Кинетика образования эмульсии в кавитационном диспергаторе битумно-эмульсионной установки | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Бауман Е. В., Коц И. В. Кинетика образования эмульсии в кавитационном диспергаторе битумно-эмульсионной установки // Молодой ученый. — 2012. — №12. — С. 30-34. — URL https://moluch.ru/archive/47/5938/ (дата обращения: 24.09.2018).

Свойства кавитации для разрушения сплошности – диспергирования потоков взаимнонерастворимых веществ в последнее время начали широко использовать для интенсификации некоторых технологических процессов [2]. В научно-исследовательской лаборатории гидродинамики Винницкого НТУ разработано оборудование для приготовления битумных эмульсий, принцип работы которого базируется на создании кавитации [1]. Сопутствующие гидродинамические факторы кавитации создают условия для эмульгирования битума в водном растворе поверхностно-активных веществ [2].

Основным параметром характеризующим процесс кавитации является число кавитации [2], физический смысл которого заключается в соотношении давления, приводящего к схлопыванию кавитационной каверны, к давлению, которое приводит к её образованию и росту:

, (1)

где р3 – абсолютное давление, Па; – давление насыщенного пара, Па; ρ – плотность вещества, кг/м3; υ2 – скорость потока жидкости на выходе с самого узкого участка кавитационного диспергатора, м/с.

Целью теоретического исследования рабочего процесса эмульгирования битума с помощью кавитационного диспергатора предложенной конструкции при приготовлении строительной продукции – битумной эмульсии, является: исследование условий возникновения и развития кавитации в кавитационном диспергаторе, разработка модели динамики рабочего процесса эмульгирования битума, выбор обобщенных функциональных зависимостей позволяющих осуществлять выбор рациональных режимов и конструктивных параметров узла эмульгирования, анализ с помощью численного экспериментирования влияния параметров и характеристик установки для приготовления битумной эмульсии на характеристику полученной продукции – битумную эмульсию.

При разработке математической модели рабочего процесса приготовления битумной эмульсии с помощью кавитационного диспергатора предложенной конструкции были приняты следующие допущения: процесс адиабатный; вследствие незначительного, по сравнению с битумом и водой количества соляной кислоты и эмульгатора, их влияние на реологические свойства смеси не учитываются; сжимаемость рабочей жидкости не учитываем; давление насыщенного пара для компонентов, а также плотность каждого из компонентов этой смеси зависят от физико-механических свойств жидкости и от температуры и принимаются в соответствии с рекомендациями [3].

Процесс эмульгирования битума в водном растворе составляющих компонентов эмульсии в предложенной установке для приготовления битумных эмульсий происходит следующим образом [1]. После равномерного распределения составляющих компонентов в потоке сырья, которое происходит в статическом смесителе, сырье поступает в конфузорную часть 1 кавитационного диспергатора (рис. 1), где происходит постепенное сужение потока и, как следствие, увеличивается скорость движения потока, а значит давление в этом сечении также постепенно уменьшается. Далее поток поступает в диффузорную часть 2 кавитационного диспергатора, где конусообразный рабочий орган 3 кавитатора образует зазор между внутренней поверхностью диффузорной части 2 и наружной поверхностью рабочего органа диспергатора 3, регулирование которого обеспечивает дальнейшее падение давления до некоторого критического значения (до давления насыщенного пара для данной жидкости). Обрабатываемая жидкость попадает в зону критического давления, происходит холодное кипение – образование парогазовых пузырьков (кавитация), которые двигаются дальше и при попадании в зону повышенного давления (за узлом эмульгирование) интенсивно схлопывают, разрушая при этом сплошность потока, т.е. осуществляется диспергирование битума в водном растворе ПАВ.

Рис. 1. Схема получения битумной эмульсии в кавитационном диспергаторе предложенной конструкции

Для определения скорости прохождения потока жидкости через зазор, образованный внутренней поверхностью конфузорной части и поверхностью рабочего органа кавитационного диспергатора, запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2:

где – геометрический напор в сечениях 1-1 и 2-2, м; – абсолютное давление в сечениях 1-1 и 2-2, Па; – удельный вес, Н/м3; – скорость движения потока жидкости в сечениях 1-1 и 2-2, м/с; – суммарные потери давления на участке между рассматриваемыми сечениями, м.

Уравнение потерь для сечений 1-1 и 2-2:

где – площадь поперечного сечения проходных отверстий диспергатора 1-1 и 2-2, м2.

Пренебрегая потерями давления по длине, вследствие их малости, потери на местных сопротивлениях рассчитываем по формуле Дарси-Вейсбаха [5]:

где – коэффициент местного сопротивления.

Следовательно, скорость движения потока сырья через сечение 2-2:

, (5)

где – избыточное давление, Па; – коэффициент, который определяем по формуле:

. (6)

При рассмотрении сечения 3-3 получим значение абсолютного давления, при котором происходит схлопывание кавитационных пузырьков:

, (7)

где – скорость движения потока сырья в сечении 3-3, м/с.

Поскольку расстояние между сечениями 2-2 и 3-3 мало, то предположим, что . Подставив в (1) уравнения (5) и (7), получим число кавитации:

. (8)

После подстановки в уравнение (8) выражения (6), окончательно получим:

. (9)

Из анализа уравнения (9) видно, что с увеличением давления в системе число кавитации увеличивается. Кроме того, происходит увеличение числа кавитации также с увеличением площади зазора между рабочим органом и внутренней поверхностью диффузорной части диспергатора.

Был рассмотрен реальный процесс приготовления битумной эмульсии в кавитационном диспергаторе при следующие параметрах: давление насыщенного пара низкокипящих компонента (воды) при температуре потока сырья Т=900 [3], = 70927,5 Па; площадь поперечного сечения входного патрубка конфузорной части диспергатора, =0,000804 м2; плотность битума при нагревании приближается к плотности водного раствора эмульгатора, поэтому на основании проведенных опытов установлено, что плотность механической смеси входящих компонентов сырья может быть принята равной ≈ 1000 кг/м3; согласно [5] усредненное значение коэффициента местного сопротивления между сечениями 1-1 и 3-3 было принято =1,44.

На основании вышепринятых параметров можно построить зависимость числа кавитации от давления в системе (рис. 2) и числа кавитации от площади зазора между рабочим органом и внутренней поверхностью дифузорной части кавитационного диспергатора (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость числа кавитации от давления на входе в диспергатор

Рис. 3. Зависимость числа кавитации от площади проходного отверстия диспергатора


Увеличение числа кавитации при увеличении давления на входе в узел диспергирования и увеличение зазора между рабочим органом и внутренней поверхностью диффузорной части диспергатора объясняется ростом скорости истечения сырья через сечение 2-2.

Найдем скорость движения сырья через сечение 1-1:

. (11)

Подставим (7) в (11): . (12)

Как было отмечено в [7] «... Качество эмульсии, при прочих равных условиях, определяется ее дисперсностью, т.е. размером дисперсной фазы. Высокая дисперсность битума в дорожных эмульсиях и пастах обусловливает их устойчивость и существенно влияет на основные технологические свойства – вязкость, скорость распада, однородность, толщину пленки вяжущего и сцепление с минеральными материалами... ».

Как показал анализ предыдущих известных исследований, прямой зависимости между числом кавитации и дисперсностью полученной эмульсии нет. Предварительные экспериментальные исследования показали, что кривая зависимости между дисперсностью и числом кавитации имеет вид параболы, ограниченной граничными условиями. Следовательно, зависимость между числом кавитации и размером частиц битума можно приближенно представить квадратным уравнением:

, (13)

где а, b, c – экспериментальные коэффициенты; х – число кавитации.

Подставим (10) в (13):

. (14)

Согласно [8], коэффициенты а, b, а также свободный член с зависимости (14), которые находятся экспериментально, можно определить по формулам:

где – абсциссы трех любых точек, находящихся на экспериментальной кривой; – соответственно ординаты этих точек.

Например, согласно экспериментальных данных, зависимость дисперсности от площади проходного отверстия диспергатора при постоянном давлении р = 0,9 МПа и количестве битума в эмульсии п=60% приведена на рис.4.

Рис. 4. Зависимость диаметра частичек битума от площади проходного отверстия диспергатора при р = 0,9МПа та п= 60%.


В данном случае уравнение (14) принимает вид:

. (15)

Сводная таблица 1 иллюстрирует значение старшего а, второго b коэффициентов и значение свободного члена c в зависимости от параметров обработки компонентов эмульсии.

Таблица 1

Уточняющие коэффициенты математической модели процесса эмульгирования
битума в предложенной кавитационной установке

Параметры диспергирования

Коэффициенты

Свободный член, с

Площадь проходного отверстия диспергатора, S, мм2

Количество битума в эмульсии, n, %

Давление на входе в диспергатор Р, МПа

старший, а

второй, b

var

40

0,9

6,491444

-11,95647

5,505604

var

60

0,9

5,2425

-9,65553

4,445847

var

40

1,1

23,666031

-44,280461

20,712804

var

60

1,1

-0,000663

0,01434

-0,012833

var

50

1

0,12056

-0,070093

0,010189

73,5

50

var

-0,000417

0,0006707

-0,00025488


На основании принятых допущений исследована кинетика эмульгирования битума в кавитационном диспергаторе и выполнено математическое моделирование процесса кавитационного диспергирования составляющих битумной эмульсии, которое отражает конструктивные особенности предлагаемого узла диспергирования. Установлена аналитическая зависимость, которая связывает между собой конструктивные и технологические параметры приготовления эмульсии: площадь проходного отверстия кавитационного диспергатора , давление на входе в диспергатор рм и характеристику полученной битумной эмульсии – размер частички битума в эмульсии . На основе предварительно проведенных экспериментальных исследований установлены уточняющие коэффициенты для составления математической модели процесса эмульгирования битума в предложенной кавитационной установке.


Литература:

  1. Пат. 37338 Україна, МПК8 E01C 19/00 Установка для приготування бітумних емульсій / Борисенко А. А., Бауман К. В., Коц І. В.– № u200807653; заявл. 04.06.08; опубл. 25.11.08, Бюл. № 22.

  2. Кулагин В. А. Методы и средства технологической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации: Дис.... доктора техн. наук : 01.04.11, 01.02.05 / Кулагин В. А. - Красноярск, 2004. - 299 c.

  3. Ривкин С. Л. Термодинамические сойства воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. Службой стандартних справочных данных – 2-е узд., перераб. и доп. / Ривкин С. Л., Александров А. А. – М.: Энергоатомиздат, 1984. - 80 с.

  4. Калицун В. И. Основи гидравлики и аэродинамики / Калицун В. И., Дроздов Е. В. – М.: Сройиздат, 1980. – 247 с.

  5. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М. О. Штейнберга. — 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Машиностроение, 1992. — 672 с.

  6. Радовський Б. С. Дисперсність емульсії при гідродинамічному проточно-кавітаційному способі її отримання / Радовський Б. С., Мозговий В. В., Гамеляк І. П., [та ін.] // Автомоб. дороги і дор. буд-во.- 1997.- Вип. 54.- С. 115-119.

  7. Акопян А. А. Геометрические свойства кривых второго порядка. / Акопян А. А., Заславский А. В. – М.: МЦНМО, 2007. –– 136 с. - ISBN 978-5-94057-300-5.



Основные термины (генерируются автоматически): число кавитации, битумная эмульсия, внутренняя поверхность, рабочий орган, проходное отверстие, диффузорная часть, сечение, насыщенный пар, зависимость числа кавитации, абсолютное давление.


Похожие статьи

Проблемы транспортировки высоковязкой и парафинистой...

[2, с. 43]. Характерной особенностью парафинистой нефти является зависимость изменения вязкости от перепада давления и температур.

Кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п...

Возникновение кавитации в дисперсной смеси | Статья в журнале...

Процесс кавитации в турбине начнется тогда, когда абсолютное давление в точке будет равно давлению парообразования.

Основные термины (генерируются автоматически): рабочее колесо, взаимодействие сред, условие возникновения кавитации, резонансное состояние...

Круговая цилиндрическая оболочка под внутренним давлением

Так, например, для упругого потенциала (1) на рис. 2 отражена зависимость безразмерного давления.

На решениях задачи левая часть этого уравнения не должна принимать отрицательные значения. При она обращается в ноль.

Повышение эффективности флотационной очистки сточных вод за...

Искусственные и естественные каверны идентичны при одинаковых числах кавитации, определяемых по формуле.

Эффект кавитации возникает при равенстве давления Рк и давления насыщенного пара Рυ.

Кавитационные технологии в пищевой промышленности

Вот суть кавитации. И от того, каким способом будет достигнуто явление кавитации, зависит

Так, прокачка рабочей жидкости через ультразвуковой реактор предполагает тщательный

плотность, вязкость, поверхностное натяжение, давление насыщенного пара жидкости...

Газодинамика процесса истечения из резервуаров со сжатыми...

Скачать Часть 1 (pdf). Библиографическое описание

Истечение происходит через сопло с площадью поперечного сечения = 0.000785 м2.

Подавление процесса фоторождения е+е- пар жёстким фотоном в сильном магнитном поле.

Применение кавитации (акустических волн) для обработки...

Кавита́ция (от лат. cavita — пустота) — процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным

Рис. 2. График зависимости интенсивности обработки молока от увеличения степени слипания жировых частиц.

Экспериментальное исследование звукового давления при...

В статье [2] приведена экспериментальная кривая зависимости плотности теплового потока q от температурного напора ΔТ при насыщенном кипении воды, показано

Звукоанализирующая часть установки регистрировала интегральные характеристики (звуковое давление).

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Проблемы транспортировки высоковязкой и парафинистой...

[2, с. 43]. Характерной особенностью парафинистой нефти является зависимость изменения вязкости от перепада давления и температур.

Кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п...

Возникновение кавитации в дисперсной смеси | Статья в журнале...

Процесс кавитации в турбине начнется тогда, когда абсолютное давление в точке будет равно давлению парообразования.

Основные термины (генерируются автоматически): рабочее колесо, взаимодействие сред, условие возникновения кавитации, резонансное состояние...

Круговая цилиндрическая оболочка под внутренним давлением

Так, например, для упругого потенциала (1) на рис. 2 отражена зависимость безразмерного давления.

На решениях задачи левая часть этого уравнения не должна принимать отрицательные значения. При она обращается в ноль.

Повышение эффективности флотационной очистки сточных вод за...

Искусственные и естественные каверны идентичны при одинаковых числах кавитации, определяемых по формуле.

Эффект кавитации возникает при равенстве давления Рк и давления насыщенного пара Рυ.

Кавитационные технологии в пищевой промышленности

Вот суть кавитации. И от того, каким способом будет достигнуто явление кавитации, зависит

Так, прокачка рабочей жидкости через ультразвуковой реактор предполагает тщательный

плотность, вязкость, поверхностное натяжение, давление насыщенного пара жидкости...

Газодинамика процесса истечения из резервуаров со сжатыми...

Скачать Часть 1 (pdf). Библиографическое описание

Истечение происходит через сопло с площадью поперечного сечения = 0.000785 м2.

Подавление процесса фоторождения е+е- пар жёстким фотоном в сильном магнитном поле.

Применение кавитации (акустических волн) для обработки...

Кавита́ция (от лат. cavita — пустота) — процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара с одновременным

Рис. 2. График зависимости интенсивности обработки молока от увеличения степени слипания жировых частиц.

Экспериментальное исследование звукового давления при...

В статье [2] приведена экспериментальная кривая зависимости плотности теплового потока q от температурного напора ΔТ при насыщенном кипении воды, показано

Звукоанализирующая часть установки регистрировала интегральные характеристики (звуковое давление).

Задать вопрос