RU2132216C1

RU2132216C1 - Gear killing foam in electric field

Info

Publication number: RU2132216C1
Application number: RU97114019A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Шкатов; В.А. Кувшинов
Original assignee: Институт химии нефти СО РАН; Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: foam breaking technology, specifically, electrophysical breaking of foam. SUBSTANCE: gear has tank with foam forming fluid, suppressor and power supply source. Suppressor has positive electrode composed of system of rods submerged in fluid, negative electrode composed of system of pointed members made from semiconductor material. Rods of positive electrode form structure with hexagonal cell. Members of negative electrode are placed in center of cells of positive electrodes. Side of cells and length of pointed member has size a, distance from foam surface to upper ends of rods is b and distance c to lower ends of pointed members lies in relation: b=2.73a; c= 1.73a. Power supply source should have voltage not less than 10-15 kV and intensity of field near foam surface should be 10⁶ V/m. EFFECT: improved purity of action and controllability with enhanced reliability of gear. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям гашения пен, в частности к технологиям электрофизического разрушения пен. The invention relates to a technology for extinguishing foams, in particular to technologies for the electrophysical destruction of foams.

Известны устройства для механического гашения пен [РФ, патенты N 2053289 C 12 M 1/00; N 1811894, B 01 D 19/02], в том числе с помощью струй газа [РФ, патент N 2004303, B 01 D 19/04]. Такие устройства достаточно эффективны и часто применяются. Их недостатком является низкая эффективность при работе с большим количеством вязкой пены с прочными стенками пузырьков, сложности при работе с герметичным оборудованием, большая расходуемая мощность. Known devices for the mechanical extinguishing of foams [RF, patents N 2053289 C 12 M 1/00; N 1811894, B 01 D 19/02], including using gas jets [RF, patent N 2004303, B 01 D 19/04]. Such devices are quite effective and often used. Their disadvantage is low efficiency when working with a large amount of viscous foam with strong walls of the bubbles, difficulties when working with sealed equipment, high power consumption.

Известны устройства для акустического разрушения пен [Boucher R., Weiner A. -Brit. Chem. Eng. ,1963, v.8, N12, p.808-812]. Разрушение в этом случае происходит в результате вибрации пузырьков пены и их разрыва. Эффективно низкочастотное гашение, однако недостатком устройств такого рода является большой уровень акустических помех. Known devices for acoustic destruction of foams [Boucher R., Weiner A. -Brit. Chem. Eng. , 1963, v. 8, N12, p.808-812]. Destruction in this case occurs as a result of vibration of the foam bubbles and their rupture. Low-frequency attenuation is effective, but the disadvantage of this kind of device is the high level of acoustic noise.

Наконец, известно устройство для разрушения пены посредством вводимого в объем с пеной пучка электронов [а.с. N 1500341, B 01 D 19/02, БИ N 30, 1989] . Недостатком его являются большие потери энергии электронов при переходе в объем пены и невысокая надежность устройств. Однако по совокупности существенных признаков это устройство выбрано нами в качестве прототипа. Finally, a device is known for destroying foam by means of an electron beam introduced into the volume with foam [a.s. N 1500341, B 01 D 19/02, BI N 30, 1989]. Its disadvantage is the large loss of electron energy during the transition to the volume of the foam and the low reliability of the devices. However, in terms of the combination of essential features, this device was chosen by us as a prototype.

Задачей данного изобретения является использование достоинств прототипа, в частности, идеальной чистоты воздействия, управляемости при устранении главных недостатков, перечисленных выше. The objective of the invention is to use the advantages of the prototype, in particular, the ideal purity of impact, controllability while eliminating the main disadvantages listed above.

Указанная задача решается нами путем использования источника электронов, встроенного в объем, частично заполненный пенообразующей жидкостью. Это достигается тем, что в устройстве для гашения, содержащем бак с пенообразующей жидкостью, гаситель и источник электропитания, гаситель выполнен двухэлектродным, в т. ч. один из электродов, положительный, состоит из системы стержней, частично погруженных в жидкость, и образующих в горизонтальном сечении 6-ти угольную ячейку со стороной a. Второй электрод, отрицательный, состоит из системы острийных элементов, размещенных в центре ячеек положительного электрода, параллельно его стержням. Острийные элементы длиной a выполнены из полупроводящего материала, верхние концы их находятся на одном уровне с верхними концами стержней и на расстоянии 2,73a от поверхности пенящейся жидкости, при этом их нижние концы отстоят от этой жидкости на 1,73a. Данная система электродов питается от высоковольтного источника питания напряжением не менее 10-15 кВ. При этом средняя напряженность поля у поверхности лены выбирается в диапазоне (0,4-1)•10⁶ В/м.This problem is solved by us by using an electron source built into a volume partially filled with a foaming liquid. This is achieved by the fact that in the extinguishing device containing a tank with a foaming liquid, the absorber and the power supply, the absorber is made of two electrodes, including one of the electrodes, positive, consists of a system of rods partially immersed in the liquid and forming horizontally cross section of a 6 coal cell with side a. The second electrode, negative, consists of a system of tip elements placed in the center of the cells of the positive electrode, parallel to its rods. The tip elements of length a are made of semiconducting material, their upper ends are at the same level with the upper ends of the rods and at a distance of 2.73a from the surface of the foaming liquid, while their lower ends are 1.73a away from this liquid. This electrode system is powered by a high voltage power source with a voltage of at least 10-15 kV. In this case, the average field strength at the flax surface is selected in the range (0.4-1) • 10 ⁶ V / m.

Пена представляет собой ячеистую структуру, основной объем которой заполнен воздухом, а роль стенок выполняют пленки пенообразующей жидкости. У высокократных пен толщина пленок жидкости очень мала, и ячейки представляют собой правильные многоугольники. Стабильность пен определяется их способностью сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости из пленок. Стабильность пен характеризуется временем существования определенного объема пены. Foam is a cellular structure, the bulk of which is filled with air, and the role of the walls is played by foaming liquid films. For high-density foams, the thickness of the liquid films is very small, and the cells are regular polygons. The stability of foams is determined by their ability to maintain the total volume, dispersed composition and prevent the outflow of liquid from the films. The stability of foams is characterized by the lifetime of a certain volume of foam.

Разрушение пен зависит от температуры, давления, влажности и т.п. Механизм разрушения, как правило, определяют тремя моментами: истечением жидкости из стенок, диффузией газа и разрывом пленок. The destruction of foams depends on temperature, pressure, humidity, etc. The destruction mechanism, as a rule, is determined by three points: the outflow of liquid from the walls, gas diffusion and rupture of the films.

Из требований к устройствам для гашения пен наиболее существенными являются: высокая эффективность, неизменяемость свойств пенящегося продукта, в том числе нетоксичность воздействия, экономическая эффективность и управляемость. Of the requirements for devices for extinguishing foams, the most significant are: high efficiency, the immutability of the properties of the foaming product, including non-toxic effects, economic efficiency and controllability.

В предлагаемом изобретении разрушение пены является следствием воздействия объемного разряда, генерируемого между поверхностью пены и электродной системой. Указанное разрушение происходит в результате повышенной испаряемости пенообразующей жидкости в условиях объемного разряда с низкой плотностью тока, истончения пленок жидкости и их последующего разрыва. Повышенная испаряемость жидкости обусловлена дополнительными движениями пограничного слоя у поверхности пены из-за наличия объемных сил электрического происхождения. Эти силы являются результатом того, что приповерхностный слой пара в условиях тихого объемного разряда насыщается объемным зарядом с плотностью до 10¹⁰-10¹¹ см^-3. При наличии электрического поля электродной системы E≈(0,4-1)•10⁶ см³ с учетом внутреннего поля объемного заряда ≈0,1-0,3E указанные заряды вызывают движение пограничного слоя пара с дрейфовой скоростью до 2-5 м/с. Переносу заряда от электродной системы к слою пара, т. е. току объемного разряда, способствует наличие кислорода воздуха в молекулярном состоянии с образованием определенного количества отрицательных ионов O^- ₂.In the present invention, the destruction of the foam is a consequence of the effect of the volume discharge generated between the surface of the foam and the electrode system. The specified destruction occurs as a result of increased volatility of the foaming liquid in a volume discharge with a low current density, thinning of the liquid films and their subsequent rupture. The increased evaporation of the liquid is due to additional movements of the boundary layer at the surface of the foam due to the presence of bulk forces of electrical origin. These forces are the result of the fact that the surface layer of a vapor under conditions of a quiet volume discharge is saturated with a space charge with a density of up to 10 ¹⁰ -10 ¹¹ cm ^-3 . In the presence of an electric field of the electrode system E≈ (0.4-1) • 10 ⁶ cm ³ , taking into account the internal field of the space charge ≈0.1-0.3E, these charges cause the boundary layer of vapor to move with a drift velocity of up to 2-5 m / with. The charge transfer from the electrode system to the vapor layer, i.e., the volume discharge current, is facilitated by the presence of atmospheric oxygen in the molecular state with the formation of a certain amount of negative O ^- ₂ ions.

Электродная система, конструкция которой и является сущностью данного изобретения, предназначена для генерации объемного разряда с малой плотностью тока. Она содержит отрицательный многоострийный электрод с малым радиусом острий, выполненный из полупроводящего материала. Острия этого электрода эмиттируют электроны по принципу автоэмиссии уже при напряжении 10-15 кВ. При радиусе острия ≈10^-7 м имеем поле на острие ≈(1-1,5)•10¹¹ В/м, для расстояния до поверхности пены ≈0,015-0,03 м получаем среднюю напряженность поля у поверхности пены (5-10)•10⁵ В/м. Указанные значения полей вполне достаточны для генерации разряда с плотностью тока (0,5-50)•10^-3 А/м². В данном случае генерируется не коронный, а т.н. тихий или темный разряд, в котором практически отсутствует свечение газа, образование озона O₃ и негативные последствия этого.The electrode system, the design of which is the essence of this invention, is intended to generate a volume discharge with a low current density. It contains a negative multi-tip electrode with a small radius of the tips, made of a semiconducting material. The tips of this electrode emit electrons on the principle of field emission already at a voltage of 10-15 kV. With a tip radius of ≈10 ^-7 m, we have a tip field ≈ (1-1.5) • 10 ¹¹ V / m, for a distance to the foam surface of ≈0.015-0.03 m, we obtain the average field strength at the foam surface (5-10 ) • 10 ⁵ V / m. The indicated field values are quite sufficient for generating a discharge with a current density of (0.5-50) • 10 ^-3 A / m ² . In this case, the so-called a quiet or dark discharge, in which there is practically no luminescence of gas, the formation of ozone O ₃ and the negative consequences of this.

Устройство работает следующим образом. На фиг. 1а, 1б изображена схема расположения электродной системы в баке 1 с пенящейся жидкостью 2. Здесь 3 - элементы положительного электрода, частично погруженного в жидкость, 4 - элементы острийного катода, размещенные среди элементов положительного электрода и образующие регулярную структуру. Элементы крепления указанных электродов и способ токоподвода к ним на схеме не показаны, т.к. они не являются существенными. В результате работы электрических сил объемного разряда в паровом слое над поверхностью пены (жидкости) образуется система вихревых движений воздуха и пара 5, привязанная к структуре электродов. Благодаря этому и происходит интенсивное испарение пенообразующей жидкости из верхнего слоя пены и разрушение по механизму истончения пленок. Предполагается, что в данной схеме скорость пеногашения превышает скорость генерации пены, поэтому пены как бы нет. Для этого случая показаны вышеприведенные соотношения размеров: b = 2,7За, c = 1,73a. Если уровень пены не должен совпадать с уровнем жидкости, то систему электродов необходимо приподнять до выхода концов положительного электрода из жидкости. Тогда уровень стабилизации пены установится у нижних концов положительного электрода. The device operates as follows. In FIG. 1a, 1b shows the arrangement of the electrode system in the tank 1 with foaming liquid 2. Here 3 are the elements of the positive electrode partially immersed in the liquid, 4 are the elements of the tip cathode placed among the elements of the positive electrode and forming a regular structure. The fastening elements of these electrodes and the method of current supply to them are not shown in the diagram, because they are not significant. As a result of the work of the electric forces of the volume discharge in the vapor layer above the surface of the foam (liquid), a system of vortex movements of air and steam 5 is formed, which is attached to the structure of the electrodes. Due to this, intense evaporation of the foaming liquid from the upper layer of the foam and destruction by the thinning of the films occurs. It is assumed that in this scheme the rate of defoaming exceeds the rate of foam generation, so there is no foam, as it were. For this case, the above size ratios are shown: b = 2.7Za, c = 1.73a. If the level of the foam does not have to match the level of the liquid, then the electrode system must be raised until the ends of the positive electrode out of the liquid. Then the foam stabilization level will be established at the lower ends of the positive electrode.

Устройство разрушения пен по данному механизму с использованием объемного тихого разряда и предлагаемой конфигурации проверено на водных растворах дидецилсульфата натрия, шампуня "Янтарь", неонола АФ9-12 и показало эффективность достаточно большую даже по сравнению с весьма эффективным механическим гашением. Для верхнего предела плотности тока 50•10^-3 А/м² потребляемая мощность в пересчете на 1 м² поверхности пены составляла 20-30 Вт с пенообразователем "Янтарь". Это соответствует (5-7)10^-3 кВт•г/м³ пены, что в 1,5-2 раза лучше, чем эффективность пеногашения под действием ультразвукового устройства [В. К. Тихомиров. Пены. Теория и практика их разрушения. М. : Химия, 1983, стр. 237 -241] и механического при полной управляемости, отсутствии движущихся частей, помех и озона. Дальнейшее увеличение плотности тока увеличивает вероятность перехода разряда в коронный режим и не целесообразно. Уменьшение плотности тока ниже 0,5•10^-3 А/м² делает эффект гашения малозаметным.The device for the destruction of foams by this mechanism using a volumetric quiet discharge and the proposed configuration was tested on aqueous solutions of sodium didecyl sulfate, Yantar shampoo, neonol AF9-12 and showed a rather high efficiency even compared to very effective mechanical quenching. For the upper limit of the current density of 50 • 10 ^-3 A / m ^{2, the} power consumption in terms of 1 m ^{2 of} the foam surface was 20-30 W with the Amber foaming agent. This corresponds to (5-7) 10 ^-3 kW • g / m ^{3 of} foam, which is 1.5-2 times better than the efficiency of defoaming under the action of an ultrasonic device [V. K. Tikhomirov. Foam. Theory and practice of their destruction. M.: Chemistry, 1983, p. 237 -241] and mechanical with full controllability, the absence of moving parts, interference and ozone. A further increase in the current density increases the probability of the transition of the discharge into the corona mode and is not advisable. The decrease in current density below 0.5 • 10 ^-3 A / m ² makes the quenching effect subtle.

Claims

Device for electric foam extinguishing, containing a tank with a foaming liquid, a damper with an electrode in the form of a system of tip elements and a power source, characterized in that the damper is equipped with a positive electrode in the form of a system of rods immersed in a liquid and installed with the formation of hexagonal cells, the tip elements are made of a semiconductor material, form a negative electrode and are located in the centers of the cells of the positive electrode, the side of the cells a is equal to the length of the tip element, while The ratio from the surface of the foam to the upper ends of the rods b and to the lower ends of the tip elements c is in the ratio b = 2.73 a, c = 1.73 a, the voltage of the power source is at least 10 - 15 kV, the field strength at the surface of the foam (0 , 4 - 1) • 10 ⁶ V / m.