Распределение по размерам пузырьков, полученных при мембранном диспергировании газа в неподвижный слой жидкости Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 66.048.37

В. В. Акимов, Н. А. Мамченков, А. М. Трушин, Е. А. Дмитриев,

Г. Г. Каграманов, П.С. Судиловский

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО РАЗМЕРАМ ПУЗЫРЬКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ МЕМБРАННОМ ДИСПЕРГИРОВАНИИ ГАЗА В НЕПОДВИЖНЫЙ СЛОЙ ЖИДКОСТИ

The process of membrane micro bubbling in the still liquid layer is considered. The experimental data about bubbles sizes in the bubbling layers with the different gas content is presented, From the analysis of this data is stated that bubbles sizes distribution obey the Gauss law.

Рассмотрен процесс мембранного микробарботажа газа в неподвижном слое жидкости. Представлены экспериментальные данные но размерам пузырьков в барботажных слоях с различными г азосодержаниями. Из анализа данных установлено, что распределение размеров пузырьков подчиняется Гауссову закону.

Известно, что при осуществлении процессов взаимодействия между газовой и жидкой фазами одним из важнейших параметров является площадь поверхности контакта фаз. Чем больше поверхность контакта, тем эффективнее протекает газо-жидкостное взаимодействие.

Одним из наиболее распространенных способов осуществления газожидкостного контакта является барбогаж. В ходе барботажа газ, при помощи диспергирующего устройства, распределяется в жидкости в виде пузырьков, которые и формируют поверхность контакта. Величина этой поверхности непосредственно зависит от размеров получаемых пузырьков -чем меньший диаметр они имеют, тем больше величина поверхности раздела фаз, при одинаковом газосодержании в барботажном слое. Таким образом, уменьшение размеров пузырьков является одним из способов повышения эффективности процессов газожидкостного контакта.

В настоящее время в химической промышленности барботаж газа главным образом осуществляется при использовании тарелок различной конструкции. Применение таких устройств приводит к образованию достаточно крупных пузырьков, что обусловливает значительные размеры аппаратов и их высокую стоимость. Альтернативой этим методам может являться процесс мембранного диспергирования газа. В данном процессе газовая фаза продавливается через пористую мембрану внутрь жидкой фазы» которая может быть подвижна или неподвижна. Образующиеся при этом пузырьки имеют значительно меньшие размеры. Распределение пузырьков по размерам зависит от многих параметров: распределения размеров пор диспергирующего устройства, режима движения пузырьков в барботажном слое и физико-химических свойств газа и жидкости.

Представляет большой интерес сравнение распределения размеров пузырьков полученных с помощью микропористых мембран при барботаже в случае подвижной жидкой фазы, когда на образующийся пузырек действу-

ет срезающий поток жидкости, и в случае барботажа в неподвижный слой жидкости.

Табл. I. Экспериментальные данные по распределению размеров пузырьков при различных газосодержаниях

! ф “ 3% Ф -5,5% Ф -7% ф =14% Ф ~ 17% Ф =19% о і:% Ф =29%

С11], мм ён, мм (ІП, мм Он, мм сіп, мм с1п, мм СІП, мм СІП, ММ

0,2 0.2 0,2 0,35 0,5 0,6 0,7 1,05

0,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,65 0,8 1,1

0,25 0,25 0,3 0,4 0.6 0,65 0,8 1,2

0,25 03 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,2

0,3 0,3 0,4 0,5 0,6 0,75 0,8 1,3

0,3 0,3 0,4 0,5 0,65 0,75 0,8 135

0,3 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 0,8 1,4

0,3 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 0,85 1,4

0,3 0,4 0,4 0,5 0,7 0,8 0,85 1,5

0,3 0,4 0,5 0,5 0,7 0,8 0,85 1,5

0,3 0,4 0,5 0,5 0,7 0,8 0,85 1,5

0,3 . 0.4 0,5 0,55 0,7 0,8 0,9 1,6

0,35 0,4 0,5 0,55 0,7 0,8 0,9 1,7

0,35 0,4 0,5 0,55 0,75 0,8 0,9 1,7

0,35 0,4 0,5 0,55 0,75 0,8 0,95 1,7

0,35 0,4 0,5 0,6 0,75 0,8 0,95 1,7

0,35 0.5 0,5 0,6 0,75 0,85 0,95 1,7

0,35 0,5 0,5 0,6 0,8 0,85 0,95 1,7

0,4 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 1 1,7

0,4 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 1 1,8

0,4 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 і

0,4 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 1 1,8

0,4 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 1 1,8

0,4 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 1 1,8

0,4 0,5 0,5 0,7 0,85 0,9 1 1,9

0,4 0,5 0,5 0,7 0,9 0.9 1 Ь2_

0.4 0,5 0,55 0,7 0,9 0,9 1 1,9

0,4 0,55 0,55 0,7 0,9 0,95 1 2

0.4 0,55 0,55 0,7 0,9 1 1,1 2

0,4 0,6 0,55 0,7 0,9 1 1,1 2

0,4 0,6 0,55 0,7 0,9 1 1,1 2

0,45 0,6 0,6 0,7 0,95 1 1,15 2,1

0,45 0,6 0,6 0,7 0,95 1 1,2 2,1

0,45 0,6 0,6 0,7 1 1,1 1,2 2,1

0,45 0,6 0,6 0,75 1 1,1 1,3 2,2

0,45 0,6 0,6 0,75 1 1,1 1,3 2,2

0.5 0,6 0,7 0,8 1 1,15 1,35 2,2

0,5 0,6 0,7 0.8 1 1,2 1,4 2,4

0,5 0,7 0,7 0,85 1 1.2 1,5 2,4

0,5 0,9 0,9 0,9 1,4 1,35 2,2 2,4

Нами было проведено исследование распределения размеров пузырьков полученных при барботаже газа через плоскую металлическую мембрану (диаметр пор 1 мкм) в колонну высотой 1м, заполненную жидкостью.

Определение размеров образующихся при этом пузырьков осуществлялось путем видеосъемки на цифровую видеокамеру Panasonic NV - DS30EN. Видеозапись барботажного слоя переводилась в отдельные изображения формата jpeg, что позволяло определить размеры пузырьков ио сравнению с. эталоном определенного размера, помещенным в колонну. Анализ полученных изображений проводился с помощью программной среды Microsoft Visio Professional 2002. Исследование проводились в барботажном слое вода-воздух. Для затормаживания поверхности пузырьков в воду добавлялось ПАВ (додецилсульфат натрия) до концентрации 10 мг/л. Добавление IIAB делает движение пузырьков в слое похожим на движение твердых сфер. В результате заторможенности поверхности и соответствующего снижения скорости всплытия на всем интервале величин критерия Рейнольдса (14 + 126) пузырьки сохраняли сферическую форму. Газосодержание <р в экспериментах изменялось от 3 % до 29 %. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 2. Статистический анализ распределении размеров пузырьков

Газосодержание <р, % X ЧКС1Т X теор Число степеней свободы, S Доверительная вероятность, Р

3 7,732502 7,815 3 0,05

5,5 9,610073 10.645 6 0.10

7 15,14422 16.812 6 0,01

14 8.126515 10,645 6 0,10

17 3,566431 10.645 6 0,10

19 6,927809 10.645 6 0,10

21 16,70742 16,919 9 0,05

29 14,06261 14,684 9 0,10

Опытным путем было найдено [1,2], что при барботаже в сплошном слое жидкости без добавления ПАВ распределение размеров пузырьков подчиняется Гауссову закону:

P(c/) = --L=.ex р (JV 2;

г

\

(d-dvy

2сгг

где Р{с1) - плотность распределения вероятностей, ¿-диаметр пузырька, <т -■ среднеквадратичное отклонение диаметров пузырьков от средней величины (1ср.

Нами была проведена проверка полученных экспериментальных данных по распределению размеров пузырьков на соответствие Гауссову закону распределения. На основе имеющихся выборок диаметров пузырьков производился расчет экспериментального критерия согласия Пирсона х2«» Далее эта величина сравнивалась с критическим значением критерия Пирсона при

соответствующей доверительной вероятности. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Рис. 1. Плотности распределения размеров пузырьков при различных газосодержаниях: а) 3%; 6)5,5%; в) 7%; г) 14%; д) 17%; е) 19%; ж) 21%; 3)29%.

Из результатов статистического анализа можно заключить, что, с достаточно высоким уровнем значимости, экспериментальные данные могут быть описаны законом Гаусса. Вид кривых плотности распределения пузырьков по размерам представлен на рисунках.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что распределение размеров пузырьков подчиняется Гауссову закону, как при барботаже на тарел-

ках через сплошной слой чистой жидкости так и при мембранном диспергировании газа в неподвижный слой жидкости, содержащей ПАВ. Поскольку закон распределения не меняется с изменением газосодерхсания и расхода газа, то, по всей видимости, процессы дробления и коалесценции не существенны.

Библиографические ссылки

1. H. Kolber, E. Borchers. H. Langemarm // Chem. Ing. Techn. V. 33. 1961. №

10. P. 668

2. W. Siemes, E. Borchers HChem. Eng. Sei. V. 12, I960. № 2. P. 77

УДК 66.048.37

В. В. Акимов, Н. А. Мамченков, Е. А. Дмитриев, А. М. Трушин Российский химико-технологический университет, им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ДИСПЕРСИЙ

The fine gas-liquid dispersion producing process ¡s considered. The description of the expérimental setup for the investigation of hydrodyna'mics of this process is given. The way of gas permeating through the tubuiar ceramic membrane with the rnean pore diameter of 200 nm the mlcrobubbles were produced. The size distribution of these microbubbles was determined on the base of experiments.

Рассмотрен процесс получения тонких газо-жидкостных дисперсий. Дано описание лабораторной установки для исследования гидродинамики данного процесса. Путем диспергирования газа через трубчатую керамическую мембрану со средним диаметром пор 200 нм получены газовые микропузырьки. На основе экспериментов установлено распределение полученных ми кро пузырь ко в по размерам.

В последние годы всё большее значение приобретает проблема экономии и рационального использования материальных и энергетических ресурсов. Поэтому перед современной химической технологией встает задача создания высокоэффективных аппаратов, способных с наименьшими затратами энергии и ресурсов достигать получения необходимого продукта. В химической промышленности имеется достаточно широкий ряд производств, в которых требуется осуществлять контакт между газовой и жидкой фазами. Однако, несмотря на распространенность таких процессов, аппараты, применяемые для их проведения (тарельчатые и насадочные колонны, химические реакторы с барботажным слоем, ферментеры) зачастую страдают от ряда существенных недостатков, главными из которых является значительные размеры и высокая стоимость [1]. Дело в том, что при осуществлении процессов газожидкостного контакта, одним из ключевых параметров процесса является площадь поверхности контакта взаимодействующих фаз. Чем больше площадь контакта газовой и жидкой фаз, тем более эффективно