Straty ciśnienia i wnikanie ciepła podczas przepływu roztworów surfaktantów

W monografii omówiono właściwości reologiczne, straty ciśnienia i wymianę ciepła podczas przepływu roztworów surfaktantów wykazujących zjawisko redukcji oporów przepływu. Pomiary przeprowadzono dla roztworów kationowego surfaktantu: chlorku cetylotrimetyloamoniowego (CTAC) z dodatkiem salicylanu sodu (NaSal) oraz opracowanej mieszaniny dwóch surfaktantów – kokamidopropylobetainy (CAPB) i dietanoloamidu kwasów tłuszczowych oleju kokosowego (DEA). Roztwory CAPB/DEA ulegają zmętnieniu powyżej pewnej temperatury, której wartość zależy od stosunku wagowego surfaktantów i pH. Przebieg krzywych płynięcia dla klarownych roztworów CAPB/DEA jest charakterystyczny dla roztworów surfaktantów, w których wytworzyły się długie micele zwane robaczkowymi lub nitkowymi. Świadczy o tym przede wszystkim występowanie zakresu zagęszczania ścinaniem. Mętne roztwory CAPB/DEA miały lepkość porównywalną z lepkością czystej wody. Ustalono, że dodatek CAPB/DEA do wody oraz wodnych roztworów glikolu etylenowego wywołuje znaczne obniżenie strat ciśnienia w zakresie niskich temperatur (do 0 oC). Zjawisko redukcji oporow występuje zarówno podczas przepływu mętnych, jak i klarownych roztworów CAPB/DEA. W przypadku mętnych roztworów zaczyna się ono powyżej pewnej krytycznej wartości liczby Reynoldsa, co jest najprawdopodobniej wynikiem przekształcenia się pod wpływem naprężeń ścinających struktur micelarnych występujących w fazie tenzydowej w micele robaczkowe. Omówione w pracy doniesienia literaturowe oraz własne wyniki badań eksperymentalnych świadczą, że redukcji oporów przepływu towarzyszy znaczne zmniejszenie szybkości wymiany ciepła. Zaproponowano metodę intensyfikacji wymiany ciepła przez wprowadzenie do rury mieszalników statycznych własnej konstrukcji nazwanych taśmami T. Skuteczność taśm T zależy od stężenia i temperatury roztworów CTAC/NaSal oraz rodzaju użytej taśmy. W zakresie umiarkowanych prędkości przepływu płynu można z ich użyciem uzyskać wartości współczynnika wnikania ciepła zbliżone do wartości słusznych dla wody w zakresie stężeń CTAC od 0,0075% do 0,01%. Do korelacji wyników pomiarów współczynników wnikania ciepła podczas przepływu roztworów CTAC/NaSal w rurociągu z taśmami T zaproponowano równanie oparte na zależności liczby Nusselta od liczby Pecleta oraz stosunku zastępczego naprężenia ścinającego wywołanego przez taśmy T do krytycznego naprężenia ścinającego, przy którym zaczyna się rozpad mikrostruktury micelarnej.

Streszczenie 7 Wykaz oznaczeń 8 1. Przedmowa 17 2. Aparatura badawcza i media doświadczalne 19 2.1. Stanowiska pomiarowe 19 2.2. Metodyka opracowania wyników pomiarów 23 2.3. Związki stosowane w badaniach 28 2.4. Bibliografia do rozdziału 2 30 3. Asocjacja micelarna 31 3.1. Micele robaczkowe (nitkowe) 31 3.2. Temperatura zmętnienia roztworów CAPB/DEA 38 3.3. Bibliografia do rozdziału 3 41 4. Właściwości reologiczne roztworów SPC redukujących opory przepływu 45 4.1. Ogólna charakterystyka 45 4.2. Roztwory rozcieńczone 48 4.3. Roztwory semirozcieńczone 57 4.4. Właściwości reologiczne roztworów CAPB/DEA 62 4.5. Lepkosprężystość i lepkość wzdłużna 76 4.6. Bibliografia do rozdziału 4 81 5. Hydrodynamika przepływu roztworów środków powierzchniowo czynnych 87 5.1. Przegląd SPC wywołujących zjawisko redukcji oporów przepływu 87 5.2. Typowe wyniki pomiarów strat ciśnienia 95 5.3. Straty ciśnienia podczas przepływu roztworów CAPB/DE 105 5.4. Stabilność roztworów CAPB/DEA 116 5.5. Problem powiększania skali 119 5.6. Struktura turbulencji 124 5.7. Turbulentna wymiana ciepła 130 5.8. Bibliografia do rozdziału 5 133 6. Wymiana ciepła podczas przepływu roztworów SPC. 139 6.1. Wnikanie ciepła podczas przepływu wymuszonego w kanale 139 6.2. Efekt wyporu 145 6.3. Związek między transportem ciepła i pędu 147 6.4. Metody intensyfikacji wymiany ciepła 150 6.4.1. Ogólna charakterystyka 150 6.4.2. Niszczenie mikrostruktury micelarnej przed wymiennikiem ciepła 153 6.4.3. Modyfikacja konstrukcji wymiennika ciepła 158 6.4.4. Nanopłyny 160 6.5. Bibliografia do rozdziału 6 162 7. Użycie taśm T do intensyfikacji wymiany ciepła 165 7.1. Przepływ roztworów surfaktantów w kanale zbieżno-rozbieżnym 165 7.2. Konstrukcja taśm T 171 7.3. Struktura przepływu w rurze z taśmą T 174 7.4. Przepływ wody 179 7.5. Przepływ roztworów CTAC/NaSal w rurze z taśmą T 181 7.6. Ocena efektywności taśm T podczas przepływu roztworów CTAC/NaSal 192 7.7. Przepływ roztworów CAPB/DEA w rurze z taśmą T 199 7.8. Bibliografia do rozdziału 7 202 8. Podsumowanie 205 Summary 208