Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет «Львівська політехніка»

05.17.08 - Процеси й обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Тема:

Екстрагування з твердих тіл в умовах періодичного вакуумування системи

Сеньків Віктор Миколайович

Львів-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Гумницький Ярослав Михайлович, Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, кафедра екології та охорони навколишнього середовища, професор

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Радченко Леонід Борисович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Міністерства освіти і науки України, м. Київ, кафедра хімічних та нафтохімічних виробництв, професор

Кандидат технічних наук, доцент Вітенько Тетяна Миколаївна Тернопільський Державний технічний університет ім. Ів. Пулюя, Міністерства освіти і науки України, м. Тернопіль, кафедра обладнання харчових технологій, доцент

Провідна установа Український державний хіміко-технологічний університет Міністерства освіти і науки України, Кафедра процесів та апаратів хімічної технології

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. Професорська, 1)

Вчений секретар спеціалізованої ради к.т.н., доцент Атаманюк В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми Екстрагування з твердої фази належить до дифузійних процесів в системі тверде тіло-рідина і широко використовується в хімічній, харчовій, фармацевтичній галузях промисловості, а також в гідрометалургії та галургії. Швидкість екстрагування в основному лімітується внутрішньою дифузією компонентів, яка характеризується низькими значеннями коефіцієнтів масопереносу. Тому апарти для екстрагування є громіздкими, а сам процес вимагає значних капітальних та енергетичних витрат.

Одним з перспективних методів інтенсифікації екстрагування з твердої фази є проведення процесу в умовах кипіння рідини під вакуумом. Інтенсифікація процесу в цьому випадку відбувається завдяки періодичному утворенню та схлопуванню бульбашок парової фази на поверхні та всередині пор твердих частинок, що спричиняє руйнування зовнішнього пограничного дифузійного шару, перемішує рідку фазу всередині твердих частинок і, як наслідок, значно збільшує зону конвективного масопереносу.

В умовах періодичного кипіння рідини під вакуумом парова фаза впливає на конвективний перенос у поровому просторі частинки значно сильніше, ніж в умовах постійного кипіння під вакуумом. Після припинення вакуумування відбувається схлопування парової бульбашки і рідина з низькою концентрацією компоненту проникає всередину пор твердої частинки з великою швидкістю. Утворений таким чином інтенсивний конвективний потік розчинника дозволяє значно прискорити розчинення цільового компонента в поровому просторі за рахунок створення високих градієнтів концентрацій, а також завдяки виникненню нестаціонарних умов масообміну, які характеризуються високими значеннями коефіцієнтів масопереносу.

Крім того, в умовах періодичного кипіння рідини під вакуумом зменшуються енергетичні витрати для підтримки постійної температури в системі, оскільки охолодження рідини внаслідок випаровування відбуватиметься повільніше. Збільшення зони конвективного масопереносу в умовах періодичного вакуумування дозволяє також знизити витрати на подрібнення сировини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Робота відповідає науковому напрямку кафедри “Екологія та охорона навколишнього середовища” Національного університету “Львівська політехніка” та виконувалась згідно з планом науково-дослідницьких робіт кафедри з проблеми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” згідно з науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України.

Мета і завдання досліджень Мета роботи полягає у теоретичному та експериментальному аналізі процесів екстрагування з твердої фази в умовах періодичного та постійного кипіння рідини під вакуумом з утворенням трифазної системи, як методу інтенсифікації процесу, його теоретичному обґрунтуванні та встановленні кінетичних закономірностей.

Для досягнення зазначеної мети було виконано:

- теоретичне пояснення інтенсифікації екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом за рахунок створення конвективного потоку всередині пор твердої фази;

- експериментальне дослідження екстрагування з одиничних капілярів в умовах механічного перемішування, постійного та періодичного кипіння під вакуумом і їх порівняльний аналіз;

- математичний опис процесу екстрагування та визначення ефективних коефіцієнтів дифузії;

- визначення глибини зон конвективної та молекулярної дифузії;

- оцінка ступеня інтенсифікації екстрагування для умов механічного перемішування, постійного та періодичного кипіння під вакуумом;

- екстрагування з одиночних частинок, що характеризуються різними діаметрами капілярів, в умовах періодичного кипіння під вакуумом та порівняння одержаних результатів з іншими методами інтенсифікації;

- обґрунтування передумов використання періодичного кипіння під вакуумом в промисловості на основі одержаних кінетичних закономірностей процесу екстрагування важких металів із шламів гальванічних виробництв;

- розробка принципів розрахунку апарату та оцінки економічної ефективності процесу екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом.

Об'єкт дослідження: процеси екстрагування з твердих тіл в умовах періодичного кипіння рідини під вакуумом.

Предмет дослідження: вплив гідродинамічних процесів, що виникають в умовах періодичного кипіння рідини під вакуумом на процес екстрагування з твердої фази, порівняльний аналіз кінетики екстрагування в умовах зовнішнього механічного перемішування, постійного та періодичного кипіння під вакуумом.

Методи досліджень: фото та кінозйомка, кондуктометричний аналіз, хімічний аналіз концентрацій компонента в розчині, метод аналізу розмірностей в узагальнених змінних.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених досліджень:

- встановлено механізм інтенсифікації процесу екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом, що полягає у створенні умов конвективного перемішування рідини всередині капіляра та збільшенні зони конвективного масопереносу;

- визначено та теоретично обгрунтовано оптимальні умови проведення процесу екстрагування при періодичному кипінні рідини, в яких співвідношення тривалості стадій кипіння та схлопування становить 1:10;

- показано, що зростання глибини зони конвективного масопереносу всередині капіляра викликане переміщенням та перемішуванням рідини підчас росту та після схлопування бульбашок пари у капілярі;

- вперше оцінено гідродинамічну ситуацію в капілярі в умовах перемішування за значенням модифікованого числа Рейнольдса та отримано критеріальні рівняння для опису процесу екстрагування в умовах постійного та періодичного кипіння під вакуумом;

- визначено ступінь інтенсифікації екстрагування, яку представлено у вигляді залежності відношення ефективного коефіцієнта дифузії до коефіцієнта молекулярної дифузії від модифікованого числа Рейнольдса;

- показано, що підчас екстрагування з суміші компонентів, які характеризуються різними швидкостями розчинення, застосування періодичного кипіння рідини під вакуумом дозволяє значно скоротити час розділення суміші та вилучення компонентів.

Практичне значення одержаних результатів Метод екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом може бути рекомендованим для інтенсифікації внутрішньо-дифузійних масообмінних процесів у системах з твердою фазою. Отримано критеріальні рівняння для опису екстрагування в умовах постійного та періодичного кипіння рідини під вакуумом, які можуть бути використані для розрахунку екстракційної апаратури.

Запропонований метод дає можливість зменшити енергетичні витрати на подрібнення сировини за рахунок збільшення глибини зони конвекивного масопереносу всередині твердої фази. Метод може бути використаний також для інтенсифікації вилучення важких металів із шламів гальванічних виробництв, що дозволяє ефективно утилізувати шкідливі компоненти, які забруднюють навколишнє середовище.

Запропонований ефективний практичний метод інтенсифікації процесу екстрагування в умовах кипіння під вакуумом: перфоровану перегородку з інертною насадкою у вигляді капілярів, розміщених горизонтально та вертикально, і сіткою для розділу фаз. Запропоновано спосіб екстрагування з твердого тіла, який полягає в послідовному чергуванні в апараті стадій кипіння рідини та перемішування після схлопування парової бульбашки з підтриманням в системі постійної температури.

Результати досліджень мають практичне значення для проектування екстракційної апаратури в різних галузях промисловості.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці одержаних та аналізі результатів з екстрагування цільових компонентів в умовах постійного та періодичного кипіння під вакуумом. Розроблено методики аналізу процесів екстрагування, математичної обробки отриманих результатів. Розроблені спосіб екстрагування та схема масообмінного апарату для системи тверда фаза-рідина, захищені патентами України. Сформульовано основні положення та висновки. Постановка задач та їх обговорення проводились під керівництвом д.т.н. проф. Гумницького Я.М.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації обговорювалися і одержали позитивні відгуки на 17 Міжнародному конгресі з хімічної інженерії (Прага, 2006), на XIII Міжнародній конференції “Вдосконалення процесів і апаратів харчових виробництв” (Одеса, 2006), на III Українській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми технології неорганічних речовин” (Дніпропетровськ, 2006), на Х науковій конференції “Львівські хімічні читання - 2005”, (Львів, 2005) на ХІV міжнародній науково-технічній конференції. “Екологія і здоров'я людини. Охорона водного та повітряного басейнів. Утилізація відходів”, (Алушта, 2006).

Публікація результатів досліджень. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей у фахових виданнях, 4 тези доповідей на конференціях та одержано 2 патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаної літератури. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 129 стор. машинописного тексту, ілюстровано 31 рисунком, текст містить 5 таблиць, у бібліографії наведено 151 літературне джерело.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

В першому розділі проведено огляд літератури, який показує, що екстрагування знаходить широке застосування для вилучення цільового компонента в хімічній промисловості, зокрема в галургії, гідрометалургії, фармацевтичній та харчовій промисловості, а також для переробки та утилізації промислових відходів. Наведено основні моделі кінетики екстрагування з одиночного капіляра та пористих частинок. Описано та проаналізовано найбільш поширені методи інтенсифікації процесу екстрагування, а також результати дослідження нових методів інтенсифікації. Подано характеристику застосування парової та газової фаз для інтенсифікації екстрагування з твердої фази, основна дія якої полягає у руйнуванні пограничного дифузійного шару і оновленні поверхні контакту.

У другому розділі обґрунтовано застосування методу періодичного вакуумування системи для інтенсифікації екстрагування з твердої фази, подано опис об'єктів та методик досліджень.

Періодичне вакуумування системи означає проведення процесу екстрагування в умовах послідовного чергування стадії вакуумування системи, що супроводжується кипінням рідини та утворенням бульбашок парової фази в основній масі рідини і всередині капілярів, та стадії зовнішнього механічного перемішування в умовах підвищення тиску до атмосферного, завдяки якому відбувається схлопування бульбашок, що супроводжується кавітаційними ефектами, які істотно збільшують швидкість тепломасопереносу.

В останньому випадку рідина рухається за поверхнею бульбашки, що призводить до виникнення розрідження і притоку свіжої рідини в капіляр Далі в капілярі внаслідок швидкого проникнення розчинника відбувається різке скорочення товщини зони дифузійного переносу l_д і виникнення в ній високих градієнтів концентрацій. Значне розширення конвективної зони l_к призводить до швидкого розчинення компоненту.

Дослідження екстрагування проводились на експериментальній установці.

Об'єктами досліджень на лабораторній установці були борна кислота, калію хлорид, пемза, яку насичували розчином цинку сульфату, а також шлами гальванічних виробництв. Виготовлені зі скла модельні лінійні капіляри заповнювали хлоридом калію або борною кислотою і розчиняли в реакторі з дистильованою водою. Через певні проміжки часу за допомогою відлікового мікроскопа фіксувалась величина звільненого від H₃BO₃ або КСl об'єму капіляра. За швидкістю розчинення речовини в капілярі оцінювалась кінетика процесу екстрагування. Проведено оцінку впливу різних гідродинамічних режимів (механічного перемішування, постійного та періодичного кипіння рідини під вакуумом) на швидкість екстрагування та дослідження впливу окремих стадій екстрагування в умовах періодичного вакуумування системи на кінетику процесу.

Підчас проведення дослідів на одиночних пористих частинках попередньо зважені частинки сферичної форми насичували розчином сульфату цинку. Кінетика екстрагування оцінювалась за зростанням концентрації сульфату цинку в розчині, яка визначалась за допомогою кондуктометричного методу аналізу. Дослідження проводились для умов механічного перемішування, постійного та періодичного кипіння рідини під вакуумом. Визначення концентрації цільового компонента проводилось безперервно згідно розробленої методики.

Для проведення дослідів із шламами гальванічного виробництва реакторі готували розчин соляної кислоти потрібної концентрації та підігрівали його до температури 60°С. Після цього наважку шламу розміщували в реакторі. Відібрані проби аналізували на вміст соляної кислоти та іонів заліза. Досліди проводились в умовах механічного перемішування та періодичного вакуумування системи з розчинами соляної кислоти з концентраціями 1,4 і 0,8моль/л.

У випадку екстрагування з одиночних капілярів на величину коефіцієнта масовіддачі впливатимуть діаметр капіляра, коефіцієнт дифузії, швидкість руху рідини в капілярі, в'язкість розчинника, рушійна сила процесу та густина набивки речовини в капілярі. В загальному випадку залежність для визначення в матиме вигляд:

(1)

Розв'язавши систему рівнянь, складену з основних одиниць, отримуємо структуру критеріального рівняння у вигляді:

(2)

де Sh, Re, Sc - критерії Шервуда, Рейнольдса, Шмідта; - концентраційний комплекс.

В третьому розділі наводяться результати експериментальних досліджень процесу екстрагування з одиночних капілярів. На першому етапі оцінювалась гідродинамічна обстановка в капілярі підчас кипіння під вакуумом, основною характеристикою якої є частота виходу парової бульбашки. Визначалась залежність даної величини від способу розміщення капіляра (горизонтально, вертикально та під кутом 45є) та від температури. Результати досліджень показали, що частота пароутворення щ залежить тільки від температури розчинника Т. Тобто основну роль в процесах пароутворення відіграють не положення капіляра, а сили зчеплення бульбашки з поверхнею твердого тіла. Нами одержано залежність щ від Т, яка в діапазоні температур 65-95?С може бути оцінена:

(3)

На наступному етапі проводилось порівняння впливу умов механічного перемішування, постійного та періодичного кипіння рідини під вакуумом на швидкість екстрагування. Досліди проводились за умов: температура 75єС, тиск 0,6МПа, тривалість стадій перемішування та кипіння під вакуумом 300 с. Як видно з рисунка 3, максимальна швидкість процесу для калію хлориду та борної кислоти в капілярах діаметра досягається в умовах періодичного вакуумування.

Оскільки проведення екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом полягає в чергуванні стадій кипіння під вакуумом та механічного перемішування, то доцільним було встановити вплив окремої стадії на швидкість процесу та визначити оптимальну тривалість кожної. Як показали дослідження, після припинення вакуумування в капілярі відбувається швидке розчинення речовини, яке триває близько 300 с, після чого сповільнюється.

Таким чином, нами експериментально встановлено, що оптимальна тривалість стадії перемішування після схлопування парової бульбашки становить 300 с. Результати дослідження впливу стадії кипіння під вакуумом на швидкість екстрагування, показали, що її тривалість повинна бути мінімальною і не перевищувати 30 с. Це пов'язане з тим, що швидкість руху стінок парової бульбашки зменшується із зростанням її розмірів. Тому час 30 с є достатнім для початку кипіння рідини та утворення парової бульбашки всередині капіляра. При цьому підчас росту парова бульбашка виштовхує з капіляра концентрований розчин цільового компонента, а після припинення вакуумування туди з великою швидкістю проникає свіжий розчинник.

Для оцінки впливу температури нами досліджувалась кінетика екстрагування з капілярів діаметром 1 мм, заповнених хлоридом калію при температурах 60, 75 і 80°С, а також в умовах поступового охолодження розчинника. Результати експериментів представлені на рис. 6 і 7.

Як видно, із зростанням температури рідини зростає і швидкість екстрагування, що пов'язане з наступними факторами:

полегшуються умови зародження, росту та виходу парової бульбашки;

зменшується в'язкість розчинника, що полегшує його проникнення всередину капіляра;

зростає розчинність речовини

зростає значення коефіцієнта молекулярної дифузії.

Проведення процесу в умовах підтримання постійної температури (рис. 7, крива 1) показує, що інтенсивність процесу є вищою порівняно з процесом в умовах охолодження розчинника (крива 2), яке має місце в умовах постійного кипіння під вакуумом.

Для процесу екстрагування кінетичне рівняння має вигляд

, (4)

де М - кількість маси, що розчиняється, кг;

t - час, с; l - довжина розчиненої області капіляру, м;

S_k - поверхня розчинення, м²;

С_П - концентрація компоненту біля отвору капіляра, кг/мі;

С_S - концентрація насичення, кг/мі;

D_е - ефективний коефіцієнт дифузії, мІ/с.

Виразивши масу твердої фази через об'єм та густину набивки с_s, отримуємо диференціальне рівняння, що визначатиме швидкість просування границі розділу фаз dl/dt вглиб капіляра:

(5)

Просування границі розділу фаз у капілярі визначається співвідношенням:

. (6)

Дана залежність дозволяє визначити за експериментальними даними ефективний коефіцієнт дифузії Dе. Для цього результати експериментальних досліджень представлялись у вигляді функції . Для конвективної області графік даної функції буде прямою, тангенс кута нахилу якої дозволяє розрахувати значення ефективного коефіцієнта дифузії. Проведені нами експериментальні дослідження кінетики екстрагування дозволили визначити значення Dе для капілярів різного діаметра d. Результати розрахунків представлені в таблиці 1.

Аналіз залежностей показує, що з просуванням границі розділу фаз вглиб капіляра значення тангенса кута нахилу прямих, а отже і ефективного коефіцієнта дифузії на деякій відстані від отвору капіляра починає зменшуватись. Це означає, що з часом механізм конвективного масопереносу в капілярі змінюється механізмом молекулярної дифузії.

Таблиця 1

Середнє значення ефективних коефіцієнтів дифузії для температури досліду 75єС

KCl
d, м*103	0.4	0.7	0.8	1	1.2
Dпер, м2/с *109	8,7	10	15	20	23
Dвак, м2/с*109	9,5	31	41	62	71
Dпер.кип. м2/с*109	15	136	150	200	256
H3BO3
d, м*103	0.4	0.7	0.8	1	1.2
Dпер, м2/с *109	5,1	7,2	11,2	12,3	15,1
Dвак, м2/с*109	6,1	8,7	13	14,5	16,2
Dпер.кип. м2/с*109	10,2	80,1	100,6	120,3	165

Розрахунки значень коефіцієнтів внутрішньої дифузії для розглянутих нами випадків дозволили встановити величини коефіцієнтів дифузії De та їх зміну залежно від величини просування границі розчинення вглиб капіляра.

В області І ефективний коефіцієнт дифузії дорівнюватиме коефіцієнту турбулентної дифузії та визначатиметься гідродинамічною обстановкою в капілярі. В області ІІ значення ефективного коефіцієнта дифузії стає співмірним із значенням коефіцієнта молекулярної дифузії. Тобто, в цій області на процес екстрагування більше впливатиме молекулярний перенос маси.

Значення ефективного коефіцієнта дифузії зберігає постійне значення на певній відстані від отвору капіляра. Потім воно починає зменшуватись, наближаючись до величини коефіцієнта молекулярної дифузії. В ділянці капіляра поблизу її отвору перенос маси відбувається переважно за механізмом конвективної дифузії. Саме в цій зоні значення ефективного коефіцієнта дифузії буде максимальним. Величина зони конвективного переносу залежить від розмірів капіляра і пропорційна до квадрату його діаметра.

На величину зони конвективного переносу впливають також гідродинамічні умови в системі. Для періодичного кипіння рідини під вакуумом її значення в 3-5 разів більше порівняно з умовами механічного перемішування і в 1,5-2 рази більше порівняно з умовами постійного кипіння під вакуумом. Це пов'язане з тим, що в даних умовах швидкість конвективного потоку в капілярі буде достатньо високою для того, щоб рідина проникала в капіляр на максимальну глибину.

На основі проведених досліджень можна зробити висновок про те, що швидкість екстрагування зростає із зростанням швидкості руху рідини в капілярі, тобто визначається гідродинамічними умовами проведення процесу. Їх вплив на процеси масообміну оцінюється критерієм Рейнольдса:

екстрагування механічний кипіння вакуум



(7)

де w_k - швидкість руху рідини в капілярі, зумовлена пароутворенням;

d_k - діаметр капіляра; н - коефіцієнт в'язкості.

В даному випадку критерій Рейнольдса буде характеризувати співвідношення інерційних сил, пов'язаних з рухом рідини внаслідок пароутворення, та в'язких сил, пов'язаних з впливом стінок капіляра та властивостей розчинника.

Швидкість руху рідини в умовах постійного кипіння під вакуумом залежить від частоти виходу парової бульбашки з капіляра і оцінювалась за залежністю:

(8)

де f - частота виходу парових бульбашок з капіляра;

d - відривний діаметр парової бульбашки.

В умовах періодичного кипіння розчинника швидкість руху рідини в капілярі буде визначатися швидкістю схлопування парової бульбашки. Візуальні спостереження та дані кінозйомки показують, що швидкість схлопування парової бульбашки в умовах експерименту дорівнює швидкості її росту. Виходячи з умови рівності швидкостей росту та схлопування швидкість руху рідини в капілярі визначається за залежністю

(9)

де в - коефіцієнт, який залежить від властивостей рідини та геометрії парової бульбашки;

a - коефіцієнт температуропровідності;

R - радіус парової бульбашки;

Ia - число Якоба.

Порівняння розрахованих нами швидкостей руху рідини в капілярі показує, що для умов періодичного кипіння рідини під вакуумом швидкість руху рідини підчас схлопування є в 10 разів більшою, ніж швидкість руху рідини, викликана відривом парової бульбашки від твердої поверхні в умовах постійного кипіння рідини під вакуумом.

Для оцінки інтенсифікації процесу екстрагування було використане співвідношенням параметрів, що є незмінними в конвективній області: ефективного коефіцієнта дифузії та коефіцієнта молекулярної дифузії. Розрахувавши симплекс дифузійної подібності D_e/D_м, було визначено його залежність від критерія Рейнольдса.

На рисунку 9 можна виділити дві області: І - область постійного кипіння, у якій швидкість руху рідини визначається залежністю (8) і відповідним модифікованим числом Рейнольдса Re* та область ІІ - область періодичного кипіння під вакуумом, в якій швидкість руху рідини визначається швидкістю схлопування (9) та з числом Рейнольдса Re**.

Для умов постійного кипіння під вакуумом Re* знаходиться в межах 20 - 60, а залежність матиме вигляд:

для калію хлориду

для борної кислоти (10)

Для умов періодичного кипіння під вакуумом значення Re** лежатиме в межах 500-2000, а залежність матиме вигляд:

для H₃BO₃

для KCl (11)

Основною характеристикою конвективного масообміну, який має місце в умовах періодичного вакуумування, виступає коефіцієнт масовіддачі, який визначається гідродинамічною обстановкою. Тому нами були визначені експериментальні значення коефіцієнта масовіддачі в згідно з рівнянням масовідддачі:

, (12)

Ліва частина цієї залежності представляє собою масу речовини, що переходить в розчин підчас екстрагування, а права частина, в якій знаходиться коефіцієнт в, рівняння масовіддачі. Використовуючи одержану в розділі ІІ функціональну залежність між основними критеріями, що впливають на масовіддачу, отримано наступні критеріальні рівняння для розрахунку інтенсивності масообміну.

Для умов постійного кипіння під вакуумом з Re*, значення якого дорівняює 20-60 залежність має вигляд:

(13)

Для умов періодичного кипіння під вакуумом і Re**, значення якого дорівняює 500-2000, залежність має вигляд:

(14)



У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень екстрагування сульфату цинку з пористих частинок пемзи. Така частинка представляє собою пористий матеріал з різними діаметрами пор та різною їх орієнтацією в просторі. Експерименти проводились на одиночних закріплених частинках сферичної форми діаметром 35 мм в умовах механічного перемішування, а також постійного та періодичного вакуумування.

Аналіз кінетики екстрагування з одиночних капілярів та з пористих частинок вказує на їх подібність. В обох випадках застосування періодичного вакуумування дозволяє значно збільшити швидкість процесу. Інтенсифікація екстрагування пов'язана зі зміною гідродинамічної обстановки всередині пор частинок за рахунок утворення та схлопування парових бульбашок, в результаті чого виникає інтенсивний конвективний потік розчинника.

Для аналізу процесу екстрагування були також розраховані ефективні коефіцієнти дифузії. Для цього використане відоме співвідношення між концентрацією та часом екстрагування

, (15)

логарифмування якого та виділення області регулярного режиму дозволяє визначити коефіцієнт ефективної дифузії

Порівняння одержаних значень ефективних коефіцієнтів дифузії у порах пемзи дозволяє зробити висновок про інтенсифікацію процесу екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом. Порівняння величини D_е для умов періодичного вакуумування і механічного перемішування складає величину:

Інтенсифікація екстрагування з твердої частинки оцінюється також за значенням коефіцієнта вимивання. Даний параметр характеризує відносну кількість сировини, яка переходить в розчин в початковий момент екстрагування (так званий період швидкої екстракції), коли швидкість процесу є найвищою. Даний параметр характеризуватиме і процес екстрагування в цілому. Якщо в початковий момент часу вимиватиметься незначна кількість цільового компонента, то надалі вилучення решти речовини відбуватиметься за дифузійним механізмом. Ефективність такого процесу буде невисокою.

Для визначення коефіцієнта вимивання будувалась залежність зміни відношення маси цинку сульфату, яка перейшла в розчин до його початкового вмісту в частинці від часу екстрагування. Графіки отриманих залежностей представляють собою криві, в яких виділяються дві області, що характеризуватимуть два періоди екстрагування - період швидкої екстракції та процес дифузії цільового компонента. Процес дифузії може бути описаний рівнянням прямої лінії

, (16)

де q₀ - маса сульфату цинку в частинці в початковий момент часу;

q_i - маса сульфату цинку, яка залишилась в частинці після екстрагування протягом часу t;

k - кутовий коефіцієнт;

b - коефіцієнт вимивання.

У рівнянні (19) член b є відрізком, який відсікатиме пряма на осі ординат і одночасно коефіцієнтом вимивання сировини. Значення цього параметра є максимальним для умов періодичного вакуумування системи (0,25 для механічного перемішування; 0,4 для постійного кипіння під вауумом і 0,55 для періодичного кипіння під вакуумом). Таким чином, в умовах періодичного вакуумування системи в регулярній області вилучення цільового компонента за дифузійним механізмом відбувається з максимальною швидкістю, а в період швидкої екстракції з частинки вилучається максимальна кількість цільового компонента.

У п'ятому розділі проведена оцінка можливості практичного використання методу періодичного кипіння розчинника для інтенсифікації екстрагування у промисловості. Для цього досліджувалась кінетика вилучення важких металів із шламів гальванічних виробництв в умовах тільки механічного перемішування та механічного перемішування з періодичним кипінням під вакуумом. Результати експериментів представлені в таблиці 2.

Таблиця 2

Ступінь вилучення заліза з гальваношламів

Концентрація соляної кислоти, моль/л	Ступінь вилучення, %
	Механічне перемішування	Механічне перемішування з періодичним кипінням під вакуумом
0,8	30,4	59,1
1,4	56,6	88

На основі проведених досліджень та розрахунків запропоновано принципову схему масообмінного апарату для системи тверда фаза-рідина, в якому основним фактором інтенсифікації є періодичне кипіння рідини під вакуумом.

Масообмінний апарат працює наступним чином. Тверду фазу в корпус 1 апарата завантажують через патрубок 2. Патрубком 4 подають рідку фазу, яка підігрівається нагрівачем 12 до температури кипіння при заданому вакуумі. Під час екстрагування програматор 10, керуючи клапаном 9. періодично від'єднує вакуум-насос від апарата на час від 5 до 10 хвилин. Далі вакуум знову вмикається в апараті на час від 1 до 5 хвилин.

Інтенсифікація процесу екстрагування відбувається при цьому завдяки хвильовим процесам, що виникають в апараті при періодичному утворенні бульбашок парової фази на поверхні та в глибині пор твердої фази. Парова фаза з корпуса 1 через патрубок 6 поступає в конденсатор 7, де конденсується і відводиться у вигляді конденсату. Відпрацьована тверда фаза через патрубок 3 відводиться з апарата. Одержаний екстракт відводиться з корпуса 1 патрубком 5.

На основі проведених нами досліджень може бути запропонована загальна схема розрахунку екстрактора із застосуванням періодичного кипіння рідини під вакуумом.

На першому етапі задаються продуктивність апарата, тип розчинника, діаметр частинок сировини. Необхідно також визначити середній діаметр пор сировини та розчинність цільового компонента. На наступному етапі визначають теплоємність екстрагента, його теплоту пароутворення, температуру процесу екстрагування та необхідне розрідження для кипіння, а також в'язкість розчинника та коефіцієнт дифузії цільового компонента. Після цього переходимо до розрахунку масообмінних характеристик процесу. Розраховуємо критерії Шервуда, Шмідта, Рейнольдса та визначаємо коефіцієнт масовіддачі.

Далі розраховуємо час перебування сировини в апараті, швидкість руху екстрагента. Потім розраховуємо висоту та діаметр апарата, насос для подачі екстрагента та вакуум-насос для створення необхідного розрідження. Після цього складаємо матеріальний та тепловий баланс процесу. За отриманими даними розраховуємо витрати енергії на здійснення процесу, які включатимуть витрати на нагрівання розчинника, створення розрідження в апараті, перекачування екстрагента та на роботу допоміжного обладнання.

На заключному етапі проводимо розрахунок економічної ефективності екстрактора, оцінюючи витрати на переробку одиниці продукції та економію енергії. В результаті проведених розрахунків отримуємо значення основних розмірів апарата, потужності насоса та вакуум-насоса, коефіцієнт масовіддачі, зниження витрат на переробку сировини.

Екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом може ефективно застосовуватись для екстрагування термолабільних компонентів, а також у випадку, коли наступною стадією переробки сировини є концентрування отриманого екстракту. Даний метод не тільки інтенсифікує екстрагування, скорочуючи час переробки сировини, але і дозволяє зменшити витрати на додатковий підігрів рідини в апараті. Разом з тим випаровування частини рідини підчас проведення процесу зменшить енерговитрати на стадії концентрування екстрагованого розчину.



ВИСНОВКИ

1. Аналіз літературних джерел щодо інтенсифікації екстрагування з твердої фази дозволив констатувати, що генерування парової фази у системі призводить до руйнування пограничного дифузійного шару на поверхні твердої частинки та сприяє виникненню умов нестаціонарності масообміну з високими кінетичними коефіцієнтами.

2. Встановлено, що ефективність процесу екстрагування визначається як утворенням бульбашок всередині капілярів і їх впливом на гідродинамічну обстановку, так і їх схлопуванням, що створює умови конвективного масопереносу. Досліджено процес пароутворення всередині капілярів, визначено частоту відриву бульбашок з поверхні капіляру та її залежність від температури, а також швидкість схлопування після припинення вакуумування. Встановлено, що швидкість руху рідини підчас схлопування парової бульбашки значно вища за швидкість руху рідини підчас виходу парової бульбашки.

3. Експериментально досліджено та проведено порівняльний аналіз процесу екстрагування з одиночних капілярів в умовах механічного перемішування, постійного та періодичного кипіння рідини під вакуумом. Встановлено, що в умовах періодичного кипіння під вакуумом глибина зони конвективної дифузії збільшується приблизно в два рази у порівнянні з екстрагуванням в умовах постійного вакуумування і приблизно в шість разів у порівнянні з умовами механічного перемішування. Визначено оптимальне співвідношенняміж часом вакуумування і часом перемішування після схлопування, що складає відповідно 30 і 300 с.

4. Складено математичну модель екстрагування з врахуванням конвективної та молекулярної дифузії компонента у порах твердого тіла. На основі моделі визначено ефективні коефіцієнти дифузії, що враховують конвективний та молекулярний перенос речовини.

5. Методом аналізу розмірностей одержано критеріальні залежності Sh= f(Re^*) для умов постійного та періодичного кипіння під вакуумом та експериментально розкрито значення цієї функції.

6. Експериментально досліджено кінетику екстрагування з капілярно-пористої частинки, структура якої характеризується наявністю пор різного діаметру. Розраховано середньостатистичні значення кінетичних коефіцієнтів та коефіцієнтів вимивання, а також встановлено, що швидкість екстрагування в умовах періодичного вакуумування зростає у 5.33 порівнянно з умовами механічного перемішування.

7. Вперше досліджено вплив умов періодичного кипіння під вакуумом на процес екстрагування важких металів розчинами кислот з відходів гальванічних виробництв. Показано, що завдяки хвильовим процесам, що виникають в апараті підчас періодичного закипання розчину, час вилученняня цільового компонента скорочується в 2-3 рази у порівнянні з умовами механічного перемішування.

8. Запропоновано масообмінний апарат для екстрагування в умовах періодичного кипіння під вакуумом, алгоритм його розрахунку та методику оцінки економічної ефективності методу періодичного вакуумування, що враховує зменшення витрат на подрібнення сировини перед екстрагуванням та зменшення витрат, пов'язаних з додатковим підігрівом рідини в апараті.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ:

1. Гумницкий Я.М., Сенькив В.Н. Экстрагирование твердого вещества из линейных капилляров при периодическом кипении под вакуумом // Теоретические основы химической технологии. - 2006. - т. 40, №3. - С.1-6.

2. Гумницкий Я.М., Сенькив В.Н. Исследование влияния гидродинамических условий на экстрагирование вещества из линейных капилляров // Вопросы химии и химической технологии.-, 2006.- №3.- С. 157-161.

3. Я.М. Гумницький, В.М. Сеньків, М.Ф. Юрим Тверда фаза. Інтенсифікація екстрагування в умовах вакуумування системи // Хімічна промисловість України. - 2005. - №1.- С 28-30.

4. Я.М. Гумницький, Сеньків В.М., Юрим М.Ф. Оцінка гідродинамічних процесів у капілярах при вакуумуванні // Хімія, технологія речовин та їх застосування: Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехніка”.- 2004.- №516.- Львів. - С.122-124.

5. Гумницький Я.М., Сеньків В.М., Юрим М.Ф. Інтенсифікація екстрагування з капілярів при періодичному вакуумуванні системи // Хімія, технологія речовин та їх застосування: Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехніка”- 2005.- №529.- С 177-179.

6. Гумницький Я.М., Сеньків В.М. Вплив умов періодичного вакуумування системи на екстрагування з твердої фази // Наукові праці Одеської національної академії харчових технологій. - (Одеса, 2006).- Вип. 28.- Т.2.- С. 284-285.

7. Патент України, МПК6 ВО1D11/00. Спосіб екстрагування з твердого тіла / Гумницький Я.М., Юрим М.Ф., Сеньків В.М. - № 20041008630; заявл. 22.10.2004; Опубл. 16.05.2005, Бюл. “Промислова власність” № 5.

8. Патент України, МПК6 ВО1J8/18. Масообмінний апарат для системи тверда фаза-рідина / Гумницький Я.М., Юрим М.Ф., Сеньків В.М. - № 200500657; заявл. 25.01.2005; Опубл. 15.11.2005, Бюл. “Промислова власність” № 11.

9. I.M. Gumnitsky, G.A. Statyukha, V. Senkiv Influence of periodical boiling on extraction from solid phase // 17^th International Congress of Chemical and Process Engineering, Praha (Czech Republic).- 2006.- Summaries 2 (Separation Processes).- P. 448

10. Я.М. Гумницький, В.М. Сеньків Утилізація твердих відходів методом екстрагування при періодичному вакуумуванні системи // Десята наукова конференція “Львівські хімічні читання- 2005”.- Львів.- 2005.- Д9

11. Гумницький Я.М., Сеньків В.М. Утилізація шламів гальванічних виробництв методом екстрагування при періодичному вакуумуванні системи // XIV (щорічна) Міжнародна науково-технічна конференція “Екологія і здоров'я людини. Охорона водного повітряного басейнів. Утилізація відходів”.- Алушта.- 2006.- С.115-116.

12. Гумницький Я.М., Сеньків В.М. Оцінка впливу гідродинаміки пароутворення на інтенсифікацію екстрагування з твердої фази // III Українська науково-технічна конференція з технології неорганічних речовин “Сучасні проблеми технології неорганічних речовин”.- Дніпропетровськ.-2006.-С.125.

Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

Експериментально досліджено кінетику екстрагування з капілярів та порівняно результати дослідів в умовах постійного та періодичного вакуумування системи, а також механічного перемішування [1,2,3,5,6]. Визначено кінетичні коефіцієнти процесу та оптимальні умови проведення процесу екстрагування з періодичним кипінням рідини [1,3]. Досліджено кінетику екстрагування з твердої фази в умовах вакуумування системи. Визначено коефіцієнти дифузії, встановлено ступінь інтенсифікації [1,2]. Проведено аналіз процесів пароутворення в умовах вакуумування та показано їх залежність від температури та способу розміщення капіляра [4]. Змонтовано експериментальну установку, розроблено методику дослідів. Досліджено кінетику екстрагування розчиних солей із лінійних капілярів.

АНОТАЦІЯ

Сеньків В.М. Екстрагування з твердих тіл в умовах періодичного вакуумування системи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - “Процеси та обладнання хімічних виробництв”, Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2007.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів екстрагування в умовах періодичного кипіння розчинника під вакуумом. Визначено основні параметри, що впливають на кінетику вилучення цільового компонента в умовах постійного та періодичного вакуумування системи. На основі експериментальних досліджень визначено оптимальні умови проведення екстрагування з періодичним кипінням розчинника. Обґрунтовано механізм інтенсифікації утворенням в капілярі конвективного потоку розчинника, який є наслідком процесів росту, виходу та схлопування парових бульбашок. Показано, що в умовах періодичного вакуумування для різних об'єктів швидкість екстрагування та глибина зони конвективного переносу зростають у 3-5 разів порівнянно з умовами механічного перемішування та постійного вакуумування. Вперше отримано критеріальні залежності, які дають можливість визначити коефіцієнти масовіддачі для процесу екстрагування. Вперше запропоновано технологію утилізації гальваношламів методом екстрагування при періодичному кипінні розчинника. Вперше запропоновано принципову схему масобмінного апарату для екстрагування в умовах періодичного вакуумування та алгоритм його розрахунку.

Ключові слова: періодичне кипіння, схлопування, екстрагування, конвективний масоперенос.



АННОТАЦИЯ

Сенькив В.Н. Экстрагирование из твердых тел в условиях периодического вакууммирования ситемы. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.17.08 - “Процессы и аппараты химических производств”, Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов,2007.

В работе показано, что проведение процесса экстрагирования в условиях периодического вакууммирования, когда в системе последовательно чередуются стадии кипения под вакуумом и механического перемешивания после сброса вакуума, позволяет значительно увеличить скорость извлечения компонента из капиллярно-пористых тел. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что основным фактором интенсификации в данном случае является конвективный поток, возникающий благодаря процессам роста и схлопывания пузырьков пара внутри пор. Диссертационная работа посвящена исследованию процессов экстрагирования в условиях периодического кипения растворителя под вакуумом. Определены основные параметры, влияющие на кинетику извлечения целевого компонента в условиях постоянного и периодического вакууммирования. На основе экспериментальных исследований определены оптимальные условия экстрагирования с периодическим кипением растворителя. Обоснован механизм интенсификации возникновением в капилляре конвективного потока растворителя, являющегося следствием процессов роста, выхода и схлопывания пузырьков пара. Показано, что в условиях периодического вакууммирования для различных объектов скорость экстрагирования и глубина зоны конвективного переноса увеличиваются в 3-5 раз по сравнению с условиями механического перемешивания и постоянного вакууммирования. Впервые получены критериальные зависимости, позволяющие рассчитать коэффициенты массоотдачи для процессов экстрагирования. Впервые предложена технология утилизации гальваношламмов методом экстрагирования при периодическом кипении растворителя. Впервые предложена принципиальная схема массообменного аппарата для экстрагирования в условиях периодического вакууммирования и алгоритм его расчета.

Ключевые слова: периодическое кипение, схлопывание, экстрагирование, конвективный массоперенос.



SUMMARY

Sen'kiv V.M. Extraction from solid bodies in terms of periodical vacuum operation.

The thesis for Cand. Tech. Sci. degree by specialization 05.17.08-Proccesses and equipment for chemical industry. National university “Lviv polytechnic”, Lviv, 2007.

The dissertation is devoted to the research of extraction processes in terms of periodical solvent boiling under vacuum. Main parameters affecting on extraction rate in terms of periodical and constant vacuum operation were estimated. The most suitable conditions of extraction with periodical solvent boiling were found. Intensification mechanism was explained by the creation of konvective stream during processes of bubble increasing, exit and collapse. It was proved, that extraction rate and konvective zone depth for various objects increase in 2-5 times comparing with conditions of mechanical stirring and constant boiling under vacuum. First time criteria equations for main mass transfer parameters estimation are obtained. Technology for solid wastes utilisation with using of periodical solvent boiling is proposed. The engineering design procedure for the extractor with periodical solvent boiling and apparatus principal schema are proposed.

Key words: periodical boiling, collapse, extraction, konvective mass transfer.

Размещено на Allbest.ru