Физические основы и техника процессов сепарации пены


А.Г. Ветошкин








ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНИКА ПРОЦЕССОВ СЕПАРАЦИИ ПЕНЫ











Москва-Вологда Инфра-Инженерия 2016

УДК 66.069.89: 663.14.036
ББК 24.1
     В39




      Ветошкин А.Г.
В39 Физические основы и техника процессов сепарации пены : научн. изд. / А.Г.Ветошкин. - М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 404 с.





ISBN978-5-9729-0111-1



     Рассмотрены физико-химические основы процессов, лежащие в основе сепарации пены на исходные фазы при воздействии физико-механических факторов и различных физических полей, включая акустическое, электрическое и термическое. Большое внимание уделяется капиллярным свойствам пены, гидромеханическим процессам течения и разрушения пены в каналах и в окрестности твердых поверхностей. На основе предложенной классификации механических пеногасителей подробно рассмотрены вопросы моделирования и расчета процессов разделения и разрушения пены в статических и динамических пеногасителях. С учетом предложенных моделей приведены методики и примеры расчета механических пеногасителей различных типов, даны анализ их работы и технико-экономическая оценка.
     Рассмотрены механизмы акустического, электрического и термического воздействий на пенную структуру, приведена укрупненная оценка их эффективности.
     Большое внимание уделено рассмотрению конструкций физико-механических пеногасителей и вопросов применения различных способов и устройств для механического и физического пеногашения в технологических процессах.
     Книга может представлять интерес для специалистов различных отраслей промышленности: нефтедобывающей, горнорудной, химической, пищевой, химикофармацевтической, строительной, для студентов вузов различных направлений подготовки. Материалы книги могут быть применены при проектировании технологических процессов и оборудования, где используются газо-жидкостные системы.










© Ветошкин А.Г., 2016
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2016




ISBN978-5-9729-0111-1

Введение

     Пена как технологическая гетерогенная среда, состоящая из дисперсии газа в жидкой сплошной среде, широко используется как средство повышения отдачи подземных пластов в добыче нефти и газа, во флотационных процессах обогащения полезных ископаемых и очистки сточных вод, флотационном концентрировании биомассы при производстве продуктов биосинтеза, в качестве защитного противопылевого средства при проведении подземных работ, как теплоизоляция в строительстве и в сельском хозяйстве, а также как средство пенного пожаротушения.
     Определяющую роль в интенсификации основных технологических процессов биохимических, пищевых и химических производств играют гидромеханические явления при взаимодействии газов с жидкостями, лежащие в основе конвективного массопереноса и теплообмена в гетерогенных системах. Многие технологические процессы, протекающие в системе «газ-жидкость», сопровождаются интенсивным пенообразованием, что характерно для истинных и коллоидных растворов, белковых и рабочих сред, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ) и стабилизаторы многокомпонентных систем.
     Интенсивное пенообразование в большинстве технологических процессов имеет негативные последствия, выражающиеся в снижении использования полезного объема технологической аппаратуры и оборудования, нарушении регламента производства и стерильности биохимических процессов, в увеличении потерь ценных продуктов производства и снижении производительности оборудования, загрязнении окружающей среды.
     Ограничение и регулирование интенсивного пенообразования в технологических процессах развивается в основном по пути синтеза новых и совершенствования существующих химических средств пеногашения и создания рациональных и эффективных конструкций устройств для механического гашения и разделения пены. Вследствие ряда отрицательных технологических и экологических последствий применения химических веществ-пеногасителей все возрастающее значение приобретают достаточно эффективные и универсальные в использовании механические пеногасители.
     Проблемы и задачи ограничения и регулирования интенсивного пенообразования зачастую решаются на уровне интуитивных подходов и практического опыта без учета современного уровня научных знаний и технических достижений в этой области. До настоящего времени в полном объеме не решена задача создания рациональных и оптимальных конструкций пеногасящих устройств, при этом расчет и создание механических пеногасителей осуществлялись в основном эмпирическим путем, что снижает их эффективность и экономичность.

3

     В этой связи актуальной является научная проблема, заключающаяся в теоретическом обосновании и моделировании процессов сепарации пены, в достоверном расчете и разработке рационального и эффективного оборудования для разделения устойчивых газожидкостных систем с пенной структурой. Разработка физико-математических моделей процессов сепарации пены, создание методов расчета и разработка оптимальных и рациональных конструкций механических пеногасителей являются взаимосвязанными задачами, объединенными физическими явлениями и механизмами, характерными для конкретных видов и типов пеногасителей. Разработка математических моделей работы механических пеногасителей связана с решением внутренней, внешней и смешанной задач гидромеханики. Создание методов расчета основных параметров и характеристик механических пеногасителей должно базироваться на решении фундаментальных и модифицированных уравнений гидродинамики и гидромеханики с учетом конкретных начальных и граничных условий.
     Гидродинамика пены включает в себя внутреннюю задачу капиллярной гидродинамики и течение пены по каналам, трубопроводам и насадкам как внешнюю задачу. При этом, вследствие неустойчивости пены во времени, эти задачи являются взаимосвязанными и характерные для них явления протекают одновременно. Для внутренней задачи гидродинамики пены целью рассмотрения является определение скорости процесса синерезиса, при рассмотрении внешней задачи гидродинамики определяются такие характеристики течения как распределение скоростей в потоке пены, ее реологические свойства и гидравлическое сопротивление.

4

Глава 1. Капиллярная гидродинамика пены


     Гидродинамика пены включает в себя внутреннюю задачу капиллярной гидродинамики, и течение пены по трубопроводам и насадкам как внешнюю задачу. При этом, вследствие неустойчивости пены во времени, эти задачи являются взаимосвязанными и характерные для них явления протекают одновременно.


1.1. Модели гидропроводности пены
     Для внутренней задачи гидродинамики пены целью рассмотрения является определение скорости процесса синерезиса (дренажа) жидкости из пены.
     Вопросы капиллярной гидродинамики являются основополагающими при изучении устойчивости пенной структуры в силовых полях различной физической природы. Явление синерезиса, сопровождающее стадии образования и существования газожидкостной пены, влияет на ее основные структурные и гидромеханические свойства, и синерезис можно рассматривать в качестве характеристики гидродинамической устойчивости пены [1]. В свою очередь, синерезис существенным образом зависит от гидропроводности пенной среды, т. е. от ее структурных параметров.
     К основным структурным параметрам пены относят ее кратность K = Уп/ Уж (отношение объема пены Уп к объему ее жидкой фазы Уж), объемную плотность пены как обратную величину кратности v = 1/ K = Уж / Уп; используют также такое понятие как объ

емное газосодержание пены фп = Уг / Уп (отношение объема газовой фазы Уг в пене ко

всему объему пены Уп). Пену характеризуют также дисперсностью в виде Dп = 1/ dп (величины, обратной приведенному диаметру пузырька пены dп), или удельной межфазной поверхностью s = S / Уп (отношением суммарной поверхности S пузырьков, содержащихся в единице объема Уп пены).
     Взаимная связь кратности пены с ее газосодержанием устанавливается по зависимости 1                           1          K-1
K =или ф„ =.
1 -ф„        K
     Различают [1] пены низкократные (K ^ 20), средней кратности (20 ^K ^ 200 ) и высокократные (K > 200).
     В зависимости от величины кратности пены, зависящей от формы составляющих ее структурных ячеек (газовых пузырьков), различают сферическую (шаровую), ячеистую и полиэдрическую структуры [1].


5

     Сферическая структура соответствует наиболее плотной упаковке газовых пузырьков пены, имеющих форму шара. Для монодисперсной сферической пены объемное газо-содержание составляет величину порядка фп = 0,74 (74 %), что соответствует значению кратности K = 3,86. Эта величина кратности представляет предел существования сферической структуры пены, ниже которой газожидкостная смесь представляет дисперсию не связанных между собой газовых пузырьков. Удельная поверхность s₀ сферической пены



определяется выражением



s = 6 / dп.

     Ячеистая структура является промежуточной между сферической и полиэдрической пенами. В ячеистой структуре пузырьки пены имеют форму смятых сфер. Утверждается [1], что такая структура наиболее типична для получаемых на практике пен. Диапазон кратности, характеризующий ячеистую структуру, находится в пределах от K = 4 до

K = 170 (нижняя граница полиэдричности пены).
     Величина удельной межфазной поверхности ячеистой структуры пены определяется выражением [1]

s = 6 D„ ■ — п K

где Dп = 1/ dп - дисперсность пены, м⁻¹.

     В качестве характеристики взаимодействия пузырьков между собой при переходе сферической структуры в ячеистую в работе [2] вводится параметр тₛ, представляющий напряжения, возникающие по плоскости контакта дисперсной фазы, отнесенные к площади нормального сечения:

     Полиэдрическая структура пены представляет собой дисперсию газовых пузырьков многогранной формы. Полиэдрическая структура пены характеризуется наличием жидких плоскопараллельных пленок, каналов-капилляров Плато-Гиббса на месте контакта трех граней (пленок) и узлов-полостей между четырьмя пузырьками. Полиэдрическая структура пены детально и подробно исследована в ряде работ [3-5].
     Для разграничения ячеистой и полиэдрической структурных моделей пены предложены критерии полиэдричности, когда пена начинает приобретать каналовую структуру [6]:
a У 5 r; а У10 r ,
s к

6

где a - длина ребра додекаэдрической ячейки пены; rs - радиус кривизны сферического

мениска в узле пенной структуры; гк - радиус канала Плато-Гиббса.
     Удельная межфазная поверхность в полиэдрической структуре равна суммарной поверхности пленок в единице объема пены:
s = -³ = 6 Dп.
Гк
     В самом общем виде процесс синерезиса жидкой фазы пены может быть описан уравнением Пуазейля при ламинарном течении жидкости со скоростью vк в цилиндриче

ском капилляре диаметром dк и длиной dl под действием перепада давления dp :

= d'. dp . к 32рж dl
     Течение жидкости между пузырьками сферической пены аналогично процессу фильтрования жидкости через зернистый пористый слой. Скорость фильтрации vф в пористой среде определяется [7] выражением
ᵥ = dЭ ⁽¹ -Фп⁾ dP ф    32рж dl '

     Значение эквивалентного диаметра dэ каналов в слое структурированной пористой

среды можно связать [8] со средним значением диаметра dп ее ячеек в виде пузырьков с

учетом коэффициента формы ячеек Ф соотношением:

dэ =

2 Ф(1 -Фп) dп Зфп

     С учетом последнего соотношения выражение для скорости синерезиса в сферической пене примет вид

ᵥ = d² (¹ ⁻фп )З. dp с    kУ жФп  dl ’

где кс = 150...200 - коэффициент проницаемости пористого слоя сферической пены.
     Аналогичный подход используется для определения скорости фильтрации жидкости через слой монодисперсной ячеистой пены, которая рассматривается как своеобразная пористая среда [9]. Коэффициент фильтрации в пористой среде определяется по зависимости Козени-Кармана:
кф =( C Цжкз s ² )*> (¹-¹⁾

7

где С = 2,4 - структурный коэффициент; kз - кратность засыпки (величина, обратная по
ристости слоя); 5 - удельная межфазная поверхность. Для монодисперсной ячеистой структуры




где f (K) = ^Kₘᵢₙ / K -функциякратности: 0 < f (K) < 1.

      С учетом выражений (1.1)и(1.2) скорость синерезиса в ячеистой пене имеет вид

vс = 2,89• 10 ³

ц. (K -1)²

dP —
dl

     Для полиэдрической пены основной вклад в ее гидропроводность вносят каналы

Плато-Гиббса [3], образующиеся на стыке трех ячеек, имеющие в поперечном сечении

форму сферическихтреугольниковсрадиусомкривизны тк ⁽рис. 1.Ц

Рис.1.1. Схема поперечного сечения канала Плато-Гиббса: 1 - пленка жидкости; 2 - канал

     Детальный анализ гидропроводности в полиэдрической пене показал [3, 4], что линейная скорость синерезиса в одиночном канале при условии неподвижности его стенок определяется в виде
V = С± • dP, ■ И ■ dl •

где C = 3,3 •IO ³ - геометрический коэффициент.
     Поскольку число каналов, приходящееся на единицу площади пены, пропорционально относительному количеству жидкости 1/ K на этой площади, а сами каналы в про

странстве имеют произвольную ориентацию, то в соответствии с электрогидродинамиче-ской аналогией [10] приведенная скорость синерезиса в пене по направлению l выражается формулой

vп

Vк _ С r² dP -----=---------------
3 K     3 ц K dl
¹ ж

(1.3)

8

     Связь величины гк с основными структурными параметрами пены установлена [11]


из геометрических соображений:


dП

                                            4 Ск K’

где Cк = 0,33 - геометрический коэффициент.

     Тогда уравнение (1.3) принимает вид

v п = 8,25 -10'⁴

d²    dp
-------- •-.
Рж K    dl
ж

     Градиент давления в центробежном поле для полиэдрической структуры определя

ется в виде

                            dp     2
                            — =Рж“ r - Р< dl

где го - угловая скорость вращения ротора; r - текущий радиус вращения; pа = а / гк - капиллярное давление в каналах Плато-Гиббса.
     Существование ламинарного режима синерезиса в пористой среде определяется [12]

по условию

2 ф(1 — ф ) v d р
                               Re =-----1—Х_ • vж“пРж ^ 50.
Ж
                                        ³Фп      'R
     В общем случае по закону Дарси уравнение синерезиса, выраженное в векторной форме через плотность потока жидкости в пене qф (аналог скалярной величины скорости

синерезиса или скорости фильтрации vф), имеет следующий вид
                                      —* -------*
                                      q ф = H г F ф,
где Hг - коэффициент локальной гидропроводности пены, м⁴/(Пс); Fф - движущая сила процесса синерезиса, Н/м³.
     Движущая сила Fф процесса синерезиса складывается из внешней силы р g и про-тивоположнонаправленногокапиллярногоразрежения grad Apк [13]:
-—ф = Р g ⁻ grad Ap к = Р g + OpL, оz
где pк = pп - а / гк; pₙ - давление внутри пузырька.
     Для гравитационного поля g = g , при действии на систему поля центробежных сил —    2
g = го r.

9

    Гидростатическое равновесие в пене, отвечающее прекращению синерезиса( qф = 0 ), устанавливается при равенстве внешней силы и градиента капиллярного разрежения:
■ д p Р g + дРк = 0. дz
    Для состояния равновесия полиэдрической структуры пены в однородном гравитационном поле получено [14] параболическое распределение локальной кратности K (z) по высоте z газожидкостного столба:
( _____ ....  У
K(z) = |          ■ z I .
I      °Vк )
    Состояние равновесия полиэдрической структуры пены в центробежном поле в случае контакта пены с раствором описывается [14] параболой четвертого порядка:
K ⁽r ⁾=(/.. r²),

где параметр ую

Р r,l';
2 °      .

     Коэффициент локальной гидропроводности (фильтрации) монодисперсной сферической пены получен в работе [1] с использованием гидродинамической аналогии фильтра
ции в пористых средах:

H г.с

dп²

36 C ЦжK(K -1)² ’

(1.4)

где C = 5,25 B / (K -1) = 2,63 - константа Козени-Кармана; B = 1,5 - структурный коэффициент для сферической пены.
     Гидропроводность ячеистой структуры монодисперсной пены также определена в работе [1]с использованием соотношений Козени-Кармана:
H„ = 2,89■Ю⁻³ ■   d²     .     (1.5)
Цж (K ⁻¹)
     В работах [3, 5] показано, что гидропроводность полиэдрической пены имеет преимущественно каналовый характер и принята следующая зависимость
Hгп = 8,25■Ю⁻⁴ ■ d⁰-.    (1.6)
Цж
ж
где о = 1/ K - объемная плотность (влагосодержание) пены.
     Путем анализа локальной гидропроводности канала Плато-Гиббса в работе [15] получено близкое значение:

10