет 18— 20 с, в обратном 1—2 с [40].

Применение реверса тока в таком режиме позволяет осуществлять электролитическое рафинирование меди при плотностях тока до 700 А/м2 без ухудшения качества меди, в то время как увеличение концентрации меди в электролите, повышение температуры электролита и подбор оптимального коллоидного режима позволяют лишь достичь плотности тока 280—310 А/м2 [115].

Представляет интерес применение периодических токов различной формы, получаемых наложением переменного тока на постоянный, в качестве активатора анодного растворения пассивирующихся металлов в нестационарных условиях. Так, при наложении переменного тока частотой 2 кГц на постоянный анодное растворение титана в растворах серпой и соляной кислот ускоряется на два порядка по сравнению с растворением постоянным током при отсутствии перемешивания [40]. При наложении переменного тока промышленной частоты на процесс анодного растворения нержавеющей стали достигнуто увеличение плотности переменного тока до 250 кА/м2 без наступления диффузионных ограничений, тогда как в тех же условиях (без перемешивания) на постоянном токе — всего 3 кА/м2 [201]- 168

Наложение переменного тока на постоянный приводит также к увеличению силы постоянного тока. Так, для растворов NiSO4 наблюдалось увеличение предельной силы катодного тока в 5——6 раз при частотах 1—30 Гц [54].

Скорость растворения образцов нержавеющей стали, покрытых окалиной, оказалась прямо пропорциональной плотности переменного тока, как и для образцов без окалпны. Этот способ интенсификации позволяет реализовать высокие скорости растворения, не применяя интенсивное перемешивание, поэтому особенно эффективно использование этого способа в условиях, когда перемешивание затруднено или ограничено, например, возникновением неравномерного растворения вследствие кавитации и т. д.

Обычно при электрохимической размерной обработке используются плотности тока ни济е предельных (сопровождающихся появлением искрения). Однако процесс полирования в пассивирующих электролитах [1511 свидетельствует об эффективном разрушении пассивирующей пленки и металла на микровыступах поверхности в результате пробоя слоя электролита искрой. Использование этого явления привело к разработке метода электроэрозионнохимического растворения [95].

Сущность его заключается в том, что одновременно совмещаются локальное электроэрозионное разрушение материала детали с помощью графитированного электрода — инструмента и анодное растворение в проточном электролите импульсным, пульсирующим или переменным током. Производительность этого метода в 5— 10 раз выше производительности каждого процесса (электроэро- зионного или электрохимического) в отдельности при их раздельном проведении.

Возможности интенсификации электрохимического растворения, связанные с изменением состава и концентрации электролита, определяются влиянием этих факторов на кинетику электродных процессов. По мере разбавления электролита увеличивается градиент концентрации продуктов растворения и должна бы возрастать скорость растворения. Однако удельная электропроводность электролита уменьшается и потери энергии на нагревание увеличиваются. При электролитическом рафинировании для повышения удельной электропроводности в электролит вводят кислоты или щелочи.

Для электрохимической размерной обработки этот путь неприемлем, так как резко возрастает скорость коррозии оборудования. Поэтому обычно используют 10——20%-ные растворы солей NaNO3, KNO3 и NaCl с небольшими добавками других солей (NaNO2, NaOH, Na2B4O7, Na3PO4, NaF и др.). При этом в случае обработки сталей в электролиты всегда добавляют NaCl для анодной активации ионами хлора. Механизм ее до сих пор окончательно не установлен. Наряду с разрушением ионами хлора пассивирующих фазовых пленок весьма вероятен процесс вытеснения адсорбированного кислорода за счет абсорбции ионов хлора. По мнению Я. М. Коло- тыркина [99], компоненты раствора непосредственно участвуют

в элементарном акте ионизации металлических ионов с образованием растворимого комплекса металла.

Изучая механизм анодной активации группы железа ионами хлора, Б. Н. Кабанов и В. Д. Кащеев [80] установили, что их актц_

Повышение концентрации рост вора

[ "бабки кислит или щелочейI fJu6biujetiiie темп ературы[ "бабки кислит или щелочейI fJu6biujetiiie темп ературыПобышение удельной электрапрободмасти раствораПобышение удельной электрапрободмасти раствораДаб а дна амтиОирующихионовДаб а дна амтиОирующихионовДобавка поберхностно-акглибиых веществДобавка поберхностно-акглибиых веществИзменение состава растбораИзменение состава растбораI Низкочастотныеколебания1электрода илирост бораI Низкочастотныеколебания1электрода илирост бораI Повышение скорости прокочкиI Повышение скорости прокочкиУльтразвуковые колебанияэлектрода или раствораУльтразвуковые колебанияэлектрода или раствораЛобышение скорости обтекания электродов растворомЛобышение скорости обтекания электродов растворомНаложение электрического〃 магнитного полейНаложение электрического〃 магнитного полейНаложение переменного тока “с постоянныйНаложение переменного тока “с постоянныйKnH9a09E3Da QzoxuahnEnxQdulxauf nnroxnfbnQHaEHn -QgoQouaKnH9a09E3Da QzoxuahnEnxQdulxauf nnroxnfbnQHaEHn -QgoQouaЗлектрозрозионниеЗлектрозрозионние9% тризбуказризиинние9% тризбуказризиинниеРис. Ш.29. Классификация способов электрохимического растворения.Рис. Ш.29. Классификация способов электрохимического растворения.Абразивноеf суспензией или инструментомАбразивноеf суспензией или инструментомtlexaническое обновление поберхнисти анодаtlexaническое обновление поберхнисти анода

[ "бабки кислит или щелочей

I fJu6biujetiiie темп ературы

[ "бабки кислит или щелочей

I fJu6biujetiiie темп ературы

Побышение удельной электрапрободмасти раствора

Побышение удельной электрапрободмасти раствора

Даб а дна амтиОирующихионов

Даб а дна амтиОирующихионов

Добавка поберхностно-акглибиых веществ

Добавка поберхностно-акглибиых веществ

Изменение состава растбора

Изменение состава растбора

I Низкочастотные

колебания

1электрода или

рост бора

I Низкочастотные

колебания

1электрода или

рост бора

I Повышение скорости прокочки

I Повышение скорости прокочки

Ультразвуковые колебанияэлектрода или раствора

Ультразвуковые колебанияэлектрода или раствора

Лобышение скорости обтекания электродов раствором

Лобышение скорости обтекания электродов раствором

Наложение электрического〃 магнитного полей

Наложение электрического〃 магнитного полей

Наложение переменного тока “с постоянный

Наложение переменного тока “с постоянный

KnH9a09E3Da QzoxuahnEnxQdulxauf nnroxnfbnQHaEHn -QgoQoua

KnH9a09E3Da QzoxuahnEnxQdulxauf nnroxnfbnQHaEHn -QgoQoua

Злектрозрозионние

Злектрозрозионние

9% тризбуказризиинние

9% тризбуказризиинние

Рис. Ш.29. Классификация способов электрохимического растворения.

Рис. Ш.29. Классификация способов электрохимического растворения.

Абразивноеf суспензией или инструментом

Абразивноеf суспензией или инструментом

tlexaническое обновление поберхнисти анода

tlexaническое обновление поберхнисти анода

вирующее действие проявляется при определенном потенциале, характерном для данного иона. Так как величина потенциала линейно убывает с возрастанием логарифма концентрации активирующих ионов в электролите, металлы могут растворяться с высокими скоростями при сравнительно низких анодных потенциалах. В реаль- вых условиях электрохимической размерной обработки по зто'р механизму, по-видимому, растворяются железо, никель, алюминий» магний [144].

Электролит должен всегда соответствовать химическому составу металла и его природе. Так, растворы NaCl пригодны для обработки сплавов на основе железа и никеля. Сплавы на основе вольфрама и карбида вольфрама практически не растворяются в растворах нейтральных солей, поэтому используют щелочные электролиты. Сплавы на основе ниобия и тантала обрабатываются только в растворах, содержащих ионы брома.

В тех случаях электрохимической размерной обработки, когда требуется высокая точность, применяют пассивирующие электролиты (растворы NaC103, NaNO3) или пассивирующие добавки, например карбонаты или фосфаты.

При электролитическом рафинировании в электролиты добавляют поверхностно-активные и коллоидные вещества для получения плотных или блестящих осадков. Эти добавки адсорбируются на поверхности растущих кристаллов металла и приводят к образованию осадков. На поверхности анода могут адсорбироваться поверх- ностно-активные, коллоидные вещества, а также дипольные и нейтральные молекулы, которые способны поляризоваться под влиянием электрического поля на границе металл — раствор. Они приводят к изменению строения двойного электрического слоя и могут интенсифицировать процессы, протекающие по электрохимическому механизму.

Таким образом, учитывая влияние перечисленных факторов на лимитирующую , стадию электрохимического процесса, классификацию способов интенсификации электрохимического растворения можно представить в виде схемы на рис. IIL29.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ

Как и в случае дисперсной твердой фазы, интенсификация подземного растворения может быть достигнута изменением физико- химических (температура, вязкости, плотности и химического состава растворителя) и гидродинамических (скорости обтекания, формы и размеров создаваемой полости) условий растворения. Первый способ ограничен требованиями к качеству получаемых растворов; для реализации его на практике повышают температуру растворения и вводят в раствор некоторые вещества при подземной добыче калийных солей.

Поэтому в основном используется второй способ. Согласно урав~ нению А. Н. Щукарева (1.10), скорость процесса растворения можно повысить, увеличив поверхность растворения и коэффициент скорости растворения К. Последний определяется скоростью обтекания растворяемой поверхности жидкостью, в связи с чем практически Реализуемые способы интенсификации подземного растворения ос- нованн на увеличении скорости обтекания и поверхности контакта Фаз.

Для подземного растворения можно применять орошение Поверхностей горных выработок в шахтах или через скважины.

Последний метод оказался более выгодным. При его использовании капиталовложения и себестоимость растворов ниже, а степень использования запасов выше при более благоприятных и безопасных условиях труда, чем при рудничной добыче рассолов. Поэтому в дальнейшем будет идти речь о методах интенсификации подзем- ного растворения через скважины.

В последнее время предложен ряд методов интенсификации подземного растворения различными средствами. Одним из них является магнитная обработка природных вод [611, приводящая к увеличению добычи соли из скважин от 6 до 29,5% в течение 3,5 месяцев. Однако этот эффект имеет сезонный характер (в весенне-летний период он снижается либо исчезает), а в других работах [1881 ставится под сомнение. Установлено весьма незначительное изменение физико-химических свойств воды, прошедших магнитную обработку [92], а следовательно, нельзя ожидать существенного эффекта воздействия такой обработки на процесс внепшедиффузионного подземного растворения.

Более существенный эффект дают способы интенсификации, основанные на увеличении скорости обтекания растворяемой поверхности жидкостью. К их числу принадлежит струйный метод, обеспечивающий растворение камер строгой формы при более высоких скоростях растворения по сравнению с циркуляционными методами. Для его осуществления в водоподающих трубах по всей высоте отрабатываемой камеры делают отверстия с насадками, обеспечивающими подачу струй заданных параметров. Растворение осуществляют методом орошения стенок камеры затопленными струями воды. При вращении водоподающей трубы с насадками форма емкости получается более правильной. Поскольку дальнобойность затопленньи струй невелика, этим способом можно размывать камеры небольших пролетов.

Кинетика растворения вертикальных поверхностей чистой каменной соли описывается критериальным уравнением, полученным одним из нас совместно с В. А.^Басием и Т. Г. Бабахановой на основе обобщения экспериментальных данных по растворению плоских моделей каменной соли затопленной струей воды:

(Ш.30)(Ш.30)Nu = 17,74.10-2Re0.«e6pri/s (备)。護

(Ш.30)

(Ш.30)

где Nu = KDm/D — диффузионный критерий Нуссельта; Rec = wqDm/v — критерий Рейнольдса;力 м nd ——диаметр модели (расстояние между соседними насадками) и насадки; wq — скорость воды на выходе из насадки.

Зависимость (IIL30) справедлива при 200 w Rec w 7500; 0,02 < W d/DM w 0,1; % w 20 м/с; 1 w 〃少м W 400 (Z — расстояние мея^ДУ насадкой и моделью). ♦

При более высоких скоростях воды на выходе из насадки возможно существенное механическое разрушение поверхности соли на небольших удалениях ее Z от среза насадки. Поэтому в первый м& 172

мент скорость растворения может быть выше, чем это следует из уравнения (III.30).

Способность струи воды разрушать поверхность соли можно использовать для растворения залежей с большим количеством нерастворимых включений (более 30%), применяя оборудование для гидродобычи фосфоритных руд [33]. Оно представляет собой гидромониторную телескопическую установку, смонтированную на ходовой части электрического гусеничного крана. Двухбарабанная электрическая лебедка позволяет гидромониторной головке с насадкой, помещенной в конце последнего звена телескопического устройства, опускаться на забой и при давлении воды 1,5——1,3 МПа эффективно разрушать пласт.

Диаметр выработки 12—15 м в пласте нерастворимой фосфоритной руды высотой 1 м достигается в течение 8—10 ч работы при удельном расходе воды 3——5 м3/м3. После выработки камеры телескопическое устройство выводят в вертикальное положение и гидромониторное устройство поднимают на поверхность. Меняя давление воды, ориентацию насадки и величину удаления ее от поверхности соли с помощью телескопического устройства, управляемого с поверхности, можно плавно регулировать скорость растворения. Особенно перспективным может быть использование этого метода Для создания гидровруба.

Недостатками этого метода являются сравнительная сложность оборудования и возможность осаждения на дно камеры большого количества соли, измельченной струей воды, но не успевшей раствориться,

К. Сидоровой [174] проведены поисковые исследования и Дана оценка возможностей использования различных средств увели~ чения скорости обтекания твердой поверхности жидкостью в специфических условиях подземного растворения. Применение механических мешалок и перемепшвающих устройств, приводимых в движение энергией поступающей в камеру воды, оказалось нецелесообразным, что обусловлено большими объемами камер.

Возмущение воды возбуждением в ней высоковольтных искровых разрядов дало обнадеживающие результаты: при расстояниях до 0,8 м от зоны разряда до модельной соляной стенки достигалось увеличение концентрации раствора в 1,3—2,7 раза, а на расстояниях до 10 см поверхность соли разрушалась ударной волной. Эти результаты достигались при воздействии 10—20 разрядов энергией около 10 кДж.

Экспериментально установлено, что эффект воздействия разрядов на процесс растворения снижается с ростом индуктивности, т. е. Длины кабеля, подводящего энергию от накопителя к разрядному промежутку. В работе [1], посвященной исследованию электроим^ Пулвсного водоподъемника, также изучался вопрос о влиянии индуктивности кабеля на процесс преобразования электрической знер- ген в механическую. При этом установлено, что с изменением пндук- тивности от 10 до 300 мкГн энергия, выделившаяся в разрядном

промежутке, уменьшается с 88 до 66% при оптимальных расстояниях между электродами. Поэтому при подборе оптимального расстояния следует ожидать небольшого снижения эффекта воздействия. Таким образом, существует принципиальная возможность интенсификации подземного растворения высоковольтными искровыми разрядами. Однако вопрос о промышленном применении требует всестороннего изучения и проведения соответствующих опытно-кон- структорских работ.

Рис. III.30. Зависимость концентрации раствора от времени растворения при частоте колебаний жидкости 100 Гц и амплитудах колебательной скорости wK:

2 — 0; 2 — 2,5 см/с; В — 5,0 гм/с; 4 — 7,5 см/с.

Рис. III.31. Влияние амплитуды колебательной скорости 07K на кинетику растворения в жидкости при различных начальных концентрациях Сн：

I — 0; 2 — 70 кг/м8; 3 — 150 кг/мв； 4 -— 200 кг/м8; 5 — 245 кг/ме.

Результать] опытов Н. К. Стукаловой [188] позволили установить, что на больших удалениях от стенки соли основной причиной интенсификации растворения является импульс акустических колебаний, возбуждаемых в жидкости высоковольтным искровым разрядом. Были предприняты попытки отыскать более простые источники акустических колебаний и исследовать эффект их воздействия. Использование для этих целей наиболее простых пьезокерамических ультразвуковых излучателей цилиндрической формы, которые можно закрепить на трубе, дает возможность сократить время растворения камеры одних и тех же размеров на 45—37% при интенсивности акустического поля вблизи излучателя около 3,5 кВт/м2 [221].

Исследование влияния низкочастотных колебаний [188] на кинетику растворения модельных образцов каменной соли (рис. Ш и IIL31) показало, что эффект воздействия увеличивается с ростом

колебательной скорости жидкости % и начальной концентрации раствора Сн.

Кинетика процесса растворения в условиях наложения акустических колебаний описывается критериальным уравнением [188]:

(III.31)(III.31)Nu —1/ рз切кА \ °*11+0*385Сн

(III.31)

(III.31)

Nu。— 51,3(Сн+0Д)(卜唔。/

где Nu и Nu© —— диффузионный критерии Нуссельта при наложении акустических колебаний и оез них (в условиях естественной конвекции)； Сн 一 началь

ная концентрация раствора; рз — звуковое давление у поверхности контакта фаз; wk — колебательная скорость жидкости; А — амплитуда колебаний.

Для реализации акустического способа интенсификации подземного растворения целесообразно использовать гидродинамические излучатели, преобразующие поступательное движение жидкости в пульсационное или колебательное. Это достигаете я периодическим перекрытием потока воды либо на поверхности, либо в растворяемой емкости гидросиреной [188]. Последняя (рис, IIL32) представляет собой многоступенчат ую гидротурбину осевого типа, приводимую во вращательное движение водой, ' поступающей в скважину под давлением. На полом валу турбины 5 имеется стакан 9 с окнами, расположенными на уровне таких же окон в статоре турбины 7. При вращении ротора происходит чередование совмещения и иесов- мещения отверстий ротора и статора, вследствие этого в объеме жидкости за статором возникают пульсации давления. Частота пульсаций определяется числом отверстий и числом оборотов ротора.

Рис. Ш.32. Схема подземного растворения с помощью гидросирены：Рис. Ш.32. Схема подземного растворения с помощью гидросирены：1 — обсадная труба; £ — труба для подачи воды; 3 — труба для отвода раствора; 4 — уплотнение; S — полый вал гидротурбины; 6 — подшипник; 7 — статор турбины; 8 — лопатка; 9 — стакан с окнами; 10 — цапфа; 11 — труба.1 — обсадная труба; £ — труба для подачи воды; 3 — труба для отвода раствора; 4 — уплотнение; S — полый вал гидротурбины; 6 — подшипник; 7 — статор турбины; 8 — лопатка; 9 — стакан с окнами; 10 — цапфа; 11 — труба.По результатам стендовых испы

Рис. Ш.32. Схема подземного растворения с помощью гидросирены：

Рис. Ш.32. Схема подземного растворения с помощью гидросирены：

1 — обсадная труба; £ — труба для подачи воды; 3 — труба для отвода раствора; 4 — уплотнение; S — полый вал гидротурбины; 6 — подшипник; 7 — статор турбины; 8 — лопатка; 9 — стакан с окнами; 10 — цапфа; 11 — труба.

1 — обсадная труба; £ — труба для подачи воды; 3 — труба для отвода раствора; 4 — уплотнение; S — полый вал гидротурбины; 6 — подшипник; 7 — статор турбины; 8 — лопатка; 9 — стакан с окнами; 10 — цапфа; 11 — труба.

таний гидросирены, обеспечивающей интенсивность излучения на границе раздела фаз 800 Вт/м2 при частоте пульсаций 10—60 Гц,

разработан регламент размыва подземной емкости диаметром 32 м и высотой 123 м [188]. Технико-экономическим расчетом показано, тто время размыва емкости объемом 100 тыс. м3 может быть сокращено с 554 до 294 суток.

ГЛАВА IV

АППАРАТЫ ДЛЯ РАСТВОРЕНИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТОВ

П

роцесс растворения можно осуществлять в периодическом или непрерывном режиме. При периодическом процессе в одном и том же аппарате проводят ряд последовательных операций: заполнение аппарата, включая дозировку, подогрев среды до задан- i ной температуры, растворение материала, отделение раствора от не- I растворимого остатка, выгрузку раствора и остатка, подготовку аппарата к следующему циклу и т. д. В некоторых случаях аппарат для растворения может служить емкостью, в которой продукты растворения накапливаются и хранятся. Периодические процессы используют в малотоннажных производствах, при большом ассортименте растворяемых веществ, а также в случаях, которым сопут- I ствует кристаллизация, нарушение условий стерильности, герме- I тичности или при большой длительности процесса.

В непрерывном процессе все операции осуществляются одно- ' временно, но каждая в отдельном аппарате или его узле. В этом случае транспорт продуктов между аппаратами должен осущест- вляться непрерывно. Кроме того, для обеспечения бесперебойной работы как на питании, так и на разгрузке необходимо иметь буфер

ные емкости, которые компенсируют неравномерность подачи или разгрузки материалов.

Непрерывные процессы имеют ряд преимуществ по сравнению с периодическими: специализация аппаратуры для каждой стадии процесса, стабильность процесса во времени, высокое качество и однородность получаемых растворов, простота регулировки и автоматизации.

В соответствии с организациоино-технической структурой процесса различают аппараты для растворения периодического и непрерывного действия. .

Аппараты непрерывного действия компактнее периодических, требуют меньших капитальных затрат и эксплуатационных расходов. В зависимости от характера движения твердой и жидкой фаз их делят на аппараты полного смешения, полного вытеснения и аппараты промежуточного типа.

В аппаратах полного вытеснения (рис. IV. 1, а), к которым могут относиться аппараты с неподвижным слоем растворяемого

материала, концентрация растворенного вещества в жидкости меняется по высоте (длине) аппарата Л от начальной Сн до конечной Ск・ При этом в процессе движения жидкие объемы не смешиваются один с другим.

В аппаратах полного смешения (рис. IV.1, 6), к которым мо- гут принадлежать аппараты с перемешивающими устройствами, объемы жидкости идеально перемешиваются, поэтому концентрация

Рис. IV.1. Схемы изменения движущей силы АС для аппаратов полного вытеснения (а), полного смешения (б) и промежуточного типа (в).

раствора в аппарате постоянна и равна Ск. В аппаратах промежуточного типа (рис. IV.1, б) не достигается ни полное вытеснение, ни полное смешение. Соответственно этому концентрация раствора изменяется от Сн до Ск・ Как видно из рис. IV.1, наибольшая величина движущей силы (разности концентраций) соответствует аппаратам полного вытеснения, наименьшая — аппаратам полного смешения. Движущую силу в аппаратах полного смешения можно значительно увеличить, если разделить рабочий объем аппарата на ряд секций. С увеличением числа секций величина движущей силы приближается к ее значению в аппаратах полного вытеснения. Практически при 8—12 секциях движущие силы в аппаратах обоих типов становятся одинаковыми. Секционирование приводит также к более равномерному распределению твердого материала по времени пребывания в аппарате [162].

АППАРАТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

СО СТАЦИОНАРНЫМ СЛОЕМ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

Такие аппараты просты по конструкции, их применяют для растворения материалов широкого гранулометрического состава. Фильтр ующа я способность стационарного слоя используется для предотвращения уноса мелких частиц и получения чистых растворов.

Рис. IV.2. Солерастворитель：

I — зерно кварца размером 1—2,5 мм; II — то же, 2,5 — 6 мм; III — то же, 5—10 мм; 1 — корпус; 2 — перфорированный лист； з, 4 — гагуцеры для вывода раствора и ввода воды; 5 — люк.

Рис. IV.3. Перколяционный растворитель:

— корпус; 2 — углубление; з — труба для фильтрата; 4 — штуцер для удаления фильтрата; 5 — труба для рыхления осадка; 6 — штуцер для удаления осадка; 7 — стойка； 8 — приемник суспензии; 9 — ось; 10 — распределительный желоб.

Широкое распространение эти аппараты получили в теплоэнергетике для получения растворов NaCl, используемых в процессе регенерации ионообменных смол.

Солерастворитель (рис. IV.2) представляет собой цилиндрический сосуд с эллиптическими днищем и крышкой, способный работать под давлением воды до 0,6 МПа. Около половины объема сосуда занимает фильтрующий слой, образованный тремя фракциями кварцевого песка различной крупности. Соль периодически загружают через верхний люк; она растворяется водой, поступающей через колено трубопровода в верхнюю часть аппарата.

Аппарат предназначен для растворения соли с незначительным содержанием нерастворимого остатка. Если в мелкодисперсной твердой фазе содержится много нерастворимых частиц, то процесс растворения при фильтрации растворяющей жидкости через слой растворяемого материала (перколяция) осуществляют в аппаратах» напоминающих осветлители.

На рис. IV.3 покаван такой аппарат для растворения ванадия из железованадиевых кеков [190]. Он представляет собой цилиндрический корпус 1 с коническим днищем, оканчивающимся углублением 2. В корпусе аппарата расположена труба 3 со штуцером 4 для отвода фильтрата, труба 5 для разрыхления осадка, штуцер 6 для откачки суспензии осадка и опорная стойка 7, на которой установлен приемник суспензии 8, закрепленный на оси 9 вместе с распределительными желобами 10. Аппарат работает следующим образом

Суспензия с заданным отношением количества растворяющей жидкости и твердого дисперсного материала насосом подается в приемник суспензии 8, из которого она через желоба 20, вращающиеся на ферме вокруг оси У, равномерно распределяется по всей поверхности аппарата. В процессе заполнения аппарата суспензией материал растворяется и одновременно раствор фильтруется через уплотненный материал в нижней части аппарата. Раствор через углубление 2 и перфорацию нижней части трубы 3, а затем через штуцер 4 самотеком поступает в сборник раствора. Для увеличения концентрации раствор подвергают циркуляции qepes приемник 8. По окончании процесса растворения в трубу 5 под давлением подают воду, которая разрыхляет осадок. Образующаяся суспензия откачивается песковым насосом через штуцер 6. Затем цикл повторяется снова.

АППАРАТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Для перемешивания можно использовать кинетическую энергию одного из компонентов суспензии; например, при падении твердых частиц, подлежащих растворению, в жидкость или при использовании жидкостного инжектора для движения суспензии. Наиболее распространен способ подвода энергии к суспензии перемешивающими устройствами. Последние могут быть с твердым рабочим органом (механические мешалки, барабанные аппараты с загрузкой в виде стержней, шаров, крупных кусков растворяемого вещества) или с газообразным рабочим органом (перегретый пар, сжатый воздух).

Выбор этих устройств определяется реологическими характеристиками перемешиваемой среды, в основном вязкостью.

Как известно, в зависимости от соотношения между силой внутреннего трения и Т,радиентом скорости все жидкости делятся на ньютоновские и неныотоновские. Первые характеризуются вязкостью 卩,вторые — группой реологических констант, к числу которых принадлежит кажущаяся (эквивалентная) вязкость р,экв [166].

Вода, водные растворы минеральных веществ и низкоконцентрированные суспензии относятся к ньютоновским жидкостям, а растворы полимеров, латексы, пасты, концентрированные суспензии — к неньютоновским.

Для перемешивания маловязких ньютоновских жидкостей применяют турбулентный режим. Перемешивание высоковязких и неньютоновских сред осуществляют главным образом в ламинарном режиме, так как переход к турбулентности потребовал бы большого расхода энергии.

Различные конструкции аппаратов с перемешивающими устрой^ ] ст вами оценивают по интенсивности и эффективности перемешивания. !

Интенсивность перемешивания определяется временем достиже- I ния конкретного технологическосо результата при постоянном числе | оборотов мешалки или числом оборотов, необходимых для достиже» I ния этого результата при г а данной продолжительности перемети- I вания. Более интенсивными являются такие конструкции, которые обеспечивают получение технологического результата за более короткое время или при меньшем числе оборотов.

Недостатком такою критерия интенсивности является невозможность распространения результатов, полученных при изучении одних процессов, на другие.

Эффективность перемешивания определяется затратами энергии на получение данного технологического результата. Чем меньше затраты, тем эффективнее аппарат. Однако достаточно надежные экспериментальные данные об интенсивности и эффективности перемешивающих устройств для процесса растворения отсутствуют.

Практика использования различных конструкций перемешивающих устройств показала, что для невязких сред можно успешно использовать лопастные, пропеллерные и турбинные мешалки.

При вращении лопастей таких мешалок на поверхности жидкости образуется воронка, глубина которой 色 определяется диаметром мешалки и частотой ее вращения [141]:

先=№^(*У(2У(IV/)

где Reu — центробежный критерий Рейнольдса (см. разд. 5 гл. II); Fr” = =z^dv/g — центробежный критерий Фруда; d： — диаметр сосуда; d” 一 диаметр мешалки; h ——высота лопасти мешалки; п ——частота вращения мешалки.

Значения коэффициентов и показателей степени для некоторых ! типов мешалок приведены в табл. IV.1.

Таблица IV.1. Коэффнциенты и показатели степени уравнения (IV. 1)

Тип мешалки

А

а .

6

С

d

Лопастная (а = 90°),,.

0,06

0,30

0,78

-0,37

—0,04

Лопастная (а = 45°). •.

0,06

0.28

0,75

—0,29

-0,12

Пр 血еллерная

0,03

0,32

0,52

—0,24

-0,25

Турбинная закрытая . •.

0,31

0,26

0,69

-0,54

-0,15

Нормальная работа мешалки соответствует условиям, при которых глубина воронки меньше глубины расположения лопастей мешалки. Для исключения образования воронки у стенок аппаратов с быстроходными мешалками устанавливают радиальные отражательные перегородки шириной В = 0,ldc

Равномерность распределения твердых частиц в сосуде возрастает по мере опускания мешалки под уровень жидкости и достигает максимума, когда расстояние мешалки от днища сосуда 九м составляет

Рис. IV.4. Схемы растворителей с лопастной (а), пропеллерной (6) и турбинной ® мешалками:Z — сосуд; 2 — вал; 3 — мешалка; 4 — отражательная перегородка.Рис. IV.4. Схемы растворителей с лопастной (а), пропеллерной (6) и турбинной ® мешалками:Z — сосуд; 2 — вал; 3 — мешалка; 4 — отражательная перегородка.

Рис. IV.4. Схемы растворителей с лопастной (а), пропеллерной (6) и турбинной ® мешалками:

Z — сосуд; 2 — вал; 3 — мешалка; 4 — отражательная перегородка.

Рис. IV.4. Схемы растворителей с лопастной (а), пропеллерной (6) и турбинной ® мешалками:

Z — сосуд; 2 — вал; 3 — мешалка; 4 — отражательная перегородка.

(0,1—0,3)几 для лопастных и (0,5—1) dM для пропеллерных и турбинных [165].

К числу первых переметив а ющих устройств, примененных в промышленной практике, относятся лопастные мешалки (рис. IV, 4, л), отличающиеся простотой и низкой стоимостью изготовления. Как правило, они имеют две лопатки (лопасти), плоскость которых перпендикулярна плоскости днища (прямые лопатки) или расположена под углом (наклонные лопатки). В последнем случае интенсивность перемешивания значительно выше. Такие мешалки создают главным образом окружную циркуляцию жидкости при незначительной радиальноосевой циркуляции. Лопастные мешалки с высокими лопастями (высота лопасти составляет 0,8—1,2 диаметра, ометаемого лопастями) называют листовыми. Хотя такие мешалки используют Для процессов растворения при окружных скоростях 1,5—4 м/с, они, однако, отличаются низкой интенсивностью перемешивайия 11861.

Совершенствование лопастных мешалок привело к разработке и широкому применению пропеллерных и турбинных мешалок.

Пропеллерные мешалки, выполненные в вице корабельного винта (рис. IV.4, б), создают в аппарате интенсивную циркуляцию средн, что обусловлено возникновением насосного эффекта. Они отличаются от мешалок других типов низким расходом энергии. Частота вращения вала составляет п = 2——30 об/с (для жидкостей малой вязкости дг W 30 об/с, для сред вязкостью 0,05——0,2Па -с величина п ^20 об/с,

Рис. IV.5. Растворитель с многоагрегатной (а) и прецессирующей (6) мешалкой: J—сосуд; 2 — крышка; 3 — привод; 4 — вал; 5 — мешалка.

для сред вязкостью более 0,2 Па-с величина 打 w 7 об/с [186]). Преимуществом таких мешалок является возможность муфтового соединения вала мешалки с валом электродвигателя. Для небольших объемов пропеллер изготавливают упрощенным способом, выгибая лопасти из листовой стали. Для исключения образования воронки кроме отражательных перегородок эксцентрично располагают вал мешалки или устанавливают его под некоторым углом к оси аппарата. В некоторых случаях для усиления осевой циркуляции пропеллер помещают в диффузор (циркуляционную трубу).

Турбинные мешалки (рис. IV.4, е) представляют собой один или два диска с укрепленными на них лопатками. Если лопатки заключены между дисками наподобие колеса центробежного насоса, то такая мешалка называется закрытой турбинной. Наиболее простым® и достаточно эффективными являются мешалки с прямыми лопату ками, расположенными радиально в плоскости, перпендикулярной 182

плоскости днища. Мешалки с изогнутыми лопатками потребляют меньшую мощность.

Обстоятельные рекомендации по расчету и конструированию узлов и деталей упомянутых перемешивающих устройств содержатся в монографии Ф. Стренка [1861.

Если объем сосуда превышает 20 м3 [131], то для обеспечения равномерности перемешивания применяют много агрегатные (рис. IV.5, а) или прецессирующие (рис. IV.5, 6) мешалки. Вал прецессирующей мешалки соединен с валом привода шарнирной муфтой, подобной шарниру Гука от карданного вала автомобиля. При вращении вокруг собственной оси с угловой скоростью (ос вал мешалки отклоняется от вертикали и движется по образующей конуса (процессирует) с некоторой угловой скоростью ①口.

Таким образом, при небольших размерах рабочего органа (dM/dc= =1/6——1/8) удается осуществить достаточно равномерное перемешивание в сосудах с оптимальным отношением габаритных размеров, когда диаметр сосуда равен его высоте. Кроме того, исключаются недолговечные концевые подшипники вала мешалки, увеличиваются примерно в четыре раза критические скорости колебаний вала (что позволяет снизить более чем в два раза диаметр жестких консольных валов), уменьшаются мощность, габариты и масса привода, уве- личивается долговечность работы мотор-редуктора, так как его тихо^ ходный вал почти полностью освобождается от неуравновешенных нагрузок гидродинамического происхождения.

Эти преимущества в конечном итоге позволяют значительно снизить расходы на изготовление, эксплуатацию и ремонт по сравнению с расходами на аппараты, в которых используются многоагрегатные механические мешалки.

Некоторые данные, иллюстрирующие эффективность прецессирующих мешалок, приведены в табл. IV.2 [131].

При необходимости равномерного интенсивного перемешивания, когда мощность и масса привода существенно возрастают, исполь-

Таблица IV.2. Техническая характеристика многоагрегатной и прецессирующей мешалок

Характеристика

Мешалка

много агрегатная

прецессирующая

Объем аппарата, м3

Мощность привода, кВт Частота вращения мешалки, об/с .・ Масса, кг мешалки привода

Межремонтный период концевых подшипников, сутки

2568

1427

0,3—0,63

923663

17502660

60—8030

2587

1028

3,32,3

95285

2901500

зуют аппараты с горизонтальным расположением одного или нескольких валов с лопастями. На рис. IV.6 приведен общий вид такого аппарата. Он представляет собой сварной горизонтальный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами и рубашкой для охла-

Рис. IV.6. Треувальный горизонтальный растворитель екшостью 10 м3 для приготовления медноаммиачного раствора из разрыхленной целлюлозы:】 ▼ Z — привод;倉 一 горизонтальный сосуд с рубашкой; 3 — люн-лав; 4 — вал.

ж дения. Внутри сосуда расположены три горизонтальных вала с лопастными мешалками. Аппарат имеет следующую техническую характеристику:

Емкость, м3 аппарата 1°

рубашки-• • •°,8

Поверхность охлаждения,м2 18

Рабочее давление, МПа в аппарате 0,6

в рубадпке * 0,25

Частота вращения валов мешалки, об/с0,1—0,2

Мощность привода, кВт 30—40

Габариты, мм длина 9260

ширина 2500

высота 2580

Масса, кг 24000

Для таких же условий растворения при ограниченной производственной площади применяют циркуляционные растворители с песковым насосом (рис. IV.7). Суспензия насосом подается в резервуар по тангенциально смонтированному напорному трубопроводу 4, 口°- этому она вращается вокруг оси резервуара. Недостатки циркуляционного растворителя — трудность подбора и ненадежность работы запорного устройства для суспензий, особенно при получении растворов, близких к насыщению, когда возможна кристаллизация и закупорка запорного устройства.

При растворении концентратов, содержащих цветные металлы, в агрессивных кислых растворах целесообразно использовать для перемешивания сжатый воздух. Аппарат для растворения с пневматическим перемешиванием (пачук) представляет собой (рис. IV.8) вер-

Рис. IV.7. Циркуляционный растворитель с песковым насосом:

Z — сосуд; 2 — запорное устройство; з ——насос； 4 — напорный трубопровод.

Рис. IV.8. Аппарат для пневматического перемешивания с внутренним циркуляционным контуром (пачук):

I — сосуд; 2 — эрлифтная труба; з — труба для подвода воздуха. •

тикальный сосуд с коническим днищем и центральной эрлифтной трубой 2, нижний конец которой находится на расстоянии 0,2—— 0,5 м от днища, а верхний — на уровне зеркала или на 0,5—0,2 м выше него. Снизу в эрлифтную трубу подается сжатый воздух под Давлением 0,3—0,5 МПа (3—5 кгс/см2), которым при его расходе около 11 м3/ч на 1 м3 суспензии она хорошо перемешивается. После включения эрлифта аппарат загружают суспензией через штуцер в крышке. После окончания растворения суспензию выгружают ие- рез штуцер в днище аппарата.

Когда необходимо растворять твердую фазу, поверхность кото- Р°й экранирована твердыми продуктами реакции или примесями. Используют аппарат с внешним циркуляционным контуром (рис. IV.9) [136]. В верхней части корпуса аппарата смонтирован колосниковый грохот 7・ Твердый материал, подлежащий растворе- Hiiio, после заполнения аппарата растворяющей жидкостью (через Штуцер 7) и пуска эрлифта 4 загружают через тот же штуцер 1.

Совершая циркуляцию, суспензия ударяется о колосники, в результате чего разрушаются экранирующие оболочки твердых частиц. 1аким образом, в течение всего времени растворения твердые

частицы контактируют с растворителем. После окончания растворения эрлифт отключают и суспензию выпускают через клапан 6 в про

межуточный сосуд.

Рис. IV.9. Аппарат для пневматического перемешивания с внешним циркуляционным контуром:】一загрузочный штуцер; 2 — вытяжная труба; 3 — корпус; 4 — ерлифт; 5 — воздушная труба; 6 — клапан разгрузочный; 7 — грохот колосниковый.Рис. IV.9. Аппарат для пневматического перемешивания с внешним циркуляционным контуром:】一загрузочный штуцер; 2 — вытяжная труба; 3 — корпус; 4 — ерлифт; 5 — воздушная труба; 6 — клапан разгрузочный; 7 — грохот колосниковый.Рис. IV.10. Эмалированный аппарат с якорной мешалкой: 1 — привод; 2 — крышка; 3 — сосуд; 4 — рубашка; 5 — труба для гильзы термометра; 6 ——мешалка; 7 — разгрузочный вентиль; S и 5— штуцеры для ввода и вывода теплоносителя; 10 — люк; 11 — смотровое окно.

Рис. IV.9. Аппарат для пневматического перемешивания с внешним циркуляционным контуром:

】一загрузочный штуцер; 2 — вытяжная труба; 3 — корпус; 4 — ерлифт; 5 — воздушная труба; 6 — клапан разгрузочный; 7 — грохот колосниковый.

Рис. IV.9. Аппарат для пневматического перемешивания с внешним циркуляционным контуром:

】一загрузочный штуцер; 2 — вытяжная труба; 3 — корпус; 4 — ерлифт; 5 — воздушная труба; 6 — клапан разгрузочный; 7 — грохот колосниковый.

Для растворения дисперсной твердой фазы в высоковязких и не- ньютоновских жидкостях применяют аппараты с якорными, рамнымй» ленточными и шнековыми мешалками, обеспечивающими механическое воздействие на среду в аксиальном и радиальном направлю

ниях во всем объеме аппарата.

На рис. IV. 10 показан эмалированный аппарат с якорной мешалкой. Он состоит из сосуда 3 с рубашкой 4 и крышки 2, на которой установлен привод 1 мешалки 6. Крышка снабжена люком 10 со смотровым окном II, трубой 5 для гильзы термометра, сальниковым уплотнением вала мешалки и несколькими технологическими штуцерами для ввода растворяющей жидкости и твердого материала (на рисунке не показаны). Крышка соединена с корпусом сосуда свободными фланцами, сжимающими прокладку между отбортовкой крышки и сосуда болтовыми зажимами. Для обеспечения заданной температуры в сосуде в рубашку через штуцеры 8 о 9 вводят и выводят пар, горячую или холодную воду. Аппарат разгружают через вентиль 7 в днище сосуда. Аппарат имеет следующую техническую характеристику:

Емкость, м3 сосуда 6,3

рубашки 0,9

Рабочее давление, МПа в сосуде 0,3

в рубашке 0,4

Температура, К 253—473

Частота вращения мешалки,об/с0,75

Мощность электродвигателя,кВт7,5

Габариты, мм высота 5170

длина 2450

ширина 2000

Масса, кг 4900

Якорные мешалки пригодны для перемешивания сред вязкостью 1 Па-с (103 сП), а рамные — для сред вязкостью 100 Па-с (105 сП). В случае перемешивания очень вязких сред якорную машалку снабжают дополнительными поперечными или вертикальными элементами: получается рамная мешалка.

Шнековые мешалки (рис. IV.11, а), называемые также винтовыми, работают по принципу пропеллерных, но при меньших числах оборотов (Вец <30). Они пригодны для перемешивания неньютоновских, высоковязких (до 100 Па-с) сред и паст в сравнительно небольших объемах. Предпочтительна их работа в сосуде с перегородками или с циркуляционной трубой.

Для очень вязких жидкостей и сосудов больших объемов применяют ленточные мешалки (рис. IV.11, 6) при Reu <80. Если растворение ведут при повышенных температурах, то для очистки поверхности теплообмена и увеличения коэффициента теплоотдачи применяют ленточные мешалки со скребками (рис. IV.11, е) [166]. Они могут работать как в вертикальных, так и горизонтальных сосудах при Reu <300. В вертикальных сосудах ленточные и шнековые мешалки создают циркуляционный контур с восходящим потоком по оси сосуда и нисходящим у стенок, поэтому их можно успешно использовать для процессов растворения в жидкостях, вяз- коств которых изменяется в широких пределах.

ленточной (6),ленточной (6),ленточнойленточнойрис. IV.il. Схемы растворителей со шнековой (с), со скребками (в) мешалками：

ленточной (6),

ленточной (6),

ленточной

ленточной

Z 一 сосуд; 2 — вал; 3 ——мешалка.

5 — маслостанция；5 — маслостанция；Рис. IV.12. Растворитель для получения вязких растворов:

5 — маслостанция；

5 — маслостанция；

1 — торцовая стенка; £ — корпус; 3 — откидная крышка； 4 — ротор;

6 — станина; 7 — гидроцилиндр; 8 — взрывная мембрана.

Для растворения небольших количеств твердого материала применяют аппараты с ленточной мешалкой б виде двух роторов z-образ- ной формы, вращающихся в противоположных направлениях и с разным числом оборотов. Один из таких аппаратов (рис. IV.12) представляет собой корытообразный сосуд 2 с торцовыми стенками 1 и выпуклой откидной крышкой 3. В корпусе вращаются два z-образных ротора 4. Рабочий объем аппарата снабжен предо хранительным устройством ——взрывной мембраной 8. Для опрокидывания аппарата при выгрузке раствора предусмотрена гидросистема, включающая в себя маслостанцию 5 и гидроцилиндр 7. Аппарат имеет следующую техническую характеристику [192]:

Емкость рабочая, м3 0,2

Давление, МПа в рабочей камере 0,01

в рубашке 0,3

в гидросистеме 5

Мощность привода, кВт роторов 7,5

маслостанции 0,8

Частота вращения роторов, об/с быстроходного 0,5

тихоходного 0,35

Габариты, мм высота 2215

длина 1525

пшрина 2340

Масса, кг 2865

АППАРАТЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ

Непрерывный процес можно осуществить и в аппарате периодического действия, если его рабочий объем равен или больше произведения из требуемой производительности непрерывного процесса на время его протекания в режиме полного смешения, т. е. при постоянной минимальной движущей силе. Так как скорость растворения пропорциональна движущей силе, то очевидна нерациональность такого варианта осуществления процесса.

Поскольку трудно реализовать режим полного вытеснения, отличающийся максимальной движущей силой, на практике исполь- зуют промежуточные режимы, проводимые в отдельном реакционном объеме (аппараты со взвешенным слоем), в секционированном реакционном объеме одного аппарата (корытные аппараты с рамными мешалками) или в ряде последовательно соединенных аппаратов полного смешения (батареи аппаратов с мешалками).

В аппаратах со взвешенным слоем практически вся поверхность твердых частиц в течение всего времени протекания процесса доступна воздействию жидкости. В зависимости от высоты или длины слон взвешенных частиц аппараты выполняют в виде вертикаль- ннх колонн, вертикальных или горизонтальных труб. Колонные

аппараты используют для диффузионного растворения твердых частиц с небольшим количеством нерастворимого остатка и сравнительно

i

Твердый материал

ТвердыйТвердыйОстатокОстаток

Твердый

Твердый

Остаток

Остаток

Рис. IV.13. Колонный аппарат для растворения в псевдоожиженном (кипящем) слое：

I ——штуцер для ввода растворителя; 2 — распределительная решетка; 3 ——колонна; 4 — сосуд; 5 — штуцер для ввода твердого материала; 6 — кольцевой желоб; 7 — штуцер для выгрузки нерастворимого осадка.

Рис. IV.14. Колонный аппарат с кипящим слоем*и зоной промывки нерастворимых частиц:

J — колонна; 2 — расширение; 3 — перегородка; 4 — штуцер для загрузки твердого материала； 5—штуцер для отвода раствора; 6—распределительная решетка； 7 ——штуцер для ввода растворителя; £ — зона промывки нерастворимого остатка; 9 — штуцер для удаления остатка.

узким гранулометрическим составом. В них реализуется псевдоожи- Нленный (кипящий) слой твердых частиц. Поэтому их также называют аппаратами с кипящим слоем (КС).

190

Полидисперсные смеси целесообразно растворять в трубчатых аппаратах, отличающихся большой высотой (длиной) труб. При этом обеспечивается растворение уносимых мелких фракций. Нерастворимый остаток удаляется непрерывно в режиме гидротранспорта или периодически при повышении скорости движения растворителя.

Одна из конструкций колонного аппарата для растворения галитовых (NaCl) отходов калийных предприятий [87] показана на рис. IV.13. Аппарат состоит из колонны 3, выполненной из двух цилиндрических секций, соединенных вверху с сосудом 4, а внизу —— с распределительной решеткой 2. Через нижний штуцер 1 в аппарат непрерывно поступает растворитель, а через верхний 5 ——твердый материал. Растворитель (вода) приводит слой твердых частиц в псев- дооткиженное состояние. Для предотвращения уноса твердых частиц верхняя часть аппарата расширена и снабжена кольцевым желобом 6. Через штуцер 7 периодически выгружается нерастворимый остаток.

При растворении в воде галитового отвала Березниковского калийного комбината крупностью 0,5—5 мм, содержащего 86% NaCl при Т = 293 К, аппарат обеспечивал производительность до 20 M?/q по рассолу концентрацией 305 кг/м3 на высоте 2,8 м от решетки. Дальнейшее повышение высоты слоя приводит лишь к незначительному повышению концентрации NaCl (в пределах 4—6 кг/м3). При скорости фильтрации растворителя 1Гф = 4—6 см/с коэффициент скорости растворения составлял К = 13 мкм/с, удельная производительность 120—160 м3/ч рассола, унос 16—17 г/л. Аппарат может работать без спуска нерастворимого остатка 24—28 ч. Спуск остатка через штуцер диаметром 150 мм осуществляется самотеком в течение 4—5 мин.

Ж. Мартин [130] предложил конструкцию растворителя с кипящим слоем для непрерывного растворения калийных руд (рис. IV. 14), в котором имеется зона промывки нерастворимого остатка. Растворитель представляет собой колонну 2, переходящую в расширение 2・ В верхней части аппарата расположена перегородка 3 для исключения уноса твердого измельченного материала, загружаемого через штуцер 4. Жидкость через штуцер 7 и съемную коническую решетку 6 поступает в колонну и контактирует с твердыми частицами в кипящем слое. Насыщенный раствор выпускают через штуцер 5. Нерастворимые твердые частицы отводят периодически через промывочную зону 8 и штуцер 9.

Недо статком описанных аппаратов является ограниченная скорость обтекания твердых частиц жидкостью (не превышающая 1,5—— 2 м/с). Для увеличения скорости обтекания до нескольких десятков метров в секунду можно использовать аппараты с центробежным взвешенным слоем.

На рис. IV. 15 показана конструкция аппарата с центробежным псевдоожиженным слоем, создаваемым во вращающемся барабане. Аппарат представляет собой барабан 1 с коническими торцовыми стенками и перфорированной цилиндрической обечайкой 2, вращающейся на полых цапфах 6 в подшипниках 7. Твердая фаза

непрерывно поступает в барабан через неподвижную трубу 14 с сальниковым уплотнением 8. Раствор отводится через штуцер 9. Растворяющая жидкость подается через штуцер 3 в цилиндрическом кожухе 4 с коническими крышками 5. Для исключения утечки жидкости между цапфой и крышками кожуха также установлены сальниковые уплотнения. Твердые частицы, прошедшие через перфорированные стенки

Рис. IV. 15. Растворитель с центробежным псевдоожиженным слоем во вращающемся барабане:

л 一 вращающийся барабан; 2 — перфорированная цилиндрическая обечайка; з — штуцер для ввода растворяющей жидкости; 4 一 цилиндрический кожух; 5 — крышка кожуха； 6 — полая цапфа; 7 — подшипник; 8 — сальниковое уплотнение; 9, 70 — штуцеры для отвода раствора и провала; 11 — бункер; 12 — электродвигатель; ?з — клиноременная передача； 14 — штуцер для ввода исходной суспензии.

барабана при случайном уменьшении давления жидкости, собираются в бункере 11 и периодически удаляются через штуцер 10.

На рис. IV.16 показан аналогичный аппарат с центробежным взвешенным слоем во вращающихся колоннах 4, закрепленных расширенной частью в полой цапфе 6. Твердый материал подают на растворение в виде суспензии через внутреннюю трубу 12. Патрубки 3 служат для распределения материала по колонкам 4. Жидкость поступает через штуцер 13 в коробку 10 с сальниковыми уплотнениями 9 и Л, из которой по кольцевому зазору направляется в рас- п ре де лите л ьные конусы 7 и далее в колонки 4 через распределительные решетки 5. Раствор через сборник 1 отводится на осветление. Цапфа вращается в подшипниках 2 с помощью шкива 8 клиноремен- 492

hofo привода. Аппарат такой конструкции испытан Д. Д. Драгоми- рецким [661 в условиях растворения галита в периодическом режиме. Процесс растворения фракций соли крупностью 2,5——5,5 мм завершался в течение 35——40 с при скорости фильтрации воды 収= = 10,8 м/с (частота вращения ротора п = 42,5 об/с).

Рис. IV.16. Растворитель с центробежным взвешенным слоем во вращающихся колонках:1 — сборник раствора; 2 — подшипник; 3 — распределительный патрубок; 4 — колонка; 5 — решетка; 6 — цапфа; 7 — распределительный конус； 8 — шкив; 9. 11 — сальниковые уплотнения; 10 — коробка; 12 — труба; 13 — пггуцер для ввода растворяющей жидкости.Рис. IV.16. Растворитель с центробежным взвешенным слоем во вращающихся колонках:1 — сборник раствора; 2 — подшипник; 3 — распределительный патрубок; 4 — колонка; 5 — решетка; 6 — цапфа; 7 — распределительный конус； 8 — шкив; 9. 11 — сальниковые уплотнения; 10 — коробка; 12 — труба; 13 — пггуцер для ввода растворяющей жидкости.

Рис. IV.16. Растворитель с центробежным взвешенным слоем во вращающихся колонках:

1 — сборник раствора; 2 — подшипник; 3 — распределительный патрубок; 4 — колонка; 5 — решетка; 6 — цапфа; 7 — распределительный конус； 8 — шкив; 9. 11 — сальниковые уплотнения; 10 — коробка; 12 — труба; 13 — пггуцер для ввода растворяющей жидкости.

Рис. IV.16. Растворитель с центробежным взвешенным слоем во вращающихся колонках:

1 — сборник раствора; 2 — подшипник; 3 — распределительный патрубок; 4 — колонка; 5 — решетка; 6 — цапфа; 7 — распределительный конус； 8 — шкив; 9. 11 — сальниковые уплотнения; 10 — коробка; 12 — труба; 13 — пггуцер для ввода растворяющей жидкости.

193193Вертикальный трубчатый растворитель (рис. IV. 17) представляет собой ряд последовательно соединенных вертикальных труб 4, через которые насосом 9 прокачивается суспензия, приготовляемая в сосуде с мешалкой 8. Твердый материал подается в емкость 2 ленточным транспортером 1. Для поддержания заданной температуры трубы снабжены паровыми рубашками 3. В случае внезапной остановки насоса 9 емкость 2 и труба 4 освобождаются от суспензии через задвижку 10 и трап в полу в заглубленный сборник (зумпф), а остальные трубы ——через задвижки 7 в горизонтальную корытную мешалку 8. Затем трубы промываются водой из напорного бака 5 Для предотвращения забивки труб твердым материалом. К электродвигателю мешалки 8 предусмотрен аварийный подвод электропитания, автоматически включающегося при выключении основного

193

193

13 Заказ 1159

支 & июэнэдиоц

•оооен I ■ ~BHHBmaK — з^няш 咼ве I die KlfMMOAg — 9 mnoa Ш£Е HB9 I 9 -cc9AdiI BBHqHBHHPdaH I p -exnIBgAa Krtnoas I ^ ^«0^§шя°HAOO。— 3 -daLdonoHBOL «ИИРОЁФК I ^

:quBJ0don5Ed 暇aIEh9AdI ^зд䧫ин&м V'AI 60d

электропитания. После аварийной остановки суспензия перекачивается насосом зумпфа в сосуд 2.

Скорость движения суспензии по трубам должна превышать скорость осаждения самых крупных частиц во избежание закупорки ими нижних колен. Таким образом, в аппарате осуществляется послойное перемещение суспензии в условиях, близких к режиму идеального вытеснения. При этом скорость движения мелких фракций вьппе скорости движения крупных. Это приводит к дополнительной интенсификации процесса, что обусловлено возникновением абразивного эффекта. Поэтому скорость растворения, например,

Рис. IV.18. Инжектор：

1 ——ввод для загрузки суспензии; 2 — ввод растворяющей жидкости; е — вывод суспензии в трубопровод.

глинистой полиминеральной руды Калушского месторождения в трубчатом аппарате оказалась в два раза выше [96], чем в корытном с рамной мешалкой.

На Калушском химико-металлургическом комбинате испытан вертикальный трубчатый аппарат (четыре трубы диаметром 250 мм и длиной около 10 м каждая) для растворения сильвинита [178]. Производительность аппарата достигала 100 м3/ч по суспензии (Т : Ж = 1 : 3) при скорости потока 0,55 м/с. При этом никаких отложений в коленах не обнаружено. Только при снижении скорости потока суспензии до 0,3 м/с нижние колена аппарата оказались заполненными солью. Для одного и того же времени растворения длина труб вертикального аппарата должна быть примерно в три раза меньше длины труб горизонтального аппарата. Это связано с необходимостью поддержания более высокой скорости движения суспензии по горизонтальным трубам во избежание осаждения частиц на стенках. Однако горизонтальные трубчатые аппараты с успехом применяют в тех случаях, когда необходимо совместить процесс растворения с транспортированием суспензии или раствора-

Горизонтальный трубчатый аппарат для скоростного растворения галита в воде производительностью 800 м3/ч суспензии действует на калийном предприятии комбината Верра (ГДР). Он представляет собой две ступени длиной по 160 м пз футерованных хера- ^икоп труб внутренним диаметром 350 мм. Через загрузочную

воронку в трубопровод подается твердый материал и часть растворяющей жидкости. Основное количество жидкости подается через сопло инжектора (рис. IV. 18).

Такие аппараты компактны, удобны в обслуживании и надежны в работе. Особенно эффективно их использование при гидромониторной добыче полезных ископаемых (например, содовой руды) с последующим совмещением процессов растворения и гидротранспортирования, а также при гидромониторном способе растворения NaCl на складах. Это связано с интенсивным растворением твердого вещества в процессе разрушения твердого тела, когда оно омывается жидкой струей со скоростью 10—50 м/с [152, 219].

АППАРАТЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

С ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Одним из распространенных аппаратов этой группы является горизонтальный корытный растворитель для калийных руд с комбинированной шнеково-ленточной мешалкой, известный под названием шнековый растворитель (рис. IV. 19). Он состоит из сварного корпуса 24 корытообразной формы с машалкой и наклонным ковшевым элеватором 14 для выгрузки нерастворившейся твердой фазы. Корпус снабжен герметичной крышкой 7, на которой расположены люки~лазы 4, и поперечными перегородками 20, достигающими окружности, описываемой элементами мешалки. Перегородки, предназначенные для уменьшения продольного перемешивания, делят объем растворителя на шесть секций. Корпус растворителя и наклонного элеватора опирается на строительные конструкции лапами 23, которые могут перемещаться по роликам при температурных деформациях корпуса.

Мешалка представляет собой горизонтальный вал 12, вращающийся в подшипниках скольжения 11. Она имеет пять секций перемешивающих элементов: лопасти 9, обра зующие прерывистую спираль для перемещения твердого материала вдоль корпуса, и скребки 8, установленные параллельно валу для перемешивания в пределах каждой секции. Первая по ходу твердой фазы секция предназначена для получения суспензии и ее транспортирования, поэтому она состоит из шнековой 23 и ленточной 22 полусекций- Вал снабжен сальниковыми уплотнениями 25 и приводится во вращение электродвигателем 1 через редуктор 2 и дополнительную зубчатую передачу 3.

Твердый материал и растворяющая жидкость непрерывно поступают в корпус аппарата через штуцеры 17 о 5, а раствор отводится через сливной желоб и штуцер 18 с противоположного конца корпуса растворителя. Твердый материал перемещается вдоль корпуса аппарата спиральными лопастями, а жидкость движется в том же направлении самотеком. Нерастворивпшйся остаток перегружается в приемный карман наклонного элеватора, откуда перфорированными стальными ковшами 19, укрепленными на цепи 20, выгру-

•30H3HboRnA

aomo 工 0Hqicв。 r— u c ・s・r£s・ 7 c «U55IJ1I— i I —，—q 丨т г*

I gedonloEa WRW daRJ日 — 8I^I£B0d3ILBX OJOnd,.L §M

I 91лоизне I 工-ГШЕи — 8 二 шшв旧aw .VE严—&二工,§口増isFil.

нкп Bmol口 I 9 -SSOKSK

— у I pzsSHaoAIfon BBmoHaHm 0 BBHholH皆 182 sEBbBdBmw КЁЙ^^ОНО в 启源a艮莒 —飞ЛП 告丄oz 咱 B ， ： lIk1 入 >T、，dI"I fab。。工 ИИ* «osmssc^n §H aaiiAini I g 1 ~HOIOIr«IQHboeAaJmEa

• ^^ ^KWO&^W&H I 0^- ^ль^иоч^ I 6KogadH* I 8ЛН 日 14aH I z«dEn wlBmorKtaoH&Bd bit口 danAjni I g ^«rtKIWSR I p ^rtss&B BBbBhQAE I ^ коь&иф» I Z 一 qlraHBJHHnodl.工胃 e I T

IqlcalHaoHSrtd ^3E3aow mKHquEIHOmBdoJ .6.AI 6Hd

жается через лоток 15 приводной головки элеватора. Во время транспортирования твердая фаза промывается в ковшах водой, поступающей через штуцер 16. Для опорожнения аппарата в случае аварийной остановки предназначены штуцеры 22. Обычно в аппарат подается предварительно нагретая жидкость, а окончательно температура регулируется подачей в суспензию острого пара через дюзы (сопла) 6 в количестве до 50 кг пара на 1 т руды. Аппарат имеет следующую техническую характеристику: 。

Производительность, т/ч по руде 700

по раствору 1800

Мощность привода, кВт мешалки 250

элеватора 100

Скорость вращения мешалки, м/с .... 0,12—0,14

Диаметр мешалки, м 2,8

Рабочий объем, м3 . 130

Габариты, м высота 20

ширина (в плане) 15

длинэ.32

Ресурс работы, ч до среднего ремонта 8000

до капитального ремонта 25000

Масса, кг 300000

Такие аппараты применяют для растворения калийных руд в оборотных маточных растворах. При соприкосновении сильвинитовой руды, содержащей КС1 и NaCl, с горячим маточным раствором, не насыщенным КС1 и NaCl, растворяются обе соли. Далее, по мере насыщения раствора КС1, из него начинают кристаллизоваться мелкие частицы NaCl, экранирующие активную поверхность твердых частиц и осложняющие последующее осветление раствора. Поэтому противоток твердой и жидкой фаз в данном случае не может быть использован. Во всех случаях растворения полифракционного материала противоток не удается реализовать вследствие уноса мелких фракций из аппарата или накопления в нем крупных фракций. Поэтому практически более рациональны комбинированные схемы процессов растворения.

Недостатком описанной конструкции шнекового растворителя является большой унос мелких фракций соли (солевого шлама), достигающий 200——300 кг/м3 раствора. Это связано с большой скоростью движения жидкости в зоне отвода раствора и интенсивным переметиванием лопастями мешалки. Промежуточные подшипники вала мешалки, работающие в тяткелых условиях (агрессивная суспензия, Т = 350 К), быстро выходят из строя. Поэтому предпочтительна конструкция корытного растворителя с рамной мешалкой и отстойной камерой (рис. IV.20) Калушского филиала ВНИИГ.

*^RSUrt 1ЛШЗН史odcno tt§ snotf ■Alun I ZE -rto&&K SBS&K I I『 ^nonbo^& ёояво KKW HOLOK I 01 AOILBBalre I 6 -so^-rtnoK-tt HB£dBH «sHNasdu I % -Н8Н1П I Z -BdaKEH HEHBOIOJO I 9 isHITBnlaK ITBH — g sHIfmnasвийнво ивнонант I в «Hnodojadan I*°НШГВ 日 32R& —Koo K^SFO^COK I Q ЕАШ10Н 丨 I :»HodawBX ^OM^OB© 。 qlraH0d rOJHIOBd ^э^н^ок .0Z.A1 .O0d

Аппарат состоит из корытообразного корпуса 2, внутри которого размещена мешалка, состоящая из двух частей. Первая из них выполнена в виде лопастей 2, предназначенных для интенсивного перемешивания суспензии в каждом из шести отсеков реакционного объема, образованных перегородками 3, достигающими вала мешалки. Вторая выполнена в виде шнека 4 в последнем отсеке и предназначена для отвода нерастворившегося твердого материала в отстойную камеру 6. Элементы мешалки закреплены на валу 5, изготовленном из трубы и опирающемся на два подшипника вне корпуса аппарата.

Отстойная камера имеет также корытообразную форму и снабжена шнеком 7 для транспортирования твердого материала к приемному карману 8 наклонного ковшевого элеватора 9. Шнек 7 меньшего диаметра по сравнению со шнеком 4 и находится на достаточно большой глубине от зеркала раствора для обеспечения хороших условий осаждения солевого шлама. Осветленный раствор спокойно переливается через борт отстойной камеры и по лотку 10 с той или иной стороны отводится в следующий аппарат.

Аппараты такого типа надежны в работе и обеспечивают высокую производительность. Наряду с этим они металлоемки, громоздки и требуют сравнительно больших расходов электроэнергии. Удельная производительность их невелика, что объясняется относительно низкой скоростью обтекания частиц, умеренной величиной поверхности соприкосновения фаз и существенным продольным перемешиванием.

Для исключения влияния продольного перемешивания Г. И. Раз- валовым и др. [157] предлагается разделить реакционный объем аппарата сплошными перегородками с окнами, через которые твердый материал периодически перегружается из секции в секцию. В цилиндрическом корпусе 2 аппарата (рис. IV.21) проходит основной вал 2 с укрепленными на нем лопастями мешалки 3. Ось вала несколько смещена вниз по отношению к оси аппарата. Перегородки 4 делят аппарат на ряд секций. Каждая перегородка имеет разгрузочное окно, перекрываемое заслонкой 7. Заслонки укреплены на верхнем валике 8 и с помощью кулачка 11 и пружины 10 могут периодически поворачиваться вместе с валиком 8, открывая и закрывая разгрузочные окна. К последней секции аппарата присоединено отжимное устройство 5, состоящее из конического корпуса с перфорированной стенкой, и шнека, укрепленного на основном валу аппарата. Твердый материал поступает из бункера 9; растворитель подводится и отводится через штуцеры 6 и 12.

Аппарат работает следующим образом. Вал с лопастными мешалками приводится во вращение от электродвигателя. Аппарат заполняют растворяющей жидкостью, для регулировки уровня которой на выходе из штуцера 12 имеется гидрозатвор, затем через бункер J в первую секцию начинают подавать твердую фазу. В этой секции твердый материал интенсивно перемешивается с жидкостью, что создает необходимые условия для эффективного растворения. Через опре^ 200

деленный промежуток времени в зависимости от числа оборотов и профиля кулачка 11 поворачивается валик 8 и открываются разгрузочные окна в перегородках. При этом лопасти мешалки направляют твердую фазу из первой секции во вторую, где она взаимодействует с жидкостью до следующего открытия окон, и т. д. На выходе из последней секции твердый материал поступает в отжимное устройство, после которого, освободившись от раствора, выходит из аппарата.

】一корпус; 2 — вал основной; з — лопасти мешалки; 4 — перегородки; 5 — отжимное устройство; 6 — штуцер для ввода жидкости; 7 — заслонка; 8 — верхний валик; 9 — бункер; 10 — пружина; 11 — кулачок; 12 — штуцер для отвода раствора.

Ю. Ф. Артамонов и др. [34] предлагают для решения аналогичной задачи создать интенсивное циркуляционное перемешивание в объемах между секциями пшека, служащими секционирующими элементами. Аппарат (рис. IV.22) состоит из цилиндрического корпуса 2, в котором расположен полый вал 10 с укрепленным на нем прерывистым шнеком 9, делящим айпарат на ряд секций. На валу имеются окна 3 (восемь в каждой секции, по четыре в одном сечении). Внутри полого вала проходит сплошной вал 6 с укрепленными на нем пропеллерными мешалками 7 и перегородками 8 в виде двух конусов, соединенных основаниями. Такая форма перегородок способствует образованию циркуляционных токов в каждой секции и одновременно исключает продольное перемешивание по длине аппарата. Для подачи жидкости предусмотрен штуцер 4, для выхода раствора— штуцер 11, соединенный с гидрозатвором. Твердую фазу загружают аерез бункер 7. Для выгрузки твердой фазы к корпусу аппарата присоединена направляющая головка со штуцером 5・ В местах загрузки и выгрузки шнек выполняют сплошным.

Аппарат работает следующим образом. Твердая фаза через бун- кер 7 поступает на сплошную часть шнека и перемещается вдоль

оси вплоть до первой секции. В секции пропеллерной мешалкой создают циркуляционные токи. Растворяющая жидкость и твердая фаза двигаются в пределах секции по замкнутой траектории. Метал、 ками в соседних секциях создают движение в противоположных направлениях, все это вместе с перегородками и лопастями прерывистого шнека препятствует вредному продольному перемешиванию.

Рис. IV.22. Растворитель с секционирующими шнеками:Рис. IV.22. Растворитель с секционирующими шнеками:1 — бункер; 2 — корпус; 3 — окно; 4, 5 — штуцеры для ввода жидкости и вывода твердого остатка; 6 — сплошной вал; 7 — мешалка; 8 — перегородка; 9 — прерывистый шнек; 10 — полый вал; 11 — штуцер для выхода жидкости.1 — бункер; 2 — корпус; 3 — окно; 4, 5 — штуцеры для ввода жидкости и вывода твердого остатка; 6 — сплошной вал; 7 — мешалка; 8 — перегородка; 9 — прерывистый шнек; 10 — полый вал; 11 — штуцер для выхода жидкости.

Рис. IV.22. Растворитель с секционирующими шнеками:

Рис. IV.22. Растворитель с секционирующими шнеками:

1 — бункер; 2 — корпус; 3 — окно; 4, 5 — штуцеры для ввода жидкости и вывода твердого остатка; 6 — сплошной вал; 7 — мешалка; 8 — перегородка; 9 — прерывистый шнек; 10 — полый вал; 11 — штуцер для выхода жидкости.

1 — бункер; 2 — корпус; 3 — окно; 4, 5 — штуцеры для ввода жидкости и вывода твердого остатка; 6 — сплошной вал; 7 — мешалка; 8 — перегородка; 9 — прерывистый шнек; 10 — полый вал; 11 — штуцер для выхода жидкости.

фаза последовательновремя пребывания еефаза последовательновремя пребывания ееПри вращении прерывистого шнека твердая перемещается из секции в секцию, причем

фаза последовательновремя пребывания ее

фаза последовательновремя пребывания ее

в каждой секции определяется и регулируется числом оборотов шнека. Жидкость, многократно циркулируя вместе с твердым материалом в каждой секции, движется противопотоком по отношению к результирующему движению твердой фазы. На выходе из последней ступени твердая фаза вновь захватывается сплошной частью шнека и подается к разгрузочному устройству.

Жидкую фазу выводят на противоположном конце растворителя за зоной загрузки твердой фазы через штуцер 11 и гидрозатвор.

Конструкция аппарата полностью исключает вредное продольное перемешивание. Турбулизация жидкости и интенсивность массообмена зависят только от числа оборотов пропеллерных мешалок, /г. е. не связаны с производительностью аппарата. Это позволяет регулировать время пребывания материала в аппарате и сохранять все условия для интенсивного растворения. Отсутствие застойных зон и перфорированных поверхностей исключает возможность закупорки, что расширяет область применения такого аппарата.

Для растворения крупнокускового материала успешно применяют барабанные растворители, в которых пересыпающиеся кускй соударяются один с другим и с корпусом аппарата, что позволяет интенсифицировать процесс. Аппарат (рис. IV.23) представляет собой горизонтальный цилиндрический барабан 3, закрытый с торцов 202

передней крышкой 2 и задней крышкой 7. Через горловину 1 в передней крышке поступает измельченный твердый материал, который транспортируется движущейся в том же направлении жидкостью (растворителем). Барабан 3 установлен на бандажах 4, опирающихся на ролики 12\ он приводится во вращение электродвигателем 10 через зубчатую передачу 5 и червячный редуктор 21. Твердые

2 34567 8

配// 10

Рис. IV. 23. Барабанный растворитель：

】一горловина для ввода твердого материала; 2 — передняя крышка; з — барабан; 4[— бандаж; 5 — зубчатая передача; 6 — теплоизоляция; 7 — задняя крышка; 8 — штуцер для отвода суспензии; 9 — лопасть; 10 — электродвигатель; 11 — редуктор; 12 — опорвый ролик.

частицы движутся при вращении барабана вместе с потоком жидкости в осевом направлении и относительно потока — в поперечных сечениях барабана, причем для лучшего перемешивания фаз в вертикальной плоскости служат лопасти 9, укрепленные на внутренней стенке барабана. Концентрированный раствор и твердый остаток удаляются через штуцер 8 в задней крышке аппарата. Для уменьшения потерь тепла барабан снаружи покрыт тепловой изоляцией 6.

Барабанные растворители могут работать также по принципу противотока. В этом случае твердый материал перемещается лопатками, установленными внутри горизонтального барабана под небольшим углом к образующей в направлении движения материала.

В некоторых случаях растворение можно эффективно совмещать с мокрым измельчением твердого материала и осуществлять в одном аппарате. Растворение и одновременное измельчение способствуют созданию значительной и непрерывно обновляемой поверхности соприкосновения фаз. Ф. И. Стригуновым [1871 предложен такой аппарат (рис. IV.24), выполненный в виде барабана 7 с загрузочной 3 и разгрузочной горловинами 2. На внутренней поверхности барабана установлены направляющие элементы 4 и 5 для создания возвратно- поступательного движения. На выходе из барабана в обоймах 6 свободно размещены бьющие тела 7.

Аппарат работает следующим образом. Установив требуемую скорость вращения барабана, через горловину 3 подают твердый Материал и жидкость. При вращени барабана материал интенсивно перемешивается с жидкостью, для этого служат направляющие

Рис. IV.24. Барабанный растворитель с направляющими элементами возвратно- поступательного движения:1 — барабан; 2, з — разгрузочная и загрузочная горловины; 4, 5 — направляющие элементы; 0 — обойма; 7 — бьющие тела.Рис. IV.24. Барабанный растворитель с направляющими элементами возвратно- поступательного движения:1 — барабан; 2, з — разгрузочная и загрузочная горловины; 4, 5 — направляющие элементы; 0 — обойма; 7 — бьющие тела.твердый продукт крупностью 74 мкм, непрерывно подается насосом в первую секцию автоклава через штуцер 7. Поступающий в автоклав с жатый воздух или технический кислород диспергируется турбинными мешалками (рис. IV.26), внутренняя полость которых разделена на две части средним диском. Нижняя полость служит длятвердый продукт крупностью 74 мкм, непрерывно подается насосом в первую секцию автоклава через штуцер 7. Поступающий в автоклав с жатый воздух или технический кислород диспергируется турбинными мешалками (рис. IV.26), внутренняя полость которых разделена на две части средним диском. Нижняя полость служит дляPm” IV. 25. Автоклав для ок ислите льного растворения никель-кобальтового сульфидного продукта:Pm” IV. 25. Автоклав для ок ислите льного растворения никель-кобальтового сульфидного продукта:2 — корпус; 2 — футеровка; з — мешалка;□еры для вывода и ввоца суспензии.2 — корпус; 2 — футеровка; з — мешалка;□еры для вывода и ввоца суспензии.4 — холодильник; 5 — привод; 6, 7 — шту-4 — холодильник; 5 — привод; 6, 7 — шту-

Рис. IV.24. Барабанный растворитель с направляющими элементами возвратно- поступательного движения:

1 — барабан; 2, з — разгрузочная и загрузочная горловины; 4, 5 — направляющие элементы; 0 — обойма; 7 — бьющие тела.

Рис. IV.24. Барабанный растворитель с направляющими элементами возвратно- поступательного движения:

1 — барабан; 2, з — разгрузочная и загрузочная горловины; 4, 5 — направляющие элементы; 0 — обойма; 7 — бьющие тела.

твердый продукт крупностью 74 мкм, непрерывно подается насосом в первую секцию автоклава через штуцер 7. Поступающий в автоклав с жатый воздух или технический кислород диспергируется турбинными мешалками (рис. IV.26), внутренняя полость которых разделена на две части средним диском. Нижняя полость служит для

твердый продукт крупностью 74 мкм, непрерывно подается насосом в первую секцию автоклава через штуцер 7. Поступающий в автоклав с жатый воздух или технический кислород диспергируется турбинными мешалками (рис. IV.26), внутренняя полость которых разделена на две части средним диском. Нижняя полость служит для

Pm” IV. 25. Автоклав для ок ислите льного растворения никель-кобальтового сульфидного продукта:

Pm” IV. 25. Автоклав для ок ислите льного растворения никель-кобальтового сульфидного продукта:

2 — корпус; 2 — футеровка; з — мешалка;

□еры для вывода и ввоца суспензии.

2 — корпус; 2 — футеровка; з — мешалка;

□еры для вывода и ввоца суспензии.

4 — холодильник; 5 — привод; 6, 7 — шту-

4 — холодильник; 5 — привод; 6, 7 — шту-

элементы 4 и 5. На выходе из барабана оставшиеся куски исходного материала растворяются при воздействии 班кщих тел. Суспензию выводят через горловину 2.

Использование барабанных аппаратов без ударного воздействия для растворения мелких фракций менее эффективно, чем шнековых.

ратов, полученные при использовании их для растворения калийных руд Прикарпатья (табл. IV.3).ратов, полученные при использовании их для растворения калийных руд Прикарпатья (табл. IV.3).АппаратПоказатели работыудельная производительность по объему, т/мяудельный расход электроэнергии на руде, кВт - ч/тШнековый Барабанный Вертикальцый трубчатый0,7—1,4 0,7 2,00,3 2,8 0,44АппаратПоказатели работыудельная производительность по объему, т/мяудельный расход электроэнергии на руде, кВт - ч/тШнековый Барабанный Вертикальцый трубчатый0,7—1,4 0,7 2,00,3 2,8 0,44403 К и давлении до 1,6 МПа403 К и давлении до 1,6 МПаТаблица IV.3. Эксплуатационные показатели работы растворителей некоторых типовТаблица IV.3. Эксплуатационные показатели работы растворителей некоторых типов

ратов, полученные при использовании их для растворения калийных руд Прикарпатья (табл. IV.3).

ратов, полученные при использовании их для растворения калийных руд Прикарпатья (табл. IV.3).

Аппарат

Показатели работы

удельная производительность по объему, т/мя

удельный расход электроэнергии на руде, кВт - ч/т

Шнековый Барабанный Вертикальцый трубчатый

0,7—1,4 0,7 2,0

0,3 2,8 0,44

Аппарат

Показатели работы

удельная производительность по объему, т/мя

удельный расход электроэнергии на руде, кВт - ч/т

Шнековый Барабанный Вертикальцый трубчатый

0,7—1,4 0,7 2,0

0,3 2,8 0,44

403 К и давлении до 1,6 МПа

403 К и давлении до 1,6 МПа

Таблица IV.3. Эксплуатационные показатели работы растворителей некоторых типов

Таблица IV.3. Эксплуатационные показатели работы растворителей некоторых типов

Это подтверждают некоторые показатели работы различных аппа

Они свидетельствуют о преимуществе вертикальных трубчатых аппаратов.

Для осуществления процессов растворения при температурах, превышающих температуру кипения раствора, применяют автоклавы. Они представляют собой горизонтальные или вертикальные сосуды с мешалками или без них, работающие в непрерывном или периодическом режиме.

На рис. IV.25 показан автоклав емкостью 15 м3 для окислительного растворения никель-кобаль

тового сульфидного продукта в растворе серной кислоты при (16 кгс/см2) [51]. Он представляет собой горизонтальный футерованный сосуд /, снабженный четырьмя турбинными мешалками 3 с нижним приводом и гори- зонтальными о хл а ждающими элементами 4 для отвода выдели^ ющегося тепла. Исходная суспензия, содержащая измельченный

циркуляции жидкости, верхняя ——для подсоса газа из диффузора 2. Отбрасываемые к периферии газовый и жидкостный потоки смешиваются в статоре 3; при этом газ диспергируется в жидкости. Отработанную парогазовую смесь непрерывно отводят из надрастворного объема. Готовый раствор выводят из последней секции через штуцер 6 (см. рис. IV-25).

Рис. IV-26. Аэрирующая мешалка：1 — турбинная мешалка; 2 — диффузор； 3 — статор; 4 — кессон; 5 — корпус автоклава; 6 — фланец.Рис. IV-26. Аэрирующая мешалка：1 — турбинная мешалка; 2 — диффузор； 3 — статор; 4 — кессон; 5 — корпус автоклава; 6 — фланец.

Рис. IV-26. Аэрирующая мешалка：

1 — турбинная мешалка; 2 — диффузор； 3 — статор; 4 — кессон; 5 — корпус автоклава; 6 — фланец.

Рис. IV-26. Аэрирующая мешалка：

1 — турбинная мешалка; 2 — диффузор； 3 — статор; 4 — кессон; 5 — корпус автоклава; 6 — фланец.

Для окислительного растворения кобальт-мышьяковистого продукта при тех же значениях температуры и давления используют секционированные горизонтальные автоклавы емкостью 50 м3 с верхним расположением мешалок (рис. IV.27), Надежность работы автоклавов определяется надежностью сальниковых или торцовых Уплотнений вала мешалки. Конструкции этих узлов пока еще

Рис. IV.27. Автоклав для окислительного растворения кобальт-мышьяковистого продукта:

— корпус; 2 — мешалка; а — перегородка; 4 — привод; 龜 6 — штуцеры для вывода и ввода суспензии.

несовершенны: сальниковые уплотнения начинают течь уже при давлениях 0,3—0,5 МПа, а торцовые уплотнения, хотя и работают при более высоких давлениях, периодически выходят из строя вследствие коррозии пружин в проточной воде или перебоев в подаче воды для гидравлического уплотнения.

АППАРАТЫ С НАЛОЖЕНИЕМ ПОЛЯ КОЛЕБАНИЙ

Как было установлено выше (см. гл. III), основным способом интенсификации процессов растворения является создание высоких скоростей обтекания твердой фазы лшдкостью в условиях максимальной поверхности контакта фаз. Наиболее приемлемым и перспективным приемом увеличения скорости обтекания оказалось возбуждение в жидкости колебаний или пульсаций, а для предотвращения экранирования поверхности растворения — использование ударов, эрозионного воздействия твердых частиц одной на другую или специальный ввод твердых тел.

Все аппараты, в которых реализуются упомянутые способы, можно разделить на следующие группы:

с низкочастотными колебаниями или пульсациями;

с высокочастотными колебаниями;

с совмещением процессов растворения и измельчения.

Аппараты периодического действия с низкочастотными колебаниями или пульсациями суспензии

Разработаны и испытаны аппараты с вибрационным перемешивающим устройством в виде перфорированных дисков (рис. IV.28).

Внутри сосуда 5 находятся два горизонтальных диска 6, укрепленных на штангах 7 вибропривода. При вращении коленчатого

вала 1 штанги с дисками совершают вертикальные колебания частотой 20—40 Гц и амплитудой 3——6 мм. Диски перфорированы конусными отверстиями, через которые выбрасываются струи жидкости в направлении, противоположном направлению движения диска. При этом происходит интенсивное перемешивание среды, сопровождаемое ее циркуляцией в сосуде.

Рис. IV.28. Схема аппарата для растворения с уравновешенной вибромешалкой:

— вал; 2 — подпшпник эксцентрика;

— коренной подшипник; 4 — электродвигатель; 5 — сосуд; 6 — диски; 7 — штанги； 8 — направляющие подшипники;

— шатун или гибкая рессора.

Поскольку средняя эксцентричная шейка коленчатого вала повернута на 180° относительно крайних, диски совершают колебания в противофазе, т. е. периодически сближаются и удаляются. Поэтому на опоры вала действует пара одинаковых сил противоположного направления, что обеспечивает динамическую уравновешенность вибропривода.

Аппарат для растворения промежуточных продуктов кадмиевого производства («богатой» кадмиевой губки, медного и меднокадмиевого кека) в растворе серной кислоты при Т = 323——333 К емкостью 0,5 м3 имел привод мощностью 1,5 кВт [215]. Штанги и диски из титана проработали около 2000 ч, при этом видимых следов разрушения не обнаружено. При растворении медного кека и богатой кадмиевой губки процесс завершался соответственно через 7 и 3 ч. Аналогичная степень растворения в аппарате с мешалкой достигается лишь через 20——30 ч. Результаты испытаний модельного аппарата были положены в основу разработки опытно-промышленного образца емкостью 15 м3 для использования в кадмиевом производстве (рис. IV.29).

Аппарат представляет собой цилиндроконическую емкость 2, сваренную из стальных листов и футерованную кислотоупорным кирпичом 3. Для подогрева раствора паром служит змеевик 5. Газообразные окислители подводятся по трубе 7. На раме 7 установлена вибромешалка, состоящая из вибропривода 4, штанг 6 и рабочего органа мешалки 8. Вибропривод —— бесшатунный закрытого исполнения с централизованной смазкой всех трущихся поверхностей /кидким маслом под давлением. Он обеспечивает рабочему органу мешалки колебания частотой 25 Гц и амплитудой 4 мм при мощности Ю кВт.

Рабочий орган представляет собой два равновеликих плоских круглых диска из титана диаметром 0,7 м, перфорированных конусными отверстиями. Поток жидкости, перемещаясь по центру сосуда вниз, взмучивает твердую фазу со дна, которая затем вместе с жидкостью подсасывается в междисковое пространство и через отверстия в дисках направляется вверх и вниз. Результаты испытаний

рис. IV.29. Растворитель с уравновешенной вибромешалкой：

】—рама; £ — сосуд; 8 — кирпич; 4 — вибропривод^ 5 — эмеевик; 6 — штанга; 7 — труСа. для подвода окислителя; 8 — мешалка.

Рис. IV. 30. Б ессальниковое перемешивающее устройство：

I — стакан стфланцем; 2 — соленоидные катушки; 3 — кожух; 4 — магнитный сердечник со штоком; 5 — перфорированные тарелки; ^6 — сосуд.

этого аппарата подтвердили его эффективность и надежность в кадмиевом производстве, в котором используются маловязкие жидкости и мелкие твердые частицы (d <0,3 мм)・ Возможность обработки в таких аппаратах вязких грубодисперсных суспензий проблематична.

Аналогичная конструкция аппарата с герметичным виброприводом (рис. IV.30) под названием бессальниковое перемешивающее устройство (БПУ) разработана в НИИхиммаше [203]. На емкости 6 монтируется БПУ, состоящее из стакана с фланцем 2，соленоидных катушек 2, насаженных на стакан, кожуха 3 (рубашки для охлаждения), магнитного сердечника 4 со штоком и укрепленными на нем перфорированными тарелками 5. Катушки питаются от генератора импульсов тока. При подаче импульсов сердечник со штоком и та-

релками совершает возвратно-поступательное движение. Амплитуда й частота задается генератором импульсов тока. Одно устройство БПУ обеспечивает перемешивание в объеме до 1 м3. Генератор импульсов тока может питать одновременно три БПУ. Техническая характеристика БПУ представлена ниже:

Частота колебаний, Гц 4—10

Амплитуда колебаний, мм до 10

Потребляемая мощность, кВт 1,0

Диаметр тарелок, мм .250—350

Габариты, мм: диаметр 370

высота * •1570

Масса, кг 115

• Практически БПУ можно использовать при любых давлениях. НИИхиммашем разработано несколько конструкций автоклавов с рабочим объемом до 200 л (рис. IV.31), снабженных несколькими БПУ. Число БПУ определяется необходимой интенсивностью колебаний. /

77/.77/.Рис. IV.31. Горизонтальный автоклав с пятью БПУ:1 — манометр; 2 — БПУ; з, 4 — каналы для подачи и отвода rasa; 5, 6 — каналы для подачи и отвода суспензии.Рис. IV.31. Горизонтальный автоклав с пятью БПУ:1 — манометр; 2 — БПУ; з, 4 — каналы для подачи и отвода rasa; 5, 6 — каналы для подачи и отвода суспензии.

77/.

77/.

Рис. IV.31. Горизонтальный автоклав с пятью БПУ:

1 — манометр; 2 — БПУ; з, 4 — каналы для подачи и отвода rasa; 5, 6 — каналы для подачи и отвода суспензии.

Рис. IV.31. Горизонтальный автоклав с пятью БПУ:

1 — манометр; 2 — БПУ; з, 4 — каналы для подачи и отвода rasa; 5, 6 — каналы для подачи и отвода суспензии.

Начиная с 1960 г. в СССР стали применять пульсационные аппараты [851, в которых низкочастотные колебания суспензии генерируются пульсатором, расположенным вне аппарата. Кроме того, колебательное движение среды в аппарате дополняется центробежным, спиральным или цирк у л я ционным, создаваемым насадками —— преобразователями, установленными внутри аппарата.

Основным элементом таких аппаратов являются пневматические пульсаторы с золотниково-распределительным механизмом (ЗРМ) и пульсационные перемешивающие устройства (ППУ). Схема подключения пульсатора к перемешивающему устройству показана на рис. IV.32. Сжатый воздух из сети 1 через регулирующий вентиль 10 поступает в ресивер 2, из которого затем подается в пульсационную камеру ППУ 7 по напорному трубопроводу 4 через пульсатор 5 н пульсопровод 6,

Рис. IV. 34. Пневматический пульсатор с ЗРМ для крупногабаритных аппаратов:Рис. IV. 34. Пневматический пульсатор с ЗРМ для крупногабаритных аппаратов:】 ——ротор; 2 — штуцер для соединения с аппаратом; з — пластина из фторопласта; 4 — корпус; 5, 6 — штуцеры для выхлопа и подачи воздуха; 7 ——вал.】 ——ротор; 2 — штуцер для соединения с аппаратом; з — пластина из фторопласта; 4 — корпус; 5, 6 — штуцеры для выхлопа и подачи воздуха; 7 ——вал.

Рис. IV. 34. Пневматический пульсатор с ЗРМ для крупногабаритных аппаратов:

Рис. IV. 34. Пневматический пульсатор с ЗРМ для крупногабаритных аппаратов:

】 ——ротор; 2 — штуцер для соединения с аппаратом; з — пластина из фторопласта; 4 — корпус; 5, 6 — штуцеры для выхлопа и подачи воздуха; 7 ——вал.

】 ——ротор; 2 — штуцер для соединения с аппаратом; з — пластина из фторопласта; 4 — корпус; 5, 6 — штуцеры для выхлопа и подачи воздуха; 7 ——вал.

При сообщении камеры ППУ с атмосферой воздух сбрасывается через штуцер выхлопа 9・ Пульсопровод должен быть по возможности

Рис. IV.32. Схема подключения пульсатора к перемешивающему устройству： / 一 линия сжато со воздуха； 2 —ресивер; 3 — манометр； 4 — напорный трубопровод; 5 一 пульсатор; 6 — пульсопровод; 7 — ЦПУ; 8 — сосуд; 9 — вн- х ло пной^ штуцер; 10 — регулп- ровочный вентиль.Рис. IV.32. Схема подключения пульсатора к перемешивающему устройству： / 一 линия сжато со воздуха； 2 —ресивер; 3 — манометр； 4 — напорный трубопровод; 5 一 пульсатор; 6 — пульсопровод; 7 — ЦПУ; 8 — сосуд; 9 — вн- х ло пной^ штуцер; 10 — регулп- ровочный вентиль.

Рис. IV.32. Схема подключения пульсатора к перемешивающему устройству： / 一 линия сжато со воздуха； 2 —ресивер; 3 — манометр； 4 — напорный трубопровод; 5 一 пульсатор; 6 — пульсопровод; 7 — ЦПУ; 8 — сосуд; 9 — вн- х ло пной^ штуцер; 10 — регулп- ровочный вентиль.

Рис. IV.32. Схема подключения пульсатора к перемешивающему устройству： / 一 линия сжато со воздуха； 2 —ресивер; 3 — манометр； 4 — напорный трубопровод; 5 一 пульсатор; 6 — пульсопровод; 7 — ЦПУ; 8 — сосуд; 9 — вн- х ло пной^ штуцер; 10 — регулп- ровочный вентиль.

коротким для сохранения формы импульса давления (не более 1 м), а объем ресивера должен превышать суммарный объем пульсационной камеры и пульсопровода в 3——5 раз. Пульсаторы служат для

создания колебательного движения жидкости в аппарате с определенной частотой, амплитудой и формой колебаний. Пневматический пуль- сатор с ЗРМ для аппаратов объемом до 10 м3 (рис. IV.33) состоит из корпуса 4 со штуцерами I, 2, 6, ротора 5 и распределительного кольца 5 из фторопласта.

При вращении ротора 5 пульсационное перемешивающее устройство периодически соединяется с магистралью сжатого воздуха или

Рис. IV.33. Пневматический пульсатор с ЗРМ для аппаратов средних объемов: jt 2 一 штуцеры для выхлопа и подачи сжатого воздуха; з — распределительное кольцо» 4’— корпус; 5 — ротор; 6 — штуцер для соединения с аппаратом.

с атмосферой, при этом уровень жидкости в пульсационной камере ППУ понимается или опускается. Частота колебаний определяется числом оборотов пульсатора, амплитуда — давлением воздуха перед пульсатором. Сравнительно длинный канал в роторе для входа сжатого воздуха позволяет обеспечить форму импульса давления, близкую синусоидальной.

Пневматический пульсатор для аппаратов объемом до 20 м3 (рис. IV.34) отличается более простым и облегченным ротором в виде вращающегося диска 1 с окнами. Он обеспечивает пилообразную форму импульсов давления. Основными элементами ППУ (рис. IV.35) являются пульсационная камера 2 и распределительная полость 5 с соплами. Когда пульсатор выключен, уровни жидкости в пульсационной камере 2 и аппарате 1 одинаковы. При подаче сжатого воздуха в пульсационную камеру уровень жидкости в ней опускается на высоту Н, так как жидкость выбрасывается через распредели- тельную полость 5 и сопла 4 в объем аппарата.

21J

Рис. IV.35. Схема пульсационного перемешивающего устройства (ППУ):I — аппарат; 2 — пульсационная камера; з — корпус; 4 ——сопло; 5 — распределительная полость;6 — пульсационный штуцер.Рис. IV.35. Схема пульсационного перемешивающего устройства (ППУ):I — аппарат; 2 — пульсационная камера; з — корпус; 4 ——сопло; 5 — распределительная полость;6 — пульсационный штуцер.ботаны конструкции ППУботаны конструкции ППУ

Рис. IV.35. Схема пульсационного перемешивающего устройства (ППУ):

I — аппарат; 2 — пульсационная камера; з — корпус; 4 ——сопло; 5 — распределительная полость;

6 — пульсационный штуцер.

Рис. IV.35. Схема пульсационного перемешивающего устройства (ППУ):

I — аппарат; 2 — пульсационная камера; з — корпус; 4 ——сопло; 5 — распределительная полость;

6 — пульсационный штуцер.

ботаны конструкции ППУ

ботаны конструкции ППУ

При сбросе давления под действием образовавшегося перепада уровней Н жидкость заполняет пульсационную камеру. Затем цикл повторяется. Поскольку скорость заполнения сопел жидкостью значительно меньше скорости ее выброса из сопел, время сообщения ЗРМ с атмосферой 土в^х должно быть в несколько раз выше времени впуска сжатого воздуха iPX. Обычно принимают tbJtBUX = 1/3—1/5. Ориентацией сопел в определенном направлении можно создавать

в аппарате различную гидродинамическую обстановку. На рис. IV.35 пока- зана конструкция ППУ, в которой сопла ориентированы через один ряд вверх и вниз. Кроме того, все сопла имеют тангенциальную ориентацию в одном направлении. Таким образом, в аппарате осуществляется циркуляция суспензии.

К достоинствам пульсационных аппаратов следует отнести отсутствие движущихся частей в рабочей среде, конструктивную простоту и надежность в работе. Основные недостатки сводятся к невозможности растворения грубодисперсных материалов и низкому к. п. д. передачи энергии (50— 60%), который в 1,5 раза ниже по сравнению с механическими мешалками. Однако ППУ оказываются в ряде случаев \ более экономичными, так как резко сокращаются затраты на обслуживание. В настоящее время разра- для аппаратов объемом до 20 м3 [86,

. Аппаратура объемом до 3 м3 отработана для суспензий Т ： Ж = 1 : 5, Рт = 4000 кг/м3 и крупности частиц до 1 мм. Аппараты большей емкости находятся в стадии испытаний [84, 85].

Растворитель рассчитывают исходя из условия обеспечения скорости суспензии в соплах шсп = 1 — 4 м/с, а в центральном стволе зц w 1 м/с:

(IV.2)(IV.2)以П = 2合汽■

(IV.2)

(IV.2)

где 4 — амплитуда колебаний в центральном стволе ППУ; /Оп"= (0,2—0,4)1/(0— время опускания уровня в пульсационной камере; со — частота пульсации (0,5—2 Гц); Fn. к,良一площадь поперечного сечения пульсационной камеры и сопла.

Размах колебаний в центральном стволе ППУ:

2А = ~н М=(£)" {и万-％齊^ Y食卜n(W.3)

где р,и = 0,4—0,5 — коэффициент истечения жидкости через сопло; Н — перепад уровней жидкости в пульсационной камере (расстояние от уровня жидкости в аппарате до нижнего края пульсационной камеры);妬=(0,6— О,8)1/со —— время подъема уровня в пульсационвоп камере.

Суммарная площадь сечений сопел принимается равной

£ 尸 с = (0,3—0,8)尸п.к

Максимальное избыточное давление воздуха [84]:

Рмакс = .о 23 “Pg(IV・4)

где Ki ——коэффициент, зависящий от частоты и формы колебаний (рис. IV.36).

Длина сопла составляет 2—3dcn, а удаление его среза до стенки аппарата не превышает 20dcn (^сп — внутренний диаметр сопла). '

Рис. IV. 36. Зависимость коэффи циента & от частоты пульсации при различных отношениях а = %вх/%ых： 1—а = 1 : 1: 2 — а = 1 : 3; з — а = = 1:2.

Кинетические закономерности процесса растворения в пульсационных аппаратах, позволяющие рассчитать необходимое время обработки суспензии в аппарате, пока не установлены.

Аппараты непрерывного действия с использованием низкочастотных колебаш<и

По конструктивному исполнению такие аппараты можно разделить на две группы: аппараты с излучателями колебаний (вибраторами, пульсаторами), установленными в реакционном объеме, и аппараты с вибрацией всего реакционного сосуда. В качестве вибраторов используются устройства, в которых механическая или электромагнитная энергия преобразуетсй в кинетическую энергию колебаний жидкости или суспензии.

Аппараты с излучателями

П. П. Лобода [1191 предложил противоточный аппарат для рас- творения в поле низкочастотных механических колебаний (рис. IV.37). Он состоит из корытообразного или цилиндрического корпуса 2, секционированного перегородками 2, закрепленными на подвижных

213

Рис. IV.37. Противоточный растворитель с визкочастотными колебаниями пластин:1 —■ корпус; 2 ——перегородка; 3 — подвижный шарнир; 4 ——шток; 5 ——загрузочная горловина; 6—8 — штуцеры для отвода раствора, удаления нерастворимого остатка и подвода растворяющей жидкости.Рис. IV.37. Противоточный растворитель с визкочастотными колебаниями пластин:1 —■ корпус; 2 ——перегородка; 3 — подвижный шарнир; 4 ——шток; 5 ——загрузочная горловина; 6—8 — штуцеры для отвода раствора, удаления нерастворимого остатка и подвода растворяющей жидкости.•BHa9cH ион» I g HO-^OR I『^s^sss I g х^оьв^ OHeROK f а ^ёфн^Авга^оэкёо 丨 г 」:SSHC693UOM XEtHSSBhoMmHH д§5^«ик5a3 Hli «§OSOH .6-AI6Hd-аьоошп » ElfeHcloFBN OJOEdBHR goraw н0H M&&S I g-8 VSSKAdu I me 9 HseHaiwco 纬口0Hs hitU &^ИЬ9 I ^ ^&©Kttl§Ri«s I ^ Horao&obsErts I g* -rtsa^^RK I 3ОАШ1ОН 宓SHJHHJBSBH 丨 r :冶0Hlremaw ^ОЙЁВ^го&ё§ a S&GK< ・8e.AI ・0Bd•BHa9cH ион» I g HO-^OR I『^s^sss I g х^оьв^ OHeROK f а ^ёфн^Авга^оэкёо 丨 г 」:SSHC693UOM XEtHSSBhoMmHH д§5^«ик5a3 Hli «§OSOH .6-AI6Hd-аьоошп » ElfeHcloFBN OJOEdBHR goraw н0H M&&S I g-8 VSSKAdu I me 9 HseHaiwco 纬口0Hs hitU &^ИЬ9 I ^ ^&©Kttl§Ri«s I ^ Horao&obsErts I g* -rtsa^^RK I 3ОАШ1ОН 宓SHJHHJBSBH 丨 r :冶0Hlremaw ^ОЙЁВ^го&ё§ a S&GK< ・8e.AI ・0Bd•ВХАптон вноньо 自口 азя口 Ui Z ХЭЙСГОМЗЕ) SP0RCO0 «§ййр&§ I 9 -UDHOXKneoB I g ^зиолао doiod л аоьйьо — р eg-Heg ^3§R0rta 丨 а ^ЙФЬЙЁРЧО&кёго ——кt : qlfalBhAKmH ^ISOablLLE沦 Н31Е 粗 ssahH 自 mucuh .07 AI6Hd•ВХАптон вноньо 自口 азя口 Ui Z ХЭЙСГОМЗЕ) SP0RCO0 «§ййр&§ I 9 -UDHOXKneoB I g ^зиолао doiod л аоьйьо — р eg-Heg ^3§R0rta 丨 а ^ЙФЬЙЁРЧО&кёго ——кt : qlfalBhAKmH ^ISOablLLE沦 Н31Е 粗 ssahH 自 mucuh .07 AI6Hd

Рис. IV.37. Противоточный растворитель с визкочастотными колебаниями пластин:

1 —■ корпус; 2 ——перегородка; 3 — подвижный шарнир; 4 ——шток; 5 ——загрузочная горловина; 6—8 — штуцеры для отвода раствора, удаления нерастворимого остатка и подвода растворяющей жидкости.

Рис. IV.37. Противоточный растворитель с визкочастотными колебаниями пластин:

1 —■ корпус; 2 ——перегородка; 3 — подвижный шарнир; 4 ——шток; 5 ——загрузочная горловина; 6—8 — штуцеры для отвода раствора, удаления нерастворимого остатка и подвода растворяющей жидкости.

•BHa9cH ион» I g HO-^OR I『^s^sss I g х^оьв^ OHeROK f а ^ёфн^Авга^оэкёо 丨 г 」:SSHC693UOM XEtHSSBhoMmHH д§5^«ик5a3 Hli «§OSOH .6-AI6Hd

-аьоошп » ElfeHcloFBN OJOEdBHR goraw н0H M&&S I g

-8 VSSKAdu I me 9 HseHaiwco 纬口0Hs hitU &^ИЬ9 I ^ ^&©Kttl§Ri«s I ^ Horao&obsErts I g* -rtsa^^RK I 3ОАШ1ОН 宓SHJHHJBSBH 丨 r :冶0Hlremaw ^ОЙЁВ^го&ё§ a S&GK< ・8e.AI ・0Bd

•BHa9cH ион» I g HO-^OR I『^s^sss I g х^оьв^ OHeROK f а ^ёфн^Авга^оэкёо 丨 г 」:SSHC693UOM XEtHSSBhoMmHH д§5^«ик5a3 Hli «§OSOH .6-AI6Hd

-аьоошп » ElfeHcloFBN OJOEdBHR goraw н0H M&&S I g

-8 VSSKAdu I me 9 HseHaiwco 纬口0Hs hitU &^ИЬ9 I ^ ^&©Kttl§Ri«s I ^ Horao&obsErts I g* -rtsa^^RK I 3ОАШ1ОН 宓SHJHHJBSBH 丨 r :冶0Hlremaw ^ОЙЁВ^го&ё§ a S&GK< ・8e.AI ・0Bd

•ВХАптон вноньо 自口 азя口 Ui Z ХЭЙСГОМЗЕ) SP0RCO0 «§ййр&§ I 9 -UDHOXKneoB I g ^зиолао doiod л аоьйьо — р eg-Heg ^3§R0rta 丨 а ^ЙФЬЙЁРЧО&кёго ——к

t : qlfalBhAKmH ^ISOablLLE沦 Н31Е 粗 ssahH 自 mucuh .07 AI6Hd

•ВХАптон вноньо 自口 азя口 Ui Z ХЭЙСГОМЗЕ) SP0RCO0 «§ййр&§ I 9 -UDHOXKneoB I g ^зиолао doiod л аоьйьо — р eg-Heg ^3§R0rta 丨 а ^ЙФЬЙЁРЧО&кёго ——к

t : qlfalBhAKmH ^ISOablLLE沦 Н31Е 粗 ssahH 自 mucuh .07 AI6Hd

шарнирах 3. Перегородки соединены со штоком 4, совершающим возвратно-поступательное движение от вибропривода. Твердый материал непрерывно поступает в загрузочную горловину 5 и по наклонному днищу аппарата движется к разгрузочному штуцеру 7. Растворяющая жидкость, поступающая через штуцер 8 в нижней части корпуса аппарата, движется навстречу твердой фазе. Раствор отводится с верхнего уровня жидкости в аппарате через штуцер 6.

Недостатком такого аппарата является быстрый выход из строя узлов (шарниров, сальников) при работе с агрессивными суспензиями С этой точки зрения предпочтительны аппараты в виде вертикаль-

ных колонн с верхним расположением вибропривода. В условиях высоких давлений целесообразно использовать аппарат с электромагнитной мешалкой в виде якоря (рис. IV.38), предложенный Я. Г. Черновым и др. [212 [.

Аппарат состоит из немагнитного корпуса 1, катушки 2, магнитопровода 3, профилированной мешалки-якоря 4 в виде набора усеченных конусов, вершины которых направлены в сторону, противоположную движению суспензии. Якорь может вибрировать в пружинах 6 и 7. Твердый материал и растворитель непрерывно поступают в аппарат через штуцеры 8 и 0, а раствор с нерастворившимся остатком отводится через штуцер 5. При подаче на обмотку 2 однополупериод- ного выпрямленного тока якорь 4 начинает вибрировать. Одновременно начинается нагрев суспензии вихревыми токами. В результате этого процесс растворения существенно ускоряется.

Для интенсификации процессов растворения в условиях многотоннажных производств могут быть использованы пневматические источники колебаний. На рис. IV.39 представлен пневматический торцовый излучатель конструкции Московского горного института [2201- Он состоит из двигателя /, установленного на статоре 2 с окнами, 214

мембраны 3 и ротора 4 с окнами. При вращении ротора, сопровождающегося периодическим совмещением его окон с окнами статора, сжатый воздух вызывает колебания мембраны частотой 60—800 Гц, которая передает их жидкости.

Такой излучатель предназначен для установки на стенке аппарата. Цилиндрический пневматический излучатель (рис. IV.40) мож- но устанавливать в реакционном объеме аппарата. Он представляет собой аналогичное устройство с мембраной в виде упругой резиновой оболочки цилиндрической формы. Электродвигатель 1 вращает ротор 4 б статоре 5. При подаче сжатого воздуха через воздуховод 5 излучающая оболочка 6 приходит в колебательное движение с ча- стотой, определяемой скоростью вращения ротора и числом отверстий в нем.

При излучающей поверхности 0,5 м2 и пневматической мощности 10—15 кВт (расход воздуха 0,03 м3/с, перепад давления до 0,5 МПа) акустическая мощность (в резонансе) излучателя составляет 1 кВт в частотном диапазоне 20—500 Гц.

Основные достоинства таких излучателей: простота конструкции, надежность в работе, возможность работы в больших объемах (5— 10 м3) без существенного затухания колебаний большой амплитуды (до 1 см). К недостаткам следует отнести ограниченные возможности использования в условиях высоких температур и давлений, небольшой к. п. д., большие габариты и масса.

Аппараты с вибрацией сосуда

В институте «Унипромедь» испытана непрерывнодействующая установка (рис. IV.41) для вибрационного растворения меди и цинка

Рис. IV.41. Схема установки для вибрационного растворения:

1 — бункер; 2 — питатель; з — резервуар для растворителя； 4 — брызгало; 5 — вибрационный желоб; 6 — сборник.

из прохлорированных пиритных огарков [194]. Она состоит из бункера 7, откуда ленточным питателем 2 твердое вещество подается в приемник вибрационного желоба 5. Растворяющая жидкость подается из резервуара 3 через брызгала 4. Содержимое вибрационного желоба поступает в сборник 6・

Вибрационный желоб 5 (рис. IV.42) полезной площадью 0,37 м2 имеет приемник 1 и разгрузочный лоток 3.

Сверху желоб закрыт крышкой 4. Для упорядочения движения суспензии по всей площади желоба и увеличения времени пребывания в нем растворяемого материала на днище наварены направляющие перегородки 2 с наклоном в сторону разгрузки. Результаты испытаний показали высокую эффективность работы такого аппарата: при амплитуде колебаний до 6 мм, частоте колебаний 32 Гц процесс завершался в течение 4 мин, в то время как в аппарате с мешалкой ——в течение 1 ч.

!-二一--二二：：:r m ■'3-3Я二二3三三=七一(这―；一井一3EH.|f一/f-二：=三二方一 -fill-J• 一^^ E--三-二三■■3 H^?i!-二一--二二：：:r m ■'3-3Я二二3三三=七一(这―；一井一3EH.|f一/f-二：=三二方一 -fill-J• 一^^ E--三-二三■■3 H^?iГт三-----三F-~-7二二J一Гт三-----三F-~-7二二J一Рис. IV.42. Вибрационный желоб:1 — приемник; 2 — перегородки; з — разгрузочный лоток; 4 — крышка.Рис. IV.42. Вибрационный желоб:1 — приемник; 2 — перегородки; з — разгрузочный лоток; 4 — крышка.

!-二一--二二：：:r m ■'3-3Я二二3三三=七一

(这―；一井一3EH.

|f一/f-二：=三二

方一 -

fill-

J• 一^^ E--三-二三

■■3 H^?i

!-二一--二二：：:r m ■'3-3Я二二3三三=七一

(这―；一井一3EH.

|f一/f-二：=三二

方一 -

fill-

J• 一^^ E--三-二三

■■3 H^?i

Гт三-----三F-~-

7二二J一

Гт三-----三F-~-

7二二J一

Рис. IV.42. Вибрационный желоб:

1 — приемник; 2 — перегородки; з — разгрузочный лоток; 4 — крышка.

Рис. IV.42. Вибрационный желоб:

1 — приемник; 2 — перегородки; з — разгрузочный лоток; 4 — крышка.

Для осуществления противоточного растворения Н. 3. Сафиным [168] предложен вертикальный колонный аппарат (рис. IV.43), состоящий из корпуса /, перфорированных перегородок 2, загрузочного бункера 3 с питающей трубой 4 и вибратора 5. Твердый материал из бункера 3 через окна 7 в трубе поступает на перфорированные тарелки, а жидкость подается снизу через патрубок 6. Вибрация аппарата приводит к интенсивному растворению твердых частиц во взвешенном состоянии. Недостатком таких «аппаратов является их небольшая длина (высота), поэтому для обеспечения заданного времени пребывания материала в аппарате необходим каскад таких аппаратов.

Более совершенным является вертикальный аппарат со спиральным вибрирующим лотком [2131, схема которого показана на рис. IV.44. Он состоит из цилиндрической колонны I, на которой укреплен спиральный лоток 2. Колонна подвешена на пружинных подвесках 4 и совершает вибрационное движение под действием вибратора 3. Твердый материал непрерывно поступает в приемный лоток 5, расположенный у днища ванны 6 с жидкостью, и вместе с ней движется по спиральному лотку вверх, суспензия раствора с нерастворимым остатком непрерывно выгружается из верхней части лотка.

Вибратор сообщает спиральному лотку крутильные колебания. При этом твердые частицы совершают микроскачки по лотку и пере- мещаются вверх. Частоту колебаний установок в зависимости от свойств материала и скорости транспортирования принимают от 10 до 50 Гц. Амплитуда колебаний при этом составляет 10—1,5 мм. Правильный выбор частоты и амплитуды колебаний, а также угла направления вибрации обеспечивает достаточно равномерное пере

66ительитель

6

6

итель

итель

Рис. IV.43. Вертикальный колонный вибрационный аппарат：

— корпус; 2 — перегородка; з — бункер; 4—питающая труба; 5 — вибратор; 6 — патрубок для ввода жидкости;夕 ——окно.

мещение почти всех твердых материалов, начиная от порошков с частицами размером несколько десятков микрон и кончая кусками размером *80 мм. Перемещение материала происходит плавно, трение его о стенки практически равно нулю. Это дает возможность обрабатывать хрупкие вещества без их повреждения, а также абра- зивные материалы без заметного износа лотка аппарата. Вибрирующие части установки крепятся к неподвижной опоре витыми или плоскими пружинами. В последнее время в зарубежных аппаратах чаще стали встречаться опоры, выполненные из надутых воздухом резиновых амортизаторов. Транспортная производительность вертикальных аппаратов достигает 15—20 м3/ч.

Важным преимуществом вертикальных аппаратов является большая длина пути перемещения материала на сравнительно малой 218

площади цеха. В частности, на нескольких квадратных метрах пола можно установить вертикальный аппарат высотой 12 м, при этом длина его лотка будет около 100 м. Регулируя параметры вибрации, можно достигнуть продо л жите л ьности пребывания материала в рабочей камере аппарата около 45 мин. Высота Л (см. рис. IV.44) вертикального аппарата может достигать 14 м, высота рабочей камеры Н = = 12 м. Диаметр вертикальной трубы изменяется от 200 до 1200 мм, ширина лотка от 15 до 400 мм.

Для совмещения в одном аппарате двух операций — растворения

и промывки нерастворимого остатка — В. Е. Дьяковым и др. [68] предложен вертикальный вибрационный аппарат с двухзаходной спиралью (рис. IV.45). Он состоит из цилиндрического корпуса, подвешенного тросами 1 через амортизаторы 2 па консольных балках 4. На цилиндрический корпус навиты и закреплены скобами 5 два полиэтиленовых трубчатых элемента 6 и 7; элемент 6 предназначен для кислотного растворения, а элемент 7 — для водной промывки остатка. Нижний виток трубчатого элемента 6 (кислотного) соединен с загрузочным бункером 3, а верхний виток трубчатого элемента 7a (промывочного) выполнен в виде разгрузочного лотка 14. Верхний виток элемента 6 соединен с пижнпм витком элемента 7 вертикальной трубой 9. Раствор

Рпс. IV.44. Вертикальный аппарат со спиральным вибрирующим лотком:】一колонна (труба)： 2 — спиральный лоток; 3 ——вибратор; 4 — пружинная подвесна； 5 ——приемный лоток для твердого материала; 6 —Рпс. IV.44. Вертикальный аппарат со спиральным вибрирующим лотком:】一колонна (труба)： 2 — спиральный лоток; 3 ——вибратор; 4 — пружинная подвесна； 5 ——приемный лоток для твердого материала; 6 —КИСЛОТЫ подается В аппарат ПО КОЛ- ванна для растворителя.

Рпс. IV.44. Вертикальный аппарат со спиральным вибрирующим лотком:

】一колонна (труба)： 2 — спиральный лоток; 3 ——вибратор; 4 — пружинная подвесна； 5 ——приемный лоток для твердого материала; 6 —

Рпс. IV.44. Вертикальный аппарат со спиральным вибрирующим лотком:

】一колонна (труба)： 2 — спиральный лоток; 3 ——вибратор; 4 — пружинная подвесна； 5 ——приемный лоток для твердого материала; 6 —

лектору 27, а промывная вода — по

коллектору 12, коллекторы снабжены кранами 13. Для стока рабочего раствора и промывной воды предусмотрены сифоны 10. К цилиндрическому корпусу прикреплен вибратор 8.

Аппарат работает следующим образом. Твердый материал из загрузочного бункера поступает в трубчатый элемент 6, в котором он под действием колебаний перемещается снизу вверх, взаимодей

ствуя со стекающим вниз раствором кислоты, которая подается из коллектора 11 на предпоследний виток трубчатого элемента. Затем материал, перемещаясь под действием направленных колебаний, отделяется от кислоты на верхнем витке трубчатого элемента и подается иерез трубу 9 на нижний виток пр омыв очного трубчатого элемента 7, по которому он вновь перемещается вверх навстречу промывочному раствору. На верхнем витке трубчатого элемента 7 остаток отделяется от воды, обезвоживается и разгружается в лоток 74. Обработанный

кислый раствор и промывная вода выводятся из аппарата через сифоны. Полупромышленные испытания установки с таким аппаратом (рис. IV.46) проведены [691 при растворении примесей железа из оловянного концентрата соляной кислотой.

Аппарат производительностью 1 т/ч концентрата представляет собой несущий цилиндр диаметром 1 м и высотой 3 м, подвешенный

Рис. IV.45. Вибрационный аппарат с двухзаходной спиралью: 1 ——трос; 2 — амортизатор; 3 ——загрузочный бункер; 4 ——балка; 5 ——скоба; 6, 7 — трубчатые спирали для растворения и промывки; 8 — вибратор; 9 — труба; 10 — сифоны; II. 12 — коллекторы; 13 — кран; 14 — разгрузочный лоток.

на трех пружинах. На цилиндре в качестве лотка укреплены витки двухзаходной спирали из полиэтиленовой трубы с внутренним диаметром 85 мм. Шаг спирали 210 мм; угол наклона ее к горизонтальной плоскости равен 3°20'・ По одному такому спиральному лотку в виде трубы концентрат под действием направленных виброколебаний перемещается снизу вверх противотоком к стекающему раствору соляной кислоты. В верхних витках спирали концентрат отделяется от кислоты и перегружается в промывочную линию. По другому спиральному лотку в виде трубы концентрат перемещается снизу вверх противотоком к стекающей воде. При этом концентрат отмывается от остатков хлорного железа и соляной кислоты с последующим обезвоживанием материала. Каждая из этих линий имеет 14 витков спирали; длина трубы равна 54 м.

Чтобы обеспечить перемещение концентрата снизу вверх по спиральной трубе, аппарату сообщаются крутильные колебания двухвальным дебалансным вибратором инерционного типа. Для синхронизации фаз вращения валов использовали шестеренчатую пару, которая приводилась во вращение от электродвигателя через элас-

тичную муфту. Во время испытания аппарату сообщались колебания частотой 24 Гц с горизонтальной амплитудой крутильных колебаний 0,55 мм и вертикальной амплитудой 1,2 мм (угол направления вибрации 65°). В аппарат на нижний виток загружали концентрат с исходным содержанием 3,8% Fe, а на предпоследний верхний виток спирали заливали подогретую до 343 К техническую 27 % -ную НС1.

Содержание железа в выходящем из аппарата концентрате в среднем составляло 0,8%. Раствор, выходящий из аппарата с темпера-

Рис. IV.46. Схема полупромышленной установки для растворения примесей железа из оловянного концентрата:

I — бункер с питателем; 2 — корпус аппарата; з, 4 — промывочная и кислотные линии; 5 ——вибратор; 6 — сборник; 7 — сосуд для кислоты; 8 — ротаметр； 9 — теплообменник.

турой 318——323 К, содержал 77 г/л Fe. Концентрат промывался горячей водой. Испытания показали, что разработанная технология позволяет в противоточном режиме освобождать оловянный концентрат от примесей до кондиционных содержаний с одновременной его промывкой и обезвоживанием.

Аппараты с высокочастотными колебаниями суспензии

Эффективность работы таких аппаратов в значительной мере определяется эффективностью и надежностью работы излучателей колебаний. Последние преобразуют механическую, электрическую, магнитную, тепловую или химическую энергию в кинетическую энергию колебательного движения мшдкости. Поэтому их называют также преобразователями. Любой преобразователь в общем виде представляет собой устройство, к которому с одной стороны подводится энергия, а с другой отводится ее преобразованная часть. Плотность потока энергии (количество энергии, доставляемое потребителю в единицу времени через единицу площади) пропорциональна разности соответствующих потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению системы преобразователь — обрабатываемая среда. Последняя состоит из внутреннего сопротивления преобразователя и внешнего сопротивления среды (нагрузки).

Для эффективного использования преобразователей существенное значение имеет согласование этих сопротивлений. Практически сопротивление нагрузки должно в 10—15 раз превышать внутреннее

сопротивление преобразователя. В большинстве случаев для этого используются специальные согласующие устройства в виде диафрагм и волноводов различной формы (экспоненциальный, конический, ступенчатый и др.). Для сохранения колебательной скорости поверх- ности преобразователя или ее увеличения применяют волноводы- концентраторы .Чтобы достигнуть больших к. п. д. преобразователя, нужно уменьшить число ступеней преобразования и цовысить к. п. д. каждой ступени, согласовав параметры преобразователя и нагрузки 182].

Для выбора рационального типа преобразователя рассмотрим принципы их работы, основные конструкции и характеристики. По спектру частот все высокочастотные излучатели можно разделить на две группы: узкополосные и широкополосные.

Узкополосные излучатели

К излучателям этой группы относятся электромеханические (электродинамические, пьезоэлектрические, магнитострикционные) источники высокочастотных колебаний.

Электродинамические излучатели. Принцип действия таких излучателей основан на взаимодействии электрического тока, проходящего по проводнику, с внешним магнитным полем. Если к катушке жестко прикрепить мембрану, то она будет колебаться с частотой изменения магнитного поля. Размеры, массу и упругость мембраны выбирают такими, чтобы частота собственных колебаний совпадала

Рис. IV.47. Схемы пьезоэлектрических излучателей：

° — полуволновый ； 6 — четвертьволновый; в —~■ многослойный j 1 — пьезокерамическая пластина; 2 ——стальная пластина; z ——слой клея.

с частотой изменения магнитного поля. Эти излучатели не получили распространения, так как по многим пока зател ям они уступают пьезоэлектрическим и магнитострикционным.

Пьезоэлектрические излучатели. Принцип действия их основан на явлении изменения размеров некоторых кристаллов в злектриче— ском поле, получившем название обратного пьезоэлектрического эффекта. Широкое распространение получили излучатели на основе синтетической керамики титаната бария и цирконат-титаната свинца (ЦТС). Важным преимуществом этих материалов является возмож- иость изготовления излучателей плоской, цилиндрической или сферической формы. Недостатком являются большие механические и 222

диэлектрические потери, что приводит к перегреву и резкому снижению интенсивности колебаний при температуре более 365 К.

Простейшие плоские излучатели (рис. IV.47) выполняют в виде керамических пластин, наклеенных на металлическую пластину. Толщину керамической пластины выбирают кратной четверти длины волны. Практически излучатели выполняют полуволновыми, четверть-

Рис. IV.48. Пьезоэлектрический излучатель со стягивающим болтом:

I 一 накладка с излучающей поверхностью 厶；2 — диски из пьезокерамики； з — отражающая накладка; 4 — болт； 5 ——пружинная шайба.

Рис. IV.49. Цилиндрический излучатель на пьезокерамической основе：

2 一 стакан; 2 —• волновод; з — пьезо керамическая пластина; 4 ——отражатель; 5 ——хомут-

волновыми и многослойными. Из условия резонанса толщина преобразователя полуволнового равна

^К — ”3

=2v7 четвертьволнового

аK—3

толщина металлической* накладки

, Ml 一 如з. м几=T = 一/丁

где Хк и 1^з — длина волны и скорость звука в керамике; %м и "з. м — длина волны и скорость звука в металлической накладке; ”р — резонансная частота.

В последнее время широкое распространение получили излучатели с частотопонижающими иакладкакш [82]. Резонансная частота определяется не только толщиной пьезокерамической пластинки, а общей толщиной пакета с накладкими. Так как склейка — ненадежный метод, накладки стягивают болтами (рис. IV.48). При этом создается механическая поляризация, обусловленная напряженным состоянием керамики. Верхнюю накладку выполняют из алюминия, а нижнюю — из стали. Акустическое сопротивление алюминия в 3 раза меньше сопротивления стали. Следовательно, амплитуда

колебаний на поверхности алюминиевой накладки в 3 раза больше. Обычно используют два диска из пьезокерамики, расположенные так, чтобы их одноименные полюса выходили к внешним накладкам. Это позволяет * заземлять излучатель.

Для обработки суспензий в потоке излучатели располагают равномерно по окружности трубы. Такая комбинация представляет собой цилиндрический низкочастотный излучатель на пьезокерамической основе (рис. IV.49).

Он состоит из металлического тонкостенного стакана 厶 кольцевого волновода 2 из алюминия, насаженного на стакан, пьезокерамических пластин 3 из материала ЦТС-19 и отражателей 4, прижатых к пластинам хомутами 5. Устройство работает на резонансной частоте 16 кГц и питается от одного генератора.

Удельная• мощность, снимаемая с этих преобразователей, составляет 10—50 кВт/м2.

Плоские пьезокерамические преобразователи рассчитывают в следующем порядке [82]:

по известному диаметру излучателя @н определяют площадь излучения

(IV.5)

По заданной резонансной частоте vp определяют толщину I пьезоэлемента

кк，(IV.6)

к

к

где к — частотная постоянная, зависящая от материала:

Материал ..Материал ..КварцКварц七 кГц/мм ..七 кГц/мм ..22802280Сегнетовасоль1540Сегнетовасоль1540Титанатбария2200Титанатбария2200ЦТСЦТС21002100

Материал ..

Материал ..

Кварц

Кварц

七 кГц/мм ..

七 кГц/мм ..

2280

2280

Сегнетовасоль1540

Сегнетовасоль1540

Титанатбария2200

Титанатбария2200

ЦТС

ЦТС

2100

2100

Интенсивность звука при одностороннем излучении в жидкую среду плотностью рж находят по выражению”°

рж^жрж^ж(IV.7)

рж^ж

рж^ж

где ржи?* — удельное акустическое сопротивление среды (жидкости, суспензии)； шж — скорость звука в среде; и5ф — эффективное напряжение возбущде- ния, зависящее от рода материала (для пьезо керамики Озф = Ю——1(X)0 В, для кварца £7Эф = 0,1—50 кВ).

Общу^о мощность акустического излучения определяют как

N^ = IS^N^ = IS^(IV.8)

N^ = IS^

N^ = IS^

где 5н ■*- излучающая поверхность.

Амплитуды переменного звукового давления рт и колебательную скорость частиц среды шк находят из выражений：

Рт =】2/рж^ж/27Рт =】2/рж^ж/27(IV.9)(IV.9)"к"кР*”жР*”ж(IV. 10)(IV. 10)

Рт =】2/рж^ж

/27

Рт =】2/рж^ж

/27

(IV.9)

(IV.9)

"к

"к

Р*”ж

Р*”ж

(IV. 10)

(IV. 10)

Электроакустический к. п. д. составляет一

刀 за = Т)змПма(IV.11)

где п?м = 0,75—0,85 — электромеханический к. п. д.; »]ма = 0,75—0,80 — механический к. п. д. 、

Электрическую мощность, необходимую для возбуждения пьезоэлемента, рассчитывают по формуле：

痴=斗"(IV. 12)

Магнитострикционные излучатели. Принцип действия таких излучателей основан на изменении размеров некоторых твердых тел (железа, никеля, кобальта и их сплавов) в магнитном поле. Если в переменное магнитное поле поместить закрепленный стержень или пакет пластин из магнитострикционного материала, то под действием этого поля за один период его изменения дважды изменяется длина стержня, т. е. частота колебаний стержня в 2 раза выше частоты переменного магнитного поля.

1 Магнитострикционные излучатели обычно состоят из двух основных частей: активного элемента (двигателя, магнитостриктора) и пассивного элемента (акустического трансформатора упругих колебаний или другого согласующего устройства), служащего для исключения контакта материала двигателя с обрабатываемой средой и передачи ей упругих колебаний. Обычно

Рис. IV. 50. Схема многостержневого магнитострикционного излучателя.Рис. IV. 50. Схема многостержневого магнитострикционного излучателя.применяют три типа магнитострикционных излучателей: стержневые, плоские и кольцевые пакетные.

Рис. IV. 50. Схема многостержневого магнитострикционного излучателя.

Рис. IV. 50. Схема многостержневого магнитострикционного излучателя.

Стержневые излучатели выполняют из стандартных никелевых трубок толщиной стенки 1—1,5 мм и внутренним диаметром 10— 50 мм. При работе трубка сильно нагревается вихревыми токами. Поэтому ее разрезают по образующей и охлаждают, используя для этого водяные или масляные рубашки. Однако более просты по конструкции и надежны в работе пакетные плоские излучатели, представляющие собой пакеты из вырубленных плоских листов магнитострикционного материала. Они могут быть одно- и мнргостержневыми. Многостерткневые излучатели (рис. IV.50) имеют минимум два стержня, окно и два ярма, соединяющих стержни.

Геометрические размеры пакета магнитострикционного преобразователя, определяющие его энергетические и резонансные свойства, рассчитывают в следующем порядке [82]:

Задавшись рабочей частотой vK и подводимой электрической мощностью "зл, выбирают магнитострикционный материал. Затем по удельной допустимой

(IV.13)(IV. 14) сечения(IV.15>ширину данным.(IV.13)(IV. 14) сечения(IV.15>ширину данным.мощности %уд для данного материала (50—100 Вт/см2) находят излучающую поверхность:

(IV.13)

(IV. 14) сечения

(IV.15>

ширину данным.

(IV.13)

(IV. 14) сечения

(IV.15>

ширину данным.

Sil = N Эл/N уд

Принимая сечение пакета квадратным, находят его ширину Ь = V^i < у

Задавшись числом стержней п, находят отношение дм площади стержней Sc к площади излучающей поверхности Sh

Sc _ 2 (八一1) "

Эта формула справедлива для квадратного пакета. При п ^ 3 внутренних стержней принимают равной 2a. По экспериментальным

максимальному к. п. д. пакета соответствует «м = 0,65—0,75. Затем выбирают высоту ярма d* = (0,8—1,2)а. Ширина окна %к зависит от условии размещения обмотки, способа охлаждения преобразователя и числа стержней. Обычно сок = 0,8—1,5 см. Высоту окна ДОк находят из условий резонанса

2,

.五ок =不 arctg дм/tg Ыя(IV.16>

где к = 2jivk/"3. м — волновое число; ш3. м 一 скорость звука в материале магнитостриктора.

Толщину пластин Д (в мм) выбирают равной глубине проникновения переменного магнитного поля:-

a=503/群• (IV.17>

где рэл ——удельное электрическое сопротивление материала пластины, Ом X X мм2/м; |1м — относительная магнитная проницаемость.*

Акустическую мощность находят из выражения

.М = 0,063喏.м^в喙4BQ(IV.18>

где 7?в — ри?з. м —— удельное волновое сопротивление; ет —— амплитуда относительной деформации магнитостриктора; Q =冗/6 ——добротносхь вибратора; 6 ——логарифмический декремент затухания колебаний; Л = QmSc；

„ ,片昭К„ 2H

Резонансная частота излучателя по приведенному расчету оказывается меньше реальной. Поэтому принимают ее на 5% больше для vK = 25 кГц и на 10% — для vK = 25—50 кГц.

Кольцевые (цилиндрические) пакетные излучатели с радиальным] направлением колебаний изготовляют набором в пакет колец иа листового магнитострикционного материала. Обмотку возбуждениям наматывают на пакет через отверстия, расположенные по периметру J средней окружности колец, или через пазы, расположенные с вну-； тренней и внешней сторон цилиндра (цилиндр с зубчатой поверх-. ностью). Средний диаметр магнитопровода %см = ^3. m/^vk [821- Оптимальная ширина активной части кольца а = (0,15—0,20) &м』 высота цилиндра % = 0,8入/2.

В последнее время в ультразвуковой технике начинают применять ферриты (керамика с магнитострикционными свойствами), получаемые спеканием измельченных в порошок окислов железа, цинка п закиси никеля. Ферритовые излучатели обладают рядом преимуществ перед пакетными. Они являются диэлектриками, поэтому по-В последнее время в ультразвуковой технике начинают применять ферриты (керамика с магнитострикционными свойствами), получаемые спеканием измельченных в порошок окислов железа, цинка п закиси никеля. Ферритовые излучатели обладают рядом преимуществ перед пакетными. Они являются диэлектриками, поэтому по-Рис. IV.51. Излучатель ПМС-6М:1 — бачок охлаждения; 2 — пакет преобразователя; з — обмотка; 4 — штуцер вывода провода; 5 — шпилька, 6 — излучающая пластина; 7, 8 — штуцеры для воды; 9 — диск прижимной;】о ——кронштейн;工】一резиновая подушка.Рис. IV.51. Излучатель ПМС-6М:1 — бачок охлаждения; 2 — пакет преобразователя; з — обмотка; 4 — штуцер вывода провода; 5 — шпилька, 6 — излучающая пластина; 7, 8 — штуцеры для воды; 9 — диск прижимной;】о ——кронштейн;工】一резиновая подушка.тери на вихревые токи отсутствуют, а к. п. д. достигает 80% против 50% для пакетных. Кроме того, они устойчивы против коррозии и имеют слабую зависимость частоты от температуры. Ферритовые излучатели обеспечивают амплитуду смещения 3—4 мкм при интенсивности 20—70 кВт/м2 на частотах 23—28 кГц.

В последнее время в ультразвуковой технике начинают применять ферриты (керамика с магнитострикционными свойствами), получаемые спеканием измельченных в порошок окислов железа, цинка п закиси никеля. Ферритовые излучатели обладают рядом преимуществ перед пакетными. Они являются диэлектриками, поэтому по-

В последнее время в ультразвуковой технике начинают применять ферриты (керамика с магнитострикционными свойствами), получаемые спеканием измельченных в порошок окислов железа, цинка п закиси никеля. Ферритовые излучатели обладают рядом преимуществ перед пакетными. Они являются диэлектриками, поэтому по-

Рис. IV.51. Излучатель ПМС-6М:

1 — бачок охлаждения; 2 — пакет преобразователя; з — обмотка; 4 — штуцер вывода провода; 5 — шпилька, 6 — излучающая пластина; 7, 8 — штуцеры для воды; 9 — диск прижимной;】о ——кронштейн;工】一резиновая подушка.

Рис. IV.51. Излучатель ПМС-6М:

1 — бачок охлаждения; 2 — пакет преобразователя; з — обмотка; 4 — штуцер вывода провода; 5 — шпилька, 6 — излучающая пластина; 7, 8 — штуцеры для воды; 9 — диск прижимной;】о ——кронштейн;工】一резиновая подушка.

Рис. IV.52. Излучающая .пластина.

Основным недостатком этих излучателей, как и пьезоэлектрических, является низкая механическая прочность керамики, ограничивающая интенсивность колебаний. Поэтому они нашли ограниченное применение. Основное значение для технологических целей имеют магнитострикционные излучатели, что обусловлено* высокой прочностью и большой удельной акустической мощностью (до 1 МВт/м2).

Магнитострикторы, как правило, используют для одностороннего излучения. Для этого на торец магнитостриктор а, противопо-

15*15*227

15*

15*

ложный излучающему, наклеивают пористую резину. Колебанияt отражаясь от этого торца, изменяют фазу на 180° и достигают излучающей поверхности в фазе с прямой волной. В магнитостикторе нагреваются как обмотка, так и пакет. Для сохранения нормальны%

Рис. IV. 53. Схемы крепления магнитострикционного излучателя в стенке сосуда：

1 — стенка сосуда; 2 ——излучающая пластина; з ——резиновые прокладки； 4 — рама; 5 二 бачок преобразователя; 6 — болт. i условий работы температура в центральной части вибратора не должна превышать 350 К. Поэтому магнитостриктор заключают в герметичный бачок с принудительным охлаждением водой, а обмотку выполняют из специального провода типа БПВЛ.

В широко распространенном излучателе ПМС-6М (рис. IV.51) излучающая пластина 6 (рис. IV.52) имеет переменное сечение. Н$ рис. IV.53 показаны схемы крепления магнитострикционного излу；

Рис. IV. 54. Распределительный магнитострикционный излучатель, 228

чателя в стенке сосуда. Конструкция серийного магнитострик- ционного распределительного излучателя мощностью 4 кВт показана на рис. IV.54. Площадь охлаждения такого излучателя больше, что позволяет использовать вместо водяного принудительное воз

душное охлаждение от вентилятора.

Для повышения эффективности используют излучатели с акустической обратной связью в системе с автоподстройкой частоты [8]. Такой излучатель (рис. IV.55) состоит из двух рабочих излучающих пакетов и одного приемного с обмоткой обратной связи. Все пакеты припаяны к одному торцу пластины или концентратера. Толщина приемного пакета примерно в 7 раз меньше суммарной толщины двух излучающих пакетов. Напряжение обратной связи, наводимое в приемном пакете, является сигналом для автоматической настройки частоты.

Широкополосные излучатели

Большинство рассмотренных преобразователей представляет собой резонансные системы, обеспечивающие выходную мощность только в узкополосном резонансном режиме. При большой интенсивности излучения любой узкополосный источник колебаний становится широкополосным, что вызвано кавитацией. Это связано с возникновением кавитационных полостей различных размеров. Однако и при не

Рис. IV.55. Излучатель с аку- стической обратной связью: I — обмотка обратной св^зи; 2 — основная обмотка; з — штуцер для охлаждающей жидкости； 4 — пакет обратной связи; 5 — рабочие пакеты; 6 — бачок; 7 — трансформатор.Рис. IV.55. Излучатель с аку- стической обратной связью: I — обмотка обратной св^зи; 2 — основная обмотка; з — штуцер для охлаждающей жидкости； 4 — пакет обратной связи; 5 — рабочие пакеты; 6 — бачок; 7 — трансформатор.больших интенсивностях периодических колебаний они могут иметь широкий спектр, если колебания излучаются элементами различных размеров. Таким свойством обладают гидродинамические излучатели с вихревым механизмом генерации колебаний, поскольку вихри различного масштаба представляют собой совокупность резонансных элементов, настроенных на разные частоты собственных колебаний. Такой ансамбль отдельных элементарных излучателей, действующих одновременно на разных частотах, называют периодическим широкополосным излучателем.-

Рис. IV.55. Излучатель с аку- стической обратной связью: I — обмотка обратной св^зи; 2 — основная обмотка; з — штуцер для охлаждающей жидкости； 4 — пакет обратной связи; 5 — рабочие пакеты; 6 — бачок; 7 — трансформатор.

Рис. IV.55. Излучатель с аку- стической обратной связью: I — обмотка обратной св^зи; 2 — основная обмотка; з — штуцер для охлаждающей жидкости； 4 — пакет обратной связи; 5 — рабочие пакеты; 6 — бачок; 7 — трансформатор.

Колебания, возбуждаемые в жидкости при импульсном (взрывном) выделении энергии, называют апериодическими широкополосными .Это связано с излучением колебаний различной частоты элементами, размеры которых или возмущающая сила изменяются во

времени (плазменная каверна с затухающими пульсациями, мембрана при импульсном воздействии давления и т. п.).

Гидродинамические излучатели. Принцип действия их основан на явлении пульсации затопленного потока жидкости вследствие вих- реобразования (гидравлические свистки: пластинчатые, вихревые, роторно-пальцевые, роторно-пульсационные) или прерывания потока с помощью клапанов, золотников (клапанные, мембранно-клапанные, роторные излучатели).

Р,% IV.56. Схемы пщродинамических излучателей:Р,% IV.56. Схемы пщродинамических излучателей:а — пластинчатый: 1 ——сопло; 2 — пластина; з ——узлы крепления; б ——вихревой; в ——ро・ торно-пальцевый: 1 ——статор; 2 — ротор; з — пальцы; г ——клапанный： 1 ——коробка； 2 — мембрана; з — шток； 4 — клапан; 5 — запорное устройство；仇 е — мембранно-клапанный с внутренней и внешней рабочей частью мембраны: 1 — сопло; 2 — мембрана; з — узлы крепления; ж — роторный： 1 — конус： 2, з — диски; 4, 5 — отверстия.а — пластинчатый: 1 ——сопло; 2 — пластина; з ——узлы крепления; б ——вихревой; в ——ро・ торно-пальцевый: 1 ——статор; 2 — ротор; з — пальцы; г ——клапанный： 1 ——коробка； 2 — мембрана; з — шток； 4 — клапан; 5 — запорное устройство；仇 е — мембранно-клапанный с внутренней и внешней рабочей частью мембраны: 1 — сопло; 2 — мембрана; з — узлы крепления; ж — роторный： 1 — конус： 2, з — диски; 4, 5 — отверстия.

Р,% IV.56. Схемы пщродинамических излучателей:

Р,% IV.56. Схемы пщродинамических излучателей:

а — пластинчатый: 1 ——сопло; 2 — пластина; з ——узлы крепления; б ——вихревой; в ——ро・ торно-пальцевый: 1 ——статор; 2 — ротор; з — пальцы; г ——клапанный： 1 ——коробка； 2 — мембрана; з — шток； 4 — клапан; 5 — запорное устройство；仇 е — мембранно-клапанный с внутренней и внешней рабочей частью мембраны: 1 — сопло; 2 — мембрана; з — узлы крепления; ж — роторный： 1 — конус： 2, з — диски; 4, 5 — отверстия.

а — пластинчатый: 1 ——сопло; 2 — пластина; з ——узлы крепления; б ——вихревой; в ——ро・ торно-пальцевый: 1 ——статор; 2 — ротор; з — пальцы; г ——клапанный： 1 ——коробка； 2 — мембрана; з — шток； 4 — клапан; 5 — запорное устройство；仇 е — мембранно-клапанный с внутренней и внешней рабочей частью мембраны: 1 — сопло; 2 — мембрана; з — узлы крепления; ж — роторный： 1 — конус： 2, з — диски; 4, 5 — отверстия.

Гидродинамический пластинчатый излучатель (рис. IV.56, а) представляет собой сопло (щель) 1, по оси которого жестко закреплена пластина 2. При ее обтекании жидкостью то с одной стороны, то с другой срываются вихри, вызывающие периодические импульсы давления. При этом концы пластины колеблются с некоторой собственной частотой, зависящей от материала пластины, свойств жидкости, размеров и способа крепления пластины. Скорость истечения жидкости из сопла и расстояние края пластины от среза сопла определяют частоту излучаемого звука. Настройка в резонанс достигается изменением расхода жидкости. Для частот выше 7 кГц пластины крепят в двух узловых точках, для частот меньше 7 кГц применяют консольное крепление； Устойчивая работа таких излучателей возможна при высоких скоростях истечения жидкости (до 25 м/с) и очень точной настройке системы плавным изменением расхода жидкости.

Вихревой излучатель (рис. IV.56, б) состоит из двух цилиндрических камер различного диаметра. Жидкость тангенциально вводится в камеру большего диаметра и выходит из камеры меньшего диаметра. При вращении жидкости в центре камеры большего диа- 230

метра возникает разрежение, и в нее устремляется жидкость, при этом давление повышается. Истечение жидкости приводит к повторению описанного явления пульсационного движения жидкости. Такие излучатели генерируют звуковые колебания частотой до 15 кГц при интенсивности до 10 кВт/м2 [82]. Аналогичным образом возбуждаются звуковые колебания при прохождении жидкости по гофрированной трубе.

Роторно-пальцевый излучатель (рис. IV.56, в) состоит из неподвижного диска (статора) 1 с пальцами 3, размещенными по концентрическим окружностям, и такого же ротора 2 с аналогичным расположением пальцев. При вращении пальцы ротора периодически проходят между пальцами статора, выдавливая жидкость или суспензию в свободное пространство: В результате этого возникают пульсации жидкости, частота которых определяется числом пальцев на окружности и скоростью вращения ротора. Аналогичный эффект возникает и в том случае, если ротор вместо пальцев имеет радиальные каналы с периодически меняющимся сечением и вращается в кожухе: центробежные потоки при движении по каналам переменного сечения возбуждают звуковые колебания. Такие излучатели получили название роторно-пульсационных.

Клапанный излучатель (рис. IV.56, г) представляет собой коробку I с мембраной 2, связанной штоком 3 с клапаном 4 запорного устройства 5. При подаче жидкости через коробку 1 давление в ней повышается, мембрана прогибается наружу и закрывает путь жидкости клапаном 4. Дальнейший рост давления приводит к открытию клапана и колебаниям мембраны. В результате этого создается пульсационное движение жидкости в трубопроводе. Изменяя характеристики мембраны и клапана, можно изменять характеристики излучения. Такие излучатели обеспечивают колебания с частотой до 3 кГц, при интенсивности, достаточной для возникновения кавитации [82]. Более простыми по конструкции являются мембранно-клапанные излучатели, в которых роль клапана играет внутренняя (рис. IV.56, д) или внешняя (рис. IV.56, е) часть мембраны.

Роторный излучатель (рис. IV.56, ж) состоит из двух или более коаксиальных цилиндров или конусов 1 с щелевыми отверстиями 5. Часть таких цилиндров укреплена на одном диске 2 (который может быть неподвижным или вращающимся), а часть — на другом 3. При вращении одной группы цилиндров относительно другой прорези всех цилиндров периодически не совпадают, перекрывая радиальный поток жидкости или суспензии, проходящей через отверстия 4. Таким образом осуществляются колебания потока жидкости, циркулирующего через гидродинамический роторный излучатель (ГРИ).

В химической и других отраслях промышленности применяют излучатели типа ГАРТ ——гидродинамические аппараты роторного типа [203]. Ротор ГАРТ-1, смонтированный на валу мощного электродвигателя, представляет собой кольцо с одним или несколькими рядами 'зубьев; статор (также зубчатый) установлен в корпусе или

на подвесной опоре в аппаратах погружного типа. Отличается от рассмотренных излучателей так называемый генератор кавитации (рис. IV.57), разработанный Л. А. Сульби в проблемной лаборатории Тартуского государственного университета [189].

Высокооборотный двигатель 1 (50 об/с) связан с конусообразным ротором 2, который вращается в корпусе (статоре) 3 такой же формы. На узком конце статора находятся входные штуцеры 4, а на широком конце в тангенциальном направлении — выходной штуцер 5. Рабочие поверхности А статора и ротора выполнены шероховатыми (например, микрозубчатыми). При вращении ротора в зазоре между ротором и статором возникает интенсивная кавитация.

Рис. IV.57. Генератор кавитации：

1 一 электродвигатель; 2 — ротор; 3 — статор; 4, 5 — штуцеры для ввода и вывода жидкости.

Этот излучатель объединяет в себе в какой-то мере свойства гидродинамических сирен и пульсационных излучателей типа трубы с пере- менным сечением.

Из рассмотренных конструкций гидродинамических излучателей для обработки суспензий в промышленных масштабах используются вихревые, роторно-пальцевые, роторно-зубчатые, роторно-пульса - ционные и роторные излучатели. СледсГвательно, эти излучатели наиболее приемлемы и для интенсификации процессов растворения ・

Механизм и теория звукообразования разработаны только для роторных излучателей. Средняя производительность роторного излучателя [82 ]

2С2р^Щащ

…' Qcp = ~痴而一％) (IV. 19)

где zc и Zp — числа щелей статора и ротора; Нщ и ащ— высота и ширина щели- Яр ——радиус ротора； wq ——скорость потока при Нр = 0・"

Частота колебаний

(IV.20)(IV.20)Vk — SZc^p где со — круговая частота вращения ротора.

(IV.20)

(IV.20)

Импульсные излучатели. Принцип действия их основан на явлении возбуждения в окружающей среде широкополосных импульсных колебаний при мгновенном приложении силы, действующей в объеме жидкости или на ее поверхности. По виду используемой энергии взрывы и удары можно разделить на химические (выделение 232

Рис. IV.58. Газовзрывной излучатель:2 — патрубки для ввода газов; 2 — проницаемый фильтр; з — корпус взрывной камеры; 4 — электроды； 5 — камера смешения.Рис. IV.58. Газовзрывной излучатель:2 — патрубки для ввода газов; 2 — проницаемый фильтр; з — корпус взрывной камеры; 4 — электроды； 5 — камера смешения.тепловой энергии при мгновенном сгорании твердых, жидких и газообразных взрывчатых веществ) и физические (мгновенное выделение механической или тепловой энергии при охлаждении и конденсации перегретого пара, испарении сжиженных газов, высоковольтных искровых разрядах, фокусировании лазерного электромагнитного излучения и т. д.). Отличительной чертой взрывных излучателей колебаний является контакт источника энергии со средой. Для осуществления удара необходима передача того или иного вида энергии промежуточному твердому телу (шару, стержню в аппаратах с телами наполнения, мембране, поршню и т. д.).

Рис. IV.58. Газовзрывной излучатель:

2 — патрубки для ввода газов; 2 — проницаемый фильтр; з — корпус взрывной камеры; 4 — электроды； 5 — камера смешения.

Рис. IV.58. Газовзрывной излучатель:

2 — патрубки для ввода газов; 2 — проницаемый фильтр; з — корпус взрывной камеры; 4 — электроды； 5 — камера смешения.

Особенностью использования взрывов и ударов для интенсификации процессов растворения яв~ ляется периодическое повторение взрывов или ударов сравнительно небольшой энергии длительное время. Поэтому выбор того или иного вида энергии определяется в первую очередь простотой, удобством и надежностью осуществления взрывов или ударов с заданной частотой следования. Для этого, в свою очередь, необходимо безопасное накопление и хранение запаса энергии, ее дозирование и обеспечение условий для периодического мгновенного преобразования в тепловую энергию (поджиг взрывчатого вещества, впрыск сжиженного газа или перегретого пара, коммутация электри

ческого тока и т. п.). При современном состоянии техники наиболее подходящими являются химические взрывы газообразных смесей и физические взрывы в результате высоковольтных искровых разрядов в жидкости, впрыскивания в жидкость сжиженных газов или перегретого пара, а также механические и электродинамические

удары.

Газовзрывной излучатель (рис. IV.58), работающий на смеси из пропана, бутана и кислорода, представляет собой цилиндрическую камеру, закрытую с одного конца [67]. Газы поступают раздельно через смесительные патрубки 7 в смесительную камеру 5, отделенную проницаемым фильтром 2 от взрывной камеры в виде стальной трубы 3. При подаче на электроды 4 высоковольтного электрического импульса промежуток между электродами пробивается искрой, смесь воспламеняется и мгновенно расширяется. Если нижнюю часть взрывной камеры погрузить в жидкость, то зеркало жидкости воспримет удар газообразных продуктов. В одной из конструкций 167] взрывная камера диаметром 0,05—0,20 м имела длину около 6 м. Газ

подавали в камеру непрерывно под давлением 0,2 МПа и поджигали периодически с интервалом 1—2 с. Взрывы обеспечивали импульсы колебаний жидкости с максимумом интенсивности на частотах 30— 70 Гц.

Электроразрядаый излучатель (рис. IV.59) напоминает автомобильную свечу. Он представляет собой высоковольтный электрод 1 с изоляцией 2 (вакуумная резина, текстолит, эбонит, фторопласт), смонтированный в металлической трубе 3. К последней на одном конце приварен фланец 4 для крепления к штуцеру аппарата, а на

Рис. IV. 59. Электроразрядный излучатель:

1 — высоковольтный электрод; 2 — изоляция; з ——труба； 4 ——фланец; 5 ——скоба； 6 — съемная часть изоляции; 7 — труба; 8 — крышка; 9 — зажим.

другом приварена скоба 5, служащая вторым (отрицательным) электродом. Изоляция фиксируется в трубе крышкой 8. Для облегчения замены изоляции при разрушении часть ее 7 выполняется съемной. Кроме того, для увеличения срока работы съемную часть изоляции выполняют так, чтобы между нею и электродом 1 был зазор несколько миллиметров и глубиной 15—20 мм [140].

С увеличением поверхности неизолированной части высоковольтного электрода уменьшается к. п. д. преобразования энергии. Поэтому электрод делают по возможности тоньше (диаметр 3—5 мм для разрядов энергией 500——1500 Дж), а выступающую над изоляцией тасть ——короче (厶=5——10 мм). Однако в случае большой длины электрода на нем рассеивается (теряется) существенная доля энергии/Поэтому для уменьшения сопротивления электрод пропускают иерез латунную или медную трубу 6 с зажимом 9 для фиксирования заданной величины зазора (разрядного промежутка) %.

В качестве электрода можно использовать проволоку, при длительной работе подаваемую с барабана периодически или непре- 234

рывно для поддержания определенной величины зазора ". Для исключения пробоя между электродом 1 и трубой 3 (минуя разрядный промежуток) изоляция должна выступать над обоими концами трубы 3 на расстояние 乙，исключающее его пробой при заданном напряжении (ZH = 50—100 мм при напряжениях 15—30 кВ).

Высоковольтный электрод соединяют с положительным полюсом генератора импульсов тока, а отрицательный — через трубу 3 и фланец 4 заземляют.

Оптимальное расстояние между электродами ^ОПт, соответствующее максимальному эффекту воздействия, для воды о* = 10~2 Ом-1 • мт может быть определено по зависимости, предложенной И. П. Кужекиным [82]:

(IV.21)(IV.21)£0,8

(IV.21)

(IV.21)

%пт = 0,58.10-е 10,300,5 ехр

где £е — индуктивность разрядного контура; Се —'емкость батареи конденсаторов. -

Однако выражение (IV.21) не отражает влияния удельной электропроводности жидкости, напряжения на конденсаторах и величины неизолированной поверхности положительного электрода S* Эти величины содержатся в безразмерных зависимостях, полученных А. Д. Молчановым и В. П._Косыком [134] после обработки экспериментальных данных：

/ Се1Ул \0,75/ Се1Ул \0,75для воды(0Ж = 2,5 ♦ Ю~2—1 • 10~3 Ом-1*^1)

/ Се1Ул \0,75

/ Се1Ул \0,75

(IV. 22)

。＜遊＜24。。；

Sa = 64—270 мм2

для водных растворов электролитов средней удельной электропроводности (сж = 4,5 См-м"1)

(1V.23)(1V.23)

(1V.23)

(1V.23)

6＜幾 ＜22； 6з=10—50 мм2

для водных растворов электролитов высокой удельной электропроводности (0Ж — 12 Оы 1・ м~1)

(IV.24)(IV.24)

(IV.24)

(IV.24)

GVEV38； Ss=l°—35 MM2

Значения средних величин скорости развития лидерных каналов на пред- пробойной стадии разряда wn в зависимости от напряжения заряженных конденсаторов 〃о заимствованы из работ [1, 134, 140] и представлены в табл. IV.4.

[00403—441g ■^■十 1&р—0,286±p lg[00403—441g ■^■十 1&р—0,286±p lgДля расчета оптимального расстояния меяеду электродами в водных электролитах пж = (1—2)0м~1-м~1 можно воспользоваться уравнением, полученным О. П. Семкиной [191] при регрессионном анализе характеристик пробоя

[00

403—441g ■^■十 1&р—0,286±p lg

[00

403—441g ■^■十 1&р—0,286±p lg

。。^9.705+0,1 /опт

—0,1 г(206,5—129.4 1g 黑)一1,707 1g ^―0,105«p+0.02tp 1g 翼(IV.25)

где и。——напряжение заряженных конденсаторов, кВ; ；Опт= 0,16—0,6 мм; lg 1/о* = 1,8—5,4; г = 0,02—0,1 мм — радиус закругления положительного электрода; Ер = (60—175) *10~9 с— экспозиция прямоугольного импульса на- пряжения.

Рис. IV.60. Импульсный электродинамический излучатель:.

j — импульсный генератор тока； 2 — обмотка; 3 — изолирующая пластина； 4 — мембрана; 5 — корпус.

Сведения об использовании сжиженных газов и перегретого пара для генерации колебаний пока не позволяют сформулировать каких- либо рекомендаций по расчету и конструированию соответствующих излучателей. В основном пар или газ подают через сопла, подбирая расход носителя энергии, обеспечивающий максимальный эффект воздействия. -

Помимо описанных взрывных излучателей импульсов, весьма перспективны электродинамические ударные излучатели [82]., Перед плоским соленоидов устанавливают медную мембрану (рис. IV.60). При разряде конденсатора через соленоид в мембране наводятся вихревые токи, в результате этого возникают силы отталкивания, и мембрана посылает в жидкость мощный импульс давления.

Расчет импульсного электродинамического излучателя (рис. IV.61) с учетом сопротивления среды предложен Н. А. Роем [160].

Таблица IV.4. Средние значения тл

%, кв

%.1味 См-м-1

吗и” 1°Т, м/с

%, кВ

0Ж- 10\ ОмТ・М-1

吗„• io-、 м/с

Водопроводная вода

Водопроводная

зода

13,7

1

50

2,5

110

16

2,5

1,5

60

2,6

150

18,5

2

70—80

2,5

200

20•

2,5

10

90-100

2,5

300

25 зо

2,5

2 5

20

25

Растворы, электролитов

40

2,5

70

13,7

454

9

42,5

0,1

80

13,7

13,7

840

1186

4

2,8

Напряженность магнитного поля в зазоре определяется из выражения 〃м = £(IV.26)

где b ——ширина витков спиральной обмотки; I ——сила разрядного тока.

Индуктивность излучателя можно оценивать из соотношения r NoSa

гДе No — магнитная постоянная; S = лг^ — площадь излучателя; q — толщина изоляции мещду мембраной./

Рис. IV.61. Расчетная схема импульсного электродинамического излучателя:

工 ——слой смолы; 2 ——обмотка; з ——изолирующая пластина; 4 — мембрана.

Активное сопротивление излучателя рйвно

Н = /?с+ & = 2 量(IV.28)

где Яс и Дм — сопротивление соответственно спирали и мембраны; рад — Удельное электрическое сопротивление.

Силу разрядного тока можно наити по выражению

/=、一①厶一。3 (—at) sin®o±(IV.29)

где О.——начальное напряжение на конденсаторе Се； со и ④。——частота собственных колебаний системы соответственно с затуханием и без затухания; a = JR/2Ee・

Давление на мембрану определяется из выражения

厶/2阿/2 L/2'

p=1「=方=加(iv・30)

马G縛

ашке = (04-0,5)黄=(0,4-0,5) ^-(IV.31)

где V — объем изолирующей пластины..

Акустическая энергия за время импульса 加 составит

S 23境（迎计侬）

(IV.32)1(IV.32)1心=百）其成=丽皿-（/曉丁码U _ exP （一2%）1

(IV.32)1

(IV.32)1

где p — плотность среды； 〃з ——скорость звука в среде; £0 =石3口 + Еа + + Ес — полная энергия.з

Электрическая энергия1

£эл=5^ i1-^^2^1£эл=5^ i1-^^2^1(IV. 33)(IV. 33)

£эл=5^ i1-^^2^1

£эл=5^ i1-^^2^1

(IV. 33)

(IV. 33)

Энергия, оставшаяся на конденсаторе

ЕС~ЕО exp (—2а#и)(IV.34)

Толщина мембраны и спирали{

丨]「Р-IЗ-^ + ^^оН+ехриаа")]]]。》(

а =32(4а2*+п2)р.з5)

Ширина витков?

仁切勇嘤「(IV.36)

Приведем характеристики некоторых импульсных электродинамических излучателей. В излучателе И. Херси [82] мембрана представляет собой плоский алюминиевый диск диаметром 46 мм и тол- щиной 0,64 мм. При разряде батареи емкостью 160 мкФ, напряжением 4 кВ мембрана отбрасывалась в воздухе на 9 м, а в воде на； 13 мм. Максимальное значение тока составляло 1,6 кА при длительности импульса 0,5 мс, максимальное звуковое давление на расстоя-^ нии Q,8 м достигало 0,2 МПа, к. п. д. 10%.

Параметры излучателя Н. А. Роя [158] следующие: а = 0,002 м, Ъ = 0,012 м,( = 0,07 м2,厶=1Д8 мкГн,瓦=0,0088 Ом (питание Се = 140 или 280 мкФ и С70 = 6 кВ). Мембрана армирована текстолитовой пластиной толщиной 8 мм. Максимальное звуковое давление составляло 22 МПа при емкости 280 мкФ.I

Параметры излучателя Л. А. Вдовиченко и О. Ф. Черкашина 148] такие: число витков 100; & = 0,176 Ом; диаметр 170 мм; высота 30 мм. Излучатель снабжен дюралюминиевой мембраной диа] метром 150 мм, толщиной 5 мм и массой 226 г. При напряжении 4 кВ. и емкости 20 мкФ скорость мембраны в воздухе составила 50 м/с, к. п. д. излучателя 8,5%.

Механические удары используют главным образом в аппаратах с телами наполнения типа шаровых, стержневых, вибрационных мель-j ниц. При этом происходит измельчение. твердой фазы. Поэтому| такие аппараты рассмотрены в следующем разделе.

Конструкции аппаратов

Практическое применение находят аппараты с узкополосными плоскими, цилиндрическими, пьезоэлектрическими и магнитострик- ционными излучателями, а также широкополосные гидродинамические (вихревые, роторные, роторно-пульсационные^ роторно-паль-

Рис. IV.62. Аппарат для ультразвуковой обработки суспензий：

1 — излучатель ПМС-6; 2 — корпус аппарата; з — мешалка; 4 — электродвигатель; 5 — разгрузочное устройство.

цевые) и импульсные (газовзрывные, электроразрядные, паровые).

На рис. IV.62 представлена конструкция аппарата с плоским магнитострикционным излучателем для ультразвуковой обработки суспензий с целью растворения примесей [194].

Аппарат представляет собой цилиндрический сосуд с мешалкой, служащей для поддержания суспензии во взвешенном состоянии. Магнитострикционный преобразователь ПМС-6 отделен от суспензии дном сосуда. Ультразвуковые колебания передаются в суспензию через масло, которое непрерывно охлаждается в теплообменнике. При крупности твердого материала до 50 мкм (Ж : Т = 2 : 1) такой аппарат позволяет обрабатывать в непрерывном режиме 200—— 240 кт/q твердого материала.

Конструкция промышленного ультразвукового аппарата для электрохимического окисления манганата калия до перманганата (рис. IV.63) разработана А. П. Гиндисом и др. [59]. Аппарат представляет собой стальной сосуд 1 прямоугольной формы емкостью 800 л со сборником кристаллов 2 и крышкой 3. Для облегчения вывода кристаллов КМпО4 в сборник днище аппарата -выполнено наклонным. На днище смонтировано восемь магнитострикционных излучателей 4 типа ПМС-6. В качестве анодов 5 применена фольга из нержа-

Рис. IV.63. Ультразвуковой аппарат для электрохимического окисления манганата калия до перманганата:7 — корпус; 2 — сборник кристаллов; з — крышка; 4 — магнитострикцион-、.ные излучатели ПМС-6; 5 — анод; 6 — катод.Рис. IV.63. Ультразвуковой аппарат для электрохимического окисления манганата калия до перманганата:7 — корпус; 2 — сборник кристаллов; з — крышка; 4 — магнитострикцион-、.ные излучатели ПМС-6; 5 — анод; 6 — катод.

Рис. IV.63. Ультразвуковой аппарат для электрохимического окисления манганата калия до перманганата:

7 — корпус; 2 — сборник кристаллов; з — крышка; 4 — магнитострикцион-、.

ные излучатели ПМС-6; 5 — анод; 6 — катод.

Рис. IV.63. Ультразвуковой аппарат для электрохимического окисления манганата калия до перманганата:

7 — корпус; 2 — сборник кристаллов; з — крышка; 4 — магнитострикцион-、.

ные излучатели ПМС-6; 5 — анод; 6 — катод.

веющей стали, а катодами 6 служили железные стержни. Расстояние от нижнего среза анодов до поверхности мембран ультразвуковых излучателей соответствовало половине длины волны колебаний X в жидкости. Для снижения расхода электроэнергии ультразвуковой обработке подвергали раствор на второй стадии электрохимического У- процесса, когда его скорость тормозится концентрационным и иони-' зационным перенапряжением.«奪

Применение такого аппарата позволяет ускорить процесс окисления в 10—14 раз при одновременном росте выхода по току и увеличении степени окисления на 20—25%. Недостатками аппарата являются возможность диспергирования кристаллов, опускающихся^ на мембраны излучателей, и неравномерность акустического поля. Поэтому рационально магнитострикционные преобразователи располагать на боковых поверхностях. В этом случае достигается более равномерное акустическое поле, а дно аппарата можно использовать в качестве сборника шлама. Вместо излучателей ПМС-6 лучше использовать излучатели ПМС-38 с мембраной размером 226 X 538 мм, имеющие равномерно распределенное акустическое

поле.-

Для процессов растворения небольших количеств материала целесообразно применять ультразвуковой реакционный сосуд (рис. IV.64),「 разработанный В. Н. Степановым и др. [82]. Он состоит из магнито- г

стриктора 7 (ПМС-6) и насадки-излучателя 4 из стали Х18Н9Т. Насадка рассчитана так, чтобы обеспечить резонанс продольных и поперечных колебаний ее стенок. Аппарат снабжен двумя рубашками водяного охлаждения 8 и 5, разделенными мембраной 6.

Для растворения при повышенной интенсивности ультразвуковых колебаний используют аппараты, снабженные излучателями с концентраторами (рис. IV.65). Поле, создаваемое таким излучателем на заданной частоте, можно разделить на три области: ближ-

крышка；夂—насадка^иэлучателъ;—магнитострикгор; 8 — рубашкакрышка；夂—насадка^иэлучателъ;—магнитострикгор; 8 — рубашкаРис. IV.64. Ультразвуковой реакционный сосуд:Рис. IV.64. Ультразвуковой реакционный сосуд:1.2 — штуцеры для ввода и вывода продуктов； 3 — 6 — рубашка сосуда; 6 — мембрана разделительная; 7 магнитостриктора.

крышка；夂—насадка^иэлучателъ;

—магнитострикгор; 8 — рубашка

крышка；夂—насадка^иэлучателъ;

—магнитострикгор; 8 — рубашка

Рис. IV.64. Ультразвуковой реакционный сосуд:

Рис. IV.64. Ультразвуковой реакционный сосуд:

Рис. IV.65. Аппарат, снабженный излучателем с концентратором: 1 — магнитостриктор; £ 一 концентратор; з — рабочая камера.

шою, дальнюю и область расстояний, сравнимых с размерами излучателя и длиной волны. Очевидно, что интенсивность колебаний в дальнем поле минимальна.

Я=Я=几2и£р/鳩几2и£р/鳩РминРмин(IV.37)(IV.37)где р — плотность среды; диаметр излучателя.Диаметр аппаратагде р — плотность среды; диаметр излучателя.Диаметр аппаратаЛ и vK —^ амплитуда и частота колебании; &Л и vK —^ амплитуда и частота колебании; &4厶sin е)厶=—% Я—g—sine4厶sin е)厶=—% Я—g—sine(IV.38)(IV.38)Высота озвучиваемой зоны В аппарата, в которой обеспечивается минимальное звуковое давление рМнн, необходимое для данной степени интенсификации, определяется выражением [82]

Я=

Я=

几2и£р/鳩

几2и£р/鳩

Рмин

Рмин

(IV.37)

(IV.37)

где р — плотность среды; диаметр излучателя.

Диаметр аппарата

где р — плотность среды; диаметр излучателя.

Диаметр аппарата

Л и vK —^ амплитуда и частота колебании; &

Л и vK —^ амплитуда и частота колебании; &

4厶sin е)厶=—% Я

—g—sine

4厶sin е)厶=—% Я

—g—sine

(IV.38)

(IV.38)

sin е)——функцияsin е)——функцияБесселя пер-Бесселя пер-где К = 2эг*к/切з — волновое число; J】

sin е)——функция

sin е)——функция

Бесселя пер-

Бесселя пер-

вого рода первого порядка; w3 — скорость звука в суспензии.

Для ускорения расчета & можно воспользоваться номограммами 1176]. ,

Для передачи упругих колебаний в аппараты, работающие при высоких давлениях и температурах, можно использовать устройство, показанное на рис. IV.66. Колебания от магнитострикционного преобразователя 1 с концентратором передаются цилиндрическому волноводу 4 с диафрагмой, расположенной в узле нулевых амплитуд колебаний. Диафрагма, края которой имеют конфигурацию прокладки овального сечения, зажата между фланцами 2 м 3. Такая конструк-

Рис. IV.66. Устройство для передачи ультразвуковых колебаний в аппараты под давлением:

一 магнитостриктор с концентратором； 2, з — фланцы; 4 — волновод.

ция обеспечивает герметичность и позволяет передать упругие колебания жидкости при минимальных потерях акустической энергии. На рабочем конце волновода можно получить амплитуду колебаний до 15 мкм.

Цилиндрические излучатели применяют в трубчатых аппаратах в качестве составных частей трубопроводов. На рис. IV.67 показано такое устройство с магнитострикционным цилиндрическим пакетным излучателем [203]. Оно состоит из собственно магнитострикционного пакета 2, рубашки охлаждения 2 и стакана 5, являющегося продолжением трубопровода. В корпусе рубашки охлаждения имеется штуцер для подачи и отвода охлаждающей воды и отверстия с сальниками или проходными изоляторами для ввода проводов обмотки возбуждения излучателя. Обычно применяют излучатели с внутренним диаметром 70, 150 и 250 мм и соответственно частотами 16,8 и 4,8 кГц.

В НИИхиммаше [203] на базе цилиндрических магнитострикционных излучателей создана серия унифицированных проходных колонных аппаратов для обработки растворов и суспензий (УПХА-Р). Основная часть такого аппарата представляет собой колонну (рис. IV.68), собранную из четырех магнитострикционных цилиндрических излучателей 3, охлаждаемых змеевиком 4. Металлические стаканы 2, запрессованные внутрь каждого излучателя, соединены один с другим сваркой и образуют цилиндрическую камеру колонны. Кожух 5 со съемными крышками является зв укоизоляцией ко-

Рис. IV.67. Трубчатый аппарат с цилиндрическим магнитострикционным излучателем:1 — пакет излучателя;纟一рубашка охлаяс* дения; 3 — стакан.Рис. IV.67. Трубчатый аппарат с цилиндрическим магнитострикционным излучателем:1 — пакет излучателя;纟一рубашка охлаяс* дения; 3 — стакан.лонны, обеспечивающей нормальные условия работы обслуживающего персонала.

Рис. IV.67. Трубчатый аппарат с цилиндрическим магнитострикционным излучателем:

1 — пакет излучателя;纟一рубашка охлаяс* дения; 3 — стакан.

Рис. IV.67. Трубчатый аппарат с цилиндрическим магнитострикционным излучателем:

1 — пакет излучателя;纟一рубашка охлаяс* дения; 3 — стакан.

В комплект установки УПХА-Р входят сосуд с мешалкой и насос для циркуляции суспензии через колонну. Техническая характерна стика аппаратов УПХА-Р представлена в табл. IV.5.

Из широкополосных гидродинамических излучателей наиболее износоустойчивыми являются вихревые [1421, роторные (роторно -пульсационные, роторно-пальцевые, роторно- зубяатые). Вихревые излучатели могут работать на весьма тонких суспензиях и требуют согласования расхода и давления суспензии с характеристиками излучателя. Поэтому они не получили распространения. Гораздо удобнее применять роторные излучатели, ретйим работы которых не зависит от колебаний расхода и давления суспензии. Их достоинством является также возможность < установки в реакционном объеме аппарата (рис. IV.69). Всасывающая возможность излучателя невелика, поэтому его рационально размещать у днища сосуда для обеспечения взмучивания.

излучатели (с расположением зубьев ротора и статора по концентрическим окружностям) типа

ГАРТ, разработанные НИИхиммашем для вертикального размещения в емкостные аппараты, выпускаются трех типоразмеров (табл. IV.6) [201]. ，屮 .

Недостатком таких аппаратов является неравномерность озвучивания больших реакционных объемов и осложнендя, связанные с размещением на крышке аппарата тяжелого привода. В этом случае рационально использовать аппараты с горизонтальным валом, изготовляемые на базе центробежных насосов [37] или в специальном корпусе [146, 164]. К их числу принадлежит прямоточный роторнопальцевый аппарат конструкции ЛенНИИхиммаша [2081 (рис. IV.70). В цилиндрическом корпусе аппарата 4 расположены чередующиеся неподвижные 5 (статорные) и вращающиеся 6 (ротор- ные) диски.

Рис. IV. 70. Прямоточный роторно-пальцевый аппарат:工 一 муфта; 2 — гильза； з — торцовое уплотнение; 4 — корпус; 5 — статор; 6 — ротор.Рис. IV. 70. Прямоточный роторно-пальцевый аппарат:工 一 муфта; 2 — гильза； з — торцовое уплотнение; 4 — корпус; 5 — статор; 6 — ротор.

Рис. IV. 70. Прямоточный роторно-пальцевый аппарат:

工 一 муфта; 2 — гильза； з — торцовое уплотнение; 4 — корпус; 5 — статор; 6 — ротор.

Рис. IV. 70. Прямоточный роторно-пальцевый аппарат:

工 一 муфта; 2 — гильза； з — торцовое уплотнение; 4 — корпус; 5 — статор; 6 — ротор.

Рис. IV.68. Колонна аппарата УПХА-Р：

1 — крышка; 2 — тонкостенный стакан; 3 — излучатель;，— змеевик; 5 — кожух.

Рис. IV.69. Аппарат с роторным излучателем ГАРТ-280:

7 — корпус аппарата; 2 — роторный излучатель.

Таблица /Р.5. Техническая характеристика аппаратов УПХА-Р

Показатели

УПХА-Р 18

УПХА-Р8

УПХА-Р5

Резонансная частота излучателей, кГц

Внутренний диаметр колонны мм Потребляемая мощность> кВт ... Рабочее давление в колонне, МПа Рабочая температура в колонне, К Производительность аппарата, мз/ч Габариты, мм

высота

диаметр

Масса, кг

До 473 1

1300 210 200

8 150 15

1 До 473

2

1350 515 300

4,8 250 30—50

1

До 473 4

1600

800

1000

Таблица IV.6. Техническая характеристика ГАРТ

Показатели

ГАРТ-220

ГАРТ-280

FAPT-320

Обрабатываемый объем, м3

1

3

5

Диаметр ротора, мм

220

280

320

Рабочее давление, МПа

1

1

1

Потребляемая мощность, кВт ...

7—10

20—25

30-40

На каждом из дисков запрессованы в четыре ряда фрезерованные пальцы прямоугольного поперечного сечения, распологкенные в шахматном порядке. Ряды пальцев роторных дисков расположены между рядами пальцев статорных дисков. Корпус аппарата имеет штуцеры для ввода суспензии и воды, а также-для их вывода. Исходная суспензия, проходя между пальцами неподвижных и вращающихся дисков, перемешивается с водой и хорошо отмывается от раствори-

мых органических примесей. Техническая характеристика роторно-

пальцевого аппарата приведена ниже:

Объемный расход, м3/ч . исходной суспензии 50

воды 5——25

Рабочий объем, м8 0,025

Рабочая температура, К 300

Рабочее давление, МПа 1

Мощность электродвигателя,кВт 55

Частота вращения вала, об/с 18

Габариты, мм длина 2530

ширина 728

высота 795

Масса, кг、 1500

Роторный аппарат аналогичного назначения [164] отличается консольно смонтированными статорными и роторными коаксиальными цилиндрами с прямоугольными прорезями. Обрабатываемая суспензия поступает в аппарат через штуцер, расположенный по оси ротора, и, пройдя через прорези статорных и роторных цилиндров под действием развиваемых центробежных сил, выходит через тангенциальный штуцер.

244

245

Техническая характеристика

Производительность, м3/ч . ... 30 Рабочее давление, МПа

в аппарате0,6

в торцовом уплотнении . . . 0,7 Рабочая температура, К . . . . 355 Мощность привода, кВт . ... 17

роторного аппарата следующая:

Частота вращения ротора, об/с . . 157

Габариты, мм

длина875

ширина 460

высота'940

Масса, кг 345

Хоропше результаты показали опытно-промышленные испытания роторно-пульсационного (роторно-турбулизирующего) аппарата РТА-375Х, разработанного институтом «Средазнипроцветмет» 137]. Этот аппарат смонтирован на базе химического центробежного насоса 4Х12Д. Основным узлом его является ротор с хаотически расположенными элементами. Ротор смонтирован на рабочем колесе насоса. Суспензия, нагнетаемая этим колесом, проходит через отверстия и турбулизирующие элементы ротора, подвергаясь кавитации, вызванной резкими изменениями величины и направления скорости и давления. Эффект акустического воздействия ротора не изменяется до его полного износа (срок службы ротора из нержавеющей стали в условиях аммиачного и кислотного выщелачивания шеелита составляет 300—400 ч непрерывной работы).

Техническая характеристика РТА-375Х приведена ниже:

30375292400203037529240020Производительность по суспензии, м3/ч .. Наружный диаметр ротора, мм Окружная скорость ротора, м/с Объем турбулизирующих элементов, см3 Мощность электродвигателя, кВт

30375

292400

20

30375

292400

20

Использование такого аппарата для аммиачного выщелачивания шеелитовых концентратов позволяет ускорить процесс в 6—10 раз при обработке суспензии (Т : Ж = 1 : 3).

Среди аппаратов с широкополосными импульсными колебаниями среды наиболее отработаны конструкции с электроразрядными излучателями. Простота устройства и небольшие габариты позволяют такими излучателями снабжать аппараты любой конструкции. Основными особенностями, оказывающими существенное влияние на. технико-экономические показатели эксплуатации таких аппаратов, являются локальность действия и необходимость работы при определенном расстоянии между электродами. Поэтому излучатели необходимо устанавливать в наиболее узких местах аппарата или в циркуляционном контуре. Для регулирования зазора, осмотра и замены изоляции излучатель должен легко извлекаться из сосуда-

На рис. IV.71 представлен аппарат с мешалкой, на нижнем конце вала которой смонтирован электроразрядный излучатель. Аппарат представляет собой металлическую емкость 1 с пропеллерной мешалкой 2, укрепленной на полом валу 3 из трубы. Через вал в изоляции 4 свободно проходит высоковольтный электрод 5, питаемый от

генератора высоковольтных импульсов тока через контакт 6. Вал вращается в радиально упорных подшипника х, заключенных в гильзу 7, при помощи шкива 8 клиноременной передачи. Крышка аппарата 9 снабжена штуцером 10 для подачи исходной суспензии. При работающей мешалке включают генератор импульсов, обеспечивающий периодический пробой жидкостного промежутка между положительным высоковольтным электродом 5 и отрицательной заземленной

Рис. IV.71. Аппарат с мешалкой и электроразрядным излучателем:

1 ——емкость; 2 — мешалка; s 一 вал; 4 ——изоляция; 5 — высоковольтный (положительный) электрод; 6 — контакт; 7 — гильза с подшипниками； 8 ——шкив; 9 — крышка; 20, 11 — штуцеры для ввода суспензии и отвода раствора; 12 — отрицательный электрод.

пластиной 12. Поскольку циркуляция суспензии создается мешалкой (у стенок аппарата ——вниз, а по его центру ——вверх), воздействию разрядов подвергается весь объем суспензии.

На рис. IV.72 показан вариант установки электроразрядных излучателей в секционированном корытном растворителе с горизонтальной рамной мешалкой [27]. У каждой из пяти перегородок 8 по обе стороны вала мешалки 11 к крышке аппарата 12 на фланцах 4 крепится пара электроразрядных излучателей. Они представляют собой металлические трубы 5 с изоляцией 6, через которую в медной или латунной трубке проходит высоковольтный электрод 7 в виде проволоки. По мере износа проволока подается к отрицательному электроду — скобе 10 из барабана 2 автоматом 3. Импульсы тока от генератора подводятся по кабелям через контакты 24, установленные на изоляторах 13. Высоковольтная часть узла подачи электродной проволоки имеет ограждение 7. Суспензия, проходя

из отсека в отсек через зазор между перегородками и днищем корпуса 9, подвергается воздействию высоковольтных разрядов.

Двухступенчатая установка для растворения под воздействием высоковольтных искровых разрядов (26] показана на рис. IV.73, а. Она состоит из горизонтальной емкости 1 с рамной мешалкой 2. К корпусу емкости через штуцер с решеткой присоединены вертикальные трубы 3, соединенные последовательно. Верхние концы

Рис. IV.72. Поперечное сечение корытного аппарата с горизонтальной рамной мешалкой и электроразряд- ными излучателями：

Z — ограждение;纟一барабан с проволокой; з — автомат подачи проволоки； 4 — фланец； 5 — труба электрода; 6 — изоляция; 7 — высоковольтный (положительный) электрод; 8 ——перегородка; 9 — корпус аппарата; 10 — отрицательный электрод; и ——вал; Z2 — крышка; 13 ——изолятор; 14 — контакт.

труб попарно соединены с сосудами 4, через крышки которых про- пущены излучатели 5 для создания высоковольтных искровых разрядов вблизи зеркала жидкости. В данном случае для обеспечения движения суспензии без использования насосов применено каскад-： ное расположение сосудов 4. Нижние концы первой пары труб соединены с сосудом 6, снабженным такими же излучателями 5, как и в верхних сосудах, но предназначенных для дробления негабарит-- ных (плоских) частиц, прошедших через решетку в днище мешалки.^ Сосуд 6 и нижние колена, соединяющие трубы, снабжены кранами 71j для спуска суспензии при аварийной остановке.

Верхние (рис. IV.73, б) и нижние (рис. IV.73, е) сосуды снабжены； электроразрядными излучателями в виде стержневых высоковольтных электродов 7, пропущенных через изоляторы 2, укрепленные в металлических трубах 3 с фланцами 4. Отрицательные электроды 5 приварены к трубам 5 и через фланцы заземлены. Нижний сосуд снабжен сальниковыми уплотнениями 6, предназначенными для компея-j сации удлинений вертикальных труб при их нагревании.

Установка работает следующим образом. В емкость 1 (см. рис. IV.73, а) при работающей мешалке 2 непрерывно подается 0вТ мельченный твердый материал и жидкость. Суспензия через решетку♦ установленную над штуцером, поступает в трубу 3 и затем 248

Pnc. IV.73. Двухступенчатая установка для растворения под воздействием высоковольтных искровых разрядов：

)—схема установки： z — горизонтальная емкость;纟一мешалка； з — вертикальная труба： 々ерхний: сосуд; 5 — излучатель; 6 ——нижний сосуд; 7 — краны; б, в — верхний и ниж- сосуды: 2.— высоковольтный (положительный) электрор; 2 — изолятор; 5 — труба ■

—фланец; 5 — отрицательный электрод; 6 — сальниковое уплотнение.“

Рис. IV. 74. Вертикальный автоклавРис. IV. 74. Вертикальный автоклав

Рис. IV. 74. Вертикальный автоклав

Рис. IV. 74. Вертикальный автоклав

самотеком проходит через вертикальные трубы и соединяющие их сосуды 6и4с излучателями 5. Концы излучателей опущены под зеркало жидкости на глубину 300—500 мм для обеспечения обработки суспен-

зии высоковольтными искровыми разрядами с максимальным эффектом. После трубчатого аппарата суспензия направляется на фильтрацию и осветление.

Для интенсификации автоклавных процессов растворения электроразрядный излучатель можно пропустить через штуцер в боковой стенке автоклава [133]. На рис. IV.74 показан вертикальный автоклав, снабженный манометром 7, загрузочным штуцером 2 и термопарой 3, смонтированными на крышке 4. На цилиндрической поверхности корпуса 5 автоклава имеются смотровые окна 6. Одно из них использовано для крепления электроразряд- ного излучателя 7. В сферическом днище 8 автоклава смонтированы игольчатые вентили для подачи пара 9 и вьшуска суспензии 10. В качестве изоляции высоковольтного электрода использовался фторопласт.

С электроразрядным излучателем:— манометр; 2 — загрузочный штуцер; 3 — термопара; 4 — крышка; 5 — корпус;— смотровые окна; 7 — электроразрядный излучатель; 8 — днище автоклава; 9, 10 — вентили игольчатые для подачи пара и выпуска суспензии., [83]. Однако проще осуществить импульсное акустическое воздействие через мембрану с ис‘ пользованием электродинамического эффекта [821. Простейший аш парат такого типа представлен на рис. IV.75. Он представляет собой стальной цилиндрический сосуд, днищем которого является мембран鏡 электродинамического излучателя /. При разряде на соленоид злек-С электроразрядным излучателем:— манометр; 2 — загрузочный штуцер; 3 — термопара; 4 — крышка; 5 — корпус;— смотровые окна; 7 — электроразрядный излучатель; 8 — днище автоклава; 9, 10 — вентили игольчатые для подачи пара и выпуска суспензии., [83]. Однако проще осуществить импульсное акустическое воздействие через мембрану с ис‘ пользованием электродинамического эффекта [821. Простейший аш парат такого типа представлен на рис. IV.75. Он представляет собой стальной цилиндрический сосуд, днищем которого является мембран鏡 электродинамического излучателя /. При разряде на соленоид злек-В упомянутых аппаратах высоковольтные искровые разряды воздействуют на обрабатываемую суспензию. Если же продукты растворения металла электрода или побочных процессов, вызываемых разрядами, являются вредными примесями, то можно применить воздействие разрядов через мембрану

С электроразрядным излучателем:

— манометр; 2 — загрузочный штуцер; 3 — термопара; 4 — крышка; 5 — корпус;

— смотровые окна; 7 — электроразрядный излучатель; 8 — днище автоклава; 9, 10 — вентили игольчатые для подачи пара и выпуска суспензии.

, [83]. Однако проще осуществить импульсное акустическое воздействие через мембрану с ис‘ пользованием электродинамического эффекта [821. Простейший аш парат такого типа представлен на рис. IV.75. Он представляет собой стальной цилиндрический сосуд, днищем которого является мембран鏡 электродинамического излучателя /. При разряде на соленоид злек-

С электроразрядным излучателем:

— манометр; 2 — загрузочный штуцер; 3 — термопара; 4 — крышка; 5 — корпус;

— смотровые окна; 7 — электроразрядный излучатель; 8 — днище автоклава; 9, 10 — вентили игольчатые для подачи пара и выпуска суспензии.

, [83]. Однако проще осуществить импульсное акустическое воздействие через мембрану с ис‘ пользованием электродинамического эффекта [821. Простейший аш парат такого типа представлен на рис. IV.75. Он представляет собой стальной цилиндрический сосуд, днищем которого является мембран鏡 электродинамического излучателя /. При разряде на соленоид злек-

Рис. IV.75. Аппарат с электродинамическим излучателем:1 ——электрод инамический излучатель; 2 — смотровое окно; з — крышка аппарата.Рис. IV.75. Аппарат с электродинамическим излучателем:1 ——электрод инамический излучатель; 2 — смотровое окно; з — крышка аппарата.тродинамического излучателя конденсатора емкостью 150 мкФ с напряжением Uq = 5 кВ дюралевая мембрана толщиной 2 мм обеспечивала импульсы давления 10 МПа в сосуде объемом 30 л [83]. При этом длительность импульса давления увеличивается в 3 раза, а амплитуда давления уменьшается в 1,5 раза по сравнению с этими показателями при электроразрядных излучателях без мембраны.

Рис. IV.75. Аппарат с электродинамическим излучателем:

1 ——электрод инамический излучатель; 2 — смотровое окно; з — крышка аппарата.

Рис. IV.75. Аппарат с электродинамическим излучателем:

1 ——электрод инамический излучатель; 2 — смотровое окно; з — крышка аппарата.

Для питания электроискровых и мембранных аппаратов применяют генераторы высоковольтных (5—50 кВ) импульсов тока, разработанные для процессов магнитоимпульсной штамповки металлов или электроразрядной очистки литья. Энергия, запасаемая конденсаторами этих генераторов, составляет 5— 20 кДж, а частота следования импульсов не превышает 0,1 Гц. Они весьма громоздки и опасны для обслуживающего персонала технологических установок, особенно при работе с электропроводными растворами. Для таких условий необходимо разработать компактные генераторы, обеспечивающие частоту следования импульсов, близкую к частоте работы сердца человека (1—1,5 Гц). Так как в современной медицине для запуска остановившегося сердца используют им

пульсы тока энергией до 0,4 кДж при напряжении до 7 кВ, энергия импульсов тока промышленных генераторов должна составлять несколько килоджоулей. Для энергии около 3 кДж частота следования импульсов 1—1,5 Гц является максимальной (см. пункт 2 гл. III). Следовательно, энергия импульсов тока должна составлять 1— 3 кДж.

АППАРАТЫ С СОВМЕЩЕНИЕМ ПРОЦЕССОВ

РАСТВОРЕНИЯ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Разрушение твердых частиц или отдельных их частей может быть вызвано в основном соударением их одна с другой, с элементами аппаратов (стенками, мешалками, решетками, мембранами и т. п.), со специально вводимыми твердыми наполнителями (шарами, стержнями) или воздействием ударной волны в жидкости. В зависимости от величины напряжений, возникающих в материале твердых частиц, может произойти механическое разрушение (когда напряжения в материале превышают предел прочности) или эрозионное (когда напря- л<ения, превышающие предел прочности, возникают в некоторых

частях объема тела и повторяются длительное время). В некоторых конструкциях аппаратов возможны оба вида разрушения твердых частиц.

Совершенно очевидно, что во всех ранее рассмотренных конструкциях аппаратов в какой-то мере происходит эрозионное разрушение, что обусловлено относительным движением крупных и мелких фракций, соударением их с элементами аппаратов" и т. д. В аппаратах со взрывными источниками колебаний наряду с эрозией происходит существенное измельчение твердого материала,

рис. IV.76. Схема растворителя с виброкипящим слоем наполнителя:

I 一 цилиндрический корпус; 2 ——слой шаров; з — пружина; 4 — рама; 5 — дебалансный вибратор; 6 — электродвигатель; 7 — клиноременная передача; g — бункер -питатель; 9 — патрубок для ввода растворителя; 10 — перегородка； и — выход раствора.

если используются средние и жесткие взрывы. Аналогичная ситуация наблюдается при растворении и выщелачивании различных твердых материалов (флотоконцентратов, спеков и т. д.) в стержневых и вибрационных мельницах.

На рис. IV.76 показана схема аппарата для раст ворения с виброкипящим слоем наполнителя. Аппарат состоит из цилиндрического корпуса 7, который на 50—75% объема заполнен стальными шарами 2 диаметром 15—20 мм. Корпус через пружины 3 опирается на раму 4. Вибрационные колебания корпусу растворителя сообщает дебалансный вибратор 5, приводимый во вращение электродвигателем 6 через клиноременную передачу 7・ Растворяемый сыпучий материал подают в камеру через вибрационный бункер-питатель 8, а растворяющую жидкость — через патрубок 9. Зону выгрузки раствора отделяют от основного объема рабочей камеры с насадкой перегородкой 20, нижняя часть которой перфорирована. Чтобы исключить прямой проскок частиц от места загрузки к месту выгрузки, в верхней части камеры у бункера-питателя также устанавливают перегородку 10. Цикл работы растворителя может быть периодическим и непрерывным.

На Черкасском сахарорафинадном заводе В. Л. Грачевым и Н. А. Буренковым испытана полупромышленная модель такого растворителя, имеющая следующую техническую характеристику [42]:

Производительность, кг/ч 1800

Рабочий объем камеры, дм3 66,5

Частота колебаний камеры, Гц 47

Амплитуда колебаний камеры, мм ....2—4

Мощность электродвигателя, кВт2,8

Частота вращения вала электродвигателя,об/с 25

Масса, кгаппарата 250

стальцых шаров-..30

Габариты аппарата, ммдлина 1000

пшрина 500

высота 620

Описанный аппарат предназначен для полного растворения твердого материала. Если же исходный материал содержит большое ко-

Рис. IV.77. Двухбарабанная вибрационная мельница:Рис. IV.77. Двухбарабанная вибрационная мельница:

Рис. IV.77. Двухбарабанная вибрационная мельница:

Рис. IV.77. Двухбарабанная вибрационная мельница:

1 一 штуцер для ввода суспевзии! 2, 4 — верхний в нижний барабаны; 8 — трубопровод; 5 — вибратор;*^ — пружина.

личество нерастворимых примесей, то процесс растворения целесообразно проводить в двухбарабанной мельнице с вынесенным инерционным вибратором (рис. IV.77), имеющей следующую техническую характеристику [46]|

Общий объем камер, м3 0,48

Частота колебании, Гц 25—30

Амплитуда колебаний, мм 2—5

Масса, кг аппарата 4100

шаров 1900

Габариты мельницы, мм длина 2150

ширина 1540

высота 3140

Недостатками таких аппаратов являются весьма небольшая доля полезного объема при большой поверхности шаров, приходящейся на единицу объема суспензии (а следовательно, большой их расход и загрязнение раствора продуктами растворения шаров в агрессив- ных жидкостях), большая масса установки и большие динамические нагрузки на перекрытие цеха. Поэтому их целесообразно применять

Рис. IV.78. Схема аппарата с вихревым слоем ферромагнитных частиц (АВС): Z — генератор вращающегося магнитного поля; 2 — ферромагнитные частицы; $ — перфорированные перегородки; 4 — штуцеры ®для ввода суспензии； 5 — штуцер о ля вывода раствора.

Рис. IV. 79. Схема двухкамерного аппарата с вихревым слоем ферромагнитных частиц：

Л — генератор вращающегося електромагнитного поля; % з — камеры; 4 — перфорированные перегородки.

для процессов растворения в неагрессивных жидкостях или в случае медленно растворяющейся твердой фазы при кинетическом механизме процесса. Именно для таких целей в цветной металлургии используют аппараты типа шаровых мельниц, позволяющие при меньшей удельной шаровой нагрузке обрабатывать грубодисперсные суспензии.

Существенное ускорение процессов растворения в результате эрозии поверхности крупных твердых частиц и механического измельчения мелких достигается в аппаратах с вихревым слоем ферромагнитных частиц (АВС) [88, 89]. Схема одного из аппаратов, разработанных НИИэмальхиммашем на основе изобретения Д. Д. Логвиненко [121, 120], показана на рис. IV.78. Он представляет собой цилиндрическую катушку 1 (генератор вращающегося электромагнитного поля), в которую помещена труба из немагнитного материала. В трубе находятся ферромагнитные частицы 2, которые под воздействием магнитного поля приводятся во вращательное движение относительно оси трубы и собственных наименьших осей. Таким образом, ферромагнитная частица является своеобразной мешалкой, перемещающейся по всему объему аппарата. Для уменьшения уноса ферромагнитных частиц в трубе установлены перфорированные перегородки 3. Твердая фаза вводится в виде суспензии через пггуцеры 4, а раствор выводится через штуцер 5.

Таблица /V.7. Характеристика аппаратов с вихревым слоем

Показатели

АВС-60

АВС-100

АВС-150

Производительность, м3/ч Диаметр рабочей камеры, мм Потребляемая мощность, кВт Габариты, мм

ширина

высота

Масса, кг

5 50 0,8

610 655 685

150

20

70

1,3

672

765

800

222

60 128 3,0

720 880

1100 300

На рис. IV.79 представлена схема аппарата с двумя камерами 2 и 5, в которых можно обрабатывать суспензии ферромагнитными частицами различных размеров (например, крупными в камере 2 и мелкими в камере 3).

Важными достоинствами таких аппаратов является отсутствие динамических уплотнений, полная герметичность реакционного объема, возможность интенсивного перемешивания в условиях высокого давления или вакуума. Недостатками являются непригодность аппаратов для обработки грубодисперсных суспензий, большой расход ферромагнитных тел, что обусловлено измельчением и уносом, большие потери энергии на вихревые токи при обработке электропроводных жидкостей. Характеристика выпускаемых аппаратов представлена в табл. IV.7.

* *

Изложенный материал показывает, что процесс растворения может быть реализован в аппаратах различных конструкций, в которых используются разные средства интенсификации. Большое число конструктивных форм аппаратов и средств интенсификации является следствием разнообразных условий, сопутствующих процессу растворения, а также недостаточной изученности этих аппаратов и средств. При выборе аппаратуры для конкретных условий следует убедиться в технологической и экономической целесообразности данного способа интенсификации и аппарата. Разумеется, не следует остана влив аться на применении сложных аппаратов и устройств там, где цель может быть достигнута более простыми средствами. Ссылка на современность и новизну конструкции сама по себе не может быть основанием для выбора аппаратуры. Только теоретическое и экспериментальное исследования кинетики конкретного процесса могут дать такие основания.

ЛИТЕРАТУРА

Агаев Р. Г., Трофимова Я. Б„ Усаковский В. Л/., «Электронная обработка материалов», 1968, №/, с. 61—68.

3.4・3.4・А гранат Б. А. и др. — В научно-техническом реферативном сборнике «Ультразвуковая техника», вып. 3, 1967, с. 1—5.

3.

4・

3.

4・

4йтьян С. Х・，Давыдов А. Д.9 Кабанов Б. Н., «Электрохимия», 1972, т. 8. выл. 9, с. 1391—1394.

Акопян А. А. Химическая термодинамика. М., «Высшая школа», 1963. 527 с.

Акселъруд Г. Л., ЖФХ, 1953, т. 27, вып. 10, с. 1446—1463.

Акселъруд Г. 4“ ЖФХ, 1954, т. 28, вып. 10, с. 1725—1736.

Акселъруд Г. А, Научи, зап. Львовск. политехи, ин-та. Сер. Хим. технол., 1955, вып. 29, № 1, с. 63—80.

Акселъруд Г. Л., ИФЖ, 1970, т. 19, № 1, с. 110—112..<

АкселърудГ.Л.,7КФХ, 1955,т. 29, вып. 7, с. 1181—1186.

ЛкселърудГ.4・и др., ЖФХ,1973, т. 47, № 7, с. 1866—1868*

АкселърудГ^4・,Губерман Б.Н・,ТОХТ, 1969, т. 3, с. 476—479.

АкселърудГ.А^Походенко Л.Л., 7K①X, 1966, т. 40, вып. 2, с. 346—350.

АкселърудАЛ.,Походенко Л.4・,«Кинетика и катализ», 1966, т. 7,№69

с. 1081—1083.

Акселъруд Г. Л., Дубынин А.必.,ИФЖ, 1972, т. 22, № 4, с. 752—754.

Акселъруд Г. А., Дубынин А. Я. — В кн.: Тезисы докладов III республиканской конференции «Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств». Львов, 1973, с. 156—160.

16・ Акселъруд Г. Д. и др., ИФЖ, 1974, т. 26, № 1, с. 64—68.

Акселъруд Г. 4・,ЖФХ, 1964, т. 28, вып. 12, с. 1207—2115.

Акселъруд Г. А, Теория диффузионного извлечения веществ из пористых тел. Львов, 1959, с. 234.

» Акселъруд Г. А. Массоибмен в системе твердое тело 一 жидкость. Львов,' 1970. и 4X7—

Акселъруд Г. 4., Гумницкий Я. М・,Креховецкий О. М. —В кн.: Тезисы докладов III республиканской конференции «Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств».! Львов, 1973, с. 424—125.

Лкселъруд Г» Л. и др., «Электронная обработка материалов», 1973, № 2, с. 64—62.

Акселъруд Г. 4・,Губерман Б. Я., ТОХТ, 1970, т. 4, № 1, с. 122—126・，

Лкселъруд Г.、4., Лысянский В. М. Экстрагирование (систематвердое тело f жидкость). Л .—《Химия», 1974, 255 с.

Лкселъруд Г. Л., Ковальчук Б. Е., ЖФХ, 1970, т. 44, вып. 9, с. 2251—2256.

Акселъруд Г» Л., Семенишин Е. Af., ИФЖ, 1966, т. 10, № 1, с. 41—45.

Акселъруд Л А. и др. Авт. свид. СССР 446729. Открытия. Изобр. Пром, образцы. Товарн. знаки, 1974, № 38.

Акселъруд Г. 4. и др. Авт. свид. СССР 443241. Открытия. Изобр. Пром, образцы. Товарн. знаки, 1974, №;34.

Акселъруд Г. А. и др., Изв. вузов. Химия и хим. технол., 1974, т. 17» вып. 10, с. 1528—1531.

Акселъруд Г. А. и др., Изв. вузов. Химия и хим. техно л., 1974, т. 17, вьш. 8, с. 1240—1244.

Андрес У. 〃., Бунин Т. М. — В кн.: Обогащение и брикетирование углей. М・,«Недра», 1965, с. 147—152.

Андрес У. 〃•, Бунин Г. М., Гиль £• Б., Журн. прикл. механики и техни- яеской физики, 1966, № 3, с. 158—160.

Андрес У. 〃• Автореф. докт. дисс. М., 1972, с. 56 (Московский ин-т стали и сплавов).

33・ Аренс В. Ж. и др., Труды ГИГХС, М., 19 72, вып. 21, с. 281—285.

Артамонов Ю. Ф., Азизое Б. М・，Константинов Е. Н. Авт. свид. СССР 190332. Изобр. Пром, образцы. Товарн. знаки, 1966, № 2.

Аэров М・ 2., Тодес О. М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л., «Химия», 1968. 510 с.

Балихин В. С・ и др., «Цветные металлы», 1972, № И, с. 65—67.

Бершицкий А. А. и др. — В кн.: Ультразвуковые методы интенсификации технологических процессов. М., «Металлургия», 1970, с. 189—192.

38・ Бобко Л. С Труды ВНИИГ, вып. 35, 1959, с. 365—368; вып. 56, 1972, с. 146—152.

Бобко П. С・ Перспективы применения подземного выщелачивания сильвинитов в калийной промышленности. Обзорная информация. Сер. Развитие калийной промышленности. М., НИИТЭхим, 1973, с. 87.

Богданов М. А., «Цветные металлы», 1973, № 4, с. 5—10.

В регер А. X. и др. Основы радиационно-химического аппаратостроения. М・,Атомиздат, 1967. 498 с.

Буренков Н. А. Интенсификация технологических процессов в пищевой промышленности при помощи низкочастотных колебаний. Киев, «Техника», 1969. 193 с.

В ан-Дайк М. Методы возмущений в механике жидкости. Пер. с англ, под ред. А. А, Никольского. М・,«Мир», 1967. 310 с.

Вайнер Я. 3., Дасоян М. Я. Технология Хэлектрохимических покрытий. Изд. 2-е. Л., «Машиностроение», 1972. 464 с.

Варенко Е. С., Галушко В. 〃•, Криштопа А. Л., «Электронная обработка материалов», 1972, № 6, с. 6—10; 1973, № 4, с. 46—48.

Вибрационная двухбарабанная мельница непрерывного действия. Межотраслевой информационный листок № 73—073. Серия 1017, М., Информ- электро, 1973.

Ващенко В.》.,Човнык Я. Г., Савеин Л, 〃., «Украинский химический журнал», 1968, т. 34, вып. 6, с. 676—679.

Вдовиченко Л. Л., Черкашин О.⑦• — В кн.: Вопросы прикладной акустики, и вибрационной техники. Киев, «Наукова думка», 1966, с. 105—107.

Вертешев М, С” Комаровский А. А. Труды^Новочеркас. политехи, ин-та, 1957, т. 44, е. 18—42.

Вертешев М. С・,Комаровский А. А. Труды^Новочеркас. политехи, ин-та, 1962, т. 132, с. 35—54.-

Вигдорчик Е. М., Шейнин А. В. Математическое моделирование непрерывных процессов растворения. Л., «Химия», 1971. 248 с.

Витков Г. А. Автореф. канд. дисс. Калинин, 1968, с. 14^(Калининский политехи, ин-т).

Вишницкий А. 〃.，Дрозд Е. 4., Мирзоев Р. А. — В кн.: Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. Под ред. Л. Я. Попил ова. М., «Машиностроение», 1972, с. 25—29.

Гак Е. 3., Рохинсон Э. X., Бондаренко Н. Ф., «Электронная обработка материалов», 1974, № 1, с. 23—27.

56.57.58.59.60.61.62.63・64.56.57.58.59.60.61.62.63・64.55・ Гак Е. В., Рохинсон 9. X., «Электронная обработка материалов», 1973, № 4 с ”—77

56.

57.

58.

59.

60.

61.

62.

63・

64.

56.

57.

58.

59.

60.

61.

62.

63・

64.

Галкин Я. 〃.，Тихомиров В. Б. Основные процессы и аппараты технологии урана. Под ред. Б. С. Количева. М., Атомиздат, 1961. 219 с, Гелъперин Я. 必.,Айнштейн В. Г., Кваша В. Б. Основы техники псевдоожижения. М・,«Химия», 1967. 664 с.

Гинберг А. М. Ультразвук в химических и электрохимических процессах машиностроения. М., Машгиз, 1962. 136 с.

Гиндис А. Л., Кузнецов В. 〃.，Чумичев П. Я.» «Электрохимия», 1967, вып. 8, с. 941—946.

Гирина Г. 〃., Филиновский В. Ю., Феоктистов Л. Т・,«Электрохимия», 1967, т. 3, вып. 8, с. 941—946.

Гофман-Захаров П. М. Проектирование и сооружение подземных резервуар ров-нефтехранилищ. Киев, «Буд1вельник», 1973. 244 с.

Губерман Б. Я. Автореф. канд. дисс. Волгоград, 1974, с. 21 (Волгоградский политехи, ин-т).

Гурвич Р. 4., Костенецкая Г. 〃., «Злектронная обработка материалов», 1974, № 1, с. 7—8・

Гущин Ю. А., Хан О. А., Пиков Н. X., «Цветные металлы», 1973, № 2. с. 37—39.

65.66.67.68.69.70.65.66.67.68.69.70.Де Барр А. Е., Оливер Д. А. Электрохимическая обработка. Пер. с анг% М., «Машиностроение», 1973. 183 с.

65.

66.

67.

68.

69.

70.

65.

66.

67.

68.

69.

70.

Драгомирецкий Д. Д. Автореф. канд. дисс. Львов, 1974, с. 22 (Львовский политехи, ин-т).

Дубов Е. Ф. Звуковая гео локация. Л., «Недра», 1967. 268 с.

Дьяков В, Е. и др. Авт. свид. СССР 272559. Открытия. Ивобр. Про叫 образцы. Товарн. знаки, 1970, № 19.

Дьяков В. Е., Сутурин С. Я., Семенов А. £., «Цветные металлы», 1974, № 3, с. 22—23.

Еремин Е. Н. Основы химической термодинамики. М. «Высшая школа», 1974. 341 с.

Зарецкий С. 4., Сучков В, Н., Шляпников В. А. Технология электро химических производств. М・,«Высшая школа», 1970. 424 с.

Здановский A. S., ЖФХ, 1946, т. 20, вып. 8, с. 869—880.

Здановский. А. Б., ЖФХ, 1951, т. 25, вып. 2, с. 170—180.

7^3дановский А. В., ЖОХ, 1949, т. 19, вып. 4, с. 577—592.

Здановский А. Б. Галургия. Л., «Химия», 1972. 527 с.

Здановский. А. Б. Кинетика растворения природных солей в условиях вынужденной конвекции. Л., Госхимиздат, 1956. 219 с.

Здановский Л. В., Ляховская А. 〃., Шлеймович Р. Э. Справочник по растворимости солевых систем. Т. 1. М.—Л., Госхимиздат, 1953. 672 с.

Зелинъски М. и др. — В кн.: Тезисы докладов III республиканской конференции «Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств». Львов, 1973, с. 126.

Иванцов О. М. Подземное хранение сжиженных углеводородных газов. М・，«Недра», 1964. 254 с.

Кабанов В. Я., Кащеев В. 〃., ДАН СССР, 1963, вып. 151, с. 883— 887.

Кабанов В. Н. Электрохимия металлов и адсорбция. М., «Наука», 1966. 222 с.

Кардашев Г. Л., Михайлов Я. Е. Теплообменные акустические процессы и аппараты. М., «Машиностроение», 1973. 223 с.

Кардашев Г. Л. Автореф. докт. дисс. М., 4971. 32 с. (Московский ин-» хим. машиностр.).

Карпачева С. М・ м др. — В кн.: Тезисы докладов П Всесоюзной конференции «Теория и практика перемешивания в жидких средах». М., НИИТЭ- хим, 1973, с. 219—228

Карпачева С. М. и др. — В кн.: Разработка и применение пульсационной аппаратуры. Труды Второго всесоюзн. семинара по пульсац. техн. Под ред. С. М. Карпачевой. М・,Атомиздат, 1974, с. 206——212.

Карпачева С・ М・ и др. Пульсационная аппаратура. М・,ЦИНТИхимнефте* маш. Серия ХМ—19 1971. 67 с.

Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1971. 784 с.

Кафаров В. 6., Логвиненко Д. 〃：, Шеляков О. П.——В кн.: Тезисы докладов III республиканской конференции «Повышение эффективности и совершен- ствование процессов и аппаратов химических производств». Львов, 1973, с. 171—172.

Кафаров В. В., Логвиненко Д. 〃., Шеляков О. /7., «Химическое и нефтяное машиностроение», 1973, № 11, с. 19—20.

Кафаров 5. В. Процессы перемешивания в жидких средах. М.—Л., Гос- химиздат, 1949、88 с.

Киргинцев А. Н., Трушникова Л. Н., Лаврентьева В, Г. Растворимость неорганических веществ в воде. Л., «Химия», 1972. 245 с.

Классен В. Я. Вода и магнит. М., «Наука», 1973. 111 с.

Клинов И. Я. и др. Химическое оборудование в коррозионностойком исполнении. М., «Машиностроение», 1970. 408 с.

Клоков 0・ В., Смоленцев В. 〃•, «Электронная обработка материалов», 1972, № 4, с. 13—18.

Коваленко В. С., Карулин 3. В. Применение электрофизических и электрохимических методов обработки в машиностроении. Серия 17. Киев, УкрНИИНТИ, 1972. 32 с.'

Ковальчук Б. Е. Автореф. канд. дисс. Львов, 1972. 23 с. (Львовский политехи, ин-т).

Колмогоров А. Н・,ДАН СССР, 1941, т. 30, № 4, с. 299—303.

Колотыркин Я. М・,Попов Ю. /・,Алексеев Ю. Л., «Электрохимия», 1973, т. 9, № 5, с. 624—634.

Колотыркин Я. М., «Успехи химии», 1962, т. 31, № 3, с. 322—325.

Комаровский Л. 4., В ер теше в М. С., Хим. пром., 1959, № 6, с. 68—71.

Комаровский А. А. Труды Новочеркас. политехи, ин-та, 1955, т. 31. с. 3—11.

Комаровский 4. 4・,Стрельцов В.》• Труды Новочеркас. политехи, ин-та, 1956, т. 41, с. 59—69; 1962, т. 132, с. 25—34.

Комаровский А. 4., Стрельцов В. 3., Вертешев М. С., Изв. вузов. Химия и хим. техно л., 1959, № 5, с. 810—817.

Кишиневский М. Х・,Корниенко Т. С., Ложное А. В. — В кн.: Тепломассообмен. Т. 1, часть 1. Минск, 1976, с. 43.

105.105.Коробейников В. 〃. Задачи теории точечного взрыва в газах. Труды мате- м^еского института им. В. А. Стеклова, CXIX. М・,《Нау蹤 1973.

105.

105.

Косык В. П. Автореф. канд. дисс. Львов, 1974. 19 с. (Львовский политехи. ин-т).

Коул R Подводные взрывы. Пер. с англ. М・,ИЛ, 1950. 494 с.

Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. К. П. Ми- щвнко, А. А. Равделя. Изд. 7-е. Л., «Химия», 1974. 200 с.

Крылов В. С., Малиенко В. Е., «Электрохимия», 1973, т. 9, выл. 1, с. 329— 2*2

НО. Крылов В. С., Давыдов А. Д. — В кн.: Новое в электрохимической размерной обработке материалов. Кишинев, «Штиинца», 1972, с. 13——18.

Кубо Р, Термодинамика. Пер. с англ, под ред. Д. Н. Зу6арева：и Н. М. Планиды. М., «Мир», 1970. 304 с.

Кузнецов С, Я., Деревянкин В. 4・,'Корюков В, Н. Авт. свид. СССР 176873. Изобр. Пром, образцы. Товарн. знаки, 1966, № 24.

Кулле 〃. А. Труды ВНИИГ, 1955, вып. 30, с. 3—59.

Кутателадзе С. С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.—Л“ Машгиз, 1952. 231 с.

Лавров Л. Г., Козлов В, 4., Шму рак В. А. Изв. вузов. Цветная^ металлургия, 1973, № 7, с. 24—27.-”

Лазаренко Б. Р・,Факторович А. А., Дураджи В. Н., «Электронная обработка материалов», 1966, № 4, с, 3—5.

Лобода П, 〃・,Ставников В, Н・ Изв. вузов. Сер. Пищевая технология, 1965, № 2, с. 165—170.

118.119.120.121.122.118.119.120.121.122.Лобода П. П. — В кн.: Пищевая промышленность. Киев, «Техника», 1968, с. 101—105. (Респ, межвед. науч-техн. сб. № 8).

118.

119.

120.

121.

122.

118.

119.

120.

121.

122.

Лобода П. П. Авт. свид. СССР 179748. Изобр. Пром, образцы. Товарн> знаки, 1966, № 6.

Логвиненко 〃. Д. Авт. свид. СССР 168264. Бюлл. изобр. и товарных знаков, 1965, № 4.

Логвиненко Д. 〃., Мороз В. С, — В кн.: Тезисы докладов 1ЦВсесоюзной конференции «Теория и практика перемешивания в жидких * средах». М., НИИТЭхим, 1973, с. 281—284.衣

Лойцянский 〃• Г・ Механика жидкости и газа. Изд. 4-е. М.,《Наука», 1973. 847 с.

Лойцянский 〃・ Г. Механика жидкости и газа. М. «Наука», 1970. 904 о.

Лева М. Псевдоожижение. Пер. с англ, под ред. Н. И. Гельперина. М«9 Гостептехиздат, 1961. 400 с.

Левин 4. 〃., Авсеева М. Д., Нечаев А. В・,«Электронная обработка материалов», 1973, № 5, с. 5—8.

Мазуров В. А. Труды ВНИИпромгаза, 1974, вып. 5, с. 40—49; 1975, вып. 7, с. 64—72

Мазуров В. Д., Васюта Ю. С., Колосов А. 3・,Газ. пром., 1969. № 6, с. 18—21.

Мазуров В. А. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеродного сырья (сборник), 1972, № 1, с. 11—14.

Маннанова X. X., Ниязов X, Р., Ниязова О. Р. — В кн.: «Радиационно- стимулированные процессы в твердых телах». Ташкент, «Фан», 1969, с. 2—22.

Мартин 西.Пат. ФРГ 956303, 17/1 1957.

260

131.132.133.134.135.131.132.133.134.135.Милъченко А. И. и др.——В кн.: Тезисы докладов II Всесоюзной конференции «Теория и практика перемешивания в жидких средах». М., НИИТЭ- хим, 1973, с. 291—297.

131.

132.

133.

134.

135.

131.

132.

133.

134.

135.

Михайловский Ю. Е・,ЖФХ, 1964, т. 38, вып. 4, с. 995—998.

Молчанов А. Д., Косык В. 〃., Ставровский F. Л. — В кн.: Тезисы докладов 111 Республиканской конференции «Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств». Львов, 1973, с. 148—149.

Молчанов А. Д., Косык В. 〃., «Электронная обработка материалов», 1972, с. 43—48.

Молчанов А. Д. Автореф. канд. дисс. Львов, 1971. 27 с. (Львовский

политехи, ин-т).

Мороз В. И. Авт. свид. СССР 382715. Открытия. Изобр. Пром, образцы. Товары, знаки, 1973, № 23.

37. Муратова М. И. и др. Труды ВНИИГ, 1973, вып. 63, с. 116—131.

Молчанов Л. 〃., Орепер Г. М・,Гавришкевич Л. Н.— В кн.: Тезисы докладов III Республиканской конференции «Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств». Львов, 1973, с. 122—123.

в воде. М.,《Наука»，в воде. М.,《Наука»，Накоряков В. Е. и др. Тепло- и массообмен в звуковом поле. Под ред. С. С. Кутателадзе. Новосибирск, 1970. 253 с.

в воде. М.,《Наука»，

в воде. М.,《Наука»，

Наугольных Я. Л., Рой Н. А. Электрические разряды

Матвеев С. Ф.» ЖПХ, 1957, т. 30,Матвеев С. Ф.» ЖПХ, 1957, т. 30,Львов, 1967. 23^с. (Львовский поЛьвов, 1967. 23^с. (Львовский по1971. 155 с.

Матвеев С. Ф.» ЖПХ, 1957, т. 30,

Матвеев С. Ф.» ЖПХ, 1957, т. 30,

Львов, 1967. 23^с. (Львовский по

Львов, 1967. 23^с. (Львовский по

Павлушенко И. С・,Костин Н. М.*

с. 1160—1169.

Паламар 3. С. Автореф. канд. дисс.

литехи. ин-т).

Пасманик М. 〃•, Сасс-Тисовский Б, 4., Якименко Л. Af.^Производство хлора и каустической соды. М., «Химия», 1966. 283 с.

Петров Ю. Я., «Электронная обработка материалов», 1973, № 4, с. 5—10«

Плановский А. Н. и др. — В кн.: Общие вопросы тепло- и массообмена. Минск, «Наука и техника», 1966, с. 3—10.

Прямоточный роторно-пальцевый смеситель. Информационный листок 431926. М・，ЦИНТИхимнефтемаш, 1973.

Повх И. 〃・ Техничесакя гидродинамика. М., «Машиностроение», 1969.

524 с.Погорелый А. Д, Теория таллургия», 1971. 503 с.Позин Л/. Е. Технология793 с.524 с.Погорелый А. Д, Теория таллургия», 1971. 503 с.Позин Л/. Е. Технология793 с.гидрометаллургических процессов, М・,«Ме-. минеральных солей. Т. I. Л., «Химия», 1970-

524 с.

Погорелый А. Д, Теория таллургия», 1971. 503 с.

Позин Л/. Е. Технология

793 с.

524 с.

Погорелый А. Д, Теория таллургия», 1971. 503 с.

Позин Л/. Е. Технология

793 с.

Пспилов Л. Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки. Изд. 2-е. Л., «Машиностроение», 1971. 544 с.

Попилов Л. Я. — В кн.: «Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов». Под ред. Л. Я. Попилова. М・,《Машиностроение», 1972, с. 70—79.

Поплавский С. Ф.» Русецкий Ю. А.——В кн.: Гидромеханизация и~гидротранспорт на горнохимических предприятиях. М., ГИГХС, 1973, с. 2—19 (рукопись депонирована в отделении НИИТЭхим г. Черкассы/№ 45/73).

Попова Т. Я. и др. Электрохимия, 1970, т. 6, вып. 1, с. 104—108.

Походенко Л. 4・ Автореф. канд. дисс. Львов, 1967. 25 с. (Львовский ун-т).

Псевдоожижение. Пер. с англ, под ред. Н. И. Гельперпна. М., «Хими血», 1974. 725 с.

156.157.158.159.160.161.162.163.156.157.158.159.160.161.162.163.Притчетт Дж. У. — В кн.: Подводные и подземные взрывы. Пер. с англ, под ред. В. Н. Николаевского. М., «Мир», 1974, с. 44—57.

156.

157.

158.

159.

160.

161.

162.

163.

156.

157.

158.

159.

160.

161.

162.

163.

Развалов Г. И. и др. Авт. свид. СССР 258268. Открытия. Изобр. Пром, образцы. Товарн. знаки, 1970, № 1.

Резников В. Л., Белъды М. Я., Пелъш А. Д. Труды ГИГХС, 1972, с. 51—58. Родионов Л. А. и др. В кн.: Разработка и применение пульсационной аппаратуры. Труды Второго всесоюзного семинара по пульсационной технике. Под ред. С. М. Карпачевой. М., Атомиадат, 1974, с. 244—252. Рой Я. Л. Акустический журнал, 1970, т. 16, вып. 1, с. 128—129.

Романков П. Г., Курочкина М. 4・ Гидромеханические процессы хими- яеской технологии. Л., «Химия», 1974. 288 с.

Романков 〃• Г. и др. Массообменные процессы химической технологии. М., «Химия», 1975. 336 с.

Ромм Р. Ф., Лозинская Ю. В., Второва-Коревская Б. Я. Химическая технология. (Науч.-производ. сб.), № 4. Киев, «Наукова думка», 1973, с. 23—24.

164.164.165.165.166.166.167.167.168.168.169.169.170.170.Роторно-пульсационный аппарат для водной отмывки порошкообразных продуктов. Информационный листок № 0044—72. М., ЦИНТИхимнефте- маш, 1972.

164.

164.

165.

165.

166.

166.

167.

167.

168.

168.

169.

169.

170.

170.

РТМ 144——66« Аппараты с перемешивающими устройствами вертикальные. Перемешивающие устройства механические. Область применения, методика расчета. Изд-во стандартов, 1972. 32 с.

РТМ 26-01-59——73. Мешалки для высоковязких и неныотоновских сред. Область применения и метод расчета. М.——Л., ЛенНИИхиммаш, 1973. 20 с. Саушкин Б. 〃., Корчагин Г. Я., Кулешов Г. В., «Электронная обработка материалов», 1974, № 1, с. 21—23.

Сафин Н・ 3. Авт. свид. СССР 253748. Открытия. Изобр. Пром, образцы. Товарн. знаки, 1969, № 31.

тепло- и массообмена.тепло- и массообмена.171.171.172.172.Свинарев В. А. и др. — В кн.: Общие вопросы Минск, «Наука и техника», 1966, с. 10—15.

тепло- и массообмена.

тепло- и массообмена.

171.

171.

172.

172.

процесса электрохими-процесса электрохими-Седыкин Ф. В. — В кн.: Вопросы гидродинамики 匸一_, 4fA““▲«* ческой размерной обработки металлов. Под ред. Ф. С. Седыкина. Тула, 1969, с. 123—125.

процесса электрохими-

процесса электрохими-

173.173.474.474.175.175.176.176.177.177.178.178.179.180.179.180.Седыкин Ф. В.» Иванов Я- И. — В кн.: Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. Под ред. Л. Я. Попилова. М・, «Машиностроение», 1972, с. 23—25・

173.

173.

474.

474.

175.

175.

176.

176.

177.

177.

178.

178.

179.

180.

179.

180.

Седов Л. Я. Методы подобия и размерности в механике. М.,《Наука», 1965. 386 с.”

Семенов 〃• Н・,Богданов Р. В, Энергия и химический процесс. Л・,«Химия», 1973. 112 с.

Сидорова Н. К. с. 42—44; 1968,Сидорова Н. К. с. 42—44; 1968,Скорчелетти 1964, 568 с.Скорчелетти 1964, 568 с.鹘• с.紀％з 1966, № 1,点货44; 1967' № 6,

Сидорова Н. К. с. 42—44; 1968,

Сидорова Н. К. с. 42—44; 1968,

Скорчелетти 1964, 568 с.

Скорчелетти 1964, 568 с.

В. Теоретическая электрохимия. Изд. 4-е. Л., «Химия»»

Скучик Е. Основы акустики. Пер. с нем. под ред. Ю. М. Сухаревского, т. 1. М., ИЛ, 1958. 617 с. '

Спирин Н. С. — В кн.: Вопросы технологии переработки галургпческого сырья. Под ред. В. В. Вязова и О. Д. Кашкарова. М.—Л., «Хцми只》, 1967, с. 10—101.

Спирин 瓦 С・一В кн.: Сборник рефератов НИР. Серия 07, № 7. М., ВНИТИцентр, 1969, с. 25.

Справочник химика, т. 5. Изд. 2-е. М.—Л., «Химия», 1968. 974

Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема.

М., «Металлургия», 1970. 320 с.

Справочник физических и технологических величин, т. 7. М., ОГИЗ РСФСР» 1931. 484 с.

Стародубцев С. В., Кив А. Е・一В кн.: Радиационностимулированные процессы в твердых телах. Ташкент, «Фан», 1969, с. 3—22.

Стрельцов В. В., Комаровский А. Л., Хим. наука и пром., 1958, т. 3, № 4, с. 511—514.

Стрельцов В. 5., Комаровский Л. Л. Труды Новочеркас. политехи, ин-та, 1962, т. 132, с. 57—65.'

Стрельцов В. В., Комаровский А, Л., Хим. пром., 1959, № 7, с. 70—73.

Стренк Ф. Перемепшвание и аппараты с мешалками. Пер. с польск. под ред. И. А. Щупляка. Л.» «Химия», 1975. 384 с.

Стригунов Ф. 〃・ Авт. свид. СССР 314533. Открытия. Изобр. Пром, образцы. Товарн. знаки, 1971, № 28.

Стукалова Н. К. Автореф. канд. дисс.. Львов, 1970. 33 с. (Львовский политехи, ин-т).

Сульби А. А. Авт. свид. 237817. Открытия. Изобр. Пром, образцы. То- варн. знаки, 1969, № 9.

Сухов Н. Н. Авт. свид. СССР 382714. Открытия. Изобр. Пром, образцы. [Товарн. знаки, 1973, № 23.

Семкина О. 〃., «Электронная обработка материалов», 1974,J№ 3, с. 66—69.

Смеситель. Листок технической информации № 432211. М., ЦИНТИхим-

нефтемаш, 1972.

Товбин М. В・,ЖФХ, 1946, т. 20, № 12, с. 1435—1440.

Ультразвуковая технология. Под ред. Б. А. Аграната. М., «Металлургия»^ 1974. 504 с.

Ушаков В. Г. «Химическое и нефтяное машиностроение», 1975, № 8, с. 31—

Я. М. Ко-Я. М. Ко-32・

Я. М. Ко-

Я. М. Ко-

c. 45—49.c. 45—49.196.197.198.199.196.197.198.199.Феттер Я. Электрохимическая кинетика. Пер. с нем. под ред. лотыркина. М., «Хими1», 1967. 856 с.

c. 45—49.

c. 45—49.

196.

197.

198.

199.

196.

197.

198.

199.

Фиклистов И. Н., Аксельруд A 4 r ИФЖ, 1964, т. 7, вып. 1, Фиклистов И. Я., Аксельруд Г. Л. — В кн.: Тепло- и массообмен в дис- t персных системах. Минск, Изд-во АН БССР, 1965, с. 123—129.

Фиклистов "・ Н. Автореф. канд. дисс. Донецк, 1964, 29 с. (Донецк»

политехи. ИН-т).

200.200.Филиновский 反 Ю. Вращающийся дисковый электрод. М.‘ «Наука», 1« •

200.

200.

344 с.

201.202.203.204.205.206.201.202.203.204.205.206.Фокин М. Н・,Тугаринова М. В・,Мазурина 〃・ И., «Электронная обработка материалов», 1972, № 6, с. 82—84.

201.

202.

203.

204.

205.

206.

201.

202.

203.

204.

205.

206.

Френкель К. А, Салов В・ В., Клюева 2. Д. Труды ВНИИГ, 1972, вып. 59, с. 108—114.

Фридман В. М. Ультразвукова« химияеская аппаратура. М., «Машиностроение», 1967. 211 с.

Фрумкин А. Я., ДАН СССР, 1952, т. 8 5, № 2, с. 373—379.

Фрумкин А. Я. Адсорбция и окислительные процессы. М・，Изд-во АН СССР, 1951. 21 с.

Хан О. Л., Гущин Ю. Л., Пиков Н. X., «Цветные металлы», 1969, №2,

с. 41—44.

Ходаков Г. С. Физика измельчения. М., «Наука», 1972. 307 с.

Хотунцев Л. 〃., Пушкин В. С・ Авт. свид. СССР № 152652. Бюлл. изобр. it товарных знаков, 4963, № 2.

Ходьков А. Е. Труды ВНИИГ, 1959, вып. 35, с. 395—422.

Черепанов Ю. 〃・,Самецкий Б. И. — В кн.: Электрохимическая обработка в машиностроении. М., «Машиностроение», 1972, с. 112—ИЗ.

Черненко А. А. ДАН СССР, 1963, т・ 153, № 5, с. 1129—1131.

212・ Черное Я. Г. и др. Авт. свид. СССР 231524. Изобр. Пром, образцы. То- варн. знаки, 1968, № 36.

Членов В. Л., Михайлов Н. В. Виброкипящий слой. М., «Наука», 1972, 343 с.

Шлихтине Г. Теория пограничного слоя. Пер. с нем. под ред. В. С. Ав- дуевского и В. Я. Лихушина. М., ПЛ, 1956. 528 с.

Шморгуненко Я. С и др., «Цветные металлы», 1973, № 7, с. 32—34.

Штербачек 3・,Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Пер. с чешек, под ред. И. С. Павлушенко. Л., Госхимиздат, 1963. 416 с.

Эверет Д. Введение в химическую термодинамику. Пер. с англ, под ред. В. В. Михайлова. М., ИЛ, 1963. 299 с.

Юткин Л. А. — В кн.: Электронная обработка материалов, вып. 2. Изд. 3-е. Л., «Машиностроение», 1971, с. 202—256.

Юфин А. 〃. Гидромеханизация. Изд. 2-е. М., Стройиздат, 1974. 224 с. 220. Ямщиков В. С・ и др., «Строительные материалы», 1967, № 7, с. 6—7. 221. Ямщиков В. С. и др. Изв. вузов. Горный журнал. 1971, № 12, с. 10—14. 222. Acrivos А ^ Taylor 纪.О. The Physics of Fluids, 1962, v. 5, № 4, p. 387—394. 223. Barker I. I., Treybal R. E. Am. Inst. Chem. Eng. J., 1960, v. 6, № 2, p・ 289—295.

Durie R. W., Jesson F. W・ Soc. Petrol. Eng. J., 1964, № 6, p. 183—190. 225. Fried Z., Ehamir E. Electrochim. Acta, 1969, v. 14, № 10, p. 941—948. 226. Fahidy T. Z・ Canad. J. Chem. Eng., 1973, v. 51, p. 521—535.

Flett D. Chem. a. Ind., 1971, № 11, p. 300—302.

Goodridge F. Chem. Proc. Eng., 1968, v. 49, № 2, p. 93—95.

Goodridge 尸.e. a. Trans. Inst. Chem. Eng., 1971, v. 49, № 2, p. 428—136. 230・ Gibert Я., Angelino H. fntern. J. Heat a・.Mass Transfer, 1974, v. 7, № 6, p. 625—632.

Grafton R. W. Chem. Eng. Sci., 1963, v. 18, № 7, p. 457—466.

232・ Garner F,瓦,Hoffman J. M. Am. Inst. Chem. Eng. J., 1960, v. 6, № 4, p. 579—584.

Garner F. Я., Grafton R. W. Proc. Roy. Soc. Ser. A., 1954, v. 224, № 1156, p. 64—82.

Galloway T. /?., Sage В. Я. Intern. J. Heat a. Mass Transfer, 1968, v. 11, № 3, p. 539—549.

Garner F・ H., Suckling R. D. Am. Inst. Chem. Eng. J., 1958, v. 4, p. 114—118.

Garner F. H・,Hoffman J, M. Am. Inst. Chem. Eng. J., 1961, v. 7, № 1, p・ 150—154..

Hixson Л., Baum 5. Ind. Eng. Chem., 1941, v. 33, p. 478—482; 1942, v. 34, p. 120—125.

Hugmark G. Л. Chem. Eng. Sci., 1969, v. 24, p. 291—297.

Landolt D.t Mullers R. H・,Tobias C. W. J. Electrochem. Soc., 1969, v. 116, p. 384.

Lee K.9 Barrow H. Intern. J. Heat a. Mass Transfer, 1965, v. 8, № 3, p・ 403—409..

Lee K., Barrow Я. Intern. J. Heat a. Mass Transfer, 1968, v. 11, № 6, p. 1013—1026.

McCune £. K・，Wilhelm R, M. Ind. Eng. Chem., 1949, v. 41, «Ns 6, p. 1124—1134.

Nagata S・，Yamaduchi J., Yabuta S. Mem. Fac. Eng. (Kyoto univ.)» 1966, v. 22, № 1, p. 86—122.

Steinberger R, £., Traybal R. E. Am. Inst. Chem. Eng. J., 1960, v. 6, № 2, p. 227—232.

Thanagappan Л. Metal Finishing, 1971, v. 69, № 2, p. 43—45.

Taneda S. Rep. Res. Inst. AppL Meeh. Japan, 4956, v. 4, p・ 99—105.

Vergnes F. Corrosin, 1969, v. 17, № 3, p. 131—136.

Yeager E., Ocy 7. S., Hovorka F. J. Phys. Chem., 1953, v. 57, № 3, p. 268.

предметный указатель

Автоклав 205, 206, 209

Акустическая установка роторно-пальцевая 159 роторно-пульсационная 1159

Акустические колебания 137

Анодное растворение 166

Аппараты

с вибрацией сосуда

с излучателями

216 сл.

213 сл.,

,239 сл.

с наложением поля

колебаний

右5>5Ш.

непрерывного "действия 189 сл., 196 сл., 213 сл.

пери одического действия 178 сл.,

206 сл.

пульсационные 209 сл.

для растворения 100 сл., 124 сл.,

176 сл.

с совмещением растворения и измельчения 251 сл.

Движущая сила

—для полидисперсны х систем 64 сл.

—постоянная 56, 63, 64, 67 Двойной электрический слой 41, 49, 165, 167

Двойные соли 87 сл.

Д вухкомпонентные смеси 91

Диаграмма растворимости 81, 83> 87, 88

Диффузионный слой 17, 46, 167 Диффузия

дифференциальное уравнение 16

кинетика 44

коэффициент 15, 27, 144

молекулярная 14

Взрыв подводный, теория 152 сл.

Вибрационный желоб 216

Вибромешалка 207

Вихревое кольцо 19

Высокочастотные колебания 137

Выщелачивание 7, 9, 108

Гармонические колебания 137

Генератор кавитации 232

Гидровруб 106 сл., 173

Гидродинамика движения жидкости 94 сл.

Гидросирена 175

Градиент концентрации 14, 15

Движущая сила кристаллизации 82 растворения для монодисперс- ных систем 56 сл., 61 сл.

—переменная 57, 61, 64 сл.

Закон

Гесса 11

кинетики физического растворе- ния 15

кубического корня 57 Закономерности движения жидкости

190

—частиц 101

расширения псевдоожиженного слоя 98

Звуковое давление 143

Звуковой ветер 143

Идеальный раствор, понятие 12

Излучатели

8 аппаратах 239 сл. гидродинамические 230 сл. импульсные 232

магнитострикционные 225 сл.»

239

пьезоэлектрические 222 узкополосные 222 сл. тпрокополосные 229 сл.

электродинамические 222

Излучатель

с акустической обратной связью 229

Излучатель

вихревой 230, 243 газовзрывной 233 клапанный 231 кольцевой 226 мембранно-клапанный 231 многостержневой 225 пластинчатый 230, 242 плоский 223, 225

пневматический цилиндрический 215

роторно-зубчатый 243 роторно-пальцевый 231, 243 роторно'пульсационный 231, 243

роторный 231, 244

стержневой 225

торцовый пневматический 215 ударный 236

ферритовый 227

электроразведочный 234, 246 сл.

Импульсные колебания 137 Инвариантные функции 71 сл. использование 74 сл. определение 74 仁醛 понятие 71

Интенсификация растворения

124 сл., 127 сл.

классификация способов 127 наломсением ймпульсных колебаний 150 сл.

——нестационарных силовых полей 137 сл.

—скрещенных электрического и магнитного полей 130 сл.

—стационарных силовых полей 128 сл.

подземного 4 71 сл.

электрохимического 163 сл.

Каверна плазменная 151, 153 Кавитация ультразвуковая 143, 145, 229

Кинетика диффузионная 44 кривые растворения 30 основной закон физического растворения 115 растворения 6, 9, 172 —движущая сила 56 сл.

—одиночной сферы 23

—расчеты 56 сл. л

химического растворения 29

электрохимическая 42

Колебания

акустические 137

апериодические широкополосные 229

Колебания

высокочастотные 137

гармонические 137

импульсные 137

низкочастотные 137

ультразвуковые 143, 149, 165

Константа скорости межфазового перехода 26

Концентрация насыщения 13 Коэффициент

динамической вязкости 113

диффузии 27. 113, 144

заполнения реакционного объема 161

извлечения 105

массоотдачи 26, 39, 52, 59 сл., 78, 91, 97 сл., 104

скорости растворения 17, 19 сл., 112 сл., 118, 141, 171

температуропроводности 27

теплоотдачи 27

теплопроводности 27

формы 56, 98

электромагнитного выталкивав ния 132

Критерий

Архимеда 24

Грасгорфа 22, 130

Лыкова 28

Нуссельта 18, 103, 172

Пекле 116

Прандля 17, 103

Рейнольдса 16, 142, 172

Фруда 142, 180

Магнитостриктор 225, 227

Массовый поток 19

Массообмен 21

Массоотдача, коэффициент 39, 96 сл. Мельница вибрационная 159, 253 Мешалка

аэрирующая 205

ленточная 187

листовая 181

лопастная 180

многоагрегатная 183 прецессирующая 183 пропеллерная 180, 182 турбинная 180, 182, 205 шнековая (винтовая) 187 пшеково-ленточная 196 якорная 187

Многокомпонентные смеси 78 сл., 87 Модель

математическая 32, 71, 81 Нернста 17

Неныотоновские жидкости 179

Нерастворитель 106

Низкочастотные колебания 137

Ньютоновские жидкости 179

Пассивация 47

Пассивирование 166

Пачук 185

Перенапряжение 42, 82, 166

Перколяция 178

Плотность диффузионного тока 14, 45

Поляризационные кривые 48

Поляризация 42

Потенциал химический 12

Преобразователь 221

Псевдоожиженный слои 98 Пузырьковый режим 36 сл. Пульсатор 209 сл.

Пульсации 25, 137

Р ассолодобыча 105 сл.

Растворение

анодное 166

аппараты 100 сл., 124 сл., 176 сл. во взвешенном слое 94, 98 сл.

движущая сила 56 сл.

двойных солей 88 сл.

двухступенчатая схема 68 сл. дисперсной твердой фазы 124 сл. идеальное смешение 55 кинетика 9, 14 сл. 102 сл.

—расчеты 56 сл.

классификация 50

комбинированвьге схемы 54

коэффициент скорости 17 механизм 30

многокомпонентных смесей 78 сл.

многоступенчатые схемы 54

при наложении импульсных колебаний 150

—поля гармонических колебаний 138

―скрещенных электрического и магнитного полей 130

—недиффузионное 162

— неизотермическое 70 сл.

с образованием газообразной фазы 34

—новой твердой фазы 30

без образования новой фазы 29 периодический процесс 50 подземное 105 сл., 122 —расчет 116 сл.

—способы интенсификации 171 сл.

6 поле центробежных сил 128 сл. противоточный процесс 53

Растворение

—прямоточный процесс 52

скорость 26

способы интенсификации 124 сл.

е стационарном слое 94 сл.

тепловой эффект 27

теплота 10

термин 6

термодинамические основы 9

физическое 8

химическое 8, 29

электрохимическое 8, 40 сл. 131, 163 сл.

электроэрозионнохимическое 169 Растворимость 9, 12 Растворитель 6

барабанный 203, 204

вертикальный, трубчатый 193, 194

вибрационный с двухзаходной спиралью 219

с виброкишпцим слоем наполнителя 252

с вибромешалкой 207, 208

с вихревым слоем ферромагнит- ных частиц 160, 254

горизонтальный 195, 197, 199 колонный с кипящим слоем 190 с ленточной мешалкой 188

с низкочастотными колебаниями пластин 214

с перегородками 201

перколяционный 178

для пневматического перемешивания 186

для получения вязких растворов 188

с секционирующими шнеками 202

со спиральным вибрирующим лотком 217-

трехвальныи, горизонтальный 184

с центробежным псевдоожиженным слоем 492, 193

циркуляционный с песковым насосом 185

шнековый 188, 196〜

с электромагнитной мешалкой 215

эмалированный с якорной мешалкой 186

Реактор-сгуститель пульсационный 142

Резервуары подземные 106 сл.

Скорость

витания 99

межфазового перехода 26

Скорость

обтекания 128

перемешивания 18

псевдоожижения 99

растворения 17, 26

электрохимического растворения 42

Смешение идеальное 55

Солерастворитель 178

Сольватация 10

Сольваты, строение 10

Тепловой эффект растворения 27

Теплота гидратации 10

Термодинамика растворения 9 сл»

У дарная волна 彳37

—энергия 152

Ультразвуковые колебания 143, 149, 165

Уравнения

Баркера и Трейбала 103

Гиббса 11

Гиберта и Ангелино 139

дифференциальное конвективной диффузии 16

диффузии 18 сл.

диффузионного переноса 89,

кинетики растворения 130, 157, 175

Комаровского и Вертешего 98 сл.

Кулле 121

Лободы и Стабникова 140

Уравнения

Льюса 28

Мазурова 113

материального баланса 51,

53 сл., 64, 65, 70, 92

Нагата 105

Накорякова и Бурдукова 138 неразрывности для двухмерного потока 16, 129

Нернста 41

Тафеля 44

Тодеса 99

Фиклистова 139

Хиксона 57

Хиксона и Баума 102 сл.

Хугмарка 404

Шукарева 78, 171

Ферриты 227

Химический потенциал 12

Экстрагирование 7

Электроэрозионнохимическое р творение 169

Энергия

активации 43

Гиббса 11

кристаллической решетки 10

ударной волны 152

Энтальпия 70

Эффект растворения тепловой 27

ГРИГОРИЙ АБРАМОВИЧ АКСЕЛЬРУД, АНАТОЛИЙ ДМИТРИЕВИЧ МОЛЧАНОВ

РАСТВОРЕНИЕ

ТВЕРДЫХ

ВЕЩЕСТВ

Редактор Л. В. Швыркова

Художник Л. К. Малкин

Технический редактор В. М. Скитина Художественный редактор Н. В. Носов Корректор М. С. Хрипунова

Т-05209. Сдано вТнаб. 20/VII 1976 г. Подл, в печ. 16/П 1977 г.

Формат бумаги 60 х 90*/1в. Бумага тип. М 2. Усл. печ. л, 17.

УЧ.-ИЗД. л. 18,37. Тираж 4800 еке. Зак. И59. Изд. № 974. Цена 1 р. 18 к.

Издательство «Химия». 107076, Москва. Стромынка, 13.

Ленинградская типография N 6 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.

196006, Ленинград, Московский пр.» 91»

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»

Готовит к вьшуску в 1977 году

КОГАН В. Б.

«теоретические основы типовых процессов

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

35 л. Цена 1 р. 43 к.

В книге рассматриваются закономерности гидромеханических, тепловых и массообменных процессов и применение этих закономерностей для расчета типовых операции химической технологии. Изложение основано на последовательном применении термодинамики и гидродинамики к рассматриваемым процессам.

Книга является учебным пособием для студентов химико-технологических вузов. Она может быть полезна также научным и инженерно-техническим работникам химической промышленности и смежных с ней отраслей.

ГЕЛЬПЕРИН Н. И., ПЕБАЛК В. Л., КОСТАНЯН А. Е.

«СТРУКТУРА потоков и эффективность колонныхАППАРАТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

15 л. Цена 96 коп.

Книга посвящена объяснению и оценке влияния структуры потоков на эффективность колонных аппаратов химической и родственных ей отраслей промышленности. Подробно рассмотрены математические модели, позволяющие описать реальное взаимодействие потоков в колонных аппаратах. Обобщены доступные экспериментальные данные для ряда колонных аппаратов. Особое внимание обращено на освещение методов расчета колонных аппаратов с учетом реальной структуры потоков.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников химической промышленности и смежных с ней отраслей народного хозяйства. Книга будет полезна также для студентов химико-технологических спе- хщальностей вузов.

ОЛЕВСКИЙ В. М・.РУЧИНСКЙЙ В. Р

«РОТОРНО-ПЛЕНОЧНЫЕ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕАППАРАТЫ»

15 л. Цена 96 коп.

Книга посвящена новому перспективному типу химической аппаратуры — роторно-пленочным аппаратам. В ней описаны гидродинамические, тепловые и массообменные процессы, протекающие в этих аппаратах, их основные конструкции (испарители, реакторы, ректификаторы) и методы расчета. Даны практические рекомендации по выбору и эксплуатации указанных аппаратов в процессах выпаривания, дистилляции и ректификации.

Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работников предприятий и организаций химической, нефтеперер абатывающей и нефте химической, пищевой и фармацев тической промышленности.

Заказы, на перечисленные книги следует оформлять 6 магазинах, распространяющих научно-техническую литературу.

Гелъперин Н. М.» Носов Г. А.

Основы техники кристаллизации расплавов, 1975.

Островский Г. Л/., Волин Ю. М.

Моделирование сложных химико-технологических схем, 1975.

Брайнес Я. Н.

Введение в теорию и расчеты химических нефтехимических реакторов. Изд. 2-е, 1976.•

Кукин Д., Левеншпиль О.

Промышленное псевдоожижение. Пер. с англ., 1976.

Перлмуттер Д.

Устойчивость химических реакторов. Пер. с англ.» 1976.

Саттерфилд Ч.

Массопередача в гетерогенном катализе.

Пер. с англ., 1976.

С натовский Ю» С., Островский JT. М.

Моделирование кинетики гетерогенных каталитических процессов, 1976.

Соколов В. 〃・

Центрифугирование, 1976.

匸 А. АКСЕЛЬРУа, А Д. МОЛЧАНОВ