книги / 940

ния от концентрации раствора при С→0. Результаты расчетов приведены в сводной таблице.

Очевидно, что поверхностная активность возрастает с увеличением длины неполярной части молекулы. Для одноосновных предельных кислот при переходе от уксусной к валериановой число групп СН2 увеличивается на 3, а поверхностная активность возрастает в 4,53 раза. Это немного не соответствует литературным данным (3,53), но нужно учесть, что уксусная кислота, строго говоря, не относится к ПАВ.

Поверхностная активность растворов кислот

Результаты проведенных экспериментов показывают, что для двухосновных предельных кислот сохраняется такая же зависимость: при переходе от малоновой к адипиновой кислоте число групп СН2 увеличивается на 3, а поверхностная активность возрастает в 33 раз, при переходе от адипиновой к азелаиновой кислоте число групп СН2 увеличивается тоже на 3, а поверхностная активность возрастает в 23 раз. Увеличение поверхностной активности объясняется уменьшением растворимости кислот вследствие выталкивания неполярной части молекул из воды и концентрирования этих молекул на поверхности раствора. Для двухосновных непредельных кислот аналогичные зависимости установить не удалось из-за очень малой растворимости кислот вводе.

Нами обнаружено, что с увеличением числа полярных групп в молекуле поверхностная активность кислоты уменьшается. Вероятно, это связано с обратным эффектом: втягиванием молекул с большим числом полярных групп вглубь раствора с поверхности. При переходе

241

УДК 532.529

А.А. Абишев, В.Л. Долганов, С.Х. Загидуллин, В.В. Красоткин

Пермский государственный технический университет

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ И ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ В ДВУХФАЗНЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМАХ

Представлен анализ современных методов измерения гидродинамических характеристик в двухфазных газожидкостных потоках. Дана их классификация, показаны преимущества и недостатки. Описаны теоретические основы электроконтактного метода, представлена принципиальная схема прибора и определены оптимальные характеристики измерительного комплекса. Показана целесообразность применения электроконтактного метода измерения газосодержания и поверхности контакта фаз при исследовании холодной модели окислительной колонны производства нефтебитумов.

Основными гидродинамическими характеристиками двухфазных газожидкостных структур являются газосодержание и удельная поверхность контакта фаз. Эти параметры во многом определяют эффективность работы аппаратов, работающих в системе газ–жидкость.

В настоящее время существуют самые различные методы измерения этих характеристик, которые могут быть классифицированы по нескольким признакам. В первую очередь различают так называемые инвазивные методы, когда чувствительный элемент непосредственно контактирует с газожидкостной средой, и неинвазивные. Основным преимуществом первых является отсутствие влияния стенок аппарата, например их непрозрачности, а также ограничений, связанных с его формой. К недостаткам можно отнести влияние чувствительного элемента на структуру потока и, как следствие, искажение результатов измерений. Основные преимущества и недостатки неинвазивных методов противоположны тем, что имеются у инвазивных.

Классификация современных методов измерения гидродинамических характеристик двухфазных газожидкостных систем представлена на рис. 1.

243

Инновационной техникой измерения газосодержания и поверхности контакта фаз без контакта датчика со средой является анализ эффекта Допплера, который возникает при прохождении через газожидкостный поток луча лазера [6]. Суть метода заключается в определении смещения частоты волнового излучения, возникающего из-за относительного перемещения приемника – газового включения – и источника – лазерного луча. Метод отличается как высокой разрешающей способностью (позволяет фиксировать включения размером менее 1 мм), так и высокой скоростью измерения. Этим методом можно измерить локальные значения скоростей газа и жидкости, газосодержание и межфазную поверхность, а также размеры пузырьков [7, 8]. Ограничениями для данного метода являются наличие прозрачной жидкости, низкие значения газосодержания и возможность проведения измерений лишь на незначительном отдалении от стенки.

В последнее время широкое распространение при определении локальных характеристик газожидкостного потока в аппаратах колонного типа получила томография. Принцип томографии заключается в бесконтактном сканировании газожидкостной структуры по всей высоте колонны под различными углами. Результатами измерения являются осредненные за время движения сенсора величины.

Один из принципов томографии основан на ослаблении потока фотонов γ-излучений или рентгеновского излучения при прохождении их через газожидкостную структуру, причем величина ослабления энергии луча пропорционально плотности гетерогенной системы. Обработкой результатов получают карту осредненного распределения фаз, как по поперечному сечению, так и по высоте колонны.

Пространственное разрешение метода при использовании рентгеновского луча довольно высокое и составляет порядка 1 мм2, однако это достигается лишь для колонн малого диаметра и жидкости с низкой поглощающей способностью.

Использование высокоэнергетического γ-излучения расширяет диапазон измерения, однако при этом разрешающая способность метода снижается до 1 см2.

Основными минусами рентгеновской и γ-томографии остаются высокие материальные затраты на проведение измерения и опасность излучения для человека [9].

Более безопасным и гораздо менее затратным является метод электрической томографии [10,11]. В этом случае производится измерение электрической емкости или сопротивления между чувствитель-

245

ными элементами, находящимися у стенок аппарата. Метод отличается быстрым откликом и пригоден для измерения любых соотношений газовой и жидкой фаз. Однако в связи с тем, что данный метод разработан относительно недавно, до сих пор отсутствуют надежные алгоритмы обработки результатов, кроме того, остается низким его пространственное разрешение.

В некоторых работах для изучения двухфазной газожидкостной структуры применяли ультразвуковые волны [12,13]. Распространение и поглощение ультразвуковых волн зависит от характеристик газожидкостного потока: формы и размеров газовых включений, гидродинамического режима, газосодержания и поверхности контакта фаз. Метод характеризуется высокой точностью и безопасностью, однако ввиду быстрого затухания ультразвуковых колебаний при отражении от межфазной поверхности может применяться при газосодержании не более 20 %.

Несмотря на стремительное развитие оптической техники и томографии, наиболее значительную роль при исследовании процессов, протекающих в системе газ–жидкость, играют все же инвазивные методы измерения по следующим причинам:

1. В условиях опыта, приближенного к промышленным условиям: непрозрачные стенки аппарата, высокое газосодержание, наличие большого количества мелких пузырьков в газожидкостном потоке и непрозрачность жидкости, – неинвазивные методы становятся неэффективными либо совсем непригодными.

2.При высокой турбулентности и нестационарности потока усложняется обработка истатистический анализ получаемых изображений.

3.Сложность применения и высокая стоимость многих методов. Инвазивные методы были разработаны значительно раньше не-

инвазивных – в 1960–70-х годах, но благодаря постоянному совершенствованию сохраняют свою актуальность по настоящее время.

К наиболее ранним из них относятся методы, в которых применяются датчики в виде очень тонких и острых игл. Одновременно могут использоваться одна или две иглы. Известны два принципа измерения: оптический и электрорезистивный. Оптические датчики изготавливаются из кварца или сапфира и, за исключением конца длиной порядка 1 см, покрыты защитным слоем. Диаметр иглы составляет от 50 до 200 мкм. По чувствительному электроду направляется луч инфракрасного света, который в случае нахождения датчиков в жидкости

246

проходит, а при нахождении одного из датчиков в газе отражается обратно. Оптико-электронное устройство, принимающее отраженный свет, преобразует его в аналоговый выходной сигнал, пропорциональный интенсивности луча.

Электрорезистивные датчики изготавливают из металлической проволоки, устойчивой к окислению (нержавеющая сталь, никель, золото, платина), диаметром от 2,5 до 12 мкм. Такой датчик ведет себя как электрод. В этом случае измеряется напряжение между иглой и заземленным опорным электродом и на выходе получается аналоговый электрический сигнал. Использование данного метода позволяет с высокой точностью измерять частоту следования пузырьков газа, газосодержание, удельную поверхность контакта фаз и локальную скорость движения газа. Применение метода ограничено лишь для неэлектропроводных жидкостей: в случае с оптической техникой – из-за слишком малой разницы в коэффициентах преломления газа и органических жидкостей, а для электрорезистивного метода – ввиду диэлектрических свойств последних.

Другим инвазивным методом измерения является тепловая проба. Метод основан на измерении тока, протекающего через датчик, помещенный в газожидкостный поток. Из-за разных условий теплообмена его сопротивление, а следовательно, и протекающий через него ток, изменяется в зависимости от фазы, где находится электрод. Чувствительный элемент изготавливается в виде пластины из платины или никеля толщиной 25–100 мкм, защищенной слоем кварца. С помощью такого метода имеется возможность измерения осредненного по времени локального газосодержания, а также скорости жидкости. Ограничения метода связаны с малой механической прочностью датчиков и необходимостью поддержания постоянной температуры жидкости [14].

Достаточно широко распространены ультразвуковые датчики, с помощью которых реализуются две разновидности данного метода, основанные на поглощении и отражении ультразвуковых волн. Метод поглощения ультразвуковых колебаний позволяет получить значение газосодержания или осредненную по времени величину удельной поверхности контакта фаз. Анализ частоты и амплитуды отраженных ультразвуковых волн дает возможность получить данные о размерах пузырьков и скорости их всплывания. Чувствительный зонд представляет собой керамический диск толщиной около 1 мм, помещенный в металлическую трубку. За счет пьезоэлектрического эффекта датчик

247

преобразует механические колебания в электрический сигнал. Такой датчик может работать при высоких давлениях – до 20 МПа, в вязких непрозрачных средах – при температуре до 140 °С, однако метод теряет свою эффективность при газосодержании свыше 20 %.

В некоторых работах встречается использование гидроакустического метода [15, 16]. В этом случае при помощи гидрофона производится регистрация звуковых колебаний, генерируемых всплывающими осциллирующими пузырьками газа. После фильтрации и статистической обработки сигнала можно получить распределение пузырьков газа по размерам и среднее газосодержание. Однако метод характеризуется высокой чувствительностью к внешним помехам и недостаточно высокой разрешающей способностью.

Для исследования локальных характеристик газосодержания и межфазной поверхности на модели окислительной колонны производства битума нами был использован электроконтактный метод, являющийся разновидностью электрорезистивного.

Суть метода заключается в следующем. При стационарном течении двухфазного потока появление и изменение величины газосодержания и поверхности контакта фаз (ПКФ) в элементарном объеме можно считать стационарным случайным процессом, подчиняющимся законам теории вероятностей. Таким образом, в качестве оценки вероятности появления ПКФ можно принять осредненное во времени значение функции Р*, наблюдавшееся в интервале времени [t1;t2] [17]:

причем Р→М [p*] при t2 – t1→ ∞, если дисперсия математического ожидания D{M[p*]}→0.

С учетом вероятности появления ПКФ в элементарном объеме выражение для а принимает вид

а = М[a*]p,

где М[a*] – математическое ожидание величины удельной ПКФ в элементарном объеме за время осреднения t2 – t1→ ∞.

Используя теорему о среднем значении функции [18], приходим к известному интегралу:

248

Однако при проведении измерений время наблюдения конечно и, если величина t2 – t1 при определении а относительно велика, то можно воспользоваться оценкой интегральной функции на конечном интервале [19]:

Выражение (1) с учетом (2) может быть применено в процессе экспериментального определения величины а с использованием электроконтактного метода.

Газосодержание двухфазного потока, так же как и величина межфазной поверхности, является вероятностной характеристикой и может быть вычислено как

где Στi – суммарное время нахождения электрода в газовой фазе; t2 – t1 – интервал измерения.

Данная методика была реализована с помощью прибора, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.

Измерение локальных гидродинамических характеристик осуществляется следующим образом. В выбранную точку газожидкостного потока вводится зонд с датчиком, включающим в себя два точечных электрода в виде двух жестких никелевых проволочек диаметром 0,09– 0,15 мм, электрически изолированных и оголенных только на торцах, и опорный неизолированный электрод. При подаче напряжения на точечные электроды датчика между ними и опорным электродом протекает ток, если электроды находятся в жидкости, и ток прерывается, если один из электродов попадает в газ.

Движение двухфазного газожидкостного потока через датчик вызывает появление электрических импульсов, длительность которых при определенной обработке равна времени нахождения точечных электродов в газовой фазе. Компараторы напряжения (К1; К2) преобразуют сигналы постоянного тока, идущие с точечных электродов, в прямоугольные импульсы путем их дискриминации, причем длительность импульсов соответствует времени пребывания точечного электрода в газовой фазе. При этом передний фронт прямоугольного импульса по времени соответствует моменту входа точечного электрода в газовую фазу, а задний – моменту выхода.

249