Κατανομές μεγέθους σταγονιδίων διασποράς υγρού σε υγρό σε αναδευόμενο δοχείο:
Creators: name: Τοσίδης, Θεμιστοκλής Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Κατανομές μεγέθους υγρού υγρού
Δεκάνιο
Διάσπαση-συνένωση
Liquid liquid dispersions
Decane
Breakage coalescence
Droplet distributions

description: Τα διαλύματα διασποράς υγρού-υγρού σε αναδευόμενα δοχεία παίζουν βασικό ρόλο σε πολλές διεργασίες χημικής τεχνολογίας. Το μέγεθος των σταγονιδίων επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες οι οποίοι μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις κατηγορίες. Στη πρώτη κατηγορία συγκαταλέγονται εκείνοι οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την ενέργεια του πεδίου ροής (τύπος, ταχύτητα αναδευτήρα και θέση του στο δοχείο, διαστάσεις δοχείου). Στη δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνονται εκείνοι που επηρεάζουν τις φυσικές ιδιότητες των δύο φάσεων που χρησιμοποιούνται (ιξώδες και πυκνότητα των δύο φάσεων, διεπιφανειακή τάση και ελαστικότητα επιφανείας). Τέλος τη τρίτη κατηγορία αποτελεί η αναλογία όγκου των δύο φάσεων. Όλες οι προαναφερθέντες παράμετροι περιέχονται στην εξίσωση που περιγράφει την εξέλιξη της κατανομής του μεγέθους των σταγονιδίων. Ο ρυθμός διασκορπισμού της τυρβώδους ενέργειας είναι ανόμοια κατανεμημένος στο αναδευόμενο δοχείο κάνοντας την δημιουργία ενός μοντέλου που συνδυάζει υπολογιστικούς μηχανισμούς ροής και εξισώσεις ισορροπίας αρκετά περίπλοκο. Η σύγχρονη τάση είναι η χρήση πειραματικών κατανομών μεγέθους σταγονιδίων με στόχο τη επιλογή ανάμεσα σε ένα μεγάλο αριθμό απόψεων για τα μοντέλα θραύσης (breakage) και συνένωσης (coalescence) που βρίσκονται στη βιβλιογραφία. Δυστυχώς πολλά από αυτά τα μοντέλα “υποφέρουν” από θεωρητικά κενά μιας και τα πειραματικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι περιορισμένης κλίμακας και χωρίς επαναληψιμότητα. Η καταγραφή μεγάλης ποσότητας δεδομένων είναι απαραίτητη, πάνω στα οποία θα μπορούν να βασιστούν εξελιγμένες θεωρητικές προσεγγίσεις (μοντέλα). Στην παρούσα εργασία η μελέτη της εξέλιξης της κατανομής μεγέθους των σωματιδίων του δεκανίου, σε γαλάκτωμα χαμηλής περιεκτικότητας σε δεκάνιο και με τη χρήση Tween 80 ως τασενεργού, γίνεται σε ένα δοχείο με τη χρήση ενός στροβίλου Rushton. Η ελαιώδης φάση ,δεκάνιο, εισάγεται με τη χρήση σιφωνίου σε περιοχή κοντά στον αναδευτήρα. Η ομοιομορφία και η επαναληψιμότητα των μεγεθών τα οποία μετρώνται μελετώνται αναλυτικά στην παρούσα εργασία. Οι κατανομές μεγέθους των σταγονιδίων μετρώνται σε δείγματα, τα οποία σταθεροποιούνται έναντι της συνένωσης τους (coalescence), τοποθετούνται στο μικροσκόπιο και λαμβάνονται φωτογραφίες τους μέσω ενός κατάλληλου λογισμικού. Αρκετά πειράματα έγιναν με παραμέτρους την ταχύτητα του αναδευτήρα και την συγκέντρωση της τασενεργής ένωσης που χρησιμοποιήθηκε αλλά και με συνδυασμό των δύο παραπάνω παραμέτρων. Αυτή η σειρά πειραμάτων μας δείχνει ότι το φαινόμενο της συνένωσης (coalescence) ελαττώνεται παρουσία μιας επιφανειοδραστικής ένωσης. Οι πειραματικές κατανομές μεγέθους των σταγονιδίων χρησιμοποιούνται για την εύρεση δεδομένων όπως οι διάμετροι d1.0, d3.2 και d0.95. Επιπροσθέτως υπολογίζεται και συγκρίνεται η log-normal εξίσωση όπου αυτό είναι δυνατόν. Τέλος παρατίθενται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα όπου και αναλύονται διεξοδικά.
description: Liquid-liquid dispersions in stirred tanks play an important role in many chemical engineering processes. The size of the drops depends on several factors which can be divided in three categories: At first those affecting the energy of the flow field (impeller type/speed/location in the tank, tank dimensions), secondly the physical properties of the phases (viscosity and density of the two phases, interfacial tension, surface elasticity) and third the volume fraction of the two phases. All these parameters enter the population balance equation that describes the evolution of the droplet size distribution. The turbulent energy dissipation rate is uneven distributed in the stirred tank making the direct modeling approach combining Computational Fluid Mechanics and Population Balances rather complicated. The recent trend is to use experimental droplet size distributions in order to select among the large number of expressions for the coalescence and breakage models found in the literature. Unfortunately many of these models suffers from theoretical inconsistencies whereas the employed experimental data are of limited extend and of vague reproducibility. A large inventory of high quality data is needed on which advanced theoretical approaches will be based. In this context the evolution of the droplet size distribution of decane with low volume fraction using Tween 80 as surfactant in order to control the interfacial tension are conducted in a tank with a Rushton turbine. The oil phase, decane, is introduced with a pipette in the region of the impeller. The spatial uniformity and the reproducibility of the measured quantities are studied extensively. The droplet size distributions are measured by taking samples from the dispersion, stabilizing them against coalescence, putting them in the microscope and using image processing software. Several experiments were performed for several frequencies of impeller rotation and surfactant concentrations (i.e. interfacial tensions). In addition to uniform conditions, experiments with step wise variation of the conditions (i.e. stirring rate, surfactant concentration) were performed. These experiments allow showing that the coalescence process ceases in the presence of the surfactant. The experimental droplet size distributions are used to compute integral quantities as the diameters d1,0 and the corresponding standard deviation, d3,2,d0.95. In addition they are fitted with log-normal functions whenever it is possible. The results are discussed extensively.