автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Массообмен при химическом растворений плоских объектов с выделением газообразной фазы

т \ 1 о 9"!

минвуз усср

львовский оша Ленина политехнический институт имени ленинского комсомола.

На правах рукописи

АНИСУЗЗАМАД МОХАММОД

УДК 66.015.23:541.12.413

МАССООБМЕН ПРИ ХИМИЧЕСКОМ РАСТВОРЕНИИ ПЛОСКИХ ОБЪЕКТОВ С ВДЩЕНИЕМ ГАЗООБРАЗНОЙ ФА®

Специальность: 05.17.08 - "Процессы и аппараты химической

технологии"

А в т ор е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Львов - 1991

Работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов химических производств Львовского ордена Ленина политехнического института иы. Ленинского комсомола

. Научный руководитель - доктор .технических наук, . -

профессор Гушвцкий Я.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Молчанов А,Д.

кавдидат технических наук, ст.научный сотрудник Малеваний U.C.

• Ведущая организация - Институт геологии и геохимии

горших ископаемых АН УССР, г.Львов

ого

^адита состоится "£!£_" ОКтЗ^рЯ_1991 года в

■il) часов на заседании специализированного совета

Д 068.36.03 при Львовском политехническом институте по адресу: 290646, Львов-13, пл. Б.Хмельницкого 3/4, корп. 8, ауд. 339.

С яиссертацией можно ознакомиться в* библиотеке Львовского политехнического института по адресу: г.Львов-13, ул. Профессорская, I.

0*0 .

Автореферат разослан " 02 " СёНтЯЬрЯ 1991 года.

Ученый секретарь специализированного совета Д 068.36.03 кандидат химических наук, доцент

.Л.Старчевский

"г'мв I

I ОЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В химической промышленности широко используется процессы массообмена, протекающие при химическом взаимодействии твердого вещества- с жидким реагентом. Указанные процессы отличаются особой сложностью, если взаимодействие сопровождается выделением побочных фаз - твердой или газообразной. В случае газо- ' образования выделяющиеся пузырьки непосредственно воздействует на пограничный диффузионный слой, интенсифицируя процесс массообмена. С другой стороны вы делящиеся газовые пузырьки экранирует твердую поверхность от доступа жидкого реагетта. В литературе отсутствуют сведения о кинетике взаимодействия плоских-твердых объектов с реагентом, поэтому постановка и исследование указанных процессов является актуальной.

Изучаемые процессы широко встречаются э геотёхнологдческих ме-, тодах добычи полезных ископаемых, дая создания подземных хранилищ, расширении сквакин, подготовке месторождений для подземной выплавки веществ (серы, озокерита и др.). Закономерности массопереноса, полученные на плоских объектах, можно использовать для размерной обработки металлических поверхностей,, химического фрезерования. Проведение процессов массообмена при повышенных давлениях позволяет не только установить кинетические закономерности массообмена, но служит одним из важных критериев определения лимитирутвдей стадии взаимодействия. В работе показаны возможности интенсификации маосообмен-ных процессов, сопровождающихся газовыделением.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Координационным планом научно-исследовательски* работ* по процессам и аппаратам химических производств и кибернетике химико-технологических процессов, утвержденным приказом Минвуза СССР № 325 от 8.05.1987 г. по направлению 13 "Исследование, моделирование и интенсификация процессов экстрагирования, выщелачивания и растворения" ($ гос. регистрации 01860053909).

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование массообмена, сопровождающегося газовыделением, при химическом взаимодействии твердых плоских объектов о жидким реагентом в условиях . нормального и повышенного давлений.

Научная новизна. Установлены кинетические закономерности про- . цесса массообмена в системе твердое тело - жидкость, сопровождающегося газообразованием, дач плоских объектов.раствбреняя. Изучено влияние давления на массообмен с газовыделением и показано, что для данных процессов применение давления может служить одним из главней-

ших критериев установления механизма взаимодействия. Исследовано влияние ориентации плоской поверхности на массообмен с тазоввделени-ем. Установлены 'закономерности маосообмена в открытых и тупиковых щелевых каналах. Исследовано влияние движения раствора на массообмен с плоскими объектами. Разработаны математические модели процесса масоопереноса в щелевых каналах.

Практическая ценность работы. Установлена критериальная зависимость для определения коэффициента массоотдачи при химическом растворении с газоввделением плоских объектов в условиях нормального и повышенного давлений. Г&зработанН математические модели, позволяющие установить конфигурацию делового канала и время его образования. Установлены способа интенсификации ыассообмена в области пузырькового режима за счет вынужденного движения жидкости, перемешивания выделяющимися газовыми пузырьками.'Полученные в хаботе закономерности химического растворения с газовыделением плоских объектов имеют практические значения для научно-исследовательских и проектных ор-ганизаи"", разрабатывающих технологию подземного растворения и выщелачивания. __

Результаты проведенных исследований переданы нефте -газодобывавдему управлению "Бориславнефгзгаз" для теоретических расчетов процессов' соллнокислотаых" обработок в ходе подготовки к эксплуатации скважин. Аналогичные результаты переданы и институту

вниишста.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались-на научно-технических конференциях Льйовского политехнического института 1989-1990 гг. У

Публикации. Основное содержание работы изложено в трех печатных работах.

Автор защищает:

- кинетические закономерности ыассообмена с газообразованием при растворении плоских объектов в условиях атмосферного и повышенного давлений;

- использование метода повышения давления для установления лимитирующей стадии процесса массообмена с газообразованием;

- математические модели процесса растворения в щелевых каналаз открытого и тупикового типов; ^

- влияние скорости движения раствора на кинетику химического растворения плоских объектов.

Структура и объем работы.-Диссертация срсгоиг из введения,- пя ти глав, выводов, списка использованной литературы, приложения. Ра бота изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 29 р

17 таблиц и 128 источников литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан краткий обзор литературы по процессам химического растворения. Рассмотрены геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. Сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посашцена исследовании маесообщена между плоским твердым телом и реагентом в условиях свободной конвекции. Рассматривается термодинамика фазового перехода при массообмене в услоеиях газ отделения. Объектом исследования являлся карбона.т кальция, порода которого часто встречаются в природе, и растворы минеральных-кислот. В результате взаимодействия протекает реакция (например, с соляной кислотой): .

СаС05+ 2НС1= СаС1г + С04* + Нг0 (I)

Часть продуктов реакции СаС 1г переходит в раствор, другая часть -диоксид углерода - выделяется в газообразную фазу. Выделяемые продукты - растворимые и газообразные - оказывают различное влияние на формирование гидродинамической обстановки на поверхности контакта фаз. Газообразная фаза интенсифицирует процесс в стадии х :ота газовых пузырьков, непосредственно воздействуя на пограничный диффузионный слой. Отрывающиеся пузырьки интенсивно перемешивают жидкость.. На их место к поверхности взаимодействия подходит богатая реагентом жидкость.

Экспериментальное исследование кинетики растворения кальцита проводилось на лабораторной установке, основной составной частью которой был реактор, помещаемый в термостат. В реактор заливался определенный объем кислоты заданной концентрация. Затем в раствор кислоты погружали заранее подготовленный и взвешенный образец карбоната кальция и по секундомеру фиксировали время взаимодействия. По прошествии определенного времени образец вынимали, промывали з воде и , спирте и высушивали до постоянного веса. По разности весов до и после опыта определяли убыль массы образца за время опыта.

По основному уравнению массоотдачи определялся коэффициент массо-отдачи £ м

Результаты экспериментальных исследований при взаимодействии кальцита с раствором соляной кислоты для плоских образцов при-различной ориентации их поверхности приведены на рис. I.

Сложная зависимость коэффициента массоотдачи от концентрации реагента объясняется двоякой ролью, которую играют растворимые я газообразные продукты реакции в кинетике процесса растворения.'

Еис.1. Зависимость коэффициента мас-соотдачи £ от концентрации реагента: Си : I — поверхность взаимодействия обращена вверх; 2 - обращена вниз; 3 - расположена фрфнталь-но

-130 С„,кг/м»

Жцг-.ие продукты реакции накапливаются у поверхности контакта фаз, увеличивая при этом существенно вязкость в пограничном диффузионном слое. Газообразные продукты, зарождающиеся, растущие и отрывающиеся с поверхности, турбулизируют пограничный диффузионный слой, что способствует интенсификации процесса растворения. С другой сторона пузырьки газа изолируют поверхность растворения от доступа жидкого реагента. В результате совокупного влияния обоих факторов возникают экстремальные значения коэффициентов $ .

Приведенные на рис. I зависимости коэффициента массоотдачи от концентрации реагента для трех форм ориентации плоской поверхности показывают, что имеется различие в значениях коэффициента массоотдв-чи. Это различие может быть вызвано различным вкладом, вносимым газообразными и растворимыми продуктами реакции.

В области пузырькового режима максимальные значения £ наблюдаются при фронтальном расположении образцов и поверхности растворения, обращенной вверх.

• Б случае, когда поверхность растворения ориентирована вниз.движение растворимых продуктов реакции облегчается, а отрыв газовых пузырьков утруднен. ТУрбулизация пограничного диффузионного слоя осуществляется только растущими пузырьками газа. Как известно, скороси роста газового пузырька обратно пропорциональна радиусу и максимальная скорость его роста будет при К-—0 , то есть в момент зарождения пузырька. Наличие на твердой поверхности больших пузырьков не спосо! ствует интенсификации и поэтому значения коэффициента массоотдачи для поверхностей взаимодействия, ориентированных вниз, будут ниже,

чем для поверхностей, ориентированных вверх.

В закритическом режиме газообразование настолько значительно,, что экранирование поверхности превалирует над перемешиванием. Эта область аналогична пленочному режиму кипения. Из рис. I видно, что значения коэффициента массоотдачи £ в закритической области суще- . ственно отличаются от области пузырькового режима.

Для частиц, ориентированных поверхностьр растворения вверх,после критического значения £ с увеличением концентрации реагента . коэффициент массоотдачи уменьшается, оставаясь в дальнейшем постош-ным. •

Максимальные значения коэффициента массоотдачи наблюдаются для частиц, поверхность растворения которых обращена вниз. В этом случае раствор Сс(С1а легко перемещается вниз и процесс газообразования осуществляется практически в поверхностном растворе 'с той. же вязкостью, что и в объеме жидкости. В случае фронтальной ориентации поверхности образцов величины £ приобретают промежуточные значения, что можно объяснить только суперпозицией двух потоков: гаэ:_.Л поток, направленный вверх, и поток раствора Сайг, который направлен вниз.

Обобщение.опытных результатов по массообмену с газообразованием проводилось на основании теории обобщенных переменных. Процесс массо-обмена с газообразованием определяется сложным взаимодействием нестационарных процессов зарождения, роста, отрыва и всплытия газовых пузырьков, массоотдачи свободной конвекцией от реагента к поверхности, тепловых процессов в случае экзотермических реакций и др,аспектами.

Определяемым критерием является число Шервуда

вЬ-^/Бж (3)

в котором {*- величина, характеризующая отрывной диаметр газового пузырька

е

Гидродинамическую обстановку характеризует число Рейнольдса, в

котором в качестве скорости записывается скорость газообразования

' ■ ; (5)-

где № ~ п^Ся/р,. - скорость газообразования. __

На рис. 2 нанесены экспериментальные значения для

пузырькового режима газообразования. На этом ?ке графике сплошная линия построена по уравнению, полученному при. обработке опытных' результатов по растворению шарообразных частиц. Удовлетворительное совпадение наших результатов с данными других'исследователей позволяет рекомендовать зависимость

БЬ = 55 К («)

- о -

для описания массообменных процессов., сопрововдавдихся газообразованием, в условиях свободной конвекции для различных фор« частиц и

5

з 2

в . 5

4 3

2

10*

Рис. Обобщение экспериментальных результатов по кинетике массообмена с газообразованием: 1-4 - при атмосферном давлении; 5.-9 - при повышенном давлении ориентации поверхности. Среднеквадрагное отклонение опытных и расчетных результатов не превышает 10 Подтверждается, что основную роль в кинетике массообмена играет газообразная фаза.

В третьей главе изучался массообмен при взаимодействии твердого тела с жидкостью в условиях газовыделения при повышенных давлениях. Исследование массообмена при давлении преследовало две цели. Перзая цель связана с подтверждением механизма массообмена. Существует целый ряд признаков (температурный коэффициент, перемешивание, влияние вязкости, аналогия с теплообменом, использование метода вращающегося диска и другие), по которым можно установить лимитирующую стадию.Однако, каждый признак не является достаточным критерием. С повышением давления растворимооть газов в жидкости возрастает и количество выделяющегося газа при-^гех же условиях (температура, концентрация) будет меньше. Если процесс лимитируется диффузией реагента к поверхности, то.коэффициент массоотдачи будет уменьшаться. Если взаимодействие протешет в кинетической области, когда перемешивание реагента не влияет на кинетику, то уменьшение газообразной фазы не долкно привести к уменьшению константы скорости химической реакции.

Вторая цель связана с тем, что в геотехнологических процессах, протекающих на определенной глубине, раствор подается под давлением и в этой связи необходимо установить закономерности массообмена при

этпн

2*:

х-4

■КГ* г 3 4 5678910"' а 3 4 5672310° 2 3 4 5678910<

йе*

повышенных давлениях.

Для решения поставленных задач была смонтирована экспериментальная установка, основной составной частью которой являлся герметичный толстостенный реактор, в котором поддерживалось давление при помощи сжатого воздуха.

Изучение процесса массообмена твердого тела с жвдким реагентом при повышенных давлениях проводилось на примере реакции '(I) в случае плоских образцов, поверхность растворения которых ориентирована вверх. Были выбраны четыре области концентраций: область низких концентраций, при которой газовыделение очбпь незначительно^ =5 кг/м3); область концентраций, отвечащая развитому пузырьковому режиму про-цесса(С8 = 14,5 кг/м ); область концентраций, соответствующая критическим значениям коэффициента массоотдачи £> = 27 кг/м3) и область высоких концентраций реагента, при которой реализуется так называемый "закритический" режим газообразования (Сс = 79,5 кг/м3). Для каждой из перечисленных выше концентраций были проведены эксперименты в диапазона давлений (избыточных) Ри = (0...3)*Ю5 Па. Результаты экспериментов представлены на рис. 3 в виде зависимости 'х£фициента массоотдачи от избыточного давления Ри для различных значений концентраций. Из приведенного графика видно, что увеличение давления приводит к уменьшению коэффициента массоотдачи.

•Рис.3. Зависимость коэффициента массоотдачи £ от избыточного давления в системе при концентрациях

,3..

реагента Ся . кг/м' 2 - 14,5; 3 - 27; 4 79,5

1-5;

В области докритических концентраций в диапазоне исследованных давлений коэффициент массоотдачи уменьшается, а затем его значения _ остаются практически постоянными. При увеличении давления происходит' уменьшение количества выделяющейся газовой фазы, ослабевает перемешивание жидкости газовыми пузырьками и интенсивность массоотдачи уменьшается. Из полученных зависимостей (ряс.З) видно, нто в области концентраций 5; 14,5 и 27 кг/м3 при Ри 1-Ю5 Па", чем выше концентрация реагента, тем ниже располагается кривая зависимости = $(Ри"). Чем выше концентрация, тем большее количество газовых пузырьков, не достигших отрывного размера и "сидящих" на твердой поверхности и' 5: ем

больше эта поверхность изолирована от доступа реагента. Коэффициент массоотдачи определяется по зависимости (2), в.которой ¥ - полная поверхность об]»зца.

Повышение давления может привести систему к такому состоянию, когда не только не будут отрываться пузырьки с поверхнооти взаимодействия, но и прекратится их образование как следствие того, что цри повышении давления растворимость газов в жидкости возрастает. В этих условиях перенос массы осуществляется молекулярной диффузией, для которого определялось предельное значение давления газа, при котором не происходит его образование.

Формулировалась задача как для полуограниченной системы, которая с одной стороны ограничена поверхностью твердого тела, а с другой простирается в бесконечность. В первоначальный момент времени концентрация реагента в жидкости постоянна и равна С0 . Учитывая, что на поверхности протекает быстрая химическая реакция, принимаем значение концентрации на поверхности равное нулю и такая концентрация поддерживается на протяжении всего процесса.

Распределение концентраций в пространстве и во времени описывается дифференциальным уравнением молекулярной .диффузии для одномерного тела. Записав краевые условия, находилось распределение концентраций реагента в жидкости. Аналогичная задача формулировалась и для выделявшегося газа и находилось распределение концентрации газа. При совместном решении двух систем определялась максимальная концентрация реагента, ,при которой газообразная фаза не образуется, а продукты реакции отводятся в жидкость путем молекулярной диффузии

= • (7)

"о пг„ ч

Например, для концентрации реагента 14,5 кг/м газообразная фаза не будет выделяться при давлении равном 3,6-Ю5 Па.

Обработка экспериментальных значений в области пузырькового режима проводилась методом теории обобщенных переменных. Увеличение давления не только уменьшает коэффициент массоотдачи £ , но и приводит к увеличению плотности газа, входящей в знаменатель числа Рейноль-дса (5). На рис. 2 также отложены экспериментальные значения чисел

и для области повышенных давлений. Видно, что эти результаты удовлетворительно совпадают со значениями, полученными при атмосферном давлении. Экспериментально полученные значения коэффициента массоотдачи от давления в системе при трех концентрациях реагента для образцов, ориентация поверхности взаимодействия-которых была фронтальной и обращена вниз, также показали, что с увеличением давления происходит уменьшение коэффициента массоотдачи. Это свидетельствует

о том, что основную роль в массообмене играют газообразные продукты реакции. Однако наклон кривых более пологий, что говорит об определенной роли растворимых продуктов реакции. ~

Результаты экспериментов в области пузырькового режима обобщены в виде чисел Рейнольдса и Шервуда и нанесены на график (рио.2). Видно, что они также удовлетворительно совпадают с обобщавшей критериальной зависимостью (6).

Кроме исследования растворения кальцита в кислотах, изучалось взаимодействие магния и алюминия с растворами реагентов при повышенных давлениях. Как известно, взаимодействие магния с кислотами протекает по диффузионному механизму, а алюминия с растворами щелочей -по кинетическому. Полученные экспериментальные результаты при растворении магния в соляной кислоте концентрации 66,1 кг/м^ дали следующие результаты. При Ри" 0 значение £ = 1,003*10"* м/с. При Ри =2,5*10 Па значение £ равно 3,23*10"® м/с (поверхность ориентирована вверх), 2,12«Ю-5 (ориентирована вниз), 6,15«Ю-5 (ориентирована фронтально). Видно, что повышение давления при растворении магния в азотной кислоте уменьшает коэффициент массоотдачи р , что подтверждает диффузионный механизм взаимодействия.

Исследование растворения алюминия показало, что увеличение давления не влияет на константу скорости взаимодействия,'что подтверждает кинетический характер процесса.

Таким образом, исследование массообмена в системе твердое тело -жидкость, сопровождающегося газовыделением, в условиях повышенных давлений дало возможность использовать метод в качестве одного из. важных критериев в установлении механизш массообмена. Б области пузырькового режима установлено, что процесс описывается тем не критериальным уравнением, что и при нормальных условиях.

Четвертая глава посвящена исследованию массообмена при растворении щелевых каналов.

Во многих отраслях народнпго хозяйства при подземной добыче полезных ископаемых необходимо создавать полости различных форм и размера в твердых телах. С этой целью в трещины в твердых слоях породы подают реагент, который, взаимодействуя с твердым телом, растворяет его и, таким образом, происходит увеличение размера полости, в которую в дальнейшем может закачиваться экстрагент для извлечения полезного ископаемого.

Существующие разломы могут иметь различную форму и ориентацию. Лабораторные эксперименты проводились га двух типах образованных волей: открытых, в которых доступ к поверхности растворения возможен с чвух сторон и в которых возкохно сквозное движение реагента, и тупи-

- 1и -

ковых, в которых доступ реагента осуществляется с одной стороны. Кроме того, в опытах исследовалось влияние ориентации щели на скорость массообмена: горизонтальное расположение, вертикальное и под углом, а для тупиковых - расположение тупика сверху и расположение тушка снизу. Выделяющийся газ, двигаясь к выходным отверстиям, приводит в движение жидкость. В случае горизонтальное ориентации щели профиль ее поверхности существенно изменяется. В работе он измерялся при помощи профилометра.

Нами составлены математические модели для различных случаев.' В первом случае принимается, что процесс растворения щелевого канала происходит в большом объеме жидкости V . Таким образом, концентрацию реагента в объеме можно принять одинаковой, не зависящей от времени, и равной Со • Рассмотрим случай, когда концентрация С0> Скр. то есть растворение происходит в закритической области, в которой с изменением концентрация реагента коэффициент массоотдачи имеет практически одинаковые значения.

Для участка канала длиной сИ за время сИ происходит уменьшение массы твердого теласМ . Записав уравнения материального баланса

-пыЬ-Ь-с!^ (8)

и кинетического

= ^ЬсИСя (9)

приравняв их и интегрируя, находили распределение концентраций по длине пластины

С„-С„е-*1 ; (Ю.)

Для практических целей важным является определение размеров'образующейся полости. Обозначив величину съема через Д и выразив массу прореагировавшего вещества через линейные размеры, получили

д=^С0е-осЧ. .(П)

Как видно из приведенной зависимости (II), по длине щели получаются неодинаковые размеры по ее высоте.

Второй случай отличается от первого тем, что процесс протекает в области пузырькового режима ( Ск СКр) • а значение коэффициента массоотдачи £ , определяемое по зависимости (6), представлялось

Р = А- Ск , (12)

где А - коэффициент.

Подставив выражение (12) в зависимость (9), приравняв ее уравнению (8) и интегрируя, получали значение концентрации реагента по длине цели

Ся =

и

Со

Со1

(13).

Аналогично находилась величина съема с твердой поверхности -^-(14)

, _ иД [ Со у

В третьем случае растворение в щелевых каналах осуществляется з условиях ограниченного объема раствора. Изменяется концентрация реагента не только в самой щелевой полости, но и в окружающем растворе кислоты.

Уравнение материального баланса для данной системы- имеет вид

где - половина длины щелевого канала; учитываем, что растворение идет с двух сторон симметрично; Дер- среднее значение величины съема.

Среднее значение величины растворившегося твердого тела для одной поверхности можно найти

'/ь ,,

(16)

1/1

Подставив'значение (16) в уравнение (15), можно найти среднюю концентрацию реагента к данному моменту времени.

Устанавливалась взаимосвязь между средней концентрацией реагента в растворе Са и концентрацией реагента в щелевом кашле Си • Третьим уравнением, замыкавшим даннуп систему будет кинетическое. Таким образом, получали систему грех уравнений, описывающую растворе а;: е щелевых каналов

С* = й-

(17)

С«-в"

Решение системы (IV) проводилось на ЭВМ 1К.1 ."Мазовия".

В четвертом случае рассматривалось растворение в ограниченном -объеме при концентрации реагента (?я<.Скр, когда коэффициент массо-отдачи представлялся зависимостиэ (12). Система уравнений, описывающая ыассообмен, имеет вид

пД гг

Н+ = рт

сК

Со

С.1

*дск

хг/м1

О 300 900 1500 хг, с

Рис.4. Сопоставление расчетных (сплошная линия) и экспериментальных (точки) значений изменения концентрации реагента

Система (18) решалась на ЭВМ и на рис. 4 приведено сопоставление изменения опытных и расчетных значений концентраций реагента во времени.

Найденные экспериментально значения £ дои горизонтально расположенных открытых щелевых каналов в диапазоне концентраций реагента от 8,7 до 77,6 кг/м3 оказались меньшими, чем в условиях свободной конвекции, что связано с появлением застойных зон внутри каналов. Также экспериментально установлено, что для верхних образцов значение £ выше, чем дня нижних, что объясняется ролью газообразных и растворимых продуктов.

На рис. 5. приведены расчетные значения величины съема поверхности пластин Д по длине образцов в зависимости от времени 1 . Последнее значение величины Д сравнено с экспериментально полученным профилем пластины. С этой целью образцы после промывки и просушки подвергались измерению профилометром в трех точках по ширине пластины и через 2-4 мм по-ее длине.

Второе крайнее положение щелевого канала может быть вертикальным, при котором за счет выделяющегося газа осуществляется интенсивное перемещение жидкости, причем жидкостной поток направлен снизу • вверх. Все промежуточные положения щелевых каналов можно смоделировать при помощи щелевого канала, расположенного наклонно. В каналах такой ориентации происходит также интенсивная циркуляция жидкости, что способствует увеличению коэффициента массоотдачи.

Приведенные данные показывают, что в случае вертикально расположенных щелевых каналов значения коэффициентов массоотдачи £ значительно выше, чем для условий естественной конвекции. Аналогичные результаты получены и для наклонно расположенных щелевых каналов.

Кроме открытых щелевых каналов, исследовалось растворение тупиковых, имеющих доступ реагента с одной стороны. Для горизонтально расположенных щелевых каналов величины коэффициента массоотдачи й

имеют примерно те же значения, что и для открытых каналов. Следовательно, тупиковая щель может рассматриваться как половина открытой горизонтальной щели. Протекающие там процессы взаимодействия, дви-неняе жидкости и газа имеют аналогичный характер.

Рис. 5. Изменение профиля пластины во времени и по длине:

сплошные линии - расчетные значения; точки - экспериментальные величины; I - через 5; 2 - 10; 3 - 15; 4 - 20; 5 - 25; 6 - 30 мин Для строго вертикально установленных щелевых каналов значения коэффициента массоотдачи одинаковы для каждой из пластин, однако они во много раз ниже, чем в случае открытых каналов. В данном случае осуществляется перемешивание только выделяющимся газом, но не возникает поток жидкости, значительно увеличивающий массоотдачу. По своим величинам коэффициенты массоотдачи близки к значениям для горизонтально расположенных щелевых каналов.'

Были проведены эксперименты по длительному растворению щелевых каналов в кислоте, в результате которого изменяется концентрация реагента и увеличивается полость щелевого канала. После завершения опытов при помощи профилометра определялся профиль получаемой поверхности и опытные результаты сравнивались с расчетными.

В пятой главе рассматривается массообмен при растворении плоских твердых тел в условиях вынужденной конвекции реагента. Приводится схема экспериментальной установки и методики проведения опытов. Система позволяла проводить эксперименты под давлением. Были проведены две серии опытов для двух концентраций: области высокой концентрации, соответствующей закритическому режиму, и области низких концентраций - область пузырькового режима. Для каждой из концентра-

ционных областей опыты проводились при двух расходах.

Анализ данных показывает, что на значение коэффициента массоот-дачи оказывает влияние и скорость движения жидкости, и направление движения потоков, и последовательность расположения реакторов. Если направление потоков жидкости и выделяющегося газа (а его Направление всегда вертикально вверх) совпадают, то с увеличением скорости движения жидкости возрастает значение коэффициента массоотдачи. Когда направления движения жидкости и газа противоположны, значения коэффициента массоотдачи меньше.

• В области пузырькового режима значения £ при вынужденном движении. выше, что свидетельствует о большой роли скоростного потока,так как газовыделение здесь меньше, чем в области закритической. Таким образом, дополнительное вынужденное движение жидкости способствует интенсификации ыассообменных процессов, сопровождающихся газовыделением.

Приводятся перспективы использования метода в различных технологических процессах: геотехнологические методы добычи полезных ископаемых, создание подземных каналов, осуществление стыковки двух хранилищ при помощи каналов, растворение пластов минерального сырья и других.

ВЫВОДЫ

1. Изучен процесс массообмена между плоским твердым телом и жидким реагентом, сопровождающийся газообразованием, в условиях естественной и вынужденной конвекции и показано влияние формы ориентации поверхности на скорость массопереноса.

2. Показано, что увеличение давления в массообменных процессах, сопровождаться газообразованием, приводит к снижению скорости массопереноса и может служить одним из достоверных критериев установления лимитирующей стадии процесса химического взаимодействия с газовыделением.

3. Составлена математическая модель процесса растворения открытых и тупиковых горизонтальных щелевых каналов, позволяющая найти профиль щелевого канала и распределение концентрации реагента во времени. Выполнена проверка математической модели на адекватность.

4. Исследован процесс растворения вертикальных и наклонных щелевых каналов и показано, что вследствие интенсивного движения жидкости, возбувдаемого выделяющимся газовым потоком, коэффициенты массоотдачи значительно выше, чем в условиях естественной конвекции и при горизонтальном расположении щелевых каналов.

5. Установлено, что коэффициенты массоотдачи £ при растворе-

ши шелещх каналов зависят от ориентации плоских поверхностей. Для поверхности, расположенной сверху, значение $ 'выше вследствие воздействия газовых пузырьков, поднимавшихся с нижней пластины.

6. Экспериментальные результаты по массообмену в условиях газовыделения при нормальном и повышенном давлении обобщены критериальной зависимостьо.

7. Изучен процесс массопереноса в условиях вынужденной конвекции и показано, что совместное воздействие жидкостного и газового потоков интенсифицирует массообмен.

8. Теоретические результаты работы переданы Бориславскому нефтегазодобывающему управлению "Бориславнефтегаз" для расчетов процессов солянокислотных обработок подземных скважин, а также институту ШИИПИСЕРА (г.Львов).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Анисуззаман М., Гумницкий Я.М. Термодинамика фазового перехода при массообмене с газовыделением // Вестник Львов, политехи, института. Химия, технология веществ и их'применение. - 1991. -

Л 250. - С. 78-79.

2. Ани су з за?.а н Й., Гумницкий Я.М. Массообмен при взаимодействии твердого тела с жидкостью в условиях газовыделения при повышенных давлениях // Теоретич. основы хим. технологии, 1990. -

т. 24. -№ i. с. 689-691.

3. Анисуззадан М., Кривошеев В.И. Исследование процессов химического растворения с газовыделением в щелеинх каналах // Вестник. Львов, политехи, института. Химия, технология веществ и их применение. - 1990. - № 241. - С. 81-82.

условные обозначения

"М^г масса, кг; Р - поверхность, м2; С»,- концентрация реагента, кг/м ; t - время, с; Я - радиус пузырька, м; _р- шготность, кг/и ; 6" - поверхностное натяжение, н/м; Т) - коэффициент диффузии,

- кинетическая вязкость, м2/с; у^ - скорость, м/с; Н - высота, м; 6 - ширина, м; {. - длина, м; ^ - объем, м^; и - длина образца, м; п - стехиометрический коэффициент; д - ускорение земного тяготения, м/с2.

Индексы: т - твердый; ж - реагент; г - газ.