Зависимость размера частиц эмульсии от кратности обработки в гидродинамическом кавитаторе

Процесс эмульгирования реализуется в различных отраслях промышленности как непосредственно для получения тонкодисперсных эмульсионных систем типа масло/вода, вода/масло, так и в качестве вспомогательного процесса для проведения других химико-технологических процессов, например, жидкофазной экстракции. В любом случае процесс эмульгирования должен обеспечить диспергирование одной жидкости в другой жидкости при условии отсутствия способности их полного или частичного растворения друг в друге. В основном, это обусловлено полярностью молекул жидкости – одна из жидкостей является полярной, а другая неполярной.

Для получения стабильных тонкодисперсных эмульсий широко применяются статические смесители, которые характеризуются высокой производительностью, малыми удельными энергозатратами и простотой конструкции [1, с. 205].

Статические смесители, которые обеспечивают высокое качество смешивания компонентов за счет интенсивного гидродинамичекого режима, при котором генерируется развитая турбулент- Математика и механика 1.1.9 ность, интенсивная кавитация, макро- и микроимпульсы давления в потоке обрабатываемой жидкости, называются гидродинамическими кавитаторами и широко применяются для получения тонкодисперсных и колоидных гетерогенных систем, изменения физико-химических характеристик жидкостей [2, с. 1, 3, с. 18837].

Одним из факторов, влияющих на дисперсность эмульсии является кратность обработки.

Как правило, за один проход в проточных аппаратах не всегда удается достичь требуемого размера частиц. Традиционно, для получения заданного качества эмульсионные системы обрабатывают несколько раз, организуя циклическое движение жидкости по замкнутому контуру установки. С другой стороны, нельзя допускать превышение энергозатрат на дробление частиц эмульсии при излишней кратности ее обработки. Показателем достаточности количества циклов обработки является снижение степени дробления частиц эмульсии с каждым последующем циклом обработки.

Экспериментальные исследования по эмульгированию проводили на установке с проточным гидродинамическим кавитатором ПГК- 1/12 с 4 трубками Вентури. При прокачке воды под давлением в 12 атм расход через кавитатор составляет 1 м 3 /час. Технологическая схема установки на базе представлена на рисунке 1. Установка включает в себя кавитатор, плунжерный насос, емкость для эмульсии, приборы для измерения расхода, давления и температуры. Частота вращения вала насоса регулировались частотным преобразователем. Обработка осуществлялась перекачиванием эмульсии из емкости насосом под давлением в кавитатор и обратно в емкость.

Рисунок 1. Технологическая схема установки с ПГК-1/12: 1 – гидродинамический кавитатор; 2 - плунжерный насос; 3 - электр… — см. PDF статьи.

Использовалась дистиллированная вода по ГОСТ Р 58144-2018 «Вода дистиллированная.

Технические условия» и подсолнечное рафинированное масло, соответствующее ГОСТ 1129- 2013 «Масло подсолнечное. Технические условия».

Дистиллированная вода заливалась в емкость установки и затем в нее добавлялся эмульгатор. С помощью частотного преобразователя создавалась небольшая подача насоса около 2 л/мин. После растворения эмульгатора в воде, в емкость добавлялось подсолнечное масло и проводилось циркуляционное перемешивание для получения грубодисперсной эмульсии в течении 2 циклов оборота эмульсии через гидравлическую систему. Затем производили отбор пробы грубодисперсной исходной эмульсии Для обработки эмульсии в установке с помощью частотного преобразователя запускали электродвигатель насоса для создания давления на входе в кавитатор 20 атм и потока 33 л/мин. Обработка эмульсии происходила в циклическом режиме за счет циркуляции эмульсии по замкнутому гидравлическому контуру из емкости в насос, затем под давлением в кавитатор и обратно в емкость Количество циклов обработки определялось по счетчику жидкости. За время обработки фиксировался объем жидкости, прошедший через кавитатор, температура эмульсии и давление на входе в кавитатор [3].

Определение размеров частиц эмульсии проводилось на приборе «Анализатор размеров частиц и дзета-потенциалов NICOMP-380ZLS».

Результаты экспериментальных исследований по определению среднего диаметра частиц эмульсии от количества циклов обработки представлены на рис. 2. Средний диаметр необработанной эмульсии без эмульгатора составлял 3897 нм, с эмульгатором – 2749 нм. Эти точки не представлены на графиках для лучшей иллюстрации зависимостей размера частиц от кратности обработки, так как средний диаметр частиц обработанной в кавитаторе эмульсии многократно меньше необработанной грубодисперсной эмульсии. Изменение среднего диаметра частиц эмульсии после 4-х кратного прохождения через кавитатор составляет для эмульсии с эмульгатором – более чем в 120 раз, без эмульгатора – в 60 раз. Рисунок 2. Графики зависимости размера частиц эмульсии d от количества циклов обработки k: 1 - эмульсия без эмульгатора; 2 – эмульсия с эмульгатором Как видно из графиков на рис. 2, для эмульсии с эмульгатором после 4-кратного прохождения через кавитатор уменьшение среднего диаметра частиц практически незначительно. Для эмульсии без эмульгатора дисперсность (обратная величина размера частиц) не увеличивается после 6-кратной обработки эмульсии в кавитаторе. Таким образом, можно сделать вывод, что ведение эмульгатора Твин-20 позволяет в 1,5 раза сократить кратность и, соответственно, время и энергозатраты на получение тонкодисперсной эмульсии с наименьшим средним диаметром частиц для данных условий. Средний размер частиц эмульсии растительного масла в воде с добавлением эмульгатора Твин-20 в 8 раз меньше, чем средний размер частиц эмульсии без эмульгатора.