Способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах

Изобретение относится к способам интенсификации реакционных и массообменных процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической отраслях промышленности для обработки гетерогенных сред жидкость-твердые частицы, жидкость-жидкость, жидкость-газ и жидкость-газ-твердые частицы для проведения различных технологических процессов. Способ заключается в возбуждении механических колебаний поличастотного характера в аппарате с гетерогенной средой, содержащей дисперсные включения. Спектр частот колебаний задают непрерывным или дискретным так, чтобы границы спектра частот соответствовали минимальной и максимальной собственным частотам колебаний дисперсных включений, а амплитуду колебаний устанавливают в зависимости от частоты. Возбуждение колебаний во всем спектре частот проводят одновременно и непрерывно с циклически изменяющейся амплитудой и частотой. Продолжительность цикла, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания среды в аппарате. По мере стабилизации геометрических размеров дисперсных включений диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают, а собственную частоту колебаний системы "гетерогенная среда - аппарат" непрерывно подстраивают так, чтобы она совпадала с частотой возбуждаемых в системе колебаний. Предлагаемое изобретение позволяет интенсифицировать реакционные и массообменные процессы за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к способам интенсификации реакционных и массообменных процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности для обработки гетерогенных сред жидкость-твердые частицы, жидкость-жидкость, жидкость-газ и жидкость-газ-твердые частицы в различных технологических процессах, таких как абсорбция, газожидкостные реакции, в том числе с использованием твердого катализатора, эмульгирование, жидкостная экстракция, растворение твердых частиц (в том числе с химической реакцией), выщелачивание, репульпация, пропитка и т.п.

Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах, реализованный в пульсационных аппаратах (Карпачева С.М., Захаров Е.И. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов. - М.: Атомиздат, 1980. - С.4), принцип действия которых заключается в генерировании пульсаций - возвратно-поступательного движения объема реагентов в реакторе с постоянной частотой колебаний. Пульсационные аппараты имеют более высокие показатели эффективности по сравнению с реакторами других типов. Однако энергия, затрачиваемая на возвратно-поступательное движение объема реагентов, в известном способе используется недостаточно эффективно, так как возбуждаемые колебания постоянной частоты могут совпадать с собственной частотой колебаний дисперсных включений лишь определенных размеров, т.е. лишь включения определенных размеров могут колебаться в энергетически наиболее выгодном резонансном режиме.

Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах, реализованный в аппарате для растворения твердых частиц в жидкости (Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело-жидкость. Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. - С.155), в котором жидкость, несущая твердые частицы, движется по трубе, площадь поперечного сечения которой переменна по длине трубы. При этом труба состоит из множества последовательно соединенных элементов одинаковой формы, состоящих из двух частей: одна часть каждого элемента представляет собой веретенообразное полое тело, вторая - горловину цилиндрической формы. При движении в такой трубе жидкость периодически меняет свою скорость. Твердые частицы также периодически меняют скорость своего движения, в одном полупериоде отставая от ускоряющейся в узком сечении жидкости, в другом - опережая затормаживающуюся в широком сечении жидкость. Вследствие инерции твердых частиц в трубе возникает относительное движение фаз, способствующее возрастанию коэффициента массоотдачи. Однако такой инерционный эффект возможен лишь при наличии ненулевой разности плотностей твердого либо жидкого компонента (дисперсной фазы) и жидкого компонента (сплошной фазы), а значительным он будет при существенном отличии этих плотностей. Кроме того, в известном способе частота воздействий на обрабатываемую среду никак не согласована с собственной частотой колебаний дисперсных включений. Это приводит к неэффективному использованию вводимой в аппарат энергии, т.е. реакционные и массообменные процессы протекают в нем недостаточно эффективно.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах, реализованный в аппарате для осуществления взаимодействия в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость (патент РФ №2186614, МПК⁷ В01F 5/00, Б.И. 22, 2002), содержащий корпус, одну или несколько труб контактирования фаз, размещенных в нем, и технологические патрубки, причем трубы контактирования фаз выполнены в виде последовательно соединенных конфузорно-диффузорных элементов типа трубы Вентури, угол раскрытия конфузорной части составляет от 10 до 40°, а диффузорной - в пределах от 4 до 20°. Благодаря оптимальной геометрической форме элементов типа трубы Вентури гидравлическое сопротивление известного аппарата ниже, чем у аналогичных конструкций. Это способствует более рациональному использованию вводимой энергии и увеличению КПД аппарата. Вследствие постоянства расхода подаваемой в аппарат гетерогенной среды и одинаковых размеров элементов типа трубы Вентури вдоль линий тока в аппарате будет генерироваться постоянная частота пульсаций. При совпадении этой частоты с частотой собственных колебаний включений (пузырьков, капель, капиллярно-пористых твердых частиц с защемленным газом и т.п.) будут возникать резонансные колебания дисперсных включений (поверхности пузырька или капли, жидкости в порах капиллярно-пористых твердых частиц). Очевидно, что резонансные колебания будут возникать лишь у дисперсных включений определенных размеров (при заданном давлении в аппарате и физических свойствах фаз - их плотности, вязкости, поверхностного натяжения). В подавляющем большинстве случаев дисперсная фаза в гетерогенных средах имеет полидисперсное распределение, т.е. обладает достаточно широким диапазоном размеров. По этой причине резонансные колебания будут возбуждаться лишь в дисперсных включениях, размеры которых ограничены узким интервалом, а остальные частицы дисперсной фазы будут испытывать лишь слабое воздействие. Это приводит к тому, что продолжительность реакционных и массообменных процессов увеличивается, а вводимая в гетерогенную среду энергия используется далеко не в полной мере.

Задача предлагаемого изобретения - интенсификация реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.

Поставленная задача достигается тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении механических колебаний в аппарате с гетерогенной средой, содержащей дисперсные включения, при этом возбуждают колебания поличастотного характера, причем спектр частот колебаний задают непрерывным или дискретным так, чтобы границы спектра частот соответствовали минимальной и максимальной собственным частотам колебаний дисперсных включений, а амплитуду колебаний устанавливают в зависимости от частоты.

Поставленная задача достигается также тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении колебаний в аппарате с гетерогенной средой, а возбуждение колебаний во всем спектре частот проводят одновременно и непрерывно.

Поставленная задача достигается также тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении колебаний в аппарате с гетерогенной средой, при этом возбуждение колебаний проводят с циклически изменяющимися амплитудой и частотой, причем продолжительность цикла задают, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания среды в аппарате, а по мере стабилизации геометрических размеров дисперсных включений под действием возбужденных в гетерогенной среде колебаний диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах заключается в возбуждении колебаний в аппарате с гетерогенной средой, при этом собственную частоту колебаний системы "гетерогенная среда - аппарат" непрерывно подстраивают таким образом, чтобы она совпадала с частотой возбуждаемых в системе колебаний.

За счет генерирования поличастотных колебаний согласно заявляемому изобретению происходит возбуждение резонансных колебаний дисперсных включений всех размеров. Поличастотными (полигармоническими в случае, если колебания - гармонические) называют колебания, происходящие с несколькими (более одной) частотами (Вибрации в технике: Справочник. - T.1. Колебаний линейных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - С.20). Таким образом, энергия каждой из возбуждаемых частот трансформируется в кинетическую энергию различных форм движения дисперсных включений: осцилляции поверхности пузырей и капель с различными модами, пульсации жидкости и защемленного газа в капиллярах капиллярно-пористых твердых частиц, деформации пристенного гидродинамического слоя вблизи поверхности растворяющихся частиц и поверхности катализатора. Кроме того, перестройка гидродинамической обстановки в аппарате при переходных режимах также способствует ускорению реакционных и массообменных процессов (Долинский А.А., Накорчевский А.И. Принципы оптимизации массообменных технологий на основе метода дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. - 1997. - т.19, №6. - С.5-9).

Таким образом, совокупность явлений и процессов, возникающих в аппарате при возбуждении в нем поличастотных колебаний согласно предлагаемому изобретению, приводит к интенсификации реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.

На фиг.1 представлен пример аппарата, в котором реализован предлагаемый способ, на фиг.2 - временные диаграммы парциальных (фиг.2, а) колебаний и суммарных (фиг.2, б) колебаний для случая трех парциальных частот возбуждения. На фиг.3 изображен случай циклического дискретного изменения амплитуды (фиг.3, а) и частоты (фиг.3, б) колебаний с продолжительностью цикла Т. Возмущающий физический фактор (фиг.3, е) в различные моменты времени (на фиг.3 продолжительностью N₁·τ₁, N₂·τ₂ и N₃·τ₃, где N_i - число колебаний с периодом τ_i, i=1, 2, ...) имеет различные амплитуды и частоты колебаний, которые циклически повторяются. Представленные на фиг.4 графики характеризуют сужение диапазона частоты колебаний Δf(t) с течением времени (В момент времени t₁ диапазон частот колебаний Δf(t₁) уже, чем в начальный момент времени t=0). На фиг.4, а средняя частота колебаний остается постоянной, на фиг.4, б средняя частота колебаний растет, а на фиг.4, в средняя частота колебаний снижается. Аналогичным образом может изменяться и диапазон амплитуды колебаний.

Парциальные колебания описываются гармоническим законом в соответствии с формулой (Вибрации в технике: Справочник. - T.1. Колебания линейных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - С.20)

где F - возмущающий физический фактор (перемещение, скорость, ускорение, давление и т.д.);

i - номер парциального колебания;

a_i - амплитуда i-го колебания, м (либо м/с, м/с², Па);

f_i - частота i-го колебания, Гц;

ϕ_i - начальная фаза i-го колебания, рад;

t - время, с.

В качестве возмущающего физического фактора могут выступать такие физические величины, как перемещение, скорость, ускорение, давление.

Суммарные колебания определяются соотношением (Вибрации в технике: Справочник. - T.1. Колебания линейных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - С.21-22)

Параметры колебаний, представленных в качестве примера на фиг.2, следующие: n=3, парциальные частоты f₁=500 Гц, f₂=600 Гц, f₃=700 Гц, амплитуды a₁=0,010 м, a₂=0,015 м, a₃=0,012 м и начальные фазы ϕ₁=0, ϕ₂=π/6; ϕ₃=π/3.

Аппарат состоит из корпуса 1 с побудителем колебаний 2 (в виде поршня, мембраны или другого рабочего органа), соединенного с ним привода 3 (вибрационного, пневматического, эксцентрикового или другого типа), на который с генератора поличастотных колебаний 4 подается управляющий сигнал. Корпус 1 снабжен патрубками 5 и 6 для подачи сплошной и дисперсной фаз, патрубком 7 для вывода готового продукта, и может быть оборудован другими необходимыми элементами химического оборудования: теплообменной рубашкой, змеевиками, технологическими патрубками, регулирующими клапанами и т.п. Газонаполненный упругий элемент 8 необходим для настройки упругих свойств системы "гетерогенная среда - аппарат" путем плавного перемещения поршня 9.

Аппарат работает следующим образом. После включения генератора поличастотных колебаний 4 в корпус 1 через патрубки 5 и 6 подают соответственно сплошную и дисперсную фазы. Возбуждаемые генератором 4 колебания в виде управляющих сигналов преобразуются в механические (акустические) поличастотные колебания приводом 3 и передаются побудителю колебаний 2 и далее - гетерогенной среде, находящейся в корпусе 1. Под действием поличастотных колебаний возбуждаются резонансные пульсации дисперсных включений (пузырьков, капель, капиллярно-пористых частиц) различных размеров. За счет резонанса амплитуда колебаний дисперсных включений резко усиливается, происходит дробление дисперсной фазы (пузырьков, капель), увеличиваются коэффициенты массообмена, ускоряются диффузионные процессы в гетерогенных химических реакциях. Все это приводит к интенсификации реакционных и массообменных процессов.

Влияние поличастотных колебательных воздействий на гетерогенные среды, содержащие дисперсные включения с упругими (жидкость - газ) и квазиупругими (жидкость - жидкость, жидкость - капиллярно-пористые частицы) свойствами, сначала рассмотрим на системах жидкость - газ и жидкость - жидкость. Известно, что под действием колебаний пузыри (капли) как деформируемые тела могут совершать колебания с различными модами (формами) (Кубенко В.Д., Кузьма В.М., Пучка Г.Н. Динамика сферических тел в жидкости при вибрации. - Киев: Наукова думка, 1989. - С.31; Протодьяконов И.О., Ульянов С.В. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость - жидкость. - Л.: Наука, 1986. - С.105). Нулевая мода колебаний соответствует изменению его объема при сохранении сферической формы, первая мода колебаний соответствует перемещениям центра тяжести пузырька, вторая и более высокие моды колебаний характеризуются изменением сферической формы пузырька (капли), т.е. его вытягиванием в сигарообразную или чечевицеобразную (или более сложную) форму, образованием ряби на поверхности раздела фаз.

Собственные частоты колебаний пузырьков в невязкой жидкости с нулевой модой колебаний определяются соотношением (Кубенко В.Д., Кузьма В.М., Пучка Г.Н. Динамика сферических тел в жидкости при вибрации. - Киев: Наукова думка, 1989. - С.31)

где f₀ - частота собственных колебаний пузырька с нулевой модой колебаний, Гц;

γ - показатель адиабаты газа, содержащегося в пузырьке;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

R - радиус пузырька в невозмущенном состоянии, м;

p₀ - давление в жидкости в невозмущенном состоянии, Па;

σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.

Из формулы (3) видно, что частота собственных колебаний пузырьков сильно зависит от их радиуса. Для пузырьков с радиусом R более 10 мкм при атмосферном давлении капиллярное давление незначительно, и тогда из формулы (3) следует f₀˜1/R.

Собственные частоты колебаний капель в невязкой жидкости определяются соотношением (Протодьяконов И.О., Ульянов С.В. Гидродинамика и массообмен в дисперсных системах жидкость - жидкость. - Л.: Наука, 1986. - С.105)

где f_k - частота собственных колебаний капли с k-й модой колебаний, Гц;

k - номер моды колебаний, для капель возможны значения k=2, 3, 4, ...;

σ - межфазное натяжение, Н/м;

ρ₁ - плотность сплошной фазы, кг/м³;

ρ₂ - плотность жидкости в капле, кг/м³;

R - радиус капли, м.

Рассмотрим особенности колебаний в системе жидкость - капиллярно-пористые частицы на примере пропитки частиц. Собственная частота колебаний жидкости в капилляре без трения определяется из соотношения (Абиев Р.Ш. Исследование процесса пропитки тупиковых капилляров при гармоническом изменении давления в жидкости // Журнал прикл. химии, 2000. Т.73, №7, С.1141-1144)

где f_т - частота собственных колебаний жидкости в капилляре, Гц;

- константа;

ϕ=l/l₀ - безразмерная глубина пропитки;

l - глубина пропитки, м;

l₀ - длина капилляра, м;

ϕ_m - предельная глубина пропитки при р_c, ϕ_m=(р_k+p_с-p₀)/(p_k+p_с);

r - радиус капилляра, м;

p₀ - давление газа в капилляре перед погружением в жидкость, Па;

p_c - постоянная составляющая внешнего давления, Па;

p_k - капиллярное давление, р_k=2σcosθ/r, Па;

σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

θ - угол смачивания поверхности капилляра жидкостью;

ρ - плотность жидкости, кг/м³.

Из соотношений (3)-(5) видно, что собственные частоты колебаний пузырьков и капель существенно зависят от их размеров, собственные частоты колебаний жидкости в порах капиллярно-пористых тел определяются радиусом, длиной капилляров и давлением в жидкости.

Любая реальная среда обладает более или менее широким диапазоном размеров (пузырьков, капель, пор) либо физических свойств (плотности, поверхностного натяжения), поэтому возбуждение поличастотных колебаний с набором определенных гармоник способствует резонансным колебаниям преобладающего большинства дисперсных включений. При выраженном дискретном распределении дисперсных включений по размерам спектр частот колебаний целесообразно задавать дискретным; если же распределение дисперсных включений по размерам носит непрерывный характер, то и спектр частот колебаний задают непрерывным.

Частоты колебаний должны выбираться так, чтобы каждая из гармоник возбуждала резонансные колебания дисперсных включений того или иного размера. Поэтому границы спектра частот должны соответствовать минимальной и максимальной собственным частотам колебаний дисперсных включений.

Амплитуда колебаний дисперсных включений определяется внутренними (упругими, инерционными и вязкими) свойствами гетерогенной среды и зависит от их размеров. Кроме того, амплитуда колебаний дисперсных включений зависит от частоты и амплитуды внешних колебательных воздействий. Поскольку размер дисперсных включений связан с частотой собственных колебаний, а резонанс колебаний каждого из дисперсных включений наступает при совпадении частоты возбуждаемых колебаний с собственной частотой дисперсного включения, то и амплитуда внешних колебательных воздействий должна определяться частотой внешних колебательных воздействий. Так, на фиг.2, а показан случай различных амплитуд колебаний а_i, соответствующих различным частотам колебаний f_i.

В аппаратах большого объема, в которых существуют большие различия по размерам дисперсных включений в различных локальных зонах, со стабильными свойствами дисперсных включений, возбуждение колебаний во всем спектре частот целесообразно проводить одновременно и непрерывно. При этом возбуждаемые поличастотные колебания могут иметь разные спектры частот в различных зонах аппарата, который должен быть в этом случае оборудован соответствующим количеством генераторов и побудителей колебаний.

В аппаратах малого объема, с нестабильными свойствами дисперсных включений (главным образом капель и пузырьков, склонных к дроблению или слиянию) возбуждение колебаний целесообразно проводить с циклически изменяющимися амплитудой и частотой. При этом резонансные колебания будут возбуждаться циклически то в одних дисперсных включениях, то в других. Например, сначала возбуждаются колебания с частотой, соответствующей собственной частоте колебаний крупных капель в соответствии с формулой (2), в результате чего они дробятся на более мелкие капли, частота собственных колебаний которых выше; поскольку частота внешних воздействий постепенно увеличивается, она теперь соответствует частоте собственных колебаний раздробившихся капель (см. фиг.3, в в качестве примера), что приводит к их резонансным колебаниям и дальнейшему дроблению. Таким образом, продолжительность цикла задают, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания среды в аппарате. Частота внешних воздействий может увеличиваться непрерывно либо дискретно; для того чтобы переходные процессы в капле успели произойти, более благоприятным является дискретный способ изменения частоты, причем с каждой частотой необходимо возбуждать несколько (более одного) периодов колебаний. Пока капли находятся в аппарате, они должны испытать хотя бы один цикл изменения частоты внешних колебаний, а для повышения технологической надежности процесса таких циклов должно быть не менее двух. При этом интенсификация реакционных и массообменных процессов достигается не только за счет увеличения межфазной поверхности при дроблении капель, но и за счет более мощного перемешивания в них (интенсификация внутреннего массообмена в дисперсных включениях), а также уменьшения толщины диффузионного слоя вблизи их поверхности (интенсификация внешнего массообмена).

Если аппарат периодического типа, то в нем может происходить стабилизация геометрических размеров дисперсных включений под действием возбужденных в гетерогенной среде поличастотных колебаний. Это означает, что диапазон размеров частиц становится более узким, следовательно, частота и амплитуда внешних воздействий не должны находиться в таких же широких интервалах, как в начале процесса. Поэтому по мере сужения диапазона размеров частиц диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают (см. фиг.4).

Теперь перейдем к анализу влияния поличастотных колебательных воздействий на гетерогенные среды, содержащие несжимаемые дисперсные включения, а именно жидкость - твердые частицы.

В случае внешнего обтекания твердых частиц (при взвешивании, растворении, экстрагировании, кристаллизации) интенсивность взаимодействия сплошной фазы с дисперсными включениями определяется инерционными силами, пропорциональными массе самих включений и присоединенной к ним массе жидкости, т.е. кубу диаметра частиц. Сила сопротивления частиц пропорциональна квадрату их диаметра. При нестационарном процессе время разгона частицы от состояния покоя до предельной скорости, определяемой скоростью потока, определяется как время релаксации. Для ламинарного режима обтекания время релаксации может быть рассчитано по формуле (Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. - СПб.: Наука, 2000. - С.178)

где t_p - время релаксации, с;

d - диаметр частицы, м;

ρ₁ - плотность сплошной фазы (жидкости), кг/м³;

ρ₂ - плотность материала твердой частицы, кг/м³;

μ - динамическая вязкость жидкости, Па·с.

Если период колебаний связан с временем релаксации приближенным соотношением

а частота колебаний, соответственно

то частицы с диаметром d успевают полностью разогнаться за четверть периода колебаний τ_о, который связан с диаметром частиц d соотношениями (6)-(7), а за другую четверть периода колебаний τ_о они успевают затормозиться. При этом частицы за половину периода τ_о успевают разогнаться до скорости потока, в то же время скорость относительного движения фаз непрерывно меняется, не достигая нулевых значений. Кроме того, перестройка пограничного слоя, осуществляющаяся дважды за период, также способствует полному изменению концентрационного поля вблизи поверхности частицы, т.е. вводимая в аппарат энергия используется рационально.

Если частота колебаний превышает частоту f_o, то силы инерции, действующие на частицы, оказываются заметно выше сил взаимодействия потока с частицами, и они не успевают разгоняться до скорости потока. В результате этого интенсивность перемешивания частиц в аппарате, условия доступа реагентов к поверхности частиц резко ухудшаются, и поэтому реакционные и массообменные процессы протекают недостаточно эффективно.

Если частота колебаний меньше частоты f_o, то силы инерции, действующие на частицы, значительно меньше сил взаимодействия потока с частицами, и частицы очень быстро разгоняются, двигаясь далее со скоростью, близкой к скорости потока; после смены направления движения потока процесс разгона частиц происходит в другую сторону. В результате этого частицы хорошо взвешиваются, однако скорость относительного движения фаз большую часть периода колебаний близка к нулю. Поскольку толщина гидродинамического и диффузионного слоев определяется значением относительной скорости, эффективность диффузионных процессов резко снижается, а реакционные и массообменные процессы протекают недостаточно эффективно.

Учитывая полидисперсный состав частиц, т.е. тот факт, что величина d в формуле (6) лежит в некотором диапазоне, можно придти к выводу о том, что при фиксированной частоте колебаний, определяемой формулами (6)-(8), лишь небольшая доля частиц будет находиться в благоприятных с точки зрения проведения реакционных и массообменных процессов условиях. При реализации поличастотных колебаний в диапазоне частот, определяемом формулами (6)-(8) и диапазоном диаметров частиц d, частицы всех размеров будут возбуждаться с наиболее благоприятными частотами, что приведет к интенсификации реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.

Закон изменения некоторого возмущающего физического фактора с циклически изменяющимися амплитудой и частотой возбуждаемых колебаний запишем в виде соотношения

где a(t) - амплитуда колебаний, изменяющаяся периодически (циклически) с продолжительностью цикла Т;

P(t) - периодическая функция времени t, изменяющаяся циклически с продолжительностью цикла Т и частотой колебаний f(t), зависящей от времени.

Функции a(t) и f(t) могут изменяться непрерывно или дискретно (ступенчато, с разрывом производной). Случай дискретного изменения частоты является предпочтительным, так как при непрерывном изменении частоты могут возникнуть апериодические движения; кроме того, в дисперсных включениях гетерогенной среды не успеют завершиться переходные процессы, вследствие чего резонансные их колебания не будут реализованы; все это ухудшает эффективность воздействия на гетерогенные среды.

При дискретном изменении частоты функция f(t) имеет вид

где f_i - дискретные значения частот колебаний, Гц;

mod(t/T) - остаток от целочисленного деления t на Т;

N_i - число колебаний с периодом τ_i, τ=1/f_i;

i=1, 2, ...n;

n - число гармоник;

T - продолжительность цикла, с.

Продолжительность цикла Т существенно превышает наибольший из периодов колебаний τ(t) и равна

На фиг.3 представлен случай ступенчатого задания функций a(t) и f(t) с параметрами: n=3; N₁=N₂=N₃=3; f₁=500 Гц; f₂=800 Гц; f₃=1200 Гц; а₁=0,010; a₂=0,015; а₃=0,012; τ₁=0,002 с; τ₂=0,00125 с; τ₃=0,000833 с; продолжительность цикла Т=0,012 с. Из графика на фиг.3, в, полученного с использованием формулы (10), видно, что после завершения колебаний с частотой f₁ происходит плавный переход к колебаниям с частотой f₂, а затем - с частотой f₃, далее - снова с частотой f₁ и т.д. Одновременно с частотой и соответственно ей меняется и амплитуда колебаний.

Пример конкретного выполнения 1. В аппарат, схема которого показана на фиг.1, через патрубок 5 подается вода, в которую через патрубок 6 барботируют пузырьки воздуха. Давление в аппарате - атмосферное, начальный радиус образующихся пузырей - от 1 до 5 мм. Расчет по формуле (3) дает значения собственных частот f₀ колебаний пузырей в зависимости от их радиуса R, представленные в таблице 1. Амплитуду колебаний давления а задают таким образом, чтобы в наибольшей степени деформировались и дробились наиболее крупные пузырьки, т.е. амплитуда колебаний зависит от частоты (см. таблицу 1).

В аппарате возбуждаются поличастотные колебания с расчетными частотами, указанными в таблице 1, т.е с дискретным спектром, причем границы спектра частот соответствуют минимальной (652 Гц) и максимальной (3264 Гц) собственным частотам колебаний дисперсных включений (пузырьков). В процессе колебательного воздействия на пузырьки возбуждаются резонансные колебания, происходит их дробление. Из крупных пузырьков образуются более мелкие, которые тоже испытывают колебательные воздействия с частотой, близкой к их собственной частоте колебаний. Это приводит к возбуждению резонансных колебаний более мелких пузырьков, и они дробятся на еще более мелкие. Таким образом, происходит "цепная реакция" дробления пузырьков с большой амплитудой колебаний. Благодаря возбуждению резонансных колебаний при равных затратах энергии достигается максимально возможная амплитуда колебаний. Это приводит к более эффективному использованию вводимой в гетерогенную среду энергии, а в конечном счете - к интенсификации реакционных и массообменных процессов, протекающих в газожидкостной среде.

В случае использования проточного аппарата (вытеснительного типа) большого объема возбуждение колебаний во всем спектре частот проводят одновременно и непрерывно (аналогично показанным на фиг.2), причем колебания с низкими частотами (652 и 815 Гц) проводят в нижней части аппарата, где крупные пузыри еще не раздробились, а с высокими частотами (1087, 1631 и 3264 Гц) - в средней и верхней частях аппарата, где преобладают средние и мелкие пузырьки.

В случае использования аппарата малого объема возбуждение колебаний проводят с циклически изменяющимися амплитудой и частотой (по аналогии с тем, как показано на фиг.3). При этом резонансные колебания возбуждаются циклически то в крупных пузырях с частотами 652 и 815 Гц, то в средних и мелких - с частотами 1087, 1631 и 3264 Гц. Продолжительность цикла задают, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания пузырьков в аппарате, чтобы успели произойти все процессы перестройки профиля скоростей, деформации и дробления пузырьков. В результате дробления и коалесценции происходит обмен газом между пузырьками, что приводит к выравниванию концентрации газа по дисперсной фазе и в целом ведет к интенсификации реакционных и массообменных процессов.

Если аппарат периодического типа, то под действием возбужденных в гетерогенной среде поличастотных колебаний в нем происходит стабилизация размеров пузырьков: крупные и средние пузырьки дробятся, и в аппарате преобладают мелкие пузырьки радиусом 1-2 мм. Таким образом, если в начале процесса распределение амплитуды и частоты колебаний описывается данными таблицы 1, то через некоторое время по мере сужения диапазона размеров пузырьков диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают (см. фиг.4, б), сохраняя колебания только с амплитудами и частотами, соответствующими пузырькам размером 1 и 2 мм (см. столбцы 1 и 2 в таблице 1).

Повышение эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии и интенсификация реакционных и массообменных процессов могут достигаться за счет того, что при изменении частоты колебаний в гетерогенной газожидкостной среде собственную частоту колебаний системы "гетерогенная среда - аппарат" непрерывно подстраивают таким образом, чтобы она совпадала с частотой возбуждаемых в системе колебаний. С этой целью можно изменять (регулировать), например, упругие свойства газонаполненного упругого элемента 8 путем плавного перемещения поршня 9 (см. фиг.1) либо изменять (регулировать) инерционные свойства системы "гетерогенная среда - аппарат" за счет переменной высоты слива газожидкостной системы, что достигается путем установки нескольких патрубков 7 по высоте аппарата.

Пример конкретного выполнения 2. В аппарат периодического действия, схема которого показана на фиг.1, через патрубок 5 подается вода плотностью ρ₁=1000 кг/м³ и вязкостью μ=10^-3 Па·с, а через патрубок 6 вводят твердые частицы плотностью ρ₂=2500 кг/м³, которые растворяются с одновременным протеканием химической реакции в сплошной фазе. Начальный диаметр частиц d колеблется от 0,5 до 2,5 мм. Расчет по формулам (6)-(8) дает значения рекомендуемых по настоящему изобретению частот f_o колебаний в зависимости от диаметра частиц d, представленные в таблице 2. Амплитуду колебаний фронта жидкости а задают таким образом, чтобы происходило интенсивное растворение, но без излишних затрат энергии на движение частицы вместе с потоком.

Колебания в аппарате с частотами и амплитудами, представленными в таблице 2, возбуждаются циклически (по аналогии с тем, как показано на фиг.3). По мере растворения частиц их дисперсный состав сужается, а сами частицы уменьшаются в размерах. Поэтому диапазон частот колебаний постепенно сужают с зависимостью, график которой приведен на фиг.4, б: в начале процесса циклически возбуждаются колебания с частотами от 0,24 до 6 Гц, а в установившейся стадии процесса колебания возбуждаются циклически с частотами 1,5 и 6 Гц.

В результате того что внешние колебательные воздействия согласованы со свойствами гетерогенной среды, происходит более эффективное использование вводимой в аппарат энергии. Это выражается в увеличении амплитуды относительного движения частиц и в конечном итоге приводит к интенсификации реакционных и массообменных процессов при растворении.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет интенсифицировать реакционные и массообменные процессы за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.

Таблица 1
R, мм	1	2	3	4	5
f0, Гц	3264	1631	1087	815	652
а, кПа	80	50	30	20	10
Таблица 2
d, мм	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5
f0, Гц	6	1,5	0,667	0,375	0,24
а, мм	0,8	1,2	2,0	2,4	3,0

1. Способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах, заключающийся в возбуждении механических колебаний в аппарате с гетерогенной средой, содержащей дисперсные включения, отличающийся тем, что возбуждают колебания поличастотного характера, причем спектр частот колебаний задают непрерывным или дискретным так, чтобы границы спектра частот соответствовали минимальной и максимальной собственным частотам колебаний дисперсных включений, а амплитуду колебаний устанавливают в зависимости от частоты.

2. Способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах по п.1, отличающийся тем, что возбуждение колебаний во всем спектре частот проводят одновременно и непрерывно.

3. Способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах по п.1, отличающийся тем, что возбуждение колебаний проводят с циклически изменяющимися амплитудой и частотой, причем продолжительность цикла задают, по меньшей мере, вдвое больше среднего времени пребывания среды в аппарате.

4. Способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах по п.3, отличающийся тем, что по мере стабилизации геометрических размеров дисперсных включений под действием возбужденных в гетерогенной среде колебаний диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постепенно сужают.

5. Способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах по п.1, отличающийся тем, что собственную частоту колебаний системы "гетерогенная среда - аппарат" непрерывно подстраивают таким образом, чтобы она совпадала с частотой возбуждаемых в системе колебаний.