Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот из природного сырья 11
1.1. Свойства и применение гуминовых веществ, гуминовых и фульвовых кислот 11
1.2. Методы получения гуминовых веществ, гуминовых и фульвовых кислот из природного сырья 16
1.3. Анализ моделей, описывающих кинетику процесса экстрагирования из твердого в жидкость и определение основных факторов, влияющих на эффективность процесса экстрагирования 19
1.4. Интенсификация процесса экстрагирования в роторном импульсном аппарате 27
1.5. Конструктивные приемы повышения эффективности роторных импульсных аппаратов 30
1.6. Выводы по первой главе и постановка задач исследования 32
Глава 2. Анализ процесса экстрагирования 35
2.1. Анализ процесса экстрагирования в системе «твердое тело-жидкость» 35
2.2. Анализ процесса экстрагирования из торфа и биогумуса при обработке в роторном импульсном аппарате 40
2.3. Выводы по второй главе 46
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот в роторном импульсном аппарате 47
3.1. Описание экспериментального стенда на базе роторного импульсного аппарата 47
3.2. Экспериментальные исследования процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот из биогумуса и торфа 50
3.3. Определение дисперсного состава частиц торфа и биогумуса 56
3.4. Определение затрат энергии роторного импульсного аппарата на обработку суспензий торфа и биогумуса 60
3.5. Определение коэффициентов в кинетическом уравнении процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот из торфа и биогумуса 63
3.6. Расчет коэффициента массоотдачи для процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот из торфа и биогумуса 71
3.7. Статистическая обработка экспериментальных данных 80
3.8. Выводы по третьей главе 82
Глава 4. Разработка и расчет новых конструкций роторных импульсных аппаратов для интенсификации процесса экстрагирования 84
4.1. Разработка новых конструкций роторных импульсных аппаратов для интенсификации процесса экстрагирования 84
4.2. Расчет и компьютерное моделирование скорости и давления потока суспензии в роторном импульсном аппарате 91
4.3. Экстрагирование гуминовых и фульвовых кислот при обработке суспензии торфа в роторном импульсном аппарате новой конструкции 98
4.4. Обеззараживание суспензии торфа при обработке в роторном импульсном аппарате 109
4.5. Исследование расслоения суспензий торфа и биогумуса, обработанных в роторном импульсном аппарате 112
4.6. Разработка рекомендаций по технологии получения гуминовых суспензий из торфа и биогумуса 115
Выводы по четвертой главе 121
Основные результаты и выводы 123
Список сокращений и условных обозначений .125
Список литературы 127
Приложения 149
Приложение 1. Протоколы испытаний ФГУ Государственный центр агрохимической службы «Тамбовский» 150
Приложение 2. Протоколы испытаний ФГБУ Станция Агрохимической Службы «Рязанская» 154
Приложение 3. Зависимость весовой доли частиц от их диаметра 173
Приложение 4. Листинг расчета коэффициента характеристического уравнения k2 175
Приложение 5. Зависимости коэффициента массоотдачи от удельной энергии при экстрагировании ГК из суспензии биогумуса 177
Приложение 6. Зависимости логарифма коэффициента массоотдачи от удельной энергии при экстрагировании ГК из суспензии биогумуса 178
Приложение 7. Зависимости коэффициента массоотдачи от удельной энергии при экстрагировании ГК из суспензии торфа 179
Приложение 8. Зависимости логарифма коэффициента массоотдачи от удельной энергии при экстрагировании ГК из суспензии торфа 180
Приложение 9. Зависимости коэффициента массоотдачи от удельной энергии при экстрагировании ФК из суспензии торфа 181
Приложение 10. Зависимости логарифма коэффициента массоотдачи от удельной энергии при экстрагировании ФК из суспензии торфа 182
Приложение 11. Патент РФ на полезную модель №130877 183
Приложение 12. Патент РФ на полезную модель №147138 184
Приложение 13. Патент РФ на полезную модель №159457 185
Приложение 14. Справка о практическом использовании результатов исследований в ООО «Амальтеа-сервис» 186
Приложение 15. АКТ о принятии к внедрению результатов НИОКР в АО «Газдевайс» 187
- Анализ моделей, описывающих кинетику процесса экстрагирования из твердого в жидкость и определение основных факторов, влияющих на эффективность процесса экстрагирования
- Анализ процесса экстрагирования из торфа и биогумуса при обработке в роторном импульсном аппарате
- Определение коэффициентов в кинетическом уравнении процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот из торфа и биогумуса
- Экстрагирование гуминовых и фульвовых кислот при обработке суспензии торфа в роторном импульсном аппарате новой конструкции
Введение к работе
Актуальность работы. В промышленности гуминовые кислоты (ГК) и фульвовые кислоты (ФК) используются в качестве компонентов лекарственных препаратов, красителей, ингибиторов коррозии, удобрений и стимуляторов роста растений. Большую ценность имеют водорастворимые ГК, так как они относятся к активным биологическим и химическим веществам. Для получения водорастворимых ГК применяют обработку природного сырья, при которой происходит уменьшение молекулярной массы ГК и обогащение их молекул полярными функциональными группами. К таким методам обработки относятся интенсивное гидродинамическое и механическое воздействие на гуматосодержащее природное сырье. Экспериментальные исследования закономерностей процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот в водные растворы из природного сырья позволят уточнить расчетные зависимости для технологии и оборудования, которые имеют большую актуальность для химической, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности. Перспективным оборудованием для процессов экстрагирования ГК и ФК зарекомендовали себя роторные импульсные аппараты (РИА). Разработка и расчет новых конструкций РИА для интенсификации процесса экстрагирования, исследование комплексного воздействия РИА на суспензию гуматосодержащего сырья, разработка технологий для получения ГК и ФК являются актуальными задачами.
Степень разработанности темы исследования.
Большинство научных работ по кинетике переноса веществ из твердой фазы в жидкость посвящено описанию процесса экстрагирования при обработке суспензии в емкостных аппаратах с мешалками. Детально разработаны кинетические зависимости и физические модели для внутридиффузионного и внешнедиффузи-онного режимов процесса экстрагирования при извлечении веществ из твердых частиц с капиллярной и капиллярно-пористой структурой при механическом перемешивании в аппаратах большого объема. Большинство методов извлечения ГК и ФК из природного сырья основано на применении химических реагентов и извлечении гуминовых веществ в виде солей ГК и ФК.
Цель работы. Разработка и экспериментальное обоснование расчетных зависимостей, повышающих точность расчета технологических параметров, интенсификация процесса экстрагирования гуминовых кислот и фульвовых кислот из торфа и биогумуса в роторном импульсном аппарате.
Задачи исследования:
– экспериментальные исследования кинетических закономерностей процесса экстрагирования ГК и ФК из торфа и биогумуса в РИА;
– экспериментальные исследования по диспергированию частиц торфа и биогумуса в РИА и расслоению полученных суспензий;
– определение коэффициентов кинетического и критериального уравнений, описывающих процесс экстрагирования ГК и ФК в РИА;
– разработка новых конструкций роторных импульсных аппаратов и технологии для получения гуминовых суспензий из природного сырья.
Объектом исследования является процесс массопереноса гуминовых и фульвовых кислот из частиц торфа и биогумуса в водный раствор при обработке суспензии в роторном импульсном аппарате.
Научная новизна.
Определены коэффициенты кинетического уравнения, которое позволяет рассчитать коэффициенты эффективной диффузии и концентрацию извлекаемого вещества в водном растворе при экстрагировании ГК и ФК из торфа и биогумуса при обработке в РИА.
Экспериментально определены коэффициенты критериального уравнения для расчета массоотдачи в процессе экстрагирования ГК и ФК из суспензий торфа и биогумуса при обработке в РИА.
Получены новые экспериментальные данные по влиянию кратности обработки, соотношения твердой и жидкой фазы на интенсивность процесса массопереноса ГК и ФК из частиц торфа и биогумуса в водный раствор при обработке в РИА.
Определено влияние гидродинамической кавитации на эффективность процесса экстрагирования ГК и ФК из торфа и биогумуса в водный раствор при обработке в РИА.
Теоретическая и практическая значимость.
Определены коэффициенты в кинетическом уравнении, описывающем процесс экстрагирования целевых веществ из капиллярно-пористых частиц в форме шара, позволяющем определять эффективный коэффициент диффузии и концентрацию ГК и ФК при их экстрагировании в водный раствор из частиц торфа и биогумуса при обработке в РИА.
Получено критериальное уравнение, позволяющее рассчитать числа Био в зависимости от критериев Фурье и Рейнольдса, соотношения жидкой и твердой фаз в суспензии для определения коэффициента массоотдачи при экстрагировании.
Уточнено уравнение для определения потребляемой мощности РИА, учитывающее особенности внутренней конфигурации и геометрические параметры ротора.
Предложен алгоритм расчета процесса экстрагирования ГК и ФК из торфа и биогумуса при обработке их суспензий в РИА с учетом соотношения твердой и жидкой фаз, основных геометрических и режимных параметров РИА.
Экспериментально доказано, что при многофакторной механической, гидродинамической и кавитационной обработке суспензии торфа в РИА происходит ее обеззараживание без добавления химических реагентов. Установлено, что содержание клеток бактерий кокки и бактерий палочки в пробах суспензий после обработки суспензии торфа в РИА, уменьшилось в 8 раз; спор, мицелия грибов и коло-ниеобразующих единиц грибов сократилось в 12 раз.
Разработаны новые конструкции РИА для обработки суспензий, защищенные патентами РФ на полезную модель №130877, №147138, №159457. Показана эффективность применения РИА новой конструкции для безреагентного экстрагирования ГК и ФК из торфа, увеличивающего выход ГК на 10 %, выход ФК на 17 %.
Разработаны рекомендации по технологии обработки суспензий, величине удельной энергии ( = 140…160 Вт/кг), количеству циклов обработки (i = 30 – 40), соотношению твердой и жидкой фаз в суспензиях (L/G = 4…5), технологии экстрагирования гуминовых веществ из торфа и биогумуса в РИА, принятые к внедрению в ООО «Амальтеа-сервис» (г. Москва) и АО «Газдевайс» (Московская обл.).
Методология и методы исследования основаны на теории массопереноса в системе «твердое тело – жидкость», методах численных решений уравнений, компьютерного моделирования, корреляционного анализа.
На защиту выносится:
-
Критериальное уравнение для расчета процесса экстрагирования ГК и ФК в суспензиях торфа и биогумуса при их обработке в РИА.
-
Алгоритм расчета процесса экстрагирования ГК и ФК при обработке суспензий торфа или биогумуса в РИА.
-
Кинетическое уравнение с уточненными коэффициентами, описывающее процесс экстрагирования ГК и ФК в водный раствор из частиц торфа и биогумуса при обработке в РИА.
-
Конструкции роторных импульсных аппаратов, повышающих эффективность обработки суспензии в полости ротора.
-
Рекомендации по технологии получения гуминовых суспензий в РИА.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается обоснованным применением метрологически поверенного оборудования, выполнением анализов в аккредитованных лабораториях, применением апробированных методов корреляционного анализа при обработке экспериментальных данных с помощью прикладных компьютерных программ.
Апробация результатов.
Основные положения диссертационной работы доложены на восьми международных научных конференциях.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 1 монография.
Объем и структура работы. Диссертация включает введение, четыре главы, основные выводы и результаты, список литературы (209 наименований) и приложения. Работа изложена на 147 страницах основного текста, содержит 55 рисунков, 14 таблиц и 15 приложений.
Анализ моделей, описывающих кинетику процесса экстрагирования из твердого в жидкость и определение основных факторов, влияющих на эффективность процесса экстрагирования
Теоретические модели, описывающие кинетику процесса экстрагирования в системе «твердое тело – жидкость», не позволяют напрямую рассчитывать реальные процессы экстрагирования, однако они полезны для более глубокого понимания его механизма, что в свою очередь позволяет определить степень влияния различных параметров на расчет процесса экстрагирования.
При рассмотрении теоретических моделей приходят к упрощению процесса экстрагирования, уравнивая твердые частицы с изотропными телами простейшей формы (шаром, пластиной, цилиндром) и прибегают к экспериментальному определению кинетических коэффициентов для расчета извлеченного компонента в реальных телах.
Методики расчета процесса экстрагирования в системе твердое тело-жидкость разделяются в зависимости от режима экстрагирования (внутридиффузионный и внешнедиффузионный), а также в зависимости от строения твердых частиц (капиллярные, капиллярно - пористые и пористые частицы.) Внутридиффузионный режим экстрагирования реализуется при значениях числа Био Bi – , а внешнедиффузионный режим экстрагирования при Bi 1.
Кинетику извлечения целевого вещества из капилляров твердых частиц исследовали А.В. Лыков, М.В. Товбин, Г.А. Аксельруд, Л.Б. Берлинер, E. Piret, H. Crosier, L. Brownell и другие ученые [92 - 97]. Основой кинетической модели является механизм диффузионного извлечения целевого компонента из сквозного капилляра, заполненного неподвижным раствором с концентрацией С0 и омываемого с обоих концов движущейся жидкостью с концентрацией С1. Кинетика извлечения целевого компонента описывается следующим дифференциальным уравнением с граничными условиями: где: ЯД - диффузионное сопротивление вязкого подслоя; снас - концентрация насыщения; с - текущая концентрация; j - поток вещества; 50 - толщина вязкого подслоя; у - расстояние от поверхности массообмена; Do - характеристическая скорость турбулентных пульсаций; v0 (е#У3 ;
Средняя концентрация целевого компонента (и0 «(єб0/3 ) и суммарный выход вещества G из капилляра определяются по уравнению:
При выполнении условия Bi 1 реализуется внешнедиффузионный процесс, а при Bi - реализуется внутридиффузионный процесс.
Кинетические уравнения для модели извлечения вещества из капилляров в конечном виде представлены в следующим виде
Кинетику извлечения целевого вещества из капиллярно- пористых частиц изучали и рассматривали в своих работах Г.А. Аксельруд, П.Г. Романков, СП. Рудобашта, В.М. Лысянский, J.Crank, Е.Н. Коптелова, Н.А. Кутакова, СИ. Третьяков, И.В. Новикова, Г.В. Агафонов, Т.С Корниенко, И.Е. Шабанов, Ю.И. Шишацкий, СЮ. Плюха, С.С. Иванов и др. [95; 98 - 110].
Капиллярно-пористые материалы имеют разнообразную внешнюю форму, а их внутренняя структура представляет собой сложную систему взаимосвязанных и изолированных капилляров различной формы и длины с переменным поперечным сечением.
Простейшей моделью для анализа кинетики извлечения твердого вещества из капиллярно-пористого тела является одиночный цилиндрический капилляр с инертными к жидкости стенками, заполненный дисперсными частицами. Пространство между частицами заполнено насыщенным раствором. В математическом описании процесса рассматриваются тела простейшей формы, обладающие свойством изотропности, причем скорость диффузионного переноса в них не зависит от направления. Использование аналитических результатов для расчета процесса экстрагирования из капиллярно-пористых тел предполагает отождествление их с телами простейшей формы (шар, цилиндр, пластина) и вносит в расчетные модели некоторые погрешности [111].
Диффузия в объеме пористой частицы описывается дифференциальным уравнением и граничными условиями в виде: где: D - коэффициент диффузии; Г - симплекс геометрического подобия, характеризующий форму и размеры частиц; г - продолжительность процесса; С0 -начальная концентрация в порах частицы; DM - коэффициент массопроводности; Р - коэффициент массоотдачи с поверхности частицы; Сп - концентрация на поверхности пористой частицы; Q - концентрация извлекаемого компонента в жидкости, обтекающей частицу.
Кинетика извлечения целевого компонента из капиллярно - пористых тел описывается следующими уравнениями
Кинетику извлечения целевых веществ из слоя капиллярно - пористых частиц исследовали Г.А. Аксельруд, М.В. Товбин, Н.Н. Веригин, Rosen J.B и др. исследователи [97; 112 - 116].
Данная модель описывает процесс извлечения растворенного вещества из слоя пористых частиц с помощью дифференциального уравнения с краевыми условиями: где: D - коэффициент диффузии; Г - симплекс геометрического подобия, характеризующий форму и размеры частиц; R - радиус частицы; т -продолжительность процесса; z - текущая высота или длина слоя; є - порозность слоя; Со - начальная концентрация в порах частицы; Q - концентрация извлекаемого компонента в жидкости, обтекающей частицу; DM - коэффициент массопроводности; ft - коэффициент массоотдачи с поверхности частицы; Си -концентрация на поверхности пористой частицы; Сн - начальная концентрация; С - средняя по объему концентрация в текущий момент времени; тр - пористость частицы.
Анализ процесса экстрагирования из торфа и биогумуса при обработке в роторном импульсном аппарате
Торф и биогумус являются растительным сырьем природного происхождения, их относят к капиллярно-пористым материалам, т.к. их внутренняя структура представляет собой сложную систему взаимосвязанных и изолированных капилляров различной формы и длины с переменным поперечным сечением [111; 163 - 166]. Перенос веществ из твердых частиц торфа или биогумуса в жидкую фазу происходит по системе капилляров и пор.
Торф относится к многокомпонентной, полидисперсной системе и в ходе различных технологических воздействий, последовательно проходит структурообразовательные стадии от коагуляционных до конденсационно кристаллизационных [167 - 171].
При описании кинетики извлечения из капиллярно-пористых материалов используют уравнение (2.3) с допущениями, позволяющими применять его для реального процесса экстрагирования в технологическом оборудовании [100].
При исследовании кинетических закономерностей процесса экстрагирования извлекаемых веществ из торфа и биогумуса в РИА, принимаем следующие допущения:
- процесс экстрагирования протекает при полном (идеальном) вытеснении твердой и жидкой фазы из РИА, при полном смешении жидкой и твердой фаз по ходу потока суспензии;
- форма твердых частиц торфа и биогумуса при циклической многократной обработке в РИА приближается к форме шара;
- структура обрабатываемых частиц торфа и биогумуса изотропна;
- процесс переноса вещества диффузионный и происходит в изотропной среде;
- условия проведения диффузионного процесса изотермические;
- извлекаемое вещество равномерно распределено по объему частиц до начала обработки суспензии;
- процесс экстрагирования периодический, проходит до достижения концентрации насыщения в растворе;
- процесс экстрагирования проводится достаточно длительное время, устанавливается равновесие;
- концентрация целевого вещества в экстрагенте в зависимости от времени обработки суспензии изменяется по экспоненциальному закону;
- массоперенос лимитируется внутренней диффузией извлекаемого вещества, режим экстрагирования внутридиффузионный;
- концентрация извлекаемого вещества в порах твердого тела, заполненных растворителем, является равновесной концентрации вещества в твердой фазе;
В соответствии с принятыми допущениями при достаточно длительном времени процесса экстрагирования г устанавливается равновесие и достигается равновесная концентрация в жидкости. Средняя по объему концентрация в текущий момент времени принимается равной равновесной концентрации извлекаемого вещества в растворе (С = Ср).
Скорость массоотдачи от поверхности частицы, взвешенной в турбулентном потоке, определяется наличием молекулярной и турбулентной диффузией, а также градиентом концентрации растворяемого вещества вблизи поверхности [172]: j = (D + DT), (2.7) где DT - коэффициент турбулентной диффузии; D - коэффициент диффузии; В соответствии с моделью затухания турбулентности в вязком подслое [173], величина коэффициента турбулентной диффузии вблизи твердой поверхности определяется по уравнению [174; 175]: DT = ё0и0(у / ё0)4 , (2.8) где: 0 -толщина вязкого подслоя; 0 -характеристическая скорость турбулентных пульсаций; у - расстояние от поверхности массообмена.
В соответствии с уравнением (2.8) коэффициент турбулентной диффузии DT пропорционален /. Согласно уравнению (2.7) увеличение DT приводит к быстрому снижению градиента концентрации. Изменение концентрации в пределах вязкого подслоя принимается равным разности концентраций между границей раздела и ядром потока [172]. Диффузионное сопротивление вязкого подслоя ЯД=1/ определяется по формуле:
Для экстрагирования в системе «твердое - жидкость» в условиях интенсивного смешения и высокоскоростных режимах движения фаз относительно друг друга, с учетом соотношений (2.11 и 2.12), уравнение для определения коэффициента массоотдачи (2.10) принимает вид [172; 176]:
С учетом того, что ряд в правой части уравнения (2.3) быстро сходится и значения диффузионного критерия Фурье Fo 0,1, что соответствует условиям экстрагирования из растительных материалов [106], для упрощения расчета кинетического уравнения процесса экстрагирования учитывается первый член ряда уравнения (2.3) [100; 105; 106]:
В соответствии с допущением о форме частиц в виде шара радиусом R, рассчитывается диффузионный критерий Фурье [100; 105; 106].
С учетом принятых допущений, основное уравнение кинетики для процесса экстрагирования целевого вещества из твердых частиц принимает вид [100; 105; 106]
Для определения основных кинетических характеристик процесса экстрагирования извлекаемых веществ из твердых частиц суспензии, обрабатываемой в РИА, необходимо на основании данных экспериментальных исследований определить значения концентраций Ср, С0, Сн, Q. Для определенных моментов времени процесса экстрагирования вычисляются соответствующие значения натурального логарифма ln -C1) -C)). Затем выделяется область значений ln((C -Q/(Q-C)) установившегося режима процесса экстрагирования, для которой графическим способом устанавливается значение коэффициента kj и значение тангенса угла наклона (tga) по уравнению прямой.
Строится графическая зависимость натурального логарифма отношения разности концентраций ln -C1) (Q-C)) от продолжительности времени процесса экстрагирования т.
Экстраполируя значения функции /(г) = ln ((Ср - Q)/(C0 - Си)), построенной по экспериментальным данным до г = 0, определяется значения коэффициента к], а также значение тангенса угла наклона прямой к оси (т).
По уравнению (2.15) определяется коэффициент Ъ. По уравнению (2.5), с использованием численного метода хорд, определяются корни характеристического уравнения к2. Данное уравнение имеет два корня: отрицательный и положительный, для дальнейших расчетов выбирается положительный корень решения уравнения.
По уравнению (2.6) определяется коэффициент диффузии D в соответствии с [100; 105; 106] вычисляется диффузионный критерий Фурье Fo и по уравнению (2.13) - коэффициент массоотдачи р.
Определение коэффициентов в кинетическом уравнении процесса экстрагирования гуминовых и фульвовых кислот из торфа и биогумуса
Экспериментальное исследование процесса экстрагирования ГК и ФК из частиц торфа и биогумуса проводили в установке на базе РИА (рисунок 3.1.) по методике, описанной в разделе 3.1. Время процесса экстрагирования г, определяли исходя из количества циклов обработки суспензий / для соответствующего значения расхода. В качестве равновесной концентрации Ср принимали максимальное значение концентрации ГК и ФК в растворе. Начальную концентрацию извлекаемого вещества в жидкости Сн принимали равной нулю, начальную концентрацию извлекаемого вещества в твердом теле С0 принимали равновесной концентрации извлекаемого вещества в порах твердого тела, заполненных жидкой фазой в соответствии с данными лабораторного анализа исходных проб. Средний расход суспензий торфа и биогумуса составил Q=45±2 м3/ч, при давлении на входе в РИА Р=0,5±0,05 МПа, расчетное время обработки одного цикла суспензии составило ГІ=1,6±0,05 с.
В соответствии с результатами экспериментальных исследований, представленными на рисунках 3.3 - 3.6, с учетом концентраций Ср, Сн, Q , строили графические зависимости параметра к1=1п((Ср-С1)/(С0-Сн)) от продолжительности процесса экстрагирования в установке на базе РИА суспензий торфа и биогумуса, представленные на рисунках 3.13 - 3.15. В соответствии с методикой, описанной в разделе 2.2, по уравнению прямой определяли значение угла наклона прямой линии (а), аппроксимирующей экспериментальные данные. Экстраполяцией графика параметра ln((Cp-C1)/(C0-CJ) = f(r), до точки г = 0, графически определяли значения коэффициента .
По уравнению (2.15) определяли коэффициент Ь.
Решая уравнение (2.8) численным методом хорд, определяли корни характеристического уравнения к2.
Результаты расчетов по определению углового коэффициента (tga), по уравнению прямой, коэффициентов киЪ, корней характеристического уравнения к2, представлены в таблице 3.4.
Листинг программы для расчета коэффициента к2 и определения корней характеристического уравнения (2.8) методом хорд приведен в Приложении 4.
В соответствии с методикой, описанной в разделе 2.2, определяли коэффициент диффузии по формуле (2.6) и диффузионный критерий Фурье. Расчетные значения коэффициента диффузии для суспензий торфа и биогумуса показаны в таблице 3.4.
Графики расчетных зависимостей диффузионного критерия Фурье от времени экстрагирования (количества циклов обработки) суспензий в установке на базе РИА представлены на рисунках 3.16 - 3.18.
На основе расчета параметра InffC CJ/fC CJ), корней характеристического уравнения к2, коэффициентов диффузии Д значений диффузионного критерия Фурье Fo, были определены величины коэффициентов к] и к2 в уравнении для определения расчетной концентрации процесса экстрагирования ГК и ФК из суспензий торфа и биогумуса при обработке в установке на базе РИА.
Наиболее адекватно экспериментальные данные описываются уравнением кинетики (2.16) с учетом эмпирического коэффициента к3.
Экстрагирование гуминовых и фульвовых кислот при обработке суспензии торфа в роторном импульсном аппарате новой конструкции
Для подтверждения эффективности применения предлагаемых конструкций РИА и обоснования влияния гидродинамической кавитации на эффективность процесса экстрагирования экспериментально исследовали процесс извлечения ГК и ФК из торфа (при L/G=4) в РИА, изготовленном по патенту на полезную модель № 159457 (рисунок 4.6).
Предварительная обработка жидкости обеспечивается в полости ротора, выполненного в соответствии с патентом РФ на полезную модель № 159457. Профиль сечения полости ротора в форме профиля трубки Вентури образован выступом на внутренней поверхности ротора и аналогичным и симметричным профильным выступом на крышке аппарата.
Исследования проводились на экспериментальном стенде, технологическая схема которого показана на рисунке 3.1. При обработке суспензий торфа обеспечивалась подача водопроводной воды в охлаждающую рубашку емкости, благодаря чему поддерживалась постоянная температура суспензии 20С ± 2С.
Состав суспензий торфа по соотношению жидкой и твердой и фазы для экстрагирования ГК и ФК в аппарате новой конструкции был выбран при соотношении L/G=4. Просеянное сырье смешивали с водой, и затем заливали в емкость экспериментального стенда. После предварительного перемешивания суспензии и равномерного распределения суспензии в гидравлической системе проводили многократную обработку суспензии, прокачивая ее насосом через РИА. По достижению 10, 20, 30 и 40 циклов обработки суспензии через РИА осуществляли отбор проб.
Результаты экспериментального исследования по определению выхода ГК и ФК в воду при экстрагировании из суспензии торфа в РИА новой конструкции представлены на рисунке 4.7, результаты зависимости среднего размера частиц в суспензии показаны на рисунке 4.8.
Результаты гранулометрического состава суспензий торфа после 40-кратной обработки в аппарате с цилиндрической полостью ротора после измерений показали, что частицы по форме близки к форме шара и средний диаметр твердых частиц торфа составил 28 мкм, а после 40-кратной обработки в аппарате новой конструкции - 27 мкм. Выход ГК при использовании РИА новой конструкции по патенту № 159457 в среднем увеличивается с 19,6 кг/м3 до 21,4 кг/м3, а фульвовых кислот - с 6,44 кг/м3 до 7,58 кг/м3.
Расчет кинетики процесса экстрагирования ГК и ФК при обработке суспензии торфа в роторном импульсном аппарате новой конструкции выполнялся в соответствии алгоритмом, описанным в главе 2 и главе 3. Определение коэффициента kj и тангенса угла наклона (tga), выполняли графическим методом, с построением зависимостей параметра In ((С -C1)i(C0-CH )) = f(r) от продолжительности процесса экстрагирования ГК и ФК из суспензий торфа в установке на базе РИА новой конструкции. Результаты представлены на рисунке 4.9.
В соответствии с методикой, описанной в разделе 2.2, определяли коэффициент диффузии и диффузионный критерий Фурье. Расчетное значение коэффициента диффузии при экстрагировании ГК из суспензии торфа в РИА новой конструкции составило D=1,9610-11 м/с. Расчетное значение коэффициента диффузии при экстрагировании ФК составило D=1,210-11 м/с.
Расчетные значения диффузионного критерия Фурье в сравнении с РИА с цилиндрической полостью ротора и РИА, изготовленном по патенту РФ на полезную модель № 159457, показаны на рисунке 4.10.
Результаты расчетов коэффициентов кинетического уравнения ки корней характеристического уравнения к2, эмпирического коэффициента к3, тангенса угла наклона (tga), и коэффициента диффузии представлены в таблице 4.2.
На основании расчета параметра ln((Cp -Cj)/(C0 -CJ) = f(r), а также корней характеристического уравнения к2, коэффициентов диффузии D и значений диффузионного критерия Фурье Fo, экспериментальных данных процесса экстрагирования ГК и ФК в суспензиях торфа, определены величины коэффициентов кг и к3 для уравнения (3.3).
По уравнению (3.3) определим значения расчетной концентрации (C1) процесса экстрагирования ГК и ФК из суспензий торфа при обработке в установке на базе модернизированного РИА. Экспериментальные данные адекватно описываются уравнением кинетики (2.16) с учетом эмпирического коэффициента k3. Выполним расчет концентрации извлекаемых веществ (C1) в произвольный момент времени, используя данные таблицы 4.2. Результаты расчета показаны на рисунке 4.11.
Расчетные данные по концентрациям ГК и ФК в водном растворе совпадают с экспериментальными данными с погрешностью не превышающей 15%.
Для расчета коэффициента массоотдачи при обработке суспензий торфа, необходимо выполнить расчет потребляемой мощности для РИА новой конструкции, расчет потребляемой мощности насоса, а также величину удельной энергии и значения критерия Прандтля.
Расчет потребляемой мощности для РИА новой конструкции проводим по формуле (3.1), с добавлением множителя (S /i - R1)0,1, учитывающего дополнительные затраты энергии на трение в зазоре между высткпами ротора и крышки аппарата (3), как показано на схеме РИА по патенту № 159457 (рисунок 4.6).