ертханалық жұмыс № 15

Сұйық ортада араластыру процестерін зерттеу

Жұмыстың мақсаты: эмульсияны (суспензия) алу процестерінде араласу нәтижелігін зерттеу әдісімен танысу.

15.1. Теориялық бөлім

Араласу-араластыру көптген процестерді интенсификациядауда ерекше роль атқарады. Әрекеттескен фазалардағы үстіңгі бөлімде байланыстық ұлғаю мен жаңаруы, бір фазаның екіншіге толық және жылдам өтуіндегі физика-химиялық процестер бойынша біркелкі таралуына әсер береді. Жылумен алмасумен жүретін процестерде араластыру жылудың бөлінуінің коэффициентін ұлғайтады, темпеатураны теңестіреді, шамадан тыс ысып кетуден және күюден сақтайды. Араластыру әртүрлі қоспаларды, эмульсияларды дайындау кезінде, мұнайөнімдерін компаундирленген кезінде жеке дара процесс ретнде қолданады.

Бұл жұмыста механикалық араластырғыштарменіске асырылатын араласу қарастырылады (сур.15.1.).

Араласу прцесінің технологиялық нәтижесі немесе араласудың нәтижелігі процесс сапасының сипаттамасы болып табылады. Қазіргі кезде бұл сипаттаманы әртүрлі сипаттайды, ол араластырудың технологиялық мақсатына байланысты.

Эмульсияны немесе суспензияны алу процестерінде арластыру нәтижесін фазаларды тарату арқылы біртектілігін сипаттауға болады. Оңай ажырайтын қоспаларды араластыру кезінде экспериментальды түрде араластырғыштың айнаналу санына тәууелді аппарат құрылымының биіктікке тәуелділігі оңай анықталады, түбіне аппарат жақын бола түссе, ауыр компоненттің концентрациясы соншалықты жоғары. Эмульсия алу үшін араластыруды алу кезінде нәтижелік дисперстік фазаның бөлшек көлемімен сипатталады.

Мысалы, аппаратта бөлініп қабатталып тұратын сумен трансформаторлық майбар делік. Су мен май көлемдерін V_су және V_М белгілейік. Егер жұмыс істеп тұратын араластырғышта толық араластыру орын алса, яғни сұйықтық өне бойы фазаның біркелкі таралуы орын алса, онда аппараттың әр бөлігін алынған қоспа мынаны құрайды (массалық үлестерде):

 

(15.1)

мұнда: r_су, r_М - су және май тығыздықтары.

 

 

Сур. 15.1. Аппараттың стандартты конструкциясының схемасы.

Аппарат алты тіке қалақшалы турбиналы араластырғыштан құаралады және де келесі геометриялық өлшемдердері бар: турбина диаметрі d = 1/3; апараттың табанына орналасқан турбинаның биіктігі h = d; турбинаның қалақшаларының ені b =I/5d; турбина қалақшаларының ұзындығы 1_Т =l/4d; орталық дискіге бекітілген турбина қалақшаларының бөлігінің ұзындығы lg =l/8d; сұйық қабатының биіктігі Н_о=D; ажыратқыш бөлгіштің ені b_бөлгіш = 1/10D.

Фазаның толқ емес араласуы кезінде әр түрлі үлгілерде су құрамы х_ор -ден ерекше болады. Араластыру кезінде биіктік бойынша бірқатар үлгілерді алуға болады және оны х₁, х₂,..., х_m концетрациясын анықтауға болады. Олардың х_ор -ден концентрациядан ауытқу деңгейі араласудың тиімділік өлшемі болады. Бұл деңгейді статистикалық әдіспен анықтауға болады.

Бұл жерде қарапайым эмпирикалық әдісті қарастырамыз.

Егер х_i < х_ор болған жағдайда сұйықтың жоғарғы қабаттарындаауытқк келесідегідей анықталады:

x_i = x_i/х_ор (15.2)

Егер х_i > x_ор болған жағдайда сұйықтың төменгі қабаттарында ауытқу былай болады:

х_i = (1 – x_i)/(1 – x_ор) (15.3)

 

Мұндай анықтамаларда барлық мағыналар х_i < 1. Орта арифметикалық ауытқуды араласу индексі деп аталады:

I = åx_i/m (15.4)

 

Араласу индексі араласудың тиімділігінің өлшемі болып табылады. Ол n – араластырғыштың айналу санына байланысты және N қуаттың араласып жатқан V сұйықтың көлем бірлігіне жұмсалуына байланысты.

I көлем нольден бірлікке дейін өзгеруі мүмкін. Толық араласу режиміне жақындағанда I мәні бірлікке жетеді. Араласу индексі қуаттың (N / V) төмен үлесті жұмсалуына өте аз .N/V қатынасы ұлгайғанда I мәні жылдам өседі, бірақ қайтадан оның өсуі әлсірейді.

Зертханалық жұмысты орындалуы араласу индексінің қатынасына (N/V) қатынасына тәуелдігін құруымен байланысты болып отыр.

Арасаластыруға жұмсалған қуаттың шығыны

 

Араластыруға қуаттың жұмсалуы аз сұйықты араластырудың жоғарғы дәрежесіне ыдыстағы сұйық массасының бәрі турбулентті ағым жағдайында болған жағдайда ғана қол жеткізіледі. Сұйықтың бүкіл массасын турбулизациялауға қажет механикалық энергияның мөлшері ыдыспен араластырғыштың конструкциясына байланысты және араласушы сұйықтың қоюлығы араластырғыш жасаған ағым сипатына әсер береді. Сұйцықтың қоюлығы қаншалықты үлкен болса ағымның қажетті жағдайына қол жеткізуді талап ететін энергияны мөлшері соншалықты көп.

Гидромеханика негізінде механикалық араластырғыштың қажетті нәтижесіне келтіретін жүйе параметрлерінің комбинациясының өзара арақатынасымен бейнлеу өте қиын. Әр түрлі параметрдегі араластыру кезінде қолданылатын жұмсалатын қуаттың байланысынның теңдеуін алу үшін көлемдік анализ әдісін қолданады. Араластыруға жұмсалған қуатты есептеу үшін критериалды теңдеу мына түрде болады:

 

K_N = f(Re_ц, Fr_ц, Г_D, Г_b, Г_Ho…) (15.5)

 

Араластыру процесі үшін гидродинамикалық критерии ұқсастығын анықтау төмендегі теңдіктермен өрнектеледі.

Рейнольдс критериі (орталық айналу):

Re_ц = rnd²/m (15.6)

Қуат саны (Эйлердің орталықтан айналу критериі):

K_N = N/rn³d⁵ (15.7)

Фруд саны (орталық айналу):

Fr_ц = n²d/g (15.8)

Мұнда: N –араластыруға жұмасалған қуат, Вт;

r - сұйықтың тығыздығы, кг/м³;

m - сұйықтың тұтқырлығының динамикалық коэффициенті, Па^.с;

n – араластырғыштың айналу жиілігі, айн/с;

d – араластырғыштың диаметрі, м;

g – еркін түсу үдеуі, 9,81 м/с.

 

(15.5) теңдеуде геометриялық ұқсастық симплекстері (15.1. суретке қара) тең болады:

Г_D = D/d; Г_b = b/d; Г_Ho = Ho/d (15.9)

 

Араластырғышы бар аппараттың геометриялық ұқсастықтарын жалпыланған критериін, ауырлық күшін ескермеген жағдайда төмендегідей жазуға болады:

K_N = C/Re_ц² (15.10)

Мұнда: С және q – тұрақты шамалар (осы конструкция және нақты араластыру режимі үшін).

K_N = f (Re_ц) тәуелділік қисығы, алты қалақшалы турбиналық араластырғыш үшін 15.2 суретте келтірілген. Бұл қисықты (15.7) теңдігін қолданып, араластыруға жұмсалатын қуатты оңай анықтауға болады.

 

15.2 –сурет. Алты қалақшалы турбиналық араластырғыш үшінРейнолдс санының қуаттылық санына тәуелділігі.