Лако-красочные материалы — производство

Перемешивание взаимно нерастворимых жидкостей приводит в соответствующих условиях к образованию двухфазной системы, именуемой эмульсией. В такой системе одна жидкость рассеяна в виде капель и образует так называемую дисперсную фазу, вторая жид­кость, именуемая непрерывной, или сплошной фазой, образует среду, в которой перемещаются капли дисперсной жидкости.

Все величины, относящиеся к дисперсной фазе, обозначены ниже индексом «г», а величины, относящиеся к непрерывной фазе, — ин­
дексом «с». Какая жидкость будет в том или ином случае составлять дисперсную фазу и какая непрерывную, зависит от пропорции обеих яшдкостей, их физических свойств и способа перемешивания. На основе данных, опубли­кованных в литературе, трудно заранее пред­видеть так называемую точку инверсии в ап­парате с мешалкой. Исследования, проведен­ные в этой области Квинном и Сиглохом [173 ], не привели еще к удовлетворительному об­общению.

Чтобы удерживать такую систему в дис­персном состоянии, ее необходимо непре­рывно перемешивать (турбулизировать), т. е. подводить к ней определенное количество энергии за единицу времени, в противном же случае система автоматически распадется, стремясь к достижению минимума энергии.

В аппарате периодического действия с мешалкой после небольшого времени пе­ремешивания устанавливается состояние динамического равновесия, когда во всем объеме двухфазной системы находится ста­тистически постоянное число капель и по­стоянная межфазная поверхность. Диаметры отдельных капель не одинаковы. Они рас­пределяются в соответствии с определенной закономерностью [20], которая может меняться в объеме аппарата [196]. В некоторых двух­фазных системах существует состояние дина­мического равновесия непрерывного процесса распада и соединения капель. У наиболее крупных капель наблюдается тенденция к делению (это происходит главным образом в зоне мешалки), тогда как у самых малень­ких капель наблюдается тенденция к соеди­нению (коалесценция). Однако общее число капель остается статистически постоянным.

Процесс коалесценции наблюдается в си­стеме с большими концентрациями дисперс­ной фазы, а также в системах газ—жидкость (рис. III-36), тогда как для эмульсий с не­большими концентрациями дисперсной фазы коалесценция чаще всего не наблюдается, по­скольку время, необходимое для совершения жидкостью одной цир­куляционной петли, слишком мало, чтобы могла наступить коалес­ценция. В последнем случае распределение диаметров капель во всем
аппарате одинаково. При расчете аппаратов с мешалками для созда­ния эмульсий следует определить:

А) условия, необходимые для образования эмульсии;

Б) диаметр капель;

В) межфазную поверхность.

Эти величины необходимы для расчета массообмена в рассматри­ваемых системах.

Создание равномерного распределения по всему объему аппарата двух несмешиваемых жидкостей связано (как и при образовании суспензий) с достижением определенного гидродинамического состоя­ния этой системы.

Павлушенко и Янишевский [165, 166] изучали перемешивание таких систем и установили, что равномерность распространения фаз в аппарате с мешалкой для конкретной системы жидкость—жид­кость и конкретного аппарата зависит от числа оборотов мешалки. Авторы ввели (как и в случае суспензии) понятие минимального числа оборотов мешалки п0, при котором достигается практически равномерное распределение фаз.

Авторы провели экспериментальные исследования для турбин­ных мешалок, а также трехлопастных пропеллерных мешалок, уста­новленных в аппаратах с отражательными перегородками и без пере­городок. Измерения осуществлялись для воды и водных растворов глицерина с различными органическими жидкостями. Основные раз­меры аппарата составляли: D — 0,05-^0,175 м и D = Н = 0,3 м.

Результаты исследований были обобщены в виде следующих урав­нений:

Для аппаратов без отражательных перегородок

= с ( D3Y°" V’4 ( ЁУс° У’47 /ALV’13 ЛПЛУ’03 (Ш-93) Чс V& ) г1 / У С J Лс /

Для аппаратов с отражательными перегородками

Ир D2Yc _

Лс

W ШД5 О*)*" (тУ ««■«)

Где для турбинных мешалок С = 62,9 и I — 0,92, для пропеллерных мешалок С = 69,8 и I — 1,25.

Уравнения (III-93) и (111-94) можно преобразовать до расчетного вида:

Для аппаратов без отражательных перегородок

"0 d2yc

Ду<Ы3Т|£.01Г|0.03а0Л7

То

V

Для аппаратов с отражательными перегородками

ДуО’ОвпО.08^0,04 а0,1Ь£>г

"о = 5,67 —i—— УоЛ Di——- ——————— (111-96)

Где для турбинных мешалок К = 6,43, I = 0,92 и /’ = 1,87, для про­пеллерных мешалок К = 7,05, I — 1,25 и / = 2,2.

Величины, включенные в уравнения (111-94) и (III-95), выражены С использованием единиц кг, м, с.

Уравнения (III-93)—(III-96) применяются для следующих диапа­зонов исследованных переменных:

Re0 = d2y° = 3,38 • 102 ч — 2 • 105 Лс

1,74 • 105-f-1,24 • 1011

Reg _ Dyca "We"

= 0,02 -7- 0,594; -^- = 0,005^-246 Vc Лс

1,72 4- 4,00

Где Ay = Yr — Yc или — уг.

Кроме того, авторы сделали много интересных количественных наблюдений. Например, при перемешивании пропеллерной мешалкой системы, содержащей свыше 50% более легкой жидкости, тип обра­зуемой эмульсии в значительной степени зависит от способа переме­шивания. При медленном увеличении числа оборотов образуется эмульсия типа масло—вода, тогда как при включении мешалки сразу на номинальное число оборотов образуется эмульсия типа вода— масло, т. е. обратная эмульсия.

При перемешивании систем, в которых более легкая жидкость яв­ляется и более вязкой, авторы наблюдали образование сложных эмульсий. В этом случае капли дисперсной фазы содержат мелкие капли жидкости, составляющей непрерывную фазу.

Хоблер и Палюгниок [80] предложили уравнение для расчета минимального числа оборотов п0 открытой турбинной мешалки с шестью прямыми лопатками, работающей в аппарате с отражатель­ными перегородками. Непрерывную фазу составляла вода, а диспер­сную фазу — различные масла, нефть и бензол. В качестве критерия Для расчета минимального числа оборотов nQ авторы приняли момент полного рассеяния жидкости, нерастворимой в воде, независимо от распределения концентрации и, следовательно, не придерживались условия равномерного рассеяния одной жидкости в другой. Измере­ния п0 проводились путем подачи в аппарат с мешалкой определен­ного количества воды и жидкости, несмешивающейся с водой, и при очень медленном увеличении числа оборотов мешалки. В тот момент, Когда более легкая жидкость была полностью взвешена в воде, фикси­ровалось число оборотов мешалки п0.

В результате проведенных испытаний авторы предложили уравне­ние:

= 207 МО (J )"0Д16 (F )°’633 (± )"0’8" (Ш-97)

Где I — 1 м (постоянная величина); гс — плотность и вязкость непрерывной фазы (воды).