Смешение пенообразующих жидкостей в аппаратах циклонного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Бутрин Макар Михайлович

• Бутрин Макар Михайлович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Бутрин Макар Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АППАРАТЫ ЦИКЛОННОГО ТИПА, ОСНОВНЫЕ «НЕХИМИЧЕСКИЕ» СПОСОБЫ ПЕНОГАШЕНИЯ

1.1. Область применения и основные конструкции гидроциклонов

1.2. Общая производительность гидроциклонов

1.3. Механический метод разрушения пен

1.4. Физический способ разрушения пен

1.5. Другие способы разрушения пен

1.6. Комбинированные способы разрушения пен

1.7. Выводы по анализу литературных источников и постановка задачи

исследования

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПРЯМОТОЧНОГО ГИДРОЦИКЛОНА НА ПРОЦЕСС ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ

2.1. Способы получения пены

2.2. Описания лабораторной установки

2.3. Определение поверхностного натяжения

2.4. Определение вязкости жидкости

2.5. Результаты экспериментов

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СМЕШЕНИЯ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ПРЯМОТОЧНОМ ГИДРОЦИКЛОНЕ И УСЛОВИЯ ЕГО УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ

3.1. Дегазация газосодержащих жидкостей

3.2. Единичный пузырек пены на границе раздела фаз

3.3. Основные методы определения диаметра пузырька газа, движущегося во вращающемся турбулентном потоке

3.4. Смешение пенообразующих жидкостей в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне

3.5. Сопоставление результатов, полученных по предложенной модели, и

натурного эксперимента

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПРЯМОТОЧНОГО ГИДРОЦИКЛОНА ДЛЯ СМЕШЕНИЯ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В СЛУЧАЕ, КОГДА ПЕНА

ОБРАЗОВЫВАТЬСЯ НЕ БУДЕТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Смешение пенообразующих жидкостей в аппаратах циклонного типа»

Актуальность работы.

При смешении некоторых жидкостей, в результате химической реакции образуется пена (далее мы будем называть эти жидкости пенообразующими), которая может вызвать ряд негативных последствий, выражающихся в уменьшении полезного объема и увеличения загрязнения эксплуатируемого оборудования, так же это может привести к снижению производительности аппарата [55]. Для того чтобы избавиться от пены прибегают к одному из двух основных способов подавления пены: химический, «нехимический» [55]. Иногда обращаются к другим, менее распространенным способам пеногашения: ультразвуковой, терморадиационный и др.

Химический метод подавления пены заключается во введении в среду различных химических веществ, данный метод может, как предотвращать процесс пенообразования, так и разрушать уже образовавшуюся пену, но он имеет негативные последствия выражающиеся, как правило, в необходимости дальнейшего выведения пеногасителя из состава раствора. Подавление пены с помощью специальных устройств (машин и аппаратов) называют «нехимическим». [55]

Исследование и разработка «нехимических» способов предотвращения пенообразования, является актуальным, так как не требует ввода в системы дополнительных веществ, влияющих на качество продукта и требующих дальнейшего переработки продукта, для удаления введенных веществ.

Степень разработанности темы исследования.

В конце 80-х годов на биохимическом заводе «Прогресс» в г. Степногорск были проведены опытно-промышленные испытания цилиндрического прямоточного гидроциклона в производстве биологических средств защиты растений. В действующем производстве при подкислении культуральной жидкости концентрированной серной кислотой в емкости образовывалась пена,

занимающая до % ее объема. При смешении данных жидкостей в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне пена перестала образовываться. Положительный эффект использования цилиндрического прямоточного гидроциклона в производстве не получил теоретического обоснования. [17]

На сегодняшний день отсутствуют методики определения конструктивных и режимных параметров устойчивой работы гидроциклонов.

В связи с широким применением центробежных аппаратов в системах газ -жидкость, например в процессах флотации и дегазации, в значительной мере были изучены процессы поведения пузырьков газа в объеме жидкости, находящейся в центробежном поле [3, 14; 15; 17; 18; 19; 20; 53], но поведение пузырька газа на границе раздела фаз газ - жидкость, в случае, когда вдоль аппарата образуется воздушный столб, практически не изучено.

Процессы гидроциклонирования, такие как сгущение и осветление суспензий, классификация твердых частиц по крупности, разделение эмульсий разделение эмульсий, дегазация газосодержащих жидкостей широко освещены в научно-технической литературе. Изучена также гидродинамика гидроциклонов различных конструкций. [14; 17; 18; 19; 54; 59—101].

Цели диссертационной работы:

Целью работы является теоретически и экспериментально обосновать возможность применения цилиндрического прямоточного гидроциклона для предотвращения пенообразования при смешении пенообразующих жидкостей, разработать методику его расчета.

Задачи работы:

1. экспериментально подтвердить возможность предотвращения процесса пенообразования в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне;

2. разработать модель разрушения пузырька газа при его выходе на границу раздела фаз в центробежном поле гидроциклона;

3. провести анализ влияния различных факторов на разрушение пузырька в центробежном поле гидроциклона;

4. провести сопоставление скоростных режимов работы экспериментального гидроциклона, полученных теоретически, с результатами эксперимента;

5. определение режимных параметров работы цилиндрического прямоточного гидроциклона, предотвращающего процесс пенообразования;

6. разработать методику расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей без образования пены.

Научную новизну представляют:

1. модель разрушения пузырька газа, выходящего на границу раздела фаз газ-жидкость в центробежном поле;

2. результаты теоретического анализа влияния на разрушение пузырька в центробежном поле ускоренного движения пузырька в радиальном направлении и силы Кориолиса. Учет ускорения пузырька в значительной мере влияет на точность определения режимов работы гидроциклона, а силой Кориолиса можно пренебречь;

3. зависимость критического центробежного ускорения потока жидкости от коэффициента поверхностного натяжения и внутреннего диаметр гидроциклона, определяющая верхнюю границу устойчивой работы гидроциклона.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность работы цилиндрического прямоточного гидроциклона как аппарата, предотвращающего процесс пенообразования. Гидроциклон работает в режиме предотвращения пенообразования, если газо-жидкостной поток в корпусе гидроциклона имеет центробежное ускорение в диапазоне:

3700 < ацб < 1600 ■ а1-34 ■ Ц^1,67, где а — коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; Бц — внутренний диаметр гидроциклона, м.

2. Предложена методика расчета геометрических и режимных параметров работы цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих 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 анализа предотвращения процесса пенообразования в центробежном поле цилиндрического прямоточного гидроциклона, а также при проведении лабораторных и стендовых испытаний. Общенаучные теоретические методы исследования основаны на базовых знаниях теории пенообразования, теории процессов гидроциклонирования и др.

Положения, выносимые на защиту:

1. результаты экспериментов, подтверждающие возможность предотвращения процесса пенообразования в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне;

2. модель разрушения пузырька газа выходящего на границу раздела фаз газ-жидкость в центробежном поле;

3. результаты сопоставления, предложенной модели разрушения пузырька газа с экспериментом;

4. методика расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей.

Степень достоверности и апробация результатов исследования.

Достоверность представленной работы подтверждается совпадением результатов экспериментов с теоретическими расчетами.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 107 страницах и состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографии, насчитывающей 101 наименование, и приложений.

ГЛАВА 1. АППАРАТЫ ЦИКЛОННОГО ТИПА, ОСНОВНЫЕ «НЕХИМИЧЕСКИЕ» СПОСОБЫ ПЕНОГАШЕНИЯ.

1.1. Область применения и основные конструкции гидроциклонов.

Аппараты центробежного типа действия, как правило, применяются в процессах: осветление и сгущение суспензий, классификация частиц по крупности, разделение эмульсий, дегазация газосодержащих жидкостей, причем в данном случае возможно совмещение процесса с разделением суспензии. Основными причинами, выгодно выделяющими гидроциклоны относительно других аппаратов центробежного принципа действия, являются простота их конструкции, удобство в эксплуатации, отсутствие подвижных частей и дополнительных источников энергопотребления (электроприводов) [14].

На сегодняшний день, согласно различным источникам, имеется огромное количество конструктивных исполнений аппаратов циклонного принципа действия, причем как в единичном исполнении, так и в групповом, например, в виде батарей [53]. По мере повышения требований к продукции, получаемой в результате процессов разделения, появляются новые конструкции оборудования циклонного принципа действия, позволяющие добиться необходимого результата для каждого конкретного случая [14].

Выбор конструкции аппаратов циклонного принципа действия на прямую зависит от его назначения. Для осветления и сгущения суспензий, лучше подходят цилиндроконические гидроциклоны (рис. 1.1.1). При разделении эмульсий могут использоваться как цилиндроконические, так и цилиндрические гидроциклоны (рис. 1.1.2), последние зарекомендовали себя лучше. В процессах дегазации, наиболее распространенное применение нашли цилиндроконические и цилиндрические гидроциклоны [14], в данных аппаратах дополнительно устанавливается газоотводящий патрубок.

Рисунок 1.1.1. Цилиндроконический гидроциклон. 1 — цилиндрическая часть; 2 — крышка; 3 — верхний сливной патрубок; 4 — тангенциальный питающий (входной) патрубок; 5 — разгрузочный патрубок; 6 — коническая часть.

Цилиндроконический гидроциклон (рис. 1.1.1) для осветления и сгущения суспензий работает следующим образом. Суспензия подается через тангенциальный питающий (входной) патрубок 4 в цилиндрическую часть 1 аппарата, где под действием центробежных сил, более тяжелые частички отбрасываются к внутренней стенке аппарата, перемещаются по спиральной траектории в коническую часть 6 и разгружаются в виде сгущенного продукта через нижний разгрузочный патрубок 5. Более легкими частичками, радиальным потоком жидкости передвигаются к оси аппарата и выносятся восходящим осветленным потоком, выходящим через верхний сливной патрубок 3.

Рисунок 1.1.2. Цилиндрический гидроциклон. 1 — тангенциальный разгрузочный патрубок; 2 — корпус аппарата; 3 — тангенциальный питающий (входной) патрубок; 4 — нижний разгрузочный патрубок.

Цилиндрический гидроциклон (рис. 1.1.2.) для разделения эмульсий работает следующим образом. Поток эмульсии подается через тангенциальный питающий (входной) патрубок, в корпус аппарата 2, где под действием центробежных сил, более тяжелая жидкость отходит к внутренней стенке аппарата, перемещается по спиральной траектории и уходит в тангенциальный разгрузочный патрубок 1, а жидкость с меньшей плотностью отходит к оси аппарата, перемещается по спиральной траектории и уходит в нижний разгрузочный патрубок 4.

При необходимости увеличения общей производительности единичные гидроциклоны объединяют в батареи (рис. 1.1.3.), причем количество элементов в батареях может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен штук (мультигидроциклоны).

I сгущенная

у Суспензия

Рисунок 1.1.3. Батарея гидроциклонов. 1 — коллектор; 2 — гидроциклон; 3 — бункер; 4 — подставка; 5 — входной патрубок; 6 — патрубок; 7 — отвод; 8 — патрубок бункера; 9 — патрубок отвода осветленного продукта.

Батарея гидроциклонов (рис. 1.1.3.) для осветления и сгущения суспензий работает следующим образом. Коллектор 1 разделен внутренними перегородками на две части верхнюю и нижнюю. В нижнюю часть, через входной патрубок 5, подается суспензия, а в верхнюю, через отвод 7, осветленный продукт. В нижней части коллектора 1 происходит распределение потока суспензии между цилиндроконическими гидроциклонами 2 через патрубки 6. Сгущенный продукт уходит в бункер 3 и отводится далее через патрубок бункера 8, а осветленный продукт уходит из установки через верхнюю часть коллектора 1 и патрубок отвода осветленного продукта 9.

Существует множество методик расчеты гидроциклонов для проведения процессов разделения в системах жидкость-твердое тело, жидкость-жидкость, жидкость-газ [14; 15; 16; 53], но методики расчета процесса предотвращения пенообразования при смешении пенообразующих жидкостей в аппаратах циклонного типа нет.

1.2. Общая производительность гидроциклонов.

Одним из наиболее важных параметров, определяющих режимы эффективность работы гидроциклонов, является общая производительность —

Q общ. •

На сегодняшний день в технической литературе предлагается более пятидесяти формул для расчета расхода гидроциклонов для таких систем как пульпы, суспензии и несмешивающиеся жидкости [53]. Среди них можно выделить несколько основных расчетных схем, используемых авторами при выводе зависимостей для определения значений Q0бщ . [53]:

I. Гидроциклон рассматривается как местное сопротивление на трубопроводе.

II. Значение Q общ. рассчитывается на основе формулы истечения через водослив, образованный краями сливной трубки.

III. Производительность определяется из общей формулы истечения жидкости из затопленного отверстия.

IV. Обработка экспериментального материала по производительности с применением метода анализа размерностей и теории подобия.

В работе [53] предложены следующие зависимости общего вида, по которым можно определить производительность гидроциклона:

I. Q общ. к 1d вХ j Рвх,

II. Q общ. = к2d вх Ш(D4, de); Ш. Qобщ. = к 3 ( dex ds) П лЩх;

IV. Qобщ. = к4 ( dexde)т vj^ex f (^ц> ^тр> а> ^ е)

здесь к1, к2, к3, к4 — эмпирические коэффициенты, на рисунке 1.2.1. представлена общая схема гидроциклона, с указанными на ней геометрическими параметрами, необходимыми для расчетов

Рисунок 1.2.1. Общая схема гидроциклона, с указанными на ней геометрическими параметрами, необходимыми для расчетов Q0бщ, Схема гидроциклона. 1 — цилиндрический корпус; 2- крышка; 3- коническая часть аппарата; 4- питающий патрубок; 5- трубка для вывода осветленного продукта; 6-насадка для вывода сгущенного продукта.

Погрешность фактического значения Q0бщ от рассчитанного по данным зависимостям может достигать 20%, а иногда 100% и выше, поэтому ни одну из известных зависимостей нельзя считать универсальной. Поскольку они являются эмпирическими, то дают значения с удовлетворительной точностью только в диапазоне конструктивных и режимных параметров работы гидроциклонов, в которых проводились экспериментальные исследования.

В связи с этим, в ходе лабораторных исследований, мы определяли производительность, снимая показания непосредственно со счетчика на входе в гидроциклон, фиксирующего объем потока, проходящего через него.

1.3. Механический метод разрушения пен.

Как говорилось ранее, для того чтобы избавиться от пены прибегают к одному из двух основных способов подавления пены: химическому, «нехимическому».

В виду того, что предотвращение процесса пенообразования в гидроциклоне ближе к «нехимическому» способу пеногашения рассмотрим его более подробно. «Нехимическиий» способ подавления пены условно можно разделить на механические и физические [55].

Сущность механических способов пеногашения заключается в разрушении пены путем механического действия на пузырьки. Принцип работы физических пеногасителей состоит в изменении физических параметров в аппарате (давления, температуры), на такие, при которых пена существовать не может. [55]

Как правило, для механического разрушения пен используют устройства, имеющие вращающиеся элементы, такие как вал, к которым прикрепляются рабочие части (сетки, диски и пр.) и уже они непосредственно разрушают пену. Рассмотрим несколько аппаратов механического метода пеногашения.

Аппарат для культивирования микроорганизмов [47] содержит емкость, внутри нее перемешивающее устройство, выполненное из мешалок, ярусно укрепленных на валу, патрубки для ввода питательной среды, аэрирующего газа и отвода отработанного газа и готового продукта. Перемешивающее устройство состоит из трех мешалок. Верхняя мешалка выполнена в виде сплошного диска с вырезанными на ней отверстиями, при этом на диске установлены лопатки Т-образной формы с прорезями волнообразной формы в козырьке. Центральная выполнена с вертикальными прорезями в боковых сторонах, а нижняя - в форме пропеллера. Питательная смесь (рисунок 1.3.1) вместе с дрожжевым автолизатом и с солями, необходимыми для культивирования микроорганизмов, вносится через питательный патрубок 11, установленный в верхней части корпуса 1 ферментатора, который установлен на основание 10. Одновременно с вращением

мешалок, которые приходят в движение от работы электродвигателя 13, вводится воздух через полый вал 2. Для протекания полноценного процесса культивирования микроорганизмов (поддержания температурного режима) аппарат снабжен теплообменной рубашкой 6. Засекается время культивирования. Производятся необходимые замеры. По завершении процесса культивирования готовый продукт выгружается через выгрузной патрубок 9, а отработанные газы выводятся через патрубок 12. По окончании культивирования выключается электродвигатель 13 и останавливается работа ферментатора. [47]

"Г—™-1

!

13

9

Рисунок 1.3.1. Аппарат для культивирования микроорганизмов. 1 — корпус ферментатора; 2 — полый вал; 3 — лопатки Т-образной формы; 4 — прорези волнообразной формы; 5 — верхняя мешалка выполненная в форме диска; 6 — теплообменная рубашка; 7 — центральная мешалка в форме прямоугольника с вертикальными прорезями; 8 — нижняя мешалка в форме пропеллера; 9 —

выгрузной патрубок; 10 — основание; 11 — питательный патрубок; 12 — патрубок для отвода газов; 13 — электродвигатель. [47]

Верхняя Т-образная мешалка с прорезями в козырьке волнообразной формы позволяет не только гасить пену, но и предотвращать ее полное появление. Благодаря выполнению центральной мешалки в форме прямоугольной пластины с продольными прорезями происходит интенсивное и более полное перемешивания среды в ферментаторе. Выполнение нижней мешалки в форме предотвращает оседание частиц на днище аппарата и максимально поднимает частицы до верхнего предела уровня культуральной жидкости в ферментаторе, что интенсифицирует процесс перемешивания по всему объему аппарата. [47]

Так же известен центробежный пеногаситель [39], который содержит корпус с цилиндрической и конической частями с загрузочным патрубком, цилиндрическую решетку, расположенную с зазором относительно цилиндрической части корпуса, патрубок для отвода воздуха и разгрузки обеспененного продукта со шламом. Кроме того, он снабжен расположенным на оси симметрии корпуса валом с установленными на нем разбрызгивателем и дожимателем, выполненными со спиральными ребрами, противоположно ориентированными в разбрызгивателе и дожимателе. Причем вал связан через редуктор с электродвигателем, разбрызгиватель установлен в цилиндрической части корпуса, а в конической части корпуса размещена коническая решетка с возможностью вращения внутри нее дожимателя. Центробежный пеногаситель (рисунок 1.3.2) работает следующим образом. От электродвигателя 11 через редуктор 10 на вал 9 передают крутящий момент, вызывающий вращение разбрызгивателя 4 и дожимателя 5 со спиральными ребрами. Затем через загрузочный патрубок 6 подают пеносодержащий продукт. Направленный на разбрызгиватель 4 пеносодержащий продукт под действием центробежных сил с большой скоростью попадает на цилиндрическую решетку 2. За счет ударения пузырьков пены о цилиндрическую решетку 2 происходит разрушение большей их части. Выделившийся газ и воздух отводят по патрубку 7 для отвода воздуха. Далее продукт с остатками пенной среды под действием сил гравитации попадает

на дожиматель 5 со спиральными ребрами, который производит разрушение остатков пены. За счет конической решетки 3, происходит дополнительное механическое воздействие на пенную среду. Обесцененный продукт со шламом отводят по патрубку 8 для разгрузки обеспененного продукта. [39]

с-с

Рисунок 1.3.2. Центробежный пеногаситель. 1 — корпус с конической и цилиндрической частями; 2 — цилиндрическая решетка; 3 — коническая решетка; 4 — разбрызгиватель со спиральными ребрами; 5 — дожиматель со спиральными ребрами; 6 — загрузочный патрубок; 7 — патрубок для отвода воздуха; 8 — патрубок для разгрузки обеспененного продукта со шламом; 9 — вал; 10 — редуктор; 11 — электродвигатель; 12 — подшипник; 13 — опора подшипника. [39]

Устройство для разрушения пены [29] состоит из пеногасящего диска 1 (рисунок 1.3.3), который прикреплен к валу 2 вибрационного двигателя 3. Диск 1 имеет отверстия 4 и на нижней поверхности которого размещены конусообразные игольчатые выступы 5. Пеногасящий диск расположен внутри сосуда 6 в свое пены. При сообщении пеногасящему диску вибрации частотой в несколько герц происходит разрушение пены. Образующаяся при этом на поверхности диска 1 жидкость по конусообразным игольчатым выступам 5 стекает на дно сосуда, Капли жидкости, проходя через слой пены, в свою очередь способствует ее разрушению. [29]

3

Рисунок 1.3.3. Устройство для разрушения пены с пеногасящим диском. 1

— пеногасящий диск; 2 — вал; 3 — вибрационный двигатель; 4 — отверстия; 5

— размещены конусообразные игольчатые выступы; 6 — сосуд. [29]

Центробежное устройство для разрушения пены [21] (рисунок 1.3.4) смонтировано на вертикальной опорной раме 9, на которой установлен

Зи 1 с» А и

, связанный через полумуфты с ходовой частью 2, в последней на подшипниках установлен приводной вал 1. На валу 1 насажена профилированная втулка 6, которая закреплена от проворота шпонкой (не

показана). На втулке 6 закреплено приспособление для разрушения пены, выполненное из труб 4, продольные оси которых ориентированы между собой параллельно в плоскости, перпендикулярной валу 1. Трубы 4 закреплены на профилированной втулке 6 посредством шпилек 8, введенных в сквозные отверстия втулки 6 и приболченных гайками внутри труб 4, причем между гайками и стенками труб 4 устанавливают металлические планки 5. Опорный диск 7 предотвращает соскальзывание профилированной втулки 6 вниз по валу 1. Концы труб 4 выполняются скошенными в сторону вала 1 под углом в пределах 25 - 350. Трубы покрыты слоем материала с краевым углом смачивания пенообразующей жидкости, равным или превышающим 80, например слоем фторопласта толщиной 0,3 0,6 мм. В экстракторах по производству фосфорной кислоты устройство для разрушения пены устанавливают в проем в крышке экстрактора, при этом трубы располагают от уровня пеновыделяющейся пульпы на расстоянии 600-800 мм. [21]

Рисунок 1.3.4. Центробежное устройство для пеногашения. 1 — вал; 2 — ходовая часть; 3 — электродвигатель; 4 — трубы; 5 — планки; 6 — втулка; 7 — опорный диск; 8 — шпильки; 9 — рама. [21]

Устройство работает следующим образом [21]. При включенном электродвигателя 3 пена захватывается носовыми частями труб 4, сжимается

внутри труб за счет центробежных сил и перемещается в кормовые части труб 4, откуда выбрасывается в разрушенном виде. Таким образом, в носовых частях труб возникает избыточное давление, а в кормовых частях — разрежение. При сжатии пена разрушается за счет истечения межпленочной жидкости из ячеек через капилляры. В зоне разрежения преимущественно происходит разрыв пленок пены. Выбрасываемый из кормовой части первой трубы 4 частично разрушенный поток пены попадает в носовую часть второй трубы 4, в которой дополнительно разрушается. При непрерывной работе устройства в носовую часть труб 4 попадает смесь неразрушенной части пены и свежий поток пены из источника пенообраэования. При скольжении пены по поверхностям труб 4 происходит ее дополнительное разрушение за счет стягивания пленок в капли на гидрофобной поверхности фторопласта. [21]

Как видно, большинство аппаратов для механического пеногашения [21; 22; 23; 24; 25; 27; 28; 29; 30; 31; 38; 39; 47] требуют ввода в систему дополнительного оборудования в виде электроприводов и др., что приводит к значительному увеличению энергозатрат и затрат на обслуживание оборудования. Так же данное оборудование, как правило, снабжено различного рода подвижными механизмами, что приводит к снижению надежности оборудования и усложняет его обслуживание.

Затрата мощности на разрушение пены механическим способом зависит от частоты вращения движущихся деталей пеноразрушителя, а также от свойств пенного слоя. Для производственных аппаратов вместимостью 1500 л при частоте вращения мешалки 150—250 об/мин расход мощности колеблется в пределах 0,1—0,8 кВт, что составляет 20% и более от мощности, расходуемой на перемешивание технологического раствора. При погружении механического пеноразрушителя в жидкость потребляемая мощность резко возрастает, достигая 50% от всей мощности, затрачиваемой на перемешивание [55].

Есть множества методов расчетов механических пеногасителей, заключающихся в определении потребляемой пеногасителями мощности, объемной производительности, количества лопастей, угловой скорости вращения,

величины перфорации рабочей части (диска, барабана), обеспечивающей условие отсутствия проскока неразрушенной ячейки пены из рабочей зоны пеногасителя.

[4].

1.4. Физический способ разрушения пен.

Как уже говорилось ранее, сущность физических способов пеногашения заключается в изменении физических параметров аппарате (давления, температуры), на такие, при которых пена существовать не может. Рассмотрим несколько аппаратов физического метода пеногашения.

Термический метод пеногашения используют как правило в выпарных аппаратах. Данный метод основан на испарении пленки пены. [55]

Термический пеногаситель с греющими змеевиками [49] выполнен в виде сосуда с цилиндрической обечайкой 1 (рисунок 1.4.1) с верхним и нижним выпуклыми днищами. Внутри, в верхнем пространстве размещены змеевики 2, обогреваемые паром, входящим через штуцер 3 и уходящим через штуцер 4. В цилиндрической части обечайки установлены боковые сопла 5, через которые в зону греющих змеевиков подается острый пар. При выпаривании жидкостей в выпарных аппаратах образовавшаяся пена поступает в пеногаситель через боковой штуцер 6, разбивается в зоне сепарации 7; затем, поднимаясь вверх, вновь разбивается в зоне греюших змеевиков и окончательно гасится кинетической энергией острого пара, поступающего через боковые сопла. Водяной пар отводится через верхний штуцер 8, а лишенная пены жидкость стекает через нижний штуцер 9. [49]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бутрин Макар Михайлович, 2018 год

Список литературы.

1. Баранов Д.А., Кутепов А.М., Лагуткин М.Г. Расчет сепарационных процессов в гидроциклонах. // Теоретические основы химических технологий. - 1996. -Т. 30. - С. 117-122.

2. Брагинский Л. Н., Бегачев В. И, Барабаш В. М. Перемешивание в жидких средах. - Л.: Химия, 1984. - 336 с.

3. Бутрин М. М., Лагуткин М.Г., Михальченкова А.Н. Цилиндрический прямоточный гидроциклон для предотвращения пенообразования при смешении пенообразующих жидкостей // Технологии нефти и газа. - 2017. -№ 4. - С. 56-59.

4. Ветошкин А. Г. Совершенствование методов расчета механических роторных пеногасителей. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2 (30) - С. 100-112.

5. Ветошкин А.Г. Физические основы и техника процессов сепарации пены. -Москва - Вологда: Инфра-Инженерия, 2016. - 404 с.

6. Воинов О.В., Петров А.Г. Движение пузырей в жидкости // Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. - 1976. - Т. 10. - С. 86-147.

7. ГОСТ 10028-81. Вискозиметры капиллярные стеклянные. Технические условия.

8. ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94). Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости.

9. ГОСТ 6709. Вода дистиллированная. Технические условия.

10. Кондратьев С. А. // Физико-химические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1987. - №5. - С. 97.

11. Кругляков П. М., Ексерова Д. Р. Пены и пенные пленки. - М. Химия, 1990 -432 с.

12. Кутепов А.М., Лагуткин М.Г., Непомнящий Е.А., Терновский И.Г. Турбулентная вязкость закрученного потока в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне // Журнал прикладной химии. - 1983. - №4. - С. 926-929.

13. Кутепов А.М., Полянин А.Д., Запрянов З.Д., Вязьмин А.В., Казенин Д.А. Химическая гидродинамика. Справочное пособие. - М.: Квантум, 1996. - 336 с.

14. Лагуткин М. Г. Разделение неоднородных систем в гидроциклонах. Основы теории, расчет, конструктивное оформление. Дисс. докт. техн. наук. - М.: МНУИЭ, 1994. - 323 с.

15. Лагуткин М. Г., Климов А. П. Режимные параметры работы гидроциклона-дегазатора. // Журнал прикладной химии. - 1993. - Т.66. - Вып.2. - С. 311-315.

16. Лагуткин М.Г., Баранов Д.А., Булычев С.Ю., Баранова Е.Ю. Расчет разделяющей способности цилиндроконического гидроциклона на основе детерминированного подхода // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2004. - №5. - С. 3.

17. Лагуткин М.Г., Бутрин М. М., Михальченкова А.Н. Методика расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей без пенообразования // V мiжнародноi науково-практично! конференций «Осшш науковi читання», 1 частина м. Кшв: збiрник статей ^вень стандарту, академiчний рiвень). - К.: Центр наукових публкащй. - 2016. - С. 24-29.

18. Лагуткин М.Г., Бутрин М. М., Михальченкова А.Н. Смешение пенообразующих жидкостей в аппаратах центробежного типа действия // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2016. - №3. - С. 6-9.

19. Лагуткин М.Г., Михальченкова А.Н., Бутрин М. М. Смешение пенообразующих жидкостей в гидроциклонах. // Безопасность Труда в Промышленности. - 2016. - № 9. - С. 22-28.

20. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Физматгиз, 1959. - 700 с.

21. Патент РФ №1690808 от 15.11.1991. Тюмеров А.И, Мирходжаев М. М., Ахметшин М.М., Каминер Э.Г. Устройство для разрушения пены.

22. Патент РФ №1724312 от 07.04.1992. Давыденко С.П. Устройство для пеногашения.

23. Патент РФ №1736549 от 30.05.1992. Шинаков А.А., Куликов В.В., Пекин Г.Н., Тихонов В.В., Захаров Ю.Г. Сепаратор пены.

24. Патент РФ №1742317 от 23.06.1992. Нестеров Б.Ф. Устройство для разрушения и разделения пены к ферментерам.

25. Патент РФ №1754148 от 15.08.1992. Алексеев В.И., Кулясов С.Н. Устройство для гашения пены.

26. Патент РФ №1761195 от 15.09.1992. Алексеев В.И., Кулясов В.Г. Устройство для разрушения пены.

27. Патент РФ №1766448 от 07.10.1992. Александров В.Г. Устройство для гашения пены.

28. Патент РФ №1800838 от 20.08.1995. Полуничев В.И. Центробежный пеногаситель.

29. Патент РФ №1811894 от 30.04.1993. Шарлот Ю.М., Борский О.Б. Устройство для разрушения пены.

30. Патент РФ №2054475 от 20.02.1996. Романенко Г.И., Романенко Б.Г., Матянин А.С., Марков В.Ф. Механический пеногаситель.

31. Патент РФ №2056127 от 20.03.1996. Николушкин Г.М., Смирнов А.А. Устройство для гашения пены.

32. Патент РФ №2122460 от 27.11.1998. Николаев Б.А., Матусевич А.А., Мирошников А.М., Осадчий В.Л., Атапина И.В. Пеногаситель.

33. Патент РФ №2124919 от 20.01.1999. Шкатов В.Т., Кувшинов В.А. Способ гашения пены в электрическом поле.

34. Патент РФ №2169034 от 20.06.2001. Доценко С. П. , Данилин В. Н., Марцинковский А. В., Косачев В. С., Ильин П. П. Способ получения пеногасителя.

35. Патент РФ №2198722 от 20.02.2003. Лыкова Л.Ф., Чудиевич Д.А., Тараканов Г.В., Прохоров Е.М., Пестовников О.Д. Способ предотвращения пенообразования аминовых растворов.

36. Патент РФ №2241520 от 10.12.2004. Гончаров В.И., Смолин В.Н. Способ очистки аэротенка от пенообразования.

37. Патент РФ №2243816 от 10.01.2005. Топал О.И., Гнездилова А.И. Способ пеногашения.

38. Патент РФ №2273508 от 10.04.2006. Толстунов С. А., Мозер С. П. Устройство для гашения пены.

39. Патент РФ №2275227 от 27.04.2006. Толстунов С. А,, Мозер С. П. Центробежный пеногаситель.

40. Патент РФ №2281137 от 10.08.2006. Ермолин В.С., Шевцев П.П., Уфимцев В.П. Пеногаситель.

41. Патент РФ №2325211 от 27.05.2008. Рахматуллина А.П, Лиакумович А.Г., Ахмедьянова Р.А. и др. Состав для снижения пенообразования.

42. Патент РФ №2336116 от 20.10.2008. Брауни Эдвард П. Способ подавления вспенивания водной системы.

43. Патент РФ №2397003 от 20.08.2010. Суи Ч., Уолтрик мл. Д.К. Контроль пенообразования в водных средах.

44. Патент РФ №2418612 от 20.05.2011. Ильберер Ален, Наве Эмили, Вермейр Лоран. Способ получения и применения композиций, контролирующих пенообразование.

45. Патент РФ №2506306 от 10.02.2014. Дельбрассине П., Эль'хостис Ж., Цзэн Ц. Композиция для контроля пенообразования.

46. Патент РФ №2543481 от 10.03.2015. Мартин Д., Уилсон Р., Розенкранц С., Превис Д. Полимерная пеногасящая добавка.

47. Патент РФ №2565557 от 20.10.2015. Шагдыров И.Б., Кокиева Г.Е., Шагдыров Б.И., Болохоев В.С. Аппарат для культивирования микроорганизмов.

48. Патент РФ №2591986 от 20.07.2016. Матюхин В.И., Матюхин О.В., Зорин М.В. и др. Способ гашения пены и установка для гашения пены.

49. Патент СССР №150099 от 01.01.1962. Поповский В.М., Сецко В.И., Щетинкин В.И. Термический пенргаситель.

50. Патент СССР №472153 от 30.05.1975. Псалом П.Г. Деэмульгатор.

51. Р. М. Панич, С. С. Воюцкий, Н. И. Иванова и др. Практикум по коллоидной химии и электронной микроскопии. - М.: Химия, 1974. - 224с.

52. Савицкая Т. А., Шиманович М. П. Практикум по коллоидной химии. Часть 1. Поверхностные явления. - Мн.: БГУ, 2003. - 113 с.

53. Терновский И.Г., Кутепов А.М. Гидроциклонирование. - М.: Наука, 1994. -350 с.

54. Терновский И.Г., Кутепов А.М., Лагуткин М.Г. Исследование распределения тангенциальной скорости жидкости в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне // Журнал прикладной химии. - 1981. - №9 - Т.54 - С. 20662070.

55. Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983. - 264 с.

56. Фролов Ю. Г., Гродский А. С, Назаров В. В., Моргунов А. Ф., Шабанова Н. А., Дворецков Г. А., Кривощепов А. Ф., Ким В. Е., Жигунова Л. К., Растегин Ю. И. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. - М.: Химия, 1986. - 216 с.

57. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1988. - 464 с.

58. Хаппель Д. М., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. -М.: Мир, 1976. - 630 с.

59. Barrientos, A., Sampaio, R. And Concha, F., Effect of the air core on the performance of a hydrocyclone // XVIII International Mineral Processing Congress, Sydney. - 23-28 May, 1993. - pp. 267-270.

60. Bergstrom, J. and Vomhoff, H. Application of a pitometer to measure the tangential velocity in a cylindrical through-flow hydrocyclone operated with a fiber suspension // Nordic Pulp and Paper Research Journal. - 20(1), 2005. - pp. 30-35.

61. Bergstrom, J. and Vomhoff, H. Experimental Hydrocyclone Flow Field Studies. Sep Purif Tech. - Vol. 53, 2007. - pp. 8-20.

62. Bergstrom, J. and Vomhoff, H. Velocity measurements in a cylindrical hydrocyclone operated with an opaque fiber suspension // Minerals Engineering 17(5), 2004. - pp. 599-604.

63. Bergstrôm, J. Fiber suspension velocity measurements in a cylindrical through-flow hydrocyclone - Evaluation of pitometer and ultrasonic techniques // Licentiate thesis, Department of Fibre and Polymer Technology, Division of Paper Technology, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2004. - P. 28.

64. Bergstrom, J., Vomhoff, H. and Soderberg, D. Tangential Velocity Measurements in a Conical Hydrocyclone Operated with a Fibre Suspension. // Minerals Eng., Vol. 20, 2007. - pp. 407-413.

65. Borchardt, J. K., Rask, J. H., Miller, J. D., Yu, Q. Toner ink particle morphology in air-sparged hydrocyclone flotation deinking// Progress in Paper Recycling 5(2), 1996. - pp. 29-35.

66. Br'annvall, E., Tormund, D., Bâckstrôm, M., Bergstrôm, J and Tubek-Lindblom, A. Separate bleaching of pulp fractions enriched in earlywood and latewood fibers // J. Wood Chem. Technol. 27(2), 2007 - P. 99-112.

67. Byrd, M., Pawlak, J. J., Jameel, H., Venditti, R. A., Chang, H.-M., Park, S. The effect of operating variables on the fractionating characteristics of a hydrocyclone // In 2002 Fall Technical Conference and Trade Fair, San Diego, USA, 2002 - pp. 1398-1413.

68. Caldentey, J. 0A Mechanistic Model for Liquid Hydrocyclones0 // M.S. Thesis. The University of Tulsa, 2000, U.S.A. - P. 98.

69. Chiné, B. and Concha, F. Flow patterns in conical and flat bottom hydrocyclones // Chem. Eng. Journal, 80, 2000. - pp. 267-273.

70. Chu, L.-Y., Chen, W.-M., Lee, X.-Z. Enhancement of hydrocyclone performance by controlling the inside turbulence structure // Chemical Engineering Science 57(1), 2002. - pp. 207-212.

71. Collantes, J. and Concha, F. Vortex flow in cylindrical flat-bottomed hydrocyclones: Leading and first order steady solution. International conference on cyclone technologies №5, Warwick, ROYAUME-UNI (31/05/2000), 2000. - pp. 153-171.

72. Collantes, J., Concha, F. and Chiné, B. Axial symmetric model for a flat bottom hydrocyclone // Chem. Eng. Journal, 80, 2000. - pp. 257-265.

73. Collantes, J., Concha, F. Vortex Flow in Flat-Bottomed hydrocyclones: Leading Order Steady Solution. Proceedings XXI International Mineral Processing Congress, Rome, July 23-27, 2000. - pp. 77-86.

74. Cullivan, J. C., Williams, R. A., Cross, C. R. Verification of theoretical 3D-flow in a hydrocyclone using tomography // In Fourth World Congress for Particle Technology, Sydney, Australia, 2001. - pp. 1-9.

75. Cullivan, J. C., Williams, R. A., Dyakowski, T., Cross, C. R. New understanding of a hydrocyclone flow field and separation mechanism from computational fluid dynamics // Minerals Engineering 17(5), 2004. - pp. 652-660.

76. Dietemann, P., Rueff, M. A study of fibre suspension flow by means of Doppler ultrasound velocimetry and image analysis. // In: Ninetieth Ann. Mtg. Technical Section, Canadian Pulp and Paper Association, Preprints, vol. A, 2004. - pp. 225230.

77. Dyakowski, T. and Williams, R.A. Modelling turbulence flow within a small diameter hydrocyclone // Chemical Engineering Science, vol. 48, no. 6, 1993. - pp. 1143-1152.

78. F. Concha. Flow Pattern in Hydrocyclones.// KONA №25, 2007. - pp. 97-132.

79. Ferhat M. Erdal and Siamack A. Shirazi. Local Velocity Measurements and Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulations of Swirling Flow in a Cylindrical Cyclone Separator // Energy Resour. Technol126(4), 2004. - pp. 326333.

80. Fisher, M. J., Flack, R. D. Velocity distributions in a hydrocyclone separator // Experiments in Fluids 32(3), 2002. - pp. 302-312.

81. Gómez, Carlos Hernan. Oil-Water Separation in Liquid-Liquid Hydrocyclones (LLHC) — Experiment and Modeling. The University of Tulsa, 2001. - P. 102.

82. Hammar, L.-A., Ottestam, C. Separate refining of TMP rejects from screens and hydrocyclones // In 2001 International Mechanical Pulping Conference, Helsinki, Finland, Vol. 1, 2001. - pp. 185-189.

83. Ho, S.-L., Rehmat, T., Branion, R. Fibre fractionation in hydrocyclones // In 86th annual meeting, Paptac, Montreal. Vol. 1, 2000. - pp. 193-215.

84. Kraipech, W., Nowakowski, A., Dyakowski, T., Suksangpanomrung, A. An investigation of the particle-fluid and particle-particle interactions on the flow within a hydrocyclone // Chemical Engineering Journal 111, 2005. - pp. 189-197.

85. Li, M., Johnston, R., Xu, L., Filonenko, Y. and Parker, I. Characterization of hydrocyclone-separated eucalypt fibre fractions. // J. Pulp Pap. Sci. 25(8), 1999. -pp. 299-304.

86. Mainza, A.N. and Powell, M.S. Use of the three product cyclone in dual-density ore classification. // IMPC Procedings. Cape Town, South Africa. October 2003. -pp. 650-664.

87. Mainza, A.N., Powell, M.S., and Knopjes, B. Differential classification of dense material in a three product cyclone // Minerals engineering Journal, May 2004, vol. 17, 2004. - pp. 573-579.

88. Manegold E. Schaum. Heidelberg: Strassenbau // Chemie und Technil, 1953. - P. 512.

89. Mustafa A1 kayed. Charactristics of hydrocyclone flows // Thesis in The Department of Building, Civil and Environmental Engineering. December, 2008. -P. 232.

90. Neesse, T., Schneider, M., Golyk, V., Tiefel, H. Measuring the operating state of the hydrocyclone // Minerals Engineering 17(5), 2004. - pp. 697-703.

91. Ovalle, E. and Concha, F., The role of wave propagation in hydrocyclone operation II: Wave propagation in the airwater interface of a conical hydrocyclone // Chem. Eng. J., 111, 2005. - pp. 213-223.

92. Panula-Ontto, S. Fractionation of unbleached softwood kraft pulp with wedge wire pressure screen and hydrocyclone. // Licentiate thesis, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 2003. - P. 83.

93. Park, S., Venditti, R. A., Jameel, H., Pawlak, J. J. The effect of fibre properties on fibre fractionation using a hydrocyclone // Journal of Pulp and Paper Science 31(3), 2005. - pp. 132-137.

94. Patent WO/2006/032427 A1. 2006. Kemper, M., Norman, B., Sandberg, C., Bergstrom, J., Ko, J., Vomhoff, H., Mannes, W., Paul, T. Method for fractionating an aqueous paper fibre suspension and hydrocyclone for carrying out said method.

95. Rajamani R.K. and Devulapalli, B. Hydrodynamic modeling of swirling flow and particle classification in large-scale hydrocyclones // Kona, 12, 1994. - pp. 95-104.

96. Rasmus Andersson. Evaluation of two hydrocyclone designs for pulp fractionation. Licentiate Thesis. Stockholm 2010. - P. 46.

97. Shagaev, O., Bergstrom, B. Advanced process for production of high quality mechanical pulps for value-added grades // In International Mechanical Pulping Conference 2005, Oslo, Norway, 2005 pp. - 169-179.

98. Slack, M.D., Prasad, R.O., Bakker, A., and Boysan, F. Advances in cyclone modelling using unstructured grids // Transactions Institute Chemical Engineers, vol. 78, 2000. - pp. 1098-1104.

99. Sripriya, R., Kaulaskar, M. D., Chakraborty, S. and Meikap, B. C. Studies on the Performance of a Hydrocyclone and Modeling for Flow Characterization in Presence and Absence of Air Core. Chem Eng Sci., Vol. 62, 2007. - pp. 63916402.

100. Steffens, P.R., Whiten, W.J., Appleby, S. and Hitchins, J. Prediction of air core diameters for hydrocyclones // Int. J. Miner. Process, 39, 1993. - pp. 61-74.

101. Wanwilai, K. E., Anotai, S. and Andrzej, F. N. The Simulation of the Flow within a Hydrocyclone Operating with an Air Core and with an Inserted Metal Rod. Chem Eng J., Vol. 143, 2008. - pp. 51-61.

Приложения.

Приложение А. Письма, ООО «ГИПРОХИМ» и АО «НИУИФ»

В диссертационный совет.

Диссертационная работа М. М. Бутрина посвящена актуальной теме смешения жидкостей без образования пены в аппаратах циклонного принципа действия.

Обычно при смешении пенообразующих жидкостей в каком-либо сосуде % его объема занимает образовавшаяся пена. М. М. Бутрин теоретически определил конструктивные и режимные параметры цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения

пенообразующих жидкостей, когда пузырек газа выходит из потока без образования пены.

ООО «ГИПРОХИМ» планирует использовать компактные прямоточные гидроциклоны в сво( "

Генеральный директор, к.т.

.В. Муравьев

Акционерное общество

«Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам имени профессора Я.В. Самойлова»

(АО «НИУИФ»)

«I

Сниуиф)

162622, РФ, Вологодская область, г. Череповец, Северное шоссе, д. 75,

I: [e-mail]

г Банк» в г. Москва, к/с 30101810300000000545,

ИНН //ЛОУЭЛУЛО. р/с чи/ийошс

БИК 044525545, КПП 352801001

В диссертационный совет.

Аспирантом Бутриным М. М. были проведены исследования процессов образования и разрушения пены в аппаратах циклонного типа действия при смешении в них пенообразующих жидкостей. В результате были получены математические зависимости для расчетов конструктивных и режимных параметров работы цилиндрического прямоточного гидроциклона.

Настоящим подтверждаем, что разработанная Бутриным М. М. методика расчета параметров работы цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей будет использоваться АО «НИУИФ».

Директор ОП в г. Москве АО «НИУИФ» им. Я. В. Самойлова, к.т.н.

В. С. Сущев