Влияние основных физико-химических параметров экстракционных систем на процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в условиях самопроизвольной межфазной конвекции через сферическую границу раздела фаз тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Лаврова, Лариса Юрьевна

• Лаврова, Лариса Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лаврова, Лариса Юрьевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) 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»

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.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Лаврова, Лариса Юрьевна

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лаврова, Лариса Юрьевна, 2003 год

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.