Диссертация (Разработка метода расчета и создание пневмовакуумной установки концентрирования химических растворов)

2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Перечень условных обозначений ....................................................................... 5 Введение .................................................................................................................. 8 Глава 1.Обзорсостояниявопросасозданияустройствдляконцентрирования химических растворов....................................................

16 1.1.  Обзор методов концентрирования ............................................................. 17 1.2.  Обзор существующих установок ............................................................... 21 1.3.  Основные параметры установок концентрирования химическихрастворов ................................................................................................................ 28 1.4.  Обзор теории и методов расчета рабочих процессов .............................. 29 1.5.  Факторы, влияющие на эффективность работы пневмовакуумныхустановок для концентрирования химических растворов ................................

37 1.6.  Методы численного исследования рабочих процессов ........................... 38 1.7.  Постановка цели и задач исследования. ................................................... 40 Глава 2.Математическоемоделированиерабочихпроцессов,протекающих в пневмовакуумном концентраторе растворов..................

42 2.1.  Классификация и критерии оценки для обоснованного выборавариантов установки ............................................................................................. 42 2.2.  Объект исследования .................................................................................. 44 2.3.  Основные допущения ..................................................................................

45 2.4.  Расчетная область при описании течения газа в испарителе .................. 47 2.5.  Расчетные зависимости, описывающие рабочие процессы вконцентраторе химических растворов ................................................................ 51 2.6.  Граничные и начальные условия ............................................................... 55 3Стр.2.7.  Метод решения ............................................................................................

56 Выводы к Главе 2 .................................................................................................. 60 Глава 3. Разработка метода расчета и расчетно-теоретическиеисследования рабочих процессов, протекающих в пневмовакуумномконцентраторе химических растворов ........................................................... 61 3.1.  Метод расчета рабочих процессов .............................................................

61 3.2.  Исследование течения рабочего газа в проточной части испарителя.... 63 3.3.  Исследование течения рабочего газа в пробирке ..................................... 65 3.4.  Оценка влияния размерности расчетной сетки на точностьполучаемых результатов ...................................................................................... 65 3.5.  Численные исследования ............................................................................ 68 3.6  Разработка макетного образца установки для концентрированияхимических растворов ..........................................................................................

79 Выводы к Главе 3 .................................................................................................. 81 Глава 4. Экспериментальные исследования рабочих процессов,протекающих в пневмовакуумном концентраторе химическихрастворов .............................................................................................................. 82 4.1.  Экспериментальный стенд..........................................................................

82 4.2.  Методика проведения экспериментальных исследований ..................... 86 4.3.  Обработка результатов эксперимента ....................................................... 87 4.4.  Оценка погрешности эксперимента........................................................... 89 4.5.  Оценка приборной погрешности эксперимента ....................................... 90 4.6.  Оценка случайной погрешности эксперимента ....................................... 90 4.7.  Сравнениерезультатовэкспериментальныхичисленныхисследований .........................................................................................................

91 4Стр.4.8.  Экспериментальные исследования на реальных растворах .................... 94 4.9.  Разработкапневмовакуумнойустановкиконцентрированияхимических растворов .......................................................................................... 96 Выводы к Главе 4 ..................................................................................................

99 Основные выводы и заключение .................................................................. 100 Список литературы .......................................................................................... 102 5ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙj- Диффузионный поток, кг/(м 2  с)D- Коэффициент диффузии, м 2 /сC- Концентрация диффундирующего вещества, кг/м3q- Тепловой поток, Вт/м 2T- Температура среды, K- Коэффициент теплопроводности, Вт/(м  К)- Плотность вещества, кг/м3- Линейная скорость вещества, м/сср-- Коэффициент теплоотдачи,- Коэффициент массоотдачи,Удельная теплоемкость вещества при постоянном давлении,Дж/(кг  К)Nu - Число Нуссельтаd- Характерный размер, мSh- Число ШервудаSt- Число СтэнтонаPr- Число ПрандтляSc- Число ШмидтаJ- Полный массовый поток газа,p- Давление, ПаD- Толщина диффузионного слоя, мM- Молярная масса, г/мольR- Универсальная газовая постоянная, Дж/(моль  К)V- Объем газа, м3d2- Диаметр направляющей трубки, мм6d4- Диаметр пробирки, мм- Обозначение расчетной областиt- Время, с- Динамическая вязкость, Па  сg- Ускорение свободного падения, м 2 /с- Кинематическая вязкость, м 2 /с- Относительная влажность воздухаh- Толщина зоны градиента концентрации, ммS- Площадь поверхности, м 2Gp- Массовый расход рабочего газа, г/сКоэффициент соотношения площадей входного и выходногоs-I- Удельный объемный поток, м3 /(м 2  с)сеченияПодстрочные индексы:- Индекс параметров смесис- Индекс параметров жидкости у межфазной границыИндекс параметров жидкости на расстоянии  D от межфазной-x- Индекс проекции на ось X декартовой системы координатy- Индекс проекции на ось Y декартовой системы координатz- Индекс проекции на ось Z декартовой системы координатж- Индекс жидкой фазын- Индекс параметров насыщениявх- Индекс входного сеченияграницывых - Индекс выходного сеченияизб- Индекс избыточного давления7min - Индекс минимальных значенийmax - Индекс максимальных значенийСокращения:ДНК- Дезоксирибонуклеиновая кислотаКДЛ- Клинико-диагностическая лабораторияМКО- Метод контрольных объемовМНК- Метод наименьших квадратовРНК- Рибонуклеиновая кислотаSIMPLE SSTSemi-Implicit Method for Pressure Linked Equations(Итерационныйметод решения уравнений)- Shear stress transport (модель турбулентности Ментера)Основные понятия:Образец–образецисследуемоговещества(ДНК,РНК,высокомолекулярные соединения и др.);Проба – раствор, состоящий из растворителя и образца исследуемоговещества (ДНК, РНК, высокомолекулярные соединения и др.);Рабочий газ – газ, протекающий в проточной части концентраторажидкостей и обеспечивающий удаление паров жидкости из пробирок (воздух,азот и др.);Жидкость–растворитель,находящийсявпробе,подвергаемойконцентрированию (вода, этанол, хлороформ, аммиак и др.);Побудитель расхода рабочего газа – устройство, обеспечивающее подачурабочего газа в проточную часть концентратора (компрессор, баллон сосжатым газом и т.д.).8ВВЕДЕНИЕАктуальность исследования:С каждым годом увеличивается значимость научных исследований вобластях,связанныхсоздоровьемижизнедеятельностьючеловека.Необходимость своевременной диагностики организмов на наличие новыхвирусов и бактерий и нахождения лекарства от них, обнаружения источниковзараженияиспособовегораспространенияотчетливоотражаетсявнаправлении развития современных технологий.

Задачей анализа образцовпродуктов питания, почвы, крови, тканей живых организмов и др. являетсяопределение содержания тех или иных элементов в исследуемых материалах.Один из этапов такого анализа – пробоподготовка. Оборудование дляподготовки проб является неотъемлемой частью оснащения клиникодиагностическихлабораторий(КДЛ),исследовательскихцентровилабораторий. Цель пробоподготовки – разрушение образца до такогосостояния, которое обеспечит высокую (близкую к 100%) вероятностьопределения отсутствия или наличия искомых компонентов при дальнейшихмикробиологическом,биохимическом,бактериологическом,ипрочиханализах [1]. В большинстве случаев в результате процесса пробоподготовкиобразуется смесь малого количества разрушенного образца и многократнопревышающего его объема растворителя. Для проведения дальнейшихисследований с необходимой точностью получаемого результата и скоростьюнеобходимо максимально уменьшить количество растворителя [2].

Устройства,предназначенные для решения этих задач, называют концентраторами.Основными областями применения концентраторов являются:– медицина;– молекулярная биология;– биохимия;– пищевая промышленность;9– химическая промышленность;– и другие.Данная работа посвящена разработке метода расчета рабочих процессовисозданиюновыхпневмовакуумныхконцентраторовмикрообъемовхимических растворов.Начиная с конца прошлого века, ведутся активные работы по разработкеподобного оборудования, как в отечественной промышленности, так и зарубежом. Созданием таких устройств занимаются такие фирмы как: Экохим(Россия), Stuart, Techne (Великобритания), Thermo Scientific, Labconco, Genevac(США), Eppendorf (Германия), Labogene (Дания), и другие.Однако перед разработчиками возникает несколько существенныхпроблем:1.Методы расчета, описанные в научно-технических источниках, непозволяют определить необходимые для проектирования нового оборудованияпараметры рабочих процессов.

С помощью известных методов невозможноопределитьвлияниепотокагаза,движущегосявпроточнойчастиконцентратора, на величину массового потока пара со свободной поверхностижидкости.2.При изменении параметров побудителя расхода рабочего газа, геометриии расположения проточной части концентратора скорость испарения жидкостииз пробирок может существенно колебаться. Оценка факторов, влияющих набыстродействие испарительного устройства, является важной задачей дляразработчиков нового оборудования.3.Разработчики концентраторов для интенсификации испарения стараютсяпонизить давление над поверхностью раздела фаз (в надпробирочной полости)или повысить температуру жидкости.