Интенсивное пенообразование в ряде технологических процессов производств имеет негативные последствия, выражающиеся в снижении использования полезного объема технологической аппаратуры и оборудования, нарушении регламента производства и стерильности биотехнологических процессов, увеличении загрязнений окружающей среды [8]. Например, при культивировании микроорганизмов с целью синтеза лизина, выделяется большое количество тепла и образуется пена, что без пеногасителей может привести к снижению производительности ферментеров на 60 %. Таким образом, некоторые производственные процессы, сопровождающиеся пенообразованием, могут вызвать ряд технологических и экологических проблем, что делает актуальным разработки и исследования аппаратов, как для гашения пены, так и для смешения жидкостей без её образования.
Задача, которую мы перед собой поставили – это теоретический анализ образования пены в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне и выявление его конструктивных и режимных параметров работы в случае, когда пена не образуется. На рис.1 представлена возможная схема подачи жидкостей в цилиндрический прямоточный гидроциклон.
Рис. 1. Схема подачи жидкостей в цилиндрический прямоточный гидроциклон. 1-разгрузочный штуцер; 2-обечайка; 3-штуцер отвода газа; 4-питающий штуцер; 5-штуцер подачи 1-го потока; 6-штуцер подачи 2-го потока; R-внутренний радиус циклона; h-толщина слоя жидкости в циклоне; r-расстояние от оси циклона до границы раздела фаз газ-жидкость.
Смешиваемые потоки, через штуцера 6 и 5, соответственно, попадают в питающий штуцер 4, где и начинается процесс смешения этих потоков с образованием зародышей пузырьков газа (пены, как таковой, не образуется). Далее поток с зародышами пузырьков через питающий штуцер 4 тангенциально подается в цилиндрический прямоточный гидроциклон, где продолжают расти и выделяться пузырьки. В гидроциклоне, под действием выталкивающей силы, пузырьки будут двигаться к границе раздела фаз, где они лопаются или образуют пену. Выделившийся газ отводится из штуцера 3, а смешанный прореагировавший поток жидкости выводится из штуцера 1.
На основе теории локальной изотропной турбулентности и некоторых экспериментальных данных [2,3,5,6,9] для определения размеров пузырьков, устойчивых во вращающемся турбулентном потоке, в работе [1] была получена зависимость (1), для определения диаметра пузырька. В результате расчетов, проведенных по этой зависимости, было установлено, что порядок величины диаметра наибольшего устойчивого в гидроциклоне пузыря составляет 10-3 м.
ε0 -локальное значение диссипации энергии в единице массы жидкости, Вт/кг, для гидроциклона-дегазатора средняя по аппарату величина будет определяться как =Qобщ Рвх/(rж V0), где V0 – полезный объем гидроциклона, а Qобщ= V0πdвх2/4 – производительность циклона, dвх — диаметр питающего штуцера на входе в гидроциклон, м.
Когда диаметр пузырька газа превысит значение, рассчитанное по уравнению (1), он раздробится на более мелкие пузырьки, которые практически мгновенно вырастают до наибольшего устойчивого диаметра.
Основными силами, действующими на газовый пузырь на радиусе гидроциклона r, являются [4]:
- центробежная сила, направленная по радиусу от центра гидроциклона к стенке:
где mг.п, – масса пузырька газа, кг; Vφ – тангенциальная скорость потока жидкости, м/с. Так как плотность газа не велика, можно пренебречь ускорением Кориолиса и считать, что в окружном направлении пузырек газа движется со скоростью потока жидкости. Тангенциальная скорость находится из формулы, для определения коэффициента падения скорости при входе патока в аппарат [7]:
где, Vвх – скорость потока жидкости на входе, м/с; vж – кинематическая вязкость жидкости, м2/с; Dц – внутренний диаметр гидроциклона, м; Lц – длинна цилиндрической части гидроциклона.
- выталкивающая сила, направленная к оси аппарата:
где ρж – плотность жидкости, кг/м3.
- сила сопротивления, действующая со стороны потока вязкой несжимаемой жидкости на газовый пузырь:
где ξ – коэффициент сопротивления, зависит от режима работы гидроциклона (ξ = 0,44 для турбулентного режима) μж – динамическая вязкость жидкости, Па с; Vr – радиальная скорость движения пузырька, м/с.
Уравнение движения пузырька массой mг.п в радиальном направлении в вязкой несжимаемой жидкости будет иметь вид 
. Если пренебречь левой частью уравнения и центробежной силой, так как масса и ускорение пузырька в радиальном направлении малы, то получим Fc — Fa = 0. Тогда с учетом уравнений (4) и (5) можно записать:
Из уравнения (6) определим скорость движения пузырька в радиальном направлении:
Для того, чтобы разрушить пленку пузырька 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.
Из (8) следует, что пузырек газа лопнет, если на границе раздела фаз он будет иметь некую критическую радиальную скорость (Vr = Vk):
Из уравнения (7) и (9) получим условие разрушения пузырька в зависимости от тангенциальной скорости пузырька:
Представим полученные результаты графически. Из рис. 2 видно, что существуют режимы движения жидкости, когда пузырьки будут выходить на поверхность без образования пены. В рассматриваемом случае тангенциальная составляющая скорости потока должна превышать 8.8 м/с, что подтверждается расчетами по уравнению (10).
Рис.2. График зависимости расчетной критической скорости пузырька и расчетной скорость движения пузырька в радиальном направлении от тангенциальной скорости пузырька ,
при поверхностном натяжении пузырька σ = 0.071, Н/м
Таким образом, цилиндрические прямоточные гидроциклоны могут применяться для смешения жидкостей без образования пены, что позволяет значительно уменьшить габаритные размеры оборудования и интенсифицировать процесс смешения.
Список литературы:
- Брагинский Л. Н., Бегачев В. И, Барабаш В. М.. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336c.
- Войнов О. В., Петров А. Г. // Механика жидкости и газа. М.: КИНИТИ, 1976. Т.10. С.86.
- Кондратьев С.А. // Физико-химические проблемы разработки полезных ископаемых. 1987. №5 С.97.
- 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.
- Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975. 384 с.
- Терновский И.Г., Кутепов А.М. Гидроциклонирование. М.: Наука, 1994. 350с.
- 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=»ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СМЕШЕНИЯ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В ГИДРОЦИКЛОНАХ» description=»Рассмотрена возможность смешения пенообразующих жидкостей в центробежном поле цилиндрического гидроциклона. Теоретический анализ показал, что, при определенных режимных параметрах работы гидроциклона, смешение пенообразующих жидкостей в нем может происходить без пенообразования.» author=»Лагуткин Михаил Георгиевич, Бутрин Макар Михайлович, Меринов Сергей Владиславович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-04″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]