Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований в области массообмена 8
В условиях самопроизвольной межфазной конвекции (СМК) 8.
1.1. Условия возникновения межфазной неустойчивости 8
1.2 массообмен в условиях смк 16
1.3. Экспериментальные методы обнаружения и исследования СМК 21
1.4. Существующие математические модели и их применимость для описания
Процесса массопередачи в условиях смк 23
Глава 2. Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях смк через плоскую границу раздела фаз 30
2.1.1. Выбор объектов исследования 30
2.1.2.. Методика проведения эксперимента на плоской границе раздела фаз 34
2.1.3. Методика обработки экспериментальных данных и обнаружения смк при массопередаче с химической реакцией через плоскую границу раздела фаз 36
2.1.4. Выбор определяющих параметров массопередачи с химической реакцией 47
В условиях смк 47
2.2. Моделирование процесса экстракции с быстрой химической реакцией в
Условиях смк через плоскую границу раздела фаз 51
2.2.1. Разработка математической модели и определение эмпирического коэффициента в 51 '
2.2.2. Расчет процесса массопередачи с химической реакцией в условиях смк при изменении физико-химических параметров системы 60
2.3. Выводы 73
ГЛАВА 3. Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях смк через сферическую границу раздела фаз 74
3.1. Экспериментальная и методическая часть : 74
3.1.1. Выбор объектов исследования 74
3.1.2.Методика проведения эксперимента на сферической границе раздела фаз 76
3.1.3. Методика обработки экспериментальных данных и обнаружения смк при массопередаче с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз 78,
3.1.4. Выбор области протекания процессов в условиях смк. Высоты колонны и времени каплеобразования 87
3.2. Моделирование процесса экстракции с быстрой химической реакцией в условиях смк через сферическую границу раздела фаз 91
3.2.1. Разработка математической модели и определение эмпирического коэффициента в 91
3.2.2. Расчет процесса массопередачи с химической реакцией в условиях смк через сферическую границу раздела фаз при изменении физико-химических параметров системы 96
3.3. Выводы 106
Глава 4. Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях смк в колонных экстракторах 107
4.1. Закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях Смк в распылительной колонне 109
4.1.1. Методика исследования массопередачи с быстрой химич еской реакцией в условиях смк в распылительной колонне 109
4.1.2. Методика обработки эксперимента по изучению массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях смк в распылительной колонне 112
4.2. Закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях Смк в тарельчатой колонне 114
4.2.1, методика исследования массопередачи с быстрой химической реакцией в Условиях смк в тарельчатой колонне 114
4.2.2. Методика обработки эксперимента по изучению массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности в тарельчатой колонне 117
4.3. Постановка задачи и вывод модели для тарельчатой колонны 119
4.4. Постановка задачи и вывод модели для распылительной колонны 127
4.5. Исследование влияния физико-химических параметров экстракционной системы и гидродинамической обстановки на кинетику массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях смк при стесненном движении группы капель.. 132
4.6. Выводы 150
ГЛАВА 5. Моделирование массопередачи при очистке технического 2,4-дихлорфенола в тарельчатой колонне на основе промышленного производзства аминной соли 151
2,4 - Дихлорфеноксиуксусной кислоты 151
5.1. Экстракция 2,6 - ди и 2,4,6 -трихлорфенолов из пхэ раствора хлофенолв в тарельчатой колонне 151
5.2. X - образная струенаправленая насадка 152'
5.3. Исходные данные и моделирование процесса экстр акции 153
Выводы
Закладка не определена.
Список литературы
- Экспериментальные методы обнаружения и исследования СМК
- Методика обработки экспериментальных данных и обнаружения смк при массопередаче с химической реакцией через плоскую границу раздела фаз
- Выбор области протекания процессов в условиях смк. Высоты колонны и времени каплеобразования
- Методика исследования массопередачи с быстрой химич еской реакцией в условиях смк в распылительной колонне
Введение к работе
Актуальность работы. Важной задачей химической технологии является интенсификация массообменных процессов (экстракция, ректификация, абсорбция и др.) Поэтому для снижения материало-энергозатрат и времени, отводимого на процесс можно успешно использовать самопроизвольную межфазную конвекцию (СМК), вызванную эффектом Марангони. Эффектом Марангони называют движение жидкости на поверхности раздела фаз, обусловленное градиентами межфазного натяжения, возникающих за счет градиентов концентраций или температур при массотеплопередаче. Особенностью межфазной конвекции является то, что СМК возникает и развивается без подвода энергии к системе. Физико-химические параметры, ответственные за возникновение СМК, воспроизводимы при существующих технологических режимах и могут варьироваться для изменения кинетики СМК под заданные условия производства.
Накоплено много материала по исследованию влияния физико-химических параметров экстракционньж систем на условия возникновения и интенсивность СМК при массопередаче через плоскую и сферическую границу раздела фаз. В промышленных условиях массопередача, как правило, осуществляется через сферическую границу раздела фаз в гравитационных экстракторах в режиме стесненного движения капель. Исследования же массопередачи в условиях СМК через сферическую и плоскую межфазную поверхность показали идентичность физико-химических параметров, отвечающих за возникновение и развитие СМК.
На данный момент не существует модели массопередачи в режиме СМК с быстрой химической реакцией, применимой, как к плоской и сферической границе, так и к промышленным экстракторам, что является основным препятствием при внедрении явления СМК в технологические процессы. Особый интерес представляет нахождение модели отражающей влияние основньж физико-химических факторов экстракционньж систем на массопередачу с быстрой химической реакцией в условиях СМК.
В литературе практически отсутствуют данные о закономерностях массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности в условиях стесненного движения группы капель. В этой связи важным является нахождение модели с минимумом эмпирически определяемых параметров, для
4 расчета закономерностей переноса вещества с быстрой химической реакцией в условиях СМК в экстракционных аппаратах.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетной НИР №1336 «Разработка научных основ, способов интенсификации массообменных процессов и аппаратов».
Цель работы. Создание модели для расчета кинетики массопередачи с химической реакцией в условиях СМК. Разработка инженерной методики расчета экстракционных гравитационных колонн. Исследование закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в гравитационных экстракторах с учетом гидродинамики.
Задачи исследования.
-
Разработать математическую модель процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной конвекции для плоской и сферической границы раздела фаз.
-
Разработать методики обработки экспериментальных данных, позволяющие выявить влияние определенного физико-химического параметра системы на процесс массопередачи в условиях СМК.
-
Исследовать адекватность полученной математической модели с экспериментальнымиданными.
-
На основе математической модели разработать инженерные методики для расчета технологических параметров гравитационных экстракторов, работающих в режиме СМК.
Методы выполнения работы. Работа выполнена с использованием современных компьютерных программ. Для проведения общих математических расчетов использована программа MathCad. Статистическая обработка проведена с использованием специальных компьютерных систем анализа данных статистических пакетов NCSS (фирма «NCSS Statistical Software») и STATICTICA (фирма «StatSoft Inc»). Пакет NCSS применен для аппроксимации двухэкспоненциальной функцией экспериментальных данных и идентификации коэффициентов уравнения регрессии. Пакет STATICTICA использовали для графически- ориентированного подхода к анализу данных на этапах оценки
5 адекватности математической модели (визуальное оценивание параметров регрессионных кривых, оценка остатков на плоскости и др.). Научная новизна.
-
Разработана полуэмпирическая модель для массопередачи с химической реакцией в условиях СМК через плоскую и сферическую границу раздела фаз. Определены эмпирические коэффициенты для ряда экстракционньж систем, широко используемых в производстве.
-
На основе полученной модели, получены кинетические уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности через сферическую границу раздела фаз в режиме стесненного движения капель.
-
Получена математическая модель массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК с учетом влияния продольного перемешивания в гравитационных экстракторах.
-
На основе математической модели установлены новые закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией при различных гидродинамических режимах и физико-химических параметрах экстракционньж систем.
Практическая значимость. Получена полуэмпирическая модель, учитывающая влияние физико-химических параметров экстракционньж систем на шссопередачу с быстрой химической реакцией в условиях СМК для плоской границы раздела фаз и периода «свободного» движения капли. Модель может быть использована при проведении научных экспериментов по изучению конвективной массопередачи через сферическую границу раздела фаз. Инженерная методика расчета технологических параметров может быть использована при проектировании процессов экстракции с химической реакцией в промышленных системах, протекающих в условиях СМК.
Реализация результатов. Полуэмпирическая модель массопередачи с химической реакцией в условиях СМК может применяться научными и проектными институтами для исследования режимов процессов экстракции с химической реакцией, с целью определения оптимальных параметров процесса.
Разработанная методика инженерного расчета промышленных экстракционньж колонн, в которьж процесс экстракции с химической реакцией
протекает в условиях СМК, принята для расчета при проектировании тарельчатых колонн проектным отделом института «СвердНИИхиммаш» г.Екатеринбург, Уральским научно-исследовательским институтом с опытным заводом «УНИХИМ 03» г.Екатеринбург.
Методика была апробирована при исследовании и проектировании процесса очистки 2,4 дихлорфенола на Государственном Унитарном Предприятии Опытный Завод Академии Наук Республики Башкортостан г. Уфа. Автор выносит на защиту.
-
Полуэмпирическую модель кинетики массообмена с быстрой химической реакцией в условиях СМК через плоскую границу раздела фаз.
-
Полуэмпиририческую модель кинетики массообмена с быстрой химической реакцией в условиях СМК через сферическую границу раздела фаз в период свободного движения капли.
3. Уравнения для расчета профиля концентраций в колонных экстракторах при массопередаче с быстрой химической реакцией в условиях СМК при стесненном движении капель.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены на: Научно-практической конференции (г. Екатеринбург, 2003 г.); Всероссийской научной конференции молодьж ученьж (г. Новосибирск 2003г.); XIII Российской конференции по экстракции (г. Москва, 2004 г.); VIII Всероссийской конференции молодьж ученьж (г. Новосибирск, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Диссертационная работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 27 таблиц. Список литературы содержит 128 наименований.
Экспериментальные методы обнаружения и исследования СМК
Для обнаружения и исследования СМК в настоящее время используются следующие основные методы: визуальные, оптические, кинетические, метод «сильных ПАВ» и метод тест-массопередачи.
Явление СМК сопровождается видимой нестабильностью поверхности, проявляющейся в виде волн, эрупций, ячеистой конвекции [75]. Отсюда одним из первых методов обнаружения и качественного исследования СМК был метод визуального наблюдения [76-78], который применяется и в настоящее время. В дальнейшем широкое распространение получил способ введения в исследуемую систему отражающих или рассеивающих свет твердых частиц (графит, тальк, алюминиевый порошок, мелкодисперсные частицы целлюлозы) с последующей регистрацией их перемещения визуально, на фото или видео [79, 80]. Введенные частицы при наличии СМК интенсивно перемещаются, либо остаются неподвижными при ее отсутствии.
Прогресс в качественном исследовании СМК был достигнут с использованием более надежных оптических методов, использующих высокочувствительную оптическую технику и позволяющих проводить исследования межфазной неустойчивости, не внося каких-либо дополнительных возмущений в систему и без изменения физико-химических свойств среды. При наличии СМК возникающая оптическая неоднородность приводит к определенному возмущению светового луча (метод Теплера) [81-84], смещению точки падения луча на экране (теневой метод) [84-86], изменению времени достижения лучом определенной точки пространства (интерферометрический метод) [87—90]. Оптические методы позволили исследователям получить качественные закономерности развития самопроизвольной межфазной конвекции, провести исследование стационарных полигональных ячеек и определить их средний размер [82], наблюдать развитие вращательной ячейки [83, 84, 86]. Из более поздних работ по экспериментальному исследованию межфазного массопереноса оптическими методами, хотелось бы выделить следующие [91, 92]. В этих работах описано применение целого комплекса новейших оптических методов для систем газ-жидкость и жидкость-жидкость: корреляционная спектроскопия (использовалась для определения характерного времени начала и прекращения СМК), голографическая интерферометрия в режиме реального времени (для регистрации концентрационных полей во всем объеме), поляризационная микроскопия (для исследования микропотоков на межфазной границе с максимальным увеличением), модифицированный метод спектроскопии поверхностных флуктуации (для наблюдения возникновения и развития микронеоднородностей при протекании химической реакции па поверхностных слоях), позволяющих с высокой степенью точности передать картину переноса вещества в двухфазных системах во всем спектре пространственных масштабов движения: от диффузионных микромасштабов через характерные генетические мезомасштабы самоорганизованных ячеек до макромасштабов, типичных для аппарата как целого.
Для обнаружения и исследования СМК широко используются и кинетические методы, заключающиеся в анализе изменения различных концентрационных параметров во времени путем обработки экспериментальных кинетических данных. Рядом исследователей [93-96] показано, что характер изменения коэффициента массопередачи (к) в ходе процесса экстракции позволяет надежно определить наличие в системе СМК. При наличии СМК коэффициент массопередачи (к) значительно превышает коэффициент массопередачи в «диффузионном» режиме (кд) и понижается со временем к — кд. В отсутствии межфазной нестабильности коэффициент массопередачи (к) имеет постоянное значение равное коэффициенту массопередачи в «диффузионном» режиме k = кд (диффузионно-конвективный механизм). Существует и другой надежный кинетический способ обнаружения межфазной конвекции, который заключается в построении зависимости W = f (с), где W - скорость массопередачи, с - движущая сила процесса. Отклонение от линейной зависимости свидетельствует о наличии СМК [97]. Известен и ряд других графоаналитических способов обнаружения СМК, подробно описанных в работах [98, 99]. Кинетические методы надежны и, в отличие от визуальных и оптических, могут быть использованы при любой форме межфазной границы и различной интенсивности вынужденной конвекции.
В ряде работ [100-104] доказано, что межфазную неустойчивость можно устранить введением в систему сильных поверхностно-активных веществ. Этот факт используется для обнаружения режимов массопередачи, он получил название метода «сильных ПАВ». При этом сравнивают значения коэффициентов массопередачи, определенные в отсутствии ПАВ и при их наличии в системе. Если в отсутствии сильных ПАВ есть область где к кд, а при добавлении ПАВ она исчезает, т.е. к = кд, то можно говорить о наличии межфазной нестабильности на границе фаз в ходе экстракции без ПАВ.
В последнее время для обнаружения СМК используется тест-массопередача (или трассерный метод), основанный на изучении кинетических закономерностей совместной массопередачи целевого компонента и трассера [105-107].
Методика обработки экспериментальных данных и обнаружения смк при массопередаче с химической реакцией через плоскую границу раздела фаз
Полученные экспериментальные данные были представлены в виде кинетических зависимостей в координатах «концентрация переносимого вещества продолжительность процесса». Кинетические кривые аппроксимировали двухэкспоненциальной функцией: c(t) = А-еш + C.eDt, (2.2) , где c(t) - текущая концентрация переносимого реагента в отдающей фазе, кмоль/м3; t - время процесса, с; А, В, С, D - параметры двухэкспоненциальной функции
График двухэкспоненциальной функции (2.2) пересекает ось ординат в точке с(0) и асимптотически приближается к оси абсцисс.
Применение двухэкспоненциальной функции для анализа массопередачи с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности, на плоской границе раздела фаз апробировано и дало хорошие результаты.
По полученным в результате аппроксимации кинетических зависимостей данным определяли значения концентрации переносимого вещества в определенный момент времени с(0.
Необратимость химической реакции означает, что химический потенциал переносимого вещества в принимающей фазе равен нулю. Следовательно, движущая сила процесса (разность химического потенциала переносимого вещества в отдающей и принимающей фазах) равна химическому потенциалу переносимого реагента в отдающей фазе, то есть текущей концентрации переносимого вещества в объеме отдающей фазы Ac(t) = c(t).
В проведенных экспериментах проводили реакцию нейтрализации (быстрая химическая реакция), поэтому можно утверждать, что скорость химической реакции значительно превышает скорость массопередачи через межфазную поверхность. При стехиометрическом избытке связующего реагента в водной фазе химическое взаимодействие протекает на границе раздела фаз, соответственно процесс проходит при лимитирующем сопротивлении отдающей фазы в «диффузионной» области, т.е. коэффициент массопередачи равен коэффициенту массопередачи в отдающей фазе. Так как в исследуемых экстракционных системах массопередачу с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности осуществляли из лимитирующей фазы, то коэффициент массопередачи рассчитывали по формуле: 1:= dc(t) 1 dt sya-c(t) (23) dc(t) где скорость массопередачи; c(t) - движущая сила процесса, по условию эксперимента равная значению текущей концентрации переносимого вещества в объеме отдающей фазы; Зуд — удельная поверхность контакта фаз.
Рассчитанные по уравнению (2.3) значения коэффициентов массопередачи представляли графически в координатах «коэффициент массопередачи - движущая сила процесса». Полученные зависимости позволяли судить о режиме, в котором протекает процесс массопередачи, а также о величине интенсивности процесса - Кс„к представляющей собой угол наклона прямой относительно оси движущей силы процесса.
Обнаружение СМК на плоской границе раздела фаз при массопередаче с химической реакцией проводили следующими методами: «визуальным», «кинетическим», методом «сильных ПАВ» и интерференционным методом, эрупция
«Визуальным» методом контролировали наличие волн и эрупций на межфазной поверхности, которые были сфотографированы и сняты на видео в опытах по массопередаче с химической реакцией в условиях СМК. На рис. 2.3. приведен «визуальный» метод обнаружения межфазной нестабильности. При протекании процесса массопередачи в «диффузионном» режиме (диффузионно-конвективный механизм), наблюдали ровную границу раздела фаз и спокойную межфазную поверхность (рис. 2.3. (а)). В случае протекания процесса массопередачи с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности наблюдали эрупций, и образование конвективных структур на границе раздела фаз и межфазной поверхности (рис. 2.3. (б)). Выводы, сделанные при анализе фотографий и видеозаписей, были подтверждены кинетическими зависимостями.
Обнаружение СМК «кинетическим» методом вели способом, который основан на построении кинетической зависимости «коэффициент массопередачи (к) - движущая сила процесса (с)». На кривой 1 (рис. 2.4) четко виден участок, где коэффициент массопередачи зависит от движущей силы процесса, что говорит о протекании процесса массопередачи в режиме межфазной нестабильности. Прямая 2, где такая зависимость отсутствует, соответствует «диффузионному» режиму.
Выбор области протекания процессов в условиях смк. Высоты колонны и времени каплеобразования
При проведении экспериментов по влиянию физико-химических свойств экстракционных систем на закономерности массопередачи в режиме межфазной нестабильности были использованы искусственные приемы изменения отдельно взятого физико-химического параметра в пределах одной экстракционной системы при постоянных или незначительных изменениях других характеристик (не более 5%). Все физико-химические свойства систем строго контролировались.
При исследовании влияния физико-химических параметров на условия возникновения і и интенсивность СМК встал вопрос определения области протекания процесса массопередачи (кинетическая, диффузионная).
Хатта предложил графический способ нахождения области протекания процесса. Остановимся подробнее на кривой Хатта, дающей возможность нахождения критической концентрации связующего реагента по зависимости «коэффициент массопередачи — концентрация связующего реагента». Наклонный участок (рис. 3.6, 3.7) соответствует «кинетической» области протекания процесса массообмена, переносимое вещество и связующий реагент взаимодействуют в некотором объеме экстрагирующей фазы. Участок, параллельный оси абсцисс соответствует протеканию процесса массопередачи в «диффузионной» области, т.е. химическое взаимодействие осуществляется на границе раздела фаз (коэффициент массопередачи не зависит от концентрации связующего реагента). Точка пересечения этих участков и есть критическая концентрация связующего реагента (Сса.р.кр), при которой происходит переход фазового сопротивления от принимающей фазы к отдающей. Фронт реакции смещается из объема фазы на границу раздела, процесс массопередачи с химической реакцией протекает в «диффузионной» области.
Как отмечалось ранее, при массопередаче с быстрой химической реакцией (при концентрации связующего реагента выше критической концентрации) общая скорость процесса должна лимитироваться скоростью переноса вещества в отдающей фазе. Для определения критических концентраций связующего реагента, при которых процесс протекает в «диффузионной» области были исследованы следующие экстракционные системы: «четыреххлористый углерод + масляная кислота (со = 0,5 кмоль/м3) - водный, раствор гидроокиси натрия», «четыреххлористый углерод + уксусная кислота (со = 0,5 кмоль/м3) — водный раствор гидроокиси натрия». Откладывая максимальные значения коэффициента массопередачи (к) от начальных концентраций связующего реагента (ссвр), получили кривую, тождественную кривой Хатта (рис 3.6, 3.7).
Как видно из рис. 3.6-3.7. увеличение начальной концентрации связующего реагента приводит к увеличению значений коэффициента массопередачи (сСвР. ссвр.кр), что объясняется приближением фронта химической реакции к границе раздела фаз, общее сопротивление процесса массопередачи переходит от принимающей фазы к отдающей. При концентрациях связующего реагента больше критической концентрации (ссв.р, сСв.р.кр) і коэффициент массопередачи имеет постоянное значение, что свидетельствует о протекании процесса массопередачи с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности в «диффузионной» области, общее сопротивление процессу переноса вещества лимитируется отдающей фазой.
Обоснование выбора высоты экстракционной колонны и времени каплеобразования проводили на системе «четыреххлористый углерод + масляная кислота (со = 0,48 кмоль/м ) — водный раствор щелочи (cCfl.p. = 2,01 кмоль/м )» (табл. 3.2).
Из табл. 3.2 видно, что с момента отрыва капли от диспергирующего капилляра коэффициент массопередачи уменьшается от значения k=4,52 х 10"4 кмоль/м3 при Ь=0,03м до значения k=l,69 х 10 4 кмоль/м3 при Ь=0,4м. На следующих высотах экстракционной колонны при п 0,4м перенос вещества осуществлялся в «диффузионном» режиме, коэффициент массопередачи не изменялся по высоте колонны, т.е. дальнейшее увеличение высоты h для изучения процесса массопередачи в режиме межфазной нестабильности не является целесообразным. Оптимальная высота экстракционной колонны составила 0,5м.
Как видно из табл. 3.2 время протекания процесса массопередачи в режиме, межфазной иестабильности составляет 2 секунды. В нашу задачу входил выбор времени каплеобразования, которое не превышало бы время существования СМК. Это время составило 0,3 с. Именно такое значение времени образования капли на конце диспергирующего капилляра составляет не более 10% от времени существования СМК.
Важнейшим предварительным разделом работы по моделированию процесса массопередачи, является правильная формулировка задачи, достоверная интерпретация выявленных закономерностей процесса. Но ни одна из существующих моделей принципиально не способна отразить оригинал полностью и всесторонне.
В процессе экспериментальной работы по исследованию явления СМК накопилось огромное количество материала по физике данного процесса. Поэтому целью данной главы явилось создание математической модели и проверке адекватности с опытными данными.
Рассмотрим постановку задачи для моделирования межфазной неустойчивости на сферической границе раздела фаз, вызванной градиентами межфазного натяжения.
В лимитирующей, (отдающей) фазе растворено вещество, обладающее поверхностно-активными свойствами, в принимающей - связующий реагент. Концентрация поверхностно-активных веществ достаточна для образования эффекта СМК. Скорость химической реакции на порядок превышает скорость подвода вещества к межфазной границе. Массопередача осуществляется через сферическую границу раздела фаз, в движущейся капле. Продукты реакции поверхностной активностью не обладают и в результате движения капли не оказывают влияния на процесс.
Принимая, что физика явления СМК для сферической границы подобна плоской межфазной поверхности (те же градиенты межфазного натяжения), то для моделирования процесса массопереноса модифицировано уравнение (2.15), использовавшееся для расчета интенсивности массопереноса через плоскую границу раздела фаз. Основным отличием от модели для плоской границы раздела фаз является то, что данная модель должна учитывать как гидродинамику при движении капли в сплошной среде, так и ее характерный размер. Исходя из того, что физика процесса возникновения и существования межфазной нестабильности для сферической границы раздела фаз подобна плоской границе, вывод уравнения для расчета коэффициента массопередачи можно опустить, взяв конечное, уравнение для расчета (2.15.).
Методика исследования массопередачи с быстрой химич еской реакцией в условиях смк в распылительной колонне
Тарельчатые колонны, как и все гравитационные экстракторы, отличаются простотой конструкции, обусловленной отсутствием движущихся частей. Но в большинстве случаев интенсивность массопередачи в них низка. Использование явления межфазной конвекции в тарельчатых колоннах интенсифицирует процесс массопередачи, значительно увеличивает их эффективность и сокращает высоту колонны.
Эксперимент проводили на стендовой установке, показанной на рис.4.2. Установка состояла из сборной стеклянной тарельчатой колонны высотой h=0,6 м, внутренним диаметром d=3,l 10 м, рабочим объемом Van = 4,41-Ю 4 м\ площадью поперечного сечения f = 7,548-10" м , сосуда Мариотта для дисперсной фазы (4), сосуда Мариотта для сплошной фазы (3), гидравлического затвора дисперсной фазы (8) и переливного патрубка для сплошной фазы (2). В состав тарельчатой колонны входило восемь стеклянных царг (5) высотой h=7,5-10 м, внутренним диаметром d=3,lT0" м, между которыми во фторопластовых уплотнениях были зажаты перфорированные тарелки (7) из нержавеющей стали толщиной 1,0 10"3 м, диаметром d=2,8 10"2 м, с 16 отверстиями диаметром d=l,0 10 3 м. Высота переливного патрубка для сплошной фазы составляла h=3,8-10 2 м, внутренний диаметр - d=3,0 10 м. Эксперимент проводили при температуре Т=20 С.
Сплошную фазу из сосуда Мариотта (3) самотеком подавали в нижнюю часть тарельчатой колонны и отводили из верхней части через переливной патрубок для сплошной фазы (2). Дисперсную фазу из сосуда Мариотта (4) противотоком к сплошной фазе подавали в верхнюю часть тарельчатой колонны и отводили из нижней части колонны через гидрозатвор (8). Диспергируемая фаза, проходя через отверстия ситчатых тарелок (7), многократно дробилась на капли. После взаимодействия со сплошной фазой капли коалесцировались, образуя слой жидкости па тарелках. Когда гидростатическое давление, слоя жидкости было достаточным для преодоления сопротивления отверстий тарелки, жидкость, проходя через отверстия тарелки, диспергировалась вновь. Тарельчатая колонна была оборудована системой пробоотборников (1), позволяющих отбирать пробы дисперсной фазы с каждой тарелки по высоте тарельчатой колонны. Высоту тарельчатой колонны отсчитывали от распределительной тарелки. За нулевую высоту лабораторной установки
(рис.4.2) принимали уровень зеркала межфазной поверхности на последней тарелке в нижней части колонны.
Перед началом эксперимента фазы взаимонасыщали, для исключения влияния массообмена растворителя на кинетические закономерности массопередачи переносимого вещества. Переносимое вещество растворяли в отдающей (органической) фазе, связующее -в водной. Перед проведением опыта фазы термостатировали 30 минут, чтобы исключить влияние температурного фактора.
Расходы фаз подбирали с таким расчетом, чтобы обеспечить скорость диспергирования благоприятную для образования равновеликих капель и удерживающую способность по дисперсной фазе ниже точки захлебывания. Объем дисперсной фазы в опыте составил Уд гОООмл, сплошной - Уеп.ф.=4000мл.
Пробы отбирали после выхода колоны на устойчивый режим работы. Содержание переносимого вещества в пробах определяли титрованием стандартным раствором гидроокиси натрия (индикатор фенолфталеин),
В конце эксперимента определяли общий объем дисперсной фазы (V m) и объем фазы на тарелках (VTap) методом отсечки. Для этого при работе колонны в установившемся режиме определяли объем скоагулировавшей жидкости на каждой тарелке, затем одновременно отключали экстрактор от всех коммуникаций и измеряли общий объем скоагулировавшей дисперсной фазы. По разнице объемов находили объем дисперсной фазы в каплях (VKan): VKan = VoCm - Утар (4.5)
Оценку воспроизводимости экспериментальных данных проводили многократным дублированием опытов. Расчет среднеквадратического отклонения и относительной погрешности эксперимента рассчитывали по известной методике, описанной во 2 главе. Погрешность экспериментальных данных не превышала 5%.
Полная поверхность контакта фаз (F) - это сумма поверхности контакта плоской (на тарелках) и сферической (в каплях) границ раздела фаз. Полную поверхность контакта фаз находили по формуле: 6-(v -V ) F=_L I + 7.FCB, (4.6) где У0бщ — общий объем дисперсной фазы в аппарате, м3; і j V-rap - объем фазы на тарелках, м ; dsv - средний поверхностно-объемный диаметр капли, м; Fce- площадь поперечного сечения тарельчатой колонны, м2. Средний поверхностно-объемный диаметр капель (dsv) находили по методике, описанной в п. 4.1.2.
Общий объем дисперсной фазы (У0дщ) и объем фазы на тарелках (VTap) определяли экспериментально.
Разница общего объема дисперсной фазы и объема на тарелках к единице объема колонны дает значение удерживающей способности (ф) аппарата.
Удельную поверхность контакта фаз рассчитывали как отношение поверхности контакта фаз к рабочему объему тарельчатой колонны: Т7 F F ал "ев где h - высота тарельчатой колонны, м; Vari - рабочий объем колонны, м3; F — поверхность контакта фаз, мг; FCB - площадь поперечного сечения колонны, м . Величину ВЕП находили по уравнению: BEn = KTV (4-8) УД х ев где Ga - расход дисперсной фазы, м /с; Руд - удельная поверхность контакта фаз, м /м ; К—коэффициент массопередачи, м/с. При экстракции с химической реакцией коэффициент распределения стремится к бесконечности, равновесие может наступить на границе лишь при 100%-ном извлечении и имеет смысл говорить об одной ступени экстракции, т.е. ЧЕП=1.
Как было отмечено ранее (п.4.1.2) величина ВЕП складывается из двух величин, соответствующих режиму межфазной нестабильности и «диффузионному» режиму, пропорционально количеству вещества, перенесенного в этих режимах: ВЕП0ещ = ВЕПСМк + ВЕПд. Величину ВЕПСМК рассчитывали при коэффициенте массопередачи равному среднему значению:
