سمینار برسی پدیده کوالنسنس در سیستم های پراکنده مایع - مایع بهم خوری

سمینار برسی پدیده کوالنسنس در سیستم  های پراکنده مایع - مایع بهم خوری

چکیده:

کوالسنس نقش تعیین کننده ای در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ایفا می کند. نرخی که در آن قطرات یا حباب ها در مایع معلق شده اند، کوالسنس در تهیه و پایداری، امولوسیون ها، فم ها، پراکنده سازی ها: در استخراج مایع – مایع، در شناور سازی معدنی بسیار مهم است.

معمولا کوالسنس در سه مرحله اتفاق می افتد:

1- نزدیک شدن یک قطره یا حباب به طرف یکدیگر و یا فصل مشترک مایع – مایع.

2- تشکیل فیلم مایع فاز پیوسته بین دو قطره و یا بین قطره و فصل مشترک.

3- رقیق شدن و گستختگی فیلم نازک و اتفاق افتادن کوالسنس.

مقدمه:

اختلاط دو مایع امتزاج ناپذیر، به گونه ای است که یک مایع در مایع دیگر پراکنده شده و ایجاد قطره می نماید. توزیع اندازه قطرات (که ناشی از دو پدیده مخالف هم یعنی شکسته شدن و درهم ادغام شدن قطرات می باشد) نقش مهمی در کارایی بسیاری از فرآیندهای صنعتی از قبیل تولید مواد شیمیایی، معدنی، نفت، مواد داروئی، غذایی و غیره دارد. برای سیستم های پراکنده مایع – مایع که در آنها انتقال جرم یا واکنش شیمیایی صورت می گیرد، نسبت مساحت سطح به حجم قطرات بایستی در حداکثر ممکن باشد و این یعنی کوچکتر شدن هرچه بیشتر قطرات. اما این امر مسائلی نیز به دنبال دارد مانند افزایش زمان جدائی دو فاز. بنابراین همواره به دنبال یک توزیع اندازه قطره بهینه هستیم و این توزیع بستگی به نرخ کوالسنس و شکسته شدن قطرات و اینکه کدام تعیین کننده باشد دارد.

فصل اول: کلیات

1-1) هدف

همانطور که گفته شد سیستم های پراکنده نقش مهمی در فرایندهای عملیات مهندسی شیمی و واکنش های شیمیایی دارند. در آن واکنش های شیمیایی که سطح مشترک عامل تعیین کننده سرعت است و عملیات های انتقال جرم و حرارت، هرچه قطرات ریزتری داشته باشیم، نرخ انجام فرایند افزایش می یابد. اما این امر مشکلاتی را نیز به همراه دارد و زمان جداسازی فازها ممکن است روزها به طور بانجامد که هرگز مطلوب نمی باشد. همچنین ریزتر کردن قطرات هزینه های عملیاتی را بالا می برد. بنابراین در طراحی های سیستم های پراکنده همواره یک توزیع اندازه قطره بهینه مورد نظر است. این توزیع ممکن است باریک و یا گسترده باشد که مسلما توزیعی مناسب است که دارای کمترین انحراف استاندارد باشد. این توزیع علاوه بر مشخصات فازها (ویسکوزیته، دانسیته، کشش بین سطحی) به ساختار هندسی و دور همزن نیز بستگی دارد که همگی آنها را می توان در نرخ های شکسته شدن و کوالسنس قطرات خلاصه کرد.

در طراحی بهینه سیستم های پراکنده در تانک های اختلاط شونده از نوع همزنی بایستی استفاده کرد که با مصرف کمترین میزان انرژی، پراکندگی مورد نظر را در سریع ترین زمان ممکن به وجود آورد. همزن توربینی شش تیغه ای (معروف به توربین راشتون) با توجه به مشخصات پراکنده سازی خوبی که دارد برای این منظور در محدوده های ویسکوزیته کم و در مطالعات سیستم پراکنده مایع – مایع عموما به کار می رود. اگر مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات مجهول باشد، امکان طراحی مناسب عملیات سخت می گردد و ممکن است مسائل مختلفی به وجود آید، مثلا اصلا به اندازه مطلوب قطره دست نمی یابیم یا اینکه بعد از مدت طولانی این امر حاصل شود و یا حتی اندازه قطر متوسط مطلوب به دست آمده باشد ولی توزیع خیلی گسترده باشد.

انتقال جرم و واکنش های شیمیایی بر نرخ های شکسته شدن و کوالسنس و در نتیجه توزیع اندازه قطرات تاثیر دارد. این امر می تواند به دلیل تغییر مشخصات فیزیکی فازها باشد و یا اینکه جزء سوم دیگر بر رفتار کوالسنس تاثیرات مختلفی داشته باشد. در مطالعات سیستم های پراکنده سعی می کنند تا آنجا که امکان دارد فازها خالص و عاری از هرگونه ناخالصی باشد تا اثرات پارامترهای سیستماتیک و مکانیک سیالاتی بهتر مشخص گردد.

اگر سیستم ذاتا کوالسنس کننده باشد، یا اینکه درصد حجمی فاز پراکنده بالا باشد و یا انرژی توربلانسی فاز پیوسته برای شکستن قطرات کافی نباشد، دورهای پایین همزن به قطرات بزرگی خواهد شد. اگر شرایط به گونه ای باشد که نرخ های شکسته شدن و کوالسنس قابل مقایسه باهم باشند، احتمالا خیلی دیر به توزیع مورد نظر دست خواهیم یافت و اگر طراحی تانک و همزن و شرایط عملیاتی به خوبی صورت نگرفته باشد، توزیع خیلی گسترده ای ممکن است حاصل آید.

در این پروژه هدف دانستن مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات و توزیع اندازه قطرات که نقش تعیین کننده در طراحی بهینه تانک های اختلاط شونده دارد، می باشد.

2-1) پیشینه تحقیق

بسیاری از نتایج آزمایشگاهی با تشکیل قطره در یک نازل و سپس رها شدن آن بر روی فصل مشترک مایع – مایع به دست آمد، به طوری که زمان پیوند قطره را بتوان اندازه گیری کرد.

اولین مطالعه دانشگاهی توسط رانولدز (1881) با شاهد پیوند قطرات باران در یک استخر انجام شد و این مسئله توسط ورسینگتون (1895) و اسملوچوسکی (1971) با عکس برداری که آنها را قادر ساخت تا پدیده های پیچیده ای را مشاهده کنند، پیگیری شد و آنها را به سوی مکانیسم تشکیل قطره کوچک هدایت کرد. یک تعریف اجمالی از زمان پیوند یک قطره در فصل مشترک را از زمان تولید یک قطره در نازل تا رسیدن به نقطه ای که محتویات قطره به داخل فاز همگون منتقل شود در نظر می گیرند. یک لایه نازک از سیال فاز پیوسته بین قطره و فصل مشترک حائل می شود، این لایه باید قبل از اینکه عمل گسیخته شدن و سپس انتقال به داخل فاز همگون اتفاق بیافتد، تخلیه شود و تخلیه این لایه نازک فرایند پیوند قطره را کنترل می کند.