Механізм та кінетичні закономірності інтенсифікуючої дії гідродинамічної кавітації у хіміко-технологічних процесах

, (25) . (26)

Рис. 16. Кінетика екстрагування флаваноїдів у перерахунку на рутин: 1-використовувався неактивований екстрагент; 2, 3-використовувався активований екстрагент.

Рис. 17. Кінетика екстрагування флаваноїдів: 1, 2, 3 - неактивований процес (d_ч=0-2 мм, 3-4мм, 4-5 мм); 4, 5, 6 - активований процес (d_ч=0-2 мм, 3-4мм, 4-5 мм).

Порівняння коефіцієнтів масопереносу розрахованих для активованого і неактивованого процесів підтвердило суттєву інтенсифікацію процесу. Так, для частинок розміром =1мм за умов неактивованого процесу коефіцієнт k становить 1,3810^-8м/с, активованого - 3,34310^-8м/с, що у 2,45 рази більше. Аналогічні результати отримані в системі спирт - Valerianae officinalis. Кінетика екстрагування валеріанової кислоти наведена на рис. 18. Дифузійні константи процесу, які визначали на основі загальних закономірностей масообміну в системі тверде тіло - рідина для фракцій кулястої форми, наведені у табл.2.

Таблиця 2. Результати розрахунків коефіцієнтів дифузії

Характеристика сировини та процесу	Коефіцієнт дифузії D, м 2/с
dср=3мм, неактивований процес	3,28·10-12
dср=3мм, активований процес	4,20·10-12

Аналогічні результати отримані для фракцій циліндричної форми, що відрізняються розмірами. Аналіз кривих 1, 2, 3, побудованих для сировини фракції кулястої форми, засвідчує суттєве прискорення процесу екстрагування за умови використання активованого спирту. В границях розмірів d_ср від 1,5мм до 4,5мм встановлено, що зі зменшенням розмірів частинок рівноважна концентрація зростає.

Рис. 18. Кінетика вилучення валеріанової кислоти з сировини: 1 - d_ср=4,5мм (- неактивований процес, - активований); 2 - d_ср=2,5мм (?- неактивований процес, - активований); 3 - d_ср=1,5мм (- неактивований процес, - активований).

Так, для неактивованого процесу за розмірів частинок 4-5мм рівноважна концентрація становить 0,24 %, для частинок величиною 2-3мм - 0,28 %, а для частинок в границях від 1 до 2мм - 0,3 %.

У сьомому розділі розглянуто інтенсифікуючу дію кавітації у хімічних процесах на прикладі тестової реакції окиснення йодистого калію та конверсії лангбейніту у каїніт. Під час оброблення 1 % розчину йодистого калію в умовах кавітаційного режиму досліджується утворення молекулярного йоду (рис. 19), що зумовлюється реакцією радикалів гідроксилу з KJ.

Найбільші концентрації спостерігаються за умови . Аналогічні дослідження проводили на стенді статичного типу, які показали зростання концентрацій йоду зі зменшенням кавітаційного числа до . Така закономірність пов'язана з утворенням найдрібніших бульбашок, що не зливаються у каверни. Спостерігається також зменшення швидкості утворення йоду з часом, що можна пояснити перевагою дегазації кисню на відповідному проміжку часу, оскільки відомо, що швидкість утворення радикалів ОН* залежить від концентрації кисню.

Рис. 19. Зміна концентрації йоду під час оброблення 1 % KJ у кавітаційному пристрої динамічного типу за різних значень у: 1-1,6; 2-0,96; 3-0,6; 4-0,4; 5-0,3.

Більші концентрації йоду під час оброблення KJ у пристрої динамічного типу пояснюються перевагою захоплення газової фази в рідину за умови наявності вільної поверхні над нею на початку оброблення порівняно з дегазацією внаслідок руйнування кавітаційних парогазових порожнин, що сприяє більшому розчиненню кисню у воді та інтенсивнішому утворенню радикалів гідроксилу. У пристрої статичного типу система є ізольованою від доступу повітря ззовні, а утворення радикалів обмежується розчиненим у воді киснем.

Перспективність досліджень щодо використання хімічного фактору підтверджується результатами активації карналітового розчину, який бере участь у реакції конверсії лангбейніту у каїніт у виробництві калійних добрив. На рис. 20 наведено зміну ступеня конверсії лангбейніту у каїніт () з часом за умови використання активованого карналітового розчину. Як видно з рисунка, найменший ступінь конверсії лангбейніту в каїніт спостерігається для температур 15C і 25⁰С, що пояснюється відсутністю поля кристалізації каїніту на діаграмі розчинності. Найбільші значення досліджуються в діапазоні температур 35⁰С?t?45⁰С. Порівняємо швидкість зміни ступеня конверсії для активованих і неактивованих процесів. За звичайних умов і температури процесу 45⁰С протягом першої доби зростає до 5,4 %, через п'ять діб - до 38,6 %, за 10 діб дорівнює 62,3 %. Через 20 діб збільшується до 89,4 %. За умови попередньої активації карналітового розчину за перших п'ять діб ступінь конверсії становить 44,3 %, через 10 діб - 68,0 %, а через 20 діб зростає до 95,5 %. За звичайних умов такий результат отримують для t=50С. За подальшого підвищення температури до 55 ⁰С досліджується зменшення швидкості процесу, що пов'язано зі збільшенням поля кристалізації лангбейніту. За цих умов загальна швидкість реакції конверсії сповільнюється.

Рис. 20. Зміна ступеня конверсії лангбейніту у каїніт () з часом за умови використання активованого карналітового розчину за температур процесу t, C: 1-15; 2-25; 3-35; 4-45C; 5-55

У восьмому розділі наведено результати вивчення інактивуючої дії кавітаційних ефектів на мікроорганізми E.coli, S.aureus, S.faecalis. На основі досліджень структурно-морфологічних змін E.coli отримали подальший розвиток теоретичні припущення щодо механізму інактивації за наявності кавітації (рис. 21, 22).

Рис. 21. Культура E.coli в пробах дистильованої води: а - до оброблення; б - після 10 хвилинного оброблення у динамічному пристрої за умови (збільшення у 1650 разів).

Після 10 хв. оброблення за температури t=15 C, питомої потужності =100 Вт/кг, тиску над дзеркалом рідини 10⁵Па, що відповідає числу кавітації =0,3, за умови 1650 кратного збільшення спостерігалось зниження контрастності клітин (рис. 22), пошкодження їхньої оболонки, зокрема її розпушування, зменшення чіткості контурів, зміна форми клітин, їхня агрегація. Мікроскопічний аналіз за збільшення у 20000 разів (рис. 22) засвідчив механічне руйнування клітин.

Рис. 22. Культура E.coli в пробах дистильованої води: а - до оброблення; б - після 10 хвилинного оброблення у динамічному пристрої за умови (збільшення у 20000разів).

Дослідження перебігу інактивації залежно від початкового забруднення показали, що вже на перших хвилинах спостерігається зменшення концентрації мікроорганізмів. Проте загальний ефект за початкового мікробного наван-таження Е.coli С ₀=3210⁴ос. /см ³ (рис. 23, а) виявився недостатнім з точки зору його практичного використання. Кавітаційне ж оброблення води з початковою концентрацією Е.coli С ₀=10³ос. /см ³ відбувається інтенсивніше (рис 23, б), що пояснюється меншим мікробним навантаженням.

Перебіг інактивації мікроорганізмів E.coli суттєво залежить від введеної в систему енергії. Так, за умови е=47Вт/кг (е=47Вт/кг є порогом кавітації) протягом 14хв оброблення початкова кількість E.coli 10³ос. /см ³ зменшується на 82 %, а за е=100 Вт/кг інактивується 99,99 % бактерій. Особливістю кавітаційної дії є те, що інтенсивність і механізм ініційованих хімічних реакцій, а також ступінь впливу фізичних ефектів залежить від газовмісту та складу рідині.

Рис. 23. Залежність кількості мікроорганізмів в забрудненій воді від часу її оброблення в динамічному кавітаційному пристрої.

Найшвидше процес інактивації відбувається в середовищі кисню, що можна пояснити інтенсифікацією хімічної деградації мікроорганізмів (рис. 24). Повільніше відбувається процес інактивації E.coli в середовищі СО ₂, оскільки механізм реакцій буде іншим, а утворення ОН*, НО ₂*, Н ₂О ₂, О ₃ обмежуються розчиненим у воді киснем. Важливим є те, що інтенсивність процесу в більшій мірі буде залежати від фізичних ефектів гідродинамічного кавітаційного поля.

Найменший ефект досягнуто під час оброблення мікроорганізмів у дезаерованому дистиляті, оскільки дане середовище не містить розчинених газів, які є зародками кавітації. За таких умов об'єм парової фази суттєво зменшується, відповідно зменшується кількість кавітаційних бульбашок, які і є основною причиною інактивації.

Рис. 24. Вплив газового середовища на процес інактивації мікроорганізмів E.coli за е=100Вт/дм ³, і t=(15±0,5)єС: 1 - дезаерований дистилят; 2 - вода, насичена СО ₂; 3 - в середовищі повітря; 4 - вода, насичена киснем.

Дослідження, проведені з використанням пристрою статичного типу, засвідчили ефективність оброблення в діапазоні значень числа кавітації 1,6<у<0,3 за умови забезпечення стадії кавітації л=2,5. Математичне узагальнення кінетичних закономірностей процесу інактивації дали змогу отримати аналітичне рівняння для його прогнозування:

, (27)

де k₁ - константа швидкості інактивації мікроорганізмів внаслідок впливу усіх ефектів кавітаційного поля, ос. /Вт·с; k₂ - константа швидкості інактивації мікроорганізмів внаслідок впливу динамічної дії кавітаційного поля, с^-1; n-порядок реакції (експериментально встановлено, що n=1); k₃ - константа швидкості хімічної деградації мікроорганізмів, см³/ос·с; m - порядок даної реакції (експериментально встановлено, що m=2); a - постійна інтегрування, яка визначається із початкових умов, а=1.

Доцільно інтенсифікувати процес інактивації у кавітаційних пристроях шляхом введення хімічних реагентів. В умовах кавітаційного режиму хімічні реагенти мають більшу антимікробну дію, зокрема, пероксид водню, концентрацією 50 мг/дм³, викликає інактивацію всіх мікроорганізмів менше, ніж за 2хв, тобто швидкість знезаражування зростає у 25 разів. Результати знезаражування з використанням Ag(I) у вигляді розчину AgNO₃ засвідчили, що знезаражування води на 99 % відбувається на другій хвилині контакту. За цей же період часу у турбулентному режимі додавання AgNO₃ призводить до інактивації 45 % мікроорганізмів. Результати дослідження знезаражувального впливу хлорного вапна в умовах кавітації дали позитивні результати за концентрації реагенту 0,3 мг/дм³.

Дослідженнями у пристроях статичного типу встановлено, що тривалість оброблення для досягнення необхідного ефекту знезаражування зменшується до 4хв за умови сумісної дії пероксиду водню концентрацією 50 мг/дм³ і кавітаційних ефектів (швидкість процесу збільшується у 10-12 разів). Найшвидше спостерігається інактивація під дією Ag(І) концентрацією 0,01 мг/дм³ (на 99 % відбувається на другій хвилині контакту). Синергічний ефект досліджується і під час інактивації тест-мікроорганізмів СаСl₂ концентраціями 0,3 мг/дм³ і 0,5 мг/дм³. Додавання хлорного вапна в суспензію за кавітаційного режиму дає змогу досягнути повної інактивації за час експозиції 30хв. Зменшення тривалості експозиції можна забезпечити, збільшивши концентрацію СаСl₂ до концентрації 0,5 мг/дм³. Результати досліджень засвідчили, що під час оброблення води хлорреагентами такої концентрації в умовах кавітаційного перемішування відбувається зменшення кількості мікроорганізмів від 1000ос. /см ³ до 3-15ос. /см ³ за п'ять хвилин контакту. За умови введення хлору концентрацією 0,5мг/дм ³ необхідна експозиція становить 0,5-1год.

Найменшу швидкість інактивації за кавітаційних умов мають стафілококи, найбільшу - бактерії групи кишкової палички, і проміжну позицію займають ентерококи. Так, за 50хв досягається інактивація на 99,9 % під час оброблення Escherichia coli. За такий самий час інактивується 70 % Streptococcus faecalis і 62 % Staphylococcus aureus. Для забезпечення повної інактивації S.faecalis необхідний час оброблення становить 90хв, а для S.aureus - 2год. Така ж закономірність спостерігається під час інактивації хлорреагентами, озонуванням або ультрафіолетовим опромінюванням.

У дев'ятому розділі наведено технологічні рішення щодо застосування кавітаційних пристроїв у хімічних і суміжних технологіях, які враховують специфіку їхнього використання. Узагальнення результатів експериментальних і теоретичних досліджень кінетики масообміну під час розчинення та екстрагування дало змогу запропонувати удосконалені технології виробництва калійних добрив, кислотного казеїну, спиртових настоянок, які захищені патентами, конструкцій кавітаційних модулів, які враховують специфіку виробництва, розрахувати раціональні технологічні параметри активації розчинника, які забезпечать високу продуктивність і ефективність процесів та необхідну якість готового продукту.

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологічні рішення для підготовки води плавальних басейнів і питної води з використанням кавітаційних пристроїв статичного типу. У даних технологічних схемах запропоновано здійснювати знезаражування у гідро-динамічних кавітаційних модулях із одночасним введенням хлорреагентів. Наведено розрахунки енергетичних витрат на удосконалені технології. На основі їхнього аналізу визначений економічний ефект від впровадження кавітаційних пристроїв у виробництво.

ВИСНОВКИ

На основі закономірностей кавітаційної гідродинаміки і масообміну в системі тверде тіло - рідина, перебігу біологічних процесів у дисертації розроблено та обґрунтовано наукові положення, висновки та рекомендації, сукупність яких засвідчує нові наукові результати у галузі процесів та обладнання хімічної технології, і які розв'язують науково-прикладну проблему застосування гідродинамічної кавітації у масообмінних, біологічних та хімічних процесах. Вирішена науково-технічна проблема дає змогу моделювати масообмінні процеси розчинення й екстрагування, інактивації мікроорганізмів, а також вдосконалювати технології, вирішувати практичні аспекти під час розроблення нових енергозберігаючих технологій та високоефективного обладнання для їхньої реалізації.

1. На основі аналізу літературних джерел щодо використання сучасних методів інтенсифікації дифузійно- контрольованих процесів, а також проблем застосування кавітаційної техніки у хіміко-технологічних виробництвах обґрунтовано основні напрямки досліджень щодо механізму та кінетичних закономірностей інтенсифікуючої дії гідродинамічної кавітації у масообмінних і біологічних процесах. До цих напрямків належать теоретичні та експериментальні дослідження енергетичних та гідродинамічних характеристик пристроїв динамічного і статичного типів, кінетики процесів розчинення й екстрагування, механізму фізико-хімічних процесів у воді, закономірностей біологічних процесів (інактивація патогенної флори).

2. Парогазовміст, параметри парогазової фази, затрати ефективної енергії та зміна фізико-хімічних характеристик рідини визначаються гідродинамічними (Re_кав), енергетичними (Eu=f(Re), е_акт=f(Re)) й кавітаційними (у=f(Re_кав)) характеристиками пристроїв динамічного і статичного типів.

3. Кінетична і математична моделі хімічних реакцій з радикалами дали змогу розрахувати концентрації радикалів Н* і ОН* і пероксиду водню на основі механізму хімічних процесів у рідкій фазі.

4. Дослідженнями кінетичних закономірностей фізичного розчинення твердих тіл (гіпсу, хлориду натрію, сухого молочного білка) підтверджено інтенсифікуючу дію гідродинамічної кавітації на дифузійно-контрольовані процеси розчинення, що забезпечується дією парогазової фази на пограничний дифузійний шар і збільшенням площі поверхні масообміну внаслідок подрібнення твердої фази. В умовах кавітації коефіцієнти масовіддачі збільшуються від 5 до 30 % відносно розчинення у турбулентному режимі. Ступінь впливу парогазової фази становить від 3 до 20 %, подрібнюючого ефекту - від 2 до 10 %. Аналіз дисперсного складу твердої фази, а також зміни коефіцієнтів масовіддачі з часом дали змогу отримати математичні залежності, які можна використовувати для розрахунку усередненого коефіцієнта масовіддачі і прогнозувати розміри твердої фази.

5. Механізм інтенсифікуючої дії кавітації у кінетично-контрольованих процесах на прикладі розчинення лангбейніту пояснюється зміною структури рідкої фази. Розраховано коефіцієнти швидкості розчинення, які у 7,5-9 разів перевищують аналогічні коефіцієнти за умови розчинення у турбулентному режимі. Експериментально підтверджено можливість практичного застосування гідродинамічної кавітації у технології калійних добрив на прикладі дослідження процесу конверсії лангбейніту з використанням активованого карналітового розчину.

6. Використання попередньої кавітаційного оброблення екстрагента забезпечує прискорення екстрагування у 1,5-3 рази, що підтверджується проведеними експериментальними дослідженнями на окремих капілярно-поруватих тілах та реальних об'єктах (Laonurus cardiaca і Valerianae officinalis.).

7. Кількісно і якісно визначено молекулярний йод, що утворюється у розчині йодистого калію під час його кавітаційного оброблення, що засвідчує ініціювання хімічних процесів. Ефективність хімічної дії гідродинамічної кавітації виявилась у 1,3 рази вищою для пристроїв статичного типу, а інтенсивність вищою для пристрою динамічного типу у 1,4 рази.

8. Дослідження структурно-морфологічних змін E.coli дали змогу розвинути механізм знезаражувальної дії гідродинамічної кавітації, який пояснюється фізико-хімічними ефектами кавітаційного поля. Кавітаційний вплив зумовлюється механічним руйнуванням клітин і їхньою хімічною деградацією під час контактування з радикалами і пероксидом водню.

9. Застосування комплексного впливу кавітації і Н₂О₂ (50 мг/дм³) у 25 разів скорочує час експозиції, 0,005 мг/дм³ Ag(I) у кавітаційному режимі створює ефект знезаражування, як і Ag(I) концентрацією 0,01 мг/дм³. Витрати СаСl₂ зменшуються на 60-70 %. Швидкість інактивації за таких умов залежить від режимів оброблення, газового середовища та мікробного навантаження.

10. Серед монокультур S.aureus, S.faecalis і природних асоціацій бактерій найбільш стійкими до кавітаційних інактивуючих факторів виявились S.aureus, за виживанням їм поступаються S.faecalis, і найуразливішими є E.coli.

11. Проведені експериментальні дослідження дали змогу розробити інженерно-технічні пропозиції щодо удосконалення технологій виробництва калійних добрив, спиртових настоянок, технічного казеїну, технологій водоочистки. Наведено розрахунки кавітаційних модулів, що забезпечать достатню ефективність їхньої роботи. Техніко-економічні розрахунки підтверджують доцільність розроблених пропозицій, які захищені патентами України та актами випробувань і впроваджень у виробництво.

СПИСОК ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Вітенько Т.М. Гідродинамічна кавітація у масообмінних, хімічних і біологічних процесах: монографія / Т.М. Вітенько. - Тернопіль, в-во ТДТУ ім. І. Пулюя, 2009. - 224 с.

2. Вітенько Т.М. Вплив гідродинамічних характеристик одноступеневого кавітаційного реактора на процеси очистки стічних вод / Т.М. Вітенько // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". - Харків: - 2001. - Вип. 129. - С. 169-173.

3. Вітенько Т.М. Гідродинамічна кавітація в процесах дезінфекції води/ Т.М. Вітенько, Н.М. Волікова // Вісник УНТУ "Київський політехнічний інститут" Машинобудування. - Київ - 2002. - Вип. 42. - Т.1. - С. 77-80. (Проведення експериментальних досліджень та їхнє узагальнення).

4. Вітенько Т.М. Дослідження впливу електричного поля на процес обезводнення осадів стічних вод / Т.М. Вітенько, І.А. Карпінська // Вісник ДУ "Львівська політехніка", Хімія, технологія речовин та їх застосування. - Львів. - 2002. - № 461. - С. 227-230. (Участь у експериментальних дослідженнях, обговорення та аналіз результатів).

5. Вітенько Т.М. Шляхи утилізації осадів стічних вод очисних споруд міста Тернополя/ Т.М. Вітенько // Вісник ТДТУ імені Івана Пулюя. - Тернопіль. - 2003р. - Т.8. - №2. - С. 137-142.

6. Вітенько Т.М. Особливості використання кавітаційної техніки в процесах очистки промислових стоків від органічних забруднень / Т.М. Вітенько, О.З. Гуцал // Вісник Сумського державного університету. Серія: "Технічні науки". - 2003. - Вип. №13(59). - С. 59-64. (Участь у експериментальних дослідженнях, обговорення результатів та їхнє узагальнення).

7. Вітенько Т.М. Дослідження впливу обробки молока у пульсаційних апаратах на термін його зберігання / Т.М. Вітенько, О.В. Закалов // "Обладнання та технології харчових виробництв": Тематичний збірник наукових праць. - Донецьк. ДонДУЕТ: - 2003. - Вип. 9. - С. 139-145. (Розроблення технічної документації на виготовлення дослідних стендів, участь у дослідженнях та їхнє узагальнення).

8. Вітенько Т.М. Екологічні проблеми і шляхи утилізації промислових відходів / Т.М. Вітенько, О.З. Гуцал // "Екологія довкілля та безпека життєдіяльності". - Київ: - 2004. - Вип.1. - С. 105-107. (Планування експериментальних досліджень, підготовка матеріалів до публікації).

9. Вітенько Т.М. Дослідження особливостей процесу подрібнення жирової фази молока в кавітаційному апараті / Т.М. Вітенько, М.В. Шинкарик // Науковий журнал "Вісник ДонДУЕТ". Серія технічні науки. - Донецьк: - 2004. - Вип.1(21). - С. 97-101. (Проведення експериментальних досліджень та їхнє обговорення й узагальнення).

10. Вітенько Т.М. Дослідження кінетики процесу промивання казеїну / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2004. - т. 9. - №3. - С. 146-151. (Участь у експериментальних дослідженнях та їхнє математичне узагальнення).

11. Вітенько Т.М. Дослідження процесу розчинення сухого молока в умовах гідродинамічної кавітації / Т.М. Вітенько, Н.М. Волікова // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Технічні науки. - 2005. - №11(93). - С. 113-118. (Вибір методики експериментальних досліджень, участь у їхньому проведенні та аналіз результатів).

12. Вітенько Т.М. Активація води в кавітаційному пристрої. Дослідження впливу на інтенсивність розчинення лангбейніту / Т.М. Вітенько // Хімічна промисловість України. - К.: - 2005. - №3. - С. 18-21.

13. Вітенько Т.М. Природний гіпс. Інтенсифікація розчинення з використанням гідродинамічної кавітації / Т.М. Вітенько // Хімічна промисловість України. - К.: - 2005. - №4. - С. 15-18.

14. Вітенько Т.М. Дослідження впливу кавітаційної обробки води на якість промивання казеїну / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин // Вісник ДУ " Львівська політехніка " Хімія, технологія речовин та їх застосування. - 2005р. - № 536. - С. 201-205. (Участь у проведенні експериментальних досліджень та їхнє обговорення).

15. Вітенько Т.М. Інтенсифікація масообміну в системі капілярно-пористе тіло - рідина / Т.М. Вітенько // Вопросы химии и химической технологии, - Днепропетровск: - 2006. - №3. - С. 153-156.

16. Вітенько Т.М. Інтенсифікація процесу при екстрагуванні валеріани шляхом попередньої кавітаційної обробки / Т.М. Вітенько // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2006. - № 2. - С. 177-182.

17. Витенько Т.Н. Массообмен при растворении твердых тел с использованием гидродинамических кавитационных устройств. / Т.Н. Витенько, Я.М. Гумницкий //Теор. осн. хим. техн. - Москва: - 2006. - том 40. - №6. - С. 639-644. (Проведення експериментальних досліджень та їхнє узагальнення).

18. Вітенько Т.М. Гідродинамічна кавітація як один із способів активації рідких середовищ./ Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин // Наукові праці Одеської національної академії харчових технологій. - 2006. - том 2. - №28. - С. 22-24. (Постановка завдань досліджень, участь у проведенні експериментів та їхнє узагальнення).

19. Вітенько Т.М. Розподіл енергії при активації води в умовах кавітаційного перемішування / Т.М. Вітенько // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2006. - т. 11. - № 4. - С. 214-219.

20. T.N. Viten'ko. Mass Transfer during Dissolution Of Solids Using Hydrodynamic Cavitation Devices / T.N. Viten'ko and Ya.M. Gumnitskii // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2006. - Vol. 40. - No. 6, Р. 598-603. (Участь у проведенні та узагальненні результатів досліджень)

21. Витенько Т.М. Исследование механизма активирующего действия гидродинамической кавитации на воду/ Т.М. Вітенько, Я.М. Гумницкий // Химия и технология воды. - Киев: - 2007. - №5. - C422-432. (Проведення експериментальних досліджень та їхнє математичне узагальнення).

22. Вітенько Т.М. Гідродинамічна кавітація як один із методів інтенсифікації процесів розчинення. / Т.М. Вітенько // Промислова гідравліка і пневматика. - Вінниця: - 2007. - №1(15). - С 14-18.

23. Гащин О.Р. Исследование химического фактора гидродинамической кавитации в процессах обеззараживания воды. / О.Р. Гащин, Т.Н. Витенько // Экотехнологии и ресурсосбережение. - Киев: - 2007. - №3. - С 44-48. (Постановка завдань досліджень, та узагальнення результатів).

24. Вітенько Т.М. Дифузійні константи процесу екстрагування валеріани при попередній кавітаційній обробці екстрагента./ Т.М. Вітенько // Вопросы химии и химической технологи. - Днепропетровск: - 2007. - №3. - С 147-150.

25. Витенько Т.М. Использование кавитационных устройств в массообменных процессах химической технологии / Т.М. Витенько, Я.М. Гумницкий // Промышленная теплотехніка. - К.: - 2007. - том 29. - №7. - С. 148-154. (Участь у проведенні експериментальних досліджень їхнє обговорення та узагальнення).

26. Гащин О.Р. Гідродинамічна кавітація в процесах знезаражування під дією хімічних окислювачів / О.Р. Гащин, Т.М. Вітенько // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2007. - №3(109). - Ч 1. - С. 49-53. (Постановка завдань досліджень, участь у проведенні та узагальнення результатів).

27. Вітенько Т.М. Закономірності масообміну при розчиненні твердих тіл в умовах кавітаційного перемішування / Т.М. Вітенько //Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2007. - №1(107). - С. 95-99.

28. T.N. Vitenko A Mеchanism of the Activating Effect of Hydrodynamic Cavitation on Water. / T.N. Viten'ko and Ya. M. Gumnitskii // Journal of water chemistry and technology. - 2007. - V.29. - № 5. - P. 231-237. (Проведення експериментальних досліджень та їхнє узагальнення).

29. Витенько Т.Н. Экстрагирование из капиллярнопористых тел с использованием предварительной кавитационной обработки экстрагента / Т.Н. Витенько // Энерготехнологии и ресурсосбережение. - К.: - 2008. - №5. - С. 76-79.

30. Гащин О.Р. Особенности кинетики обеззараживания воды, содержащей Е.соli в условиях гидродинамической кавитации / О.Р. Гащин, Т.Н. Витенько. // Химия и технология воды. - К.: - 2008. - №5. - С. 567-575. (Постановка завдань досліджень, участь у їхньому проведенні та узагальнення результатів).

31. Вітенько Т.М. Механізм, кінетика та інтенсифікуюча дія гідродинамічної кавітації при розчиненні твердих речовин./ Т.М. Вітенько, Я.М. Гумницкий // Наукові праці Одеської національної академії харчових технологій. - 2008. - №32. - С. 28-34. (Участь у проведенні експериментальних досліджень, математичне узагальнення та аналіз отриманих результатів).

32. О. Гащин Оцінка ефективності та інтенсивності роботи кавітаційних пристроїв у технології водопідготовки / О. Гащин, Т. Вітенько // Енергетика та електрифікація. - К.: - 2009. - №1 (305). - С. 49-52. (Постановка завдань досліджень, участь у їхньому проведенні, обговорення результатів).

33. O.R. Gashchin Features of Disinfection Kinetics of Water Containing Escherichia Coli in Conditions of Hydrodynamic Cavitation / O.R. Gashchin and T.N. Viten'ko // Journal of water chemistry and technology. - 2009. - V. 30. - № 5. - P. 322-327. (Постановка завдань досліджень, участь у експериментах та їхнє узагальнення).

34. Вітенько Т.М Математична модель знезаражування води в умовах гідродинамічної кавітації. / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2009. - №2(132). - С. 62-66. (Постановка завдань досліджень математичне узагальнення результатів).

35. Т.М. Вітенько. Вплив парогазової фази на кінетику розчинення в умовах кавітації./ Т.М. Вітенько, Я.М. Гумницький // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Харків: - 2009. - 3/6 (39). - С. 4-8. (Проведення експериментальних досліджень та їхнє обговорення й узагальнення).

36. Вітенько Т.М. Дифузійні константи процесу екстрагування валеріани при попередній кавітаційній обробці екстрагента / Т.М. Вітенько, Я.М. Гумницький // Вопросы химии и химической технологи. - Днепропетровск: - 2009. - №2. - С. 161-166. (Участь у експериментальних дослідженнях та їх математичне узагальнення).

37. Вітенько Т.М. Експериментальна оцінка хімічної дії гідродинамічної кавітації / Т.М. Вітенько // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2009. - Т. 14. - №24. - С. 165-170.

38. Патент 39268 Україна, МПК 7 С 02F1/72. Кавітаційний реактор для обробки суспензії / А.Д. Молчанов, Т.М. Вітенько, І.А. Карпінська, О.М. Пилипець; заявник і патентовласник Молчанов А.Д. - № 98126454; заяв. 08.12.1998, опубл. 15.06.2001, Бюл. №5. - 2 с. (Формула винаходу, обґрунтування конструкції).

39. Патент 41076А Україна, МПК 7 С 02F1/72. Кавітаційний реактор для обробки рідин / Т.М. Вітенько, А.Д. Молчанов, М.В. Шинкарик.; заявник і патентовласник ТДТУ ім. І. Пулюя. - №2001010680; заяв. 30.01.2001, опубл. 15.08.2001, Бюл. №7. - 2с. (Формула винаходу, обґрунтування способу закріплення перешкоди).

40. Патент 59210А Україна, МПК 7 7А 23С 3/00. Спосіб виробництва пастеризованого молока / Т.М. Вітенько, Т.В. Зарецька.; заявник і патентовласник ТДТУ ім. І. Пулюя. - №20021210068; заяв. 13.12.2002, опубл. 15.08.2003 Бюл. №8. - 2с. (Формула винаходу, проведення експериментальних досліджень).

41. Патент 4243 Україна, МПК 7 В 01F/04 Кавітаційний пристрій / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин.; заявник і патентовласник ТДТУ ім. І. Пулюя. - №2004032160; заяв. 23.03.2004, опубл. 17.01.2005, Бюл. №1. - 2 с. (Постановка завдання на розробку конструкції її аналіз, опис винаходу).

42. Патент 11090 Україна, 7 А 23J1/20 Спосіб виробництва кислотного казеїну / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин.; заявник і патентовласник ТДТУ ім. І. Пулюя. - №u200504729; заяв. 20.05.2005, опубл. 15.12.2005, Бюл. №12. (Формула винаходу, участь у експериментальних дослідженнях).

43. Патент 15684 Україна, МПК 7 D21B 1/00 Кавітаційний пристрій / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин.; заявник і патентовласник ТДТУ ім. І. Пулюя. - №u200600058; заяв. 03.01.2006, опубл. 17.07.2006, Бюл. №7. - 2с. (Розроблення технічної документації)

44. Патент на корисну модель 40786 Україна, МПК 7 С 01D 5/00 Спосіб перероблення полімінеральної калійної руди / Т.М. Вітенько.; заявник і патентовласник ТДТУ ім. І. Пулюя. - № u200813501; заяв. 24.11.2008, опубл. 27.04.09, Бюл. №8.

45. Патент на корисну модель 41748 Україна, МПК 7 С 02F 1/00 Спосіб підготовки питної води / О.Р. Гащин, Т.М. Вітенько.; заявник і патентовласник ТДТУ ім. І. Пулюя. - № u200813959; заяв. 04.12.2008, опубл. 10.06.2009, Бюл. №11. (Постановка завдань досліджень, аналіз результатів випробувань).

46. Вітенько Т.М. Покращення якості пастеризації молока шляхом його додаткової обробки в пульсаційних апаратах / Т.М. Вітенько, О.В. Закалов // Збірка міжнародної науково-технічної конференції "Актуальні проблеми харчових технологій і обладнання. Організація і економіка". - Святогорськ: - 2003. - С. 91-94. (Постановка завдань, участь у проведенні експериментальних досліджень та їхнє узагальнення).

47. Вітенько Т.М. Перспективи використання кавітаційних апаратів для обробки рідкофазних середовищ / Т.М. Вітенько // Збірка сьомої наукової конференції ТДТУ ім. Івана Пулюя. ТДТУ. - Тернопіль: - 2003р. - С. 178.

48. Tetiana Vitenko. Intensification of chemical and biological destruction of pollutants in cavitation devices / Tetiana Vitenko, Jaroslav Gumnitsky // Politechnika Czestochowska Konferencje 55, "Mikrozanieczyszcze nia w srodowisku czlowieka". - Czestochowa: - 2004. - Р. 186-193. (Участь у проведенні експериментальних досліджень та їхнє узагальнення).

49. Вітенько Т.М. Хімічна дія гідродинамічної кавітації / Т.М. Вітенько // Збірка восьмої наукової конференції ТДТУ ім. Івана Пулюя. ТДТУ. - Тернопіль: - 2004. - С. 136.

50. Вітенько Т. Розчинення твердих частинок при додатковій дії гідродинамічної кавітації / Т. Вітенько // Матеріали дев'ятої наукової конференції ТДТУ ім. Івана Пулюя. ТДТУ. - Тернопіль: - 2005. - С. 142.

51. Вітенько Т. Експериментальні дослідження хімічних процесів у воді під впливом гідродинамічного кавітаційного поля./ Т. Вітенько, О. Гащин // Збірка десятої наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. ТДТУ. - Тернопіль: - 2006. - С. 184. (Постановка завдань досліджень, участь у проведенні експериментів та їхнє обговорення).

52. Vitenko T.N. Cavitation devices' use in mass transfer processes of chemical technology / T.N. Vitenko, Ya. M. Gumnitsky // ABSTRACTS V-th International conference "Problems of industrial heat engineering". - Kyiv:- 2007. - P. 35-36. (Планування експериментальних досліджень, участь у їхньому проведенні та узагальнення).

53. Вітенько Т.М. Вивчення комплексної дії гідродинамічної кавітації і хімічних окислювачів на мікроорганізми Eshcerihia Coli / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин // Матеріали одинадцятої наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. ТДТУ. - Тернопіль. - 2007. - С. 181. (Постановка завдань досліджень, та узагальнення результатів).

54. Vitenko T. Hydrodynamic cavitation. Mechanism and kinetic appropriateness of mass transfer intensification in chemical technological processes/ Т. Vitenko, Y. Gumnitsky // XIX Ogolnopolska konferencja inzynierii chemicznej i procesowej. - Rzeszow:- 2007. - P. 471-473. (Проведення експериментів та їхнє узагальнення).

55. О. Гащин Застосування гідродинамічної кавітації в процесах знезаражування води / О. Гащин, Т. Вітенько // Збірка науково-практичної конференції "Екологічна безпека, моніторинг, оцінка ризику, перспективні природоохоронні технології". НУЛП. - Львів: - 2007. - С. 33-34. (Постановка завдань досліджень та узагальнення результатів).

56. Вітенько Т.М. Дослідження морфологічних змін у Eshcerihia Coli / Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин // Матеріали дванадцятої наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. ТДТУ. - Тернопіль: - 2008. - С. 224. (Розроблення методики досліджень, узагальнення результатів).

57. О.Р. Гащин Оцінка ефективності та інтенсивності кавітаційних прис-троїв у технології водопідготовки / О.Р. Гащин, Т.М. Вітенько // Збірка праць 5-ї міжнародної конференції "Проблеми економії енергії". НУЛП. - Львів: - 2008. - C. 282-286. (Постановка завдань досліджень, обговорення результатів)

58. T.N. Vitenko Hydrodynamic cavitation as intensifying interaction on mass transfer in solving and extraction processes / T.N. Vitenko, Ya. M. Gumnitsky, R. Petrus // 18th International Congress of Chemical and Process Engineering. - Praha: - 2008. - P. 531. (Проведення експериментів та їхнє узагальнення).

59. Т.М. Вітенько Інактивація мікроорганізмів E. Coli при знезаражуванні йонами срібла в умовах кавітаційного перемішування./ Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин., Я.М. Гумницький. // І міжнародний конгрес. Захист навколишнього середовища. Енергоощадність і збалансоване природокористування. НУЛП. - Львів: - 2009. - С. 27-28. (Постановка завдань досліджень, обговорення результатів).

60. Вітенько Т.М. Математична модель процесу інактивації мікроорганізмів E. Coli під дією ефектів гідродинамічної кавітації/ Т.М. Вітенько, О.Р. Гащин // Матеріали всеукраїнської наукової конференції ТДТУ імені Івана Пулюя. ТДТУ. - Тернопіль: - 2009. - С. 275.

61. Гащин О. Застосування гідродинамічної кавітації у технологіях водо-підготовки / О. Гащин, Т. Вітенько // Збірка науково-технічної конференції "Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості". НУЛП. - Львів: - 2009. - С. 192-194. (Участь у проведенні досліджень, обговорення результатів).

62. Вітенько Т.М. Інтенсифікація технологічних процесів харчових виробництв / Т.М. Вітенько. - Тернопіль: в-во ТДТУ ім. І. Пулюя, 2008. - 142 с.

АНОТАЦІЯ

Вітенько Т.М. Механізм та кінетичні закономірності інтенсифікуючої дії гідродинамічної кавітації у хіміко-технологічних процесах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - процеси й обладнання хімічної технології. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2010.

Дисертація присвячена теоретичним та експериментальним дослідженням механізму та кінетики масообмінних та біологічних процесів під впливом ефектів гідродинамічної кавітації. На основі експериментальних досліджень отримані залежності для визначення коефіцієнтів масовіддачі за умови використання кавітаційних пристроїв. Узагальнені результати екстрагування активованим екстрагентом. Розроблено математичні моделі, які описують і дають змогу прогнозувати біологічні процеси інактивації мікроорганізмів, хімічні процеси з радикалами. Запропоновано удосконалені технології виробництва калійних добрив, кислотного казеїну, спиртових настоянок, конструкції кавітаційних модулів, які враховують специфіку виробництва та забезпечать високу продуктивність і ефективність процесів та необхідну якість готового продукту. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологічні рішення для підготовки води плавальних басейнів і питної води з використанням кавітаційних пристроїв статичного типу. Основні результати передано для впровадження у виробництво мінеральних добрив, спиртових настоянок, на підприємства, пов'язані з технологією знезаражування води, у навчальний процес.

Ключові слова: гідродинамічна кавітація, питома ефективна потужність, парогазовміст, гідродинаміка, фізико-хімічні процеси, активація, масообмін, усереднений діаметр, інактивація, кінетика, диференціальні рівняння, математичні моделі.

АННОТАЦИЯ

Витенько Т.Н. Механизм и кинетические закономерности интенсифицирующего воздействия гидродинамической кавитации в химико-технологических процессах. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.17.08 - процессы и оборудование химической технологии. - Национальный университет "Львивська политэхника", Львов, 2010.

Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям механизма интенсифицирующего воздействия гидродинамической кавитации на массообменные и биологические процессы. Обобщением результатов экспериментальных исследований относительно закономерностей распределения энергии в системе и параметров парогазовой фазы получены математические зависимости, позволяющие определить размеры парогазовой фазы в зависимости от эффективной кавитационной энергии.

Путем обобщения экспериментальных исследований при растворении твердых тел, растворяющихся по диффузионному механизму, получены зависимости для определения коэффициентов массоотдачи в условиях кавитационного перемешивания. Механизм интенсификации обоснован воздействием эффектов, связанных с образованием, ростом и схлопыванием кавитационных пузырьков на поверхности массообмена, сопровождающихся турбулизацией и разрушением пограничного слоя, а также дроблением твердой фракции. Полученные результаты обобщены в виде уравнений, позволяющих определять коэффициенты массоотдачи в границах кавитационных чисел от 1,6 до 0,4. Путем анализа полученных экспериментальных зависимостей относительно изменения усредненного диаметра частиц твердой фракции во времени получены уравнения, позволяющие рассчитывать усредненные коэффициенты масоотдачи и прогнозировать размеры твердой фракции в условиях кавитационного режима. Результаты исследований физико-химических процессов в жидкой фазе под воздействием кавитационных эффектов позволили раскрыть механизм интенсификации кинетически контролируемых процессов растворения. На основании кинетической и математической моделей получены аналитические уравнения для описания механизма химических процессов с участием радикалов, которые позволяют рассчитать изменение их концентрации во времени и прогнозировать степень активации жидкой фазы.

Обобщены результаты экстрагирования из твердой фазы активированным в кавитационном устройстве экстрагентом. Для условий процесса с использованием предварительно обработанного экстрагента рассчитаны коэффициенты массопереноса с учетом режима активации и размеров твердой фракции. На примере тестовой реакции окисления йодистого калия и изучения реакции конверсии лангбейнита в каинит экспериментально подтвержден химический фактор гидродинамической кавитации. На основании исследования структурно-морфологических изменений микроорганизмов E.coli предложен механизм обеззараживающего воздействия гидродинамической кавитации. Согласно предложенному механизму антимикробный эффект достигается за счет физико-химических эффектов кавитационного поля, под влиянием которых происходит механическое разрушение клеток и химическое обеззараживание под воздействием радикалов гидроксила и пероксида водорода. Экспериментально исследовано влияние каждого из факторов (механические эффекты, радикалы гидроксила, перекись водорода) гидродинамического кавитационного поля на изменение концентраций микроорганизмов E.coli.

Исследованы закономерности процесса инактивации микроорганизмов E.coli в зависимости от режимов обработки, микробной нагрузки, газовой среды, введенной в систему энергии. Показано, что комплексный метод обеззараживания химическими окислителями (Н₂О₂, AgNO₃, CaCl₂) в условиях кавитационного перемешивания позволяет получить синергический эффект, при этом необходимое количество химических окислителей уменьшается на 50-70 %.

Разработаны математические модели, которые описывают химические процессы с радикалами и биологические процессы инактивации микроорганизмов и дают возможность прогнозировать стационарные концентрации радикалов и скорость инактивации. Предложены усовершенствованные технологии производства калийных удобрений, кислотного казеина, спиртовых настоек, конструкции кавитационных модулей, которые учитывают специфику производства, что обеспечит высокую производительность, эффективность процессов и необходимое качество готового продукта. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические предложения для подготовки воды плавательных бассейнов и питьевой воды с использованием кавитационных устройств статического типа. Основные результаты переданы для внедрения в производства минеральных удобрений, настоек, на предприятия, связанные с технологией обеззараживания воды, в учебный процесс.

Ключевые слова: гидродинамическая кавитация, эффективная мощность, парогазосодержание, гидродинамика, физико-химические процессы, активация, массообмен, усредненный диаметр, инактивация, кинетика, дифференциальные уравнения, математические модели.

SUMMARY

Vitenko T.M. Mechanism and kinetic regularities of the intensification effect of the hydrodynamic cavitation in the chemical engineering processes. - Manuscript.

Thesis for a Doctor degree of engineering sciences in specialty 05.17.08 - chemical engineering processes and equipment. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2010.

The thesis deals with the theoretical study and experimental investigations of the mechanism and kinetics of mass exchange and biological processes under the hydrodynamic cavitation effects. According to the experimental investigations the dependences for mass transfer coefficient calculations are obtained, provided the cavitation devices are used. The results of extraction conducted by the activated extractor are summarized.

Mathematical models describing biological processes of microorganism inactivation, chemical processes with the radicals are developed. Advanced technologies for production of potassium fertilizer, acid casein, alcohol tincture, cavitation module constructions are suggested. Production peculiarities will be taken into account and high efficiency of the processes as well as the required product quality will be ensured.

Engineering solutions for preparing water for the swimming pools and drinking water while using static cavitation devices are developed on the basis of the theoretical study and experimental investigations conducted. The main results are submitted in order to be introduced both into the production of mineral fertilizers, alcohol tincture and enterprises concerned with the water disinfection as well as into education.

Key words: hydrodynamic cavitation, specific efficient capacity, steam and gas contents, hydrodynamics, radical processes, activation, mass exchange, average diameter, inactivation, kinetics, differential equations, mathematical models.

ОСНОВНІ УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ

nкр - критичне значення числа обертів крильчатки;

с-1 - діаметр крильчатки, м;

N, Nеф - споживана й ефективна потужності,Вт;

е - дисипація енергії, Вт/дм3;

еакт - ефективна питома потужність, Вт/дм3;

j - парогазовміст;

DM - зміна маси наважки твердої фази, кг;

С, Сs - біжуча концентрація компоненту у розчині та концентрація насичення, кг/м 3; F - біжуча поверхня частинок, м2;

в - коефіцієнт масовіддачі, м/с;

Дф - проміжок часу, с;

н - кінематична в'язкість, м2/с;

густина твердих частинок, кг/м3;

початкові діаметри частинок кожної фракції, м;

зміна діаметра частинок, м;

кількість частинок кожної фракції,

F(mi) - масова частка окремої фракції;

dС, d0 - усереднений і початковий розміри частинок твердої фракції, м;

dСТ - усереднений розрахунковий розмір частинок твердої фракції, м;

С 0, С 1, - початкова, біжуча і усереднена концентрації цільового компонента, кг/м3;

Вn - коефіцієнт, корені характеристичного рівняння;

D* - коефіцієнт дифузії, м2/с;

R - радіус частинки, м;

V - внутрішній об'єм клітини; м3,

W - об'єм екстрагента, м3;

eП - поруватість;

U0 - об'єм пустот твердої фази, м3;

G - маса твердої фази, кг;

g - маса однієї частинки, кг;

Rср - середній радіус частинки твердої фази, м.

Безрозмірні комплекси:

число кавітації;

число Ейлера;

число Рейнольдса;

число Шмідта;

число Шервуда.

Размещено на Allbest.ru

...