Способ определения структуры потока жидкости в аппарате

Изобретение относится к способам исследования процессов гидродинамики жидких гомогенных и гетерогенных сред и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод. Согласно изобретению в аппарат подают основной индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени и осуществляют дополнительную регистрацию концентрации индикатора на выходе из аппарата после регистрации функции распределения частиц потока во времени путем ввода дополнительного индикатора, отличающийся тем, что в качестве дополнительного индикатора используют вещество, коэффициент диффузии которого в потоке жидкости отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, и по зависимости концентрации дополнительного индикатора от времени и функции распределения частиц в потоке во времени определяют дисперсии и числа Пекле, характеризующие структуру потока жидкости. Изобретение обеспечивает повышение точности физического и математического моделирования гидромеханического процесса в различных аппаратах и реакторах непрерывного действия за счет использования дополнительного индикатора, имеющего диффузию молекул, отличающуюся от диффузии молекул первого индикатора. 3 пр., 6 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к способам исследования процессов гидродинамики жидких гомогенных и гетерогенных сред и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод.

Известен способ определения структуры потока в проточном аппарате (аппарате непрерывного действия). Способ заключается в подаче во входящий поток какой-либо примеси (индикатора или метки), которая ни с чем не реагирует - это может быть раствор красителя, кислоты или соли, и определении изменения концентрации индикатора на выходе из аппарата как функции времени. (А.Ю.Закгейм. Введение в моделирование химико-технологических процессов. - М.: Химия, 1973, с.44).

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

Известен способ определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, заключающийся в том, что в аппарат подают индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата зависимость концентрации частиц индикатора от времени, при этом регистрация этой зависимости осуществляется одновременно с дополнительной регистрацией зависимости концентрации индикатора вблизи мешалки и по этим концентрационным зависимостям и функциям распределения частиц потока по времени судят о структуре потока жидкости (Патент 2232383 РФ, G01N 27/06, 15/00, 2004 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность физического и математического моделирования гидромеханического процесса и расчета его параметров аппаратами с мешалками и двумя концентрационными зависимостями одного и того же индикатора от времени, снятыми вблизи мешалки и на выходе из аппарата, что снижает точность исследования структуры потока жидкости.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является способ определения структуры потока жидкости в аппарате при перемешивании, заключающийся в подаче в аппарат индикатора, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, и регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени, при этом дополнительно регистрируют концентрацию индикатора и по этой концентрации и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости, причем дополнительную регистрацию индикатора осуществляют на выходе из аппарата, а в качестве индикатора, служащего для дополнительной регистрации концентрации на выходе из аппарата, используют вещество, вступающее в быструю химическую реакцию с одним из компонентов потока жидкости. По зависимости этой дополнительной концентрации и функции распределения частиц потока во времени судят о структуре потока жидкости, смешиваемой на уровне молекул и глобул (микро- и макроуровнях смешения). (Патент 2281484 РФ, G01N 27/06, 2006 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность выбора дополнительного индикатора, вступающего в быструю химическую реакцию с одним из компонентов жидкости, и в связи с этим ограниченность применения известного способа, связанная с наличием такого реагирующего компонента в жидкости. В отсутствие такого реагирующего компонента в жидкости, вступающего в быструю химическую реакцию с дополнительным индикатором, его необходимо подобрать и хорошо предварительно перемешать в основной жидкости, а это усложняет процесс измерения структуры потока, искажает структуру потока основной жидкости и ограничивает возможности исследования структуры потока.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение возможностей физического и математического моделирования структуры потока за счет использования дополнительного индикатора для определения структуры потока в различных аппаратах и реакторах.

Техническим результатом предлагаемого способа определения структуры потока жидкости в аппарате является повышение точности физического и математического моделирования гидромеханического процесса в различных аппаратах и реакторах непрерывного действия за счет использования дополнительного индикатора, имеющего диффузию молекул, отличающуюся от диффузии молекул первого индикатора.

Сущность предлагаемого способа определения структуры потока жидкости в аппарате заключается в том, что в аппарат подают основной индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени и осуществляют дополнительную регистрацию концентрации индикатора на выходе из аппарата после регистрации функции распределения частиц потока во времени путем ввода дополнительного индикатора, при этом в качестве дополнительного индикатора используют вещество, коэффициент диффузии которого в потоке жидкости отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, и по зависимости концентрации дополнительного индикатора от времени и функции распределения частиц в потоке во времени определяют дисперсии и числа Пекле, характеризующие структуру потока жидкости.

Использование в качестве дополнительного индикатора вещества, коэффициент диффузии которого в потоке отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, позволяет получить две разные функции распределения частиц во времени, зависящие от коэффициентов диффузии основного и дополнительного индикаторов в потоке жидкости, и рассчитать влияние коэффициентов диффузии на параметры структуры потоков: дисперсию и число Пекле диффузионной модели, так как в реакторах в реакцию обычно вступают молекулы исходных веществ, коэффициенты диффузии которых в потоке жидкости значительно отличаются друг от друга. Например, это реакции полимеризации, когда к фрагменту полимерной цепочки с малым коэффициентом диффузии последовательно присоединяются молекулы мономера с большим коэффициентом диффузии.

В качестве основного и дополнительного индикаторов могут быть использованы органические и неорганические вещества, красители, магнитные частицы и радиоактивные изотопы.

Таким образом, дополнительная функция распределения структуры потока во времени, полученная путем регистрации концентрации дополнительного индикатора на выходе из аппарата, имеющего коэффициент диффузии в потоке, отличный от коэффициента диффузии основного индикатора, позволяет получить дополнительную информацию о влиянии диффузии молекул потока на его структуру, в частности на дисперсию и число Пекле, а значит более точно учитывать влияние коэффициентов диффузии реагирующих молекул в потоке жидкости на степень конверсии, профили температур и концентраций исходных веществ и продуктов реакции.

Пример 1

Объем проточного аппарата V=5 л, расход воды q=10 мл/с, то есть среднее время пребывания частиц в потоке жидкости τ=V/q=500 с.

Диаметр аппарата D=0,16 м, диаметр лопастей пропеллерной мешалки d=0,032 м, число оборотов n=60 об/мин.

Для регистрации функции распределения частиц потока во времени и дополнительной регистрации концентрации индикатора в выходном патрубке аппарата установлены с зазором 8 мм два электрода кондуктометрической ячейки, соединенные с мостом сопротивления и потенциометром КСП-3, представляющим собой записывающее устройство.

Сначала на вход аппарата импульсно подают 10 мл водного раствора КСl основного индикатора с концентрацией 7 г/л, электропроводность которого отличается от электропроводности потока воды, и с помощью потенциометра КСП-3 регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени в размерных координатах (фиг.1, кривая 1). Коэффициент диффузии катионов К+ в воде D1=19,6·10-10 м2/с [А.Х.Воробьев. Диффузионные задачи в химической кинетике. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003, с.92].

Для дополнительной регистрации концентрации индикатора в качестве дополнительного индикатора выбирают водный раствор ВаСl2 с коэффициентом диффузии катионов Ва+2 D2=7,92·10-10 м2/c [А.Х.Воробьев. Диффузионные задачи в химической кинетике. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003, с.92], то есть отличающимся от коэффициента диффузии D1 основного индикатора - водного раствора КСl. Концентрация и объем дополнительного индикатора, импульсно подаваемого на вход аппарата, выбраны такими же, как для основного индикатора. С помощью потенциометра КСП-3 регистрируют на выходе из аппарата дополнительную зависимость этой концентрации от времени (фиг.1, кривая 2).

Для получения функций распределения частиц в потоке жидкости во времени проводят нормировку полученных размерных зависимостей.

Для этого по известным из аналогов и прототипа расчетным формулам обработки зависимостей концентрации индикатора от времени определяют средние времена пребывания частиц потока жидкости для каждой кривой фиг.1

средние концентрации каждого индикатора

и дисперсию концентрационных кривых

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

где кривые 1 и 2 - соответственно графики распределения частиц всего потока для основного индикатора - водного раствора КСl с коэффициентом диффузии катионов К+ D1=19,6·10-10 м2/с и для дополнительного индикатора - водного раствора BaCl2 с коэффициентом диффузии катионов Ва+2 D2=7,92·10-10 м2/с, при этом площади под кривыми 1 и 2 фиг.2 должны быть одинаковыми и равны 1.

Как видно из графиков фиг.2, основному и дополнительному индикаторам, имеющим разные коэффициенты диффузии, соответствуют разные функции распределения частиц по времени пребывания и соответственно разные дисперсии и , рассчитанные по уравнению (3). Разным значениям дисперсии и соответствуют разные расчетные критерии Пекле, являющиеся основными параметрами диффузионной модели для расчета химических реакторов и характеризующие в них структуру потоков реакционной массы

Так для значение Pe1=3,4, а для Ре2=7,17. Таким образом, определение структуры потока только по одной регистрации концентрации основного индикатора на выходе из аппарата без учета коэффициента диффузии дополнительного индикатора, служащего для дополнительной регистрации концентрации на выходе из аппарата, может приводить к значительным ошибкам: в определении дисперсии σ2 эта ошибка может достигать 75%, а в определении критерия Пекле - более 100%.

Пример 2

Опыты проводились в том же аппарате, при тех же расходах воды и тех же индикаторах - основном и дополнительном, но при числе оборотов мешалки, в 3 раза большем, то есть при n=180 об/мин.

Несмотря на разные коэффициенты диффузии индикаторов D1 и D2, зарегистрированные с помощью потенциометра КСП-3, зависимости концентраций индикаторов от времени как для основного индикатора, так и дополнительного практически совпадают (кривые 1 и 2 на фиг.3). То же касается и функций распределения частиц потока жидкости во времени, рассчитанных после нормировки кривых 1 и 2 фиг.3 по формулам (1-4). Это видно из кривых 1 и 2 на фиг.4, соответствующих функциям распределения частиц потока жидкости во времени для основного и дополнительного индикаторов. Соответственно практически совпадают дисперсии полученных функций и и критерии Пекле Pe1=1,87 и Рe2=1,88.

Таким образом, при числе оборотов мешалки n=180 об/мин структура потока не зависит от коэффициентов диффузии перемешиваемых веществ и рассчитанные параметры дисперсии и критерии Пекле могут быть взяты за основу при расчетах гидромеханических, тепломассообменных и реакторных процессов.

Предлагаемый способ определения структуры потока жидкости в аппарате позволяет применять его не только для аппаратов с мешалками, но и в аппаратах трубчатых, колонных, шнековых, тарельчатых, насадочных и других, где нет специальных устройств для перемешивания жидкости.

Пример 3

Объем трубки трубчатого реактора в лабораторной установке V=3,6 л, расход воды qν=20 мл/с, то есть среднее время пребывания частиц потока жидкости τ=V/q=180 с.

Диаметр трубки D=0,006 м; высота воды в трубке h=1 м.

Регистрация функций распределения частиц потока во времени и дополнительная регистрация концентрации индикатора на выходе из аппарата проводились так же, как и в примерах 1 и 2. То же касается прибора для регистрации концентрации основного и дополнительного индикаторов в выходном патрубке, имеющих разные коэффициенты диффузии катионов в воде.

На фиг.5 приведены функции распределения частиц потока во времени в размерных координатах для основного индикатора - водного раствора КСl (кривая 1) и дополнительная зависимость концентрации индикатора от времени для дополнительного индикатора - раствора BaCl2 (кривая 2). На фиг.6 приведены результаты нормировки кривых 1 и 2 фиг.5, рассчитанные по формулам (1-4), где кривые 1 и 2 являются соответственно графиками распределения частиц всего потока для основного индикатора - водного раствора КСl с коэффициентом диффузии катионов K+ D1=19,6·10-10 м2/с и для дополнительного индикатора - водного раствора BaCl2 с коэффициентами диффузии катионов Ва+2 D2=7,92·10-10 м2/с.

Как видно из графиков фиг.6, основному и дополнительному индикаторам, имеющим разные коэффициенты диффузии, соответствуют разные функции распределения частиц по времени пребывания и соответственно разные дисперсии и . Разным значениям дисперсии и соответствуют и разные рассчитанные по уравнению (5) критерии Пекле Pe1=27 и Pe2=51,1.

Таким образом, предлагаемый способ определения структуры потока жидкости, когда в качестве дополнительного индикатора, служащего для регистрации концентрации на выходе из аппарата, используют вещество, коэффициент диффузии которого в потоке жидкости отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, позволяет по этой дополнительной зависимости концентрации индикатора от времени судить о влиянии диффузии молекул на их структуру потока, их распределение по времени пребывания, а значит повышает точность физического и математического моделирования, упрощает выбор индикатора для дополнительной регистрации концентрации на выходе из аппарата и расширяет возможности применения предлагаемого способа на все типы аппаратов, а не только аппаратов с мешалками.

Способ определения структуры потока жидкости в аппарате, заключающийся в том, что в аппарат подают основной индикатор, электропроводность которого отличается от электропроводности потока, регистрируют на выходе из аппарата функцию распределения частиц потока во времени и осуществляют дополнительную регистрацию концентрации индикатора на выходе из аппарата после регистрации функции распределения частиц потока во времени путем ввода дополнительного индикатора, отличающийся тем, что в качестве дополнительного индикатора используют вещество, коэффициент диффузии которого в потоке жидкости отличается от коэффициента диффузии основного индикатора, и по зависимости концентрации дополнительного индикатора от времени и функции распределения частиц в потоке во времени определяют дисперсии и числа Пекле, характеризующие структуру потока жидкости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технической физике, а именно к анализу материалов путем бесконтактного фотометрического определения удельного электрического сопротивления (электросопротивления) нагреваемого тела в зависимости от температуры, в частности к определению относительной электропроводности металлов и сплавов в жидком состоянии.

Изобретение относится к приборам для исследования физико-химических свойств металлов и сплавов и может найти применение в физике, физической химии, материаловедении, металлургии легкоплавких металлов.

Изобретение относится к аналитической химии, в частности к способу количественного определения гидрохлорида 5-аминолевулиновой (5-амино-4-оксопентановой) кислоты (АЛК) - эндогенной аминокислоты, являющейся биологическим предшественником порфиринов во всех живых организмах, в том числе и в организме человека, который может быть использован в исследовательской и производственной практике.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может применяться для химического контроля котловой воды современных барабанных энергетических котлов. .

Изобретение относится к области гидрофизических средств измерений и может быть использовано в морских приборах зондирующего и стационарного типа. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для повышения достоверности измерений в кондуктометрии. .

Изобретение относится к регистрации движения (колебания) жидкостей. .

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для определения висмута(III) в технических объектах

Изобретение относится к технической физике, а именно к области контроля параметров влажного пара, и может быть использовано для контроля истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе парогенератора

Изобретение относится к технической биохимии, а именно к определению количества пектиновых веществ в растительном сырье

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для повышения достоверности измерений в кондуктометрии

Измеряют гидробиологические показатели - индекс сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечек. Одновременно измеряют гидрохимические показатели - водородный показатель, химическое потребление кислорода, концентрация растворенного кислорода и электропроводность. Рассчитывают сводный показатель по формулам. Сравнивают полученное значение сводного показателя с данными таблицы 1 и по результатам судят об экологическом состоянии водоема. Изобретение позволяет ускорить определение экологического состояния водоема по гидрохимическим и гидробиологическим показателям. 2 табл., 1 пр.

Готовят 1% стерильный раствор глюкозы на физиологическом растворе, который используют в качестве питательной среды. Подсоединяют к аспиратору марки «Бриз-1» поглотитель Зайцева, в колбе которого помещают 10 мл подготовленного 1%-ного раствора глюкозы. Помещают устройство в исследуемое помещение и включают аспиратор на 15 мин. Микроорганизмы, находящиеся в воздухе, проходят через раствор глюкозы и задерживаются в нем. Помещают раствор в пробирку и термостатируют при 37°С в течение 2 ч. Измеряют электропроводность раствора с помощью датчика KDS-1038. Численность микроорганизмов в воздухе определяют по графику эмпирической зависимости электропроводности раствора от числа микробов, который строят по полученным значениям. Изобретение позволяет сократить время определения численности микроорганизмов в воздухе рабочей зоны до 2 ч 20 мин. 1 ил.

Изобретение может быть использовано в качестве рабочего и эталонного средства измерений. Компаратор согласно изобретению содержит первичный преобразователь температуры и индуктивный первичный преобразователь электрической проводимости с входным и выходным тороидальными трансформаторами, питающий генератор синусоидального напряжения, трансформаторный делитель напряжения, цифровой и аналоговый компенсаторы тока с двухцикловым режимом уравновешивания, электронный блок, сопряженный с компьютером, термостат электронного блока, при этом индуктивная ячейка помещена в активный водяной термостат с фиксированной температурой, выполнена проточной, во внутренней полости которой размещены первичные преобразователи температуры и электрической проводимости. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения солености и температуры пробы морской воды. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для определения свинца(II) в технических объектах. Способ определения свинца заключается в потенциометрическом титровании пробы комплексоном(III) с индикаторным электродом из металлического висмута с буферным раствором при рН 3,5-9,0. Изобретение позволяет определять свинец (II) при содержании 0,14-2,3 мг/мл раствора в электрохимической ячейке с ошибкой единичных определений не более 1%. Результатом является упрощение анализа при использовании нетоксичных материалов. 2 табл., 1 ил.

Настоящее изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для определения меди (II) в технических объектах. Способ определения меди заключается в прямом потенциометрическом титровании комплексоном (III) при рН от 4,1-9,0 с индикаторным электродом из металлического висмута в ацетатном буферном растворе. Изобретение позволяет определять медь (II) при ее содержании 32-660 мкг/мл раствора в электрохимической ячейке с ошибкой единичных определений не более 1%. Результатом является упрощение анализа при использовании нетоксичных материалов. 2 табл., 1 ил., 1 пр.

Способ контроля качества (безопасности) растительных масел и расплавленных жиров, который заключается в том, что измеряют удельную активную электропроводность растительного масла или расплавленного жира при различных частотах электромагнитных колебаний и разных температурах, при этом для контроля качества (безопасности) отбирают пробу исследуемого растительного масла или жира, делят пробу на две части, одну из которых подвергают окислению на воздухе при температурах 100…110°C до перекисного числа 10-12 мэкв/кг активного кислорода, перекисное число масла или жира определяют стандартными методами, затем готовят калибровочный образец растительного масла или расплавленного жира с максимально допустимым для пищевого масла или жира содержанием перекисных соединений (10 мэкв активного кислорода/кг), смешивая в определенных соотношениях по массе исходный и окисленный образец масла или жира, измеряют в полученном калибровочном образце в диапазоне частот от 1 до 200 кГц зависимость удельной активной электропроводности от частоты при двух температурах измерения, по пересечению указанных зависимостей находят характеристическую частоту электромагнитного поля, при которой характеристическая удельная активная электропроводность не зависит от температуры измерения, считают полученные значения характеристической частоты и характеристической удельной активной электропроводности максимально допустимыми нормативными значениями характеристической частоты и характеристической удельной активной электропроводности для данного пищевого масла или жира. Техническим результатом изобретения является разработка оперативного способа контроля снижения качества (безопасности) растительного масла при хранении. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам исследования процессов гидродинамики жидких гомогенных и гетерогенных сред и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод

Наверх