Объяснение принципа действия жидкого пеногасителя: как он контролирует образование пены в промышленных условиях

Основные выводы

Понимание принципа действия жидких пеногасителей может уберечь ваше производство от дорогостоящих повреждений оборудования и производственных потерь, вызванных неконтролируемым образованием пены.

- В жидких пеногасителях используются три компонента, действующие совместно: гидрофобные материалы (такие как диоксид кремния или воски), носители (масла или вода) и минимальное количество эмульгаторов, обеспечивающих быстрое распределение и дестабилизацию пены на границе раздела «воздух-жидкость».

- Существует четыре основных типа пеногасителей, предназначенных для решения различных задач: на масляной основе — для подавления образования пены на поверхности, на водной основе — для выделения увлечённого воздуха, на силиконовой основе — для выполнения двойной функции, а также на основе сополимеров EO/PO — для применения в условиях, зависящих от температуры.

- Контроль образования пены осуществляется с помощью трёх механизмов: дестабилизация ламелл пены за счет вытеснения поверхностно-активных веществ, разрушение пузырьков посредством образования мостиков и отмочивания, а также стимулирование коалесценции пузырьков для быстрого высвобождения захваченного воздуха.

- Правильный выбор пеногасителя позволяет предотвратить выход оборудования из строя: В экстракционном оборудовании пена может уменьшить рабочий объём резервуара на 33% и привести к коррозии вакуумного двигателя, а при металлообработке она ухудшает охлаждение и смазку.

- Дозировка зависит от области применения: Типичные концентрации колеблются в диапазоне от 0,1 до 0,31 TP3T в латексных красках, от 10 до 30 ppm при сепарации нефти и газа и от 10 до 200 ppm при очистке сточных вод, в зависимости от интенсивности пенообразования и условий технологического процесса.

Правильно подобранное жидкое пеногасительное средство, адаптированное к особенностям вашего промышленного процесса, обеспечивает долговечность оборудования, поддерживает эффективность работы и устраняет производственные заторы, вызванные проблемами, связанными с образованием пены.

Накопление пены может привести к выходу оборудования из строя. Пена с высоким содержанием моющих веществ, смешанная с грязью и ворсом, засасывается в двигатели пылесосов, забивает воздуховоды, вызывает коррозию внутренних деталей и снижает мощность всасывания. Жидкий пеногаситель — это химическая добавка, которая уменьшает и предотвращает образование пены в жидкостях, используемых в промышленных процессах. Промышленные процессы сталкиваются с серьезными проблемами из-за пены, которая приводит к появлению дефектов на поверхностных покрытиях и препятствует эффективному наполнению емкостей. Чаще всего эти проблемы возникают в резервуарах для сбора жидкости экстракционных машин и автоматических поломоечных машин, где контроль за пеной приобретает решающее значение. К наиболее распространённым пеногасителям относятся нерастворимые масла, пеногасительные составы на основе силикона, такие как полидиметилсилоксаны, а также некоторые спирты. В этой статье мы рассмотрим, как работают жидкие пеногасители, их различные типы и области применения в промышленных процессах.

Что такое жидкие пеногасители и каковы их основные свойства

Жидкий пеногаситель состоит из трёх отдельных компонентов, которые совместно обеспечивают контроль образования пены. Основным ингредиентом является гидрофобный материал который выступает в качестве активного элемента. К гидрофобным материалам относятся обработанный диоксид кремния, воски (синтетические или натуральные), а также силиконы или их производные. Эти гидрофобные вещества можно использовать как по отдельности, так и в сочетании друг с другом для повышения эффективности.

Второй компонент — это базовое транспортное средство который переносит гидрофобные активные вещества в гидрофильную систему, удерживающую воздух. В качестве носителей используются минеральные масла, растительные масла и силиконовые масла. Поверхностное натяжение носителя обычно ниже, чем у вспенивающейся жидкости. Долгосрочная стабильность носителя в исходной жидкости определяет эффективность контроля вспенивания в продуктах с длительным сроком хранения.

Третий компонент, а именно эмульгатор, обеспечит оптимальное распределение гидрофобного компонента в носителе и облегчит распределение пеногасителя по всей жидкости. В качестве эмульгаторов используются этоксилированные алкилфенолы и эфиры сорбитана. Мы сводим количество эмульгаторов к минимуму, поскольку эти соединения сами по себе могут способствовать образованию пены.

Химический состав и поверхностная активность

Пеногасители действуют эффективнее при снижении поверхностного или межфазного натяжения. Пеногаситель на силиконовой основе содержит поверхностно-активные компоненты, которые снижают поверхностное натяжение жидкости настолько, что пузырьки воздуха в пене разрушаются. Такое снижение поверхностного натяжения позволяет пеногасителю быстрее распространяться по границе раздела фаз пены.

Требования к вязкости для быстрого распределения

Низкая вязкость способствует проникновению и распределению. Жидкий пеногаситель должен обладать высоким коэффициентом распределения, чтобы равномерно распределяться по среде. Без этой характеристики низкой вязкости пеногаситель не сможет достаточно быстро достичь границы раздела «воздух-жидкость», где происходит стабилизация пены.

Нерастворимость в пенообразующей среде

Пеногаситель должен быть нерастворим в пенообразующей среде. Жидкая фаза пеногасителя должна обладать определенной степенью несовместимости или нерастворимости по отношению к среде, в которую он вводится. Благодаря этой несовместимости пеногаситель способен образовывать капли, которые поднимаются на поверхность и хорошо распределяются, разрывая пузырьки, не способствуя при этом дальнейшему образованию пены.

Типы жидких пеногасителей

Разработчики рецептур выбирают из четырёх основных категорий жидких пеногасителей в зависимости от системы-носителя и активных химических компонентов, необходимых для конкретных технологических условий.

Пеногасители на масляной основе с минеральными или растительными маслами в качестве носителей

В составах на масляной основе в качестве носителя используются минеральное масло, растительное масло или белое масло. В состав этих составов входят воск или гидрофобный диоксид кремния для повышения эффективности. Варианты на основе минерального масла обеспечивают превосходное подавление пенообразования в системах на водной основе. Альтернативные составы на основе растительного масла содержат активное вещество 100%, эффективность которого в латексных красках составляет 0,1–0,3% (мас./мас.). Составы на основе растительного масла исключают риск загрязнения силиконом, которое приводит к образованию кратеров, «рыбьих глаз» и нарушению межслойной адгезии в акриловых и винилацетатных системах. Эти пеногасители отлично справляются с устранением поверхностной пены.

Пеногасители на водной основе для удаления увлечённого воздуха

Составы на водной основе обеспечивают диспергирование различных масел и восков в водном носителе. Масла могут быть минерального или растительного происхождения, а воски состоят из длинноцепочечных жирных спиртов, мыл жирных кислот или эфиров. В отличие от масляных аналогов, пеногасители на водной основе действуют как деаэраторы и удаляют увлечённый воздух из технологических жидкостей. Эта особенность делает их идеальным выбором для применений, где удаление воздуха из глубины жидкости важнее, чем контроль поверхностной пены.

Пеногасители на основе силикона

Силиконовые составы содержат полимеры с кремниевым остовом, выпускаемые в виде масел или эмульсий на водной основе. Типичная силиконовая пеногасительная эмульсия состоит из полидиметилсилоксана 30% в воде с добавлением модифицированных неорганических компонентов. Эти соединения обеспечивают диспергирование гидрофобного диоксида кремния в силиконовом масле. Силиконовые варианты выполняют двойную функцию: подавляют поверхностную пену и одновременно высвобождают увлечённый воздух. Они подходят для применения в неводных пенообразующих системах, включая операции с сырой нефтью и нефтепереработку.

Пеногасители на основе сополимеров EO/PO

Блок-сополимеры этиленоксида и пропиленоксида действуют по механизму обратной растворимости. Эти неионогенные поверхностно-активные вещества остаются растворимыми в воде при низких температурах, но выпадают в осадок и распределяются на границе раздела пены и жидкости, когда температура процесса превышает их температуру помутнения. Эффективность пеногашения зависит от соотношения между точкой помутнения поверхностно-активного вещества и температурой применения. Разработчикам рецептур следует выбирать блок-сополимеры, точка помутнения которых ниже предполагаемой температуры использования. Эти активные агенты 100%, не содержащие силикона, обладают биологической инертностью. Это делает их безопасными для использования в системах ферментации.

Как жидкие пеногасители регулируют образование пены

“режим распространения, обусловленный поглощением пленки лопнувшего пузырька окружающей жидкой пленкой” — Рей Курита, Доцент Токийского городского университета

Существует три механизма, обеспечивающих контроль пенообразования после добавления жидкого пеногасителя в технологические жидкости. Эти механизмы действуют совместно, устраняя поверхностную пену и увлеченные пузырьки воздуха.

Дестабилизация ламелл пены на границе раздела «воздух-жидкость»

Распространение вещества вызывает механическое воздействие на поверхность пены и дестабилизирует её структуру. Пеногаситель быстрее распространяется по поверхности пены, проникает в ламеллы и нарушает когезию пены. Гидрофобный компонент вытесняет стабилизирующие поверхностно-активные вещества на границе раздела «воздух-жидкость». Это сродство к границе раздела «воздух-жидкость» приводит к разрушению пузырьков воздуха и распаду поверхностной пены.

Разрыв воздушных пузырьков в результате растекания по поверхности

Пеногаситель проникает в стенку пузырька и разрушает структуру пленки посредством механизма образования мостиков. Капли пеногасителя с низким поверхностным натяжением растягиваются поперек ламеллы и образуют нестабильные мостики. Гидрофобная частица или капля масла с углом смачивания более 90° вызывает отмачивание при контакте с обеими сторонами ламеллы. Жидкость, соприкасающаяся с частицей, изгибается внутрь до тех пор, пока обе стороны пленки не соприкоснутся и не разорвутся. Ламелла осушается по мере образования мостика и достигает критической точки, в которой он разрывается и высвобождает захваченный воздух.

Агломерация и всплытие увлеченных пузырьков воздуха

Увлеченные пузырьки воздуха объединяются и образуют более крупные пузырьки, которые быстрее поднимаются на поверхность. Множество мелких пузырьков сливаются и выходят из смеси в результате коалесценции. Пеногаситель снижает градиенты поверхностного натяжения. Пленки пузырьков истончаются и разрываются в определенных точках, высвобождая внутренний газ. Этот процесс коалесценции позволяет устранять крупные увлеченные пузырьки воздуха с помощью подходящих методов перемешивания.

Промышленное применение и решение задач

“Наши технологии на основе диоксида кремния позволяют снизить содержание масла и сделать дозировку более экономичной благодаря мощному усиливающему эффекту, который ускоряет разрушение пены и повышает эффективность рецептуры”. — Evonik, Ведущая компания в сфере специальных химических веществ

Промышленные предприятия сталкиваются с производственными потерями, связанными с образованием пены, во многих отраслях. Каждая из них требует применения целевых жидких пеногасителей, подобранных с учетом конкретных условий технологического процесса.

Контроль образования пены в резервуаре для отработанной жидкости в экстракционном оборудовании

Пена в резервуарах для сбора воды в ковроочистителях приводит к преждевременному закрытию поплавкового механизма и уменьшает вместимость резервуара на 33%. Работа поплавка нарушается, когда пена препятствует его движению, в результате чего грязный раствор попадает в вакуумный двигатель. Это вызывает коррозию и преждевременный выход из строя. Мы добавляем разбавленный пеногаситель через сливной шланг для обработки всей вакуумной системы, а затем поддерживаем его концентрацию на уровне от 0,5 до 1,0 унции на галлон объёма бака.

Управление пенообразованием в системах охлаждения и технологических жидкостях

Пена в смазочно-охлаждающей жидкости для металлообработки ухудшает смазывающие и охлаждающие свойства. Кроме того, она увеличивает объем системы. Одна унция концентрированного пеногасителя рассчитана на 50 галлонов разбавленной смазочно-охлаждающей жидкости. Для операций с ЧПУ под высоким давлением (свыше 800 psi) требуются специальные составы с низким уровнем пенообразования.

Бумажная фабрика и переработка древесной целлюлозы

Силиконовые эмульсии сохраняют свою активность при высоких температурах и в щелочных условиях. Такие условия наблюдаются на этапах промывки целлюлозы, выпаривания и отбеливания. Эти составы способствуют удалению увлеченного воздуха и снижению поверхностного натяжения в технологических растворах. Промывка коричневой массы с использованием модифицированных органосиликоновых соединений позволяет сократить перенос химикатов и снизить затраты на отбеливание.

Предприятия пищевой промышленности и нефтеперерабатывающие предприятия

Пищевые пеногасители позволяют контролировать образование пены в пивоварении, при переработке соков и на молокозаводах, при этом соответствуют требованиям FDA. Силиконовые пеногасители устраняют пену при дозировке 10–30 ppm в процессах отделения нефти от газа и предотвращают перенос жидкости.

Очистка сточных вод и гидравлические системы

Дозировка пеногасителей для сточных вод составляет 10–200 ppm в зависимости от интенсивности пенообразования. Гидравлические пеногасители предотвращают повреждения, вызванные кавитацией, и обеспечивают эффективность работы системы и долговечность её компонентов.

Заключение

Мы рассмотрели, как жидкие пеногасители подавляют пенообразование с помощью трёх основных механизмов: дестабилизации пеновых ламелл, разрушения воздушных пузырьков и стимулирования коалесценции пузырьков. Конкретные технологические требования определяют, какие составы следует выбрать: на масляной основе, на водной основе, силиконовые или на основе сополимеров ЭО/ПО. Эти составы защищают критически важное оборудование в системах экстракции, на металлообрабатывающих предприятиях, бумажных фабриках и очистных сооружениях. Правильный выбор и дозировка пеногасителя предотвращают повреждение оборудования, которое может обойтись дорого. Кроме того, это повышает эффективность технологического процесса и устраняет производственные потери, вызванные неконтролируемым образованием пены.