Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Научные открытия в области электрохимии и физической химии.



Научное открытие "Явление скачкообразного увеличения тепло- и массообмена между газовой и жидкой фазами в режиме инверсии фаз".

Формула открытия: "Экспериментально установлено неизвестное ранее явление скачкообразного увеличения тепло- и массообмена между газовой и жидкой фазами в пористых средах при предельных скоростях потоков, соответствующих переходу газовой фазы в дисперсную, а жидкой в сплошную (в режиме инверсии фаз) с сохранением их противоточного движения".
Авторы: В. В. Кафаров, А. Н. Плановский.
Номер и дата приоритета: № 141 от 6 июля 1949 г.


Описание открытия.
Член-корреспондент АН СССР В. В. Кафаров (Московский химико-технологический институт имени Д. И. Менделеева – МХТИ), доктор технических наук А. Н. Плановский (Московский институт химического машиностроения) открыли явление резкого повышения тепло- и массообмена между газовой и жидкой фазами в режиме инверсии фаз (эмульгирования).

Долгое время в науке господствовала пленочная теория массообмена американских химиков Люиса и Уитмена. Согласно ей растворение газа в жидкости происходит в месте их соприкосновения только в результате молекулярной диффузии. Следовательно, нужно увеличивать поверхность контакта газа и жидкости, или, как говорят специалисты, поверхности раздела фаз. Если представить себе колонну в виде пустотелого цилиндра, то газ в ней стал бы проходить в середине, оттеснив жидкость к стенке. Естественно, из-за небольшой поверхности контакта производительность колонны и коэффициент улавливания ею газа оказались бы незначительными.

Чтобы увеличить поверхность фазового раздела, колонну заполняют насадкой. Когда-то в качестве насадки использовали дробленый кокс или кварц, который навалом загружали в аппарат. В этом случае жидкость, как ручей, просачивающийся сквозь камешки, тонкой пленкой обваливает отдельные кусочки кварца и увеличивает свою поверхность. Сейчас колонны заполняют телами определенной геометрической формы – шарами, полукольцами и т. п.

Насадки должны удовлетворять очень жестким требованиям – обладать большой поверхностью на единицу объема, оказывать малое сопротивление газовому потоку, иметь небольшой насыпной вес, быть механически прочными и химически стойкими и дешевыми. Наиболее полно этим требованиям отвечают кольца Рашига - тонкостенные керамические кольца, у которых высота равна наружному диаметру. Пленочная теория американских ученых, по которой рассчитывались абсорбционные колонны с насадкой, была достаточно точна лишь для спокойного движения жидкости и газа.

В 1948 году, когда в МХТИ приступили к изучению процессов массообмена, исследователи обратили внимание на одно явление. Если в некоторых точках колонны вдруг возникали вихри, они заметно повышали производительность. В расчетных же уравнениях этими потоками пренебрегали. Вот тогда впервые и задумались, что будет, если устроить "бурю" во всем объеме колонны. Оказалось, что эти, на первый взгляд бесконечно малые, величины могут сыграть решающую роль в увеличении производительности аппаратов.

Обнаруженное явление можно сравнить с аналогичным явлением в природе. То, что происходит в колонне, можно представить, побывав на озере в теплый летний вечер. Вода словно зеркало, ни ветерка. В такую погоду рыба играет. Она носится у самой поверхности, а иногда даже выскакивает из воды. Оказывается, все связано с массообменом. Вечером, когда вода нагревается до наиболее высокой температуры, содержание кислорода в ней заметно снижается, и на глубине рыбе становится душно. Незначительный массообмен воды в воздухе, который все-таки существует даже в безветренную погоду, приводит к тому, что в поверхностном слое воды кислорода содержится больше, чем на глубине. Совсем другая картина наблюдается, когда дует ветер. Процесс массообмена идет интенсивнее, кроме того, перемешиваются глубинные слои воды. Содержание кислорода как на поверхности, так и на глубине почти одинаково. Естественно, рыба находится на глубине, где больше пищи.

То же самое происходит и в абсорбционной колонне. Когда скорость газа незначительна, массообмен идет только в поверхностном слое. Но если увеличить скорость, то на гладкой пленке жидкости появляются вихри. Они все глубже и глубже проникают в жидкость. Энергия газового потока начинает превышать энергию поверхностного натяжения жидкости. Пленка разрывается, и газовые вихри пронизывают всю массу жидкости. Четкий раздел поверхности фаз исчезает, возникает режим эмульгирования, при котором жидкость течет, не по поверхности насадки, а занимает весь свободный объем, не занятый газом. Это явление называется инверсией фаз, оно сопровождается резким увеличением массообмена. За счет перемешивания потоков процесс идет настолько интенсивно, что величиной молекулярной диффузии можно пренебречь.

Сделанное научное открытие подтверждено в нашей стране и за рубежом. Высокая оценка открытию была дана на международных конференциях по дистилляции в Брайтоне (Англия) в 1960 и в 1969 гг. Аппараты, созданные на основе открытия, широко используются не только в химической промышленности, но и в других отраслях производства.




Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МАТЕМАТИКА
Сайт создан в системе uCoz