Диссертация (Смешение пенообразующих жидкостей в аппаратах циклонного типа), страница 7

Дегазация в тонком слое жидкости осуществляется при ламинарном течениипленки жидкости по рабочей поверхности элементов аппарата [53]. В этом случаедегазация происходит за счет выведения из слоя пузырьков газа под действиемгравитационных сил и с помощью молекулярной диффузии с поверхности пленки.При вакуумной дегазации, сопровождающейся кипением, газ выделяется изжидкости частично за счет массообмена к пузырькам, а так же за счет диффузиииз внутренних слоев с большей концентрацией газов к внешним, менеенасыщенным, с последующим переходом в газовую фазу [53].В последнее время, большое внимание стали уделять более экономичнымметодам дегазации – механическим методам. Одними из наиболее перспективныхметодов в этой части является дегазация в центробежном поле гидроциклонов, таккак конструкция данного аппарата не имеет подвижных элементов и не требуетвведения в систему дополнительных энергопотребляющих устройств [53; 14].Вомногихтеоретическихиэкспериментальныхработахдетальнорассматриваются свойства и способы разделения эмульсий типа «жидкостьжидкость» или пен, однако книг или подробных обзоров, посвященныхразделению газосодержащих жидкостей в аппаратах центробежного типа, поканедостаточно.

[14]В виду того, что газожидкостные системы имеют малую агрегативную иседиментационнуюустойчивость,затрудняющуюихисследование,насегодняшний день отсутствуют надежные методы расчета гидроциклоновдегазаторов [14].Решениеэтойпроблемыневозможнобезпроведенияцеленаправленных комплексных и теоретических исследований по выяснениюобщих закономерностей образования, роста и движения газовых пузырей вцентробежном поле гидроциклонного аппарата [14].533.2.

Единичный пузырек пены на границе раздела фаз.Поверхностноактивное вещество (ПАВ) — органические соединения,имеющие дифильное строение, то есть их молекулы имеют в своём составеполярную часть — гидрофильный компонент и неполярную часть —гидрофобный компонент.Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из пузырьковгаза, разделенных прослойками жидкости. Дисперсия газа в жидкости, в которойконцентрация газа мала, а толщина жидких прослоек сопоставима с размеромгазовых пузырьков, называется по Манегольду шаровой пеной [11; 88]. Формапузырьков в шаровой пене сферическая (если их размеры не очень велики),причем пузырьки не связаны друг с другом. [11]При малой вязкости дисперсионной среды шаровая пена относится ккороткоживущимдисперснымсистемам.Вследствиебольшойразностиплотностей газа и жидкости они быстро расслаиваются на чистую дисперсионнуюсреду и более концентрированную пену, которая в зависимости от условии и, впервую очередь, от типа и концентрации ПАВ в пенообразующем растворе либобыстроразрушается,либопревращаетсявполиэдрическуюпену.Какисключение, долгоживущие шаровые пены получаются из высоковязкойжидкости, например, из расплава стекла, вязкость которого при быстромохлаждении резко повышается, что предотвращает перемещение, сближение икоалесцению (слияние) отдельных пузырьков газа[11].

Превращение шаровойпены в полиэдрическую начинается при концентраций, газа в пене более 50-75%(об.) [11]. Установлено, что образование устойчивой (долгоживущей) пены вчистой жидкости невозможно. Устойчивые полиэдрические пены получаютсятолько в присутствии подходящего ПАВ (или . композиции ПАВ). Введение ПАВв жидкость существенно изменяет свойства газовых дисперсий и жидких пленок:снижается поверхностное натяжение на поверхностях раздела жидкость — газ,54облегчается диспергирование газа и уменьшается размер пузырьков, изменяетсярежим и скорость их всплывания.

[11]Основные стадии образования пены можно проследить на примереповедения нескольких всплывающих пузырьков. При введении в раствор или привозникновении в растворе ПАВ пузырьков газа на поверхности их раздела сраствором начинается адсорбция ПАВ [11]. Всплывая на поверхность растворакаждый пузырек образует полусферический купол, представляющий собойжидкую пленку, состоящую из двух адсорбционных слоев ПАВ и внутреннейпрослойки раствора (рисунок 3.2.1.). Адсорбционные слои ПАВ обеспечиваютдлительное существование возникающих пленок.

Увеличение числа пузырьков наповерхности раствора приводит их к сближению [11]. Процессу дальнейшегосближения и деформации поверхностей пузырьков способствует так жекапиллярное притяжение пузырьков, в следствии этого между соседнимипузырьками возникают тонкие жидкие пленки. В результате на поверхностираствора сначала образуется монослой газовых пузырьков, затем формируютсяпоследующие слои, что приводит к возникновению объемной пены. [5; 11; 55]Рисунок 3.2.1.

Схема образования пузырька пены на границе раздела фаз.55Пленка пузырька имеет свою поверхностную энергию, которая стремитсяк минимуму, благодаря чему пузырек поддерживает свою форму и сохраняетсвою целостность [5; 11; 55]:, Джгде—(3.2.1)поверхностнаяповерхностного натяжения, Н/м;энергия,Дж;— площадь пленки, м2.—коэффициент563.3.Основныеметодыопределениядиаметрапузырькагаза,движущегося во вращающемся турбулентном потоке.Приобразованиепузырьковгазавгидроциклоне,нарядусгидродинамическими особенностями, необходимо учитывать и особенностиповедения пузырька воздуха в турбулентном потоке жидкости.Одиночные газовые пузырьки, перемещаясь в вихревом потоке жидкости вгидроциклоне, под воздействием активных сил и турбулентных пульсаций потокамогут дробиться на более мелкие, изменять свою форму и поверхность.

При этом,очевидно, существует определенное значение окружной скорости, при которомначнется дробление газовых пузырьков. [20; 53].Газовые пузырьки, находящиеся в турбулентном потоке жидкостиподвергаются дроблению. В зависимости от гидродинамической обстановки ваппарате механизм дробления пузырька может быть различным.Левич [20] предложил следующий механизм дробления пузырьков,поднимающихся в жидкости [14]. При движении пузырька в жидкостиодновременнопроисходитзакручиваниегаза,составляющегоатмосферупузырька, внешней жидкостью, что приводит к образованию вихревого движениявнутри пузырька.

Это движение газа создает динамический напор, направленныйпо нормали к поверхности раздела. Если динамический напор газа превышаетизбыточное давление, обусловленное остаточной криволинейностью поверхностираздела фаз в лобовой или кормовой части пузырька, то жидкость прорываетсявнутрь пузырька, и он разрушается [14]. Для определения критического радиуса,при котором происходит разрушение пузырька, Левич В.

Г. предложилследующую формулу [14]:(3.3.1)гжV — скорость движения пузырька в жидкости;— коэффициент сопротивления;57— плотность газа и жидкости соответственно;— коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела фаз.С. А. Кондратьев [10; 14] предложил волновой механизм дробления газовыхпузырьков. Под действием потока жидкости, обтекающей пузырек, на егоповерхности развиваются собственные возмущения. В местах "подошвы" волныданного возмущения кривизна поверхности пузырькаможет достигнутькритической величины, при которой давление жидкости приближается кдавлению газа в пузырьке или превышает его [14]. Жидкость в виде струипрорывается внутрь пузырька, и пузырек разрушается с образованием спектрамелких пузырьков. Размер образовавшихся пузырьков связан с длиной волнывозмущения поверхности раздела фаз, а тем самым и с размером исходногопузырька, энергией струи жидкости, прорывающейся внутрь пузырька, и сдлинами волн возмущений, меньшими длины волны, разрушающей пузырек.

Вобщем случае при развитии на поверхности пузыря неустойчивости РелеяТейлора и Кельвина-Гельмгольца, длина волны, при которой происходитмаксимальное возмущение поверхности раздела, составит [10; 14]:(3.3.2.)а — величина ускорения турбулентного образования;V — здесь — это скорость движения жидкости за волной, принимаемаяравной скорости движения пузырька в жидкости.Анализ формулы показывает, что при движении газового пузырька вжидкости разрушение его происходит в основном из-за развития неустойчивостиРелея-Тейлора.Влияниенезначительно увеличиваетдвиженияпузырьканесущественноилишь[14].В турбулентном потоке жидкости механизм разрушения пузырьков такженосит волновой характер [10; 14].

Скорость и ускорение жидкости являютсяфункциями координат и времени. В следствии скоростного неравенства междуфазами и их ускоренного движения на поверхности раздела возможно развитиенеустойчивости как Релея-Тейлора, так и Кельвина-Гельмгольца.

Для мелких58пузырьков (мм) необходимо учитывать силы вязкого трения. В этомслучае для инерционной подобласти спектра турбулентности величина ускорениятурбулентного образования масштаба l составит [10; 14]:(3.3.3.)— мощность, рассеиваемая в единице массы жидкости в единицу времени,Вт/кг; l — максимальный размер турбулентного образования, относящийся кинерционной подобласти спектра турбулентности.При этом размер турбулентного образования не должен быть меньшеразмера пузырька.Пузырек может участвовать в движении турбулентных образованиймасштаба большего, чем размер пузырька.