Верифікація моделей динаміки масообмінних процесів в апаратах з вільною міжфазною границею сучасних технологій очищення повітря
Альтернативна назва
Verification of models of dynamics of mass transfer processes in devices with a free interfacial boundary of modern air purification technologies
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
ISSN
0367-1631
E-ISSN
Назва тому
Видавець
Одеський національний університет імені І. І. Мечникова
Анотація
Застосування методів фізичного і математичного моделювання дозволяють глибше зрозуміти масообміні процеси та оптимізувати роботу технологічного обладнання очищення повітря. Одним із перспективних напрямів очищення атмосферного повітря від шкідливих газоподібних і дисперсних домішок є використання апаратів з вільною міжфазною границею, які дозволяють забезпечити максимальну площу контакту фаз та забезпечують інтенсивний масообмін між газовою та рідинною фазами.
В залежності від виду забруднення масообмін може відбуватися у дисперсних і суцільних фазах, які за своїм характером можуть бути однорідними або неоднорідними із рисами фрактальних об’єктів.
Мета дослідження: верифікація фізичних моделей механізмів масообмінних процесів в технологічних апаратах з вільною міжфазною границею, призначених для очищення забрудненого повітря від шкідливих газоподібних і дисперсних компонентів, з урахуванням неоднорідності, фрактальних особливостей можливих об’єктів дослідження. Приклад таких об’єктів — хмароподібне повітря у вигляді туману з дрібнодисперсних крапель конденсованого аміаку або сірчаної чи азотної кислоти, при очищенні якого відбуваються теплообмінні та гідродинамічні процеси.
Сформульовані і представлені фізичні моделі процесу абсорбційного очищення газів з урахуванням змін концентрації газу по висоті абсорбційного апарату. Відповідно запропонованим фізичним моделям розроблені математичні моделі диференціальних рівнянь масообміну, які потребують використання системи прямокутних координат Декарта, або циліндричної системи координат. Основу чисельної моделі складає рівняння конвективної дифузії.
Температурні зміни можуть суттєво впливати (нагрівання при розчиненні газів) на якість очистки газів. Одним із засобів протидії цим явищам може бути охолодження абсорбційного апарата за рахунок природної конвекції шляхом збільшення його зовнішньої поверхні, можливо шляхом зменшення його діаметру. При тій самій витраті повітря і швидкості потоків зменшення діаметру апарата має відповідати збільшенню кількості паралельно з’єднаних аналогічних секцій («тарілок»). Схема розташування цих секцій перетворюється у комбінацію послідовних та паралельних з’єднань одиничних елементів абсорбції.
Розглянута фрактальна модель дифузії в дисперсній системі частинок або крапель у забрудненому повітрі дозволяє описати різні режими процесу переносу від нормальної дифузії до супердифузії (майже каналювання) за допомогою одного єдиного структурного параметра.
Показано, що верифікація простих фізичних моделей дозволяє передбачати шляхом порівняння швидкостей масообміну з швидкістю потоків повітря та абсорбенту, який режим масообміну можна очікувати. Прості співвідношення та залежності, які отримані таким методом цілком аналітично, надали можливість швидко проводити оцінки регулюючих фізичних факторів, режимів проходження фізичних процесів та розраховувати параметрів конструювання апаратів очищення повітря.
The application of physical and mathematical modeling methods allows for a deeper under-standing of mass transfer processes and optimize the operation of air purification technological equipment. One of the promising directions for purifying atmospheric air from harmful gaseous and dispersed impurities is the use of devices with a free interphase boundary, which allow for the maximum area of phase contact and ensure intensive mass exchange between the gas and liquid phases. Depending on the type of contamination, mass transfer can occur in dispersed and continuous phases, which by their nature can be homogeneous or heterogeneous with features of fractal objects. Research objective: verification of physical models of mass transfer process mechanisms in technological devices with a free interfacial boundary, designed to purify polluted air from harmful gaseous and dispersed components, taking into account the heterogeneity and fractal features of possible research objects. An example of such objects is cloudy air in the form of fog from finely dispersed droplets of condensed ammonia or sulfuric or nitric acid, during the purification of which heat exchange and hydrodynamic processes occur. Physical models of the absorption gas purification process are formulated and presented, taking into account changes in gas concentration along the height of the absorption apparatus. In accordance with the proposed physical models, mathematical models of differential equations of mass transfer have been developed, which require the use of a rectangular Cartesian coordinate system or a cylindrical coordinate system. The basis of the numerical model is the equation of convective diffusion. Temperature changes can significantly affect (heating during gas dissolution) the quality of gas purification. One way to counteract these phenomena is to cool the absorption apparatus by natural convection by increasing its external surface, possibly by reducing its diameter. At the same air flow rate and flow velocity, the reduction in the diameter of the device should correspond to an increase in the number of parallel-connected similar sections (“plates”). The layout of these sections becomes a combination of series and parallel connections of single absorption elements. The considered fractal model of diffusion in a dispersed system of particles or droplets in polluted air allows us to describe different modes of the transport process from normal diffusion to superdiffusion (almost channeling) using a single structural parameter. It is shown that verification of simple physical models allows one to predict, by comparing mass transfer rates with the velocities of air and absorbent flows, what mass transfer regime can be expected. Simple relationships and dependencies, obtained by this method entirely analytically, made it possible to quickly assess regulating physical factors, modes of physical processes, and calculate the design parameters of air purification devices.
The application of physical and mathematical modeling methods allows for a deeper under-standing of mass transfer processes and optimize the operation of air purification technological equipment. One of the promising directions for purifying atmospheric air from harmful gaseous and dispersed impurities is the use of devices with a free interphase boundary, which allow for the maximum area of phase contact and ensure intensive mass exchange between the gas and liquid phases. Depending on the type of contamination, mass transfer can occur in dispersed and continuous phases, which by their nature can be homogeneous or heterogeneous with features of fractal objects. Research objective: verification of physical models of mass transfer process mechanisms in technological devices with a free interfacial boundary, designed to purify polluted air from harmful gaseous and dispersed components, taking into account the heterogeneity and fractal features of possible research objects. An example of such objects is cloudy air in the form of fog from finely dispersed droplets of condensed ammonia or sulfuric or nitric acid, during the purification of which heat exchange and hydrodynamic processes occur. Physical models of the absorption gas purification process are formulated and presented, taking into account changes in gas concentration along the height of the absorption apparatus. In accordance with the proposed physical models, mathematical models of differential equations of mass transfer have been developed, which require the use of a rectangular Cartesian coordinate system or a cylindrical coordinate system. The basis of the numerical model is the equation of convective diffusion. Temperature changes can significantly affect (heating during gas dissolution) the quality of gas purification. One way to counteract these phenomena is to cool the absorption apparatus by natural convection by increasing its external surface, possibly by reducing its diameter. At the same air flow rate and flow velocity, the reduction in the diameter of the device should correspond to an increase in the number of parallel-connected similar sections (“plates”). The layout of these sections becomes a combination of series and parallel connections of single absorption elements. The considered fractal model of diffusion in a dispersed system of particles or droplets in polluted air allows us to describe different modes of the transport process from normal diffusion to superdiffusion (almost channeling) using a single structural parameter. It is shown that verification of simple physical models allows one to predict, by comparing mass transfer rates with the velocities of air and absorbent flows, what mass transfer regime can be expected. Simple relationships and dependencies, obtained by this method entirely analytically, made it possible to quickly assess regulating physical factors, modes of physical processes, and calculate the design parameters of air purification devices.
Опис
Ключові слова
адсорбція, апарати з вільною міжфазною границею, масообмін, моделювання, технології очищення повітря, фрактальна дифузія, absorption, free-interface devices, mass transfer, modeling, air purification technologies, fractal diffusion
Бібліографічний опис
Герасимов О. І., Курятников В. В. Верифікація моделей динаміки масообмінних процесів в апаратах з вільною міжфазною границею сучасних технологій очищення повітря. Фізика аеродисперсних систем : наук. зб. Одеса : Одес. нац. ун-т ім. І. І. Мечникова, 2025. Вип. 63. С. 169–188.
УДК
539.16