Экспериментальное исследование получения дисперсных систем на установке с гидромеханическим диспергатором роторного типа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАМП аналогична работе лазера. Действительно, световая энергия лампы накаливания постоянной интенсивности, которая является источником энергии лазера, преобразуется в импульсную световую энергию, излучаемую лазером в виде кротких импульсов. При импульсной кавитации роль «оптического активного вещества» выполняет смесь жидкости и пузыри газа, которые в процессе прохождения

1. Лакур П.И., Аппель Я. Историческая физика. Одесса. Вестник опытной физики, 1908, 432 с.

2. Fuchs O. Uber hochfrequente stoffbehandlunq. Chemiker -Ztq. Chemiche Apparatur. V.184, №24, 1960, s.s. 809-814.

3. Гершгал Д.А., Фридман В.M. Ультразвуковая аппаратура. - М.: Энергия, 1967, 264 с.

4. Юдаев В. Ф. Методы расчета роторных аппаратов с модуляцией потока. - в кн.: Разработка, исследование

отрицательного импульса давления увеличиваются в объеме, то есть запасают потенциальную энергию, затем после прохождения импульса давления синхронно резко сжимаются и излучают импульс давления длительностью порядка микросекунд. Этот процесс сопровождается огромными градиентами давления и скорости в микрообъемах обрабатываемой среды.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

и расчет машин и аппаратов химических производств.-М.: МИХМ, 1984, с. 139-143.

5. Соу С.Л. Гидродинамика многофазных систем. -М.: Мир, 1971, 536 с.

6. Юдаев В.Ф. Переходный режим течения жидкости через модулятор роторного аппарата. Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века. №12, 2002. с. 27.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------

Ружицкий Владимир Петрович - профессор, доктор технических наук, ОАО «Малаховский экспериментальный завод».

------Ф

^-------

--------------------------------------- © В.П. Ружицкий, 2004

УДК 662.8.051.5 В.П. Ружицкий

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ НА УСТАНОВКЕ С ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИМ ДИСПЕРГАТОРОМРОТОРНОГО ТИПА

Гидромеханические процессы диспеги-роваиия гетерогенных систем лежат в основе многих технологий и производств самых различных отраслей промышленности: химической, нефтехимической, горнодобывающей, микробиологической, пищевой фармацевтической, парфюмерной, крахмалопаточной, лакокрасочной, машиностроительной и других.

Особое место среди них занимают процессы диспергирования систем «жидкость - жидкость» и «жидкость - твердое тело», «жидкость-газ» [1]. Поэтому экспериментальное исследование процесса диспергирования имеет как научный, так и практический промышленный интерес с точки зрения совершенствования конструкций аппаратов-диспергаторов и технологии приготовления дисперсных систем в

зависимости от назначения, срока хранения, условий эксплуатации.

В процессе диспергирования с целью уменьшения сил поверхностного натяжения на границе раздела дисперсной фазы частиц и дисперсионной сплошной среды используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Характерной особенностью процесса диспергирования является кратковременность: частицы дисперсной фазы попадая в неоднородное силовое поле деформируются и разрушаются. Если дисперсная система подлежит хранению, то в конечной стадии процесса ее получения необходимо добавлять стабилизатор, который уменьшает скорость коагуляции жидких или агломерации твердых частиц. Знание действия ПАВ и стабилизаторов дисперсных систем позволяет разработать технологию их получения. ПАВ растворяют в дисперсионной среде до подачи компонентов в аппарат-диспергатор, а стабилизатор лучше вводить в дисперсную систему при последнем проходе жидкости через аппарат-диспергатор.

В качестве силового воздействия на частицу следует принимать градиент давления, градиент скорости или тангенциальные напряжения, источниками которых могут быть течения с большими градиентами скоростей, которые наблюдаются, например, в зазоре между ротором и статором гидромеханического дисперга-тора роторного типа [2], коллоидной мельницы, в мукомольных мельницах с пневмосепа-рационным процессом в кольцевом пространстве [3,4], в кавитационной области гидродинамической или акустической кавитации [5]. В последнем случае имеют место огромные градиенты сжатого давления при сжатии пузырей и модуля скорости при возникновении микроструй в кавитационной области [6, 7].

Роторные гидродинамические диспергато-ры [2] отличаются тем, что в модуляторе аппарата возникает гидродинамическая импульсная кавитация. Модулятор можно рассматривать как трубу Вентури с переменной площадью проходного сечения в узкой части трубы. Вследствие модуляции потока возникают от-

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - роторный аппарат; 2, 10 - манометры на выходе и входе в аппарат; 3, 4, 9, 11, 12 - вентили, соответственно, на выходе аппарата и при отборнике, на входе аппарата и выходе емкостей; 5 - трехходовой кран; 6, 7 - емкости; 8 -насос; 13 - трубопровод для подачи в емкость готовой продукции; 14 - объемный насос

рицательные импульсы давления, которые возбуждают акустическую импульсную кавитацию. В этом особенность гидродинамических аппаратов-диспергаторов роторного типа.

Эксперименты по диспергированию проводились на роторном аппарате. Диспергировали масло трансформаторное в воде как модельную систему получения рабочей жидкости для гидропривода механизированных крепей угледобывающих комплексов. В качестве ПАВ и стабилизаторов использовали промышленные присадки. Экспериментальная установка содержит основные узлы, которые изображены на рис. 1

Установка работает следующим образом: исходные компоненты в заданной пропорции подаются в емкость 6, которая, как и емкость 7 находится выше насоса 8. Кран 5 находится в положении, когда жидкость самотеком подается от аппарата в емкость 6. Открывается вентиль 11, жидкость заполняет насос 8 и при открытых вентилях 9 и 3 заполняется аппарат-диспергатор роторного типа 1. По мере обработки смеси в емкости готовят вторую порцию смеси и наполняют ею емкость 7. Перед последним проходом смеси через диспергатор включают дополнительный насос 14 и подают стабилизатор на вход аппарата. Когда смесь в емкости 6 готова, при помощи крана 5 отключают из системы емкость 6, дисперсную смесь направляют в трубопровод 13, а затем включают емкость 7 при помощи трехходового крана 5. Таким образом, получается полунепрерывный процесс получения дисперсной смеси при периодической работе двух гидравлических контуров. По отсчитываемому времени наполнения мерной емкости определяется расход жидкости. По известному объему обрабатываемой жидкости и ее расходу через аппарат по времени определяется число п рециркуляции

11 6

Рис. 23.Кривнимфрвнп?ишрдвпрф$шщшя. расшрар&мулья. виатщ рафщтвршизетиишаштрояадоъш&ра&цжмвакж еяФІеісрвфаз чафромедрютвхонийеёкамеЁватвргаЬпо!; рЬ-Щфнд^аї тТфк - 10

П = ■

(1)

обрабатываемой жидкости через аппарат:

01 V ’

где 0 - расход жидкости через аппарат-диспергатор; I - время диспергирования; V - объем обрабатываемой дисперсной системы.

Дисперсная система, которая получалась в результате диспергирования характеризовалась дифференциальной кривой распределения частиц по размерам и положения моды распределения на оси диаметров частиц 'т - это диаметр при котором функция распределения частиц /(') = (АЫ /Ы А') имеет максимальное значение. Мода распределения легко определяется по графику/(''). Другие характерные размеры -среднеарифметический, среднеквадратичный диаметры для логарифмически нормального распределения прямо пропорциональны друг другу. По кривым распределения можно было найти зависимость (в графическом виде) моды распределения от числа проходов смеси через аппарат.

На рис. 2 представлены кривые функции распределения частиц эмульсии по размерам в зависимости от числа проходов (1) смеси через аппарат: АЫ/(МА'), где АЫ - число частиц, имеющих диаметр в интервале

Д' ' | ' 1, '' - средний диаметр

' 2 ’ ' 2 ) частиц в данном интервале, А'1 - ширина интервала диаметра, которая определяется при построении графика и она зависит от диаметра частиц, N - необходимое и достаточное число

Техническая характеристика аппарата.

Наименование параметра Значение параметра

1. Частота вращения ротора, об/мин 2880

2. Давление в полости ротора, МПа 0,5

3. Число отверстий в роторе, шт. 77

4. Число отверстий в статоре, шт. 11

5. Радиус внешней поверхности ротора, м 0,08

6. Конусность ротора и статора, град. 5,5

7. Мощность привода ротора, кВт 2

8. Мощность привода насоса, кВт 3

частиц, наблюдаемых под микроскопом в данном опыте.

Диаметр, соответствующий максимуму функции распределения, называют модой распределения ('„), которая, как и следовало ожидать, с увеличением числа проходов смещается влево. На рис. 3 изображена зависимость моды распределения от числа проходов обрабатываемой среды через гидромеханический диспергатор роторного типа.

Из рис. 3 следует, что как данный аппарат, так и другой независимо от принципа его действия будет иметь характерную кривую (рис. 3), причем предельная минимальная мода распределения определяется возможностями аппарата независимо от числа проходов. Оптимальное же число проходов или времени перемешивания, например, мешалки, является индивидуальным как для типа аппарата, так и его конкретных параметров: геометрических, кинематических, гидравлических, динамических. Как правило, они определяются индивидуально для каждой системы жидкостей или жидкости и твердого тела, ПАВ и стабилизаторов. В процессе эксплуатации некоторые параметры изменяются (например, увеличивается величина зазора между ротором) изменяется и предельная мода функции распределения.

Для получения стабильных дисперсных систем в процессе их получения используют стабилизаторы, которые предотвращают, точнее, замедляют, процесс коагуляции или агломерации дисперсной фазы.

Если исходить из того, что достаточно мономолекулярного слоя стабилизатора на поверхности частиц дисперсной фазы толщиной 6, при известной ее дисперсности можно вычислить концентрацию стабилизатора, количество которого следует добавлять в дисперсионную среду.

Объемная концентрация стабилизатора прямо пропорциональна площади поверхности частиц, концентрации (числа частиц в единице объема) и толщине слоя стабилизатора 3:

Сс = 8 5 = 8-

С

^СС1 (2)

4

4 ^ 2

где Сс, С - объемные концентрации стабилизатора и дисперсной фазы, - дисперстность

частиц в эмульсии;

п d.,

,80/

/3d„

-концентрация частиц

4 3 я (

4 I 2 ,

Зная свойства стабилизатора (<5) можно более экономно его расходовать, так как стабилизаторы дороже, как правило, дисперсной фазы и дисперсионной среды.

С увеличением дисперсности гетерогенной системы естественно увеличивается расход стабилизатора.

Таким образом, в данной работе предложен полунепрерывный способ получения дисперсных систем путем использования трехходового крана и двух емкостей. Одна емкость работает на линии рециркуляции, а вторая служит для приготовления исходной смеси (в нашем случае емкости 6 и 7 соответственно). Готовая дисперсная система вытекает в емкость готовой продукции.

Экспериментально показано, что число проходов смеси через аппарат ограничено. При достижении некоторой дисперсности смеси, она больше не уменьшается. Предельная дисперсность данной смеси есть рабочий параметр данного аппарата, а точнее установки, так как установка определяет некоторые параметры аппарата (гидравлические - давление на входе и выходе аппарата, расход т т.п.)

При разработке технологии приготовления дисперсных систем необходимо оптимизировать расход ПАВ и выбранного химиками-технологами стабилизатора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бородин В.А., Деняткин Ю.Ф., Клячко Л.А., Ягодкин В.И. Распыливание жидкостей. - М: Машиностроение. 1977 г.

2. Балабышко А.М., Зимин А.И., Ружицкий В.П. Гидромеханическое диспергирование. - М.: Наука, 1998 г. -331 с.

3. Злочевский В.Л., Есеев Е.А. Разработка пневмо-центробежных систем для разделения промежуточных продуктов разлома. /Шестая республиканская научно-практическая конференция «Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна». - Барнаул, АГТУ, 18-20 декабря 2002 г. - с. 177-187.

4. Есеев Е.А. Критерии реализации пневмосепа-рационного процесса в кольцевом пространстве с подвижными границами//Сиб.вестн. с.-х. Науки. - 2003 г.-с.86-88.

5. Зимин А.И., Ружицкий В.П., Карепанов

С.К. Оптимизация режима импульсного кавитационного энергетического воздействия // Докл. Научно-техню конф. «Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии». - М.: ВИМИ, 1999г., с .75-77.

6. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных

сред. 4.1. М.: Наука. 1987 г. - 464 с.

7. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных

сред. Ч.П. М.: Наука. 1987 г. -360 с.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------

Ружицкий Владимир Петрович - профессор, доктор технических наук, ОАО «Малаховский экспериментальный завод».