Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздейств. на обрабат. вещества. Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздей. М. А. Промтов машины и аппараты с импульсными энергетическими
 Скачать 2.8 Mb.
|
|
1.1.3 Методы интенсификации ХТП Методы интенсификации ХТП разделяют на комплексные, при которых ХТС рассматривают как единое целое, и декомпозиционные методы, выявляющие и классифицирующие отдельные стадии ХТП или элементы ТО [3]. Декомпозиционные методы можно разделить на две, тесно связанные между собой группы: режим- но-технологические и аппаратурно-конструктивные [3]. Режимно-технологические методы интенси- фикации предполагают изменение технологии производства и режимных параметров ХТП. Аппаратур- но-конструктивные методы требуют изменение конструкции или геометрических параметров ТО. Выделяют также методы пассивные, которые не требуют прямых затрат внешней энергии и актив- ные, которые требуют затрат внешней энергии [15]. Между режимными и конструктивными, активными и пассивными методами нельзя провести чет- кую границу. Пассивные методы также требуют затрат энергии, но энергия расходуется не в явном ви- де. Использование нового для ХТП режимного метода, как правило, сопряжено с определенными изме- нениями ТО с использованием конструктивных методов. В этом случае можно провести аналогию меж- ду режимными и активными, конструктивными и пассивными методами. Многие режимные и конст- руктивные методы связаны между собой, и здесь целесообразно применять комплексный подход в ре- шении задач интенсификации ХТП [1 – 3, 15, 16]. Структура методов интенсификации ХТП при энергетических воздействиях на обрабатываемую среду показана на рис. 1.1. Каждый из методов интенсификации основывается на определенных физико- химических эффектах. Анализируя рис. 1.1, необходимо отметить, что три метода интенсификации предполагают какие- либо периодические процессы, протекающие в ХТС. Наложение колебаний возможно как на элементы ТО, ТАК И НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ. КОЛЕБАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТО ЧАСТО НАЗЫВА- ЮТ ВИБРАЦИЯМИ [17], КОЛЕБАНИЯ В ОБРАБАТЫВАЕМОЙ СРЕДЕ – АКУСТИЧЕСКИМИ КОЛЕБАНИЯМИ ИЛИ ВОЛНАМИ [1]. Метод интенсификации ХТП за счет дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) базируется на полезном использовании физических эффектов, возникающих в парожидкостных средах при бы- стром изменении внешнего давления. Реализация этого метода предполагает существование или создание большого количества пузырьков, равномерно распределенных в жидкой фазе. При резком повышении давления в системе каждый пузырек сжимается, а потом схлопывается, выделяя им- пульс высокого давления в форме сферической ударной волны, или, если вблизи находится жесткая поверхность, образует кумулятивную микроструйку в направлении этой поверхности. В процессе схлопывания пузырька возможна его высокочастотная осцилляция с излучением в окружающую жидкость акустической энергии в ультразвуковом диапазоне. При быстром сбросе внешнего давле- ния возникает эффект взрывного вскипания, сопровождающийся излучением импульса давления большой амплитуды и турбулизацией прилегающих слоев жидкости. Как следствие, в пространстве между пузырьками возникают интенсивные микротечения с высокими мгновенными значениями локальной скорости, ускорения и давления [4, 12, 13]. Множество динамически развивающихся пузырьков можно рассматривать как своего рода микро- трансформаторы, преобразующие аккумулированную в системе потенциальную энергию в кинетиче- скую энергию жидкости, распределенную дискретно в пространстве и во времени. При реализации метода ДИВЭ используется известный принцип ударного воздействия, который лежит, например, в основе работы оптического лазера или в действии направленного взрыва, – медлен- ное накопление сравнительно небольшого количества энергии и реализация ее в течение короткого времени в малой области пространства. Таким образом, за счет одновременного уменьшения простран- ственной и временной области локализации энергии достигается существенно высокое значение удель- ной мощности в зоне обработки. Независимо от способа практической реализации метода ДИВЭ необходимо выполнение следую- щих требований: 1 Скорость трансформирования потенциальной энергии в системе должна превышать скорость ее аккумулирования (V т > V А ). 2 Длительность трансформирования энергии должна быть чрезвычайно короткой, поскольку по- лезная мощность, выделяемая в виде импульса, обратно пропорциональна времени трансформации и прямо пропорциональна величине энергии, аккумулированной за это время ( t E N ≈ ). 3 Энергия в форме импульса должна выделяться одновременно в большом количестве малых ло- кальных зон, равномерно расположенных во всем рабочем объеме аппарата. Первые два условия накладывают жесткие ограничения на скорость изменения внешнего давления или на скорость ввода энергии, которая должна быть максимально высокой. Длительность изменения давления в системе определяется технологическими и конструктивными возможностями используемого оборудования. Длительность трансформирования энергии зависит от свойств самой системы – теплофи- зических характеристик компонентов, режимных параметров и концентрации пузырьков. 1.1.4 Эффективность пульсационных методов интенсификации ХТП Рассматривая методы энергетического воздействия и формы организации ХТП, необходимо отметить, что наименьшие энергетические затраты при реализации воздействия будут при пульса- ционной (импульсной) форме реализации процесса. Приведем несколько доказательств подтверждения эффективности пульсационной формы орга- низации химико-технологических про- цессов. Если входящие в уравнение массопереноса величины { } C S M X , , , β = представить как сумму осредненных на отрезке времени t составляющих X и отклонений от них X ∆ [12, 13]: ( ) ∫ ∆ = ∆ + = t Xdt t X t X X X 1 , , (1.12) то после осреднения получаем ( ) ( ) ( ) ( ) C S S C C S C S C S M ∆ ∆ β ∆ + ∆ β ∆ + ∆ β ∆ + ∆ ∆ β + β = . (1.13) Знак черты означает осреднение по времени, ∆ – макроотклонение от среднего значения. При стационарной организации процесса, его производительность определяется первым слагаемым правой части, так как все остальные слагаемые будут равны нулю. Пульсационная форма организации ХТП способствует перераспределению и концентрации энергии в пространстве и времени, видовой трансформации воздействий (механического в тепловое, акустического в механическое и т.д.), повыше- нию производительности за счет формальной пульсационной организации процесса [13, 18]. Пульсационная форма организации ХТП способствует оптимизации концентрации энергии в ХТС. Удельная энергия i-й фазы и всей ХТС определяется тремя составляющими: внутренней энергией U , кинетической энергией макродвижения k E и кинетической энергией пульсационного движения n E [19]: n k E E U E + + = Для двухфазной системы: 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 ; ; V m V m E E E E U U U k n n n ρ + ρ = ρ ρ + ρ = ρ ρ + ρ = ρ . (1.14) Таким образом, анализируя уравнения (1.14) можно сделать вывод, что общая удельная энергия для соответствующей фазы и для всей ХТС больше для импульсного потока, чем для стационарного. Ин- тенсивность ХТП во многом определятся энергетическим потенциалом ХТС. 1.2 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ 1.2.1 Основные понятия Под воздействием на обрабатываемую среду (физико-химическую систему) будем понимать направленное проявление сил различных физических полей: механических, электрических, магнит- ных, тепловых, акустических и радиационных (сводка основных воздействий и их результатов дана в табл. 1.1). Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект, которым может быть от- дельный элемент или совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную систе- му. Результаты воздействия – это физико-химические эффекты (ФХЭ), проявляющиеся в элементах системы, на которые направлены определенные воздействия. Различают такие виды воздействий, как: акустические, электрические, магнитные, тепловые, механические, радиационные, химические. Некоторые из этих воздействий взаимосвязаны друг с другом, например, электрические и магнитные воздействия. 1.1 Классификация энергетических воздействий на ХТП Виды воздейст- вий Факторы воздейст- вий Физико- химические эффекты Результаты воздействия Механиче- ские Удар, сдвиг, сжатие, растяжение, вибрация, формирова- ние потоков с опреде- ленной тра- екторией, скоростью и ускорением Гидроудар, турбулент- ность, эффект Кармана, трибоэффект, эффект Рей- нольдса, ав- токолебания, активация, накопление дефектов структуры, концентрация напряжений Пульсации давления и скорости потока жидкости, трансформация кинетической энергии в потенциальную и др., энерге- тическая накачка Акустиче- ские Упругие и квазиупру- гие колеба- ния в жид- кости Акустические волны, аку- стическая турбулент- ность, кави- тация, куму- лятивный эффект, зву- кохимические реакции, ре- зонанс, рас- клинивающее давление, автоколеба- ния, капил- лярный эф- фект Пульсации давления, кумулятивный удар, изменение физико- химических свойств, актива- ция, трансфор- мация акустиче- ской энергии в механическую, сонолиз Электриче- ские Электриче- ские поля различной структуры Электросепа- рация, элек- трофорез, электроосмос, эффект Ют- кина, элек- трокоагуля- ция, электро- химические эффекты, электрона- грев Изменение фи- зико- химических параметров, трансформация электроэнергии в механическую, тепловую, элек- трическую, хи- мическую и др. энергии ПРОДОЛЖЕНИЕ ТАБЛ. 1.1 Виды воздейст- вий Факторы воздейст- вий Физико- химические эффекты Результаты воздействия Магнитные Магнитные поля раз- личной структуры Эффект Риги- Ледюка, маг- нитосепара- ция, магнито- гидродина- мический эффект, маг- нитохимиче- ские эффекты Изменение фи- зико- химических параметров, трансформация магнитной энер- гии в механиче- скую, тепловую, электрическую и др. энергии Тепловые Нагрев, ох- лаждение (тепловые потоки) Теплопереда- ча, теплопро- водность, тепловое из- лучение, кон- векция, эф- фект Соре, эффект Ма- рангони, тер- моэффекты Кипение, кон- денсация, фазо- вые переходы, инверсия фаз, изменение фи- зико- химических параметров, трансформация тепловой энер- гии в механиче- скую, радиаци- онную и др. Световые и радиацион- ные Электро- магнитные волны, ин- фракрасное, световое, ультрафио- летовое, рентгенов- ское, γ- излучение Ионизация, энергетиче- ская накачка, фотохимиче- ские реакции, возбуждение молекул Изменение фи- зико- химических свойств вещест- ва, активация, излучение, трансформация энергии излуче- ния в тепловую и др. ВСЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ВЕЩЕСТВА, МОЖНО РАЗДЕЛИТЬ НА ЧЕТЫРЕ ИЕРАРХИЧЕСКИХ УРОВНЯ [2]: 1) СОВОКУПНОСТЬ ЯВЛЕНИЙ НА АТОМАРНО-МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ; ЭФФЕК- ТЫ В МАСШТАБЕ НАДМОЛЕКУЛЯРНЫХ ИЛИ ГЛОБУЛЯРНЫХ СТРУКТУР; 2) МНОЖЕСТВО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ДВИЖЕНИЕМ ЕДИНИЧНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ, С УЧЕТОМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ЯВЛЕНИЙ МЕЖФАЗНОГО ЭНЕРГО- И МАССОПЕРЕНОСА; 3) ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АНСАМБЛЕ ВКЛЮЧЕНИЙ, ПЕРЕМЕЩАЮ- ЩИХСЯ СТЕСНЕННЫМ ОБРАЗОМ В ПОТОКЕ ОСНОВНОЙ ФАЗЫ; 4) СОВОКУПНОСТЬ ПРОЦЕССОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ МАКРОГИДРОДИНАМИЧЕ- СКУЮ ОБСТАНОВКУ В МАСШТАБЕ АППАРАТА. При энергетическом воздействии на обрабатываемую среду протекают различные физико- химические процессы, сопровождающиеся какими-либо эффектами. Результаты воздействия – это эффекты, проявляющиеся в жидкости, газе, твердых телах или в гетерогенной смеси. При постоян- стве условий, вида воздействия и свойств обрабатываемой среды проявляются одни и те же резуль- таты воздействия. 1.2.2 Виды энергетических воздействий Акустическое воздействие Акустическое воздействие представляет собой распространение в обрабатываемой среде упругих или квазиупругих колебаний [1]. Акустические колебания различают на инфразвуковые (частота f < 20 Гц), зву- ковые (20 Гц ≤ f ≤ 20·10 3 Гц), ультразвуковые (20·10 3 Гц < f ≤ 20·10 8 Гц), гиперзвуковые (f > 20·10 8 Гц). Для применения в промышленности наиболее часто используются колебания с частотами звукового и ульт- развукового диапазонов. В гидромеханических процессах акустические волны интенсифицируют такие процессы как: от- стаивание, флотация, осаждение, диспергирование, эмульгирование, перемешивание, пеногашение, де- газация. В тепловых процессах – нагревание, охлаждение, выпаривание, испарение, горение. В массо- обменных процессах – кристаллизацию, сушку, растворение, набухание, абсорбцию, адсорбцию, экс- тракцию, выщелачивание. В механических процессах – экструдирование, литье, формование, дисперги- рование [20]. В зависимости от заложенного в принцип работы физического эффекта, различают следующие виды акустических излучателей: пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, гид- родинамические [1, 20 – 27]. Акустическое воздействие вызывает такие физико-химические эффекты как: 1) акустические волны – периодическое изменение давления в каждой точке жидкости; 2) акустическая турбулентность – пульсации скорости и давления жидкости при ее течении за счет акустического давления; 3) кавитация – разрыв сплошности жидкости под действием растягивающих напряжений, приво- дящих к образованию пузырьков, наполненных газом и паром; 4) кумулятивный эффект – усиленное в определенном направлении импульсное динамическое воз- действие, например, схлопывание кавитационного пузырька с выбросом в определенном направлении микроструйки жидкости; 5) звукохимические реакции – химические превращения вещества под действием акустического поля (сонолиз); 6) резонанс – возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты вынужден- ных колебаний с собственной частотой колебательной системы. При акустическом воздействии происходит инициирование других воздействий – механического, теплового, химического. Электрическое воздействие Электрическое воздействие осуществляется за счет электрических полей различной структуры: по- стоянные (однородные и неоднородные); переменные (бегущие); скрещивающиеся (электрические и магнитные) [28]. ХТП с использованием электрических полей можно разделить на процессы, которые осуществляются только за счет электрического поля (электродиализ, электроосмос и т.д.), и процессы, которые интенсифицируются электрическим полем (сушка, экстракция, кристаллизация и т.п.). Электрические (электромагнитные) поля характеризуются частотой (промышленные частоты – 50 Гц, 60 Гц; поле токов высокой частоты – до 300 МГц; поля токов сверхвысокой частоты – от 0,3 до 30 ГГц), напряжением или силой тока, длительностью воздействия. Электрическое поле воздействует на дипольные молекулы жидкостей и газов. При этом возникают пондеромоторные силы, вызванные наложением полей, поляризационные заряды, направление которых обусловлено разностью диэлектрической проницаемости среды. Эти силы изменяют поверхностное на- тяжение жидкостей [29 – 31]. Протекание электрического тока через электролиты приводит к электро- лизу. В коллоидных системах и капиллярно-пористых телах наблюдаются такие процессы, как электро- форез, электроосмос, электродиализ, электрокоагуляция, ионофорез и др. [28]. Воздействие электриче- ского тока на проводящие среды вызывает их нагрев за счет выделения тепла и пробой при высоких на- пряжениях [31]. Таким образом, электрическое поле в обрабатываемой среде вызывает следующие физико- химические эффекты: 1) электросепарация – разделение гетерогенной среды за счет разности электропроводности фаз; 2) электрофорез – перенос частиц в электрическом поле вследствие наличия разноименных зарядов у твердой и жидкой фаз; 3) электроосмос – перемещение жидкости вдоль стенок капилляра под действием приложенной ЭДС; 4) эффект Юткина (электрогидравлический удар) – генерация ударных волн в жидкости при ее электрическом пробое [32]; 5) электрокоагуляция – процесс сближения и укрупнения взвешенных в жидкости или газе частиц под действием электрического поля; 6) электрохимические эффекты – химические превращения под действием электрического тока (электролиз); 7) электронагрев – выделение тепла за счет прохождения через обрабатываемую среду электриче- ского тока. При электрическом воздействии на жидкость возможно его преобразование в механическое, тепло- вое, химическое, акустическое, магнитное и радиационное воздействия. Магнитное воздействие Магнитное воздействие аналогично электрическому. Действие магнитного поля вызывает уменьшение электрической проводимости, возрастание плотности, вязкости, поверхностного натя- жения, диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости [33 – 35]. Под действием магнитного поля меняются свойства воды и водных растворов [34]. Магнитное воздействие являет- ся, в основном, оптимизирующим для ХТП и вызывает относительное движение фаз в обрабаты- ваемой среде. Если дисперсной фазой являются ферромагнитные частицы, то они движутся за счет силы Гуи и возможна их агрегация. Если дисперсная фаза – газовые пузырьки, то происходит их взаимодействие с ионами, что вызывает их коагуляцию, всплытие, дегазацию. Если дисперсная фа- за – неферромагнитные частицы, то изменяется условие их движения [33]. Магнитное поле вызывает такие эффекты, как: 1) эффект Риги-Ледюка – увеличение теплопроводности среды в магнитном поле; 2) магнитосепарация – разделение гетерогенной среды за счет разности магнитопроизводности фаз; 3) магнитогидродинамический эффект – возникновение электрического тока в замкнутой цепи при движении электропроводной жидкости в магнитном поле; 4) магнитофизикохимические эффекты – изменение свойств обрабатываемой среды за счет омагничивания. Тепловое воздействие Тепловое воздействие на обрабатываемую среду осуществляется, как правило, за счет передачи те- плоты от теплоносителя. Теплоноситель может быть подведен как через разделяющую стенку, так и не- посредственно в жидкость или газ. Нагревание жидкости может быть также произведено за счет других видов воздействий – акустического, механического, электромагнитного и радиационного. Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты, называют тепло- выми. Тепловой процесс может быть реализован как нагреванием, так и охлаждением. Перенос теплоты является сложным процессом, поэтому при исследовании тепловых процессов их разделяют на более простые явления [36]. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, те- пловое излучение и конвекция. При теплопроводности перенос теплоты происходит путем непосредст- венного соприкосновения между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами). Явление теп- лового излучения – это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Конвекция состоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов фазы. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Тепловое воздействие на вещества вызывает следующие эффекты: 1) кипение – образование парогазовых пузырьков в жидкости; 2) фазовый переход – изменение фазового состояния вещества; 3) инверсия фаз – переход дисперсной фазы в сплошную и наоборот (при концентрациях фаз, близ- ких к предельным); 4) эффект Соре (термическая диффузия) – перенос вещества за счет теплопроводности; 5) термоэффекты – изменение физико-химических свойств веществ за счет нагревания или охлаждения; 6) эффект Марангони – непостоянство коэффициента поверхностного натяжения в зависимости от температуры или концентрации вещества; 7) структурообразование – формирование регулярных структур за счет тепловых потоков (напри- мер, ячейки Бенара). Механическое воздействие Под механическим воздействием будем понимать непосредственно механическое воздействие твердых тел на обрабатываемую среду и в ней содержащиеся частицы. Наряду с тепловыми, элек- трическими, акустическими и другими видами энергетических воздействий, механическое воздей- ствие на вещества может считаться эффективным средством повышения активности веществ, уско- ряя химические и массообменные процессы [37]. Механическая активация – это процесс поглоще- ния веществом части подводимой механической энергии, которая, накапливаясь в веществе, меняет его свойства и стимулирует физико-химические процессы. Наиболее эффективна механическая ак- тивация за счет свободного удара (в том числе гидравлического) и напряжений трения. Механические воздействия делятся на три класса: − линейные перегрузки; − вибрационные воздействия; − ударные воздействия. Линейными перегрузками называют кинематические воздействия, возникающие при ускоренном движении источника колебаний. Например, в транспортных машинах при изменении скорости и уско- рения. Вибрационные воздействия являются колебательными процессами. Вибрационные воздействия де- лятся на стационарные, нестационарные и случайные. Простейшим видом стационарного вибрационно- го воздействия является гармоническое воздействие. Высокочастотные вибрационные воздействия могут передаваться объекту не только через элементы механических соединений его с источником, но и через окружающую среду (воздух, воду). Такие воз- действия называются акустическими. Случайные вибрационные возбуждения не являются полностью предсказуемыми как гармоническое или полигармоническое воздействия. Стохастический сигнал не может быть представлен графически наперед заданным, так как он обусловлен процессом, содержащим элемент случайности. Ударными называют кратковременные механические воздействия, в которых максимальные значе- ния сил являются весьма большими. Функцию, выражающую зависимость силы, момента силы или ус- корения при ударе от времени, называют формой удара. Основными характеристиками формы являются длительность удара и его амплитуда. Механическое воздействие вызывает такие физико-химические эффекты, как: 1) турбулентность – интенсивное перемешивание жидкости, пульсации скорости и давления в жидкости при ее течении; 2) гидроудар – результат резкого изменения давления в жидкости, вызванный изменением скорости ее течения; 3) эффект Кармана (вихреобразование) – периодический срыв вихрей при обтекании тела потоком жидкости; 4) трибоэффект – преобразование механической энергии в тепловую при относительном движе- нии тел и фаз; 5) эффект Рейнольдса – увеличение тепломассоотдачи за счет увеличения скорости потока; 6) автоколебания – возникновение колебаний в системе за счет преобразования энергии постоянно- го движения в колебательную. Радиационное воздействие Радиационное воздействие на обрабатываемую среду осуществляется электромагнитными волнами длинами менее 10 мм и потоками частиц больших энергий. К радиационному воздействию относится также оптическое воздействие. Указанный спектр волн включает в себя электромагнитные волны, на- чиная с частоты 10 10 Гц, инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой области и рентгеновского излуче- ния, заканчивая гамма-излучением с частотой 10 19 Гц [1]. В этом диапазоне свет проявляет как корпускулярные, так и волновые свойства. Радиационное воз- действие включает как электромагнитное (рентгеновское и γ-излучение), так и корпускулярное излуче- ние (ускоренные электроны, быстрые заряженные частицы). Источниками радиационного воздействия служат радиоактивные изотопы и специальные ускорители частиц. Эффект от радиационного воздействия зависит от длины волны и от типа радиационного воздейст- вия. Длинноволновое излучение вызывает в основном нагрев обрабатываемых веществ, а коротковол- новая часть спектра может вызвать фотохимические реакции. Потоки заряженных частиц производят ионизацию и возбуждение молекул облучаемого вещества при столкновениях, а при облучении ней- тральными частицами или фотонами, в основном, первоначально образуются заряженные частицы, ко- торые осуществляют ионизацию и возбуждение молекул. Для количественной оценки воздействия иони- зирующего излучателя на вещество используют ряд специальных характеристик [38, 39]. Химическое воздействие Химическое воздействие на обрабатываемую среду осуществляется за счет внесения веществ или прохождения обрабатываемой среды через вещества, которые вызывают изменение ее физико- химических свойств, инициируют или ускоряют химические реакции (катализаторы), вступают в хими- ческое взаимодействие с самой обрабатываемой средой или с ее компонентами. Химическое воздейст- вие относится к сфере фундаментальных химических наук и более детальное рассмотрение механизма этого вида воздействия здесь нецелесообразно. Таким образом, можно сделать вывод, что механическое, акустическое, электрическое, магнитное, тепловое и радиационное воздействия существенным образом влияют на процессы в обрабатываемой среде, инициируя различные физико-химические эффекты и изменяя физико-химические свойства фаз и содержащихся в них включений. Перечисленные воздействия принято называть энергетическими, так как их реализация приводит к изменению энергетического состояния обрабатываемой среды. Воздейст- вуя на обрабатываемую среду за счет одного вида воздействий, возможна трансформация его в другой вид воздействия как полностью, так и частично. Все виды воздействий взаимосвязаны друг с другом, и реализовать какой-то вид воздействия в чистом виде практически невозможно. 1.2.3 Закономерности энергетических воздействий АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ФХЭ, ПРОЯВЛЯЮЩИХСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭТИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ПОЗВОЛИЛ ВЫЯВИТЬ СЛЕДУЮЩИЕ ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ [10]: 1 ПРИ ОДНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА СИСТЕМУ МОЖЕТ ПРОЯВЛЯТЬСЯ НЕСКОЛЬКО РЕЗУЛЬТАТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ. ИХ ЧИСЛО ЗАВИСИТ ОТ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ. ЧЕМ БОЛЕЕ СЛОЖНА ПО СВОЕЙ СТРУКТУРЕ СИСТЕМА, ТЕМ БОЛЬШЕЕ ЧИСЛО РЕЗУЛЬТА- ТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ В НЕЙ ПРОЯВЛЯЕТСЯ. ИЗМЕНЯЯ ЧИСЛО И СОСТАВ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ПРИ ЗАДАННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ, МОЖНО ПОЛУЧАТЬ НЕОБ- ХОДИМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ. ИЗМЕНЯЯ ВИД ВОЗДЕЙСТВИЯ И КОМБИНИ- РУЯ МЕЖДУ СОБОЙ РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ТАКЖЕ МОЖНО ПОЛУЧИТЬ НЕОБХОДИМЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ВОЗДЕЙСТВИЯ. ПОСКОЛЬКУ ОТ ОДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МОГУТ ПРОЯВЛЯТЬСЯ ФХЭ НА РАЗНЫХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ УРОВНЯХ СИСТЕМЫ, ТО ВОЗНИКАЮТ ВНУТРЕННИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ, А РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТ- ВИЯ, КАК ПРАВИЛО, КОРРЕЛИРУЮТ С ВНУТРЕННИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ. 2 НА ОДНУ СИСТЕМУ МОЖЕТ БЫТЬ ОКАЗАНО НЕСКОЛЬКО ВОЗДЕЙСТВИЙ. ИХ МОЖНО РАЗДЕЛИТЬ НА ОСНОВНЫЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ. ОСНОВНЫМ ВОЗДЕЙСТ- ВИЕМ НА СИСТЕМУ ЯВЛЯЕТСЯ ТАКОЕ ЦЕЛЕВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, РЕЗУЛЬТАТ КОТО- РОГО ВЫЗЫВАЕТ ГЛАВНЫЙ И НЕОБХОДИМЫЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ. ДО- ПОЛНИТЕЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ – ТАКОЕ, КОТОРОЕ ПРИВОДИТ ЛИШЬ К КОЛИЧЕСТ- ВЕННОМУ ИЗМЕНЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТА, ПОЛУЧАЕМОГО ОТ ОСНОВНОГО ВОЗДЕЙСТ- ВИЯ. 3 В ОДНОЙ СИСТЕМЕ МОГУТ ПРОЯВЛЯТЬСЯ НЕСКОЛЬКО ФХЭ. ЕСЛИ КАКОЕ- ЛИБО ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРИВОДИТ К НОВОМУ РЕЗУЛЬТАТУ ВОЗДЕЙСТВИЯ, ТО В СИС- ТЕМЕ ПРОЯВЛЯЮТСЯ ДВА ИЛИ БОЛЕЕ РАЗЛИЧНЫХ ФХЭ. ЛЮБЫЕ ДВА ИЛИ БОЛЕЕ ФХЭ, ПРОЯВЛЯЮЩИЕСЯ В ОДНОЙ СИСТЕМЕ, ОКАЗЫВАЮТ ВЛИЯНИЕ ДРУГ НА ДРУГА. 4 РЕЗУЛЬТАТ ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕГУЛИРУЕТСЯ И ОБУСЛОВЛИВАЕТСЯ СЛЕДУЮ- ЩИМИ ФАКТОРАМИ: КОЛИЧЕСТВЕННЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ; ВВЕДЕ- НИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ; ВВЕДЕНИЕМ ЕЩЕ ОДНОГО ОСНОВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ; ИЗМЕНЕНИЕМ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ; ИЗМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ. 5 ПРИ ПОСТОЯНСТВЕ УСЛОВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЙ И СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ПРОЯВ- ЛЯЮТСЯ ОДНИ И ТЕ ЖЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ, ОДНИ И ТЕ ЖЕ ЗНАЧЕНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ. СОСТАВИМ СХЕМУ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБРАБАТЫ- ВАЕМУЮ СРЕДУ (РИС. 1.2). ОСНОВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ГЕНЕРИРУЕТСЯ СПЕЦИАЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫМ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КОНКРЕТНОГО ВИДА ВОЗДЕЙСТВИЙ (АКУСТИЧЕСКОГО, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И Т.П.). ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ – ЭТО ВОЗДЕЙСТВИЕ, КОТОРОЕ МОЖЕТ ГЕНЕРИРОВАТЬСЯ СПЕЦИ- АЛЬНО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ОСНОВНОГО ИЛИ ЯВЛЯЕТСЯ ПОБОЧНЫМ ПРИ РАБОТЕ УСТ- РОЙСТВА (АППАРАТА) ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ОСНОВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ. НАПРИ- МЕР, ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ТЕПЛО- ВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗА СЧЕТ НАГРЕВА РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗЛУЧАТЕЛЯ. КАЖДОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ (ОСНОВНОЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ) НЕОБХОДИМО ВЫДЕРЖИВАТЬ В ОПРЕДЕЛЕННЫХ ПАРАМЕТРАХ (ОПТИМИЗАЦИЯ) НАИБОЛЕЕ БЛАГОПРИЯТНЫХ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХТП. ОПТИМИЗАЦИЮ НЕОБХОДИМО ПРОВОДИТЬ КАК ДЛЯ КО- ЛИЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ТАК И ПО ВИДАМ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ. В ПРОЦЕССЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЗМОЖНЫ ИЗМЕ- НЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ, И ПОЭТОМУ КРОМЕ ОПТИМИЗАЦИИ НЕОБХОДИМО ПРЕДУ- СМОТРЕТЬ УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ВОЗДЕЙСТВИЙ: КАКОЕ ИЗ ВОЗДЕЙСТВИЙ ВЫБРАТЬ ЗА ОСНОВНОЕ, КАКОЕ ЗА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ, КАК ВЫБРАТЬ ИХ ПАРАМЕТ- РЫ, И КАК ИЗБЕЖАТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕНУЖНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ. ОБРАБАТЫВАЕМАЯ СРЕДА НАХОДИТСЯ ИЛИ ПРОХОДИТ ЧЕРЕЗ ТО, В КОТОРОМ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ХТП. ПОТОКИ И ОБЪЕМ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ СРЕДЫ ОГРАНИЧЕ- НЫ И НАПРАВЛЯЮТСЯ КОНСТРУКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ АППАРАТА. ДЛЯ ТОГО, ЧТОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХТП ЗА СЧЕТ КАКИХ-ЛИБО ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ БЫЛА МАКСИМАЛЬНОЙ, НЕОБХОДИМА ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТО. В СВОЮ ОЧЕРЕДЬ, ХТП ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ ОПРЕДЕЛЕННЫМИ РЕЖИМНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТ- РАМИ, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО ОПТИМИЗИРОВАТЬ И ПОСТОЯННО ПОДДЕРЖИВАТЬ НА ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ ЗА СЧЕТ УПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ. СВОДКА ХА- РАКТЕРИСТИК ХТП ДЛЯ РЯДА ПРОЦЕССОВ ДАНА В ТАБЛ. 1.2. ВОЗДЕЙСТВИЯ, НАЛОЖЕННЫЕ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ, ВЫЗЫВАЮТ В НЕЙ РАЗЛИЧНЫЕ ФХЭ, КОТОРЫЕ ИЗМЕНЯЮТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ, ЕЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ. НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫМ БУДЕТ ВОЗДЕЙСТВИЕ, СКОНЦЕНТРИРОВАННОЕ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ТОЧКАХ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА. ЧАСТО ИМИ ЯВЛЯЮТСЯ МЕЖФАЗНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ, ДЕФЕКТЫ СТРУК- ТУРЫ, ДИСЛОКАЦИИ, ВНУТРЕННИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ (КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭНЕРГЕ- ТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ). ТАКОВЫ, НАПРИМЕР, ЦЕНТРЫ- ЗАРОДЫШИ ТУРБУЛЕНТНЫХ ВИХРЕЙ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ (КОНДЕНСА- ЦИИ/КИПЕНИЯ, КРИСТАЛЛИЗАЦИИ/ПЛАВЛЕНИЯ И ПР.). ВОЗДЕЙСТВИЕ ДОЛЖНО БЫТЬ СКОНЦЕНТРИРОВАННЫМ, ОТДАВАТЬ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ ЗА МАЛЫЙ ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ (КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭНЕР- ГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВО ВРЕМЕНИ). ЭТИ ДВА ПРИНЦИПА РЕАЛИЗОВАНЫ В КОНЦЕПЦИИ ДИСКРЕТНО-ИМПУЛЬСНОГО ВВОДА ЭНЕРГИИ [12, 13]. ПРОСТРАНСТ- ВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ПОЗВОЛЯЕТ ПОЛУЧИТЬ БОЛЬШУЮ МОЩ- НОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, СОВЕРШИТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ НАКАЧ- КУ (ОСОБЕННО В РЕЖИМЕ РЕЗОНАНСА), ВЫСВОБОДИТЬ ВНУТРЕННЮЮ ЭНЕРГИЮ ВЕЩЕСТВА, ИНИЦИИРОВАТЬ МНОГОЧИСЛЕННЫЕ КВАНТОВЫЕ, КАТАЛИТИЧЕСКИЕ, ЦЕПНЫЕ, САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ, ЛАВИНООБРАЗНЫЕ И ДРУГИЕ ЭНЕРГОНАСЫЩЕН- НЫЕ ПРОЦЕССЫ [1, 10, 14, 15, 21, 32 – 42, 50, 51]. КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФХЭ ЗАВИСЯТ ОТ ВИДА ВОЗДЕЙСТВИЯ, КОМБИНАЦИИ ВОЗДЕЙСТВИЙ, ИХ ПАРАМЕТРОВ. ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИВОДЯТ К ИЗМЕНЕНИЮ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И КАЧЕСТ- ВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ХТП. ЕСЛИ ВИД ОСНОВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, ЕГО КОМБИНА- ЦИЯ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ БЫЛИ ВЫБРАНЫ ПРАВИЛЬНО, ТО ПРО- ИСХОДИТ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХТП. СТЕПЕНЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХТП ЗАВИСИТ ОТ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ КАЖДОГО ВИДА ВОЗДЕЙСТВИЙ. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, В СВОЮ ОЧЕРЕДЬ, ТРАНСФОРМИРУЮТ ОДИН ВИД ВОЗДЕЙСТВИЯ В ДРУГОЙ, КОТОРЫЙ ТАКЖЕ ДЕЙСТВУЕТ НА ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ. В КАЧЕСТВЕ ПРИМЕРА МОЖНО ПРИВЕСТИ АКУСТИЧЕ- СКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, КОТОРОЕ ВЫЗЫВАЕТ В ЖИДКОСТИ КАВИТАЦИЮ. КАВИТАЦИ- ОННЫЕ ПУЗЫРЬКИ ПРИ СХЛОПЫВАНИИ ВЫБРАСЫВАЮТ КУМУЛЯТИВНЫЕ СТРУЙКИ, ПРОИЗВОДЯ МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА КОМПОНЕНТЫ ГЕТЕРОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ. ПРАКТИЧЕСКИ ВСЕГДА, ПРИ ЛЮБОМ ВИДЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ ПРОИСХОДИТ ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА, Т.Е. ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИМИ ЭФФЕКТАМИ ЧАСТО НЕВОЗМОЖНО. ОБЫЧНО ВОЗМОЖНО ТОЛЬКО ОПОСРЕДОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ КОНСТРУКТИВНЫЕ И РЕЖИМНЫЕ ПАРА- МЕТРЫ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ВХОДНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ. ВХОДНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ (ОСНОВНЫЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ), КОНСТРУКТИВНЫЕ И РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ХТС, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И ИХ ВТОРИЧНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СУММИРУЮТСЯ В РЕЗУЛЬТАТАХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И УПРАВЛЕНИЯ ПА- РАМЕТРАМИ ХТС. РЕЗУЛЬТАТЫ ВОЗДЕЙСТВИЙ ТАКЖЕ МОЖНО РАЗБИТЬ НА ОСНОВ- НЫЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ. ОСНОВНЫЕ – ЭТО ТЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, КОТОРЫЕ ПЛАНИРО- ВАЛОСЬ ПОЛУЧИТЬ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, ДОПОЛ- НИТЕЛЬНЫЕ – РЕЗУЛЬТАТЫ, КОТОРЫЕ СОПУТСТВУЮТ ОСНОВНЫМ И МОГУТ БЫТЬ КАК ПОЛЕЗНЫМИ, ТАК И НЕЙТРАЛЬНЫМИ И ДАЖЕ ВРЕДНЫМИ. ТИПИЧНЫМ ПРИМЕ- РОМ ЯВЛЯЕТСЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ, КОТОРОЕ ПРОИСХОДИТ В РЕЗУЛЬТАТЕ МНОГИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И МОЖЕТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНО КАК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ИЛИ ВТО- РИЧНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ. СОВОКУПНОСТЬ ОСНОВНЫХ, ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ И ВТОРИЧНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ СОСТАВЛЯЕТ СИСТЕМУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ. ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР, ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ ОПРЕДЕЛЯЮТ СТЕПЕНЬ ИНТЕНСИ- ФИКАЦИИ ХТП. ГЛАВНЫМ ОБЪЕКТОМ АНАЛИЗА ПРИ ПОИСКЕ ИНТЕНСИФИЦИРУЮ- ЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЯВЛЯЕТСЯ НЕ САМ ПРОЦЕСС, А ЕГО МЕХАНИЗМ. ЧЕМ БОЛЕЕ ПОДРОБНО ОБЩИЙ МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА БУДЕТ РАСЧЛЕНЕН НА ЧАСТНЫЕ ЯВЛЕ- НИЯ И ДЕТАЛИ, ТЕМ БОЛЕЕ ТОЧНО МОЖЕТ БЫТЬ УСТАНОВЛЕНО ЛИМИТИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО МЕХАНИЗМА И БОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНО ВЫБРАНО СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ЭТОМУ ЗВЕНУ ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ. 1.3. Методика интенсификации ХТП импульсными энергетическими воздействиями 1.3.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХТП Методика интенсификации ХТП при импульсных энергетических воздействиях базируется на си- нергетическом подходе. Синергетичность означает совместные, кооперативные действия, дающие но- вый качественный эффект [43]. Интенсификация ХТП в обрабатываемой среде происходит за счет не- линейных физико-химических эффектов при синергетическом многофакторном воздействии. Само воз- действие на обрабатываемую среду может быть линейным, прямым, но ускорение ХТП происходит за счет нелинейных эффектов второго порядка, например, кавитации, турбулентности, фазовых переходов. В качестве иллюстрации этого положения рассмотрим процесс растворения твердых частиц при те- чении потока жидкости в трубе. При увеличении перепада давления скорость ламинарного потока возрастает линейно, и скорость растворения частиц также возрастает по линейному закону. При дос- тижении скорости потока гетерогенной жидкости некоторого критического значения, происходит пе- реход к турбулентному режиму течения, что резко ускоряет процесс растворения. Эффективность со- вместных парных взаимодействий основного, дополнительного и вторичного воздействий для ряда процессов показана в табл. 1.3. 1.3 СОВМЕСТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ОЦЕНКА ИХ РЕ- ЗУЛЬТИРУЮЩЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ ХТП РАСТВОРЕНИЯ, ЭМУЛЬГИРОВАНИЯ, ДИСПЕР- ГИРОВАНИЯ, ЭКСТРАГИРОВАНИЯ Растворение Дополнительные и вторичные Воздействия А Э Мг Мх Т Р А + ++ + + + + Э ++ + + + ++ + Мг + ++ + + + + Мх + + + + + + Т + ++ + + + + Основное Р + + + + ++ + Эмульгирование Дополнительные и вторичные Воздействия А Э Мг Мх Т Р А + – – ++ + + Э + + – + + + Мг + – + + + + Мх ++ – – + + + Т + – – + + + Основное Р + – – + + + Диспергирование Дополнительные и вторичные Воздействия А Э Мг Мх Т Р А + + + + + + Э + + + + + + Мг + + + + + + Мх + + – + + + Т + + + + + + Основное Р + + + + + + Экстрагирование Дополнительные и вторичные Воздействия А Э Мг Мх Т Р А + ++ + ++ + + Э ++ + + + ++ + Мг + + + + + + Мх ++ ++ + + ++ + Т + + + + + + Основное Р + + + + + + П р и м е ч а н и е . «++» – синергетический эффект; «+» – аддитивный эффект; «–» – антагонистический эф- фект; воздействия: А – акустические; Э – электрические; Мг – магнитные; Мх – механические; Т – тепловые; Р – радиационные. Аддитивные эффекты парных взаимодействий соответствуют процессам и явлениям, которые ха- рактерны для линейной теории термодинамики необратимых процессов. Синергетические и антагони- стические эффекты выражают нелинейность процессов, протекающих в обрабатываемой среде при энергетическом воздействии и для их описания необходимо базироваться на принципах нелинейной теории термодинамики необратимых процессов [44]. Энергетические воздействия предполагают не только парные комбинации, а также тройные и более. Прогнозируемыми являются аддитивные эффекты. Для синергетических и антагонистических эффек- тов, в силу их нелинейности, анализ и прогнозирование результатов воздействий является принципи- ально сложным, количество вариантов сочетаний синергетических и антагонистических эффектов вели- ко. Следующий принцип, на котором базируется методика интенсификации ХТП при импульсных энергетических воздействиях – это принцип концентрационной избирательности, который предпо- лагает, что для интенсификации ХТП необходима концентрация энергетического воздействия на обрабатываемую среду в нужном месте и в нужное время. Так, например, для интенсификации про- цесса диспергирования необходимо приложение нагрузки (воздействия) в месте дислокации, дефек- те структуры в момент, когда произошло достаточное накопление дефектов структуры частицы. Наименьшие энергетические затраты при реализации энергетического воздействия будут при пульсационной (импульсной) форме реализации (принцип дискретности) [12, 13, 18, 45]. Многие воздействия реализуются только в пульсационной форме. Практически все физико-химические про- цессы, которые традиционно считаются стационарными, при более детальном изучении имеют пульсационную составляющую на низком или высоком иерархическом системном уровне. Такие процессы как диспергирование и эмульгирование осуществляются в результате единичных актов воздействия на частицы. Процессы растворения, экстракции, кристаллизации и многие другие реализуются за счет дискретного подвода или отвода определенной порции жидкости к поверхности фазового раздела. Чем чаще и быстрее будет происходить контакт новых фазовых поверхностей, тем интенсивнее будет идти процесс. Таким образом, основными принципами, на которых базируется методика интенсификации ХТП при импульсных энергетических воздействиях, являются: 1) принцип синергетичности; 2) принцип концентрационной избирательности; 3) принцип дискретности. 1.3.2 Основные положения методики интенсификации ХТП Интенсификация ХТП при энергетических воздействиях возможна за счет: 1) комбинирования и подбора нужного сочетания воздействий (основных, дополнительных и вто- ричных); 2) оптимизации и управления параметрами энергетических воздействий. Суммируя все вышесказанное и учитывая поливариантность энергетических воздействий на ХТП, составим алгоритм интенсификации ХТП при энергетических воздействиях (рис. 1.3). Первым этапом при интенсификации ХТП должен быть системный анализ физической сущности процесса, детальное изучение его механизма, построение физической модели процесса на каждом ие- рархическом уровне и составление уравнений, описывающих эти процессы. Основываясь на данных системного анализа ХТП, необходимо выявить лимитирующую стадию процесса и определить факторы, способствующие изменению скорости физико-химического процесса на этой стадии. Так, например, если при растворении твердых частиц лимитирующей стадией является процесс переноса вещества из твердой фазы в жидкую фазу, то необходимо интенсифицировать этот процесс ускорением механизма конвективной диффузии, что возможно за счет пульсаций скорости по- тока жидкости около поверхности частицы. Это может быть достигнуто, например, увеличением турбу- лентности потока жидкости, инициирования кавитации. После определения основного механизма изменения скорости физико-химического процесса осуще- ствляется подбор физико-химических эффектов, запускающих этот механизм в действие. Необходи- мо рассмотреть весь спектр физико-химических эффектов для того, чтобы выявить, какой из факто- ров воздействия будет оптимальным для инициирования определенного эффекта. Следующим этапом является выбор вида воздействия для получения требуемого набора или одного физико-химического эффекта. Воздействие, дающее необходимый физико-химический эффект с опре- деленными качественными и количественными параметрами, выбирается за основное воздействие. После определения основного воздействия выявляют вторичные воздействия и решают, способст- вуют ли эти вторичные воздействия получению необходимого набора физико-химических эффектов. То есть, является ли сочетание основного и вторичных воздействий положительным и если какое-либо сочетание дает отрицательный эффект, Рис. 1.3 Блок-схема алгоритма интенсификации ХТП при импульсных энергетических воздействиях ТО НЕОБХОДИМО НАЙТИ СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ЭТОГО ВТОРИЧНОГО ВОЗДЕЙ- СТВИЯ. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ МОЖЕТ ПРОЯВЛЯТЬСЯ КАК СОПУТСТ- ВУЮЩЕЕ ОСНОВНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ, И ТОГДА НЕОБХОДИМО ОПРЕДЕЛИТЬ, ЯВЛЯ- 1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ СУЩНОСТИ ХТП, СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ МОДЕЛЕЙ В СООТВЕТСТВИИ С ИЕРАРХИЧЕСКИМ ПРИНЦИ- ПОМ 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИМИТИРУЮЩЕЙ СТАДИИ ХТП, РАЗРАБОТКА МЕХАНИЗМА ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО 3 ПОДБОР ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ ПРОЦЕССА 4 ВЫБОР ОСНОВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ХТС, ВЫЗЫВАЮЩЕГО НЕОБХОДИМЫЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО И ВТОРИЧНОГО ВОЗДЕЙ- СТВИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВНОГО ВОЗ- ДЕЙСТВИЯ 6 АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ ОСНОВНЫМ, ДОПОЛНИ- ТЕЛЬНЫМ И ВТОРИЧНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ 7. Определение видов и параметров воздействий для создания условий опти- мального их сочетания в целях интенсификации ХТП 8 ВЫБОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ХТС, РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТО И ХТП 9 ВЫБОР МЕТОДОВ, МОДЕЛЕЙ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПАРА- МЕТРАМИ ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО 10 ПОСТРОЕНИЕ ОБЩЕЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ХТС ПРИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА ХТП. РАСЧЕТ И ПРО- ВЕДЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ПРОГНОЗ И КОРРЕК- Й Й ЕТСЯ ЛИ ЭТО СОЧЕТАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ, И ЕСЛИ НЕТ – ТО ОП- РЕДЕЛИТЬ СПОСОБЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ЭТОГО ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ. ЕСЛИ У ОСНОВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТСУТСТВУЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТ- ВИЕ, ТО НЕОБХОДИМО ОПРЕДЕЛИТЬ, ВОЗМОЖНО ЛИ БЕЗ ЧРЕЗМЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИ- ЧЕСКИХ И МАТЕРИАЛЬНЫХ ЗАТРАТ ВВЕСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, ЧТОБЫ УСИЛИТЬ ОСНОВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ. Выбор комбинации основного, дополнительного и вторичного воздействий является решением за- дачи на качественном уровне, расчет и оптимизация параметров всех воздействий – это решение задачи интенсификации ХТП на количественном (расчетном) уровне, после которого необходимо произвести выбор метода, моделей и средств управления параметрами воздействий для поддержания оптимального режима функционирования ХТС. Таким образом, на предыдущих этапах произведены все основные действия для разработки ме- тода и средств энергетических воздействий, выполнен системный анализ функционирования ХТС при энергетических воздействиях на ХТП. Завершающим этапом в разработке алгоритма интенсификации ХТП является построение об- щей модели функционирования ХТС, вобравшей в себя информацию и модели физико-химических процессов на каждом иерархическом уровне. Решение такой сложной задачи не может обойтись без упрощений и допущений при разработке модели того или иного процесса и явления. Проектиров- щик должен найти рациональное сочетание между упрощением модельной схемы и требуемой точ- ностью расчетов. Такая сложная задача требует поэтапного подхода, точного и корректного при- ближения к работоспособной модели, дающей результат с достаточной для инженерных расчетов точностью. Для этого необходимо проведение реальных и виртуальных (компьютерных) экспери- ментов с целью уточнения и корректировки параметров модели функционирования ХТС при энер- гетических воздействиях на ХТП. На основе инженерных решений и компьютерного моделирования ХТС производится окончатель- ный выбор методов и средств реализации энергетических воздействий на ХТП, расчет параметров ТО и ХТП. Конечный критерий, который определяет правильность выбора моделей, методов и средств ин- тенсификации ХТП – это их промышленная реализация. Предложенный алгоритм интенсификации ХТП при энергетических воздействиях, естественно, не учитывает всех возможных нюансов при решении конкретных проблем. Этот алгоритм не претендует на всеобъемлемость и полную корректность, но определяет основное направление, в котором необ- ходимо двигаться проектировщику. Предлагаемая методика интенсификации ХТП при импульсных энергетических воздействиях соответствует современным научным методам решения производст- венных и научных задач. 1.4 ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАШИН И АППАРАТОВ С ИМПУЛЬСНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ 1.4.1 Критерии эффективности оборудования и ХТП АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ХТП ПОКАЗЫВАЕТ, ЧТО ИНТЕНСИВНОСТЬ ХТП ЗАВИСИТ ВО МНОГОМ ОТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТО. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛЮБОГО ОБЪЕКТА ВЫРАЖАЕТ СООТНОШЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТА И ЗАТРАТ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ДАННОГО РЕЗУЛЬТАТА [46]. ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЯЮТ НА ДВЕ ГРУППЫ: КРИТЕ- РИИ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ; КРИТЕРИИ СИСТЕМЫ И ПОДСИСТЕМЫ. КРИТЕРИИ РАЗДЕЛЯЮТ ПО СЛЕДУЮЩИМ КЛАССИФИКАЦИОННЫМ ПРИЗНАКАМ: − ВИДУ (НАТУРАЛЬНЫЙ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ, ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ, ТЕРМОДИНА- МИЧЕСКИЙ, ЭКОНОМИЧЕСКИЙ); − СТРУКТУРЕ (АБСОЛЮТНЫЙ, УДЕЛЬНЫЙ, ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ, СВЕРНУТЫЙ); УРОВНЮ (ГЛОБАЛЬНЫЙ, ЛОКАЛЬНЫЙ, ОБОБЩЕННЫЙ); − СЛОЖНОСТИ (ПРОСТЕЙШИЙ, ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ, КОМПЛЕКСНЫЙ); ПРИЛО- ЖЕНИЮ (ПРЕДПРОЕКТНЫЙ, ПРОЕКТНЫЙ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ, ЭКСПЛУАТАЦИОН- НЫЙ, ЛИКВИДАЦИОННЫЙ); − МАСШТАБУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, ОТРАСЛЬ, ПРОМЫШЛЕН- НОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ); − СРОКУ ДЕЙСТВИЯ (ОПЕРАТИВНЫЙ, ГОДОВОЙ, ДОЛГОСРОЧНЫЙ). НАТУРАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАИБОЛЕЕ ПРИМЕНИМЫ ПРИ АНАЛИЗЕ НИЗШИХ УРОВНЕЙ СИСТЕМЫ. БОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫМИ ЯВЛЯ- ЮТСЯ ОЦЕНКИ С ПОМОЩЬЮ ЭКОНОМИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ [46]. РАССМОТРИМ ОСНОВНЫЕ НАТУРАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ, КОТОРЫЕ ЗАКЛАДЫВАЮТ БАЗУ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ. К НИМ ОТНОСЯТСЯ МАССА, МОЩНОСТЬ, ОБЪЕМ, ГАБАРИТЫ, РАСХОД, ЭНЕРГИЯ, ПЛОЩАДЬ ИЛИ ОБЪЕМ РАБО- ЧЕЙ ЗОНЫ, ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И Т.П. ДЛЯ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА УДОБНО ПОЛЬЗОВАТЬСЯ ТАКИМИ ОТНОСИ- ТЕЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ КАК: − ОБЩИЙ КПД. − ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ КПД, K Е = Е 2 /Е 1 , ГДЕ Е 2 , Е 1 – ЭКСЕРГИЯ ВХОДЯЩИХ И ВЫХО- ДЯЩИХ ПОТОКОВ, ДЖ/С [47] (ЭКСЕРГИЯ – МАКСИМАЛЬНАЯ РАБОТА, СОВЕРШАЕМАЯ СИСТЕМОЙ ПРИ ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ). − ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ КПД, K M = E И /E P , ГДЕ E И , E P – ИСПОЛЬЗУЕМАЯ И РАСПО- ЛАГАЕМАЯ ЭКСЕРГИЯ, ДЖ/С. − ЭНЕРГОЕМКОСТЬ, E = N/M, ВТ/КГ (ВТ/ДЖ), ПОКАЗЫВАЮЩАЯ КОЛИЧЕСТВО ПОТОКА ЭНЕРГИИ НА ЕДИНИЦУ ПЕРЕНЕСЕННОГО ВЕЩЕСТВА ИЛИ ЭНЕРГИИ. − МАТЕРИАЛОЕМКОСТЬ, M = G/M, КГ/КГ (КГ/ДЖ), ПОКАЗЫВАЮЩАЯ КОЛИЧЕСТВО МАССЫ ТО НА ЕДИНИЦУ ПЕРЕНЕСЕННОГО ВЕЩЕСТВА ИЛИ ЭНЕРГИИ. − ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, Q = M/T, КГ/С (ДЖ/С), ПОКАЗЫВАЮЩАЯ ВЕЛИЧИНУ ПО- ТОКА МАССЫ ИЛИ ЭНЕРГИИ В ЕДИНИЦУ ВРЕМЕНИ. − ИНДЕКС ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ, I = M/М СУМ , ПОКАЗЫВАЮЩИЙ ОТНОШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ГОТОВОГО ПРОДУКТА М К ОБЩЕЙ СУММЕ СЫРЬЯ М СУМ , ЗАТРАЧЕННО- ГО НА ПРОИЗВОДСТВО. − КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБЪЕМА, Y = V P /V АП , ПОКАЗЫВАЮЩИЙ КАКУЮ |