CC BY
0Группа научных специальностей:
Математика и механика Шифр научной специальности:
1.1.9
УДК 66.063.612
ЖЕЛУДКОВ Владимир Геннадьевич,
Аспирант, Тамбовский государственный технический университет, e-mail: [email protected]
ЗАВИСИМОСТЬ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ ЭМУЛЬСИИ ОТ КРАТНОСТИ ОБРАБОТКИ В ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ
КАВИТАТОРЕ
АННОТАЦИЯ. Проведены экспериментальные исследования по обработке 10% -ой эмульсии подсолнечного масла в дистиллированной воде без эмульгатора и с эмульгатором Твин-20 и в гидродинамическом кавитаторе. Установлено, что для эмульсии с эмульгатором после 4-кратного прохождения через кавитатор уменьшение среднего диаметра частиц незначительно. Для эмульсии без эмульгатора диаметр частиц не увеличивается после 6-кратной обработки эмульсии в кавитаторе. Добавление ведение эмульгатора позволяет в 1,5 раза сократить кратность и, соответственно, время и энергозатраты на получение тонкодисперсной эмульсии с наименьшим средним диаметром частиц при обработке в кавитаторе. Средний размер частиц эмульсии растительного масла в воде с добавлением эмульгатора в 8 раз меньше, чем средний размер частиц эмульсии без эмульгатора.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: эмульсия, гидродинамический кавитатор, кратность обработки.
ZHELUDKOV Vladimir Gennadievich,
Graduate student, Tambov State Technical University
DEPENDENCE OF EMULSION PARTICLE SIZE ON PROCESSING RATE IN HYDRODYNAMIC CAVITATOR
ANNOTATION. Experimental studies have been conducted on the treatment of 10% sunflower oil emulsion in distilled water without emulsifier and with Twin-20 emulsifier and in a hydrodynamic cavitator. It was found that for an emulsion with an emulsifier, after passing through a cavitator 4 times, the decrease in the average particle diameter is insignificant. For an emulsion without an emulsifier, the particle diameter does not increase after 6-fold treatment of the emulsion in a cavitator. The addition of an emulsifier makes it possible to reduce the multiplicity by 1.5 times and, accordingly, the time and energy consumption for obtaining a finely dispersed emulsion with the smallest average particle diameter during processing in a cavitator. The average particle size of an emulsion of vegetable oil in water with the addition of an emulsifier is 8 times smaller than the average particle size of an emulsion without an emulsifier.
KEY WORDS: emulsion, hydrodynamic cavitator, treatment multiplicity.
Процесс эмульгирования реализуется в различных отраслях промышленности как непосредственно для получения тонкодисперсных эмульсионных систем типа масло/вода, вода/масло, так и в качестве вспомогательного процесса для проведения других химико-технологических процессов, например, жидкофазной экстракции. В любом случае процесс эмульгирования должен обеспечить диспергирование одной жидкости в другой жидкости при условии отсутствия способности их полного или частичного растворения друг в друге. В основном, это
обусловлено полярностью молекул жидкости -одна из жидкостей является полярной, а другая неполярной.
Для получения стабильных тонкодисперсных эмульсий широко применяются статические смесители, которые характеризуются высокой производительностью, малыми удельными энергозатратами и простотой конструкции [1, с. 205]. Статические смесители, которые обеспечивают высокое качество смешивания компонентов за счет интенсивного гидродинамичекого режима, при котором генерируется развитая турбулент-
N111 ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III мм мм мм мм ми
ность, интенсивная кавитация, макро- и микроимпульсы давления в потоке обрабатываемой жидкости, называются гидродинамическими кавитаторами и широко применяются для получения тонкодисперсных и колоидных гетерогенных систем, изменения физико-химических характеристик жидкостей [2, с. 1, 3, с. 18837].
Одним из факторов, влияющих на дисперсность эмульсии является кратность обработки. Как правило, за один проход в проточных аппаратах не всегда удается достичь требуемого размера частиц. Традиционно, для получения заданного качества эмульсионные системы обрабатывают несколько раз, организуя циклическое движение жидкости по замкнутому контуру установки. С другой стороны, нельзя допускать превышение энергозатрат на дробление частиц эмульсии при излишней кратности ее обработки. Показателем достаточности количества циклов
обработки является снижение степени дробления частиц эмульсии с каждым последующем циклом обработки.
Экспериментальные исследования по эмульгированию проводили на установке с проточным гидродинамическим кавитатором ПГК-1/12 с 4 трубками Вентури. При прокачке воды под давлением в 12 атм расход через кавитатор составляет 1 м3/час. Технологическая схема установки на базе представлена на рисунке 1. Установка включает в себя кавитатор, плунжерный насос, емкость для эмульсии, приборы для измерения расхода, давления и температуры. Частота вращения вала насоса регулировались частотным преобразователем. Обработка осуществлялась перекачиванием эмульсии из емкости насосом под давлением в кавитатор и обратно в емкость.
Рисунок 1. Технологическая схема установки с ПГК-1/12: 1 - гидродинамический кавитатор; 2 - плунжерный насос; 3 - электродвигатель насоса; 4 - - частотный преобразователь; 5 - емкость; 6 - счетчик жидкости; 7 - манометр; 8 - термометр;
9,10- краны
Соотношения воды и масла в эмульсии принималось 9:1. Эмульгирование проводили без добавления и с введением эмульгатора Твин-20 (2%). Твин-20 - это полиоксиэтилен (20) сор-битан моноолеат - неионое ПАВ, с гидрофиль-но-липофильным балансом (ГЛБ) около 15. Для получения устойчивой эмульсии подсолнечного
масла в воде достаточно ГЛБ=8 [4, с. 112]. Использовалась дистиллированная вода по ГОСТ Р 58144-2018 «Вода дистиллированная. Технические условия» и подсолнечное рафинированное масло, соответствующее ГОСТ 11292013 «Масло подсолнечное. Технические условия».
1111 ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ IIIIIIIIIII11IIIII11IIIIIIIIIIIIIIIII11IIIIIIIIII11IIII111III1111II111IIII111II11111II111IIII111IIII111II111IIII111IIII11III111IIII11IIII
Дистиллированная вода заливалась в емкость установки и затем в нее добавлялся эмульгатор. С помощью частотного преобразователя создавалась небольшая подача насоса около 2 л/мин. После растворения эмульгатора в воде, в емкость добавлялось подсолнечное масло и проводилось циркуляционное перемешивание для получения грубодисперсной эмульсии в течении 2 циклов оборота эмульсии через гидравлическую систему. Затем производили отбор пробы грубодисперсной исходной эмульсии
Для обработки эмульсии в установке с помощью частотного преобразователя запускали электродвигатель насоса для создания давления на входе в кавитатор 20 атм и потока 33 л/мин. Обработка эмульсии происходила в циклическом режиме за счет циркуляции эмульсии по замкнутому гидравлическому контуру из емкости в насос, затем под давлением в кавитатор и обратно в емкость Количество циклов обработки определялось по счетчику жидкости. За время обра-
ботки фиксировался объем жидкости, прошедший через кавитатор, температура эмульсии и давление на входе в кавитатор [3].
Определение размеров частиц эмульсии проводилось на приборе «Анализатор размеров частиц и дзета-потенциалов NICOMP-380ZLS». Результаты экспериментальных исследований по определению среднего диаметра частиц эмульсии от количества циклов обработки представлены на рис. 2. Средний диаметр необработанной эмульсии без эмульгатора составлял 3897 нм, с эмульгатором - 2749 нм. Эти точки не представлены на графиках для лучшей иллюстрации зависимостей размера частиц от кратности обработки, так как средний диаметр частиц обработанной в кавитаторе эмульсии многократно меньше необработанной грубодисперсной эмульсии. Изменение среднего диаметра частиц эмульсии после 4-х кратного прохождения через кави-татор составляет для эмульсии с эмульгатором -более чем в 120 раз, без эмульгатора - в 60 раз.
б, 80 пт70 60 50 40 30 20 10 0
, 1
X
. 2
О
8
12
16
20
24
Рисунок2. Графики зависимости размера частиц эмульсии сС от количества циклов обработки к: 1 ■ эмульсия без эмульгатора; 2 - эмульсия с эмульгатором
Как видно из графиков на рис. 2, для эмульсии с эмульгатором после 4-кратного прохождения через кавитатор уменьшение среднего диаметра частиц практически незначительно. Для эмульсии без эмульгатора дисперсность (обратная величина размера частиц) не увеличивается после 6-кратной обработки эмульсии в кавита-торе. Таким образом, можно сделать вывод, что
ведение эмульгатора Твин-20 позволяет в 1,5 раза сократить кратность и, соответственно, время и энергозатраты на получение тонкодисперсной эмульсии с наименьшим средним диаметром частиц для данных условий. Средний размер частиц эмульсии растительного масла в воде с добавлением эмульгатора Твин-20 в 8 раз меньше, чем средний размер частиц эмульсии без эмульгатора.
N111 ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III мм мм мм мм ми
Список литературы:
[1] A. Ghanem, T. Lemenand, D. Delia Valle, H. Peerhossaini. Static mixers: Mechanisms, applications, and characterization methods - A review // Chemical engineering research and design. 2014.
[2] M. Vasilev, R. Abiev. Intensification of Droplet Disintegration for Liquid-Liquid Systems in a Pulsating Flow Type Apparatus by Adding an Inert // Fluids. 2023.
[3] A. Thaker, V. Ranade. Emulsions Using a Vortex-Based Cavitation Device: Influence of Number of Passes, Pressure Drop, and Device Scale on Droplet Size Distributions // Ind. Eng. Chem. Res. 2023.
[4] Цымбалов, А.С. Влияние поверхностно-активных веществ на диспергирование и стабильность водомасляных эмульсий // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. -2018. - № 3 (55). - С. 108-119.
Spisok literatury:
[1] A. Ghanem, T. Lemenand, D. Della Valle, H. Peerhossaini. Static mixers: Mechanisms, applications, and characterization methods - A review // Chemical engineering research and design. 2014.
[2] M. Vasilev, R. Abiev. Intensification of Droplet Disintegration for Liquid-Liquid Systems in a Pulsating Flow Type Apparatus by Adding an Inert // Fluids. 2023.
[3] A. Thaker, V. Ranade. Emulsions Using a Vortex-Based Cavitation Device: Influence of Number of Passes, Pressure Drop, and Device Scale on Droplet Size Distributions // Ind. Eng. Chem. Res. 2023.
[4] Cymbalov, A.S. Vlijanie poverhnostno-aktivnyh veshhestv na dispergirovanie i stabil'nost' vodomasl-janyh jemul'sij // Sovremennye naukoemkie tehnologii. Regional'noe prilozhenie. - 2018. - № 3 (55). - S. 108119.
1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111 111111111111 III 111111111111 III 1111111111111111 III 111111111111II
