автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Массообмен при физическом и химическом растворении твердых тел в условиях вакуума

Министерство образования Украины Государственный университет "Львовская политехника"

РГ6 ОД

На правах рукописи

1 9 ИЮН Ш5

Осман Атыя Эль-Хабиб

УДК 65.015.23:541.12.013

Массообмен при физическом и химическом растворении твердых тел в условиях вакуума

Специальность 05.17.03 - процессы, машины и аппараты химических и нефтеперабатьвающих производств

Автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук

Львов-1995

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре химической инженерии и промышленной экологии Государственного университета "Львовская политехника"

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Гумяицкий Ярослав Михайлович

Официальные оппоненты -доктор технических наук, профессор

Статюха Геннадий Алексеевич, кандидат технических наук Малеванный Мирослав Степанович

Ведущая организация -Государственный Научно-исследова-

тельский институт галургии, г.Калуш

Защита состоится "3® ^ 4995 года в 1590 час. на заседании

специализированного ученого совета Д 04.06.08 при Государственном

университете "Львовская политехника" по адресу: 290646, г.Львов-13, пл. Се.Юра 3/4, корп. 8, ауд. 339.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета "Львовская политехника" по адресу: г.Львов-13, ул. Профессорская, 1.

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь специализированного ^

ученого совета Д 04.0S.08 ,

доктор химических наук, профессор В-М. Жизневский

Общая характеристика работы

Актуальность . темы. Процессы растворения находят широкое применение в химической, пищевой, гидрометаллургической, цветной и других отраслях промышленности. Полное растворение сопровождается исчезновением твердой фазы, при этом поверхность уменьшается, а время растворения увеличивается. Проблема ускорения процесса растворения является весьма важной и достигается применением различных средств, .интенсифицирующих процесс.

' - , Большой сложностью отличается химическое растворение, особенно, когда оно сопровождается- образованием-побочных' фаз (твердой или газообразной). В случае процесса с газообразованием выделяющиеся пузырьки газа с одной стороны воздействуют на пограничный диффузионный слой жидкости, увеличивай» коэффициент массоотдачи, а с другой -экранируют поверхность от доступа жидкого реагента.

Рассмотрение основных методов интенсификации (ускорение потока жидкости, механическое перемешивание, создание кипящего слоя и др.) показывает, что весьма часто достижение , необходимой степени интенсификации связано со значительными энергетическими затратами.

Исследуемый в работе метод физического и химического растворения твердых неорганических и органических соединений в условиях вакуума позволяет за счет выделяющейся паровой фазы значительно ускорить растворение. При этом удаление части растворителя приводит к более высокой, концентрации раствора, например, хлорида калия в производстве калийных удобрений, что уменьшит энергетические затраты на последующую стадию выпаривания. Однако до настоящего времени ни в теоретическом плане! ни практически процессу растворения под вакуумом не уделялось внимания. Поэтому постановка - и экспериментальное исследование метода интенсификации созданием в системе вакуума является своевременным и актуальным.

Работа соответствует научному направлению кафедры химической инженерии и промышленной экологии "Исследование процессов массообмена в системах с твердой фазой". Диссертационная работа выполнялась по координационному плану Министерства образования Украины по проблеме 'Разработка безотходных технологий химических производств" (N2 посрегистрации 0194Ц029545),

Цель работы: теоретческое и экспериментальное исследование, массообмена при физическом и химическом растворении твердых неоргантеских и органических соединений в условиях вакуума; установление омегтескйх закономерностей данного промесса 1

• • - Научная новизна: - < - - . '

- установлены кинетические 'закономерности процессов физическогр и химического растворения-в- условиях вакуума' на примере-растворения единичных частиц из гипса, бензойной кислоты, хлорида калия и карбоната кальция; ' - . * > " , . \ - . ' ' '

- обосновано определение пульсационной компоненты скорости на основании теории локальной изотропной турбулентности; > .' .'

- обоснован , метод применения, вакуума для".' идентификации' области протекания процесса в случае химического растворения с газообразованием;'

- изучен процесс растворения сульфата кальция в слое под, вакуумом и разработана математическая модель процесса'; - '

решена задача-тепломассообмена при ' химическом взаимодействии " и найдены расчетные зависимости для определения температуры в • зоне -реакции; * * ', • -

- . установлены закономерности процесса1 растворения крупных твердых объектов хлорида натрия в условиях вакуума. - , * " .

Практическая ценность работы заключается, в применении вакуума для • интенсификации процессов физического и химического растворения. . ' Установлены критериальные' зависимости - для расчёта коэффициента : массоотдачи. Разработаны математические модели, позволяющие определить , технологические параметры процесса. Предложен алгоритм-расчета аппарата для растворения в условиях ваг.ума. Приведена энергетическая .'оценка' ' метода растворения в вакууме. Ре: ультаты работы могут быть использованы -■ научно-исследовательскими и проектными организациями при проектировании - узлов растворения. Работа алробована на АТ "Галичфарм" на узле , растворения хлорида натрия.

Апробация работы. . ' Материалы - 'диссертационной- работы докладывались на международной конференции по. химической' инженерии (Польша, Краков, стр.-319, 1994), региональной конференции' "Состояние и." перспективы развития химии и 'химической технологии в Западных областях Украины" (Львов, стр.-106, 1994), научно-практических. конференциях Государственного университета "Льаовсдея политехника" (1993-94 г,г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 работы, из них 1 тезисы докладов. '" •

Выносимые на защиту положения:

- применение вакуума как средства интенсификации процессов растворения твердых веществ; - ,, .

- кинетические закономерности физическогр и химического растворения в вавдме;

- применение вакуума как метода идентификации .диффузионной или кинетической области при *имическом растворении ■ твердых тел, сопровождающемся газовыделением. \

-- математическую модель процзсса' растворения твердых тел в слоевых, аппаратах;1 ^ - ' _ . _ -

- Энергетическую оценку^ метода .применения вакуума для интенсификации процессов растворений. • • ..J , ' < . ' '

' Структура и объем .работы. Диссертация'' состоит" из введения, пяти разделоё,. выводов,, списка литературы, и приложения.- Диссертация изложена -на„140 странц|_!дх машинописного текста. вклгочает 22 рисунка и & таблиц. Список литературы насчитывает. .120 источников^ • (

ч' 1 _ Основное содёржаНиё работы -' Bf. первом раздел» приведен- анализ ■ современного состояния массообмена в системе твердое^ тело -- жидкость наосновании обзора литёратуры/ Рассмотрены мЬтоды' интенсификации, массообмена, среди которых выделён, метод введения инертного- газа в систему. твердое тело -жидкость,, как' аналог - процесса вакуу мир<5вдн, вызывающего кипение жидкости. . Анализируются • • процессы ' химического . растворения, сопровождающиеся газовьщелеиием р служащие "tactce аналогами растворения "при вакууме. • ' " ■ 1 ' ;

- Во втором раздело приводятся результаты исследования массообмена ""при -физическом растворении 'единичных закрепленных тел в условиях вакуума. ' ~ - В качестве» объектов для исследования физического растворения были Выбраны гипс, бензойная' кислота! хлорид калия • и хлорид натрия. Все вещества имеют диффузионную, природу - растворения и их растворение широко используется в промышленной, практике. Названные соединения охватывают широкий спектр растворимости: от труднорастворимого (гипс) до хорошо' растворимых (хлориды натрия и кйлия). ' . .

Значение" коэффициента массоотдачи р для труднорастворимых веществ . .находилось из основного уравнения массоотдачи,' записанного à интегральной'

' - - - -С )■(,'' ■ \ . ••

(применяемые В работе обозначения приведены'на стр. 15) ■ В случае" хорошо_ 'растворимых веществ . происходит' уменьшение ■ поверхности растворения F,\Кроме того -при1 кипении раствора уменьшается его температуру, чго^ Для Хорошо растворимых веществ Приводит к . уменьшению растворимости., Аппроксимировав концентрацию-CS(T) в виде многочлена ' . • ' " ' - 1 • 1 ~ ' ". '

• . • ■ : ■■'■[■" ■■ ; а такжё выразив изменение температуры жидкости в виде функции Времени ' растворения л, интегрировали дифференциальное уравнение массоотдачи ' и находили выражение'для определения "f>: . 7

¡ГЛШШЮМТА

Рис. 1. Схема'экспериментальной установки для исследования растворения под вакуумом. : ^ > , .

' ЗОЩ1-{[М) ' \ "

ХРг - - 2 •

(3)

Экспериментальные исследования - проводились на установке, приведенной на рис. 1. Установка состоит из реактора 1, который помещался в термостат 2 с целью поддержания первоначальной температуры. Реакционный сосуд через вакуумную линию соединяли с конденсатором 11. Несконденсированные газы откачивались вакуум-насосом 9 через- буферную', емкость 8. Твердая частица 4 на определенное время т погружалась в.кипящую жидкость. Взвешиванием находилась потеря веса частицы и по формулах (2) или (3) рассчитывался коэффициент массоотдачи р.

В работе приводится сравнение полученных результатов с массообменом в условиях естественной и вынужденной конвекции. По сравнению - с естественной конвекцией величина р в условиях растворения в вакууме на 3-4 порядка выше. Сравнение < опытных результатов < с массообменом при вынужденной конвекции. в . условиях обтекания твердой частицы потоком жидкости во. взвешенном состоянии показывает, что наши результаты соответствуют самым высоким значениям р, полученным при растворении в условиях вынужденной конвекции. Результаты опытов свидетельствуют о высокой степени интенсификации в условиях вакуума. Наиболее близким аналогом данного процесса является довольно'хорошо изученный процесс , растворения при барботировании инертного газачерез жидкость.

Используя метод локальной изотропной турбулентности, нами оценена пульсацмонная компонента скорости реакции VI при перемешивании выделяющимся паром

V, « (4)

где в -удельная энергия диссипации;

Ц -масштаб пульсации.

Величина е находилась как общая энергия Е, отнесенная к единице массы жидкости М, а общая энергия пара равна произведению расхода паровой фазы Ус на разность 'давлений Др. Секундный расход пара \/с находился из теплового баланса системы

а величина &р=

В конечном итоге значение Vf оценивалось

а характеризующее гидродинамику число Рейнольдса имеет вид

= (5,

V

Выполненная при помощи ЭВМ аппроксимация полученных значений = /(Ке.) позволила получить уравнение в обобщенных переменных, описывающее физическое растворение единичных частиц:

Зй = 5.2-70"5 (6)

Высокий показатель, степени при числе Яе« свидетельствует о существенном вкладе гидродинамики в процессе растворения в условиях вакуума.

Третий раздел посвящен исследованию массообмена при химическом растворении твердых тел, сопровождающимся газообразованием в условиях вакуума. Рассматриваются только диффузионно-контролируемые химические взаимодействия.

В случае образования жидких продуктов реакции влияние вакуума на массообмен будет таким же,, как и при физическом растворении. Выделение газообразной фазы на - поверхности твердого тела существенно влияет на скорость массообмена, поскольку выделяющиеся пузырьки газа непосредственно воздействуют на пограничный диффузионный слой; Выделение газообразной фазы может происходить только при условии

Ссп

Концентрация газа на поверхности Сер связана с концентрацией реагента. Для данной концентрации Соп3100"3*- Равновесная концентрация газа в жидкости

Со является функцией температуры и давления. С уменьшением давления значение Се* уменьшается, а движущаяся сила процесса (Сдп-ЙЗ*) увеличивается.

б .

ПО* м/с"

0.5

О

о

..................

6л:——;: > ■+• - • : - I

тоо

Яе-

Рис. 2. Зависимость коэффициента массоотдачи р от концентрации соляной -кислоты Ср . Сплошная кривая - литературные данные; точки - полученные нами значения : нижние точки соответствуют атмосферному, давлению; , верхние - различным величинам вакуума (1-0.2; 2-0.4; 3-0.6*105Па). . Рис. 3. Обобщение опытных результатов по химическому растворению карбоната кальция в соляной кислоте в условиях вакуума", (ообозначения соответсвуют рис.2).

Степень интенсификации оценивали по коэффициенту массоотдачи р.

Объектом исследования являлось взаимодействие шарообразных частиц

карбоната кальция с соляной кисло" эй. Исследования проводились в условиях

свободной конвекции, когда - перемешивание, осуществлялось - только

выделяющимся газом. _ „

Характерным для" данного процесса является,то, что интенсификация

■наблюдается не только при кипении' раствора, но- и 'при (невысоких

разрежениях, '

когда; кипение, не Происходило/ На рйс. 2 приведено значение' коэффициента массоотдачи р в зависимости, от 'концентрации реагента Ср 'в области . пузырькового режима газообразования'./ Сплошная линия построена"4 на ~ основании литературных данных при атмосферном давлении. Точки .экспериментальные данные,' полученные 'при.различном разрежении в системе. С увеличением разрежения точки' располагаются выше, что ¡свидетельствует об интенсификации химического растворения в условиях вакуума.

Экспериментальные результаты массообмена в системе^ твердое тело -жидкость, сопровождающегося газообразованием, для., большого количества систем при атмосферном давлении обобщены критериальной зависимостью

Л~= 55 ^/¿Г, ( 5с < 300) , (7)

в которой .

й" V

Я~ — -число Шервуда;г& = *— -число Шмидта;' I) Цш I

£1

о

□

1

0.1

йе. = "Р^*1 -модифицированное число Рейнольдса;

Л", \ " "

Влияние вакуума на гидродинамику учитывается плотностью газа в числе 'Рейнольдса." С уменьшением -давления" рг уменьшается, а число. Яе» увеличивается.,,На рйс. '3 сплошная линия соответствует уравнению (7), а точки - экспериментальным результатам,- 1 полученным в условиях вакуума. . Наблюдается. удовлетворительное совпадение экспериментальных данных с теоретической линией (среднеквадратическое отклонение не превышает 6.5%).

Химическое растворение с Газообразованием происходит в результате химической реакции. Установление лимитирующей области • протекания процесса - диффузионной или кинетической - по общепринятым - критериям (.температурный коэффициент, перемешивание) для данных взаимодействий не всегда возможно.' Применение вакуума .дает возможность надежно идентифицировать лимитирующую стадию процесса. Если в .условиях вакуума коэффициент массоотдачи увеличивается, тогда процесс контролируется. диффузией. Когда кинетический коэффициент остается постоянным (или. уменьшается- в результате экранирования твердой частицы газовыми пузырьками), процесс будет протекать в кинетической области.

-Каждое химическое ^ взаимодействие 1 сопровождается тепловым эффектом, причем источник тепла находится в межфазной- поверхности, В зояе ^взаимодействия будет самая высокая температура и физические констатнты, используемые при математическом описании процесса, следует находить при этой температуре. ' С целью -нахождения температуры ' поверхности твёрдого тела' нами' решена система дифференциальных уравнений, (Б) состоящая- из ~ уравнения теплопроводности твердого шарообразного тела, начальных и -граничных условий, Теплового баланса и условия симметричности системы. В безразмерных координатах система имеет вид; г ' . " '

сТ _ 2_ <ГГ_

д?0 др* '<р дф • ' у

ЗГо(Т\ - Т") = т,(Т, - Тв) + (Т^Т.) (8)

Т(<р,о') = Т0;Т,(То = 6) = Г0

сяр 4

В приведенной системе (8) использованы значения :

--

Особенностью, системы (8) является то, что в уравнении теплового баланса учитываются затраты тепла на испарение жидкости при кипении. Они учитываются параметром Т*\ представляющим отношение количества тепла, расходуемого на испарение жидкости к единице площади твердого тела.

Решение системы проводилось операционным методом, основанным на преобразовании Лапласа.

Общее решение задачи имеет вид:

Т ~ .В1(1 + т„) Щ1*т,у (9)

в котором

цп -корни характеристического уравнения

у-ОШ-м^1) ,

Ап -коэффициенты, определяемые по зависимости

ЗВ1*(6 -щ,)- [щ,ВЦ1- во + б-И-1 + С- ЗВ1 - тдх,3)

Особый интерес представляет нахождение температуры на поверхности твердого тела Тп. Это значение находится по формуле (9) при значении <р=1.

В четвертом разделе приведены результаты исследования физического и химического растворения карбоната кальция в неподвижном слое зернистого материала. Растворитель со стационарным слоем зернистого материала является одним из основных типов аппаратов в химической технологии. Их преимущество заключается в том, что они относятся к аппаратам идеального вытеснения, что позволяет получать высокие выходные концентрации раствора. В то же время скорость фильтрации имеет невысокие значения, что приводит к низким значениям коэффициента массоотдачи. Проведение процесса в вакууме при кипении жидкости способствует интенсификации растворения.

Изучение физического растворения проводилось на системе гипс - вода. Стационарный слой формировался из частиц примерно одинакового размера. Использование гипса, имеющего невысокую растворимость, позволило считать поверхность растворения постоянной.

I ТЩг

С^ор

dz

Определение коэффициента массоотдачи р находилось на основании совместного решения уравнений кинетики и материального баланса согласно схемы, приведенной на рис. 4.

\-<1М = л/ЖайСу/г

¿м =

(10)

Сн ' ' жидкость

Рис. 4. Схема стационарного слоя.

коэффициента массоотдачи величин разреженнй Др.

Выразив поверхность растворения через удельную поверхность твердых частиц и порозность слоя е, окончательный результат для нахождения р будет иметь вид:

т

(11)

6(1-е)И Сг В табл. 1 приведены опытные значения при физическом растворении гипса для различных

Таблица 1.

Физическое растворение стационарного слоя гипса в вакууме

№ п/п Величина Фиктивная скорость Коэффициент Степень

разрежения жидкости УТЮ"3, м/с массоотдачи, интенсификации

ДР-Ю"5, Па РЧ05, м/с тп

1 0.00 4.91 1.904 1 '

2 0.77 5.61 3.071 1.613

3 0.83 6.78 6.025 3.164

Как видно из приведенной таблицы, достигается значительная интенсификация при растворении стационарного слоя в условиях вакуума.

Аналогичные опыты были проведены и при химическом растворении слоя на примере взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой низких концентраций, отвечающих пузырьковому режиму газообразования.

Замерялась выходная концентрация кислоты при различных разрежениях в системе. В табл. 2 приведены полученные экспериментально значения коэффициента массоотдачи р, которые наглядно свидетельствуют о высокой степени интенсификации массообмена в вакууме, причем чем глубже вакуум, тем сильнее интенсификация. Роль газообразной фазы сводится к воздействие на пограничный диффузионный слой в окрестностях отдельной частицы, а тает, поднимаясь по колонне, газ турбулизирует жидкость по высоте аппарат*. Кроме того, на ыассообиен оказывает влияние и движение

жидкостного потока. Количественная оценка - второго эффекта (движение жидкости) дается'зависимостью ■

Влияние газообразной фазы на: массообмен учитывается модифицированным числом Рейнольдса Ие*.' На основании опытных данных установлено, что влияние газообразной фазы ' учитываетйя сложной полулогарифмической зависимостью. Общее ' уравнение для определения коэффициента массоотдачи в области пузырькового режима газообразования имеет вид: „

= /0.2+ <?. 395 Кс'

5.05 ¡пКе.,

(12).

Приведенная формулу свидетельствует о сложности рассматриваемого процесса химического растворения • в слое, сопровождающегося. газообразованием. - >

' ' Таблица 2.

Значения коэффициента массоотдачи р при химическомрастворении карбоната капьцияв слое зернистого материала-

№ Величина Фиктивная ' Коэффициент - ртепень

п/п разрежения, скорость . массоотдачи , интенсификации

Др-Ю'^ Па раствора, \М*10-?, м/с р*105, м/с ч , Р/Ро , '

1 0.00 9.28 ' '- - 5.8Г70 - . 1.00 ( .

2 . 0.19 - 9.16 8.5140 , 1.45 4

,3 ' 0.40 ' 9.85 , 10.8231 > 1.84

4- 0.60- ' ; 9.46 ' ' 15.2333 '2.2> . '

5 0.82 ' 12.10 . 19.4154 ' 3.30

.Составлена,' математическая модель процесса химического растворения твердых веществ в слое. В основе, мрдели лежат уравнения Материального баланса - - - _ - '

и кинетическое

йг

=

<13)

(14)

Решение данной системы для пузырькового режима 'газообразования, ■ при котором уожно выразить коэффициент массоотдачи, р -через, концентрацикгреагента Ср (уравнение (7)) - ' - ,. -

имеет вид

1

За-'

•г :

4Ф (П-Ъ(р)].

,2 а2 А РЛ'1

(15)

В уравнении (1Ё) "

Ф{Х):

1 , о" -ь ох +- ; -—Ь\ —--г

ь а- ; (а-х)'

1

, у.-г,ап,&--ТГ ■

¿¡■¿3 , ' а*ГЗ ■

При подстановке <р=0 получаем' время полного - растворения Т, которое используется для расчета основных размеров растворителя.

В пятой главе .исследовано физическое и химическое растворение крупных плоских' объектов - в условиях вакуума'. Такие процессы находят широкое применение в гео технологических методах добычи полезных ископаемых, создании подземных хранилищ, подготовки месторождений для -добычи полезных ископаемых' и, др. В настоящее время геотехнологические процесса "растворения осуществляются£ в- условиях естественной конвекции, характеризующиеся 'низкими величинами коэффициента массоотдачи, в , результате чего время растворения получается весьма длительным. Применить средства интенсификации в таких процессах весьма сложно, в. то же время создание", вакуума в' 1 системе позволяет 'значительно ' интенсифицировать -растворение и характеризуется простотой его осуществления. ' ' , - "Изучение процесса физического растворения-осуществлялось на плоских образцах' из _ хлорида 4 -натрия'. Исследования проводились на экспериментальной установке/ схема которой приведена в диссертации, при вертикальном" и горизонтальном расположении плоских .объектов.. Результаты опытов приведены в табл.'3. у • - ,

ч " Как явствует из табл. 3, создание еа|<уума, сопровождающееся кипением жидкости, приводит .к значительной интенсификации растворения, что в несколько раз позволит сократйть, например, строительство подзёмных хранилищ.

>" - Таблица 3.

Значение коэффициента массоотдачи при растворении плоскизбобьектов из-хлорида натрия.

■2х-

№ п/п Разрешение в системе Д , Р*ю5,'Па ' Первоначальна я температура, Коэффициент : массЬотдачи-1 Р, м/с ' Степень интенсификации Р/Ро ,

4 1 Горизонтальное расположение .'

-2 „ 0 0.64 0.81 ' 70 ' ^ \ . 71 ' - '-72- у 4.3Г10'5 6.82М0"5 1.21*10"4 1.00 1.58 2.97 . .

л - Вертикальное .расположение"

1 2 3 . ( - 0 "' -0.64 / 0.81' 70 л 7° ' -. та . • ' 5.00-10'5 _ ' 8.52'1<^5 ' " 1.65*10-* г 1.00 1,70 3.30

Сравнение вертикального и горизонтального положения показывает, что для вертикальных образцов величины р выше, чем для горизонтально расположенных. Это связано с тем, что на горизонтальных пластинах растворимый продукт, образующийся непосредственно на поверхности, там и остается, повышая вязкость пограничного диффузионного слоя, в то время как с вертикальных поверхностей он стекает вниз под действием разности плотностей.

Химическое растворение плоских крупных объектов проводилось на системе карбонат кальция - соляная кислота концентраций 8.4, 12.53, 19.25 кг/м3 (пузырьковый режим газообразования). Опыты проводились в широком диапазоне разрежений. В области низких разрежений интенсификация происходит только за счет выделяющейся при реакции двуокиси углерода, в области глубокого вакуума дополнительно выделяется и парообразная фаза за счет кипения жидкости. Были проведены опыты для горизонтальной

и вертикальной ориентации образцов. На рис. 5 приведены значения

коэффициентов массоотдачи р от величины остаточного давления Др. Установлено, что в области низких

концентраций соляной

кислоты ориентация

поверхности не влияет на коэффициент массоотдачи, поскольку концентрация хлорида кальция

(растворимого продукта реакции) будет низкой и не, влияет на массообмен. Опытные результаты удовлетворительно' описываются уравнением (7). Наблюдается некоторое уменыиение значений чисел Шервуда, Что очевидно, связано с различной формой частиц - шарообразные и плоские крупные объекты.

В этом же разделе приводится энергетическая оценка метода интенсификации в условиях вакуума. Рассматриваются два случая физического . растворения слоя твердых частиц. В первом случае растворение происходит в области невысоких скоростей раствора, а интенсификация достигается за счет вакууиирования системы. В данном случае затраты энергии складываются из затрат на преодоление сопротивления слоя и на вакуумирование. Укажем, что

А«!

м/с

I' лдо

N 0 ерш /

/р/юиипгт ммфяил ч

о, « о, „ „Ро-|^0а

Рис. 5. Зависимость коэффициента массоотдачи р от остаточного давления.

о

Рис. 6. Технологическая схема узла растворения твердого вещества, содержащего пустую породу.

вакуум1 в системе создается за счет конденсации водяного пара, а вакуум-насос служит только для откачивания несконденсированных газов.: Расчеты показали, что Общие затраты энергии в первом случае составляют 24,1 Вт. Достигнуть данной , степени интенсификации можно и увеличив скорость движения, раствора, что вызовет повышение'сопротивления слоя. Затраты энергии на преодоление сопротивления во втором случае составляют 300 Вт.

Приведенные расчеты свидетельствуют о значительной экономии энергии при интенсификации растворения методом вакуумирования. В работе предложена технологическая схема процесса непрерывного растворения слоя зернистого материала в условиях вакуума (рис. б). В, большинстве случаев растворимое вещество (например, • калийные соли) находится в смеси с нерастворимой твердой фазой, которая после растворения отделяется от раствора. За основу ,бьш выбран аппарат с движущимся зернистым слоем. Нами выбрана прямоточная схема растворения, позволяющая - легко осуществлять проблему транспортирования, твердойфазы.. Преимуществом -слоевого аппарата является' отсутствие движущихся частей, простота , исполнения аппарата и а то - же время* за ' счет кипения раствора при вакуумироеании высокая интенсивность его проведемия.

Установка состоял" •■из' растворителя > 1 покрытого слоем изоляционного : материала. Твердая фаза подается врастворитель" 1 < с помощью шнекового питателя 2. Сюда же подается подргретая др определённой температуры в' теплообменнике 8- реагентна» жиДкрсть.! Вакуум в растворителе 1 создается с помощью барометрического конденсатора 4,. охлаждаемого холодйой водой. Сконденсировавшийся.,пар» реагентной'жидкости по'баро^етрической трубе 5-поступает в барометрический^ ящик 6, откуда "жидкость направляется * для . подогрева До определенней температуры 'в теплообменйик 8.-Таким образом, в установке-создается замкнутая'суютем'а/циркуЛяцйи реагентнои жидкости, количество которой" в случае необходимости можно регулировать Путем подачи (подпитки) некоторого количества свежей -ррагентной. жидкрети.-Нерастворимая -твердая 1фаза из нижней части раствор^еля 1 - поступает в'-разделитель 3 оседает в нижней ёго части и удаляеея на екладировани^/, "

1 Концентрирований -раствор содержащий - -растворенное 1 вещество

- * < ' 1 « « 11 *

поступает на выпаривание из^ верхней части разделителя ч 3. Для отсасывания 1 несконденсирйванного воздуха." и ' • других веществ, верхняя - част*, барометрического конденсатора 4 соеденеиа~с -вак/у^-насосом 7. • , <

• ' - ' Выводы , - . 1 • ' .

1. Разработан'процесс физического и химического растворения твердых тел с использованием для интенсификации вакуума. , > ' ~

2. Показано, что • при, физическом растворении интенсификация" происходит . только при разрежениях, соответствующих ' кипению ■ жидкости', а при химическом растворении о газовыделением интенсификация массообмена,' наблюдается во всем диапазона величин.разрежения.' , ' > - '

3. Дана оценка пульсационной компоненты Ъоорости. жидкости на основании . теории ^скальной- изотропной турбулентности - по. величине'. энергии, диссипации/пара в случае физического, растворения - единичных частиц. Результаты.экспериментов обобщеньгкрйтериапьной завйсимостъю.' -,

■ 4. В случае химического растворения с газовыделением гидродинамическая обстановка" охарактеризована модифицированным- числом' Рейнольдса, в котором скорость жидкости, выражена, через скорость газоббразования. .Порученные результаты обобщеныдля всего.диапазона величин разрежений критериальной зависимостью. • ' ,

5, Показано, что для /еторогенного. химического взаимодействия в системе твердое телез - жидкость, сепровождающегося.газообразованием, применение -вакуума является "наибол^е^ корректным И надёжным методом установления лимитирующей стадии Ьроцесгса. .. ' , ' ' ^

6. Решена-краевая, задача _ С поверхностным источником тепла в случае химического, растворений, позволяющая найти распределение- температур в

- зоне реакции. ■ . - '-* . ' - '

7. Изучение процесса растворения , в стационарном слое дисперсного материала' • показало ' возможность ' применения вакуума дЛя ускорения

; физического и химического рабтворения. , Установлены"! кинетические закономерности, позволяющие определить , коэффициейт - массоотдачи. Приведена, математическая'(модель процесса растворения.,твердых веществ.в • условиях вакуума. - ' '

8. Показана возможность, интенсификации', растворения " вертикально. и горизонтально расположенных плоских крупных объектов срзда'ниеч вакуума в

- системе. ' , 1 ' , ^ - . , -

, 9. Произведена - энергетическая оценка 'метода растворения в. слое и установлено, что энергетические'затрать! снижаются примерно в 10 раз по сравнению с" мётодом увеличения скорости движения жидкости. Указано на ■ перспективность применения данного метода в-промышленности. Предложена ' технологическая схема процесса растворения, рекомендуемая для-внедрения на предприятиях химической, фармацевтической, пищевой промышленности.

Основное'содержание диссертации изложено в ; - - следующих публикациях:

1. Gumiiitsky- Ja., JYurynv N., Osman Ätja The,mass transfer during dissolving solids -in condition of gas supply and _ In ,vacuüm. -Konfèrencja Nalikowà. - Inzeneria chemiczna'., torn 1,-Krakow, 1994, s. 319-326. ' - - _ '

2. Гумницкий Я.М., Осман А.", Юрим- М.Ф. • ¡дентйф|'кацга. дифузШно-кбнтрольованих 'npoueciB хем1чного Ки^ння. //Тези наук, конференц. "Стан ¡' перспективй розвитку xîm^hoï-"науки та промисловЬсп в Заэтдному perioHi. УкраТни". -ЛьВ1В,1Э94-,'с.10б. - ' ' .

Условные обозначения.

А, Ь -коэффициенты;, с.-концентрация, кг/м^, D -коэффициенты диффузии, м2/с; F -поверхность, g -ускорение земного тяготения, м/с2*; H -высота, м; d -диаметр частицы, м; L--линейный размер, м;М -масса," кг; Т -температура, ' °С; R -радиус,- м; WL. -расход паровой фазы, кг/с; Су, С^-теплоемкость, . ДжДкг'К); Qr -тепловой эффект реакции, Дж/кг; р -коэффициент массоотдачи; м/с; т -время, с; ¿--плотность, кг/м3; v -кинематическая вязкость, м/с2; X. -коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К). Индексы: S -насыщение; т -твердое тело; о -начальные условия; с -секундный; п -пар; -поверхность твердого тела; R -реагент; г -газ; ' L -раствор;' к -конечный; э " -эквивалентный.

aR /■

Обобщенные переменные: Bi = — -число Био; р = — -безразмерный радиус;

Л л

Fo = Щ- -число Фурье.

R

Анотац1я

Осман Атия Ель-Хабйз. Масообшн при феичному та жммному розчиненш твердих Tin в умовах вакууму. Дисертац|я на здобуття наукового ступеня кандидата технмних наук по слец1апьност1 05.17.08 - процеси, мошини i апарагти jommhvix та нафтохЬлЫних виробницгв. Державний унЬерситет *Льв1вська полгтехн!ка", Лыив, 1995.

Захищаються'2 робота, в яхих дослщжено метод ¡нтенсиф1кащ1 процеав ф&ичтло та xiMNHoro розчинення в умовах вакууму, що викликае кигйння рщини та перемииування середовища парою, що видтяеться. Всханоапено юнетичн) захонолирносгп пронесу розчинення одиночних твердих частинок, cranio парного шару та плоских великих об'екгпв. Приведена 4лыозна оцнка отриманих експериментальних результатов. Розр<Я5лено математич№ модел! ч npoueciB розчинення. Виконано енергетичну оценку методу розчинення у вакуум) в nopiBHSHHi до збитьшен.чя швидхосп потоку. Залропоковано технолопчну схему розчинення в унювах вакууму.

iummary

Osman Atia Bhabib. Masstransfer in physical and chemical dissolution of solids under vacuum condition. Dissertation for a doctorate degree on speciality 05.17.08 - Processes, machines and equipments of chemical and petrochemical production. State University 'Lviv Polytechnic', Lviv, 19S5.

Defending the method of intensification of physical and chemical process of dissolution under vacuum condition, which causes boiling liquids and mixing of, mecfium by vapour. The kinetic mechanism of dissolution processes of a unit solid particles, stationary layer, and flat big object, were obtained. The quantitive analysis of experimental resuts were carried out. The mathematical model of. dissolution process was developed. The energy analysis of dissolution method invacuum, in relation to Increment of flow rate, were carried out Proposed" flow chart of rtmolutton under vacuum.

Клюемый слова: массообмен,. физическое растворение, химическое рюшрино, интенсификации, коэффициент массоотдачи, система твердое тело - жидкость.