CC BY
114
УДК 628.34
Б.С. Сажин, М.П. Тюрин, Л.Я. Живайкин, В.Б. Сажин, Р.А. Сафонов, М.В. Сошенко, М.М. Мамонова
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ БРОНИРУЮЩИХ ОБОЛОЧЕК КАПЕЛЬ УСТОЙЧИВОЙ ЭМУЛЬСИИ В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ
Deformation and crushing of drops of water in a highly turbulent stream in a stream vehicle depends on the gradients of speed and pressure, hitings with the walls of rectilineal area of stream vehicle.
Деформация и дробление капель воды в высоко турбулентном потоке в струйном аппарате зависит от градиентов скорости и давления, соударения со стенками прямолинейного участка струйного аппарата.
Задача разделения различных устойчивых эмульсий является на сегодняшний день очень актуальной. Основной проблемой при этом является разрушение бронирующих оболочек образующихся на каплях веществ. В статье рассматриваются теоретические аспекты разрушения бронирующих оболочек эмульсий нефтепродуктов, в турбулентном потоке создаваемом в струйных аппаратах.
Турбулентные пульсации способствуют протеканию в объёме потока следующих процессов: ослабления бронирующих оболочек и межмолекулярных связей между компонентами бронирующих оболочек, снижения прочности и разрушения оболочек в результате их деформации при дроблении капель, улучшения условий взаимного столкновения и коалесценции в связи с возникновением турбулентных пульсаций разной интенсивности.
В случае неравномерности пульсаций в турбулентном потоке возникают зоны, в которых возможно существование капель воды различных диаметров. Попадая в область более высоких градиентов скоростей, где существуют капли определенного критического диаметра, крупные капли испытывают тенденцию к дроблению. Выходя в зоны более низких градиентов и меньших масштабов пульсаций, они будут объективно испытывать тенденцию к слиянию. Это обусловливает существование в потоке эмульсии различных диаметров капель воды и объясняет причину поступления в отстойную аппаратуру установок для их разделения явно неоднородной эмульсии, что приводит к снижению эффективности процессов отстаивания. Поэтому при разработке струйного аппарата необходимо добиваться максимально возможной равномерности пульсаций в турбулентном потоке.
Для определения процессов происходящих с каплей в струйном аппарате рассмотрим, как осуществляется движение капли в большом объёме. Капля в таких условиях обладает подвижностью поверхности. При этом поверхность движется в направлении от передней подвижной точки к корме капли под действием срезающих усилий и внутренней циркуляции жидкости в капле.
Если вязкость сплошной фазы велика, циркуляция внутри капли может происходить при любом значении критерия Рейнольдса для капли и наблюдается даже при Re=0,0003. Очень мелкая капля имеет почти сферическую форму, но уже при диаметре 2^3 мм ее форма заметно отличается от сферической. Скорость осаждения такой капли намного отличается от соответствующей скорости для сферической капли. Несферичность капли обусловлена давлением, вызываемым ее движением в сплошной фазе и приводящим к увеличению фронтальной поверхности капли. Крупные капли
имеют нестабильную форму, приближающуюся к сплющенной эллипсоидальной, особенно, при малой вязкости сплошной фазы [2].
Капли периодически осциллируют, принимая последовательно шарообразную и эллипсоидальную форму. Форма очень крупных капель становится неопределенной, осцилляция их совершенно беспорядочна. Форма и осцилляция капель, в конечном счете, влияют на скорость осаждения, которая достигает максимума или проходит через максимум. Соответственно увеличивается и коэффициент трения, который с некоторого значения начинает превышать коэффициент трения для твердой частицы. Величина максимума зависит от физических свойств жидкости.
Основная характеристика рассматриваемого движения одиночной капли - ее предельная скорость. Уравнение Адамара - Рыбчинского представляет собой видоизмененное уравнение Стокса. Оно относится к случаю медленного движения сферических капель в вязкой жидкости и действительно для более крупных размеров капель по сравнению с областью применения уравнения Стокса:
(Р!-Р)' 1 • ^2 3 '(Щ + Лх) (1)
Ыа =----------------------------------, (1)
6 2 щ + 3 щ1
где Щ и Щ1 - динамическая вязкость соответственно среды и капли.
Эта формула переходит в закон Стокса, если вязкость /Щ капли во много раз больше вязкости воды
2
= (р - р)8с/ (2)
0 18щ
Сравнивая (1) и (2)
и = 33(щ + Л1) > 1 (3)
ио 2щ + 3щ1
Этот результат имеет простой смысл: благодаря подвижности поверхности раздела градиенты скоростей, существующие в жидкости, меньше, чем градиенты скоростей при твердой границе раздела. Поэтому скорость падения капли должна быть больше скорости падения твердого шарика при прочих равных условиях.
Все приведенные рассуждения относились к движению одиночной сферы в полубесконечном пространстве. В действительности в эмульсиях движение одиночной частицы происходит при наличии бесконечного числа однородных и неоднородных частиц разных размеров. Если для частицы очень малых размеров ее движение подчиняется закону Стокса, то для частицы больших диаметров этот закон будет нарушен. Движение капли средних размеров происходит не по прямой линии, а по ломаной. При наличии в жидкости частиц больших размеров, двигающихся с большой скоростью, при определенных числах Рейнольдса происходит частичный срыв пограничного слоя с поверхности частицы. Это приводит к резкому ухудшению условий обтекания тела частицы. Благодаря срыву ламинарного слоя изменяется распределение давления по поверхности тела. Происходит деформация жидких частиц, если силы воздействия оказываются больше силы поверхностного натяжения, которая стремится придать жидкой частице форму шара. Частицы оторвавшегося пограничного слоя создают завихрения в следе. При движении частиц больших размеров в их следе образуются также завихрения за счет срыва пограничного слоя.
Эти завихрения нарушают равномерное движение частиц малых размеров. Они попадают из зоны ламинарного движения в зону турбулентного вихревого движения. Таким образом, нарушается принцип расчета времени всплытия или опускания этих частиц.
Деформация и дробление капель воды в высоко турбулентном потоке в струйном аппарате во многом обусловлена градиентами скорости и давления. Наличие этих градиентов приводит к тому, что на поверхности капель воды действуют различные динамические напоры, деформирующие капли.
Механизм дробления крупных капель воды на более мелкие представляется различными исследователями по-разному. Наиболее распространена подтвержденная экспериментами точка зрения школы академика П. А. Ребиндера, согласно которой для разрушения крупной капли на несколько более мелких необходимо поставить ее в такие условия, которые обеспечивали бы предварительное вытягивание сферической капли в цилиндр с критическими параметрами:
Н > 2пг, (4)
где Н И г - соответственно высота и радиус цилиндра.
Затрачиваемая при этом работа расходуется на увеличение поверхностной энергии системы в связи с возрастанием поверхности цилиндра. Если величина площади поверхности деформированной капли оказывается больше чем сумма площадей поверхностей двух или более капель того же суммарного объёма, существование единичной капли становится энергетически не выгодным и происходит её распад.
Кинетическая энергия относительного движения отдельных частей капли и деформирующей её жидкости должна быть достаточна, для того чтобы компенсировать увеличение поверхностной энергии образовавшихся капель. В результате цилиндр с критическими размерами самопроизвольно распадается на ряд капель сферической формы. Суммарная их поверхность, а, следовательно, и свободная поверхностная энергия системы уменьшаются. Одновременно с этим какая-то часть капель воды при столкновении коалесцирует, что приводит к еще большему снижению свободной поверхностной энергии системы.
При дроблении капель под действием сдвигающих усилий связь между размерами капель, градиентом усилия сдвига, межфазным натяжением и вязкостью жидкостей, участвующих в процессе, выражается зависимостью
г1 - г2
-----2 = А , (5)
г1 + г2
где Г - радиус наибольшей капли, которая может существовать при данном градиенте
сдвига; Г2 - радиус наименьшей капли в этих условиях; А - безразмерная величина, пропорциональная скорости потока и зависящая от межфазного натяжения, вязкости и радиуса капли.
Под воздействием перепада давления капля изменяет форму, растягиваясь в нитевидную частицу, и произвольно распадается на мелкие капли . В зонах струйного аппарата, где суммарная разрушающая сила превысит это значение будет происходить разрушение бронирующих оболочек на глобулах. В других же зонах аппарата будет происходить деформация бронирующих оболочек и коалесценция частиц с разрушенной броней.
Чем выше степень турбулизации потока, тем меньше средний размер капель, то есть увеличивается скорость дробления, увеличивается также скорость коалесценции, обусловленная возрастанием частоты столкновения и взаимных слияний капель под воздействием пульсаций.
Вблизи стенки поток становится существенно неоднородным и неизотропным. Это можно объяснить тем, что на расстоянии от стенки масштаб пульсаций ограничен.
Поэтому чем ближе к стенке, тем с большей вероятностью она будет раздроблена, так как на неё будут действовать только мелкомасштабные пульсации.
Пульсации больших размеров просто переносят каплю в потоке, не деформируя её. Существует минимальный критический размер капель, которые дробятся при определённой турбулизации потока, и этот критический размер с увеличением числа Яе уменьшается.
Размеры дробимых капель и масштаб турбулентных пульсаций должны удовлетворять условиям Л0 < Л < йк (здесь Ло - внутренний масштаб изотропной турбулентности).
Критический диаметр капли, при которой она не будет дробиться в потоке эмульсии, для случая неоднородного потока находится из соотношения:
Г
с
р
К К У
Re
(6)
Таким образом, при Re=50000 dKp — 500мкм , при Re=500000 dKp - менее 1мкм.
Известно, что процесс разрушения нефтесодержащих эмульсий типа "вода в нефтепродуктах" в трубчатых гидродинамических каплеобразователях (в технологических трубопроводах) реализуется при следующих режимах потока: разрушение бронирующих оболочек на каплях Re = 50000; сближение капель Re = 10000; флокуляция капель Re = 8000; укрупнение капель Re = 5000; расслоение потока Re =2500 .
Развиваемая при контакте частиц со стенкой аппарата энергия может оказаться достаточной для деформации или полного разрушения бронирующих оболочек и, в конечном счете, возможно дробление капель и их переход в пленочное состояние на стенках. Ударяющиеся с большой скоростью о стенки капли на мгновения задерживаются на них, тут же легко срываются и уносятся потоком. При этом образуется внутренняя фаза, свободная от адсорбционных бронирующих оболочек и с весьма большой удельной свободной поверхностью. Одним из основных факторов воздействия капель на стенку является косой удар их с весьма коротким касанием. В момент косого удара развиваются значительные усилия, превышающие вес самих глобул во много раз. Эти усилия вызывают деформацию и разрушение бронирующих оболочек капель. Возможно, что реакция удара не проходит через центр тяжести капель, поэтому они приобретают вращательное движение, что также вызывает деформацию капель. Достигнуть полного удаления бронирующей оболочки с поверхности всех частиц внутренней фазы эмульсии - весьма трудная задача.
Кроме разрушения брони для коалесценции частиц необходимо утоньшение разделяющей их дисперсионной пленки и ее разрыв. В [1] отмечается, что для коалесценции крупных капель характерен механизм разрыва пленки в периферийных ее областях, а для более мелких глобул всех типов - механизм разрыва в центральной части.
Список литературы
1. Грайфер В.И. Вопросы разрушения нефтяных эмульсий/ В.И.Грайфер, В.П.Тронов-Казань: Татарское книжное издательство, 1967.
2. Адельшин А.Б. Энергия потока в процессах очистки нефтесодеращих сточных вод. Часть 1. Гидроциклоны. Казань: КГАСА, 1996.
3. Chcorls M.E. and Monson S. Ct. - The conlescence of a liquid clrop at a liquid. J. of colloid science with plat, 15, 1960.
