Способ гашения пены в электрическом поле

 

Изобретение относится к технологиям гашения пен, конкретно к электрофизическим способам гашения пен. Способ заключается в создании над поверхностью пены объемного электрического разряда с плотностью тока (0,5-50)·10^-3 А/м². Разряд создают путем размещения над этой поверхностью многоострийной электродной системы, эмиттирующей электроны. Изобретение решает задачу повышения энергетической эффективности гашения пены с использованием электродов. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к технологиям гашения пен, конкретно к электрофизическим способам разрушения пен.

Известны способы химического гашения пен [Патент РФ, а.с. N 1832041, B 01 D 19/04; заявка N 92004777/26, B 01 D 19/04] путем добавления в пенящуюся среду того или иного химического состава.

Известны также способы механического гашения пен [РФ. патент N 2054475, 6 C 12 M 1/21, патент N 2053289, 6 C12 M, N 2056127, 6 B 01 D 19/02], отличающиеся вводом в пенный объем различного рода механических движений: вращений, вибраций и т.п.

Недостаток первых заключается в том, что введение химических пеногасителей в принципе изменяет химический состав среды, что не всегда допустимо. Недостаток вторых состоит в неудобствах, связанных с необходимостью ввода движений в герметичный объем, вибрациях, шуме, плохой энергетической эффективностью.

Наконец, известны способы электрофизического воздействия на пены: терморадиационный [Ветошкин А.Г., Кутепов А.М. и др. - Изв. вузов. Хим. и хим. технологии, 1977, т. 20, N 3, с. 445-448], пучком ускоренных электронов [В. К. Тихомиров. Пены. Теория и практика их разрушения. - Химия, 1983, стр. 239] , с помощью электрического тока напряжением 300 В [Пат. ПНР, N 155273, 1975 г.]. Достоинством физических методов воздействия на пены является глубокая управляемость процессом гашения и стабилизации пен. Недостаток способа гашения пучком электронов заключается в необходимости получения ускоренных электронов в вакуумной камере и последующего ввода этих ускоренных электронов в объем с пеной. При этом значительная часть энергии электронов теряется на устройстве ввода. По совокупности существенных признаков данный способ выбран нами в качестве прототипа.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности способа гашения с использованием электронов.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе гашения пены путем ее разрушения, заключающемся в воздействии электрических факторов на пену, указанное разрушение создают путем генерации над поверхностью пены объемного электрического разряда с плотностью тока (0,5 - 5)·10³ A/м². Объемный электрический разряд получают за счет размещения над поверхностью пены многоострийной электродной системы, эмиттирующей электроны.

Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек-пузырьков газа (пара), разделенных пленкой жидкости. Пены с жидкой дисперсионной фазой представляют большой интерес для практики. Структура пен определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз. В высокократных пенах объем газовой фазы превышает объем жидкости в десятки-сотни раз. В этом случае пленки жидкости имеют небольшую толщину, а ячейки представляют собой многогранники. Стабильность пен определяется их способностью сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости. В качестве меры стабильности часто используют время существования элемента пены или определенного его объема.

На разрушение пены влияют температура, давление, влажность, наличие пыли и т. д. Механизм разрушения пен включает в себя следующие основные моменты: истечение жидкости, диффузия газа и разрыв пленки.

Требования к способам гашения пен в основном следующие: способ должен обладать высокой эффективностью, т.е. быстро гасить пену; не должен изменять свойства полупродукта, не должен оказывать токсического действия в отношении пищевых продуктов и лекарств, быть устойчивым к повышенным температурам обработки полупродукта, быть экономически эффективным и легко управляемым.

Ведущим механизмом разрушения пены в предлагаемом способе является истончение и разрыв жидкой пленки под действием объемного разряда, создаваемого между поверхностью пены и электродной системой. В обычных условиях воздух над пеной содержит кроме N₂, O₂, CO₂ молекулы жидкой фазы разрушаемой пены. Особая роль О₂ этом случае состоит в том, что он является энергичным посредником при транспортировке захваченных в электродной системе электронов к поверхности пены. Этому способствуют высокая электроотрицательность O₂ и достаточно большая доля его в воздухе. В результате захвата электронов молекулами O₂ образуются отрицательные ионы кислорода O^-₂ в концентрации до 10¹⁰ - 10¹¹см^-3. Эти ионы движутся в электрическом поле электродной системы в направлении к поверхности пены. Средняя дрейфовая скорость ионов O^-₂ невелика (~ 2 - 5 м/с) из-за интенсивной передачи энергии нейтральным молекулам, которые также начинают двигаться в том же направлении (спутный поток нейтралов, иногда называемый электрическим ветром).

В силу малости скоростей движения O^-₂ возможно накачивание приповерхностного объема зарядом с плотностью до 10^-10 - 10^-8 Кл/см³ или 10^-4 - 10^-2 Кл/см³.

Электроны, необходимые для насыщения объемным зарядом надпенового пространства, в данном предложении получаются в результате автоэмиссии с многоострийного катода электродной системы. При критическом напряжении U_n ≥ 10-15 кB, радиусе острия r_о ~10^-7, расстоянии среднем до парообразующей поверхности d = 0,015 - 0,03 м, имеем напряженность электрического поля на острие, оцениваемую как E_о ~ U_n/r_о ~ (1 - 1,5)10¹¹ B/м, что вполне достаточно для автоэмиссии даже с учетом экранировки генерируемым объемным зарядом и соседними остриями электродной системы. Средняя напряженность поля у поверхности пены Для максимальной работоспособности способа без существенного образования озона (O₃), вредного для ряда органических веществ, необходимо осуществить объемный разряд с плотностью тока меньшей, чем в коронном разряде, т.е. с плотностью тока, характерного для т.н. тихого или темного разряда. При этом практически полностью отсутствует свечение газа (воздуха) и образование O₃. В то же время электродная система с плотностью тока у поверхности пены (0,5 - 50)· 10^-3 A/м² обеспечивает достаточно высокую концентрацию O^-₂. Способ гашения пен осуществляется следующим образом. У поверхности пены (ПП) имеется паровая оболочка, плотность которой максимальна на этой поверхности. При обтекании воздухом, не содержащим объемного заряда (ОЗ), ПП профиль скоростей потока формируется только вязкостным трением. Непосредственно у ПП скорость потока близка к нулю. Обнуляется скорость вблизи ПП и в нашем случае, однако из того, что часть объемного заряда связывается комплексами молекула пара ←_→ O^-₂ и образует слой частично заряженного пара непосредственно у ПП, в пограничном слое пара появляются дополнительные объемные силы f_э~E_поп·ρ, где E_поп - поперечный компонент электрического поля ОЗ, направленный по скользящей к ПП, ρ - плотность ОЗ. Эти силы вызывают интенсивное скольжение пограничного слоя пара вдоль ПП, приводящее к уменьшению парциального давления этого пара, к ускорению испаряемости жидкой фазы пены, т.е. истончению жидких пленок, их разрыву и последовательному разрушению ячеек пены.

Способ разрушения пены по данному механизму проверен на водных растворах дидецилсульфата натрия, шампуня "Янтарь", неонола АФ9-12. Ускорение гашения пен на основе этих пенообразователей происходит соответственно в 4,5; 12 и 10 раз по отношению к их естественному гашению. Эти отношения получены при плотности тока объемного разряда 5·10^-2 A/м². При большей плотности тока процесс разрушения пены интенсифицируется, но возрастает вероятность перехода разряда в коронный. Нижний предел плотности тока 5 · 10^-3 A/м² соответствует порогу существования эффекта гашения пены по данному механизму. Верхний предел плотности соответствует удельной потребляемой мощности 20-40 Вт на квадратный метр поверхности пены, что соответствует примерно (5 - 7)·10^-3кВт·ч/м³ для пенообразователя "Янтарь". Указанная величина удельного энергопотребления оказалась лучше в 1,5 - 2 раза чем для пеногашения под действием ультразвукового устройства и механического [В.К. Тихомиров. Пены. Теория и практика их разрушения. - Химия, 1983, стр. 237-241] при полной управляемости и практически полном отсутствии озона.

Формула изобретения

1. Способ гашения пены путем ее разрушения, отличающийся тем, что над поверхностью пены создают объемный электрический разряд с плотностью тока (0,05-50) 10^-3А/м^U.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемный электрический заряд над поверхностью пены создают путем размещения над этой поверхностью многоострийной электродной системы, эмиттирующей электроны.