Диссертация (Смешение пенообразующих жидкостей в аппаратах циклонного типа)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования «Московский политехнический университет»На правах рукописиБУТРИН МАКАР МИХАЙЛОВИЧСМЕШЕНИЕ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В АППАРАТАХЦИКЛОННОГО ТИПАСпециальность 05.17.08«Процессы и аппараты химических технологий»Диссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:д.т.н. проф.

М.Г. ЛагуткинМосква20172ОГЛАВЛЕНИЕ.ВВЕДЕНИЕ.ГЛАВА 1.4АППАРАТЫЦИКЛОННОГОТИПА,ОСНОВНЫЕ«НЕХИМИЧЕСКИЕ» СПОСОБЫ ПЕНОГАШЕНИЯ.91.1. Область применения и основные конструкции гидроциклонов.91.2. Общая производительность гидроциклонов.131.3. Механический метод разрушения пен.151.4.

Физический способ разрушения пен.231.5. Другие способы разрушения пен.251.6. Комбинированные способы разрушения пен.281.7. Выводы по анализу литературных источников и постановка задачиисследования.ГЛАВА 2.33ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯРЕЖИМНЫХПАРАМЕТРОВПРЯМОТОЧНОГОРАБОТЫЦИЛИНДРИЧЕСКОГОГИДРОЦИКЛОНАНАПРОЦЕССПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ.342.1. Способы получения пены.342.2. Описания лабораторной установки.362.3. Определение поверхностного натяжения.402.4. Определение вязкости жидкости.432.5. Результаты экспериментов.46ГЛАВА 3.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕСМЕШЕНИЯОБОСНОВАНИЕПЕНООБРАЗУЮЩИХЦИЛИНДРИЧЕСКОМПРЯМОТОЧНОМВОЗМОЖНОСТИЖИДКОСТЕЙВГИДРОЦИКЛОНЕИУСЛОВИЯ ЕГО УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ.513.1. Дегазация газосодержащих жидкостей.513.2. Единичный пузырек пены на границе раздела фаз.533.3.

Основные методы определения диаметра пузырька газа, движущегося вовращающемся турбулентном потоке.5633.4. Смешение пенообразующих жидкостей в цилиндрическом прямоточномгидроциклоне.653.5. Сопоставление результатов, полученных по предложенной модели, инатурного эксперимента.ГЛАВА 4.79МЕТОДИКАПРЯМОТОЧНОГОРАСЧЕТАГИДРОЦИКЛОНАЦИЛИНДРИЧЕСКОГОДЛЯСМЕШЕНИЯПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В СЛУЧАЕ, КОГДА ПЕНАОБРАЗОВЫВАТЬСЯ НЕ БУДЕТ.83ЗАКЛЮЧЕНИЕ.93Список сокращений и условных обозначений.94Список литературы.97Приложения.1064ВВЕДЕНИЕАктуальность работы.При смешении некоторых жидкостей, в результате химической реакцииобразуется пена (далее мы будем называть эти жидкости пенообразующими),которая может вызвать ряд негативных последствий, выражающихся вуменьшении полезного объема и увеличения загрязнения эксплуатируемогооборудования, так же это может привести к снижению производительностиаппарата [55].

Для того чтобы избавиться от пены прибегают к одному из двухосновных способов подавления пены: химический, «нехимический» [55]. Иногдаобращаются к другим, менее распространенным способам пеногашения:ультразвуковой, терморадиационный и др.Химический метод подавления пены заключается во введении в средуразличных химических веществ, данный метод может, как предотвращать процесспенообразования, так и разрушать уже образовавшуюся пену, но он имеетнегативныепоследствиявыражающиеся,какправило,внеобходимостидальнейшего выведения пеногасителя из состава раствора.

Подавление пены спомощьюспециальныхустройств(машиниаппаратов)называют«нехимическим». [55]Исследование и разработка «нехимических» способов предотвращенияпенообразования, является актуальным, так как не требует ввода в системыдополнительных веществ, влияющих на качество продукта и требующихдальнейшего переработки продукта, для удаления введенных веществ.Степень разработанности темы исследования.В конце 80-х годов на биохимическом заводе «Прогресс» в г. Степногорскбылипроведеныопытно-промышленныеиспытанияцилиндрическогопрямоточного гидроциклона в производстве биологических средств защитырастений.

В действующем производстве при подкислении культуральнойжидкости концентрированной серной кислотой в емкости образовывалась пена,5занимающая до ¾ ее объема. При смешении данных жидкостей в цилиндрическомпрямоточном гидроциклоне пена перестала образовываться. Положительныйэффектиспользованияцилиндрическогопрямоточногогидроциклонавпроизводстве не получил теоретического обоснования. [17]На сегодняшний день отсутствуют методики определения конструктивныхи режимных параметров устойчивой работы гидроциклонов.В связи с широким применением центробежных аппаратов в системах газ –жидкость, например в процессах флотации и дегазации, в значительной меребыли изучены процессы поведения пузырьков газа в объеме жидкости,находящейся в центробежном поле [3, 14; 15; 17; 18; 19; 20; 53], но поведениепузырька газа на границе раздела фаз газ – жидкость, в случае, когда вдольаппарата образуется воздушный столб, практически не изучено.Процессы гидроциклонирования, такие как сгущение и осветлениесуспензий, классификация твердых частиц по крупности, разделение эмульсийразделение эмульсий, дегазация газосодержащих жидкостей широко освещены внаучно-технической литературе.

Изучена также гидродинамика гидроциклоновразличных конструкций. [14; 17; 18; 19; 54; 59—101].Цели диссертационной работы:Целью работы является теоретически и экспериментально обосноватьвозможность применения цилиндрического прямоточного гидроциклона дляпредотвращения пенообразования при смешении пенообразующих жидкостей,разработать методику его расчета.Задачи работы:1. экспериментально подтвердить возможность предотвращения процессапенообразования в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне;2. разработать модель разрушения пузырька газа при его выходе на границураздела фаз в центробежном поле гидроциклона;63.

провести анализ влияния различных факторов на разрушение пузырька вцентробежном поле гидроциклона;4. провести сопоставление скоростных режимов работы экспериментальногогидроциклона, полученных теоретически, с результатами эксперимента;5. определение режимных параметров работы цилиндрического прямоточногогидроциклона, предотвращающего процесс пенообразования;6. разработатьметодикурасчетацилиндрическогопрямоточногогидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей без образованияпены.Научную новизну представляют:1. модель разрушения пузырька газа, выходящего на границу раздела фаз газжидкость в центробежном поле;2.

результаты теоретического анализа влияния на разрушение пузырька вцентробежном поле ускоренного движения пузырька в радиальномнаправлении и силы Кориолиса. Учет ускорения пузырька в значительноймере влияет на точность определения режимов работы гидроциклона, асилой Кориолиса можно пренебречь;3. зависимость критического центробежного ускорения потока жидкости откоэффициентаповерхностногонатяженияивнутреннегодиаметргидроциклона, определяющая верхнюю границу устойчивой работыгидроциклона.Теоретическая и практическая значимость работы заключается вследующем:1.

Теоретически и экспериментально подтверждена возможность работыцилиндрическогопрямоточногогидроциклонакакаппарата,предотвращающего процесс пенообразования. Гидроциклон работает врежиме предотвращения пенообразования, если газо-жидкостной поток вкорпусе гидроциклона имеет центробежное ускорение в диапазоне:7, где σ — коэффициент поверхностногонатяжения, Н/м;— внутренний диаметр гидроциклона, м.2.

Предложена методика расчета геометрических и режимных параметровработы цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешенияпенообразующих жидкостей без образования пены.3. Результаты работы будут использоваться в ООО «ГИПРОХИМ» и АО«НИУИФ». (см. приложение А).Методология и методы исследования.Экспериментальные и теоретические методы использованы для анализапредотвращенияпроцессапенообразованияцилиндрическогопрямоточногогидроциклона,вацентробежномтакжеприполепроведениилабораторных и стендовых испытаний. Общенаучные теоретические методыисследования основаны на базовых знаниях теории пенообразования, теориипроцессов гидроциклонирования и др.Положения, выносимые на защиту:1. результаты экспериментов, подтверждающие возможность предотвращенияпроцесса пенообразования в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне;2.

модель разрушения пузырька газа выходящего на границу раздела фаз газжидкость в центробежном поле;3. результаты сопоставления, предложенной модели разрушения пузырька газас экспериментом;4. методика расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона длясмешения пенообразующих жидкостей.Степень достоверности и апробация результатов исследования.Достоверностьпредставленнойработыподтверждаетсярезультатов экспериментов с теоретическими расчетами.совпадением8По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьив научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российскихрецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основныхнаучных результатов диссертаций.Структура и объем работы.Диссертационная работа изложена на 107 страницах и состоит из введения,4глав,выводов,приложений.библиографии,насчитывающей101наименование,и9ГЛАВА 1.

АППАРАТЫ ЦИКЛОННОГО ТИПА, ОСНОВНЫЕ«НЕХИМИЧЕСКИЕ» СПОСОБЫ ПЕНОГАШЕНИЯ.1.1. Область применения и основные конструкции гидроциклонов.Аппараты центробежного типа действия, как правило, применяются впроцессах: осветление и сгущение суспензий, классификация частиц покрупности, разделение эмульсий, дегазация газосодержащих жидкостей, причем вданном случае возможно совмещение процесса с разделением суспензии.Основными причинами, выгодно выделяющими гидроциклоны относительнодругих аппаратов центробежного принципа действия, являются простота ихконструкции, удобство в эксплуатации, отсутствие подвижных частей идополнительных источников энергопотребления (электроприводов) [14].На сегодняшний день, согласно различным источникам, имеется огромноеколичество конструктивных исполнений аппаратов циклонного принципадействия, причем как в единичном исполнении, так и в групповом, например, ввиде батарей [53].

По мере повышения требований к продукции, получаемой врезультате процессов разделения, появляются новые конструкции оборудованияциклонного принципа действия, позволяющие добиться необходимого результатадля каждого конкретного случая [14].Выбор конструкции аппаратов циклонного принципа действия на прямуюзависит от его назначения. Для осветления и сгущения суспензий, лучшеподходят цилиндроконические гидроциклоны (рис.

1.1.1). При разделенииэмульсий могут использоваться как цилиндроконические, так и цилиндрическиегидроциклоны (рис. 1.1.2), последние зарекомендовали себя лучше. В процессахдегазации, наиболее распространенное применение нашли цилиндроконические ицилиндрические гидроциклоны [14], в данных аппаратах дополнительноустанавливается газоотводящий патрубок.10Рисунок 1.1.1.