Исследование экологически безопасных иммерсионных растворов и процессов фильтрации в капиллярно-пористых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, кандидат технических наук Анисимова, Елена Александровна

• Анисимова, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Анисимова, Елена Александровна

Введение

1. Исследования фильтрационных потоков в экологически безопасных и ресурсосберегающих технологиях

1.1. Иммерсионные жидкости, область их применения и предъявляемые к ним требования.

1.2. Экспериментальные и теоретические исследования процессов фильтрации.

1.3. Разрушающиеся активные фильтры.

1.4. Постановка задачи.

2. Получение и исследование экологически безопасных иммерсионных жидкостей

2.1. Получение высокопреломляющих жидкостей на основе водных растворов йодидов металлов».

2.2. Физико-химический анализ высокопреломляющих иммерсионных жидкостей.

3. Исследование фильтрации в разрушающихся упаковках

3.1. Экспериментальная установка и методика измерений.

3.2. Измерение распределения давления и профиля скорости в разрушающихся активных фильтрах.

4. Исследование проницаемости простейшей модели пористого фильтра из системы цилиндрических капилляров

4.1. Экспериментальная установка и методика измерения.

4.2. Результаты измерений и анализа.

4.3. Модель процесса переноса в стационарном фильтре.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование экологически безопасных иммерсионных растворов и процессов фильтрации в капиллярно-пористых средах»

С развитием оптических методов в гидродинамических исследованиях процессов фильтрации возникла необходимость в получении большого количества относительно безопасных высокопреломляющих жидкостей. Другими словами, необходимо иметь жидкость с показателем преломления, равным показателю преломления стеклянного пористого фильтра. Этот метод позволяет решить главную проблему гидродинамического исследования фильтрационных течений - максимально уменьшить внесение возмущений, возникающих в результате наличия измерительного датчика в потоке. Подобные жидкости (в малом объеме) необходимы так же в иммерсионном анализе при изучении мелких минеральных зерен, продуктов химических реакций, взрывчатых и ядовитых веществ для получения различных кристаллооптических характеристик вещества и определения его показателя преломления. Потребность в больших количествах безвредных высокопреломляющих жидкостях возникает и в технологии стекольного производства при обнаружении дефектов внутри стеклянных заготовок.

Вопросы получения и исследования новых иммерсионных жидкостей близко примыкают к проблемам фильтрации и истечения жидкости или газа через капилляры и пористые среды, которые являются важными ввиду многочисленного применения в науке и технике. Немаловажная экологическая проблема заключается во вредном воздействии на окружающую среду побочных продуктов химико-технологических процессов. Одним из методов уменьшения этого воздействия может служить фильтрование и очистка от вредных примесей. К подобного рода проблемам относится создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения с очисткой сточных вод. Одной из практических ценностей при этом является знание изменения проницаемости фильтра в зависимости от времени. Существенное влияние при этом, помимо структуры фильтра и физических характеристик жидкости, оказывает поверхностное взаимодействие материала фильтра и среды. Исследование разрушающихся фильтров необходимо для понимания процессов, происходящих в разрушаемых, каталитических реакторах, а так же в охладителях, содержащих блок плотно упакованных насадок, на входе которого имеется высокотемпературный газовый поток, а на выходе - низкотемпературный, образующийся в результате эндотермической реакции газового потока с твердой фазой насадки.

Практическая ценность работы связана с получением необходимых для исследований процессов фильтрации и в технологии иммерсионного метода стекольного производства безопасных и доступных иммерсионных жидкостей, с выявлением гидродинамических особенностей фильтрации в разрушающихся активных фильтрах, которое позволило предложить метод интенсификации химической реакции в аппаратах путем разбавления реагентов инертной насадкой и способ устранения преждевременного засорения капилляров и очистки жидкости от примесей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на V Всероссийском симпозиуме «Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах» (Москва, 1999), XVIII Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (Миасс, 1999), 4th Workshop "Transport Phenomena in Two-Phase Flow" (Sozopol, Bulgaria, 1999), VII Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (Иваново, 1998), II Международной научно-практической конференции "Экология и жизнь" (Пенза, 1999).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в семнадцати печатных изданиях.

Автор защищает:

- Получение новых высокопреломляющих жидкостей на основе концентрированных водных растворов простых и комплексных солей йодидов металлов, пригодных для безопасного использования в иммерсионном анализе и в оптических исследованиях фильтрационных течений.

- Комплекс иммерсионных и гидравлических исследований новых высокопреломляющих растворов, позволивший предложить рациональные методы получения жидкостей с заданными показателем преломления и вязкостными свойствами. Новые эмпирические зависимости показателя преломления и вязкости от плотности жидкостей.

- Методику модельного исследования высокотемпературного процесса разрушения слоев химических реагентов в нестационарных фильтрах с применением разработанных высокопреломляющих жидкостей; результаты проведенных экспериментов по измерению распределения давления и профиля скорости на полностью и полурастворимых в воде фильтрах; способ более рационального использования химических реагентов в аппаратах с разрушающимися слоями.

- Результаты экспериментальных исследований проницаемости простейшего пористого фильтра из системы цилиндрических капилляров разного диаметра. Метод предварительной очистки жидкости и уменьшения загрязнения капилляров, основанный на фильтрации и адсорбции отложений.

- Результаты расчета модели процесса переноса в стационарном фильтре для оценки влияния структуры потока на интенсивность химических процессов.

Научная новизна.

Разработаны новые иммерсионные жидкости на основе водных растворов солей йодидов металлов, пригодные для экологически безопасного использования в оптических исследованиях.

На основании физико-химического анализа новых иммерсионных жидкостей определены оптимальные концентрации растворов и температурный режим для получения оптически стабильных высокопрелом-ляющих жидкостей, обладающих заданными вязкостью, плотностью и показателем преломления при рациональном использовании химического сырья. Получены новые эмпирические зависимости показателя преломления и вязкости от плотности растворов.

Разработана новая методика исследования фильтрации через разрушающиеся активные упаковки путем измерения распределения давления и профиля скорости на холодных упаковках с добавлением инертного компонента, позволяющая более полно использовать химические реагенты. С помощью разработанных иммерсионных жидкостей получены экспериментальные данные по физической картине течения в разрушающихся фильтрах.

Выявлена зависимость проницаемости фильтра от времени истечения различных жидкостей через капилляры разного размера и материала, связанная с уменьшением эффективного диаметра капилляров. Предложен метод очистки жидкости и уменьшения загрязнения капилляров путем предварительного пропускания жидкости через насыпные зернистые слои, покрытые силикагелем.

Предложена модель для расчета переноса в фильтрах с повторяющейся ориентацией для оценки влияния вихревых структур потока на интенсификацию химических процессов.

Заключение диссертации по теме «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», Анисимова, Елена Александровна

Заключение

Подводя итог приведенной работе, сформулируем основные выводы из нее.

1. Получены новые безопасные иммерсионные жидкости с показателем преломления п0 > 1.6 на основе концентрированных водных растворов йодидов металлов, которые использованы в стекольном производстве при обнаружении дефектов стеклянных заготовок, в исследованиях фильтрационных потоков оптическими методами. Эти жидкости могут найти применение и в традиционном иммерсионном анализе для определения кристаллооптиче-ских характеристик вещества.

2. Проведен физико-химический анализ полученных высо-копреломляющих растворов йодидов металлов, на основе которого был разработан способ получения иммерсионных жидкостей с заданными вязкостью и оптическими свойствами, что позволяет более рационально использовать химическое сырье для их производства. Получены новые эмпирические зависимости показателя преломления и вязкости от плотности растворов.

3. Разработана методика исследования разрушения фильтров и упакованных слоев реагентов каталитических реакторов, газогенераторов и охладителей с использованием разработанных иммерсионных жидкостей. Получены новые данные по измерению давления и профиля скорости в медленно растворяющемся в воде упакованном слое. Выявлены особенности фильтрации в разрушающихся упаковках, которые позволили предложить способ ресурсосбережения химических реагентов путем интенсификации химической реакции за счет разбавления реагентов инертной насадкой.

4. Проведено исследование фильтрации полученных высо-копреломляющих жидкостей и воды на простейшей модели фильтра в виде стеклянных и металлических капилляров диаметром менее 300 мкм. Обнаружено, что изменение проницаемости подобных фильтров при истечении концентрированного водного раствора йодида цинка связано с процессами агрегатообразования в жидкости, а при истечении воды - с адсорбцией геля на стенках капилляров. Предложен способ устранения преждевременного засорения капилляров и очистки жидкости с помощью использования зернистого слоя, покрытого силикагелем.

5. Предложена модель и выполнены расчеты для коэффициентов переноса в фильтрационном потоке, показавшие влияние вихревых структур на процессы переноса и их интенсификацию.

Условные обозначения п0 - показатель преломления для желтой линии натрия; г - рефракция раствора; с1 - плотность раствора; С - молярная концентрация раствора; у0тн — относительная кинематическая вязкость (относительно воды); ¡и01Н - относительная динамическая вязкость; //-динамическая вязкость; ТКШ1 - температура кипения;

4ип ~ плотность жидкости при температуре кипения; ротн - относительное удельное сопротивление; Т - температура жидкости;

Ь - диаметр рабочего участка с засыпкой из стеклянных элементов; Я, г- соответственно радиусы шарика и лазерного луча в измерительном объеме; п - показатель преломления стеклянных шариков; щ - показатель преломления жидкости; х,у — поперечная и продольная координата; их, иу - продольная и поперечная скорость подъема пузырька; х, у - продольная и поперечная координата; и* - максимальное значение скорости;

Я - радиус цилиндрического канала; щ - расходная скорость;

Ь - полное смещение пузырька по х. с12 — диаметры вихревых образований;

И], и2 - скорости потоков с двух сторон поперечного капилляра; щ\ и? - скорости в вихревом образовании;

И, I - ширина и длина части поперечного капилляра;

1). .-^з(0 ~ диффузионный поток на единицу длины слоя смешения /;

С\,Сг~ концентрации в потоке с двух сторон поперечного капилляра;

С\, с2— концентрации в вихревых образованиях;

Д/) - средний коэффициент массопереноса;

Рг - критерий Прандтля; к - приведенная скорость;

Яе] = щИУ, Яе2 = щИУ, у - кинематическая вязкость;

Д,ф - эффективный коэффициент поперечной диффузии; <7\, сг2, аз - толщины турбулентных слоев смешения; С], 02, - потоки массы через соответствующие турбулентные слои смешения; й2, Дз - эффективные коэффициенты турбулентной диффузии;

Условные обозначения к рисункам. рис. 2.1, п0 - показатель преломления для желтой линии натрия, с! - плотность раствора, рис. 2.2, С - молярная концентрация раствора. рис. 2.3, уотн относительная кинематическая вязкость (относительно воды), ротн - относительное удельное сопротивление, рис. 2.4, )иотн - относительная динамическая вязкость (относительно воды). рис. 2.5, 2.7, Т - температура жидкости. рис. ЗА, х, у- поперечная и продольная координата, Я - радиус шарика в измерительном объеме, рис. 3.3, пь п2, п3 - показатели преломления рабочей жидкости, стекла из которого изготовлена труба и высокопреломляющей жидкости; /, /' - расстояние между измеряемыми точками и их изображениями на экране, Я - внутренний радиус трубы, Ь - толщина стенок трубы, АЬ - расстояние от трубы до экрана, рис. 3.4, х/Ь - отношение продольной координаты к полному смещению пузырька по ней, у/2Я - отношение поперечной координаты к диаметру опытного участка, У/У* - относительная скорость пузырька. рис. 3.5. - 3.7, X - длина опытного участка. рис. 3.9. - 3.11, Уо1 - относительная скорость, равная отношению измеренной скорости к расходной в незаполненном опытном участке, у/Б - отношение поперечной координаты к диаметру опытного участка, рис. 4.1, с!эфф - эффективный диаметр капилляра, рис. 4.2. - 4.7, Дг - толщина адсорбирующегося слоя, рис. 4.8, щ, и2 скорости потока с двух сторон поперечного капилляра, щ\ и2' - скорости вихрей в щели, сь с2 - концентрация в потоке с двух сторон поперечного капилляра, с\\ с{- концентрации в вихревых образованиях, с1\, ¿/2 диаметры вихревых образований, /, /г- ширина и длина части поперечного капилляра, рис. 4.9, Б - коэффициент диффузии в жидкости, Яе и Бс - числа Рей-нольдса и Шмидта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Анисимова, Елена Александровна, 2000 год

1. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1983. 352 с.

2. БацановС.С. Структурная рефрактометрия. М.: Высшая школа, 1976. 303 с.

3. Johnston W., Dybbs A., Edvards R. Measurement of fluid velocity inside porous media with a laser anemometer // The Physics of fluids. 1975, v. 18, № 7, p. 913-914.

4. Vonka T. Three-dimensional velocity measurements in fuel rod bundle models by means of a laser doppler technique 11 Experimentiertechn. Gebiet Thermo-und Fluiddyn Proc. Fachtag. 1976, Berlin.

5. Волков В.И., Мухин В.А., Накоряков В.Е. Исследование структуры течения в пористой среде // ЖПХ. 1981, том 34, №4, с. 838-842.

6. Волков В.И. Изотермическое течение жидкости в упаковке из сфер // ИФЖ. 1985, том XLIX, №5, с. 827-833.

7. Шелюбский В.И. Контроль однородности и постоянства стекла. М.: Высшая школа, 1990. 237 с.

8. MegrowitzR. Amer. Miner. 1955, v. 40, p. 398.

9. Татарский В.Б. Кристаллооптика и иммерсионный метод исследования минералов. М.: Недра, 1965. 306 с.

10. Лодочников В.Н. Основы кристаллооптики. М.: Госгеолиздат, 1947. 243 с.

11. И.Бокий Г.Б. Иммерсионный метод. Изд. МГУ, 1948. 154 с.

12. Столяров Е.А., Орлова Н.Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. Справочник. Л.: Химия, 1976. 113 с.

13. Морачевский А.Г., Сладкое И.Б. Физико-химические свойства молекулярных неорганических соединений. Справ.изд. Л.: Химия, 1987. 192 с.

14. Мелъвин-Хъюз Э.А. Физическая химия. Кн. 1-2. М.:ИЛ, 1962.

15. Защита окружающей среды от техногенных воздействий / Под ред. Г.Ф. Невской. М.: Изд-во МГОУ, 1993. 216 с.

16. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 512 с.

17. Марцинкевич Г.И. Использование природных ресурсов и охрана природы. Минск: Изд-во «Университетское», 1985. 215 с.

18. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. 783 с.

19. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 250 с.

20. Дерягин Б.Н. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. М.: Наука, 1986. 206 с.21 .Дерягин Б.В., Ершова И.Г. и др. ДАН СССР, 170, 876 (1966).

21. Дерягин Б.В., Железный Б.В. и др. Свойства жидкостей в тонких кварцевых капиллярах // Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллоидов. М.: Наука, 1974. С. 90-94.

22. Товбина З.М. Вязкость водных растворов в капиллярах силикагеля // Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука, 1967. С. 24-29.

23. Нерпина Н.С. Течение полярных жидкостей с водородными связями через капилляры с лиофильными стенками // Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллоидов. М.: Наука, 1974. С. 76-79.

24. БондаренкоН.Ф. //ЖФХ, 42, 225 (1968).

25. Миллер Э.В., Классен В.И., Кущенко АД. // ДАН СССР, 184, 136 (1969).21 .Никитин И. К., Марченко А.Г. //Гидромеханика. №5, 143 (1963).

26. Hasegawa Т., Suganuma М., Watanabe Н. Anomaly of excess pressure drops of the flow through very small orifices // Phys. Fluid. Vol. 9, №1, 1997. P. 1-3.

27. Вавелъский M.M., Чебан Ю.М. Защита окружающей среды от химических выбросов промышленных предприятий. Кишинев: «Штиинца», 1990. 213 с.

28. Аникеев В.А., Кош И.З., Скалкин Ф.В. Технологические аспекты охраны окружающей среды. JL: Гидрометеоиздат, 1982. 255 с.

29. Экологическая технология и очистка промышленных выбросов // Межвузовский сборник научных трудов. Ленинград 1982. 151 с.

30. Гороновский И. Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка, 1987. 830 с.

31. Вредные вещества в промышленности. Л.: Химия, 1985. 464 с.

32. Химические реактивы и высокочистые химические вещества. Каталог. М.: Химия, 1990. 214 с.

33. Ролстон Р.Ф. Йодидные металлы и йодиды металлов. М.: Металлургия, 1968. 524 с.

34. Волков В.И. и др. Иммерсионная жидкость. Патент России 2051940, 1996, бюлл.1.

35. Анисимов К.Г., Анисимова Е.А. Физико-химические свойства водных растворов йодидов металлов // Известия АГУ. Барнаул, 1998, №1. С. 97-98.

36. Вредные химические вещества: Справочник. Л.: Химия, 1990. 733 с.

37. Волков В.И., Мухин В.А. Жидкость для оптических исследований. A.C. 948994 (СССР), 1982, бюлл.9.41 .Анисимов К.Г., Анисимова Е.А., Волков В.И. Иммерсионная жидкость для оптических исследований. Патент России 98101659/04 (001287), 1999.

38. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. A.A. Равделя. Л.: Химия, 1983.232 с.

39. Зайцев И.Д., Асеев Г.Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. М.: Химия, 1988, 416 с.

40. Химия окружающей среды / Под ред. А.П. Цыганкова. М.: Химия, 1982. 672 с.

41. Анисимова Е.А., Волков В.И. Экспериментальные исследования водных растворов йодидов металлов // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во АГУ, 1999. С. 68-73.

42. Эрдеи-Груз Т. Явления переноса в водных растворах. М.: Мир, 1976. 597 с.

43. Липатова Е.А., Волков В.И. Экспериментальное исследование растворов йодидов металлов // Тез. докл. VII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах». Иваново, 1998. С. 84

44. Анисимова Е.А., Волков В.И. Модельные исследования разрушающихся упаковок // Тез. докл. V Всероссийского симпозиума «Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах». Москва, 1999. С. 11.

45. Анисимова Е.А., Волков В.И. Исследование распределения давления и профиля скорости в разрушающихся упаковках // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1999. С. 59-67.

46. Анисимова Е.А., Волков В.И. Исследования разрушающихся упаковок. // Материалы XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999. С. 129-135.

47. Волков В.И. Изобретательские задачи в процессах переноса. Барнаул.: Изд-во Алт. ун-та, 1997. 150 с.

48. Начинкин О.И. Полимерные микрофильтры. М.: Химия, 1985. 216 с.

49. Анисимова Е.А., Волков В.И. Исследование процессов переноса в капиллярно-пористых телах. // Тез. докл. XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999. С. 81.

50. Anisimova Е.А., Volkov V.l. The study of adsorption process in capillary-porous media // Proc. of 4th Workshop "Transport Phenomena in Two-Phase Flow". Sozopol, Bulgaria, 1999. P. 172.

51. Анисимова E.A., Волков В.И. Исследование процессов переноса в капиллярно-пористых телах // Материалы XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999. С. 140-146.

52. Крешков А.Г. Основы аналитической химии. М.: Химия, 1976. 472 с.

53. Бадатов Е.В., Слинько М.Г., Накоряков В.Е. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с ламинарной областью смешения. Теоретические основы химической технологии. 1970. том 4, №5. С. 687-693.

54. Ы.Бадатов Е.В., Слинько М.Г., Накоряков В.Е. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с ламинарной областью смешения. Теоретические основы химической технологии. 1970, том 4, №6. С. 864-864.

55. Аэров М.Э., Умник H.H. Коэффициенты теплопроводности в зернистом слое // ЖТФ. 1951, том 21, №11. С. 1351-1352.

56. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкости через пористые среды. М.: Гос-топтехиздат, 1960. С. 38-42.

57. Ю.Коллинз Р. Течение жидкости через пористые материалы. М.: Мир, 1964, 277 с.