Экспериментально-теоретическая модель взаимодействия потока сверхкритического флюида с зернистым слоем Максудов, Рашид Наилевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Большой ряд современных технологических процессов сопровождается течениями сред и их взаимодействием со слоями обрабатываемого материала в широком диапазоне режимных параметров. Разработка новых технологий, в которых, в результате воздействия потока на сырье, последнее приобретает новое качество или получаются соединения высокой чистоты, требует предварительных экспериментальных исследований. Интерпретация результатов экспериментов и последующий их перенос на промышленные объемы являются актуальной серьезной научно-исследовательской и прикладной задачей.

Также следует отметить, что, несмотря на обширный опыт исследований и практических результатов, накопленных к настоящему времени, отсутствуют четкие алгоритмы проектирования промышленных технологий, учитывающие взаимосвязь процессов массопереноса в слое обрабатываемого материала с заданным качеством получаемого продукта. Качество многих получаемых продуктов определяется, прежде всего, содержанием в них целевого компонента. Это обеспечивается селективностью массообменных процессов, либо введением в технологию дополнительной стадии обработки. Оценка принципиальной возможности концентрирования целевого компонента требует, в свою очередь, надежных данных по физическим свойствам веществ, участвующих в процессе.

Таким образом, промышленная реализация технологии на стадии проектирования предполагает последовательный ряд этапов:

исследование физических свойств, характеризующих взаимодействие потока с компонентами обрабатываемого материала и определяющих возможность концентрирования целевого компонента;

лабораторную реализацию процессов массопереноса при взаимодействии потока со слоем обрабатываемого материала;

масштабирование полученных экспериментальных результатов на промышленные объемы.

Последнее обуславливает задачу адекватного математического моделирования процессов массопереноса с последующими численными экспериментами с использованием результатов лабораторных исследований.

Широким классом в обсуждаемой области являются экстракционные процессы, в ряду которых особое место занимают процессы с участием экстрагентов при сверхкритических параметрах состояния. Использование сверхкритических флюидов является новым перспективным направлением в науке и технике, которое активно развивается в настоящее время. Такие процессы отличают высокая диффузионная способность флюида, высокая селективность извлечения, больший выход извлекаемых компонентов, экологичность (отсутствие остаточного растворителя), качество получаемого продукта. Легкость регенерации экстрагента и, во многих случаях, одностадийность операции определяют энергосберегающий характер процесса. Широкое применение в качестве экстрагента находит диоксид углерода при сверхкритических параметрах состояния (Р_кр=7.3 МПа; Т_кр=304.2 К). Его преимуществами являются невысокие критические параметры, инертность, бактерицидные свойства, доступность и дешевизна.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы проектирования технологий извлечения и концентрирования целевых компонентов при взаимодействии потока сверхкритического флюида со слоем материала, позволяющее получить критерий оптимальности режимных параметров технологического процесса для промышленных аппаратов, основываясь на результатах экспериментальных исследований.

В диссертации изложены результаты работ автора по исследованию массообмена в процессах взаимодействия потока сверхкритического флюида с жидкими и твердыми зернистыми слоями обрабатываемого материала за период 2000 – 2009 гг.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 08-01-00548a) и в рамках грантов программы ФСР МП НТС (Старт 05) № 5846 совместно с ИОФХ им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН и программы инновационных проектов «Идея-1000» при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», проект № 7004.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является разработка экспериментально-теоретической модели процессов переноса массы при фильтрации потока сверхкритического флюида-экстрагента через зернистый слой обрабатываемого материала для получения продуктов с высоким содержанием целевых компонентов в промышленных аппаратах.

Достижение поставленной цели позволит определять оптимальные режимные параметры технологического процесса для аппаратов разных объемов, обеспечивать получение продукта с качеством, достигнутом в лабораторном процессе и существенно сократить сроки технологического проектирования.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. 1. 1. 1. Математическое моделирование процессов переноса массы при фильтрации сверхкритического флюида через зернистый слой обрабатываемого материала.

         2. Определение принципиальной возможности и режимных параметров реализации селективного и тотального извлечения целевых компонентов из исходных материалов воздействием потока флюида – сверхкритического диоксида углерода (СК СО₂). Оценка делается по результатам исследований растворимости целевых компонентов в потоке чистого и модифицированного СК СО₂.

         3. Экспериментальная реализация процессов извлечения целевых компонентов воздействием потока сверхкритического флюида на обрабатываемый материал с целью получения исходных данных для масштабирования результатов лабораторных исследований на промышленные объемы.

         4. Проведение экспериментальных исследований по фракционированию целевого компонента в тотальном экстракте воздействием потока СК СО₂ для получения субстанции высокой чистоты.

         5. Калибровка разработанной математической модели массопереноса по экспериментальным данным извлечения целевых компонентов. Проведение численных экспериментов по масштабированию результатов эксперимента на промышленный аппарат и определение режимных параметров технологического процесса.

         6. Разработка программного продукта визуализации численного эксперимента, т.е. процесса массопереноса в зернистом слое и отдельной его частице.

         Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач использован комплекс современных методик, позволяющий реализовывать взаимодействие потока экстрагента с твердыми и жидкими материалами; осуществлять концентрирование целевого компонента; исследовать фазовые равновесия твердых и жидких веществ в чистом и модифицированном полярным сорастворителем экстрагенте.

         Реализация построенной математической модели сводится к решению гиперболической системы уравнений относительно основных характеристик процесса: концентрации в потоке в макроскопических каналах зернистого слоя и доли выработки частиц слоя.

         Лабораторные исследования осуществлены на созданном экспериментально-измерительном комплексе, включающем две проточные установки, реализующие насосный и компрессорный циклы взаимодействия потока экстрагента с обрабатываемым материалом. Комплекс позволяет проводить измерения фазовых равновесий твердых и жидких веществ в потоке чистого и модифицированного полярным сорастворителем СК СО₂, осуществлять процессы извлечения из твердых и жидких материалов и концентрирования целевого компонента воздействием потока СК СО₂.

         Качественный состав экстрактов определялся методом масс-спектрометрии электронного удара на масс-спектрометре МАТ-212 фирмы «Finnigan». Условия съемки – ионизирующее напряжение 70 В, ток эмиссии электронов 0.1 мА. Исследования проводились в широком диапазоне температур (от комнатной до 583 К), масс-спектры фиксировались на протяжении всей съемки до полного испарения образца.

         Содержание целевой компоненты определялось газо-жидкостной хроматографией по методике, разработанной в ИОФХ им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН. Анализ проводился на приборе Хром-4, колонка 5% SE-30 на хроматроне N-AW-DMCS, l = 1.2 м, температура термостата 250 С, температура испарителя 270 С.

         Достоверность полученных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения, анализом точности измерений, воспроизводимостью результатов и сопоставлением с литературными данными.

         Научная новизна работы заключается в следующем:

         1. Разработана математическая модель массопереноса при фильтрации сверхкритического флюида-экстрагента через зернистый слой обрабатываемого материала, включающая уравнения переноса концентрации в рабочей камере аппарата и истощения частиц зернистого слоя. Построено аналитическое решение соответствующей системы дифференциальных уравнений и указан метод определения управляющих параметров по экспериментальным данным. Модель учитывает полидисперсность зернистого слоя, что позволяет объяснить резкую смену динамики процесса без привлечения дополнительных гипотез.

         2. Создан экспериментально-измерительный комплекс, реализующий компрессорный и насосный циклы физико-химического взаимодействия потока экстрагента с материалом, для исследований динамических процессов массопереноса и фазовых равновесий целевых компонентов в чистом и модифицированном сверхкритическом диоксиде углерода (СК СО₂) при давлениях до 40 МПа в диапазоне температур 308368 К.

         3. Получены новые данные по растворимости целевых компонентов: салициловой кислоты, фенола, сквалена в потоках чистого и модифицированного спиртами СК СО₂.

         4. Впервые реализован одностадийный процесс извлечения технологических примесей при селективном взаимодействии потока СК СО₂ с зернистым слоем продукта синтеза салициловой кислоты и получена салициловая кислота с чистотой 100%.

         5. Разработан новый метод получения сквалена, заключающийся в тотальном извлечении масла из слоя молотых семян амаранта потоком СК СО₂ с последующим выделением нейтральной составляющей с содержанием сквалена 98.9-99.45%.

         6. Экспериментально подтверждена возможность концентрирования сквалена фракционированием смеси, содержащей масло из семян амаранта, воздействием потока СК СО₂.

         7. Разработана методика калибровки математической модели массопереноса по экспериментальным данным. Формализовано понятие оптимального режима работы экстрактора и сформулирован критерий оптимальности, обеспечивающий равновесную концентрацию раствора на выходе из аппарата при заданных размерах рабочей камеры, давлении и параметрах зернистого слоя.

         8. Совокупность экспериментальных результатов и расчетных методов, позволяющая масштабировать результаты лабораторного эксперимента на промышленные объемы и определять оптимальные технологические параметры процесса, является единой экспериментально-теоретической моделью. Модель является основой разработки технологий сверхкритической флюидной экстракции из зернистых слоев.

         На защиту выносятся:

         1. Экспериментально-теоретическая модель для определения оптимальных режимных параметров технологического процесса массопереноса при взаимодействии фильтрующегося потока сверхкритического флюида с зернистым слоем материала для аппаратов разных объемов.

         2. Результаты исследований растворимости в потоке чистого и модифицированного СК СО₂ целевых компонентов продукта синтеза салициловой кислоты и масла из семян амаранта.

         3. Результаты экспериментов по извлечению технологических примесей селективным воздействием потока СК СО₂ на зернистый слой продукта синтеза салициловой кислоты.

         4. Результаты экспериментов по извлечению масла из зернистого слоя молотых семян амаранта воздействием потока СК СО₂.

         5. Методы концентрирования сквалена в извлеченном масле выделением нейтральной части или фракционированием его воздействием потока СК СО₂.

         Практическая значимость работы. Предложенная экспериментально- теоретическая модель позволяет перейти к промышленной реализации сверхкритических технологий извлечения из зернистых слоев, в том числе - растительных клеточных структур, минуя стадию полупромышленных пилотных установок.

         Численное и аналитическое решения математической модели массопереноса при фильтрации флюида через зернистый слой определяют управляющие параметры по экспериментальным данным и позволяют масштабировать результаты лабораторных исследований на полезные объемы промышленных аппаратов.

         Показано, что учет полидисперсности зернистого слоя позволяет объяснить резкую смену динамики процесса извлечения без привлечения дополнительных гипотез.

         Предложен новый одностадийный способ селективного извлечения технологических примесей из продукта синтеза салициловой кислоты воздействием потока СК СО₂, позволяющий получить продукт с чистотой 100%.

         Извлечено масло из семян амаранта с содержанием сквалена более 20% воздействием фильтрующегося потока СК СО₂. Предложен новый подход к выделению сквалена из масла семян амаранта с чистотой 98.9-99.45%.

         На основе математической модели разработан компьютерный симулятор, позволяющий визуализировать динамические процессы массопереноса при взаимодействии фильтрующегося потока сверхкритического флюида с зернистым слоем обрабатываемого материала в аппарате и истощения запасов в отдельной частице слоя в зависимости от задаваемых режимных параметров и времени от начала процесса.

         Апробация работы. Основные результаты докладывались на Х и ХI Российских конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002 г., Санкт-Петербург, 2005 г.), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В. Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2002 г.), The 9^th Meeting on Supercritical Fluids (Trieste, Italy, 2004), конференции Российского фонда фундаментальных исследований “Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий” с международным участием (Владимир, Новосибирск, 2005 г.),
         I, II, III, IV и V международных научно-практических конференциях “Сверхкритические флюидные технологии: инновационный потенциал России” (Ростов на Дону, 2004, -05,-06 гг., Казань, 2007 г., Суздаль, 2009 г.), XVII международной конференции по химической термодинамике в России RCCT 2009 (Казань, 2009 г.), научных сессиях Казанского государственного технологического университета (Казань. – 1999-2009 гг.).

         По результатам исследований выдан патент на изобретение “Способ получения амарантового масла, обогащенного скваленом” № 2309977 от 10 ноября 2007 г.

         Основные результаты изложены в 77 публикациях, в том числе в центральной печати- 15, в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК- 15.

         Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке цели и задачи исследований, выборе методики экспериментов, непосредственном участии в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных результатов, математическом моделировании и формулировке научных выводов. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.

         Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии (304 наименования). Изложена на 267 страницах машинописного текста, содержит 142 рисунка и 26 таблиц.

         Похожие диссертации на Экспериментально-теоретическая модель взаимодействия потока сверхкритического флюида с зернистым слоем

         Модели коллективного движения на примере взаимодействия потоков автобусов и пассажировЧенчик Анастасия Евгеньевна

         

         Математическая модель Т-слоя, взаимодействующего с потоком неэлектропроводного газа в МГД-канале Овчинников Владимир Васильевич

         

         Полуэмпирическая модель турбулентности для описания высокоскоростных слоев смешения и струй, не основанная на гипотезе БуссинескаТрошин Алексей Игоревич

         

         Оптимальные пространственные тела и особенности их движения в рамках модели локального взаимодействия среды и телаЯкунина Галина Евгеньевна

         

         Расчет турбулентных отрывных течений на основе моделей вязко-невязкого взаимодействияЯсько, Николай Николаевич

         

         Нестационарное взаимодействие сверхзвуковых потоков газовзвеси с телами и преградамиСеменов Владимир Владимирович

         

         Вопросы локального моделирования термохимического взаимодействия высокоэнтальпийных потоков газов с поверхностьюКолесников Анатолий Федорович

         

         Вихревые взаимодействия неограниченных потоков и струй со сплошными и проницаемыми теламиАндронов Петр Роальдович

         

         Прямое статистическое моделирование взаимодействия газовых потоков низкой плотности и разлета газа в вакуум Морозов Алексей Анатольевич

         

         Расчетно-экспериментальное исследование взаимодействия газовых потоков с проницаемыми границамиСинявин Алексей Александрович