Влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции через сферическую границу раздела фаз Лаврова Лариса Юрьевна

Содержание к диссертации

1. Массообмен в условиях самопроизвольной межфазной конвекции (СМК) 11

1. Самопроизвольная межфазная конвекция 11

2. Экспериментальные методы обнаружения и исследования СМК 15

3. Условия возникновения самопроизвольной межфазной конвекции 17

4. Массопередача с химической реакцией в условиях СМК 21

1.5'. Перенос вещества в период образования капли. «Концевые эффекты» 26

4| 1.6. Вывод и постановка задач исследования 30

2. Исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией

в условиях СМК 32

2.1. Методическая часть 32

5. Выбор объектов исследования 32

6. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента 34

2.1.3. Методика обработки экспериментальных данных по изучению
Ф массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях

межфазной конвекции ........; 37

2.1.3.1. Обработка экспериментальных данных при массопередаче

с быстрой химической реакцией в период образования капли

в условиях СМК 40

2.1.3.2. Обработка экспериментальных данных при переносе вещества
с быстрой химической реакцией в период «свободного»

движения капли 41

(± 2.2. Экспериментальная часть 47

2.2.1. Обоснование «диффузионной» области протекания процесса.

Выбор высоты колонны и времени каплеобразования 47

2. Экстракционные системы и параметры при исследовании влияния величины межфазного натяжения 51

3. Экстракционные системы и параметры при исследовании влияния поверхностной активности переносимого вещества 53

4. Экстракционные системы и параметры при исследовании влияния концентраций переносимого вещества и связующего реагента 54

5. Экстракционные системы и параметры при исследовании влияния вязкости отдающей и принимающей фаз 60

2.3. Обнаружение и идентификация межфазной конвекции при массопередаче

с быстрой химической реакцией через сферическую границу раздела фаз 62

2.4. Выводы 71

3. Исследование физико-химических параметров экстракционных систем на процесс
массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК

в период каплеобразования 72

1. Влияние межфазного натяжения системы на величину «концевого эффекта» ... 72

2. Влияние поверхностной активности переносимого вещества на величину «концевого эффекта» 76

3. Влияние начальной концентрации переносимого вещества на величину «концевого эффекта» 78

4. Влияние концентрации связующего реагента на величину «концевого эффекта» 82

5. Влияние вязкости отдающей и принимающей фаз на величину

«концевого эффекта» 85

6. Влияние направления массопередачи (из капли, в каплю) на величину «концевого эффекта» 88

7. Выводы 90

4. Исследование физико-химических параметров экстракционных систем

на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК

в период «свободного» движения капли 91

4.1. Влияние межфазного натяжения системы на массопередачу с быстрой хими-

ческой реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли 91

4.2. Влияние поверхностной активности переносимого вещества на массопередачу

с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного»
движения капли 95

4.3. Влияние начальной концентрации переносимого компонента на параметры

массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК

в период «свободного» движения капли 98

4.4. Влияние концентрации связующего реагента на параметры массопередачи

с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного»
движения капли 108

4.5. Влияние вязкости отдающей и принимающей фаз на параметры массопередачи

с быстрой химической реакцией в условиях СМК во время «свободного»
движения капли 111

4.6. Выводы 115

Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией
вусловиях СМК через сферическую границу раздела фаз 116

1. Математическое описание процесса массопередачи в условиях СМК 116

2. Моделирование процесса массопередачи в условиях СМК

через сферическую границу раздела фаз 117

5.2.1. Расчет процесса массопередачи с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в период каплеобразования 120

5.2.2. Расчет процесса массопередачи с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в период «свободного» движения капли 122

5.3. Выводы 135

Исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в колонных экстракторах 136

6.1. Закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в распылительной колонне 138

3. Методика исследования массопередачи с быстрой химической реакцией врежиме СМК в распылительной колонне 138

4. Методика обработки эксперимента по изучению массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК

в распылительной колонне 141

6.1.3. Исследование массообмена с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в распылительной колонне 142

6.2. Закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в тарельчатой колонне 145

6.2. Г. Методика исследования массопередачи с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в тарельчатой колонне 148

6.2.2. Методика обработки эксперимента по изучению массопередачи
с быстрой химической реакцией в условиях СМК

в тарельчатой колонне 150

6.2.3. Исследование массообмена с быстрой химической реакцией

в условиях СМК в тарельчатой колонне 152

6.3. Интенсификация массообмена путем применения СМК при очистке

тетрахлорэтилена от технического дихлорфенола 156

6.3.1. Регенерация тетрахлорэтилена в процессе получения

очищенной 2,4- дихлорфеноксиуксусной кислоты 157

6.3.2. Массопередача технического дихлорфенола через сферическую

границу раздела фаз 158

6.4. Выводы 161

Заключение 162

Список литературы 164

Приложение 176

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Буквенные обозначения:

Аь - степень извлечения (насыщения), %;

с - движущая сила процесса, кмоль/м³;

с_Кр - критическая движущая сила, кмоль/м³;

со - начальная концентрация переносимого вещества, кмоль/м³;

c(h) - изменение концентрации переносимого вещества по высоте колонны, кмоль/м³;

c(t) - текущая концентрация переносимого вещества, кмоль/м³;

c(to6_P) - концентрация переносимого вещества в капле в момент ее отрыва от

диспергирующего капилляра, кмоль/м ; Ссв.р. - концентрация связующего реагента, кмоль/м³; c_CB.p.(t) - текущая концентрация связующего реагента, кмоль/м³; Севр. (to6p) - концентрация связующего реагента в капле в момент ее отрыва от

диспергирующего капилляра, кмоль/м³; ^си р. ~ критическая концентрация связующего реагента, кмоль/м³;

D - коэффициент молекулярной диффузии, м²/с;

d - диаметр, м;

d_sv - поверхностно-объемный диаметр капли, м;

do - внутренний диаметр диспергирующего капилляра, м;

Eh - значение «концевого эффекта», кмоль/м³;

Руд ^_ удельная поверхность контакта фаз в гравитационньк экстракторах, м²/м³;

f - площадь поперечного сечения колонны, м ;

вд - расход дисперсной фазы, м /с;

h - высота колонны, м;

j - удельный поток переносимого вещества, кмоль/м²-с;

к - коэффициент массопередачи, м/с;

к_д - коэффициент массопередачи в «диффузионном» режиме, м/с;

кемк - интенсивность СМК, м /кмоль-с;

kmax - максимальный коэффициент массопередачи, м/с;

I - характерный линейный размер, м;

Шкапли - масса капли, кг;

то - масса отобранной пробы, кг;

8уд - удельная межфазная поверхность в опытах на одиночной капле, м²/м³;

7 t - время процесса, с; to6_P - время каплеобразования, с; t_OT - время «свободного» движения капли, с; и_да - скорость движения капли, м/с;

Uo - скорость истечения жидкости из диспергирующего капилляра, м/с; Van. - объем аппарата, м³;

'У

Удф - объем дисперсной фазы, м ;

V_cn.<{) - объем сплошной фазы, м ;

V_Kan. - объем фазы в каплях, м³;

V_Tap - объем фазы на тарелках экстрактора, м ;

W - скорость массопередачи, кмоль/м³-с;

до/дс - поверхностная активность переносимого вещества, Дж-м/кмоль;

6i - относительная погрешность, %;

Ф - удерживающая способность колонны;

\х\ - динамическая вязкость отдающей фазы, Па-с;

Ц2 - динамическая вязкость принимающей фазы, Па-с;

vi - кинематическая вязкость отдающей фазы, м /с;

V2 - кинематическая вязкость принимающей фазы, м /с;

v_M - мольный объем вещества, м ;

pi - плотность отдающей фазы, кг/м ;

р2 - плотность принимающей фазы, кг/м ;

Ркапли - плотность капли, кг/м³;

сто - межфазное натяжение системы в отсутствии переносимого вещества, Н/м;

<т_х - среднеквадратическое отклонение;

Буквенные аббревиатуры:

ВЕП - высота единицы переноса;

ПАВ - поверхностно-активное вещество;

СМК - самопроизвольная межфазная конвекция;

ЧЕП - число единиц переноса.

Введение к работе

Одним из важнейших разделов современной науки являются процессы переноса массы вещества, имеющие большое практическое значение не только для химической промышленности, но и для фармацевтической, пищевой, парфюмерно-косметической, легкой, металлургической. Особое значение приобретают вопросы массообмена в реактивной, ракетной технике, в технологии переработки отходов атомной энергетики [1,2].

Важно отметить, что законы, управляющие процессами переноса массы в химической технологии могут с успехом применяться в других отраслях промышленности. Характерной особенностью развития науки и техники в настоящее время является перенесение новейших методов и конструктивных решений из одной отрасли промышленности в другую. Это дает возможность коренным образом изменять технологический процесс, создавать новые способы производства материалов и изделий. Законы в теории массообмена, включающие в себя комплекс научных знаний из гидродинамики, молекулярной физики, термодинамики и физико-химии взаимодействующих сред, являются научной основой многих теплоэнергетических процессов. Это в свою очередь позволяет не только обеспечить высокоэффективную эксплуатацию промышленных установок, но и получить экономичные проектные решения [3].

В числе наиболее актуальных проблем химической технологии всегда стояли и будут стоять задачи по моделированию, интенсификации технологических процессов и повышению эффективности химических производств. В качестве одного из путей интенсификации процессов массообмена может быть использовано явление самопроизвольной межфазной конвекции (СМК) [1, 4]. В случае массопередачи в системах жидкость - жидкость это явление сопровождается интенсивными движениями жидкости (пульсацией, волнообразованием и прочее) вблизи межфазной границы, способствующими быстрому обновлению поверхности и, как результат, значительному увеличению скорости массопередачи.

Не смотря на то, что самопроизвольная межфазная конвекция может играть значительную роль в процессах переноса массы через свободную границу поверхности жидкости, характер влияния физико-химических свойств экстракционных систем на скорость массопередачи с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз в условиях СМК недостаточно изучен, не систематизирован, порой противоречив и требует дополнительного и более детального исследования. В литературе практически нет моделей для расчета скорости массопередачи в условиях СМК, уравнений, отражающих взаимосвязь интенсивности СМК с физико-химическими параметрами экстракционных систем и позволяющих количественно оценить условия возникновения межфазной нестабильности и интенсивность самопроизвольной межфазной конвекции.

Кроме того, влияние физико-химических параметров на условия возникновения и интенсивность СМК при экстракции в основном изучалось на плоской границе раздела фаз, оставляя «в тени» решение задач по переносу веществ через сферическую границу раздела фаз. Однако массопередача через сферическую межфазную поверхность, с точки зрения теории, является одной из наиболее сложных задач химической технологии.

Закономерности массопередачи еще более усложняются при наличии в системе химической реакции. Основным препятствием дальнейших исследований в этом направлении является отсутствие информации по влиянию физико-химических параметров экстракционных систем на условия возникновения межфазной нестабильности и интенсивности СМК при массопередаче с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз.

Здесь особый интерес представляет изучение влияния основных физико-химических факторов на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности при различном направлении переноса вещества (из капли, в каплю), а также массообмен в период образования дисперсной фазы, так назьшаемый «концевой эффект», где в условиях СМК может переноситься значительная доля переносимого компонента и перенос вещества в период «свободного» движения капли.

В литературе практически отсутствуют данные о закономерностях массопередачи с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности в условиях стесненного движения группы капель, поэтому не менее важно выявить закономерности массообмена с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности в экстракционных аппаратах, так как массопередача с химической реакцией широко применяется в технологических процессах многих отраслей промышленности, главным образом при разделении компонентов методом жидкостной экстракции [5].

Представленная диссертационная работа включает в себя 6 глав. В первой главе описано современное состояние исследований в области массопередачи в режиме межфазной неустойчивости в системе жидкость - жидкость. Отражены новейшие экспериментальные методы обнаружения СМК, рассмотрены условия ее возникновения, представлены последние исследования в области массопередачи с химической реакцией в режиме межфазной нестабильности, затронуты вопросы переноса вещества, как в период «свободного» движения капли, так и во время образования капли, поставлены задачи, требующие решения для успешного использования явления СМК в процессах жидкостной экстракции.

Во второй главе приведено обоснование методов и объектов исследования, подробно описаны методики обработки экспериментальных данных.

Третья глава работы посвящена изучению влияния основных физико-химических параметров экстракционных систем (межфазное натяжение в отсутствии переносимого вещества, поверхностная активность переносимого компонента, концентрационные уровни переносимого вещества и связующего реагента, вязкости взаимодействующих фаз, направление переноса вещества) на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период каплеобразования.

В четвертой главе показано исследование влияния основных физико-химических факторов на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях межфазной конвекции в период «свободного» движения капли. Применение современных компьютерных средств для обработки экспериментальных данных позволило получить регрессионные уравнения, позволяющие количественно оценить изменение начальной концентрации переносимого вещества от времени контакта фаз для всех исследуемых систем.

Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК через сферическую границу раздела фаз представлено в пятой главе. С помощью компьютерной программы STATISTICA подобраны эмпирические коэффициенты модели, произведен математический расчет степени извлечения (насыщения) для двух периодов: каплеобразования и «свободного» движения капли. Здесь же проведено сравнение теоретических значений с экспериментально полученными данными.

В шестой главе представлены исследования закономерностей массообмена с быстрой химической реакцией в условиях межфазной конвекции в гравитационных экстракторах. Изучено влияние СМК на эффективность работы аппаратов на примере распылительной и тарельчатой экстракционных колонн. Отражены результаты промышленного внедрения лабораторных исследований.

Автор признателен всем сотрудникам научной группы под руководством д.т.н., профессора Ермакова А.А. за оказанную помощь и ценные советы в проведении экспериментальных исследований.

Похожие диссертации на Влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции через сферическую границу раздела фаз

Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекцииСтепанов Владимир Александрович

Массопередача с химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции в процессах жидкостной экстракцииЕрмаков Сергей Анатольевич

Влияние диффузионных сопротивлений на массопередачу с быстрой химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции в процессе жидкостной экстракцииВайсов Дмитрий Вильданович

Повышение эффективности ультразвуковых процессов и аппаратов на базе согласования параметров компонентов электроакустических систем и технологических средСавин Игорь Игоревич

Математическое моделирование гидродинамики, кинетики процессов массопередачи и накопления биомассы для системы аппаратов аэротенк-отстойник-рециклЦзян Чжицян

Предпроектная разработка технологических аппаратов и систем при переменных параметрах сырьяГалеев Эльдар Рафаилович

Методы расчета и аппаратурное оформление процессов в системах с жидкой фазой, протекающих при понижении давления парогазовой средыЛашков Вячеслав Александрович

Интерактивное моделирование и проектирование химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности : на примере реакторных установок синтеза азокрасителейИгнатьева Наталья Владимировна

Система моделирования процессов производства бензинов на основе учета реакционной способности углеводородов сырьевых потоков и активности катализатораКиргина Мария Владимировна

Моделирование совмещенных процессов термообработки гетерогенных систем, интенсифицированных комбинированным подводом энергииЗуева Галина Альбертовна