Оптимизация ультразвукового эмульгирования при механическом перемешивании

Abstract

Актуальность исследования. Процесс эмульгирования широко распространен в промышленности как при первичной обработке углеводородов, так на конечных стадиях получения товарных продуктов. Особый интерес вызывает организация процесса непрерывного получения стабильных эмульсий в аппаратах проточного типа перед непосредственным их применением. Такой подход существенно снижает величину отклонения концентрации смеси от заданных значений, вызванную отстаиванием. Также переход от аппаратов периодического действия к аппаратам непрерывного действия позволяет сократить габариты и металлоемкость оборудования при крупнотоннажном производстве, что в свою очередь облегчает транспортировку, снижает затраты на монтаж и ремонт. Одним из наиболее прогрессивных методов повышения эффективности эмульгирования является проведение процесса в условиях воздействия механических колебаний ультразвукового диапазона частот. Цель: установить влияние параметров неоднородной системы на интенсивность эмульгирования при комплексном воздействии механического перемешивания и ультразвуковых колебаний. Методы: аналитический обзор результатов исследований ультразвукового эмульгирования неоднородных систем, аналитическое исследование распространения колебаний ультразвукового диапазона через слой двухфазной эмульсии, экспериментальное исследование процесса эмульгирования несмешивающихся жидкостей при механическом перемешивании в поле действия ультразвуковых колебаний. Результаты. Рассмотрен процесс эмульгирования в условиях механического перемешивания и воздействия волн ультразвукового диапазона. Аналитическим путем определена зависимость интенсивности эмульгирования от физико-химических свойств жидкостей, состава смеси и высоты слоя эмульсии. Выявлено, что появление зон с резонансными механическими колебаниями для наибольшей эффективности диспергирования наблюдается при условии, что расстояние между источником ультразвука и свободной поверхностью жидкости равно целому числу длин полуволн механических колебаний в эмульсии. Полученные зависимости проверены экспериментальным путем при эмульгировании смеси "дизельное топливо - вода". Оценка качества эмульсии проводилась визуально по наличию сплошных однородных зон в объеме рассматриваемой системы, а также по размеру частиц дисперсной фазы, на фотографиях, полученных с помощью микроскопа.

Relevance of the research. The process of emulsification is widespread in industry both in the primary processing of hydrocarbons and in the final stages of production of marketable products. The organization of continuous production of stable emulsions in flow-type devices before their direct application is of particular interest. This approach significantly reduces the deviation of the mixture concentration from the given values, caused by settling. The transition from batch devices to continuous machines allows reducing as well the size and intensity of the equipment, with large-scale production, which in its turn facilitates transportation, reduces installation and repair costs. One of the most progressive methods of increasing the efficiency of emulsification is to conduct the process under the influence of mechanical vibrations of the ultrasonic frequency range. The main aim of the research is to establish the influence of the inhomogeneous system parameters on the emulsification intensity under the complex effect of mechanical mixing and ultrasonic vibrations. Methods: analytical review of the results of ultrasound emulsification of inhomogeneous systems, analytical study of the propagation of vibrations of the ultrasonic range through a layer of a two-component emulsion, experimental study of emulsification of immiscible liquids under mechanical stirring in the field of action of ultrasonic vibrations. Results. The paper considers emulsification under conditions of mechanical mixing and exposure to ultrasonic waves. The authors have determined analytically the dependence of the emulsification intensity on the physicochemical properties of liquids, the composition of the mixture and the height of the emulsion layer. It is revealed that the appearance of zones with resonant mechanical vibrations for the greatest dispersion efficiency is observed provided that the distance between the ultrasound source and the free surface of the liquid is an integer number of half-wavelengths of mechanical vibrations in the emulsion. The dependences obtained were verified experimentally by emulsifying the "diesel fuel - water" mixture. Evaluation of the quality of the emulsion was carried out visually by the presence of continuous homogeneous zones in the volume of the system under consideration, as well as by the size of the particles of the dispersed phase, in photographs taken with a microscope.