Аналіз процесів екстрагування з твердої фази в умовах вакуумування системи з кипінням рідини й утворенням трифазної системи. Визначення зон конвективного і молекулярного масообміну у капілярі. Огляд математичних моделей процесу та кінетичних коефіцієнтів.
Аннотация к работе
У більшості випадків швидкість екстрагування лімітується внутрішньою дифузією з низькими значеннями коефіцієнтів масоперенесення, тому інтенсифікація цих процесів має велике значення. У процесі зародження та росту парових бульбашок відбувається їх гідродинамічна дія на рідину, що знаходиться у капілярі, при цьому вона витісняє багату на цільовий компонент рідину у зовнішню рідинну фазу, а її місце займає рідина з низькою концентрацією компоненту. Збільшення ефективних коефіцієнтів дифузії в умовах вакуумування дозволяє також значно знизити енергетичні затрати на подрібнення і помел твердої фази, що надходить на екстрагування. Мета і завдання дослідження: Метою роботи є теоретичний та експериментальний аналіз процесів екстрагування з твердої фази в умовах вакуумування системи, що супроводжується кипінням рідини та утворенням трифазної системи, як методу інтенсифікації процесу, його теоретичному обгрунтуванні та встановленні кінетичних закономірностей. У дисертації вперше встановлено механізм інтенсифікації процесу екстрагування в умовах вакуумування системи, що супроводжує кипіння, який полягає у зростанні зони конвективного масообміну у капілярі.В першому розділі “Огляд літературних джерел з проблеми екстрагування та інтенсифікації процесу” розглянуто та проаналізовано особливості процесу екстрагування з твердої фази та його застосування у хімічній, металургійній, хіміко-фармацевтичній та інших галузях промисловості. Згідно аналізу літературних джерел складність процесів екстракції полягає в тому, що швидкість вилучення цільових компонентів залежить від багатьох параметрів: фазового стану цільових компонентів , рівноваги і кінетики, внутрішньої структури твердих пористих частинок, температури та гідродинамічних умов. Наведено методику та схему експериментальної установки для дослідження процесів екстрагування в умовах вакуумування системи, яка дає можливість порівняння результатів екстрагування в умовах вакуумування та механічного перемішування рідини. В третьому розділі “Гідродинаміка та масообмін при екстрагуванні з одиночних капілярів в умовах вакууму” описано механізм екстрагування в умовах вакуумування системи. Швидкість протікання цього процесу визначається гідродинамікою, а величина коефіцієнта конвективної дифузії є значно вищою від коефіцієнта молекулярної дифузії.На основі вивчення літературних джерел проаналізовано методи інтенсифікації процесів екстрагування з твердої фази. Метод вакуумування системи з пароутворенням на поверхні твердої фази приводить до руйнування пограничного дифузійного шару, створення умов нестаціонарності масообміну, які характеризуються високими кінетичними коефіцієнтами. Змонтована експериментальна установка для дослідження процесів екстрагування в умовах вакуумування системи дозволяє порівняння результатів екстрагування з умовами при механічному перемішуванні системи. Описано загальний принцип методики експериментальних досліджень, який полягає у вивченні процесу на одиночному капілярі, окремій частинці та ансамблю частинок. Досліджено гідродинаміку пароутворення в середині капілярів та визначено частоту відриву бульбашок з поверхні капіляру.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
1. На основі вивчення літературних джерел проаналізовано методи інтенсифікації процесів екстрагування з твердої фази. Метод вакуумування системи з пароутворенням на поверхні твердої фази приводить до руйнування пограничного дифузійного шару, створення умов нестаціонарності масообміну, які характеризуються високими кінетичними коефіцієнтами.
2. Змонтована експериментальна установка для дослідження процесів екстрагування в умовах вакуумування системи дозволяє порівняння результатів екстрагування з умовами при механічному перемішуванні системи. Оригінальність методу генерування парової фази та пристрою відбору проб захищено Деклараційними патентами України. Описано загальний принцип методики експериментальних досліджень, який полягає у вивченні процесу на одиночному капілярі, окремій частинці та ансамблю частинок.
3. Досліджено гідродинаміку пароутворення в середині капілярів та визначено частоту відриву бульбашок з поверхні капіляру. Встановлено циклічний характер відриву, що підтверджує гіпотезу про нестаціонарний характер процесу екстрагування. Проведені експериментальні дослідження вказують на значне збільшення зони конвективної дифузії, що є фактором інтенсифікації процесу екстрагування.
4. Дослідженням екстрагування на одиночних капілярах встановлено наявність та розміри двох зон: конвективної та молекулярної дифузії. В умовах вакуумування зона конвективної дифузії збільшується приблизно в 3 рази порівняно з екстрагуванням при механічному перемішуванні системи.
5. Складено математичні моделі для двох зон екстрагування та визначено коефіцієнти дифузії для молекулярного переносу та ефективні коефіцієнти для конвективної дифузії.
6. Експериментально досліджено екстрагування цільового компоненту з пористої частинки, яка характеризується наявністю пор різного діаметру. Підтверджено наявність конвективної та дифузійної зон, визначено середньо-статистичні значення кінетичних коефіцієнтів та встановлено, що ступінь інтенсифікації при вакуумуванні складає величину 2.33 порівняно з механічним перемішуванням.
7. Вперше досліджено вплив вакуумування системи і пароутворення на процес десорбції. Показано, що інтенсифікація досягається, в основному, у початкові моменти десорбції , що повязано з наявністю десорбованого компоненту не лише на поверхні капілярів, а й у поровому обємі, де відсутні сили молекулярного зчеплення.
8.Дано оцінку економічної ефективності методу, що полягає у зменшенні затрат на подрібнення сировини перед екстракцією.
Список литературы
1. Гумницький Я.М., Венгер Л.О., Юрим М.Ф. Оцінка зовнішньо-дифузійної стадії екстрагування з позиції не стаціонарності при вакуумуванні системи// Вісник НУ Львівська політехніка Хімія, технологія речовин та їх застосування.-2001.-№ 426.-Львів - С.154-157.
2. Гумницький Я.М., Венгер Л.О., Юрим М.Ф. Кінетика екстрагування розчинних солей із лінійних капілярів при кипінні екстрагенту //Вісник НУ Львівська політехніка Хімія, технологія речовин та їх застосування.-2003.-№447.-С.185-187.
3. Гумницький Я.М., Венгер Л.О., Юрим М.Ф. Експериментальне дослідження екстрагування з твердих частинок при вакуумуванні системи //Вісник НУ “Львівська політехніка” Хімія, технологія речовин та їх застосування.-2001.-№ 461.-С.279-281.
4. Гумницький Я.М., Венгер Я.М., Юрим М.Ф. Кінетика екстрагування цільового компоненту з поодинокого капіляру в умовах вакуумування системи //Вісник НУ Львівська політехніка Хімія, технологія речовин та їх застосування, 2003,-№ 488.-С.220-222.
5. Патент України № 51429 А Україна, 7В01J8/18 Масообмінний апарат для системи тверда фаза-рідина. Венгер Л.О., Гумницький Я.М., Юрим М.Ф.- №2002042539, заявл. 01.04.02, опубл. 15.11.02.- Бюл. №11.
6. Патент України № 66505 Україна, 7В01J8/18 Масообмінний апарат для системи тверда фаза-рідина. Венгер Л.О., Гумницький Я.М., Юрим М.Ф.- №2003076071, заявл. 01.07.03, опубл. 17.05.04.- Бюл. №5.
7. Патент України № 66504 Україна, 7В01J8/18 Масообмінний апарат для системи тверда фаза-рідина. Венгер Л.О., Гумницький Я.М., Юрим М.Ф.- №2003076069, заявл. 01.07.03, опубл. 17.05.04- Бюл. №5.
8. Венгер Л.А., Гумницький Я.М. Экстрагирование компонента из одинарного капилляра при вакуумировании системы // IV Міжнародна науково-практична конференція “Динаміка наукових досліджень, 2005” 20-30 червня 2005 р. (Дніпропетровськ,2005, Наука і освіта), том 65.- С.25-27.
9. Л.О.Венгер, Я.М. Гумницький Особливості процесу екстрагування з твердої фази в умовах вакуумування системи // Десята наукова конференція “Львівські хімічні читання - 2005” (Львів - 2005).
10. Венгер Л.О., Гумницький Я.М. Екстрагування компонента з капілярно-пористих тіл в умовах вакуумування системи // XIII (щорічна) Міжнародна науково-технічна конференція “Екологія і здоровя людини. Охорона водного повітряного басейнів. Утилізація відходів”. (м.Алушта, 13-17 червня 2005р.).
УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ
М - кількість маси, що розчиняється, кг; t - час, с; l - довжина розчиненої області капіляру, м; l0 - конвективна зона екстрагування; S - поверхня розчинення, м2 ; Сп - концентрація компоненту на краю капіляра, кг/м3; Cs - концентрація насичення компоненту в розчині, кг/м3; R - внутрішній радіус оболонки, м; Dk - коефіцієнт конвективної дифузії, м2/с; rs - густина твердої фази, кг/м3; - усереднене значення концентрації сульфатної кислоти в певний момент, кг/м3; С1 - концентрація екстрогованого компоненту в обємі рідини, кг/м3; C0 - початкова концентрація сульфатної кислоти у частинках пемзи кулястої форми, кг/м3; R -радіус твердої частинки, м; D - коефіцієнт дифузії компоненту в розчині, м2/с; ?1 - корінь характеристичного рівняння.