Введение к работе
Актуальность работы.
Массообменные процессы нашли широкое практическое применение в химической, фармацевтической, атомной, металлургической и многих других отраслях промышленности. Важнейшее место среди всего многообразия массообменных процессов занимает жидкостная экстракция. Исследования, проводимые в данной области, в большинстве случаев связаны с решением задачи интенсификации процесса экстракции, что в конечном итоге представляет интерес для всего ряда ироцессов массообмена и является одной из актуальных проблем химической технологии. Одним из способов ее решения является проведение процессов разделения в условиях гидродинамической неустойчивости межфазной поверхности. Возникающая в этих условиях в приповерхностных слоях контактирующих фаз самопроизвольная межфазная конвекция (СМК) способствует более быстрому обновлению поверхности и приводит к значительному увеличению скорости массопередачи.
Исследования по влиянию СМК на интенсивность процессов экстракции в системе жидкость-жидкость, в основном проводились для массопередачи без химической реакции. Однако следует отметить, что массопередача, сопровождаемая химической реакцией, встречается в жидкостной экстракции столь же часто. В связи с этим возникает необходимость проведения исследований по влиянию СМК на интенсивность экстракционных процессов, сопровождаемых химической реакцией.
Указанная проблематика весьма сложна, поскольку требует установления влияния того или иного физико-химического фактора на гидродинамическую устойчивость межфазной поверхности и интенсивность конвективных течений в приграничных слоях. Прогресс в этой области может быть достигнут путем постановки систематических исследований по влиянию основных физико-химических факторов на условия возникновения межфазной неустойчивости и интенсивность массопередачи с химической реакцией в условиях СМК. Также необходимо тщательно и систематически изучить кинетические закономерности массопередачи с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз как на единичной капле, так и в условиях стесненного движения капель, поскольку рассматриваемые эффекты имеют большое прикладное значение. Исследования в
4 этих направлениях, с одной стороны, способствуют пониманию физики явления СМК, с другой - нахождению условий возникновения и определению области существования межфазной неустойчивости в промышленных системах, что в конечном итоге позволит разрабатывать рекомендации по использованию явления СМК в экстракционных процессах.
Работа выполнена по госбюджетной научно-исследовательской теме №1336 «Разработка научных основ, способов интенсификации массообменных процессов и аппаратов» и при финансовой поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (1996 - 2003 гг.): грант по физике №97-02-16231 «Исследование влияния межфазной неустойчивости (термоконцентрационно-капиллярной конвекции) на интенсивность процессов переноса тепла и массы в системах жидкость-жидкость», грант по физике №01-02-96417 «Интенсификация тенломассопереноса, сопровождаемого быстрой химической реакцией в системах жидкость-жидкость в условиях самопроизвольной межфазной конвекции».
Цель работы.
Разработка научного направления — применение копцентрационно-капиллярпой неустойчивости (эффект Марангони) для интенсификации массопередачи с химической реакцией в процессах жидкостной экстракции.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Определение влияния основных физико-химических факторов на кинетические закономерности массопередачи с химической реакцией в условиях СМК через плоскую и сферическую границы раздела фаз.
-
Разработка физической модели процесса массопередачи с химической реакцией в условиях СМК и получение обобщенных зависимостей для расчета гидродинамических параметров СМК, критических условий возникновения межфазной неустойчивости и интенсивности массопередачи с химической реакцией в условиях СМК.
-
Установление основных закономерностей массопередачи с химической реакцией в условиях СМК при стесненном движении капель. Создание математических моделей для расчета процесса массопередачи с химической реакцией в условиях СМК в гравитационных экстракторах.
-
Установление основных закономерностей односторонней совместной массопередачи веществ в многокомпонентной системе в условиях СМК через плоскую, сферическую границы раздела фаз и в условиях стесненного' движения капель.
-
Определение влияния СМК на интенсивность процесса массопередачи с химической реакцией в промышленных экстракционных системах и эффективность работы промышленных аппаратов.
Научная новизна.
На основании выполненных систематических экспериментальных исследований установлены области существования различных гидродинамических режимов вблизи поверхности раздела фаз при массопередаче с химической реакцией в системе жидкость-жидкость: межфазной нестабильности, «диффузионный». Показано, что протекание процесса массопередачи с химической реакцией в указанных режимах определяется соотношением физико-химических факторов -межфазного натяжения системы, концентрационного уровня переносимого вещества и связующего реагента, поверхностной активности переносимого компонента, вязкости отдающей и принимающей фаз, соотношением фазовых сопротивлений и гидродинамической обстановкой во взаимодействующих фазах.
Получено уравнение массопередачи с химической реакцией в условиях СМК. Предложены параметры: коэффициент интенсивности СМК и критическая концентрация - характеризующие ускорение массопередачи с химической реакцией в условиях СМК и условия возникновения (затухания) межфазной неустойчивости.
Установлены кинетические закономерности экстракции инактивных и поверхностно-активных веществ, протекающей в условиях СМК из органических растворителей водным раствором гидроокиси натрия через плоскую границу раздела фаз при варьировании физико-химических и гидродинамических факторов. Показано влияние межфазного натяжения системы, концентрационного уровня переносимого вещества и связующего реагента, поверхностной активности переносимого компонента, вязкости отдающей и принимающей фаз, пршгудительной конвекции на интенсивность процесса массопередачи с химической реакцией в условиях СМК и условия возникновения межфазной неустойчивости.
На основе полуэмпирической модели получены уравнения, позволяющие оценить характерный размер циркуляционных ячеек, поверхностную скорость циркуляции жидкости в ячейках и рассчитать массовые потоки в случае протекания процесса массопередачи с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности.
Получены корреляционные уравнения для расчета параметров уравнения массопередачи с химической реакцией в условиях СМК - коэффициента интенсивности СМК и критической концентрации.
Установлены кинетические закономерности экстракции инактивных и поверхностно-активных веществ, протекающей в условиях СМК из органических растворителей водным раствором гидроокиси натрия через сферическую границу раздела фаз при различных направлениях массопередачи (из капли и в каплю) при варьировании физико-химических факторов. Показано влияние межфазного натяжения системы, концентрационного уровня переносимого вещества и связующего реагента, поверхностной активности переносимого компонента, вязкости отдающей и принимающей фаз на условия возникновения межфазной неустойчивости и интенсивность процесса массопередачи с химической реакцией в условиях СМК в период каплеобразования и период «свободного» движения капли.
Получены уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) в период каплеобразования и период «свободного» движения капли для процесса массопередачи с химической реакцией в условиях СМК.
Установлены кинетические закономерности экстракции инактивных и поверхностно-активных веществ, протекающей в условиях СМК из органических растворителей водным раствором гидроокиси натрия в диафрагменном смесителе, распылительной и тарельчатой колоннах. Показано влияние СМК на эффективную высоту гравитационных экстракторов.
Разработан метод расчета эффективной высоты гравитационного экстрактора, в котором массопередача с химической реакцией протекает в условиях СМК. Получены системы уравнений, позволяющие описать кинетику процесса массопередачи с химической реакцией в условиях СМК в гравитационных экстракторах.
7 На основании экспериментальных исследований на модельных и промышленных системах установлены кинетические закономерности односторонней совместной массопередачи двух веществ в многокомпонентной системе в условиях СМК через плоскую, сферическую границы раздела фаз и в условиях стесненного движения капель. Изучены эффекты диффузионного и гидродинамического взаимодействия в процессе односторонней совместной массопередачи в условиях СМК микро- и макрокомпонентов, а также компонентов с соизмеримыми концентрациями.
Получены уравнения для количественной оценки эффектов диффузионного и гидродинамического взаимодействия.
Создана новая технология двухступенчатой экстракционной очистки технического 2,4-ДХФ от изомеров; реконструирован узел регенерации тетрахлорэтилена от примесей хлорфенолов и фенола в производстве фенокси-, крезокси- и 2,4-дихлорфеноксиуксусных кислот. Практическая значимость работы.
Результаты проведенных систематических экспериментальных физико-химических исследований по влиянию самопроизвольной межфазной конвекции на интенсивность массопередачи с химической реакцией в системе жидкость-жидкость открывают возможность применения явления СМК для интенсификации процессов жидкостной экстракции и повышения эффективности массообменной аппаратуры единичной мощности.
Полученные корреляционные уравнения позволяют по физико-химическим факторам экстракционной системы оценить критические условия возникновения межфазной неустойчивости и интенсивность СМК для процесса массопередачи с химической реакцией, дают возможность разрабатывать рекомендации по оптимизации процессов жидкостной экстракции с последующей реализацией их в промышленных системах.
На основании результатов исследования кинетических закономерностей односторонней совместной массопередачи двух вешеств в многокомпонентной системе в условиях СМК разработана технология двухступенчатой очистки технического 2,4-дихлорфенола от изомеров. Даны практические рекомендации для промышленного проектирования установки очистки технического 2,4-дихлорфенола
8 на предприятиях г.Уфы: ОАО "Уфахимпром" и ІШП ООО "Химфарм". Разработана технология регенерации растворителей от примесей хлорфенолов и фенола. Даны практические рекомендации по реконструкции узла регенерации тетрахлорэтилена от примесей хлорфенолов и фенола на промышленной установке по производству фенокси-, крезокси-, 2,4-дихлорфеноксиуксусных кислот на НПП ООО "Химфарм" г.Уфа.
Методика инженерного расчета промышленных экстракционных колонн, в которых процесс массопередачи с химической реакцией протекает в условиях СМК, принята проектными отделами институтов: Федеральное агентство по атомной энергии ОАО «СвердНИИхиммаш» г.Екатеринбург, Федеральное государственное унитарное предприятие «УНИХИМ с ОЗ» г.Екатеринбург, Федеральное государственное унитарное предприятие «ВУХИН» г.Екатеринбург.
Методы исследований.
Использованы визуальный, интерферометрический, трассериый и кинетический методы исследования. Статистическая обработка проведена при помощи специальных компьютерных систем анализа данных - статистических пакетов NCSS (фирма «NCSS Statistical Software») и STATISTICA (фирма «StatSoft Inc»).
Личный вклад автора.
Автору принадлежит обоснование цели работы, формулировка задач исследования, выбор объектов исследования. Им выполнены эксперименты, обработка и анализ результатов. Ряд исследований проводились совместно с Л.Ю. Лавровой, Д.В. Вайсовым, В.А. Степановым.
На защиту выносятся:
- кинетические закономерности экстракции инактивпых и поверхностно-
активных веществ, протекающей в условиях СМК из органических растворителей
водным раствором гидроокиси натрия через плоскую границу раздела фаз при
варьировании физико-химических и гидродинамических факторов;
уравнение массопередачи с химической реакцией в условиях СМК;
расчетные и экспериментальные данные по количественной оценке критических условий возникновения межфазной неустойчивости и интенсивности СМК для процесса массопередачи с химической реакцией в исследованных системах;
расчетный способ количественной оценки гидродинамических параметров СМК;
кинетические закономерности экстракции инактивных и поверхностно-активных веществ, протекающей в условиях СМК из органических растворителей водным раствором гидроокиси натрия через сферическую границу раздела фаз при различных направлениях массопередачи (из капли и в каплю) в период каплеобразования и период «свободного» движения капли при варьировании физико-химических факторов;
расчетные и экспериментальные данные по количественной оценке степени извлечения (насыщения) в период каплеобразования и период «свободного» движения капли для процесса массопередачи с химической реакцией в условиях СМК;
- кинетические закономерности односторонней совместной массопередачи
двух веществ в многокомпонентной системе в условиях СМК через плоскую,
сферическую границы раздела фаз и в условиях стесненного движения;
- результаты исследований кинетики массопередачи с химической реакцией в
условиях СМК в лабораторных, опытных и промышленных гравитационных
экстракторах;
методика расчета промышленных экстракционных колонн, в которых процесс массопередачи с химической реакцией в системе жидкость-жидкость протекает в условиях СМК;
технология двухступенчатой очистки технического 2,4-дихлорфенола от изомеров, основанная на реализации эффекта СМК.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на X Всероссийской научно-технической конференции по экстракции (Уфа, 1994 г.), на Всероссийской научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии» (Уфа, 1996 г.), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Реформы, техника и новые технологии» (Екатеринбург, 1996 г.), на XI Российской конференций по экстракции (Москва, 1998 г.), на Международном симпозиуме «Селективная экстракция» (Москва, 1998 г.), на 13 Международном конгрессе по химической технологии «CHISA'98» (Прага, 1998 г.), на Международном симпозиуме «Процессы
10 экстракции в XXI веке» (Москва, 1999 г.), на Международной конференции «Физика жидких веществ: современные проблемы» (Киев, 2001 г.), на II Международной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии» (Уфа, 2001 г.), на XII Российской конференции по экстракции (Москва, 2001 г.), на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск 2003 г.), на XIII Российской конференции по экстракции (г. Москва, 2004 г.); на III Международной конференции «Экстракция органических соединений - 2005» (Воронеж, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, в том числе 25 статей, 20 тезисов докладов, 2 патента на полезную модель, 2 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Содержание диссертации изложено на 389 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков и 113 таблиц. Список литературы содержит 238 наименований.
