Эмульгация, разделение эмульсии в смесителе-отстойнике с турбинной мешалкой

Рассмотрим процессы диспергирования и расслаивания эмульсий в промышленном смесительно-отстойном экстракторе с закрытой турбинной мешалкой .

смесительно-отстойный реактор
Схема двухступенчатого противоточного смесительно-отстойного экстрактора с механическим перемешиванием фаз:
1 — смесительная камера; 2—отстойная камера.

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:

уравнение среднего объемно-поверхностного диаметра капель

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, d, 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.