Интенсивное пенообразование в ряде технологических процессов различных производств имеет негативные последствия [5]. Например, при культивировании микроорганизмов в производстве лизина, выделяется большое количество тепла и образуется пена, что без пеногасителей может привести к снижению производительности ферментеров на 60 %. Актуальной задачей также является разработка и исследование аппаратов для смешения жидкостей без образования пены.
Задача, поставленная нами – теоретический анализ образования пены в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне и выявление его конструктивных и режимных параметров работы в случае, когда пена не образуется.
Подача жидкостей в гидроциклон может, например, осуществляться с помощью струйного насоса (рис. 1).
Рис. 1. Цилиндрический прямоточный гидроциклон со струйным насосом. II-струйный насос: 2-штуцер подачи ижектируемого потока; 1-штуцер подачи рабочего потока. I— цилиндрический прямоточный гидроциклон: 6-разгрузочный штуцер; 5-обечайка; 4-штуцер отвода газа; 3-питающий штуцер; R-внутренний радиус циклона; h-толщина слоя жидкости в циклоне; r-расстояние от оси циклона до границы раздела фаз газ-жидкость.
Рабочий и инжектируемый потоки, через штуцера 1 и 2, соответственно, попадают в струйный насос II, где и начинается процесс смешение жидкостей с образованием пузырьков, которые могут привести к появлению пены. Далее смешанный поток с пузырьками из струйного насоса II через питающий штуцер 3 тангенциально подается в цилиндрический прямоточный гидроциклон I. В гидроциклоне, под действием выталкивающей силы, пузырьки будут двигаться к границе раздела фаз, где они лопаются или образуют пену. Выделившийся газ отводится из штуцера 4, а смешанный прореагировавший поток жидкости выводится из штуцера 6.
На основе теории локальной изотропной турбулентности и некоторых экспериментальных данных [4,6] в работе [1] была получена зависимость, для определения диаметра пузырька, устойчивого во вращающемся турбулентном потоке. В результате расчетов, проведенных по этой зависимости, было установлено, что порядок величины радиуса наибольшего устойчивого в гидроциклоне пузыря составляет до 10-3 м.
Левич [4] предложил следующий механизм дробления пузырьков, поднимающихся в жидкости. 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. Величина критического радиуса пузыря, определяемая по зависимостям, представленным в работе [4], составляет так же порядка 10-3 м.
Обе теории сходятся в одном – диаметр пузырька в гидроциклоне имеет примерно один и тот же порядок ≈ 10-3 м, поэтому в дальнейшем будем рассматривать пузырек данного диаметра.
Основными силами, действующими на газовый пузырек на радиусе гидроциклона r, являются [3]:
- центробежная сила, направленная по радиусу от центра гидроциклона к стенке:
Для того чтобы разрушить пленку, над ней надо совершить работу, превышающую поверхностную энергию. В случае движения пузырька в центробежном поле, разрушение его пленки на границе раздела фаз будет происходить, когда кинетическая энергия выходящего пузырька превысит поверхностную энергию. Пузырек имеет направление движения перпендикулярное поверхности раздела фаз, где он приобретает вторую пленку ПАВ (первая пленка располагается по внутреннему диаметру пузырька, вторая – по внешнему) и становится более прочным (рис.2).
Рис. 2. Схема, поясняющая, образование пузырька с двумя слоями ПАВ.
Кинетическая энергия пузырька оказывает максимальное разрушающее действие на пленку и будет определяться по формуле:
Список литературы:
- Брагинский Л. Н., Бегачев В. И, Барабаш В. М.. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336c.
- Лагуткин М. Г., Баранов Д. А., Юулычев С. Ю., Баранова Е. Ю.. Расчет разделяющей способности цилиндроконического гидроциклона на основе детерминированного подхода // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2005. № 3. С. 3 – 6.
- Лагуткин М. Г., Климов А.П. Режимные параметры работы гидроциклона-дегазатора // Журнал прикладной химии. – 1993. Т.66. Вып.2. С. 311-315.
- Левич В.Г.. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959, 700с.
- Тихомиров В. К.. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. – М.: Химия, 1983.-264 с.
- Франк-Каменецкий Д. А.. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Изд-во АНСССР, 1967. 492 с.[schema type=»book» name=»СМЕШЕНИЕ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ПРЯМОТОЧНОМ ГИДРОЦИКЛОНЕ» author=»Лагуткин Михаил Георгиевич, Бутрин Макар Михайлович, Михальченкова Анна Николаевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)» ebook=»yes» ]