Рассмотрим процессы диспергирования и расслаивания эмульсий в промышленном смесительно-отстойном экстракторе с закрытой турбинной мешалкой .
Средний размер капель, образующихся в смесительной камере, зависит от скорости дробления, скорости коалесценции, кратности циркуляции и времени пребывания фаз в аппарате. Соотношение скоростей дробления капель и их коалесценции определяется характеристиками турбулентного течения перемешиваемой двухфазной системы. В аппаратах с мешалками поле средних скоростей и степень турбулентности неоднородны, в результате капли в различных точках перемешиваемого объема отличаются по размеру. Капли минимального размера образуются в непосредственной близости от мешалки и укрупняются по мере удаления от нее. Концентрация дисперсной фазы в различных частях смесителя также не одинакова, если скорость вращения мешалки не превышает некоторой «критической».
Таким образом, в общем случае межфазная поверхность может распределяться по объему смесителя неравномерно, что подтверждается непосредственными измерениями. Предложенные корреляции для среднего размера капель основываются на измерениях, проведенных в фиксированной точке аппарата с мешалкой. Скорости вращения перемешивающих устройств выбирались достаточно большими, чтобы обеспечить равномерное распределение дисперсной фазы и достаточно близкие размеры капель в различных точках смесителя.
Интенсивность перемешивания, необходимая для эффективного массообмена в промышленных смесительно-отстойных экстракторах, как правило, значительно ниже той, которая требуется для равномерного распределения дисперсной фазы. На практике диспергирование в системах жидкость — жидкость стремятся свести к необходимому минимуму в связи с трудностью разделения тонких дисперсий, так что равномерное распределение дисперсной фазы обычно не достигается. При исследовании распределения величины удельной межфазной поверхности и локальных концентраций дисперсной фазы по объему смесителя было получено уравнение для расчета среднего объемно-поверхностного диаметра капель в области выхода жидкости из турбины:
где dМ — диаметр турбинной мешалки, м; ?d ?c— вязкости сплошной и дисперсной фаз;
?i — объемная доля дисперсной фазы вблизи лопастей турбины;
We= п2 dM3 ?см /? —критерий Вебера; ?см — плотность эмульсии.
Использование значения диаметров капель, усредненных по объему смесителя, dcр, позволило обобщить данные по удерживающей способности проточной смесительной камеры с помощью уравнения
где nм — частота вращения мешалки; w0 — скорость осаждения капель диаметром dср, рассчитанная по Адамару — Рыбчинскому.
Расчеты по уравнениям (di) и (?) в совокупности позволяют определить межфазную поверхность и диаметр капель, усредненные для всего объема смесителя.
Размер капель эмульсии, образующейся в смесителе, обусловливает скорость ее расслаивания в отстойной камере. В известной работе зависимость скорости расслаивания смеси водных растворов солей металлов и керосина, содержащего алкилфосфаты, от интенсивности диспергирования не была обнаружена, однако в общем случае увеличение интенсивности перемешивания ведет к резкому снижению скорости распада эмульсии.
Связь между размерами эмульсионного клина в отстойнике, диаметром капель на входе в отстойник и расходом дисперсной фазы найдена в работах ученых. Исследовалась работа отстойника, длина которого достаточна для полного разделения потока эмульсии на две фазы, так что в конце отстойника толщина слоя эмульсии равна нулю. Расслаивание рассматривалось как результат межкапельной коалесценции в слое и коалесценции капель с плоской поверхностью выделившейся фазы. Использовав кинетические закономерности элементарных актов коалесценции, авторы получили уравнение для расчета длины эмульсионного клина. Практическое использование такого подхода затруднено тем, что устойчивость реальных эмульсий сильно зависит от присутствия в системе электролитов, поверхностноактивных примесей и твердых частиц. Эти факторы не удается учесть в соотношениях для среднего времени элементарных актов коалесценции. Теоретически не обоснована и сама возможность распространения закономерностей коалесценции одиночных капель на процессы в плотных эмульсионных слоях.
Метод расчета отстойников, учитывающий влияние режима диспергирования и особенности разделения фаз в конкретной экстракционной системе, может быть получен, если при анализе процесса расслаивания воспользоваться частотой коалесценции капель, которая может быть определена экспериментально по измерениям скорости распада эмульсии при периодическом режиме.