CC BY
17
УДК 66.047
Б.С. Сажин, М.П. Тюрин, Л.М. Кочетов, В.Б. Сажин*, И.А. Попов,
М.А. Апарушкина, О.В. Платонова
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия *Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ЭМУЛЬСИЙ В СТРУЙНОМ АППАРАТЕ
Research of division of the steady polydisperse mixes containing water and mineral oil and characterised by the maintenance of mechanical impurity is carried out. For the purpose of maintenance of steady mixes of turbulent streams demanded for division the jet device was used. Deformation and destruction of reserving covers of drops of water in the jet device occurs thanks to turbulent pulsations of speed of a moving stream. Critical diameters of drops of mixes and length of the pipeline, necessary for merge of drops are defined.
Проведено исследование разделения устойчивых полидисперсных смесей, содержащих воду и нефтепродукты и характеризующихся содержанием механических примесей. С целью обеспечения требуемых для разделения устойчивых смесей турбулентных потоков использовался струйный аппарат. Деформация и разрушение бронирующих оболочек капель воды в струйном аппарате происходит благодаря турбулентным пульсациям скорости движущегося потока. Определены критические диаметры капель смесей и длина трубопровода, необходимой для слияния капель.
Исследовались устойчивые эмульсии, содержащие воду и нефтепродукты. Согласно принятой классификации различают эмульсии: мелкодисперсные с размером капель воды от 0.1 до 20 мкм; средней дисперсности -от 20 до 50 мкм; грубодисперсные с каплями воды от 50 до 300 мкм. В исследуемых эмульсиях нефтепродуктов содержались водяные капли, соответствующие всем трём видам. Поэтому исследуемые эмульсии относятся к по-лидисперсным системам с размером капель от 5 до 300 мкм.
Кроме того, рассматриваемые эмульсии характеризуются большим содержанием механических примесей и являются множественными (лову-шечными).
Деформация и разрушение бронирующих оболочек глобул воды в струйном аппарате происходит благодаря турбулентным пульсациям скорости движущегося потока, масштаб которых Я не превышает характерного размера капли (диаметра капли dK). Размеры дробимых капель и масштаб турбулентных пульсаций должны удовлетворять условиям Я0 < Я < dK (здесь А0 - внутренний масштаб изотропной турбулентности).
Критический диаметр капли, при которой она не будет дробиться в потоке
эмульсии, для случая неоднородного потока находится из соотношения:
Зависимость критического диаметра капли от числа Яе представлена на рисунке 1. Таким образом, при Яе=50000
с!,.п = 500мкм
кр
1
при Яе=500000
^КР
у - менее ІМКМ.
Рис.1. Зависимость критического диаметра капли от числа Рейнольдса.
Деформация и дробление капель воды в высоко турбулентном потоке в струйном аппарате во многом обусловлена градиентами скорости и давления. Наличие этих градиентов приводит к тому, что на поверхности капель воды действуют различные динамические напоры, деформирующие капли.
Значительный вклад в разрушение бронирующих оболочек вносит также их соударение со стенками прямолинейного участка струйного аппарата, при этом образуется внутренняя фаза, свободная от бронирующих оболочек и с весьма большой свободной поверхностью.
Кроме разрушения бронирующей оболочки для разделения веществ важен процесс коалесценции, возможность которого определяется временем контакта двух капель достаточным для удаления плёнки сплошной фазы. Укрупнение капель в большей степени зависит от частоты столкновения, жёсткости контакта капель и времени их пребывания в потоке.
Частота СО столкновений дисперсных частиц в цилиндрической части аппарата может быть определена по формуле Смолуховского путем замены коэффициента диффузии при броуновском движении на коэффициент турбулентной диффузии:
со = Ал: ■ с1 ■ От - п, (2)
где с! - диаметр частицы; Д„ - коэффициент турбулентной диффузии; п -число частиц в единице объема.
Значение коэффициента турбулентной диффузии для трубопровода определяется следующим выражением:
л-3
а
3,30-щ -10"
т
(3)
где £) - диаметр трубопровода; //,, - средняя объемная скорость потока.
Учитывая, что не все столкновения капель жидкости заканчиваются их слиянием, частоту актов слияния СОк можно выразить как
СОк = к • (О, (4)
где к - коэффициент эффективности столкновений.
Принимая турбулентный поток однородным по всей площади поперечного сечения трубопровода, процесс изменения укрупнения капель воды в установившимся режиме для элемента длиной А/ можно описать уравнением (5):
( л/л\ Л3
п
п •
71
~6
V
а
(5)
/
( Л Л
п---------А/
(5 ^ С11 у
где п - число капель, диаметр которых равен ^ .
Изменение общего числа капель при их слиянии в процессе движения по элементу длиной А/ определяется выражением:
п =
Л
СІП . ,
п---------А/
а
і
+ --0-п
1 д
А/
(6)
о
Учитывая малость элемента длины А/, после соответствующих преобразований и учета граничного условия (при / = 0, (І{ = й?0), решение уравнений (5) и (6) можно представить в виде:
и2 Л
_ I
а2
Уио у
иг
(V)
Отсюда получим выражение для длины прямолинейного участка, необходимого для коалесценции:
Л '2
I
щА
8 К-П-Ш 8К-П.-Ж
(8)
где Ж = п ■ 71 • СІ / 6 - обводнённость смеси,
%
сі.
2 •
Приведенные соотношения для критического диаметра капель эмульсии и длины трубопровода, необходимой для коалесценции капель эмульсии до требуемого размера, могут быть использованы для расчета геометрических характеристик струйного аппарата для разделения устойчивых эмульсий.
