Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аппараты циклонного типа, основные «нехимические» способы пеногашения . 9
1.1. Область применения и основные конструкции гидроциклонов. 9
1.2. Общая производительность гидроциклонов. 13
1.3. Механический метод разрушения пен . 15
1.4. Физический способ разрушения пен. 23
1.5. Другие способы разрушения пен. 25
1.6. Комбинированные способы разрушения пен. 28
1.7. Выводы по анализу литературных источников и постановка задачи исследования. 33
Глава 2. Экспериментальные исследования влияния режимных параметров работы цилиндрического прямоточного гидроциклона на процесс предотвращения пенообразования . 34
2.1. Способы получения пены. 34
2.2. Описания лабораторной установки. 36
2.3. Определение поверхностного натяжения. 40
2.4. Определение вязкости жидкости. 43
2.5. Результаты экспериментов. 46
Глава 3. Теоретическое обоснование возможности смешения пенообразующих жидкостей в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне и условия его устойчивой работы . 51
3.1. Дегазация газосодержащих жидкостей. 51
3.2. Единичный пузырек пены на границе раздела фаз. 53
3.3. Основные методы определения диаметра пузырька газа, движущегося во вращающемся турбулентном потоке . 56
3.4. Смешение пенообразующих жидкостей в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне. 65
3.5. Сопоставление результатов, полученных по предложенной модели, и натурного эксперимента . 79
Глава 4. Методика расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей в случае, когда пена образовываться не будет . 83
Заключение. 93
Список сокращений и условных обозначений. 94
Список литературы. 97
Приложения. 106
- Механический метод разрушения пен
- Основные методы определения диаметра пузырька газа, движущегося во вращающемся турбулентном потоке
- Сопоставление результатов, полученных по предложенной модели, и натурного эксперимента
- Методика расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей в случае, когда пена образовываться не будет
Механический метод разрушения пен
Как говорилось ранее, для того чтобы избавиться от пены прибегают к одному из двух основных способов подавления пены: химическому, «нехимическому».
В виду того, что предотвращение процесса пенообразования в гидроциклоне ближе к «нехимическому» способу пеногашения рассмотрим его более подробно. «Нехимическиий» способ подавления пены условно можно разделить на механические и физические [55].
Сущность механических способов пеногашения заключается в разрушении пены путем механического действия на пузырьки. Принцип работы физических пеногасителей состоит в изменении физических параметров в аппарате (давления, температуры), на такие, при которых пена существовать не может. [55]
Как правило, для механического разрушения пен используют устройства, имеющие вращающиеся элементы, такие как вал, к которым прикрепляются рабочие части (сетки, диски и пр.) и уже они непосредственно разрушают пену. Рассмотрим несколько аппаратов механического метода пеногашения.
Аппарат для культивирования микроорганизмов [47] содержит емкость, внутри нее перемешивающее устройство, выполненное из мешалок, ярусно укрепленных на валу, патрубки для ввода питательной среды, аэрирующего газа и отвода отработанного газа и готового продукта. Перемешивающее устройство состоит из трех мешалок. Верхняя мешалка выполнена в виде сплошного диска с вырезанными на ней отверстиями, при этом на диске установлены лопатки Т-образной формы с прорезями волнообразной формы в козырьке. Центральная выполнена с вертикальными прорезями в боковых сторонах, а нижняя - в форме пропеллера. Питательная смесь (рисунок 1.3.1) вместе с дрожжевым автолизатом и с солями, необходимыми для культивирования микроорганизмов, вносится через питательный патрубок 11, установленный в верхней части корпуса 1 ферментатора, который установлен на основание 10. Одновременно с вращением мешалок, которые приходят в движение от работы электродвигателя 13, вводится воздух через полый вал 2. Для протекания полноценного процесса культивирования микроорганизмов (поддержания температурного режима) аппарат снабжен теплообменной рубашкой 6. Засекается время культивирования. Производятся необходимые замеры. По завершении процесса культивирования готовый продукт выгружается через выгрузной патрубок 9, а отработанные газы выводятся через патрубок 12. По окончании культивирования выключается электродвигатель 13 и останавливается работа ферментатора. [47]
Верхняя Т-образная мешалка с прорезями в козырьке волнообразной формы позволяет не только гасить пену, но и предотвращать ее полное появление. Благодаря выполнению центральной мешалки в форме прямоугольной пластины с продольными прорезями происходит интенсивное и более полное перемешивания среды в ферментаторе. Выполнение нижней мешалки в форме предотвращает оседание частиц на днище аппарата и максимально поднимает частицы до верхнего предела уровня культуральной жидкости в ферментаторе, что интенсифицирует процесс перемешивания по всему объему аппарата. [47]
Так же известен центробежный пеногаситель [39], который содержит корпус с цилиндрической и конической частями с загрузочным патрубком, цилиндрическую решетку, расположенную с зазором относительно цилиндрической части корпуса, патрубок для отвода воздуха и разгрузки обеспененного продукта со шламом. Кроме того, он снабжен расположенным на оси симметрии корпуса валом с установленными на нем разбрызгивателем и дожимателем, выполненными со спиральными ребрами, противоположно ориентированными в разбрызгивателе и дожимателе. Причем вал связан через редуктор с электродвигателем, разбрызгиватель установлен в цилиндрической части корпуса, а в конической части корпуса размещена коническая решетка с возможностью вращения внутри нее дожимателя. Центробежный пеногаситель (рисунок 1.3.2) работает следующим образом. От электродвигателя 11 через редуктор 10 на вал 9 передают крутящий момент, вызывающий вращение разбрызгивателя 4 и дожимателя 5 со спиральными ребрами. Затем через загрузочный патрубок 6 подают пеносодержащий продукт. Направленный на разбрызгиватель 4 пеносодержащий продукт под действием центробежных сил с большой скоростью попадает на цилиндрическую решетку 2. За счет ударения пузырьков пены о цилиндрическую решетку 2 происходит разрушение большей их части. Выделившийся газ и воздух отводят по патрубку 7 для отвода воздуха. Далее продукт с остатками пенной среды под действием сил гравитации попадает на дожиматель 5 со спиральными ребрами, который производит разрушение остатков пены. За счет конической решетки 3, происходит дополнительное механическое воздействие на пенную среду. Обесцененный продукт со шламом отводят по патрубку 8 для разгрузки обеспененного продукта. [39] 19 Устройство для разрушения пены [29] состоит из пеногасящего диска 1 (рисунок 1.3.3), который прикреплен к валу 2 вибрационного двигателя 3. Диск 1 имеет отверстия 4 и на нижней поверхности которого размещены конусообразные игольчатые выступы 5. Пеногасящий диск расположен внутри сосуда 6 в свое пены. При сообщении пеногасящему диску вибрации частотой в несколько герц происходит разрушение пены. Образующаяся при этом на поверхности диска 1 жидкость по конусообразным игольчатым выступам 5 стекает на дно сосуда,
Капли жидкости, проходя через слой пены, в свою очередь способствует ее разрушению. [29]
Центробежное устройство для разрушения пены [21] (рисунок 1.3.4) смонтировано на вертикальной опорной раме 9, на которой установлен электродвигатель 3, связанный через полумуфты с ходовой частью 2, в последней на подшипниках установлен приводной вал 1. На валу 1 насажена профилированная втулка 6, которая закреплена от проворота шпонкой (не показана). На втулке 6 закреплено приспособление для разрушения пены, выполненное из труб 4, продольные оси которых ориентированы между собой параллельно в плоскости, перпендикулярной валу 1. Трубы 4 закреплены на профилированной втулке 6 посредством шпилек 8, введенных в сквозные отверстия втулки 6 и приболченных гайками внутри труб 4, причем между гайками и стенками труб 4 устанавливают металлические планки 5. Опорный диск 7 предотвращает соскальзывание профилированной втулки 6 вниз по валу 1. Концы труб 4 выполняются скошенными в сторону вала 1 под углом в пределах 25 – 350. Трубы покрыты слоем материала с краевым углом смачивания пенообразующей жидкости, равным или превышающим 80, например слоем фторопласта толщиной 0,3 0,6 мм. В экстракторах по производству фосфорной кислоты устройство для разрушения пены устанавливают в проем в крышке экстрактора, при этом трубы располагают от уровня пеновыделяющейся пульпы на расстоянии 600-800 мм. [21]
Основные методы определения диаметра пузырька газа, движущегося во вращающемся турбулентном потоке
При образование пузырьков газа в гидроциклоне, наряду с гидродинамическими особенностями, необходимо учитывать и особенности поведения пузырька воздуха в турбулентном потоке жидкости.
Одиночные газовые пузырьки, перемещаясь в вихревом потоке жидкости в гидроциклоне, под воздействием активных сил и турбулентных пульсаций потока могут дробиться на более мелкие, изменять свою форму и поверхность. При этом, очевидно, существует определенное значение окружной скорости, при котором начнется дробление газовых пузырьков. [20; 53].
Газовые пузырьки, находящиеся в турбулентном потоке жидкости подвергаются дроблению. В зависимости от гидродинамической обстановки в аппарате механизм дробления пузырька может быть различным.
Левич [20] предложил следующий механизм дробления пузырьков, поднимающихся в жидкости [14]. При движении пузырька в жидкости одновременно происходит закручивание газа, составляющего атмосферу пузырька, внешней жидкостью, что приводит к образованию вихревого движения внутри пузырька. Это движение газа создает динамический напор, направленный по нормали к поверхности раздела. Если динамический напор газа превышает избыточное давление, обусловленное остаточной криволинейностью поверхности раздела фаз в лобовой или кормовой части пузырька, то жидкость прорывается внутрь пузырька, и он разрушается [14]. Для определения критического радиуса, при котором происходит разрушение пузырька, Левич В. Г. предложил следующую формулу [14]
С. А. Кондратьев [10; 14] предложил волновой механизм дробления газовых пузырьков. Под действием потока жидкости, обтекающей пузырек, на его поверхности развиваются собственные возмущения. В местах "подошвы" волны данного возмущения кривизна поверхности пузырька может достигнуть критической величины, при которой давление жидкости приближается к давлению газа в пузырьке или превышает его [14]. Жидкость в виде струи прорывается внутрь пузырька, и пузырек разрушается с образованием спектра мелких пузырьков. Размер образовавшихся пузырьков связан с длиной волны возмущения поверхности раздела фаз, а тем самым и с размером исходного пузырька, энергией струи жидкости, прорывающейся внутрь пузырька, и с длинами волн возмущений, меньшими длины волны, разрушающей пузырек. В общем случае при развитии на поверхности пузыря неустойчивости Релея-Тейлора и Кельвина-Гельмгольца, длина волны, при которой происходит максимальное возмущение поверхности раздела, составит [10; 14]
Анализ формулы показывает, что при движении газового пузырька в жидкости разрушение его происходит в основном из-за развития неустойчивости Релея-Тейлора. Влияние движения пузырька несущественно и лишь незначительно увеличивает [14].
В турбулентном потоке жидкости механизм разрушения пузырьков также носит волновой характер [10; 14]. Скорость и ускорение жидкости являются функциями координат и времени. В следствии скоростного неравенства между фазами и их ускоренного движения на поверхности раздела возможно развитие неустойчивости как Релея-Тейлора, так и Кельвина-Гельмгольца. Для мелких пузырьков ( мм) необходимо учитывать силы вязкого трения. В этом случае для инерционной подобласти спектра турбулентности величина ускорения турбулентного образования масштаба l составит [10; 14]
При этом размер турбулентного образования не должен быть меньше размера пузырька.
Пузырек может участвовать в движении турбулентных образований масштаба большего, чем размер пузырька. Время ускорения газового пузырька до скорости турбулентного образования мало и, следовательно, в первом приближении скорость обтекания пузырька [14]
Существует непрерывное множество неустойчивых собственных возмущений поверхности раздела фаз газ-жидкость [10; 14]. Среди этого множества имеются возмущения с длинной волны , скорость роста амплитуды которых максимальна при заданном воздействии отклоняющих сил.
Предполагается [10], что длина волны, обладающая максимальной скоростью роста амплитуды колебания , есть размер наибольшего пузырька, который может существовать в жидкости, не испытывая разрушения. Наряду с пузырьками диаметром, равным , в жидкости будет находиться множество пузырьков с размером , образовавшиеся в результате разрушения пузырьков диаметром . Размер последних определяется интенсивностью воздействия отклоняющих сил, временем воздействия и природой газа, составляющего атмосферу пузырька. Если время разрушения пузырька возмущением с длинной волны недостаточно, а интенсивность воздействия велика, то с поверхности пузырька возможен отрыв мельчайших пузырьков с размером, равным длине волны, доминирующей в этот момент. [14]
Предложен также механизм дробления пузырьков, основанный на теории локальной изотропной турбулентности Колмогорова-Обухова [53; 14]. Согласно этой теории, источником возникновения разности динамических напоров, деформирующей и дробящей пузырек в турбулентном потоке, являются маломасштабные пульсации скорости. Деформация пузырька под действием турбулентных пульсаций вызывает увеличение его поверхности [14]. В случае когда величина площади поверхности деформированного пузырька оказывается больше, чем сумма площадей поверхности двух ила более пузырей того же суммарного объема, существование единичного пузырька становиться энергетически невыгодным, и происходит его распад. [14]
Для оценки интенсивности переноса энергии в жидкости с динамической вязкостью /л пульсация масштаба X со скоростью VX используют критерий —, мерой отношения инерционных сил к силам вязкого трения при переносе импульса на расстояние X [14]. Для движения малых масштабов выводы рассмотренной теории оказываются применимы. Размеры пузырей образующихся в турбулентном потоке в гидроциклоне малы по сравнению с характерным максимальным масштабом осредненного течения /, определяемым размерами аппарата, что и позволяет использовать выводы теории локальной изотропной турбулентности для анализа дробления пузырей во вращающемся потоке гидроциклона. [14]
На основе теории локальной изотропной турбулентности и некоторых экспериментальных данных [10; 14; 20] для определения размеров пузырьков, устойчивых во вращающемся турбулентном потоке, получена была следующая формула [2; 14]
Сопоставление результатов, полученных по предложенной модели, и натурного эксперимента
Для того чтобы наглядно сопоставить результаты, полученные в результате эксперимента с теорией, необходимо построить график для определения верхней границы режима работы гидроциклона, выраженную через скорость потока на в ходе в гидроциклон , по полученным теоретическим зависимостям для экспериментальных гидроциклона и сред, и отобразить на этом графике наибольшие и наименьшие значения , полученные в результате эксперимента.
Согласно проведенным экспериментам гидроциклон выходит на рабочий режим при скорости потока на входе в питающий штуцер , м/с, до этого в гидроциклоне интенсивно образовывалась пена. При достижении м/с в оси гидроциклона формировался либо воздушный, либо пенный столб, в зависимости от коэффициента поверхностного натяжения среды. Поэтому все приведенные ниже графики (рисунки 3.5.1) строились при скоростях больше от — расчетная радиальная скорости пузырька ; 2 — расчетная критическая радиальная скорость пузырька ; 3 — вспомогательная линия, соединяющая наибольшие и наименьшие значение критических скоростей , полученных в ходе эксперимента с критической расчетной скоростью.
На графиках (рисунок 3.5.1 а.—в.) на ось спроецированы значения критических скоростей полученных в результате теоретических расчетов, а так же указаны наибольшие и наименьшие значения этих скоростей, полученных в ходе эксперимента. Для экспериментальной среды с коэффициентом поверхностного натяжения 0.03 Н/м значение как теоретически, так и экспериментально найти не удалось, пена в гидроциклоне образовывалась постоянно при всех возможных на лабораторной установке скоростях, поэтому данные об этой среде далее представляться не будут.
Методика расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей в случае, когда пена образовываться не будет
Для того, чтобы рассчитать геометрические параметры гидроциклона, работающего как аппарат для предотвращения пенообразования, необходимо знать следующие исходные данные [17]:
— коэффициент поверхностного натяжения смешанных жидкостей, Н/м;
— динамическая вязкость жидкости, Пас;
— плотность смешанного потока, кг/м3;
Смешиваемые потоки и через штуцеры 5 и 6, соответственно, попадают в питающий штуцер 4, где и начинается процесс смешения этих потоков с образованием пузырьков газа (пены, как таковой, не образуется). Далее смешанный поток жидкости с пузырьками через питающий штуцер 4 тангенциально подается в цилиндрический прямоточный гидроциклон, где продолжают расти и выделяться пузырьки газа G. В гидроциклоне, под действием выталкивающей силы, пузырьки будут двигаться к границе раздела фаз, где они разрушаются или образуют пену. Выделившийся газ G отводится из штуцера 3, а смешанный поток жидкости выводится из штуцера 1. [17]
Необходимо определить основные геометрические параметры гидроциклона – это , , .
Согласно [53] диаметр патрубка на входе в гидроциклон будет определяться как: (4.1)
Как показали исследования, приведенные в работе [14], тангенциальная скорость в гидроциклоне стабилизируется по высоте аппарата на участке равном (участок стабилизации тангенциальной скорости ), кроме того, на данном участке стабилизируется тангенциальная скорость по радиусу гидроциклона, поэтому должно выполняться условие . Если длинны цилиндрической части гидроциклона будет очень большой , то скорость потока в гидроциклоне начнет падать [14; 17]. В той же работе было показано, что значение установившейся тангенциальной скорости почти не изменяется при , поэтому рационально определять длину цилиндрической части гидроциклона по соотношению [17]
Как показал теоретический анализ [19], гидроциклон с геометрическими соотношениями (4.1) и (4.2) будет работать как аппарат для предотвращения процесса пенообразования в определенном режимном диапазоне. [17]
Как мы выяснили выше, нижний предел режима работы гидроциклона м/с2. В работе [19] нами было выявлено, что при превышении определенной критической скорости потока жидкости на входе в аппарат , гидроциклон прекращал работать как аппарат предотвращающий процесс пенообразования [17]. Так же было обнаружено, что основными факторами, влияющими на верхний предел режима работы гидроциклона, являются коэффициент поверхностного натяжения смешанных жидкостей и внутренний диаметр гидроциклона [17]. В виду вышеизложенного мы построили графики зависимости для верхнего предел режима работы гидроциклона – критического центробежного ускорения потока жидкости , при превышении которого в гидроциклоне начнет образовываться пена, от коэффициента поверхностного натяжения (рисунок 4.2) и внутреннего диаметр гидроциклона (рисунок 4.3) в логарифмической системе координат. [17]
Далее с помощью обработки графиков, построенных в логарифмической системе координат (рисунок 4.2) и (рисунок 4.3), определялась зависимость критического центробежного ускорения потока жидкости от коэффициента поверхностного натяжения и внутреннего диаметр гидроциклона [17]: (4.11) Уравнение (4.11) определяет верхнюю границу устойчивой работы гидроциклона. Экспериментально было установлено, что при превышении данной границы гидроциклон прекращал работать как аппарат для предотвращения процесса пенообразования. [17]
И так, для того, чтобы гидроциклон смешивал пенообразующие жидкости, предотвращая процесс пенообразования, он должен работать в следующем режимном диапазоне [17]:
Подводя итоги, можно сказать, что эффективность работы гидроциклона как аппарата для предотвращения процесса пенообразования, при смешении пенообразующих жидкостей, увеличивается с уменьшением диаметра гидроциклона, что может привести к целесообразности применения батарейных гидроциклонов. [17]