Содержание к диссертации
Введение
1 Применение эмульгирования в промышленности и необходимость использования новых перспективных способов диспергирования 7
1.1 Обзор факторов, определяющих интенсификацию процесса эмульгирования 7
1.2 Интенсификация процесса эмульгирования при использовании механизма сдвиговых напряжений 10
1.3 Интенсификация процесса эмульгирования с использованием механизма изменения скорости потока жидкости при изменении сечения канала 14
1.4 Интенсификация процесса эмульгирования с использованием механизма внезапного ускорения или торможения потока вследствие внешнего воздействия 16
1.5 Обзор конструкций роторно-пульсационных аппаратов для обработки гетерогенных сред 25
2 Математическое моделирование течения жидких сред через рабочие органы РПА и определение удельных энергозатрат 38
2.1 Течение потока жидкости через каналы ротора и статора роторно- пульсационного аппарата 39
2.2 Определение коэффициентов гидравлического сопротивления 43
2.3 Определение.кинематических и динамических параметров потока жидкости 51
2.4 Исследование кавитационного механизма диспергирования 58
2.5 Моделирование структуры потока жидкости в радиальном зазоре между ротором и статором 73
2.6 Расчет диаметра капель эмульсии 89
3 Экспериментальное исследование процесса эмульгирования в роторно-пульсационном аппарате 93
3.1 Описание экспериментальной установки и исследуемых модельных систем 93
3.2 Влияние режимных параметров обработки на дисперсный состав и однородность приготавливаемой эмульсии 97
4 Конструктивные методы совершенствования роторно-пульсационных аппаратов 103
4.1 Влияние предварительной обработки жидкости на дисперсный 103
состав и однородность приготавливаемой эмульсии
4.2 Предлагаемая конструкция РПА для получения эмульсий 105
4.3 Рекомендации по проектированию рабочих органов РПА 107
Основные результаты работы 110
Список использованных источников литературы
- Интенсификация процесса эмульгирования при использовании механизма сдвиговых напряжений
- Интенсификация процесса эмульгирования с использованием механизма внезапного ускорения или торможения потока вследствие внешнего воздействия
- Определение.кинематических и динамических параметров потока жидкости
- Влияние режимных параметров обработки на дисперсный состав и однородность приготавливаемой эмульсии
Введение к работе
Интенсификация производственных процессов и повышение эффективности технологического оборудования является одной из приоритетных задач развития науки и техники. Основой повышения качества продукции, увеличения производительности и снижения энергозатрат на проведение химико-технологических процессов служит разработка высокоэффективных аппаратов с оптимальной удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые вещества.
К их числу могут быть отнесены применяемые в различных отраслях промышленности роторные аппараты для обработки гетерогенных систем. Например, в химической промышленности они используются для приготовления различных дисперсий, эмульсий, интенсификации массообменных процессов [1-13]; в фармацевтической и косметической - для экстрагирования лекарственных веществ из растительного сырья, приготовления витаминных препаратов, кремов, мазей и т.п. [14-22]; в металлургической и горнодобывающей - для проведения процессов выщелачивания и получения рабочих жидкостей механизированных шахтных крепей [23]; в топливно-энергетической - для приготовления водотопливных эмульсий [24]; в машиностроении - для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей [25], а также для других целей [26,27].
Роторное технологическое оборудование, применяемое для реализации процессов диспергирования отличается большим разнообразием как по габаритам, так и по принципу физического воздействия, оказываемого рабочими органами аппаратов на обрабатываемую среду. Это естественным образом сказывается как на эффективности обработки, так и на качестве получаемых продуктов.
Анализ наиболее широко применяемых на практике методов диспергирования гетерогенных систем (механические, струйные, ультразвуковые и т.п.) показывает, что все они обладают большим количеством недостатков, в конечном итоге приводящих к снижению эффективности технологического процесса и значительным энергозатратам при работе оборудования.
В настоящее время в различных областях химической промышленности все чаще применяются аппараты роторно-пульсационного типа (РПА), характеризующиеся многофакторным воздействием на обрабатываемую среду и имеющие наивысший уровень производственной эффективности.
Отличительной особенностью РПА является наличие, по меньшей мере, двух элементов с взаимно параллельными поверхностями (как правило цилиндров) и симметричных относительно общей оси вращения. Один из этих элементов (ротор) вращается с большой скоростью, а другой (статор) жестко закреплен на корпусе аппарата. Боковые поверхности этих элементов имеют одинаковое или различное число радиальных каналов для прохождения обрабатываемой среды. При периодическом открывании и закрывании каналов, поток жидкости тормозится, и в нем с частотой в несколько килогерц возникают эффекты гидравлического удара, сопровождающиеся интенсивными пульсациями скорости и давления. Отмеченные факторы играют доминирующую роль при интенсификации процессов диспергирования.
Применение технологического оборудования, работающего с использованием указанных физических эффектов, требует создания научно обоснованных методов расчета; конструирования и масштабирования, которые на текущий момент недостаточно полно освещены в отечественной и зарубежной литературе.
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследования закономерностей течения обрабатываемых сред в рабочих органах РПА и определение затрат мощности, направленные на совершенствование его конструкции и повышение эффективности процесса эмульгирования. Настоящая работа является составной частью исследований, проводимых в течение последних лет в лаборатории «Процессов и аппаратов химических технологий» Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук в рамках госбюджетных тематик.
Интенсификация процесса эмульгирования при использовании механизма сдвиговых напряжений
Использование механизма изменения скорости потока жидкости при изменении площади сечения канала для интенсификации процесса эмульгирования широко применяется на практике [30]. При таком гидравлическом диспергировании основным энергетическим фактором, приводящим к распаду жидкой дисперсной фазы на капли является, давление нагнетания. Примерами аппаратов, работающих на таком принципе, могут служить статические миксеры, струйные свистки, клапанные гомогенизаторы. Принцип работы таких аппаратов заключается в следующем. Проходя через сопло или форсунку, поток жидкости приобретает довольно высокую скорость и преобразуется в форму, способствующую быстрому распаду струи или пленки.
Струйные смесители - наиболее простые аппараты статического типа, в которых перемешивание компонентов осуществляется главным образом за счет кинетической энергии струй одного из компонентов, взаимодействующих с потоком другого компонента. Отличительной особенностью струйных смесителей является раздельная подача компонентов в зону смешивания и пренебрежимо малое влияние на процесс стенок аппарата и других устройств.
Струйные смесители характеризуются простотой, а также надежностью и с необходимой точностью обеспечивают постоянное соотношение расходов компонентов. При этом гидравлическое эмульгирование является самым экономичным по потреблению энергии способом получения дисперсий.
Однако, аппараты работающие на механизме изменения скорости потока жидкости при изменении сечения канала обладают серьезными недостатками. Они обусловлены тем, что создаваемый при гидравлическом диспергировании факел - неоднородный и имеет среди существующих способов эмульгирования самый большой разброс диаметров образующихся капель. Кроме этого, при таком механизме воздействия на обрабатываемую среду практически неосуществимо эмульгирование высоковязких жидкостей, эмульгирование с малым расходом, получение мелкодисперсных капель [31].
Для улучшения струйного перемешивания применяется ряд способов, из которых наиболее часто в специальной литературе рассматриваются следующие: тангенциальное закручивание струй вводимого компонента; распределение вводимого компонента по всему сечению основного потока с применением сопл специальной конструкции; соударение струй вводимого компонента; применение для ввода сопл с различным диаметром, что обеспечивает разную глубину проникновения струй в объем основного потока; пульсирующий ввод одного из компонентов, а также различные комбинации указанных способов [32].
При обработке жидкости с использованием механизма внезапного ускорения или торможения потока (импульсной обработке жидкости) на дисперсный состав капель эмульсии будут оказывать влияние амплитуда ускорения или торможения, а также время, за которое этот импульс вводится в среду. Очевидно, что с увеличением амплитуды и уменьшением времени ввода импульса диаметр капель эмульсии будет понижаться. Амплитуда импульса вводимого в обрабатываемую среду пропорциональна квадрату скорости потока жидкости, поэтому при достижении требуемой эффективности обработки такой подход может привести к снижению к.п.д. аппарата. При уменьшении длительности импульса величина вводимой энергии в жидкость может быть небольшой, но при этом достигается требуемая эффективность обработки и, в то же время к.п.д. аппарата не снижается.
Следовательно, для уменьшения непродуктивных потерь энергии в гидравлических сопротивлениях, интенсифицирующее воздействие на обрабатываемую среду целесообразно оказывать в форме мощного, но короткого импульса. Такой ввод энергии наиболее эффективен, так как процесс дробления капли - одноступенчатый акт, при котором требуется достаточно мощное воздействие в течение короткого времени.
К аппаратам, работающим на таком принципе, можно отнести ультразвуковые аппараты. В них при небольшой амплитуде колебаний, но высокой частоте акустического поля величина вводимой энергии достигает значений порядка 108... 109Вт/кг.
Интенсификация процесса эмульгирования с использованием механизма внезапного ускорения или торможения потока вследствие внешнего воздействия
Струйные смесители характеризуются простотой, а также надежностью и с необходимой точностью обеспечивают постоянное соотношение расходов компонентов. При этом гидравлическое эмульгирование является самым экономичным по потреблению энергии способом получения дисперсий.
Однако, аппараты работающие на механизме изменения скорости потока жидкости при изменении сечения канала обладают серьезными недостатками. Они обусловлены тем, что создаваемый при гидравлическом диспергировании факел - неоднородный и имеет среди существующих способов эмульгирования самый большой разброс диаметров образующихся капель. Кроме этого, при таком механизме воздействия на обрабатываемую среду практически неосуществимо эмульгирование высоковязких жидкостей, эмульгирование с малым расходом, получение мелкодисперсных капель [31].
Для улучшения струйного перемешивания применяется ряд способов, из которых наиболее часто в специальной литературе рассматриваются следующие: тангенциальное закручивание струй вводимого компонента; распределение вводимого компонента по всему сечению основного потока с применением сопл специальной конструкции; соударение струй вводимого компонента; применение для ввода сопл с различным диаметром, что обеспечивает разную глубину проникновения струй в объем основного потока; пульсирующий ввод одного из компонентов, а также различные комбинации указанных способов [32].
При обработке жидкости с использованием механизма внезапного ускорения или торможения потока (импульсной обработке жидкости) на дисперсный состав капель эмульсии будут оказывать влияние амплитуда ускорения или торможения, а также время, за которое этот импульс вводится в среду. Очевидно, что с увеличением амплитуды и уменьшением времени ввода импульса диаметр капель эмульсии будет понижаться. Амплитуда импульса вводимого в обрабатываемую среду пропорциональна квадрату скорости потока жидкости, поэтому при достижении требуемой эффективности обработки такой подход может привести к снижению к.п.д. аппарата. При уменьшении длительности импульса величина вводимой энергии в жидкость может быть небольшой, но при этом достигается требуемая эффективность обработки и, в то же время к.п.д. аппарата не снижается.
Следовательно, для уменьшения непродуктивных потерь энергии в гидравлических сопротивлениях, интенсифицирующее воздействие на обрабатываемую среду целесообразно оказывать в форме мощного, но короткого импульса. Такой ввод энергии наиболее эффективен, так как процесс дробления капли - одноступенчатый акт, при котором требуется достаточно мощное воздействие в течение короткого времени.
К аппаратам, работающим на таком принципе, можно отнести ультразвуковые аппараты. В них при небольшой амплитуде колебаний, но высокой частоте акустического поля величина вводимой энергии достигает значений порядка 108... 109Вт/кг.
На рис. 1.8 приведена конструкция пленочного ультразвукового аппарата [33]. В таком аппарате обрабатываемая жидкость, подаваемая через штуцер в зазор А, подвергается обработке в мощном ультразвуковом поле.
Еще одним примером аппаратов, интенсифицирующих процесс диспергирования, в которых используется данный механизм воздействия на обрабатываемую среду, служат ультразвуковые аппараты серии УПХА (рис. 1.9).
Они предназначены для обработки как эмульсий так и суспензий. В таких аппаратах продукты после предварительного перемешивания в емкостном аппарате 6 и насосе 7 подвергаются мощному ультразвуковому воздействию в трубе 4 с преобразователями 3, откуда поступают в сборник готового продукта.
Помимо ультразвуковых аппаратов с магнитострикционными излучателями в промышленности широко используются ультразвуковые смесители, основными элементами которых являются гидродинамические излучатели (рис. 1.10) и гидродинамические свистки [34].
Определение.кинематических и динамических параметров потока жидкости
Пульсационные аппараты роторного типа являются гидродинамическими излучателями. В них наблюдаются все эффекты присущие акустическим излучателям: кавитация, резонансные и автоколебательные явления, а также сопутствующие им вторичные проявления этих эффектов. Акустические явления, возникающие в РПА взаимосвязаны между собой, что вносит некоторые трудности при их изучении.
Интенсификация химико-технологических процессов в РПА во многом обусловлена кавитацией, возникающей в обрабатываемой жидкости. Под кавитацией в жидкости понимают явление образования, заполненных паром и газом полостей или пузырьков, при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми или газовыми [60-71 ].
Необходимо отметить, что понижение давления в жидкости до давления насыщенных паров возможно также при кипении или вакуумировании жидкости. Но эти процессы распространяются по всему объему жидкости в отличие от кавитации, которая возникает в ограниченной области. Кавитация в жидкости при работе аппарата вызывается несколькими факторами: развитой турбулентностью потока жидкости, отрывными течениями на входном участке в канал статора и т.д. Кавитацию в РПА нельзя отнести ни к акустической, вызываемой периодическим сжатием и расширением жидкости, ни к чисто гидродинамической, вызываемой местным понижением давления в отрывных течениях. Факторы, вызывающие кавитацию в РПА взаимосвязаны и взаимно дополняют друг друга. В.Ф. Юдаев [48] предложил использовать термин «импульсной» кавитации, который вполне точно характеризует такой смешанный характер кавитации в жидкости при работе РПА. Она по свей природе более близка к акустической.
Импульсная акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и схлапыванием кавитационных пузырьков [61]. Она вызывается за счет инерции объема жидкости, врывающегося под давлением в канал статора в момент совмещения канала ротора и статора. При последующем закрытии канала статора стенкой ротора жидкость, продвигающаяся вперед вдоль канала статора за счет сил инерции, создает локальное разрежение на входном участке канала статора. Такой кратковременный импульс растягивающего («отрицательного» относительно равновесного) давления вызывает рост парогазовых зародышей и инициирует кавитацию. Независимо от первоначального размера, кавитационные пузырьки достигают своего максимального размера практически одновременно. При росте кавитационный пузырек заполняется насыщенным паром данной жидкости и растворенным в жидкости газом. Как только давление в жидкости начинает возрастать, кавитационный пузырек под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения захлопывается, пар конденсируется на границе раздела фаз, а газ подвергается сильному адиабатическому сжатию. В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000С). После схлапывания пузырька в окружающей жидкости распространяется быстрозатухающая ударная волна. Чтобы в жидкости образовалась кавитационная полость, необходимо раздвинуть ее соседние молекулы на расстояние не менее удвоенной длины промежутка между ними. Жидкость может выдерживать максимальное растягивающее напряжение, рассчитываемое по формуле [62] P = 2alR, (2.25) где Р - давление, необходимое для разрыва сплошной жидкости.
Для воды при Д=2-10"10 м, Р=108 Па [65]. Кавитационная прочность необработанной воды не превышает нескольких сот атмосфер. Существует нелинейная зависимость в виде кривых Эше [62] между частотой акустической волны и пороговым давлением, при котором возникает кавитация. Пороговым давлением называется значение амплитуды акустического давления, вызывающего расширение зародыша до критического размера, после которого он начинает расти взрывообразно [62]. Чем ниже частота акустической волны, тем меньше величина порогового давления. Например, для частоты 1 кГц пороговое давление не превышает 105 Па при нормальном статическом давлении и температуре (Р «105 Па, Т «20С) [62].
Расхождение между экспериментальной и теоретической прочностью объясняется наличием в реальной жидкости различных примесей и включений, которые являются зародышами кавитации и сильно понижают ее прочность.
Влияние режимных параметров обработки на дисперсный состав и однородность приготавливаемой эмульсии
Как показывают полученные экспериментальные данные, с увеличением скорости вращения ротора среднеарифметический диаметр капель для всех модельных систем уменьшается. Такой результат может быть объяснен тем, что с увеличением скорости вращения ротора увеличивается амплитуда импульса вводимой в систему энергии и одновременно сокращается время, за которое эта энергия вводится. То есть увеличение скорости вращения ротора способствует росту диссипируемой мощности, что повышает эффективность дробления капель. Увеличение угловой скорости вращения ротора РПА, закономерно улучшает однородность эмульсии, что проявляется в увеличении коэффициента полидисперсности К до 0,73...0,92
Интересными представляются исследования влияния температуры на эффективность дробления капель, поскольку температура значительно влияет на физико-химические свойства обрабатываемых сред. Как показано в работе [51] повышение температуры до 50С в кавитационном режиме способствует повышению эффективности дробления капель, причем зависимость импульса давления от температуры носит экстремальный характер. Это объясняется тем, что с повышением температуры среды происходит снижение вязкости и плотности, увеличивается число кавитационных зародышей и их начальный размер, а также растет давление насыщенных паров. В тоже время, в работе [52] показано, что в режиме без интенсивного развития кавитации оптимальной температурой является температура 15...30С. Здесь, по мнению [51], при увеличении температуры от 20 до 50С происходит падение амплитуды импульсов давления, которое носит линейный характер. Это обуславливается увеличением демпфирующего эффекта, вызванного как повышением давления насыщенных паров, так и ростом газосодержания в среде.
В связи с этим нами была проведена серия экспериментов по исследованию дисперсного состава капель получаемой эмульсии в зависимости от температуры, однако полученные результаты не позволяют однозначно судить о влиянии температуры на дисперсный состав капель. Для внесения большей ясности необходимо проведение большего количества экспериментов, в том числе и с другими модельными средами.
Наибольшее влияние на фракционный состав получаемых эмульсий оказывает величина поверхностного натяжения дисперсной фазы. Вязкость не оказывает существенного влияния в силу того, что концентрация дисперсной фазы в условиях эксперимента была незначительна. Для всех исследованных систем среднеарифметический диаметр капель оказался пропорциональным величине поверхностного натяжения в степени 0,6, что совпадает с данными [86]. Для определения диаметра наиболее устойчивых капель, образующихся в потоке, как было отмечено ранее, использовалась зависимость (2.90), полученная в [86] для условий локально-изотропной турбулентности. Полученные экспериментальные данные удовлетворительно описываются зависимостью (2.90), при этом AF=1,35.
При сопоставлении теоретически рассчитанных диаметров капель эмульсий различных модельных систем и результатов собственных экспериментов, были проанализированы также результаты экспериментов полученные в работах [79, 101]. Для этого строились математические модели, в которых учитывались и геометрия рабочих органов РПА описанные в [79, 101], и режимные параметры процесса эмульгирования, и физико-химические свойства обрабатываемых сред, которые приведены в таблице 4.
Если в работе [79] при приготовлении эмульсии эксперименты проводились при различных расходах обрабатываемой среды и различных скоростях вращения ротора, то в [101] менялся еще и радиальный зазор. В связи с этим использование экспериментальных результатов, полученных в этих работах [79, 101], было проведено в сравнении с результатами, получаемыми по математической модели, описанной в главе 2.
Сопоставление расчетных значений с опытными данными приведено на рис. 3.6, где показаны как результаты, полученные на экспериментальной установке (рис. 3.1), так и результаты экспериментальных исследований [79, 101] среднеарифметического диаметра капель для различных модельных систем.
В результате теоретических исследований было показано, что изменение таких режимных параметров процесса эмульгирования как, например, скорость вращения ротора значительно влияют на дисперсный состав и однородность получаемой эмульсии. Аналогичная зависимость четко отслеживается и для экспериментальных результатов всех модельных систем, полученных как нами, так и авторами в других работах [51, 52, 79,101].
Можно отметить, что при уменьшении радиального зазора закономерно происходит уменьшение среднеарифметического диаметра капель. Это четко прослеживается при сопоставлении расчетных зависимостей с результатами экспериментов по эмульгированию толуола и смеси н-гептана с четыреххлористым углеродом [101].
Незначительное отклонение экспериментальных данных, которое не превышает 10%, свидетельствует, что разработанная математическая модель течения жидкости через рабочие органы РПА адекватно описывает процесс приготовления эмульсии в роторно-пульсационном аппарате, а полученная расчетная зависимость для диаметра капель (2.90) носит обобщающий характер и может быть использована для расчета дисперсных характеристик низкоконцентрированных эмульсий.
