Дослідження закономірностей динаміки закипання емульсійних середовищ, кінетики фазових перетворень, подрібнення дисперсної фази емульсії та впливу поверхнево-активних речовин. Розробка технології і устаткування для процесів гідротермічного емульгування.
В промисловості в значних обємах використовуються різноманітні емульсійні середовища: паливні; технологічні, наприклад, мастильно-охолоджуючі рідини (МОР); емульсії як сировина або обєкт виробництва. Але для цього склад відпрацьованих МОР необхідно привести до нормативного (очистити від механічних домішок), а також відновити стійку до розшарування структуру, тобто створити емульсію з найменшими розмірами дисперсної фази. Проведені в рамках дисертаційної роботи дослідження визначають тепломасообмінні і гідродинамічні процеси в емульсії при закипанні її летучого компоненту, з урахуванням формування нової фази (пари) на межі розділу двох взаємо незмішуваних компонентів рідин, можливості протікання процесів подрібнення дисперсної фази при динамічній взаємодії закипаючих часток емульсії, визначенні раціональних термодинамічних умов для процесів гомогенізації з урахуванням впливу поверхнево-активних речовин, розробці ефективних технологій і устаткування для гомогенізації технологічних емульсій, зокрема МОР. Автор брав участь у виконанні науково-дослідних робіт: “Створення наукових основ для розробки устаткування для комплексних систем, що забезпечують відділення маслених фаз від водяних МОР” (202/01ДБ,0101U001776); “Розвиток теорії тепломасообміну в нанотехнологіях обробки дисперсних середовищ” (202/05ДБ, 0184U006634); “Розвиток теорії тепломасообміну в дисперсних середовищах” (202/03ДБ, 0126U005749); “Розвиток теорії наномасштабних процесів енергообміну в рідких дисперсних середовищах” (202/07ДБ). Завданням дослідження є створення надійної і ефективної методики експериментальних і теоретичних досліджень закономірностей закипання емульсійних середовищ, що використовуються в промислових технологіях (зокрема при отриманні мастильно-охолоджуючих рідин), а також отримання корисної інформації про процеси, що визначають динамічні характеристики закипання летучого компоненту емульсій, які можуть бути використані для подрібнення дисперсної фази.Метою експерименту було також визначення якісного характеру зміни тиску в рідині (маслі) на деякій відстані від поверхні, зануреної в неї краплі води певного розміру, при появі і зростанні нової фази (пари), а також отримання кількісної оцінки параметрів протікання даного процесу. В дослідженні закипання більш летучої рідини (води) здійснювалося її перегрівом, шляхом швидкого занурення відкритого капіляра з водою в колбу з маслом, температура якого вища за температуру насичення води при даному тиску (атмосферному тиску, при якому було проведено експеримент), і випуску краплі води. Одержані в результаті проведення експерименту дані (рис.1а) доводять, що формування парового прошарку відбуватиметься на межі взаємо незмішуваних компонентів рідин, шляхом коагуляції окремих парових бульбашок, що утворюються на даній межі розділу (на екрані віртуального осцилографа в початковий момент закипання було відзначено декілька істотних стрибків зростання тиску, що указує на утворення безлічі парових бульбашок). В обох моделях процеси тепло-і масообміну між поверхнею краплі води і оточуючою парою розглянуто в наближені молекулярно-кінетичної теорії з урахуванням стрибка температур на межі розділу фаз. Результуюче прискорення (швидкість ) визначається такими умовами: якщо вектор прискорення (швидкості) самої межі розділу однаково спрямований з вектором прискорення, діючого на межу частки з боку сусідньої, то результуючий вектор дорівнює діючому на межу з боку сусідньої; якщо напрямок вектора прискорення (швидкості) самої межі розділу не співпадає з напрямком вектора прискорення, діючого на межу частки з боку сусідньої, то результуючий вектор дорівнює різниці між значеннями цих двох векторів.Розроблено модель зростання парової фази при закипанні оточеної масляним прошарком краплини води, яка враховує вплив масляних плівок на процеси теплообміну між оточуючим середовищем, плівкою і парою з водою, та на динаміку зростання парової фази. На базі експериментального дослідження силових імпульсів тиску, які випромінюються внаслідок інтенсивного зростання парової фази в процесі закипання перегрітої краплі води в нескінченно великому обємі масла, одержано важливу інформацію про динаміку зміни у часі полів тиску поблизу краплі. Представлено математичну модель формування і зростання парової фази при закипанні краплі води, що знаходиться в нескінченно великому обємі масла, з урахуванням формування парової фази на межі розділу вода-масло. За допомогою моделі досліджено вплив зміни температури несучого середовища при теплообміні з дисперсною фазою на динаміку зростання парової фази. На основі моделі з урахуванням критичних значень відомих чисел Вебера та Бонда розраховано подрібнення краплини певного розміру, часовий проміжок дії динамічних сил до подрібнення, а також передбачено можливість деформації або переміщення часток дисперсної фази.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
Розроблено модель зростання парової фази при закипанні оточеної масляним прошарком краплини води, яка враховує вплив масляних плівок на процеси теплообміну між оточуючим середовищем, плівкою і парою з водою, та на динаміку зростання парової фази.
На базі експериментального дослідження силових імпульсів тиску, які випромінюються внаслідок інтенсивного зростання парової фази в процесі закипання перегрітої краплі води в нескінченно великому обємі масла, одержано важливу інформацію про динаміку зміни у часі полів тиску поблизу краплі. За результатами дослідження визначено функціональну залежність часу формування парової фази від ступеню перегріву краплі води.
Представлено математичну модель формування і зростання парової фази при закипанні краплі води, що знаходиться в нескінченно великому обємі масла, з урахуванням формування парової фази на межі розділу вода-масло. Порівняння результатів розрахунків по даній моделі з результатами експериментальних досліджень, підтверджує здатність моделі описувати процес зростання парової фази при закипанні емульсій. За допомогою моделі досліджено вплив зміни температури несучого середовища при теплообміні з дисперсною фазою на динаміку зростання парової фази.
Розроблено математичну модель руйнування великих часток дисперсної фази емульсії вода-масло внаслідок дії динамічних сил, що виникають при закипанні крапель меншого розміру. На основі моделі з урахуванням критичних значень відомих чисел Вебера та Бонда розраховано подрібнення краплини певного розміру, часовий проміжок дії динамічних сил до подрібнення, а також передбачено можливість деформації або переміщення часток дисперсної фази.
Створено математичну модель подрібнення краплі дисперсної фази, що знаходиться в оточенні нескінченно великої кількості сусідніх часток при їх закипанні. Вказано на відмінності в розгляді сил, що приводять до подрібнення закипаючих і не закипаючих крапель води. На основі цієї моделі розроблено математичні моделі, які описують переміщення і злиття крапель емульсії, і які дозволяють істотно деталізувати і більш точно розглядати закономірності протікання гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в емульсіях при їх закипанні. На основі теоретичних розрахунків доведено можливість подрібнення частки дисперсної фази емульсії внаслідок її переміщення з великою швидкістю і прискоренням під дією динамічних сил з боку сусідніх закипаючих крапель. Показано, що злиття закипаючих крапель у великий конгломерат також можуть стати причиною виникнення підвищених динамічних сил, що приводять до подрібнення сусідніх часток дисперсної фази.
Розглянуто основні чинники, які впливають на процес подрібнення дисперсної фази емульсії при її закипанні. Одержано регресійні рівняння, що звязують геометричні параметри дисперсної фази емульсії з термодинамічними і теплофізичними характеристиками, необхідними для подрібнення. Визначений часовий масштаб дії динамічних сил до подрібнення часток залежно від цих параметрів і характеристик.
Визначено оптимальні режимні характеристики процесу подрібнення. Запропонований метод визначення необхідних параметрів для процесу подрібнення шляхом рішення одержаних регресійних рівнянь або по розрахованих таблицях дозволяє значно скоротити час знаходження раціональних режимних параметрів.
Розроблено пристрій для гідротермічного емульгування, який поєднує в собі найбільш економічні в енергетичному плані способи подрібнення дисперсної фази емульсії, більшість з яких описується розробленими в дисертаційній роботі моделями. Використання даного апарату на ВАТ ДМКД (Дніпровський металургійний комбінат ім. Дзержинського, м. Дніпродзержинськ) дозволить одержати економічний ефект у розмірі 65230 грн. в рік.
1. Павленко А.М., Клімов Р.О. Розвиток методів гідротермічної гомогенізації // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов в двух книгах. Книга вторая. - Днепропетровск: НМЕТАУ, 2005. - С.180-189.
2. Павленко А.М., Клімов Р.О., Басок Б.І. Розвиток методів гідротермічної гомогенізації // Промышленная теплотехника. - 2005. - Т. 27. - №4. - С.64 - 71.
