CC BY
23УДК 66.021.2.063.8 + 532.529.2
М.П. Васильев1, РШ. Абиев2
Введение
Процесс жидкостной экстракции является одним из широко распространенных в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, например, при рафинировании продуктов, при удалении ароматических соединений из бензина. Кроме того, в производстве биодизельного топлива по щелочной технологии необходимо удаление остатков щелочи из биодизеля промывной водой. Еще одна сфера применения эмульсий в промышленности - в качестве средства переноса активных соединений, таких как вкусоароматические вещества, витамины, антиоксиданты, нутрицевтики, фитохимические соединения, лекарственные средства, химикалии и др. Введение этих компонентов требует использования соответствующего средства для переноса эффективного количества активного компонента в требуемое место его действия. Эмульсии типа масло-в-воде обычно применяются как системы переноса, поскольку они позволяют выгодно использовать повышенную растворимость липо-фильных активных соединений в масле.
Жидкостная экстракция состоит, по сути, из двух процессов: 1) диспергирование капель (эмульгирование); 2) собственно массоперенос от капель в сплошную среду (или в обратном направлении). На обе составляющие процесса экстракции влияет уровень диссипируемой в аппарате мощности. Поиск оптимальных конструкций аппаратов и режимов их функционирования является одной из задач энерго- и ресурсосбережения на уровне микро- и мезомас-штабов. Эффективным средством повышения производительности установки при уменьшении затрат энергии является использование дискретно-импульсного метода ввода энергии (ДИВЭ) [1]. Идея ДИВЭ заключается в том, чтобы предварительно введенную и случайным образом распределенную в рабочем объеме энергию аккумулировать (сконцентрировать) в локальных и дискретно обособленных точках системы и в дальнейшем импульсно реализовать для достижения необходимых физических эффектов. В качестве рабочих систем, где использование принципа ДИВЭ может быть эффективным, избираются гетерогенные системы с несколькими компонентами, нерастворимыми в несущей фазе, и с недостаточно высокими интен-сивностями тепломассообменных процессов. В качестве рабочих процессов принципа ДИВЭ используются меха-
ДИСПЕРГИРОВАНИЕ КАПЕЛЬ МАСЛА В ВОДЕ В ПУЛЬСАЦИОННОМ АППАРАТЕ ПРОТОЧНОГО ТИПА
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26
Экспериментально исследовано дробление капель масла в трубе с периодически меняющимся сечением. Получена зависимость размера капель от расхода жидкости и скорости диссипации энергии. Произведено сравнение энергетических затрат на приготовление эмульсий с диспергаторами различных типов.
Ключевые слова: диспергирование масла, эмульгирование, энергетические затраты, пульсационный аппарат проточного типа
ническое перемешивание, измельчение, эмульгирование или гомогенизация дисперсного компонента или дисперсной фазы, т.е. явления уменьшения размеров вкраплений, повышения степени их однородности, существенного увеличения удельной площади поверхности межфазного контакта, что необходимо в целом ряде технологических процессов. До недавнего времени единственным способом физических воздействий на гетерогенные среды более или менее исследованными и внедренными в промышленную практику являются: мощные сдвиговые течения (струйные смесители, мешалки, роторные аппараты), центробежные поля, ультразвуковые и электромагнитные волны (в том числе СВЧ), пульсации давления и скорости. Одним из перспективных типов оборудования являются пульсаци-онные аппараты нового поколения, среди которых особое место занимает пульсационный аппарат проточного типа (ПАПТ) [2] - аппарат, в котором пульсации возникают вдоль линий тока благодаря особой форме продольного сечения аппарата.
Целью данной работы является экспериментальное исследование процесса эмульгирования масла в воде в условиях пульсационного аппарата проточного типа, с последующим сравнением качества диспергирования (размера капель масла в воде) при заданном уровне затрат энергии в ПАПТ и аппаратах других типов.
Экспериментальная часть
Пульсационный аппарат проточного типа [2] (рисунок 1) предназначен для проведения процессов диспергирования газа в жидкости, одной жидкости в другой (эмульгирования) с сопутствующими тепло- и массообменными процессами - газожидкостных реакций, абсорбции, растворения твердой фазы, экстракции, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Попытки использования каналов с периодически меняющимся сечением в химической технологии ограничивались в основном процессами смешивания, проведением быстрых химических реакций [3, 4] и обработки капиллярно-пористых частиц [5]. Вместе с тем, изложенные в работе [6] результаты расчетов давлений, скоростей и ускорений, возникающих в трубе с периодически меняющимся сечением, дают основание полагать, что в такой
1 Васильев Максим Павлович, студ. каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, e-mail: mxmvslv@gmail.com
2 Абиев Руфат Шовкетович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, e-mail: rufat.abiev@gmail.com
Дата поступления - 25 ноября 2013 года
трубе создаются условия, благоприятные для процесса дробления пузырей.
■ d " / ■ '
L, Р D
3 Ь4
Слив Масло
Рисунок 2. Схема экспериментальной установки 1 - мерная емкость; 2 - насос; 3 - электромагнитный расходомер; 4 - ПАПТ;
5 - обратный клапан; 6 - манометр
Эксперименты проводились при различных расходах (объёмных скоростях протока жидкости) - равных фж = 0,5-1,3 м3/ч (линейная скорость жидкости на участке узкой горловины при этом равна (Уж = 1,77-4,6 м/с)). Объемный расход масла составлял 1% от расхода воды (qm = 1,38-3,6 мл/с). Оценка размера капель осуществлялась по микрофотографиям (рисунок 3), полученных зеркальным фотоаппаратом Nikon D3100 с зум-объективом NIKKOR 18-55mm f/3.5-5.6G AF-S VR DX, разрешение фотографий - 4608x3072 (14,2 млн пикселей). Необходимое увеличение достигалось при помощи оптического микроскопа марки МБС-9 со 100 кратном увеличением и окуляра 8-х со шкалой. При расходе жидкостей фж = 0,5 м3/ч, средний диаметр капель масла составлял 5ср = 156,7 мкм, тогда как при фж = 1,3 м3/ч - 5ср = 49,5 мкм.
Средний диаметр капель определялся по формуле 5ср = На рисунке 4 представлен график зависимости среднего размера капель масла от расхода жидкости.
Рисунок 1. Схема пульсационного аппарата проточного типа (ПАПТ). 1 - конфузор, 2 - горловина, 3 - диффузор, и - скорость течения, иг - радиальные скорости течения, их - осевая скорость течения
Эксперименты проводились на установке (рисунок 2), состоящей из мерной емкости 1, из которой центробежным насосом 2 вода подавалась в вертикальный ПАПТ - стеклянную трубку 4, состоявшую из десяти элементов типа «труба Вентури» [6], линейные размеры конструктивных элементов: 6 = 10 мм, D = 20 мм, Ll = 15 мм, 1_2 = L4 = 10 мм, Lз = 50 мм, а = 36° р = 11,5°. Расход жидкости измерялся электромагнитным расходомером 3 типа ВЗЛЕТ ЭР ЭРСВ-540М с относительной погрешностью измерения ±2,0%, подача масла осуществлялась в верхнюю часть трубки через обратный клапан 5 при помощи шприца объемом 10 мл, а давление измерялось манометром 6 типа Элемер АИР-20/М2-ДИ с относительной погрешностью измерения ±0,6%.
Цж, м3/ч
Рисунок 4. График зависимости среднего размера капель масла от расхода жидкости
Для более детального изучения размерного распределения капель масла в воде, диаметры и счётное число капель были разбиты на интервалы, и построены функции плотности распределения при различных скоростях протока жидкости (рисунок 5).
0,01 f 0,008 0,006 0,004 0,002
-Ож=0.5 м3/ч -Ож=0.7 м3/ч Ож=0.9 м3/ч -Ож=1.1 м3/ч -Ож=1.3 м3/ч
Рисунок 5. Плотности распределения счётного числа капель масла по размерам
По показаниям манометра были рассчитаны потери давления по длине ПАПТ - ДР (см. таблицу 1). Для этого, из показаний манометра Р были вычтены, потери на трение по длине ДРь и потери на повороты ДРпов в трубке за аппаратом.
Таблица 1. Результаты расчета потери давления по длине ПАПТ
APl, Па ZAP™, Па P, Па AP, Па
1615,83 69,56 13110,00 11424,60
1536,40 136,35 24430,00 22757,25
2537,91 225,39 37230,00 34466,70
3789,44 336,69 46860,00 42733,87
5290,97 470,25 54770,00 49008,77
Энергетические затраты на приготовление эмульсии при различных расходах жидкости (удельная скорость диссипации энергии) £м, Вт/кг (см. таблицу 2) рассчитывались по формуле — —
£м~ т'
где N - мощность, диссипированная в ПАПТ, Вт; т - масса жидкости, находящейся в ПАПТ, кг
Критерий Рейнольдса в узком сечении рассчитывался по формуле
Re =
уж • d • Рж /V
Рисунок 3. Размер капель масла при <3Ж = 0,5 м3/ч (а) и Ож = 1,3 м3/ч (б) (размер фотографируемой области 1 мму
где Уж - линейная скорость жидкости на участке узкой горловины, м/с; - диаметр ПАПТ в узком сечении, м; рж - плот-
180
160
140
120
100
30
60
40
20
0
1,4
0-50 50-100 100-150 150-200 200-250 250-300 300-450
5. мкм
ность жидкости, кг/м3; у - вязкость жидкости, Па-с. Мощность N определялась как
N = АР ■ (}ж.
Таблица 2. Результаты расчета удельной скорости диссипации
энергии
Qu, м3/ч Re N, Вт £, Вт/кг ömax, мкм бср, мкм
0,50 17692,85 1,59 4,81 444,44 156,70
0,70 24769,99 4,43 13,41 266,67 81,60
0,90 31847,13 8,62 26,11 177,78 75,28
1,10 38924,27 13,06 39,56 160,00 67,97
1,30 46001,42 17,70 53,62 155,56 49,49
График зависимости максимального и среднего размера капель от удельной скорости диссипации энергии приведен на рисунке 6.
■6max=f(£) -6cp=f(e)
Рисунок 6. График зависимости максимального и среднего размера капель масла от удельной скорости диссипации энергии
Результаты и их обсуждение
Дробление капель масла в ПАПТ происходит за счет возникновения радиальных скоростей течения иг, вызванных периодически меняющимся сечением трубы (рисунок 1). При этом скорость протока фж = 1,3 м3/ч достаточна для диспергирования капель масла до размеров в 20 мкм за короткое время.
Из графика на рисунке 5 следует, что распределение размеров капель с ростом расхода жидкости смещается влево, а значит, по мере увеличения удельной скорости диссипации в аппарате преобладает мелкодисперсная фракция капель, 94% счётного числа которых меньше 70 мкм. Очевидно, что при большем расходе жидкости, размер капель будет уменьшаться. Сравнение степени диспергирования с диспергаторами различных типов в широком диапазоне удельных энергетических затрат на приготовление эмульсий показано на рисунке 7.
1 101 ю2 103 ю4 1 05 1 06 1 07 1 08 1 0®
Диссипация энергии Ей, Вт кг
Рисунок 7. Сравнение энергетических затрат на приготовление эмульсий
Заключение
Проведенное экспериментальное исследование дробления капель масла в пульсационном аппарате проточного типа показало, что с ростом расхода жидкостей средний диаметр d10 капель уменьшается.
Энергетические затраты на приготовление эмульсии сопоставимы с затратами статических миксеров, при этом максимальный размер капель масла диспергированных в воде меньше в 1,5 раза. Аналогичный диаметр капель можно получить в аппаратах с механическими мешалками, в которых затраты энергии выше. Таким образом, показано, что пульсационный аппарат проточного типа позволяет более эффективно использовать вводимую в аппарат энергию по сравнению со статическими смесителями.
Вместе с тем, потенциал ПАПТ исследован недостаточно полно. В частности, пока рассматривалась область низких энергозатрат (не более 55 Вт/кг). В дальнейших исследованиях предполагается расширить испытуемый диапазон путем объёмных скоростей протока фаз, а также посредством введения третьей - газовой -фазы, что может послужить дополнительным способом повышения как степени эмульгирования, так и массоот-дачи в системе жидкость-жидкость.
Литература
1. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Принципы разработки новых энергоресурсосберегающих технологий и оборудования на основе методов дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. 1997. Т. 19, № 4-5. С. 13-25.
2. Способ интенсификации реакционных и мас-сообменных процессов в гетерогенных процессах и аппарат для его осуществления: пат 2264847 Рос Федерация. № 2004103160/15; заявл. 03.02.2004; опубл. 10.07.2005. Б.И. 33, 2005
3. Берлин А. А., Минскер К.С., Захаров В.П. О новом типе реакторов для проведения быстрых процессов // Докл. РАН. 1999. Т. 365. № 3. С. 360-363.
4. Тахавутдинов Р.Г., Дьяконов Г.С., Деберде-ев Р.Я., Минскер К.С. Турбулентное смешение в малогабаритных аппаратах химической технологии // Хим. промышленность. 2000. № 5. С. 41-49.
5. Устройство для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц: пат. 2064319 Рос. Федерация. № 94008760/26; заявл. 14.03.1994; опубл.27.07.1996. Б.И. 10, 1996.
6. Абиев Р.Ш. Течение однородной несжимаемой жидкости в трубе с периодическим меняющимся сечением // Журн. хим. и нефтегаз. машиностр. 2003. № 1. С. 6-10.
7. Абиев Р.Ш., Аксенова Е.Г., Островский Г.М. Новые разработки пульсационной резонансной аппаратуры для жидкофазных систем // Хим. промышленность. 1994. № 11. С. 764-766.
8. Абиев Р.Ш. Исследование течения газожидкостной системы в трубе с периодически меняющимся сечением // Хим. промышленность. 2003. Т. 80. № 12. С. 1017.
9. Абиев Р.Ш. Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии. СПб.: изд-во ВВМ, 2006. 188 с.
10. Аппарат и способ осуществления взаимодействия фаз в системе газ-жидкость и жидкойсть-жидкость: пат. 2186614 Рос. Федерация. №. 2000123334/12; заявл. 07.09.2000; опубл. 10.08.2002. Б.И. 22, 2002.
11. Карпачева С.М., Рябчиков Б.Е. Пульсаци-онная аппаратура в химической технологии. М.: Химия, 1983. 224 с.
