CC BY
41
ках через сплошной слой чистой жидкости так и при мембранном диспергировании газа в неподвижный слой жидкости, содержащей ПАВ. Поскольку, закон распределения не меняется с изменением газосодерхсания и расхода газа, то, по всей видимости, процессы дробления и коалесценции не существенны.
Библиографические ссылки
1. Н. Kolber, Е. Borchers. И. Langemarm // Chem. Ing. Techn. V. 33. 1961. №
10. P. 668
2. W. Siemes, E. Borchers HChem. Eng. Sci. V. 12, I960. № 2. P. 77
УДК 66.048.37
В. В. Акимов, Н. А. Мамченков, Е. А. Дмитриев, А. М. Трушин Российский химико-технологический университет, им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ДИСПЕРСИЙ
The line gas-liquid dispersion producing process is considered. The description of the experimental setup for the investigation of hydrodynamics of this process is given. The way of gas permeating through the tubular ceramic membrane with the mean pore diameter of 200 nm the microbubbles were produced. The size distribution of these microbubbles was determined on the base of experiments.
Рассмотрен процесс получения тонких газо-жидкостных дисперсий. Дано описание лабораторной установки для исследования гидродинамики данного процесса. Путем диспергирования газа через трубчатую керамическую мембрану со средним диаметром пор 200 нм получены газовые микропузырьки. На основе экспериментов установлено распределение полученных ми кро пузырь ко в по размерам.
В последние годы всё большее значение приобретает проблема экономии и рационального использования материальных и энергетических ресурсов. Поэтому перед современной химической технологией встает задача создания высокоэффективных аппаратов, способных с наименьшими затратами энергии и ресурсов достигать получения необходимого продукта. В химической промышленности имеется достаточно широкий ряд производств, в которых требуется осуществлять контакт между газовой и жидкой фазами. Однако, несмотря на распространенность таких процессов, аппараты, применяемые для их проведения (тарельчатые и насадочные колонны, химические реакторы с барботажным слоем, ферментеры) зачастую страдают от ряда существенных недостатков, главными из которых является значительные размеры и высокая стоимость [1]. Дело в том, что при осуществлении процессов газожидкостного контакта, одним из ключевых параметров процесса является площадь поверхности контакта взаимодействующих фаз. Чем больше площадь контакта газовой и жидкой фаз, тем более эффективно
протекает процесс массопереноса. Во многих аппаратах газожидкостного контакта взаимодействие между газовой и жидкой фазами осуществляется с помощью, барботирования газа через слой жидкости. В этом случае газ, с помощью различных диспергирующих устройств, распределяется в жидкости в виде пузырьков, которые и формируют поверхность контакта фаз. Величина этой поверхности непосредственно зависит от размеров получаемых пузырьков - чем меньший диаметр они имеют, тем больше величина поверхности раздела фаз. Диаметр пузырьков, в свою очередь зависит от применяемого диспергирующего устройства. В настоящее время в химической промышленности барботаж газа главным образом осуществляется при использовании тарелок и сопел различной конструкции. Применение таких устройств приводит к образованию достаточно крупных пузырьков, что обусловливает значительные размеры аппаратов и их высокую стоимость. В качестве альтернативы имеющимся методам рядом исследователей было предложено использовать метод получения тонких газожидкостных дисперсий с помощью нано- и микропористых мембран [2, 3]. В этих исследованиях был осуществлен процесс получения монодисперсных нано- и микропу-зырыгав с помощью стеклянных наноггористых мембран. В рассматриваемом методе газовая фаза продавливалась через поры мембраны в подвижную [2] и неподвижную жидкую фазу [3], образуя в пей микропузырьки. Поученные микропузырьки имели размеры от 300 нм до 500 мкм. При этом экспериментально было установлено, что диаметр получаемых пузырьков непосредственно зависит от диаметра отверстия поры (чем больше диаметр поры тем больше диаметр пузырька). Это, как отмечают авторы, может позволить производить контроль размеров получаемых микропузырьков. Основываясь на полученных результатах, авторы указывают на применимость процесса получения микропузырьков к разработке высокоэффективных аппаратов газо-жидкостного контакта, поскольку в данном процессе создается чрезвычайно большая поверхность раздела между газовой и жидкой фазами.
С целью исследования основных гидродинамических и массообменных закономерностей процесса мембранного диспергирования газа была создана лабораторная установка, схема которой приводится на рисунке 1.
Центральной частью установки является мембранный модуль. Он представляет собой стальной цилиндрический корпус длинной 750 мм и диаметром 050x3 мм, внутри которого устанавливается трубчатая керамическая мембрана. Мембрана крепиться в модуле с помощью системы прокладок и прижимных втулок. Такая конструкция, во-первых, обеспечивает герметизацию пространства для подачи газа, а во-вторых, позволяет легко заменить мембрану на другую. Мембраны, использованные в экспериментах по получению микропузырьков, имели длину 800 мм, диаметр 010x2 мм, и средний диаметры пор 200 нм. Предварительные испытания показали, что данный мембранный модуль способен обеспечивать необходимую герметичность при давлениях газа в 7-8 бар.
Согласно имеющимся литературным данным [2], заметное влияние скорости на средний диаметр микропузырька наблюдается в диапазоне от 1 до 4 м/с, дальнейшее увеличение скорости почти не влияет на размеры мик-
ропузырьков. Для мембран с внутренним диаметром 6 мм этот диапазон . скоростей соответствует расходам жидкой фазы р = 102-^-407 л/ч. С целью обеспечения подачи жидкости с указанными расходами в установке используется центробежный насос способный обеспечить подачу 0 = 240 л/ч при напоре в 90 м. Для измерения расхода жидкости используется поплавковый ротаметр Р* с диапазоном измерений от 63 до 413 л/ч. В качестве жидкости используется дистиллированная вода, которая перекачивается из емкости Е| в емкость Ег.
Газовая фаза (воздух или смесь воздуха и ОСЬ) подается в корпус мембранного модуля при помощи воздушного безмаслянного компрессора и баллона с углекислым газом. При этом давление газа может достигать 8 бар. Для измерения расходов газа используются ротаметры РГ| и Р,2 с диапазоном измерений от 0.23 до 2,6 м3/ч.
/3 /
I—Г
1
, 4
I
СЕ
'тР
2
К,
txi
J ''
Рис. 1 Схема лабораторной установки для исследования гидромеханических и массо-обмевных закономерностей процесса мембранного диспергирования газа; 1-компрессор; 2-насос; 3-манометр; 4-мембранный модуль; 5-отбор проб; б-колоииа.
Кроме этого рассматриваемая установка включает колонну из оргстекла, размером 150*150*800 мм. Колонна позволяет осуществлять фотографирование получаемой газо-жидкостной дисперсии, а так же проводить эксперименты по определению газосодержания в сплошном слое жидкости. Измерение размеров микропузырьков производилось с помощью спектрометра динамического рассеяния света Photocor Complex. Метод, заложенный в основе работы прибора, позволяет определить коэффициент диффузии дисперсных частиц в жидкости путем анализа характерного времени флуктуаций интенсивности рассеянного света. Далее, из коэффициента диффузии рассчитывается радиус наночастиц.
Хаотическое броуновское движение дисперсных частиц вызывает микроскопические флуктуации их локальной концентрации. В свою очередь, эти флуктуации приводят к локальным неоднородностям показателя преломления среды. При прохождении лазерного луча через такую среду часть света будет рассеяна на этих неоднородностях. Флуктуации интенсивности рассеянного света будут соответствовать флуктуациям локальной концентрации дисперсных частиц.
Рис. 2. Распределение пузырьков по размерам
Correlation time 1.5?7Q9e+01 points
Correlation Irme 3.15418e-03 s 2. eSs-СИ •
Diffusion coefficient 307S07e-09 i 7.72e-10 cm'cirt/s
Mean radius 269.484600 ±22.912370 rim
Polydrspersity index; 1.58922e~01 i8,61«-01
Asymmetry index not found
[ Moxt |j
Рис. 3. Среднестатистические параметры пузырьков
В соответствии с теорией Онзагера, релаксация микроскопических флуктуаций концентрации к равновесному состоянию может быть описана первым законом Фика (уравнением диффузии): дс(г,1)
..= -РУс(г,/),
а ' ;
где с (г, I) - концентрация и О - коэффициент диффузии частиц.
Можно показать, что автокорреляционная функция интенсивности экспоненциально затухает во времени и характерное время релаксации однозначно связано с О. Корреляционная функция интенсивности рассеянного света имеет вид:
0(1) = а ехр (-2? //с )+Ь, где а и Ь - экспериментальные константы.
в соответствии с решением уравнения диффузии обратное время корреляции равно:
^С
Волновой вектор флуктуаций концентрации описывается выражением:
q =(4лп/Л)зт&/2, где и - показатель преломления жидкости, в которой взвешены дисперсные частицы, X - длина волны лазерного света и ,9 - угол рассеяния.
Константы ?с, о и b могут быть найдены путем аппроксимации измеренной корреляционной функции теоретической экспоненциальной функцией. Если форма частиц известна или задана, их размер может быть рассчитан с использованием соответствующей формулы. Для сферических частиц можно использовать формулу Стокса-Эйнштейна:
D = квТ / 6лт]Я ,
где ki) - константа Больцмана, Т - абсолютная температура и i] - сдвиговая вязкость среды, в которой взвешены частицы радиуса R.
В экспериментах по изучению размеров микропузырьков жидкость подавалась в полость керамической мембраны со скоростью 1,9 м/с, газ продавливался через поры мембраны с давлением 4.5 бар. Производился отбор проб газо-жидкостной смеси на выходе из мембранного модуля и проводились соответствующие измерения. Среднее время измерения составляло 5-8 минут. Некоторые результаты представлены на рисунках 2 и 3.
Как видно из рисунков, средний радиус пузырька составляет 270 нм. Стоит заметить, однако, что на момент измерения. (5-8 мин) в воде оставались лишь наиболее мелкие, седимснтационноустойчивые, пузырьки. Для определения размеров основной массы получаемых пузырьков, исчезающих через более короткое время, будут проведены дополнительные исследования.
Библиографические ссылки
1. S. Atchariyawut, R. Jiraratananon, R. Wang; Separation of C02 from CH,( by using gas-liquid membrane contacting process // Journal of membrane science, 2007. 304. PP.163-172.
2. M. Kukizaki, M. Goto; Size control of nanobubbles generated from SPG membranes // Journal of membrane science, 2006. 281. PP.386-396.
3. M. Kukizaki, M. Goto; Spontaneous formation behavior of uniform-sized microbubbles from SPG membranes in the absence of water-phase flow.// Colloids and surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 2006. 14097.
УДК 621.762:666.3-127+532.685
A. H. Пивкин, В. H. Грунский, А. В. Беспалов, А. И. Козлов
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева. Москва. Россия!
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БЛОЧНЫХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЯЧЕИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЕЙ
Process of the filtration of gas in a range of speeds 0,1 ... 2,3 m/s on the filters made from high porous of cellular ceramic materials is considered. Laws of change of aerodynamic properties (aerodynamic resistance, gas permeability, resistance factor) both single samples and the packages made of separate samples are investigated.
6i
