Процессы и аппараты химических технологий

Московский политехнический университет


  На правах рукописи



БУТРИН МАКАР МИХАЙЛОВИЧ


СМЕШЕНИЕ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В АППАРАТАХ ЦИКЛОННОГО ТИПА




Специальность 05.17.08
«Процессы и аппараты химических технологий»






Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук








Научный руководитель:


д.т.н. проф. М.Г. Лагуткин





Москва
2017

ОГЛАВЛЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ.	4
ГЛАВА 1.	АППАРАТЫ ЦИКЛОННОГО ТИПА, ОСНОВНЫЕ «НЕХИМИЧЕСКИЕ» СПОСОБЫ ПЕНОГАШЕНИЯ.	9
1.1.	Область применения и основные конструкции гидроциклонов. 	9
1.2.	Общая производительность гидроциклонов.	13
1.3.	Механический метод разрушения пен.	15
1.4.	Физический способ разрушения пен.	23
1.5.	Другие способы разрушения пен.	25
1.6.	Комбинированные способы разрушения пен.	28
1.7.	Выводы по анализу литературных источников и постановка задачи исследования.	33
ГЛАВА 2.	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПРЯМОТОЧНОГО ГИДРОЦИКЛОНА НА ПРОЦЕСС ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ. 	34
2.1.	Способы получения пены.	34
2.2.	Описания лабораторной установки.	36
2.3.	Определение поверхностного натяжения.	40
2.4.	Определение вязкости жидкости.	43
2.5.	Результаты экспериментов. 	46
ГЛАВА 3.	ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СМЕШЕНИЯ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ПРЯМОТОЧНОМ ГИДРОЦИКЛОНЕ И УСЛОВИЯ ЕГО УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ.	51
3.1.	Дегазация газосодержащих жидкостей.	51
3.2.	Единичный пузырек пены на границе раздела фаз.	53
3.3.	Основные методы определения диаметра пузырька газа, движущегося во вращающемся турбулентном потоке.	56
3.4.	Смешение пенообразующих жидкостей в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне.	65
3.5.	Сопоставление результатов, полученных по предложенной теоретической модели, и натурного эксперимента. 	79
ГЛАВА 4.	МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПРЯМОТОЧНОГО ГИДРОЦИКЛОНА ДЛЯ СМЕШЕНИЯ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ В СЛУЧАЕ, КОГДА ПЕНА ОБРАЗОВЫВАТЬСЯ НЕ БУДЕТ.	85
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.	95
Список сокращений и условных обозначений.	96
Список литературы.	99
Приложения.	108


     
     ВВЕДЕНИЕ
     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 [45]. Для того чтобы избавиться от пены прибегают к одному из двух основных способов подавления пены: химический, «нехимический» [45]. 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». [45]
     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, ввели в работу цилиндрический прямоточный гидроциклон для подкисления культуральной жидкости концентрированной серной кислотой в производстве биологических средств защиты растений. В действующем производстве при подкислении культуральной жидкости в емкости образовывалась пена, занимающая до ? ее объема. При смешении данных пенообразующих жидкостей в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне, пена перестала образовываться. Положительный эффект использования цилиндрического прямоточного гидроциклона в производстве не был обоснован теоретически. [22]
     На сегодняшний день нет теоретического обоснования предотвращения пенообразования в гидроциклонах, нет и методики определения их конструктивных и режимных параметров устойчивой работы.
     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 [19; 20; 22; 23; 24; 25; 43], 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. [19; 22; 23; 24; 44; 59—101].
     Цели диссертационной работы:
 анализ условия разрушения пузырька газа в центробежном поле при его выходе на границу раздела фаз газ – жидкость;
 определение режимов работы цилиндрического прямоточного гидроциклона, предотвращающего процесс пенообразования;
 разработка методики расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона, работающего в режиме предотвращения пенообразования.  
Задачи работы: 
 экспериментально подтвердить возможность предотвращения процесса пенообразования в цилиндрическом прямоточном гидроциклоне;
 разработать теоретическую модель разрушения пузырька газа при его выходе на границу раздела фаз в центробежном поле гидроциклона;
 провести анализ влияния различных факторов на разрушение пузырька в центробежном поле гидроциклона;
 с помощью разработанной теории определить скорости потока жидкости в питающем штуцере экспериментального гидроциклона, при которых пена образовываться не будет;
 провести сопоставление скоростных режимов работы экспериментального гидроциклона, полученных теоретически с результатами эксперимента;
 определение режимных параметров работы цилиндрического прямоточного гидроциклона, предотвращающего процесс пенообразования;
 разработать методику расчета цилиндрического прямоточного гидроциклона для смешения пенообразующих жидкостей без образования пены.
Научную новизну представляют:
 результаты экспериментов, показывающих возможность предотвращения пенообразования в гидроциклоне при определенных режимах работы;
 теоретическая модель разрушения пузырька газа выходящего на границу раздела фаз газ-жидкость в центробежном поле;
 результаты теоретического анализа влияние на разрушение пузырька в центробежном поле ускорения пузырька в радиальном направлении, силы Кориолиса. Учет ускорения пузырька в значительной мере влияет на точность определения режимов работы гидроциклона, а силой Кориолиса можно пренебречь;
     Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
 Теоретически и экспериментально подтверждена возможность работы цилиндрического прямоточного гидроциклона как аппарата предотвращающего процесс пенообразования. Гидроциклон работает в режиме предотвращения пенообразование, если газо-жидкостной поток  в корпусе гидроциклона имеет центробежное ускорение, находящееся в диапазоне:  3700