CC BY
19
УДК 66.063.8(043.2)
ПОЛУЧЕНИЕ ЭМУЛЬСИИ В СТАТИЧЕСКОМ СМЕСИТЕЛЕ С НОВЫМ ВИХРЕВЫМ ВНУТРЕННИМ УСТРОЙСТВОМ
М.О. Сиволоцкий, О.В. Чагин
Ивановский государственный химико-технологический университет
Статья посвящена исследованию новой конструкции статического смесителя. Дана схема экспериментальной установки по смешению жидкостей и порядок ее работы. Описана пакетная вихревая насадка и ее принцип действия. Представлены результаты исследования гидравлического сопротивления статического смесителя и качества полученной эмульсии вода-масло.
Ключевые слова: статический смеситель, гидравлическое сопротивление, смешивающий элемент, вихревая ячейка, пакетная вихревая насадка.
Одним из перспективных направлений создания оборудования для смешения являются статические смесители, используемые для получения однородных жидких и газовых смесей, эмульсий, суспензий, для подогрева холодных жидкостей паром и охлаждения газов жидкостью и др. Статический смеситель представляет собой участок трубы, внутри которой особым образом закреплены смесительные элементы различного профиля, для подвода смешивающих компонентов и отвода смеси. Смеси, полученные в таких аппаратах, могут быть гомогенными (смешанные бензиновые компоненты направляют на хранение) и гетерогенными (смеси, полученные при очистке дистиллятов, направляют в отстойник) [1]. Преимущества статических смесителей перед емкостной аппаратурой с перемешивающими устройствами и динамическими (вибрационными) смесителями, при сопоставимых результатах, по качеству получаемых смесей связано с низкой энерго- и металлоемкостью, простотой изготовления и обслуживания, компактностью и дешевизной [6].
При разработке статического смесителя особый упор делается на конструкцию внутренних смесительных элементов, определяющих основные параметры смесителя, такие как качество смешения и его гидравлическое сопротивление.
На кафедре «Машины и аппараты химических производств» ИГХТУ создана
экспериментальная установка для исследования процесса смешения с использованием статического смесителя.
На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки. Из емкостей (3) и (5) подаются смешиваемые жидкости. Насосами (2) и (6) создаются необходимые расходы смешиваемых компонентов, а также их соотношение. Смеситель (1) состоит из четырех царг, соединенных друг с другом. В царгах устанавливаются смешивающие элементы, обеспечивающие смешение жидкостей. Смешиваемые жидкости поступают на вход смесителя, где неоднократно рассекаются насадочными элементами на перемешивающиеся между собой струи. Готовая смесь поступает в бак (4). Пробоотборник, расположенный на выходе из смесителя, служит для отбора полученной смеси для проведения анализа качества смешения. Максимальный расход жидкой фазы, который может обеспечить данная
установка - 30 мэ/ч. Внутренний диаметр смесителя - 105 мм, а длина - 2000 мм.
Первым этапом исследования статического смесителя явилось определение его гидравлического сопротивления в зависимости от числа смешивающих ячеек и скоростей течения смешиваемых жидкостей. В качестве смесительного элемента использовалась пакетная вихревая насадка (ПВН) (рис. 2).
Рис.1. Схема экспериментальной установки для смешения жидкостей:
7-смеситель; 2-насос; 3-емкость с жидкостью (1); 4-емкость с готовой смесью; 5-емкость с жидкостью (2); 6-насос дозирующий; 7,8-вентиль; 9-измерительная диафрагма
Рис.2 Вариант конструкторского исполнения пакетной вихревой насадки, который использовался в экспериментах по определению гидравлического сопротивления
ПВН показала хорошие результаты в процессах тепломассообмена и ректификации [2]. Она состоит из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы (рис. 3), соединенных между собой в единый пакет. Ячейки образованы взаимопересекающимися полосами листовой стали. При этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга
по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе и на выходе ячейки за счет загнутых внутрь окончаний, которые образуют завихрители на входе и выходе каждой ячейки. Завихрители на входе и выходе в каждой ячейке расположены перпендикулярно друг другу, а поверхность каждой ячейки может быть полностью или частично покрыта шероховато-
стью и/или перфорацией любой формы [3]. Пакетная насадка хорошо масштабируется, так как, даже при увеличении диаметра аппарата, возрастает лишь число ячеек в пакете [4]. Размеры ячеек были
следующие: эквивалентный диаметр - 11 мм, длина ячейки - 30 мм. В экспериментах использовались пакеты ПВН высотой 180 мм, содержащие по высоте 6 ячеек.
Рис.3. Внешний вид ячейки насадки ПВН
ПВН работает следующим образом: жидкость попадает внутрь ячейки только через боковые каналы и распределяется равномерно по ее внутреннему объему вихрем, который образуется за счет турбулентного режима движения жидкой фазы. Вихревое движение внутри ячейки характеризуется большими скоростями сдвига, которые позволяют существенно понизить эффективную вязкость в жидкости. Движение вихря поддерживается за счет энергии жидкостного потока, скорость которого достаточно велика. Форма ячейки приводит к разделению потоков на входе и выходе из нее на равные части, каждая из которых поступает в соседние ячейки следующего потока, тем самым достигается изотропность потоков по диаметру аппарата. Выход жидкости из ячейки направлен под углом 90 градусов по отношению ко входу в ячейку. Далее жидкость входит в следующий канал насадки и аналогично происходит изменение ее направления. Отсутствие прямолинейных каналов вдоль вертикальной оси полностью исключает вероятность неполной смеши-
ваемости потоков жидкости. Поскольку сопротивление ячеек в пакете одинаково, то жидкая среда распределяется по всем ячейкам равномерно. Те явления, которые происходят в одной ячейке, также характерны и для других соседних ячеек [4]. Эффект интенсивного перемешивания подаваемых веществ достигается в процессе движения потока внутри аппарата на укрепленных элементах специальной насадки за счет многократного деления и направленного закручивания потока. При этом компоновка элементов насадки обуславливает непрерывное чередующееся изменение направления движения и закручивания потоков в противоположные стороны относительно оси смесителя. Степень измельчения и гомогенизации входящего потока зависит не только от скорости движения и вязкости жидкости, но и от количества и размеров встроенных смесительных элементов [5]. Многократное дробление жидкостного потока, а так же изменение направления движения данного потока внутри наса-дочных элементов и приводит к увеличению дисперсности смешиваемых сред.
Пакет данной насадки представляет собой набор ячеек, соединенных между собой в горизонтальной плоскости и содержащий по высоте 6 ячеек.
Первым этапом экспериментальных исследований явилось определение гидравлического сопротивления статического смесителя. Перепад давлений опре-60
делялся при разных расходах жидкости и при изменяющемся количестве вихревых ячеек по высоте аппарата. Ниже приведены зависимости критерия Эйлера от режима движения жидкости в смесителе при различном количестве вихревых ячеек по высоте аппарата.
110000
12СКЮО
Рис. 4. Зависимости критерия Эйлера от режима движения жидкости в смесителе при разном количестве вихревых ячеек ПВН по высоте смесителя. 1-6 ячеек, 2-12 ячеек, 3-18 ячеек,
4-24 ячейки, 5-30 ячеек
Эффект интенсивного перемешивания подаваемых веществ достигается в процессе движения потока внутри аппарата на укрепленных элементах специальной насадки за счет многократного деления и направленного закручивания потока. При этом, компоновка элементов насадки обуславливает непрерывное чередующееся изменение направления движения и закручивания потоков в противоположные стороны относительно оси смесителя. Степень измельчения и гомогенизации входящего потока зависит не только от скорости движения и вязкости жидкости, но и от количества и размеров встроенных элементов [5]. Многократное дробление жидкостного потока, а также изменение направления движения данного потока внутри насадочных элементов и приводит к росту гидравлического со-
противления статического смесителя. При обработке результатов методом аппроксимации была получена зависимость гидравлического сопротивления статического смесителя в зависимости от расхода жидкой фазы и количества вихревых ячеек по высоте аппарата.
Ей = 415134,8 ■ ■ (1/1)'°'^ , (1)
где Яе - критерий Рейнольдса,
£" а - критерий Эйлера,
(¿3 - эквивалентный диаметр канала смесительного элемента, м,
. - длина канала смесительного элемента, м, £ - суммарная длина смесительных пакетов, м.
Среднее отклонение расчетных и экспериментальных данных составляет 8,17%. Максимальное отклонение -22,2%.
Вторым этапом исследования статического смесителя явилось определение качества смешения в зависимости от числа смешивающих элементов и скоростей течения смешиваемых жидкостей. В качестве смешиваемых сред использовались вода и растительное масло. Полученная эмульсия содержала 2,5% масла. Обработка результатов занимала около двух минут (время распада полученной эмульсии около 4-х минут) и проводилась на лазерном дифракционном анализаторе размера частиц «Апа^ейе 22», который
позволял определить диаметры полученных частиц и дисперсность эмульсии.
На рис. 5 приведена зависимость средних диаметров полученных размеров капель от скорости движения жидкости в смесителе при различном количестве вихревых ячеек по длине аппарата.
На рис. 6 приведена зависимость коэффициента вариации от скорости движения жидкости в смесителе при различном количестве вихревых ячеек по длине смесителя.
от о.в о.$
Скорость движения жидкости, м/с
11
Рис. 5. Зависимость средних диаметров полученных размеров капель масла в воде от скорости движения жидкости в смесителе при разном количестве вихревых ячеек ПВН по длине смесителя.
1-18 ячеек, 2-24 ячеек, 3-30 ячеек, 4—38 ячеек
Скорость движения жидкости, м/с
Рис. 6. Зависимость коэффициента вариации капель масла в воде от скорости движения жидкости в смесителе при разном количестве вихревых ячеек ПВН по длине смесителя. 1-18 ячеек, 2—24 ячеек, 3—30 ячеек, 4—38 ячеек
Критерий Вебера,
При обработке результатов методом аппроксимации была получена зависимость отношения диаметров получаемых капель к эквивалентному диаметру ячейки в зависимости от расхода жидкой фазы и количества вихревых ячеек по высоте аппарата.
? = 357,3
(2)
где
р - плотность смеси, кг/ма,
- скорость потока, м/с,
D - диаметр смесителя, м,
- коэффициент поверхностного натяжения, Н/м,
- эквивалентный диаметр канала смесительного элемента, м,
- диаметр полученной частицы,
м,
I - длина канала смесительного элемента, м,
£ - суммарная длина смесительных пакетов, м.
Среднее отклонение расчетных (по уравнению 1) и экспериментальных данных составляет 6,52%. Максимальное отклонение - 19%.
Полученные результаты по определению качества смешения статического смесителя с использованием ПВН, применяемой в качестве смешивающего элемента, говорят о сложном характере взаимодействия струй жидкости, движущихся внутри смешивающих элементов. Диаметр капель, как следует из экспери-
ментальных исследований из уравнения (2), уменьшается при увеличении расхода жидкости и количества смешивающих насадок. Приведенные опыты по смешению и диспергированию жидкостей показывают, что использование статического смесителя с пакетной вихревой насадкой позволяет осуществить достаточно хорошее смешение жидкости и даже получение грубодисперсных эмульсий, что важно для осуществления последующих
реакций в системах ж^ + ж2 в реакторах непрерывного действия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рабинович Г.Г., Рябых П.М., Хохряков П.А. и др. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник. М.: Химия, 1979. - 568 с.
2. Назаров Г.Е., Блиничев В.Н., Кравчик Я., Чагин О.В. Влияние конструкции пылеулавливающего аппарата на предельную концентрацию орошающей суспензии // Химия и химическая технология. - 2000. - Т. 43. - №. 2. - С. 32-36.
3. Кадыров Р.Ф., Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кадыров Р.Р. Патент РФ № 2205063 «Пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных аппаратов». 2003.
4. Повтарев И.А., Блиничев В.Н., Чагин О.В., Кравчик Я. Исследование гидравлического сопротивления насадочного слоя колонного оборудования // Химия и химическая технология. -2006. - Т. 49. - №. 12. - С. 109-110.
5. Чаусов Ф.Ф. Отечественные статические смесители для непрерывного смешивания жидкостей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2009. - Т. №. 3. - С. 11-14.
6. Генералов М.Б. Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ: Учеб. пособие для вузов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 397 с.
Рукопись поступила в редакцию 11.04.2014
EMULSION PRODUCTION IN STATIC MIXER WITH A NEW VORTICAL INTERNAL DEVICE
M. Sivolotskiy, O. Chagin
The article is devoted to the research of a new construction of static mixer. The scheme of experimental plant on liquid mixing and its working order are given. The batch vortical attachment and its operating principal are described. The results of the research of static mixer hydraulic resistance and of the quality of the received water-oil emulsion are presented.
Key words: static mixer, hydraulic resistance, mixing element, vortical cell, batch vortical attachment.
