автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разделение газовых смесей с использованием жидких мембран в трехфазном барботажном слое

государственный технологическии университет

На правах рукописи тахавутдинов рустам гумерович

разделение газовых смесей с использованием жидких мембран в трехфазном барботашюм слое

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 1994'

КАЗАНСКИЙ

РГБ ОД

, . . - <.

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете.

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор Дьяконов С.Г.,

кандидат технических наук, . . доценг Фарахов М.И.

Официальные оппонентн - доктор технических наук,

профессор Мутрисков А.Я.,

кандидат технических наук Шарнин C.B.

Ведущая организация - Государственный научно-

исследовательский институт химической промышленности!НМИХШ, г. Казань

Защита состоится I июля 1994 года в 14 часов на заседании специализированного совета Д.063.37.02 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией мош Казанского технологического

Автореферат разослан I

/ченый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

ознакомиться в библиотеке университета.

ишя 1994 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из перспективных

направлений развития химической технологии является разделение смесей с использованием квдких мембран.

Высокие технологические характеристики таких процессов, в частности, селективность, делают целесообразным • их использование для решения экологических проблем. Вариант реализации технологии жидких мембран, при котором разделение газовой смеси осуществляется путем барботажа через слой эмульсии, является перспективным для. решения экологических задач, связанных с очисткой промышленных ЕЫбросов химических производств.

В то же время, характерной особенностью таких процессов является сложность моделирования. Это связано с одновременным участием в процессе нескольких фаз и присутствием химического превращения. '

В связи с этим очевидна необходимость разработки на основе сопряженного физического и математического моделирования расчетного комплекса, позволяющего определять технологические характеристики промышленных аппаратов.

Работа выполнялась в рамках следующих общегосударственных программ:

1. Минвуз СССР, программа " Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами", раздел " Разработка теоретических основ, методов моделирования, технологии и аппаратурного оформления мембранной очистки промышленных стоков", 1986 - 1990 года.

2. Координационный план Российской АН по проблема "Теоретические основы химической технологии" 2.27.2.7.25-"Разработка методов оптимального проектирования промышленных аппаратов на основе сопряженного {изического и математического моделирования".

Цель работы. Моделирование процессов разделения

газовых смесей с использованием кидких мембран в трехфазном

опроотпл'лом слое.

Научная новизна. Разработана модель процесса

разделения газовое смеси с использованием жидких мембран в трехфазном Оарботажном слое с учетом структуры потоков , ускоряющего фактора и теплового эффекта химической реакции.

В рамках сопряженного физического и математического моделирования предложены способы ' описания тепло -, массопереноса в трехфазном барботажном слое как без учета, так и с учетом воздействия изменения температуры. Получены и решены уравнения .модели..

Путем сравнения рассчитанных данных с полученными на лабораторном' стенде экспериментальными результатами по распределению индикатора в средах подтвервдена возможность использования диффузионной модели продольного перемешивания и граничных условий Данквертса для описания структуры потоков в аппарате с трехфазным барботакным слоем.

Практическая значимость. Разработанный ка основе экспериментальных й7" теоретических исследований

комплекс позволяет определять основные технологические характеристики промышленных аппаратов для разделения широкого класса газовых смесей с. использованием жидких мембран в трехфазном барботажном. слое. 1При_ этом учитываются структура потоков, ускоряющий фактор и тепловой эффект химической реакции. Полученные метбдики использованы для разработки процесса очистки. от фенола газовых выбросов конкретного химического производства.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Апробация работы. Основные положения работы

докладывались, обсуждались и опубликованы в материалах следующих крупных научных форумов: '

1. 11-ой Минский международный форум по тепло массообмену, 1992 г., Минск; '

2. Международная конференция по нетрадиционным и 'лазерным технологиям - ПЯ.Т-32М, 1992 г., Москва;

3. 5?у Менделеевский съезд по общей и прикладной химии "Химические.проблемы экологии", 1993 г., Минск.

Результаты работы также обсуждались на Международной - 4 -

шкоде - семинаре "Геофизика и теплофизика неравновесных си- . стем : PEO - 91я в Минске в 1991 г.. на отчетных научно-технических конференциях Казанского государственного технологического университета в 1990, 1993» и 1994 годах.

Структуру и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы»содержа-щего 85 наименований, и приложений. Содержание работы изложено на 95 страницах, включая 4 таблицы и 14 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе анализируются основные общие особенности процессов разделения с использованием жидких мембран.

Анализируются также конкретные варианты технологичес-. кой и конструктивной реализации подобных процессов.

Основной общей особенностью различных способов осуществления таких процессов является то» что жидкая мембрана пространственно отделяет две другие фазы, участвующие в мас-сообмене. Необходимость удержания вещества жидкой мембраны иезду этими средами создает допо.лк.-ительные технические трудности. Специальные технические приемы, которые используются для преодоления этих трудностей, могут быть самыми различными. Поэтому количество различных вариантов реализации технологии жидких мембран огромно.

В этой главе также рассмотрены практические достижения в области использования жидких мембран в различных странах.

В зависимости от механизма массопереноса транспорт целевого компонента через жидкую мембрану классифицируют следующим образом:

1. Пассивный транспорт. При этом мембрана является селективным посредником для вещества целевого компонента и не содержит активных носителей.

2. Индуцированный транспорт. При этом участвуют химические соединения - переносчики, растворенные в веществе жидкой мембраны. Она селективно связывают целевой комцо-

нент» При этом через мембрану переносится комплекс целевой кошюнент-переносчик в связанной виде. На другой стороне жидкой, мембраны происходят распад комплекса.

3* Активный или сопряженный транспорт- При этом в сис— теме с переносчиком перераспределяются два или несколько компонентов». При втш возможен перенос целевого компонента из фазы, меньшей концентрации к фазе с большей концентрацией. в конца 1970 - ых фирма "Bend. Research реализовала в аппарате с волоконными модулями процесс мембранной экстракции урана третичным алифатическим амином из кислых гидрометаллургических растворов.

Фирмой "Мо£е &.и_{!ои!'создана схема извлечения вольфрама из озерных рассолов с использованием модулей с плоской спиралеобразной мембраной, импрегнярованной в триацегатцелшо-зную матрицу.

£ последнее десятилетие в Японии .США, Англии, Австрии» Германии , Польша создан ряд установок для мембранной акотраадии методом множественных эмульсий.

В Австрии фирма" Lenzitigüs" применила метод мембранной экстракции во множественных эмульсиях для селективного из -влечения цинка из сточных вод вискозного производства.

В Болгарии малыми сериями выпускаются пертракторы непрерывного действия со свободными жидкими мембранами.

Подробно изучается возможность извлечения фенола, уксусной кислоты, аммиака различными вариантами технологии жидких мембран из промышленных выбросов химических производств.

В России подробно исследовано и применяется извлечение радионуклидов фирмой "ЭК.ОСПЕК.ТР", которая использует для этой шли поглощающие эмульсии, в частности, эмульсионные кремы, наносимые на кожу.

Широко изучена возможность получения обогащенного кислородом воздуха с использованием шдпрегнированнык жидких мембран.

Однако литературные сведения об использовании амульеий для селектиного извлечения веществ из газов крайне

ограничены. Вместе с тем этот способ реализации технологии жидких мембран мсяет оказаться перспективным при решении экологических задач, связанных с очисткой воздушных выбросов химических производств . Разделение газовой смеси с использованием жидких мембран в трехфазном барботажном слое является одним из вариантов реализации этого способа» Поэтому очевидна необходимость проведения экспериментальных й математических исследований подобных процессов. . , Во второй главе рассматриваются различные аспекты технологического и аппаратурного оформления процесса разделения газовой смеси с использованием жидких мембран в трехфазном барботажном слое. В этой же главе приводятся результаты . экспериментальных исследований на лабораторном стенде.

Процесс разделения газа осуществляется путем барботажа. через слой эмульсии. При этом сплошная фаза эмульсии служит в качестве жидкой мембраны, избирательно растворяющей целевой компонент газовой скеса.

Дисперсная фаза эмульсии является принимающей средой» в которой растворен химическии реагент. Этот реагент химически связывает целевой компонент, поддерживая таким образом высокую движущую силу процесса.

Для гидродинамического моделирования на лабораторной стенде использовалась система вода-керосаа-воздух, причем керосин являлся сплошной фазой эмульсии.

На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки. Основным узлом этого лабораторного стенда является колонка ,1» выполненная из прозрачного материала»

Перед началом эксперимента колонна заполнялась слоем -керосина» Затем через даспергаторы 7 и 0 непосредственно в . зону барботажа го давались вода и. воздух в виде дисйерснй»

В ходе эксперимента наблюдалась физическая картина процесса и определялись основные гидродинамические характеристики* объемные доли фаз, средние объемно - поверхностные диаметры элементов дисперсий, удельные поверхности контак-

та фаз, коэффициенты продольного перемешивания по жидким фазам.

Основные особенности данного способа проведения процесса в некоторых конкретных производственных условиях могут оказаться существенными и выступать в качестве преимуществ. Это - высокая селективность разделения в сочетании с высокой движущей силой процесса массопередачи, возможность снижения коррозии за счет изоляции третьей фазой / жидкой мембраной/ стенок аппарата от агрессивных сред» простота аппаратурного оформления.

Обозначения на рисунке; 1-колонна, 2- подача воды, 3-охвод воды» 4- подача воздуха через воздуходувку,5- ротаметр для определения расхода газа, 6- ротаметр для определения расхода воды,7- диспергатор воды, в- диспергатор газа»/ - трехфазный барботажный слой, 77 - слой обращенной водной фазы,/// -пузырь,_Л/ -капля.

7

0=^

1

и

Рис.1.' Схема экспериментальной установки

В третьей главе голу-тени выражения для источников массн и тепла в уравнениях переноса,, рассматриваемых ¿последующей главе» Необходимость использования источников в этих уравнениях связана с тем, что в каждой из фаз есть приток или сток вещества через границу раздела фаз» В дисперсной жидкой фазе, к тому же» есть сток вещества целевого компонента и тепловой эффект за счет химической реакции» Это создает дошолнительний тепловой поток через границу раздела фаз.

Если выделяющегося теша не достаточно» чтобы заметно воздействовать на физико-химические характеристики сред, то процесс массопереноса можно рассматривать независимо от процесса теплопереноса. Для этого случая с целью учета ускоряющего фактора химической реакции использована пленочная модель.

Получены следуодие выражения для источников масснг

!

к- Л у +[ & ^

Ддя источников тепла получены выражения: » - 3 -

п - 1 i_fL__.lL:Пк_\ Сп - «'I*.. __та-ъ, г+Мкха

В этих формулах использованы следующие обозначения: №1-газовая фаза , 2- мембранная фаза, 3- жидкая дисперсная фаза» X — концентрация, Т-темперагура, У - объемная доля, V" -скорость,^-удельная поверхность, )пь - коэффициент распределения, Ь -высота барботажного слоя, $ -константа реакции первого порядка, £ - коэффициент мае -соотдачи,о( - коэффициент теплопередачи,-коэффициент диффузии, с- удельная теплоемкость, ^ -плотность, Н- тепловой эффект химической реакции.

Приведенные выше уравнения справедливы для реакции первого порядка, В этой же главе получены выражения для источников в случае мгновенной реакции.

Если же образующегося тепла достаточно, чтобы заметно воздействовать на физико-химические характеристики сред, то возникает задача сопряженного описания тепло-и массотгареноса, когда уравнения массопереноса уже нельзя рассматривать независимо ог уравнений тешгопереноса. В этом случае ситуация будет осложняться тем, что нельзя будет записать выражения для источников в явном виде. В этой главе предложен способ приближенного описания массопереноса» в рамках которого при использовании модели обновления поверхности ' удается получить выражения для источников в явной виде, 1уководствуясь основными принципами сопряженного физического и математического моделирования, это упрощение базируется на рассмотрении характерных пространственно - временных масштабов молекулярного переноса тепла и вещества в нестационарных условиях»

Характерные значения коэффициентов температуропроводности жидкостей примерно на два порядка превосходят характерные значения коэффициентов молекулярной диффузии.

Поэтому глубина проникновения тепла за промежуток времени, в течение которого элемент жидкости находится у границы раздела фаз» примерно на два порядка превосходит глубину проникновения вещества. Это обстоятельство позволяет при выводе выражений для источников брать значения константы скорости реакции, коэффициентов распреде -лёния и массоотдачи при температуре на границе раздела фаз» В свою очередь эту температуру можно определить, записывая закон сохранения тепла в предположении о том,что источник, создающий доголнательный тепловой поток за счет теплового Э'4фекта химической реакции, находится на границе раздела фаз» Эти выражения получены как для случая реакции первого порядка, так и для случая мгновенной реакции»

В четвертой главе рассматривается массо- и теилопе-ренос в трехфазном барботажном слое с учетом структуры потоков, ускоряющего фактора и теплового эффекта химической реакции

Тепло-массоперенос в каждой из фаз описывается одномерным уравнением диффузионной модели продольного перемешивания с источниками. Выражения для источников получены в предыдущей главе.

Для подтверждения того, что одномерная диффузионная модель адекватна структуре потоков в аппарате с трехраз-йым1. барботажным слоем, было проведено сравнение теоретической функция распределения элементов жидкой дисперсной фазы с экспериментальной функцией распределения, полученной на лабораторном стенде методом ввода индикатора . Результаты приведены на рис. 2. На рис» 3 сравниваются экспериментальная и теоретическая кривые зависимости концентрации индикатора в мембранной фазе от времени. Под теоретической зависимостью понимается распределение, получаемое путем решения одномерного.уравнения диффузионной «одели продольного перемешивания для концентрации индика-

- 11 -

тора с использованием экспериментального значения коэф фициента продольного перемешивания*

Рио.2» Сравнение экспериментальной и: теоретической функции распределения по временам пребывания элементов дисперсной жидкой. фазы.

----- теория

■■■ ■■ ■ ■ -- эксперимент

Рис. 3. Сравнение экспериментальной и теоретической зависимости концентрации индикатора в мембранной фазе от времени.

---- теория

- эксперимент

В качестве граничных условий использовались граничные условия Данквертса, выражающие потоковые соотношения на входе и выходе аппарата.

Получены решения уравнений модели для следующих • случаев:

1. Химическая реакция первого порядка. Учитывается продольное перемешивание по всем трем фазам,Не учитывается влияние изменения температуры на физикохимические характеристики сред,

2. Мгновенная химическая реакция. По газу предполагается идеальное вытеснение. Не учитывается влияние изменения температуры на физико-химические характеристики сред.

3. Учитывается влияние изменения температуры на константу скорости первого, порядка, коэффициент распределения, коэффициент диффузии» коэффициент массоотдачи.Йо ,газу предполагается идеальное вытеснение, по жидким фазам- 1 идеальное перемешивание. При тех же условиях уравнения решены дли случая, мгновенной реакции.

Во всех перечисленных случаях требуется численное решение алгебраических или трансцендентных уравнений .

- 12 -

легко реализуемое с помощью ЭВМ.

В пятой главе созданный расчетный комплекс применен для разработки альтернативного варианта селективного извлечения фенола аз воздушных выбросов химического производства, которые содержат также пары соляной кислоты»

При этом в качестве жидкой мембраны используются технические масла, состоящие главным образом из предельных углеводородов. Поскольку имеющиеся в литературе экспериментальные данные по фазовому равновесию фенол- жидкие ухн-леводороды сильно ограничены, то .необходимо иметь модель расчета равновесия. В качестве такой модели был вцбран метод групповых вкладов ШИШ. На рис. 4 сравниваются имеющиеся в, литературе экспериментальные данные с результатами , полученными расчетом по методу ЮНИФА.К. для системы октан - фенол. Хорошее согласование эксперимента и расчета подтверждает применимость метода групповых вкладов ДШАК для расчета фазового равновесия в системах фенол-жидкие углеводороды.

С использованием разработанного комплекса был проведен расчет процесса избирательного извлечения фенола из отходящего воздуха с использованием жидких мембран в трехфазном барботахном слое. Рис. 5 иллюстрирует необходимость учета структуры потоков в трехфазном барботажном

слое.Структура потока указана по мембранной фазе. По газу предполагалось идеальное вытеснение, Химреагент - пйОН

1

ао €о

Л_Л-1_1

ис.4. Равновесие в систе-

ис.4. Равновесие в ( е октан/изо/-ф;енол. —- эксперимент ---- расчет

Рис.5. Зависимость безразмерной концентрации фенола в воздухе от текущей безразмерной высоты.

диффузионная модель

!Й

----идеальное вытеснение

_«.•- полное смешение

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено сопряженное физическое и математическое моделирование процесса разделения газовой смеси с

■ использованием жидких мембран в трехфазном барботажном слое.

2. Получено математическое описание процесса сопряженного тепло - массопереноса в трехфазном барботажном слое с учетом структуры потоков в аппарате, ускоряющего фактора и теплового эффекта химической реакции. Получены решения уравнений математической модели как без учета, так и с учетом воздействия изменения температуры на некоторые физико - химические и кинетические характеристики сред.

3. Для определения гидродинамических параметров модели проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде.

4. Путем сравнения расчетных данных с полученными на лабораторном стенде результатами подтверждена адекватность математической модели физической картине процесса.

5. Создан пакет прикладных программ по расчету тепло -массообменных характеристик процессов разделения газовых смесей с использованием жидких мембран в трехфазном барботажном слое. Программный комплекс включает расчет фазового равновесия методом групповых вкладов ШИФАК.

6. На решении конкретной производственной проблемы показана возможность практической реализации разработанного расчетного комплекса.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: "

I. Фарахов М.й., Тахзвутдкнов Р.Г., Альтапов А.Р. Моделирование процесса разделения газовой смеси в барботажном аппарате с использованием жидкой мембраны //Межвуз. сб. науч. тр. "Массообменные процессы и аппараты химической технологии" - Казань, 1991, г. 22-27.

2. Дьяконов С.Г., Фарахов М.И., Тахавутдинов Р.Г., Альтапов А.Р. Тепло - и массоперенос в " присутствии химической реакции в трехфазном барботажном слое //Сборник докладов II Минского международного форума "Гешюмассообмен-ММФ-92", т. xi - Минск, 19Э2, с. 199-202.

3. DJakonov S.G., Farakhov M.I., Tabavutdlnov R.G., Altapov A.R., Klinov А.В. Separation or Gaseous Mixture by liquid Membranes In Bubble Layer //International Conference on Advanced and laser Technologies "ALT-92" - Book ol Summaries, part 1, Moscow, 1992, p. 133-136.

4. Дьяконов С.Г., Фарахов М.И., Тахавутдинов Р.Г..Альтапов А.Р. Разделение газовой смеси с использованием жидких мембран в трехфазном барботажном слое //Труды XV Менделеевского съезда по общей и прикладной химии " Химические проблемы экологии ", т. 4 - Минск, 1993, с. 63-64.

Соискатель f /' Тахавутдинов Р.Г.

Тираж 80 экз. Заказ 62/

Казанский государственный технологический университет Офсетная лаборатория

420015, Казань, К. Маркса, 68