автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции через сферическую границу раздела фаз

На правах рукописи

Лаврова Лариса Юрьевна

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

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2003

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии».

Научный руководитель:

Ведущая организация:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ермаков Анатолий Александрович кандидат технических наук, доцент Ермаков Сергей Анатольевич доктор технических наук Давыдов Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент Югай Феликс Сергеевич Федеральное государственное унитарное предприятие «УНИХИМ с опытным заводом», г. Екатеринбург

Защита состоится 8 декабря 2003г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.09 в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19, Главный учебный корпус, ауд. I.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью предприятия, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ».

Автореферат разослан и &2003г.

Ученый се!фетарь диссертационного совета, д.х.н.

В.Н. Рычков

з-к 1 8 о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальной проблемой химической технологии является задача по интенсификации технологических процессов и повышению эффективности химических производств. Для процессов разделения (экстракция, ректификация, абсорбция и др.) может быть успешно использовано явление самопроизвольной межфазной конвекции (СМК), вызванное эффектом Марангони. Эффектом Марангони называют движение жидкости на поверхности раздела фаз, обусловленное градиентами межфазного натяжения, возникающих за счет градиентов концентраций или температур при массотеплопередаче. Особенностью межфазной конвекции является то, что СМК возникает и развивается за счет изменения энергии самой системы. Факторы, ответственные за возникновение СМК, удобны для искусственного инициирования межфазной конвекции, а управление СМК возможно при варьировании гидродинамических условий и физико-химических параметров.

Влияние физико-химических параметров экстракционных систем на условия возникновения и интенсивность СМК в основном изучалось при массопередаче через плоскую границу раздела фаз. В промышленных условиях массопередача, как правило, осуществляется через сферическую границу раздела фаз. Исследования же массопередачи в условиях СМК через сферическую межфазную поверхность ограничены небольшим количеством работ.

Совершенно пе изучена массопередача, сопровождаемая химической реакцией в условиях СМК. Основным препятствием использования СМК в промышленных системах является отсутствие информации по влиянию физико-химических параметров экстракционных систем на условия возникновения межфазной нестабильности и интенсивность СМК при массопередаче, в том числе с быстрой химической реакцией, через сферическую границу раздела фаз. Особый интерес представляет изучение влияния основных физико-химических факторов экстракционных систем на массообмен с быстрой химической реакцией во время каплеобразования дисперсной фазы и в период «свободного» движения капли в условиях СМК.

В литературе практически отсутствуют данные о закономерностях массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности в условиях стесненного движения группы капель. Г " дования

закономерностей переноса вещества с быстрой химической реакцией в условиях СМК в экстракционных аппаратах.

Работа выполнена по госбюджетной научно-исследовательской теме № 1336 «Разработка научных основ, способов интенсификации массообменных процессов» и при финансовой поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований: грант по физике № 01-02-96417 «Интенсификация тепломассопереноса сопровождаемого быстрой химической реакцией в системе жидкость - жидкость в условиях самопроизвольной межфазной конвекции».

Цель работы. Исследование влияния основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК через сферическую границу раздела фаз.

Задачи исследования.

1. Определить физико-химические параметры экстракционных систем, влияющие на условия возникновения и интенсивность СМК при массопередаче с быстрой химической реакцией через сферическую границу раздела фаз.

2. Разработать методику обработки экспериментальных данных, позволяющую четко разделить процесс массопередачи на два различных по своему механизму периода переноса вещества - период каплеобразования и период «свободного» движения капли.

3. Исследовать влияние основных параметров экстракционных систем на перенос вещества с быстрой химической реакцией в период каплеобразования и во время «свободного» движения капли в условиях СМК.

4. Разработать математическую модель процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной конвекции для периодов каплеобразования и «свободного» движения капли.

5. Изучить влияние самопроизвольной межфазной конвекции на эффективность работы колонных гравитационных экстракторов.

Методы выполнения работы. Эксперименты проводили в стеклянных экстракционных колоннах для падающей и всплывающей капель, а также на лабораторных колонных экстракторах - распылительной и тарельчатой колоннах. Для проведения экспериментальных исследований по влиянию физико-химических свойств экстракционных систем на закономерности массопередачи с быстрой

химической реакцией в условиях СМК были использованы известные приемы изменения отдельно взятого параметра в пределах одной системы при постоянных или незначительно изменяющихся других характеристиках.

Работа выполнена с использованием современных компьютерных программ. Для проведения общих математических расчетов, составления инженерных таблиц, построения графиков на основе табличных данных, линейной аппроксимации и т.д. использована программа Microsoft Excel. Статистическая обработка проведена с использованием специальных компьютерных систем анализа данных -статистических пакетов NCSS (фирма «NCSS Statistical Software») и STATISTICA (фирма «StatSoft Inc»), Пакет NCSS применен для аппроксимации двухэкспоненциальной функцией экспериментальных данных и идентификации коэффициентов уравнения рецессии. Пакет STATISTICA использовали для графически-ориентированного подхода к анализу данных на этапах оценки адекватности математической модели (визуальное оценивание параметров регрессионных кривых, оценка остатков на плоскости и др.).

Научная новизна.

1. Впервые проведены систематические исследования по влиянию основных физико-химических параметров экстракционных систем на интенсивность массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК через сферическую границу раздела фаз. Определены диапазоны варьирования изменяемых параметров системы, влияющих на условия возникновения межфазной нестабильности и интенсивность СМК. Изучены кинетические закономерности для процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях межфазной конвекции для периодов каплеобразования и «свободного» движения капли.

2. На основе модели Хандлоса и Барона получены уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности через сферическую границу раздела фаз. Получены регрессионные уравнения, определяющие зависимость эмпирического коэффициента математической модели от каждого изменяемого физико-химического параметра экстракционной системы.

3. Впервые исследовано влияние начальной концентрации переносимого вещества на массообмен с быстрой химической реакцией в режиме межфазной

нестабильности на примере работы гравитационных экстракторов - распылительной и тарельчатой колонн.

Практическая значимость. Результаты экспериментальных исследований по влиянию физико-химических параметров экстракционных систем на массопередачу с быстрой химической реакцией в условиях СМК для периодов каплеобразования и «свободного» движения капли могут быть использованы при проведении научных экспериментов по изучению конвективного массообмена через сферическую 1раницу раздела фаз и при проектировании процессов экстракции в промышленных системах, протекающих с химической реакцией в условиях СМК.

Полученные уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) могут применяться для количественной оценки перенесенного через межфазную поверхность вещества как в процессе образования капли, так и во время ее «свободного» движения. Относительная простота уравнений, возможность учета любого изменяемого физико-химического параметра системы позволяют применять их для математических расчетов при разработке технологических процессов массообмена в режиме межфазной нестабильности.

Реализация результатов. Результаты исследований использованы в промышленном процессе очистки тетрахлорэтилена от примесей технического дихлорфенола на НПП ООО «Химфарм». На основе проведенных лабораторных исследований даны рекомендации по интенсификации данного процесса путем применения самопроизвольной межфазной конвекции. Установлено, что за счет использования режима межфазной нестабильности сокращено время процесса регенерации растворителя, производительность узла регенерации увеличена в два раза.

Автор выносит на защиту.

1. Результаты исследований по влиянию физико-химических параметров экстракционных систем на интенсивность массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период каплеобразования.

2. Результаты исследований физико-химических параметров экстракционных систем на интенсивность переноса вещества с быстрой химической реакцией в условиях межфазной конвекции в период «свободного» движения капли.

3. Уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) при массопередаче с быстрой химической реакцией в условиях СМК через сферическую границу раздела фаз для периодов каплеобразования и «свободного» движения капли.

4. Результаты кинетических исследований массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в колонных экстракторах.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены на: XII Российской конференции по экстракции (г. Москва, 2001 г.); научной конференции по современным проблемам химии и технологии экстракции (г. Москва, 2001 г.); П международной научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии» (г. Уфа, 2001г.); I отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2001г.); II отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2002г.); V отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (г.Екатеринбург, 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, приложения. Диссертационная работа изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 45 таблиц. Список литературы содержит 173 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, сформулированы цели исследования.

В первой главе «Массообмен в условиях самопроизвольной межфазной конвекции» описано современное состояние научных изысканий 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 каплеобразования, поставлены задачи, требующие решения для успешного использования явления СМК в процессах жидкостной экстракции.

Во второй главе «Исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК» подробно описаны экспериментальная установка, последовательность проведения эксперимента и методика обработки экспериментальных данных. Выбор экстракционных систем определялся широким диапазоном физико-химических свойств взаимодействующих фаз.

В главе представлено обоснование «диффузионной» области протекания процесса, сделан выбор оптимальной высоты колонны и времени каплеобразования. Подробно описаны методы изменения физико-химических параметров экстракционных систем. В качестве определяющих физико-химических параметров выбраны межфазное натяжение в отсутствии переносимого вещества (ст0), поверхностная активность переносимого компонента (да/дс), концентрации переносимого вещества (с0) и связующего реагента (ссв р ), вязкости отдающей (щ) и принимающей (ц2) фаз. а также направление массопередачи (из капли, в каплю).

Для оценки условий возникновения межфазной нестабильности и интенсивности массопередачи в условиях СМК выбраны следующие параметры:

1) для периода каплеобразования - величина «концевого эффекта» (Еь) и степень извлечения (насыщения) (Аь), определяющих количество перенесенного через межфазную поверхность вещества за время образования капли;

2) при переносе вещества из капли в период «свободного» движения -критическая движущая сила (с,,,), соответствующая переходу режима межфазной нестабильности ■ в «диффузионный» режим; коэффициент интенсивности СМК (ксмк^а), учитывающий ускорение массопередачи в режиме межфазной нестабильности (рис.1);

3) при переносе вещества в каплю в период «свободного» движения -максимальное значение коэффициента массопередачи (1^), характеризующее интенсивность массопередачи; критическая концентрация (с^,), соответствующая возникновению СМК (рис.2).

кхЮ, м/с

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

с, кмоль/м3

Рис. 1. Зависимость коэффициента массопередачи от движущей силы процесса при массопередаче из капли.

Обнаружение межфазной нестабильности методом «сильных ПАВ». Система «четыреххлористый углерод + уксусная кислота (со=0,5 кмоль/м3) -водный раствор щелочи (ссвр=1,0 кмоль/м3)»:

1 - массопередача в режиме межфазной нестабильности (без ПАВ);

2 - массопередача в «диффузионном» режиме (концентрация ПАВ=0,01% вес.).

Режимы протекания процесса: А - «диффузионный» режим; Б - режим межфазной нестабильности.

кхЮ4, м/с

_4п!Ч-1-1-1--г- с'Кмоль/м3

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Рис. 2. Зависимость коэффициента массопередачи от движущей силы процесса при массопередаче в каплю. Система «четыреххлористый углерод + масляная кислота - водный раствор щелочи (ссв р = 2,0 кмоль/м3)». Начальные концентрации переносимого вещества:

• - 0,052 кмоль/м3;-- 0,095 кмоль/м3; ■ - 0,295 кмоль/м3;

▲ - 0,503 кмоль/м3; Ж - 0,761 кмоль/м3; X - 0,999 кмоль/м3; +- 1,210 кмоль/м3; + - 1,520 кмоль/м3. Режимы протекания процесса: А, В - «диффузионный» режим; Б - режим межфазной нестабильности.

Для обработки кинетических зависимостей, полученных в ходе эксперимента, использовали аппроксимирующее уравнение следующего вида:

c(t) = A-eBl + CeDI, (1)

где c(t) - текущая концентрация переносимого реагента в отдающей фазе, кмоль/м3; t - время процесса, с; коэффициенты А, В, С, D - параметры двухэкспоненциальной функции, полученные на основе статистической обработки в пакете NCSS.

Результата аппроксимации позволили определить значения концентрации переносимого вещества в определенный момент времени c(t). Найденную концентрацию переносимого вещества в момент отрыва капли от диспергирующего капилляра в дальнейшем принимали за исходную для расчета массопередачи в период «свободного» движения капли. Таким образом, предложенная методика обработки экспериментальных данных дала возможность разделить процесс массопередачи на два различных по своему механизму периода переноса вещества - период каплеобразования и период «свободного» движения капли.

Расчет коэффициента массопередачи (к) с быстрой химической реакцией в условиях СМК при переносе вещества из капли производили по уравнению:

k = .M).__L_, (2)

A Syí -с(О)

где dc(t)/dt - изменение концентрации переносимого вещества в капле в течение времени протекания процесса или скорость массопередачи, кмоль/м3^; Syfl - удельная поверхность контакта фаз, м"1; с(0) - движущая сила процесса в нулевой момент времени, по условиям эксперимента равная начальной концентрации переносимого вещества, кмоль/м3.

Расчет коэффициента массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК при направлении переноса вещества в каплю вели аналогичным образом, только вместо концентрации переносимого вещества брали концентрацию связующего реагента.

Различными методами (визуальными, кинетическими, методом «сильных ПАВ») доказано существование СМК при массопередаче с быстрой химической реакцией через сферическую границу раздела фаз. На рис.1 представлен один из методов обнаружения СМК. В работе для исследованных систем проведена идентификация режимов массопередачи.

Третья глава «Исследование физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период каплеобразования».

Все эксперименты проводили при постоянном времени каплеобразования равном 0,3 секунды.

Изучение влияния межфазного натяжения системы (а0) на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК показало, что понижение межфазного натяжения системы приводит к уменьшению значений «концевого эффекта» и степени извлечения (насыщения). Это связано с падением интенсивности СМК за счет уменьшения значений градиентов межфазного натяжения вследствие понижения о0. График представлен на рис. 3.

Исследование влияния поверхностной активности переносимого вещества (дсуЭс) на закономерности массопередачи в период каплеобразования проводили при переносе уксусной, пропионовой и масляной кислот в водный раствор щелочи. В ряду карбоновых кислот с увеличением поверхностной активности переносимого вещества (да/дс) значения «концевого эффекта» и степени извлечения (насыщения) существенно не менялись. При интенсивном перемешивании в период каплеобразования доставка переносимого вещества к границе раздела фаз осуществляется достаточно быстро, в результате градиент концентрации превалирует над поверхностной активностью переносимого вещества.

Изучено влияние начальной концентрации переносимого вещества (с0) на массопередачу в период каплеобразования. Установлено, что при массопередаче с быстрой химической реакцией в условиях СМК наблюдалось увеличение значений «концевого эффекта» прямо пропорционально увеличению начальной концентрации переносимого вещества, что объясняется ростом движущей силы процесса массопередачи при возрастании концентрации с0. График представлен на рис. 4.

Анализ влияния концентрации связующего реагента (ссвр) на закономерности массопередачи с химической реакцией в условиях СМК в период образования капли показал, что «концевой эффект» не зависит от концентрации связующего реагента (ссвр ). По условиям эксперимента принимающая фаза не является лимитирующей и увеличение концентрации связующего реагента при малом времени каплеобразования (0,3 секунды) не меняет фазового сопротивления системы.

Б),, кмоль/м3 0,40 т

0,20 '

" """" I I ' I ....... ' .....I"1 ' I

2,0 2,5 3,0 3,6 4,0 4,5

о0хЮ2,Н/м

Рис. 3. Зависимость величины «концевого эффекта» от межфазного натяжения системы при переносе масляной кислоты (со=1,0 кмоль/м3) из четыреххлористого углерода в водный раствор щелочи (ссвр.=2,0 кмоль/м3)

Е(, х102, кмоль/м3

с, кмоль/м3

Рис. 4. Зависимость величины «концевого эффекта» от начальной концентрации переносимого вещества при массопередаче бензойной кислоты из капли толуола в водный раствор щелочи (са,р,=0,4 кмоль/м3)

Исследование влияния вязкости отдающей фазы (щ) на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в период каплеобразования в условиях межфазной конвекции показало, что с увеличением вязкости Ц] значения «концевого эффекта» и степени извлечения (насыщения) уменьшаются. Это связано с ростом сил трения, в результате чего циркуляционное движение вблизи границы раздела фаз (со стороны отдающей фазы) затормаживается и интенсивность массопередачи падает.

Исследование влияния вязкости принимающей фазы (цг) показало, что с ростом вязкости Ц2 значения «концевого эффекта» и степени извлечения (насыщения) не меняются. При каплеобразовании в исследуемом диапазоне принимающая фаза малочувствительна к изменению фазового сопротивления.

Экспериментально установлено, что направление массопередачи (из капли, в каплю) влияет на величину «концевого эффекта» и степень извлечения (насыщения). Так, при переносе вещества в каплю значение последних заметно больше, чем при переносе из капли. Это можно объяснить тем, что при практически неизменной межфазной поверхности перенос вещества в каплю осуществляется при постоянной движущей силе процесса (по условию эксперимента концентрация сплошной отдающей фазы не меняется), а при переносе вещества из капли движущая сила процесса уменьшается во времени.

Четвертая глава «Исследование физико-химических параметров экстракционных систем на прогресс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМКв период «свободного» движения капли».

Установлено, что уменьшение межфазного натяжения системы (ао) приводит к падению интенсивности массопередачи (к) и межфазной конвекции (ко«), а также к увеличению критической движущей силы (с^,). Понижение <т0 приводит к уменьшению градиентов межфазного натяжения, что снижает интенсивность СМК. А уменьшение интенсивности массопередачи связано с падением интенсивности СМК (рис.5).

с, кмоль/м3

Рис.5. Зависимость коэффициента массопередачи от критической движущей силы при переносе масляной кислоты (со = 1,0 кмоль/м3) из капли четыреххлористого углерода в водный раствор щелочи (ссв.р. = 2,0 кмоль/м3) при юменении межфазного натяжения системы (а0):

1 _ Оо = 40,9-10"3Н/м; 2 - ст0 = 38,5-10-3Н/м; 3 - <т0 = 33,М0-3Н/м; 4 - Сто = 31,9-10"3Н/м; 5 - ст0 = 28,7-10"3Н/м.

Влияние поверхностной активности переносимого вещества (д&дс) на кинетику массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях межфазной конвекции в период «свободного» движения капли изучали при переносе карбоновых кислот. Анализ экспериментальных данных показал, что в ряду от уксусной до масляной в области высоких концентраций (с0 ~ 1,0 кмоль/м3) с увеличением поверхностной активности критическая движущая сила (с,ф) не меняется, а интенсивность СМК (к^к) возрастает. При малых концентрациях переносимого вещества (с0 » 0,5 кмоль/м3) с увеличением осуЭс интенсивность СМК постоянна, а критическая движущая сила уменьшается. Это связано, как с различными физико-

химическими свойствами систем (использование разных растворителей), так и с возможным превалирующим влиянием, в первом случае, поверхностной активности, в другом - градиентов концентраций.

Из проведенных экспериментов по влиянию начальной концентрации переносимого вещества на кинетические закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности при направлении переноса вещества нз капли было установлено, что с увеличением начальной концентрации переносимого вещества (со) критическая движущая сила (с,ф) увеличивается, а зависимость интенсивности СМК (к^ц) и массопередачи (к) вначале растет, проходит через максимум и уменьшается. При направлении переноса вещества в кашпо с увеличением начальной концентрации переносимого вещества также наблюдается характерный максимум, соответствующий условиям СМК, где коэффициент массопередачи (к) имеет максимальное значение (см. рис. 2). Рост интенсивности СМК и массопередачи вначале связан с увеличением градиентов концентраций за счет повышения начальной концентрации переносимого вещества, что приводит к возрастанию интенсивности СМК и массопередачи. При достижении критического значения начальной концентрации (со) начинается падение интенсивности последних, что связано с понижением межфазного натяжения системы, уменьшением градиентов межфазного натяжения и, как результат, падение интенсивности СМК и массопередачи.

Исследование влияния концентрации связующего реагента (сга.р.) на перенос вещества в период «свободного» движения капли показало, что с увеличением концентрации связующего компонента при массопередаче с быстрой химической реакцией в условиях СМК критическая движущая сила процесса (Скр) практически не меняется, а интенсивность СМК (ко«) падает до нулевого уровня. Это объясняется ростом вязкости принимающей фазы за счет увеличения концентрации щелочи. Сопротивление принимающей фазы увеличивается, что приводит к гашению СМК в приграничном слое со стороны принимающей фазы.

Экспериментально доказано, что с увеличением вязкостей отдающей (цО и принимающей (ц2) фаз интенсивность межфазной конвекции (ко«) в период «свободного» движения капли снижается, а критическая движущая сила (с^) возрастает. Это объясняется тем, что при увеличении вязкости фаз происходит рост

сил трения, в результате чего циркуляционное движение вблизи границы раздела фаз затормаживается, при превышении вязких сил над поверхностными межфазная конвекция затухает.

Пятая глава «Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК через сферическую границ раздела фаз».

На основе модели Хандлоса и Барона получены уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) для процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности в периоды каплеобразования и «свободного» движения капли. В окончательном варианте уравнение для определения степени извлечения (насыщения) в период каплеобразования предложено в виде:

Аь=1-А.ехр[-Яп.^-.-Ь-], (3)

128 -<10 ц2

где А - эмпирический коэффициент уравнения; Хц - собственное значение функции; р.! - вязкость отдающей фазы, Па с; ц2 - вязкость принимающей фазы, Па-с; ¿каши диаметр капли, м; ёо- диаметр диспергирующего капилляра, м.

Собственное значение функции (Х„) определяли исходя из рассчитываемой величины (Ь), характеризующей соотношение фазовых сопротивлений, которую находили из соотношения: 64-71-к-(1+(х1/ц2)

и0

где к - коэффициент массопередачи в условии СМК, кмоль/м3; Шо - скорость вытекающей из капилляра жидкости, м/с.

Для исследованных экстракционных систем собственные величины функции находили с учетом проведенной аппроксимации графической зависимости /(Ь).

Эмпирический коэффициент уравнения (А) определяли путем обработки экспериментальных данных. В каждом случае была отмечена закономерность изменения этого коэффициента в зависимости от изменяемого физико-химического параметра системы А=/(ст0; да/дс; Со; ссв р; |Дь ц2), при этом изменялся только один физико-химический параметр при постоянстве остальных.

С достаточной степенью точности зависимость А=/(§) может быть описана линейным уравнением вида:

А=аг4+а<), (5)

где § - один из изменяемых физико-химический параметров системы (сто; да/8с; со; Севр! Ць Цг); аь ао - коэффициенты уравнения.

Оценка адекватности зависимости (5) проведена на основе анализа остатков, который показал, что предложенное уравнение достаточно адекватно описывает данные и может быть использовано для дальнейших вычислений. Найденные коэффициенты уравнения (аь ао) были подставлены в выражение (3) для определения расчетной степени извлечения (насыщения) в период каплеобразования, при этом отклонения между расчетными и экспериментальными значениями вполне удовлетворительны.

Для расчета степени извлечения (насыщения) в период «свободного» движения капли предложена формула:

512'Йиш» Й2+Й1

где - собственное значение функции; ида - скорость «свободного» движения капли, м/с; 1да - время «свободного» движения капли, с; — диаметр капли, м;

(X) - вязкость отдающей фазы, Па с; Ц2 - вязкость принимающей фазы, Па-с.

Собственное значение функции (А„) определяли исходя из рассчитываемой величины (1г), характеризующей соотношение фазовых сопротивлений, которую находили из соотношения:

Ь,- -, (7)

да

где к - коэффициент массопередачи в условиях СМК, кмоль/м3.

Для исследованных экстракционных систем собственные величины функции X,, находили с учетом проведенной аппроксимации графической зависимости /(Ъ).

Эмпирический коэффициент уравнения (А) определяли по экспериментальным данным. Установлено, что для периода «свободного» движения капли зависимость А= /(£) сохраняет линейный характер и алгоритм нахождения эмпирического коэффициента уравнения (А) аналогичен.

На рис. б представлены зависимости коэффициентов массопередачи (к), полученных экспериментально и рассчитанных по формуле (6), от времени «свободного» движения капли для отдельного опыта одной из исследованных систем.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 ♦ с

дв* с

Рис. 6. Изменение коэффициента массопередачи от времени «свободного» движения. Система: «четыреххлористый углерод + масляная кислота (со=1,05 кмоль/м3) - водный раствор щелочи (сов р.=2,0 кмоль/м3)». Изменяемый физико-химический параметр - межфазное натяжение системы (а0=33,1хЮ3 Н/м).

• - экспериментальные данные; А - расчетные данные (по регрессионной модели).

Шестая глава «Исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в колонных экстракторах».

Изучено влияние СМК на эффективность работы аппаратов на примере распылительной и тарельчатой экстракционных колонн. Доказано существование межфазной конвекции в условиях стесненного движения капель. Как и в опытах на одиночной капле, в колонных экстракторах СМК интенсифицирует процесс переноса вещества.

Результаты экспериментов показали, что закономерности массопередачи, выявленные ранее в опытах на одиночной капле, сохраняются и в условиях стесненного движения группы капель.

Зависимости коэффициента массопередачи от движущей силы процесса при экстракции масляной кислоты из четыреххлористого углерода в водный раствор гидроокиси натрия в распылительной и тарельчатой колоннах представлены на рис. 7 и рис.8 соответственно.

Рис.7. Зависимость коэффициента массопередачи от движущей силы процесса при переносе масляной кислоты из четыреххлористого углерода в водный раствор гидроокиси натрия (с^.р ^ 2,0 кмоль/м3) в распылительной колонне.

Начальные концентрации переносимого вещества: 1 - 0,099 кмоль/м3; 2 - 0,302 кмоль/м3; 3 - 0,501 кмоль/м3; 4 - 0,990 кмоль/м3.

Изучено влияние концентрации переносимого вещества на величину единицы переноса (ВЕП), используемую традиционно для оценки эффективности экстракционных колонн. Установлено, что увеличение начальной концентрации переносимого вещества уменьшает величину ВЕП. Данные закономерности для

экстракционных колонн объясняются увеличением коэффициента массопередачи в режиме межфазной нестабильности.

Протекание процесса массопередачи в условиях СМК значительно снижает высоту аппарата (ВЕП). Это объясняется тем, что на долю массопередачи в режиме межфазной нестабильности приходится от 30 % до 70 % количества переносимого вещества, что и приводит к значительному уменьшению высоты колонны.

кхЮ4, м/с

Рис. 8. Зависимость коэффициента массопередачи от движущей силы процесса при переносе масляной кислоты из четыреххлористого углерода в водный раствор гидроокиси натрия (ссв р = 2,0 кмоль/м3) в тарельчатой колонне.

Начальные концентрации переносимого вещества:

1-0,108 кмоль/м3; 2 - 0,313 кмоль/м3; 3 - 0,497 кмоль/м3; 4-1,010 кмоль/м3.

Сравнение эффективности колонных экстракторов между собой показало, что интенсивность массопередачи в тарельчатой колонне выше, чем в распылительной. Так, в тарельчатой колонне коэффициент массопередачи заметно больше, а величина единицы переноса в два раза ниже, чем в распылительной колонне. В распылительном экстракторе по мере движения капли происходит постепенное исчерпывание концентрации в капле. При этом, градиенты концентрации уменьшаются, снижаются и градиенты межфазного натяжения, падает интенсивность и скорость массопередачи. При массопередаче в тарельчатой колонне за счет многократного диспергирования и редиспергирования происходит выравнивание концентрации по объему капли, и капля начинает движение вновь с новой начальной концентрацией и новыми градиентами концентрации и межфазного натяжения на поверхности. Это и позволяет поддерживать интенсивность СМК и массопередачи на более высоком уровне.

В этой же главе проведены исследования промышленной системы переноса технического дихлорфенола из тетрахлорэтилена в водный раствор гидроокиси натрия. Определены интенсивные режимы протекания процесса массопередачи дихлорфенола. Экспериментально установлены критические параметры переносимого вещества и связующего реагента. Даны рекомендации для промышленной реализации.

ВЫВОДЫ

1. Различными методами (визуальными, кинетическими, методом «сильных ПАВ») доказано существование СМК при массопередаче с быстрой химической реакцией через сферическую границу раздела фаз, идентифицированы режимы массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности.

2. Разработана методика обработки экспериментальных данных, дающая возможность четко разделить процесс массопередачи на два различных по своему механизму периода переноса вещества - период каплеобразования и период «свободного» движения капли. Получены регрессионные уравнения, позволяющие количественно оценить изменение начальной концентрации переносимого вещества от времени контакта фаз.

3. Изучено влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период каплеобразования. Установлено, что:

- понижение межфазного натяжения системы уменьшает значения «концевого эффекта»;

- поверхностная активность переносимого вещества практически не оказывает влияние на величину «концевого эффекта»;

- увеличение начальной концентрации переносимого вещества приводит к росту значений «концевого эффекта»;

- увеличение концентрации связующего реагента не влияет на величину «концевого эффекта»;

- увеличение вязкости отдающей фазы уменьшает значения «концевого эффекта», в то время, как рост вязкости принимающей фазы не оказывает влияния на величину «концевого эффекта»;

- направление массопередачи (из капли, в каплю) влияет на величину «концевого эффекта». Так, при переносе вещества в каплю значение последнего заметно больше, чем при переносе из капли.

4. Изучено влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли. Установлено, что:

- уменьшение межфазного натяжения системы приводит к увеличению критической движущей силы и падению интенсивности СМК и массопередачи;

- в области высоких концентраций с увеличением поверхностной активности переносимого вещества критическая движущая сила не меняется, а интенсивность СМК возрастает. При малых концентрациях переносимого вещества с увеличением поверхностной активности интенсивность СМК постоянна, а критическая движущая сила уменьшается;

- увеличение начальной концентрации переносимого вещества при массопередаче критическая движущая сила увеличивается, а интенсивность СМК и массопередачи вначале растет, проходит через максимум и уменьшается;

- с ростом концентрации связующего реагента критическая движущая сила практически не меняется, а интенсивность СМК падает;

- увеличение вязкостей как отдающей, так и принимающей фаз приводит к росту критической движущей силы и падению интенсивности СМК и массопередачи.

5. На основе модели Хандлоса и Барона получены уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) при массопередаче с быстрой химической реакцией в условиях СМК для периодов каплеобразования и «свободного» движения капли. Предложены регрессионные уравнения, определяющие зависимость эмпирического коэффициента модели от каждого изменяемого физико-химического параметра экстракционной системы.

6. Доказано существование межфазной конвекции в условиях стесненного движения капель. Проведено исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в колонных экстракторах. Установлено, что использование явления СМК в колонных экстракторах повышает эффективность их работы, значительно снижая высоту подобных аппаратов.

7. Проведена работа по интенсификации массообмена путем применения режима СМК при очистке тетрахлорэтилена от примесей технического дихлорфенола на НПП ООО «Химфарм». Установлено, что за счет применения режима СМК сокращено время регенерации растворителя, производительность узла регенерации увеличена в два раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Влияние межфазного натяжения системы, вязкости отдающей и принимающей фаз при экстракции с химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции /С.А. Ермаков, A.A. Ермаков, Д.В. Вайсов, Л.Ю. Лаврова, H.H. Коврижин // Материалы XII Российской научной конференции по экстракции. М., 2001,- С.186-196.

2. Расчет параметров уравнения массопереноса с химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции /С.А. Ермаков, A.A. Ермаков, Д.В. Вайсов, Л.Ю. Лаврова, H.H. Коврижин // Материалы научной конференции «Современные проблемы химии и технологии экстракции». М., 2001. - С.245-255.

3. Уравнения массопереноса в условиях самопроизвольной межфазной конвекции /С.А. Ермаков, A.A. Ермаков, Д.В. Вайсов, Л.Ю. Лаврова, H.H. Коврижин//

24 Р 1808

Материалы П международной научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии». Уфа, 2001. - С. 52-53.

4. Лаврова Л.Ю., Ермаков A.A. Влияние начальной концентрации переносимого вещества на кинетические закономерности при массообмене с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз в условиях самопроизвольной межфазной конвекции // Тез.докл. I отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2001. - С.262.

5. Массопередача с химической реакцией в режиме самопроизвольной межфазной конвекции из капли /Д.В. Вайсов, С.А. Ермаков, Л.Ю. Лаврова,

!

А.А.Ермаков // Труды СвердлНИИхиммаша. - Серия: оборудование для оснащения технологических производств: Сборник. Екатеринбург, 2001-Вып. 8. - С.100-110.

6. Кинетика экстракции карбоновых кислот в условиях самопроизвольной межфазной конвекции /С.А. Ермаков, A.A. Ермаков, Д.В. Вайсов, Л.Ю. Лаврова, Н.Н.Коврижин // Химическая технология - М., 2002. - № 4. - С.41-46.

7. Лаврова Л.Ю., Ермаков A.A. Влияние вязкости отдающей и принимающей фаз на кинетические закономерности при массообмене с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз в условиях самопроизвольной межфазной конвекции // Тез.докл. П отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2002. - С. 132.

8. Массообмен с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз в условиях самопроизвольной межфазной конвекции /СЛ. Ермаков, ЛЮ.Лаврова, A.A. Ермаков, С.П. Самохин // Химическая технология. - М., 2003. - < С.35-41.

9. Лаврова Л.Ю., Ермаков A.A. Интенсификация массообмена путем «7

*

применения явления самопроизвольной межфазной конвекции (СМК) при очистке теграхлорэтилеиа от технического дихлорфенола // Тез.докл. V отчетной ' конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2003. - (в печати).

Подписано в печать 3.11.03 Заказ 273

Формат 60x84/16 Тираж 80 экз.

Ризография НИЧ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Введение.

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

1.1. Самопроизвольная межфазная конвекция.

1.2. Экспериментальные методы обнаружения и исследования СМК.

1.3. Условия возникновения самопроизвольной межфазной конвекции.

1.4. Массопередача с химической реакцией в условиях СМК.

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

1.6. Выводы и постановка задач исследования.

2. Исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК.

2.1. Методическая часть.

2.1.1. Выбор объектов исследования.

2.1.2. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента.

2.1.3. Методика обработки экспериментальных данных по изучению массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях межфазной конвекции .;.

2.1.3.1. Обработка экспериментальных данных при массопередаче с быстрой химической реакцией в период образования капли в условиях СМК.

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

2.2. Экспериментальная часть.

2.2.1. Обоснование «диффузионной» области протекания процесса.

Выбор высоты колонны и времени каплеобразования.

2.2.2. Экстракционные системы и параметры при исследовании влияния величины межфазного натяжения.

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

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

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

2.3. Обнаружение и идентификация межфазной конвекции при массопередаче с быстрой химической реакцией через сферическую границу раздела фаз.

2.4. Выводы.

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

3.1. Влияние межфазного натяжения системы на величину «концевого эффекта»

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

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

3.4. Влияние концентрации связующего реагента на величину «концевого эффекта»

3.5. Влияние вязкости отдающей и принимающей фаз на величину концевого эффекта».

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

3.7. Выводы.

4. Исследование физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли.

4.1. Влияние межфазного натяжения системы на массопередачу с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли.

4.2. Влияние поверхностной активности переносимого вещества на массопередачу с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли.

4.3. Влияние начальной концентрации переносимого компонента на параметры массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли.

4.4. Влияние концентрации связующего реагента на параметры массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли.

4.5. Влияние вязкости отдающей и принимающей фаз на параметры массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК во время «свободного» движения капли.

4.6. Выводы.

Моделирование процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК через сферическую границу раздела фаз.

5.1. Математическое описание процесса массопередачи в условиях СМК.

5.2. Моделирование процесса массопередачи в условиях СМК через сферическую границу раздела фаз.

5.2.1. Расчет процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период каплеобразования.

5.2.2. Расчет процесса массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли.

5.3. Выводы.

Исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в колонных экстракторах.

6.1. Закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в распылительной колонне.

6.1.1. Методика исследования массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме СМК в распылительной колонне.

6.1.2. Методика обработки эксперимента по изучению массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в распылительной колонне.

6.1.3. Исследование массообмена с быстрой химической реакцией в условиях СМК в распылительной колонне.

6.2. Закономерности массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в тарельчатой колонне.

6.2. Г. Методика исследования массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в тарельчатой колонне.

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

6.2.3. Исследование массообмена с быстрой химической реакцией в условиях СМК в тарельчатой колонне.

6.3. Интенсификация массообмена путем применения СМК при очистке тетрахлорэтилена от технического дихлорфенола.

6.3.1. Регенерация тетрахлорэтилена в процессе получения очищенной 2,4- дихлорфеноксиуксусной кислоты.

6.3.2. Массопередача технического дихлорфенола через сферическую границу раздела фаз.

6.4. Выводы.

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 называемый «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.

6.4. Выводы

1. Доказано существование самопроизвольной межфазной конвекции в условиях стесненного движения капель. Как и в опытах на одиночной капле в колонных экстракторах СМК интенсифицирует процесс переноса вещества через сферическую границу раздела фаз. На примере работы распылительной и тарельчатой колонн был изучен массообмен с быстрой химической реакцией в условиях СМК.

2. Установлено, что зависимости переноса вещества, выявленные ранее в опытах на одиночной капле, сохраняются и в условиях стесненного движения группы капель. Так с увеличением начальной концентрации переносимого вещества в колонных экстракторах интенсивность СМК снижается, а критическая движущая сила возрастает.

3. Расчетным путем доказано, что использование явления самопроизвольной межфазной конвекции в процессах жидкостной экстракции - один из способов повышения эффективности экстракционных колонн, значительно сокращающий высоту подобных аппаратов.

4. Проведены исследования промышленной системы переноса технического дихлорфенола из тетрахлорэтилена в водный раствор гидроокиси натрия. Определены интенсивные режимы протекания процесса переноса дихлорфенола. Экспериментально установлены критические параметры переносимого вещества и связующего реагента. Даны рекомендации для промышленной реализации.

162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Щ

1. Различными методами (визуальными, кинетическими, методом «сильных ПАВ») доказано существование СМК при массопередаче с быстрой химической реакцией через сферическую границу раздела фаз, идентифицированы режимы массопередачи с быстрой химической реакцией в режиме межфазной нестабильности.

2. Разработана методика обработки экспериментальных данных, дающая возможность четко разделить процесс массопередачи на два различных по своему механизму ф периода переноса вещества - период каплеобразования и период «свободного» движения капли. Получены регрессионные уравнения, позволяющие количественно оценить изменение начальной концентрации переносимого вещества от времени контакта фаз.

3. Изучено влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период каплеобразования. Установлено, что:

- понижение межфазного натяжения системы уменьшает значения «концевого эффекта»; щ - поверхностная активность переносимого вещества практически не оказывает влияние на величину «концевого эффекта»;

- увеличение начальной концентрации переносимого вещества приводит к росту значений «концевого эффекта»;

- увеличение концентрации связующего реагента не влияет на величину «концевого эффекта»;

- увеличение вязкости отдающей фазы уменьшает значения «концевого эффекта», в то время, как рост вязкости принимающей фазы не оказывает влияния на величину концевого эффекта»;

- направление массопередачи (из капли, в каплю) влияет на величину «концевого эффекта». Так, при переносе вещества в каплю значение последнего заметно больше, чем при переносе из капли.

4. Изучено влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в период «свободного» движения капли. Установлено, что:

- уменьшение межфазного натяжения системы приводит к увеличению критической движущей силы и падению интенсивности СМК и массопередачи;

- в области высоких концентраций с увеличением поверхностной активности переносимого вещества критическая движущая сила не меняется, а интенсивность СМК возрастает. При малых концентрациях переносимого вещества с увеличением поверхностной активности интенсивность СМК постоянна, а критическая движущая сила уменьшается;

- увеличение начальной концентрации переносимого вещества при массопередаче критическая движущая сила увеличивается, а интенсивность СМК и массопередачи вначале растет, проходит через максимум и уменьшается;

- с ростом концентрации связующего реагента критическая движущая сила практически не меняется, а интенсивность СМК падает;

- увеличение вязкостей как отдающей, так и принимающей фаз приводит к росту критической движущей силы и падению интенсивности СМК и массопередачи.

5. На основе модели Хандлоса и Барона, получены уравнения для расчета степени извлечения (насыщения) при массопередаче с быстрой химической реакцией в условиях СМК для периодов каплеобразования и «свободного» движения капли. Предложены регрессионные уравнения, определяющие зависимость эмпирического коэффициента модели от каждого изменяемого физико-химического параметра экстракционной системы.

6. Доказано существование межфазной конвекции в условиях стесненного движения капель. Проведено исследование закономерностей массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях СМК в колонных экстракторах. Установлено, что использование явления СМК в колонных экстракторах повышает эффективность их работы, значительно снижая высоту подобных аппаратов.

7. Проведена работа по интенсификации массообмена путем применения режима СМК при очистке тетрахлорэтилена от примесей технического дихлорфенола на HiIII ООО «Химфарм». Установлено, что за счет применения режима СМК сокращено время процесса регенерации растворителей. Производительность узла регенерации увеличена в два раза.

164

1. Трейбал Р. Жидкостная экстракция. М.: Химия, 1966. - 724 с.

2. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. Л.: Химия, 1977. - 592с.

3. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.-536с.

4. Зюльковский 3. Жидкостная экстракция в химической промышленности. Л.: Госхимиздат, 1963. -480с.

5. Последние достижения в области жидкостной экстракции / Под ред. К.Хансона, Бредфордский университет, Англия М.гХимия, 1974. - 448с.

6. Whitman W.G. Preliminary experimental confirmation of the two film theory of gas absorption//Chem.Met.Eng.- 1923.-B. 29.-S. 146-148.

7. Higbie R. The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short periods of exposure. //Trans.Am.Inst.Chem.Eng.-1935.-B 31.-May.-S. 365-378.

8. Кишиневский M.X. О кинетике абсорбции в условиях интенсивного перемешивания //ЖПХ.-1951.-Т. 24.-№ 2.-С. 542-545.

9. Danckwerts P.V. Significance of liquid film coefficients in gas absorption //Ind.Eng.Chem-1951.-B. 43.-S. 1460-1467.

10. Danckwerts P.V. Absorption by simultaneous and chemical reaction //Trans.Faraday Soc.-1950.-B. 46.-S. 300-304.

11. SawistowskiH. Interfacial convection. Ber. Bunsenges//Phys. Chem.-1981.-B. 85.-№ 10-S. 905-909.

12. Sawistowski H. Influence of mass transfer induced Marangoni effects on magnitude of interfacial area and equipment performance in mass transfer operations // Chem.Ing.Tech-1973.-B. 45.-№ 18.-S.l 114-1117.

13. Thornton J. Interfacial phenomena and mass transfer in liquid liquid extraction //Chemistry Industry.- 1987-№ 6-P.193-196.

14. Савистовский Г. Межфазные явления. Последние достижения в области жидкостной экстракции / Под ред. К. Хансона М.: Химия, 1974.- С. 204-254.

15. Гидродинамика межфазных поверхностей: Сб. статей / Под ред. Ю.А. Буевича, Л.М. Рабиновича. -М.: Мир, 1984 210с.

16. Velarde M.G. Castillo J.L. Transport arid reactive phenomena leading to interfacial instability// Convective transport an instability phenomena /Edited by Zierep J., Ovitel H. Braun Verlag-1981.-P. 235-264.

17. Sawistowski H., Coltz G.E. The effect of interface phenomena on mass-transfer rates in liquid-liquid extraction //Trans. Instn.Chem.Engrs 1963- V.41.-№ 4.-P.174-181.

18. Sherwood Т.К. Ober Interfacial phenomenal in liquid extraction // J.Chem.Ind.Eng.Chem-1957.- V.49- № 6.- P. 1030-1034.

19. Lewis J.B. Der Mehanismus der Masseniibertradung von gel6sten Steffen durch Grenzfltichen zwischen Fltissigkeiten. 3. Mitt. Der Obergang von Uranylnitrat zwischen Losungsmittel und masserigen Phasen // Chem.Eng.Schi.- 1958.- V.8.- P.295-301.

20. Clark Michael W., King G.Judson. Evaporation rates of voltaic liquids in a laminar flow system // Am.Inst.Chem.Eng.J- 1970.-V.16.-№ 1.- P. 64-75.

21. Linde H., Kretzsehman G, Beitrage zur Kennthis des Stoffanstausches an der flussig-flussig Phasengrenze // J.Pract.Chem.- 1962.-V.15,- Hf.3-4.- P.288-302.

22. Maroudas N.G. Sawistowski H Simultaneous transfer of two solutes across liquid-liquid interfaces // Chem. Eng.Schi.- 1964,- V. 19.-№ 11.- P.919-931.

23. Lewis J.B. Der Mehanismus der Masseniibertradung von gelosten Steffen durch Grenzfltichen zwischen Fltissigkeiten // Chem.Eng.Schi.- 1954,- V.3.- P.248-278.

24. Karr A.E. and Scheibel S.G. Mass transfer between immiscible liquids in continious flow in an agitated chamber // Chem.Eng.Progr.Symposium 1954 - Ser.50 - № 10- P.73-92.

25. Anderes G. Einfluf der Oberflachen spannung auf den Stoffanstaugch zwischen Dampfblasen und Flussigkeit // Chem.Ing.Techn.- 1962,- V.34.- № 9.- P.537-602.

26. Marangoni C. Sull espansione delle gocciedi un liquido galleggiante sylla superficie di altro Iiquido. // Fnsi. Pavia 1965.

27. Jebsen-Marwedel H. Capillary hydrodynamics in soluble liquid pairs as a result of "negative surface tension" // Kolloid.Z.-l 948.- V. 111.- P.46-53.

28. Jettman W. and Roesler F.C. Capillary hydrodynamics according to H. Jebsen-Marwedel // Kolloid.Z 1951.- V. 123P.2-11.

29. Ward A.F.H. and Brooks L.H. Diffusion across interfaces // Trans.Faraday Soc 1952.-V.48.-P. 1124-1136.

30. Lewis J.B., Pratt H.R.C. Oscillating droplets//Nature.- 1953,-V. 171.- P. 1155-1156.31.