ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2013
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 53.06,530.182,534.01,544.773.3
© 2013 г. Ганиев Р.Ф., Касилов В.П., Кислогубова О.Н., Пустовгар А.П.,
Курменев Д.В.
ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ЭМУЛЬСИЙ КОНТРОЛИРУЕМОГО УРОВНЯ ДИСПЕРСНОСТИ ВОЛНОВЫМИ МЕТОДАМИ
Представлены новые результаты экспериментальных работ, проводимых в НЦ НВМТ РАН, по исследованию волновых процессов в дисперсных средах, имеющих целью применение волновых эффектов для обработки и получения микрогетерогенных эмульсий. На примере получения косметического крема показана возможность управления размерами капель дисперсной фазы за счет изменения режима волновой обработки. Приведена оценка энергоэффективности волнового метода при обработке и получении микрогетерогенных эмульсий.
Искусственные эмульсии находят широкое применение в различных отраслях промышленности (например, химическая, нефтехимическая, пищевая, косметическая, фармацевтическая и др.). В последнее время, в связи с развитием технологий, повышается интерес к промышленным способам получения все более тонкодисперсных эмульсий.
Чаще всего эмульсии получают механическим диспергированием дисперсной фазы в дисперсионной среде в присутствии соответствующего эмульгатора при помощи мешалок с рабочими органами различных типов, затем полученные грубодисперсные эмульсии подвергают дополнительной гомогенизации в специальных гомогенизаторах разнообразных конструкций (роторно-пульсационные аппараты, статические смесители, коллоидные мельницы и др.). Однако возможности традиционных методов получения микрогетерогенных эмульсий на сегодняшний день в значительной степени исчерпаны.
В последнее время для эмульгирования все чаще применяют ультразвук, использование которого налагает ряд ограничений. Известно, что короткая ультразвуковая волна быстро поглощается в жидкофазных средах, поэтому зачастую, этот способ применяют для разовой обработки малых технологических объемов. Увеличение объема требует повышения мощности источника ультразвука, значительно возрастает энергоемкость процесса ультразвуковой обработки, что становится экономически невыгодно при производстве продукции относительно малой стоимости.
Новые возможности экономичного получения высокодисперсных эмульсий представляет применение волновой технологии. Полученные новые экспериментальные данные показывают, что применение такой технологии позволяет не только получать
микрогетерогенные эмульсии, но и дает возможность в определенных пределах управлять дисперсностью системы.
Процесс эмульгирования состоит из собственно диспергирования, т.е. образования капелек дисперсной фазы в дисперсионной среде, и их стабилизации в результате адсорбции на поверхности эмульгатора. По современным представлениям процесс гомогенизации чаще всего связан с вытягиванием капель дисперсной фазы в нитевидные структуры, которые весьма неустойчивы и распадаются на ряд капелек [1].
Научные основы нелинейной волновой механики и технологий изложены в [2—5]. В работе [3] приведен ряд практических приложений и результатов. Настоящая статья является их продолжением в части получения эмульсий волновыми методами.
В работах [2—5] представлены теоретические и экспериментальные исследования течений Рис. 1 многофазных жидкостей при различных видах
волновых воздействий, приведены примеры технологических применений волновых технологий, а также выработаны основные принципы, которым должны удовлетворять рабочие органы волновых машин для перемешивания высоковязких и псевдопластичных жидкостей: волновое воздействие на поток высоковязкой жидкости существенно способствует интенсификации процессов смешения и улучшению качества продуктов; увеличение деформаций, в частности сдвиговых, элементов жидкости во всем поле течения приводит к улучшению процессов смешения высоковязких сред; для течения псевдопластической жидкости создание нестационарностей одной компоненты скорости или соответствующих граничных условий способствует переходу "одномерных" течений в "двух-" и "трехмерные", а "двумерных" — в "трехмерные" течения.
С учетом названных принципов и результатов дополнительных исследований разработан новый вариант волновой технологии по обработке высоковязких сред. В его основе лежит применение значительных знакопеременных сдвиговых напряжений, формируемых путем создания поперечных волн сдвиговых деформаций в несжимаемой вязкой среде [3]. Колебания соседствующих слоев жидкости в этом случае имеют смещение по фазе, что обусловливает создание знакопеременных сдвиговых напряжений в самой жидкости, на поверхности и во внутренних объемах оказавшихся в ней включений. Быстроизменяющиеся во времени напряжения, действующие на поверхность этих включений со стороны вязкой жидкости, в каждый момент времени различны в различных точках поверхности этого включения по величине и направлению. Это приводит к интенсивной разнонаправленной периодической и непериодической деформации (растяжение, вытягивание, вращение, колебания) капель дисперсной фазы. В результате многократно увеличивается площадь контакта поверхностей фаз и их взаимопроникновение, что, в конечном итоге, приводит к существенной интенсификации процесса диспергирования.
Экспериментальная часть. Для проведения технологических экспериментов по волновой обработке высоковязких сред разработана и изготовлена установка ВСМ-1, внешний вид которой приведен на рис. 1.
Установка позволяет получать различные эмульсии и суспензии в порционном и в проточном режиме. Цель работы состояла в изучении возможности управления дис-
Таблица 1
Компонент Процентное содержание по массе
Вода очищенная 83
Эмульгейд 8Е* 7
Дикаприловый (ди-н-октиловый) эфир 4
Масло Ши 4
Масло парфюмерное (вазелиновое) 2
Примечание: * смесь частично замещенных глицеридов, жирных спиртов, восковых эфиров и оксиэти-лированных спиртов.
Таблица 2
Номер эксперимента Частота волнового воздействия, Гц Частота вращения лопастной мешалки, об/мин Температура эмульсии через 20 мин обработки, град
1 17,85 164 48
2 48,70 238 48
3 69,20 230 48
персностью эмульсий за счет применения различных режимов волнового воздействия.
В качестве исследуемой дисперсной системы выбран базовый состав косметического крема. Для удобства исследований в качестве рабочей композиции был взят косметический крем, не содержащий таких компонентов, как активные добавки, консерванты, красители, отдушки и др. составляющие, вводимые обычно в очень незначительных количествах и не оказывающие влияния на дисперсность. Состав и процентное содержание компонентов обрабатываемой среды представлен в табл. 1.
Количество косметического крема, получаемого на установке при проведении каждого эксперимента, было одинаковым и составляло 1,5 кг.
Порядок получения эмульсий был следующим. Сначала в рабочую емкость наливали воду, подогретую до 80°, затем при перемешивании лопастной мешалкой вводили расплавленные компоненты жировой фазы (80°). Затем проводили волновую обработку в течение 20 мин. Нагрев эмульсии во время обработки не осуществляли, поэтому в процессе эксперимента происходило постепенное понижение температуры. Образцы эмульсии отбирали через 10 и 20 минут, затем проверяли на стабильность в центрифуге типа ЦЛН2 при 6000 об/мин в течение 5 мин.
Волновую обработку крема проводили при трех различных режимах, отличающихся, главным образом, частотой формируемых в обрабатываемой среде сдвиговых волн. В табл. 2 сведены параметры проведенных экспериментов.
Амплитуда волнового воздействия на границе формирования волны поддерживалась на уровне 5^8 ■ 10-3 м. Помимо волнового воздействия в установке обеспечивается циркуляционное течение за счет дополнительного воздействия лопастной мешалки. Частота вращения составляла 160—240 об/мин.
Исследование образцов и оценка результатов. Полученные образцы в эксперименте № 1, № 2 и № 3 после центрифугирования показали свою стабильность, расслоения в структуре не наблюдалось. На рис. 2 изображены микрофотографии образцов про-мышленно выпускаемого крема и образцов крема, полученных в ходе проведения экспериментов.
3 ПМ и НМ, № 2
65
Рис. 2. Микрофотографии косметической эмульсии (масштаб увеличения одинаковый): а — образец про-мышленно выпускаемого косметического крема; б — образец эксперимента № 1; в — образец эксперимента № 2; г — образец эксперимента № 3
Микрофотографии образцов получены при помощи микроскопа Zeiss Axio Scope, а измерение размеров капель жировой фазы произведено с помощью программного обеспечения Axio Vision. Масштаб увеличения образцов каждого из экспериментов одинаковый. Размеры капель дисперсной фазы промышленно выпускаемого крема (рис. 2, а) находятся в интервале 3^12 микрометров. Эмульсии, полученные в ходе экспериментов на установке ВСМ-1, имеют значительно более высокий уровень дисперсности: размеры капель жировой фазы составили порядка 1,7—2,5 микрометров (рис. 2, б), 0,9^1,5 микрометров (рис. 2, в) и 0,7^1,3 микрометров (рис. 2, г) для экспериментов № 1, № 2 и № 3 соответственно.
Экспериментальные образцы крема также подвергли дисперсионному анализу при помощи лазерного анализатора размеров частиц Microtrac S3500.
Полученные диаграммы дисперсионного состава представлены на рис. 3, где £, 9 — интегральные и частные значения соответственно, % и А — характерный размер капель дисперсной фазы; мкм. В первом эксперименте эмульсия имеет один ярко выраженный пик при размерности капель 3,18 мкм, а диаграмма имеет вид нормального распределения (рис. 3, а). Во втором случае (рис. 3, б) имеем два пика с размерами капель 0,69^0,82 и 1,64^1,94 микрометров. В третьем эксперименте уровень дисперсности еще выше, наблюдается один пик при 0,69 мкм и более равномерное распределение капель по размерам (рис. 3, в).
Проведенные измерения показали, что при диспергировании соответствующего по составу косметического крема мощность волнового воздействия, потребляемая средой в процессе обработки, не превышает 30 Ватт. Мощность, расходуемая приводом лопастной мешалки на циркуляционное движение среды, составила порядка 10 Ватт. В итоге, удельные энерг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.