НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ВЕНГЕР Любов Олександрівна

УДК 621.21

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ЕКСТРАГУВАННЯ ЦІЛЬОВИХ КОМПОНЕНТІВ З ТВЕРДОЇ ФАЗИ ВАКУУМУВАННЯМ СИСТЕМИ

05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у 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

Семенишин Євген Михайлович

Національний університет “Львівська політехніка”,

Міністерства освіти і науки України,

м.Львів, кафедра хімічної інженерії, 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 Сумський державний університет

Міністерства освіти і науки України, м.Суми

Захист відбудеться 19 грудня 2005 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради ДК 35.052.09 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, пл. Св. Юра, 9, корпус 9, ауд.214).

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

Автореферат розісланий “ 18 ” листопада 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої ради

кандидат технічних наук, доцент Атаманюк В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси екстрагування цільових компонентів з твердої фази широко використовуються в хімічній, гірничо-хімічній, харчовій, фармацевтичній, гідрометалургійній та інших галузях промисловості. У багатьох випадках екстрагування є важливим технологічним процесом, який визначає техніко-економічні показники виробництва в цілому. Через те, що екстрагування, зазвичай, є першою стадією багатьох технологічних процесів і обсяги виробництва є великими, апарати для його здійснення є громіздкими і вимагають для їх створення і експлуатації значних капітальних та енергетичних затрат.

У більшості випадків швидкість екстрагування лімітується внутрішньою дифузією з низькими значеннями коефіцієнтів масоперенесення, тому інтенсифікація цих процесів має велике значення. Аналіз літературних джерел показав, що для інтенсифікації екстрагування використовуються різні методи. Проте найбільш перспективним і найменш вивченим є метод екстрагування з твердої фази при кипінні рідини під вакуумом.

Суть процесу інтенсифікації в цьому випадку полягає в генерації парової фази у вигляді бульбашок на поверхні твердих частинок, що спричиняє руйнування пограничного шару на їх поверхні, інтенсивно перемішує рідину біля твердої фази і, як наслідок, значно збільшує коефіцієнт масовіддачі до екстрагенту.

Ще більший вплив парової фази проявляється у поровому просторі твердої частинки. 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. Це значно прискорює внутрішньо-дифузійне перенесення маси за рахунок створення високих градієнтів концентрацій, що призводить до нестаціонарних умов проведення масообміну, які відзначаються високими коефіцієнтами масоперенесення.

Крім того, кипіння рідини під вакуумом забезпечує випаровування значної кількості екстрагента з розчину, що призводить до суттєвого зменшення енергетичних затрат на подальшій стадії концентрування. Збільшення ефективних коефіцієнтів дифузії в умовах вакуумування дозволяє також значно знизити енергетичні затрати на подрібнення і помел твердої фази, що надходить на екстрагування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку кафедр “Хімічна інженерія” та “Екологія та охорона навколишнього середовища” Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” і виконувалась згідно з науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0194U029586).

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.

Для досягнення зазначеної мети необхідним було вирішити такі завдання:

· теоретичне пояснення механізму ефекту інтенсифікації процесу екстрагування при вакуумуванні з позиції нестаціонарності масообміну;

· експериментальне дослідження процесу екстрагування з одиничних капілярів в умовах механічного перемішування екстрагента та вакуумування системи та їх порівняльний аналіз;

· математичний опис процесу екстрагування та визначення ефективних коефіцієнтів дифузії;

· визначення зон конвективної та молекулярної дифузії;

· оцінка ефективності інтенсифікування процесу екстрагування в умовах вакуумування системи;

· екстрагування цільового компоненту з одиночних закріплених частинок та ансамблю частинок в умовах вакуумування та порівняння одержаних результатів з іншими методами інтенсифікації;

· розрахунок економічної ефективності процесу екстрагування під вакуумом.

Об’єкт дослідження: процес екстрагування цільового компоненту з твердої фази при вакуумуванні системи.

Предмет дослідження: теоретичне обґрунтування механізму екстрагування при вакуумуванні системи; визначення зон конвективного та молекулярного масообміну у капілярі; математичні моделі процесу та кінетичні коефіцієнти; оцінка степені інтенсифікації процесу екстрагування при вакуумуванні у порівнянні з механічним перемішуванням.

Методи досліджень: включають в себе аналітичні дослідження з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури, провідних методик в галузях аналітичної хімії та математичного моделювання хіміко-технологічних процесів.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації вперше встановлено механізм інтенсифікації процесу екстрагування в умовах вакуумування системи, що супроводжує кипіння, який полягає у зростанні зони конвективного масообміну у капілярі. Встановлено, що приплив свіжої рідини в зону екстрагування створює високі градієнти концентрацій, що призводить до нестаціонарності процесу, і відповідно, зростання ефективних кінетичних коефіцієнтів. Показано, що збільшення зони конвективного масообміну всередині капіляру викликане перемішуванням рідини при рості бульбашок пари та заміною частини рідини в капілярі при відриві бульбашки.

Визначено ефективні коефіцієнти дифузії при екстрагуванні в умовах вакуумування системи та при зовнішньому механічному перемішуванні.

Встановлено кінетичні закономірності процесу екстрагування одиночних взірців та ансамблю частинок в умовах кипіння під вакуумом.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Метод екстрагування при вакуумуванні системи, що супроводжується кипінням, може бути рекомендованим як метод інтенсифікації внутрішньо- дифузійних процесів масообміну.

2. Визначено ефективні коефіцієнти дифузії, які можуть бути використані при розрахунку екстракційної апаратури.

3. Рекомендований метод дозволяє знизити енергетичні затрати на подрібнення сировини, що надходить на екстрагування, за рахунок прискорення внутрішньо-дифузійного масоперенесення.

4. Метод може бути рекомендований також для десорбції речовини, що абсорбована з рідких середовищ, наприклад, при десорбції шкідливих компонентів, що забруднюють навколишнє середовище.

5. Запропоновані ефективні практичні методи інтенсифікації процесу екстрагування при вакуумуванні: перфоровану перегородку з інертною насадкою і сіткою для розділу фаз та перфоровану перегородку, оснащену соплами Лаваля.

6. Запропоновано вакуум-екстракційну установку безперервної дії для інтенсифікації процесу екстрагування в умовах кипіння рідини під вакуумом.

Результати досліджень мають практичне значення для проектування відділень екстрагування в різних галузях промисловості.

Особистий внесок здобувача. Полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці та аналізі отриманих результатів з екстрагування цільових компонентів в умовах вакуумування. Розроблено методики аналізу процесів екстрагування, математичної обробки отриманих результатів. Розроблені технологічні схеми вузла екстрагування твердої фази в умовах вакуумування та перемішування, захищені патентами України. Сформульовані основні положення та висновки. Постановка задач, обговорення та обґрунтування результатів досліджень та математичного опису процесів проводилася під керівництвом д.т.н., проф. Гумницького Я.М. При постановці експериментальних досліджень брав участь к.т.н., доцент Юрим М.Ф. Всі наукові дослідження, їх теоретичне пояснення та обґрунтування, представлені в дисертаційній роботі, виконані дисертантом особисто.

Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

Проведено аналіз процесів масообміну при екстрагуванні в умовах вакуумування на основі теорії нестаціонарних явищ [1]; змонтовано експериментальну установку, розроблено методику досліджень. Вивчено кінетику екстрагування розчинних солей із лінійних капілярів, визначено ефективні коефіцієнти дифузії [2]; досліджено кінетику екстрагування з твердої фази при вакуумуванні системи. Визначено коефіцієнти дифузії, встановлено ступінь інтенсифікації [3]; експериментально досліджено кінетику екстрагування з поодинокого капіляра та порівняно результати дослідів, проведених в умовах вакуумування системи та механічного перемішування. Визначено кінетичні коефіцієнти для даного процесу [4,8]. Встановлено, що застосування вакуумування системи, яке призводить до кипіння рідини, є ефективним методом інтенсифікації екстрагування. Створюються нестаціонарні аспекти масообміну, що характеризуються більш високими коефіцієнтами масовіддачі. Експериментальні дослідження на капілярах показали, що ефективність процесу екстрагування в умовах вакуумування системи зростає в порівнянні з умовами зовнішнього механічного перемішуванням системи [9,10]. Розроблено та запатентовано масообмінний апарат для системи тверда фаза-рідина, який містить конденсатор, сполучений з патрубками, в нижній частині якого встановлений генератор парової фази, підігрівач і перфорована перегородка [5,6]. Запатентований масообмінний апарат для стреми тверда фаза-рідина, який містить конденсатор, сполучений з вакуум-насосом, циліндричний корпус з патрубками, в нижній частині якого встановлений генератор парової фази, а на патрубку відведення екстракту перед секторними витратомірами додатково встановлені послідовно сполучені труба Вентурі і гідроциклон [7].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і були схвалені на трьох конференціях: ІV Міжнародній науково-практичній конференції “Динаміка наукових досліджень, 2005” 20-30 червня 2005 року (Дніпропетровськ, 2005, Наука і освіта), Десята наукова конференція “Львівські хімічні читання - 2005” (Львів.-2004), ХІІІ (щорічній) Міжнародній науково-технічній конференції “Екологія і здоров’я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів” (м. Алушта, 13-17 червня 2005р.).

Робота виконувалась на кафедрі екології та охорони навколишнього середовища Національного університету “Львівська політехніка”.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 друкованих праць, в тому числі 4 праці у фахових виданнях, 3 доповіді на міжнародних науково-технічних конференціях, одержано 3 патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з п’яти розділів, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 120 сторінках машинописного тексту, включаючи 1 таблицю, 28 рисунків. Список використаної літератури містить 88 вітчизняних та зарубіжних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначена основна мета та завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети, перераховано основні положення й закономірності, отримані автором, що мають наукову та практичну цінність.

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. Порівняно цей метод з вилуговуванням і розчиненням. 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. Аналіз кінетики екстрагування показує, що швидкість процесу в більшості випадків лімітується внутрішньо-дифузійним масоперенесенням. Проведено аналіз методів інтенсифікації процесів екстрагування з твердої фази. Розглянуто метод вакуумування системи, який дозволяє завдяки зародженню та росту бульбашок пари всередині твердих частинок, здійснювати переміщення рідини в порах твердого тіла, тим самим сприяючи інтенсифікації процесу. На основі проведеного літературного огляду сформульовано цілі та завдання досліджень.

У другому розділі “Об’єкти та методи експериментальних досліджень” наведено теоретичні передумови використання методу вакуумування для інтенсифікації масообміну при екстрагуванні з капілярно-пористих тіл, які полягають у створенні умов нестаціонарності, що визначаються високими коефіцієнтами масовіддачі. 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 (рис.1). Оригінальність методу генерування парової фази та пристрою відбору проб захищено Деклараційним патентом України.

Рис 1 Схема експериментальної установки для дослідження інтенсифікації процесу екстрагування при кипінні рідкої фази під вакуумом:

1 – реактор; 2 – підігрівач води в реакторі; 3 – магнітна мішалка; 4 – пробовідбірник екстракту; 5 - конденсатор – витратомір; 6 – вакуум – насос; 7 – вакууметр; 8 – пристрій для регулювання величини розрідження; 9 – досліджуваний зразок

Наведена характеристика фізико-хімічних властивостей речовин, що використовуються в процесі проведення експериментальних досліджень.

Описано загальний принцип методики експериментальних досліджень на одиночному капілярі, окремій частинці та ансамблі частинок. Обґрунтовано та описано кондуктометричний метод аналізу концентрації екстрагованого у експериментальних дослідженнях цільового компоненту.

В третьому розділі “Гідродинаміка та масообмін при екстрагуванні з одиночних капілярів в умовах вакууму” описано механізм екстрагування в умовах вакуумування системи. Наведено математичну модель процесу, яка враховує наявність двох зон: конвективної В' та молекулярно-дифузійної В (рис.2). У конвективній зоні за рахунок зовнішніх пульсацій рідини процес екстрагування відбувається за конвективним механізмом. Швидкість протікання цього процесу визначається гідродинамікою, а величина коефіцієнта конвективної дифузії Dk є значно вищою від коефіцієнта молекулярної дифузії D. У зоні конвективної дифузії В' проходить вирівнювання концентрацій екстрагованого компонента, а у зоні молекулярної дифузії В роз приділення концентрацій носить прямолінійний характер. Ефективний коефіцієнт дифузії визначається швидкістю екстрагування в обидвох зонах і його значення зростатимуть при збільшенні конвективної зони В'.

Рис.2. Схема розподілу концентрації у поодинокому капілярі: А- тверда речовина, що підлягає екстрагуванню, В- зона молекулярної дифузії; В?- зона конвективної дифузії

У конвективній зоні, яка знаходиться біля отвору капіляра, перенос маси описується кінетичним рівнянням:

(1)

Рішення диференційного рівняння (1) при початковій умові t = 0, l = 0 дає залежність переміщення границі розчинення твердої речовини у капілярі у часі

(2)

Дане рівняння може бути використаним для великого об’єму рідини, коли концентрацією цільового компоненту в об’ємі С1 можемо знехтувати. Нами складено математичну модель для випадку зміни С1 у процесі екстрагування. У цьому випадку враховано масовіддачу з торцевої поверхні капіляра до розчину, а кінетичне рівняння доповнене рівнянням матеріального балансу. Загальне рівняння, що визначає швидкість переміщення зони розчинення у капілярі має вид

(3)

і може бути розв’язане числовими методами.

Експериментальні дослідження екстрагування в умовах вакуумування системи проводилися з модельними скляними капілярами, які набивалися порошком хлориду калію. Капіляр вставлявся у реактор та проводився процес екстрагування. Велося візуальне спостереження за пересуванням границі розчинення твердої речовини.

Проведені експериментальні дослідження вказують на значне збільшення зони конвективної дифузії у випадку вакуумування системи, що є фактором інтенсифікації процесу екстрагування.

Процес вакуумування при температурах досліду супроводжується пароутворенням та виділенням пари у формі бульбашок. Бульбашка пари, що утворюється всередині капіляра, під дією сили тиску направляється від поверхні розчинення до отвору капіляра (рис.3). При цьому вона виштовхує перед собою шар рідини у навколишній простір і на місце парової фази заходить свіжа рідина з малою концентрацією компонента, що створює у початкові моменти часу великі рушійні сили. Внаслідок цього починається розчинення поверхні твердої фази, що знаходиться у капілярі. Згідно нестаціонарної теорії масообміну завдяки пароутворенню всередині капіляра проходить періодичне руйнування пограничного шару і його нове формування. Збільшення часу контакту рідини з твердою фазою призводить до зростання товщини пограничного шару, що веде до зменшення коефіцієнта масовіддачі і його величина прямує до стаціонарного значення. Формування нової бульбашки пари, її ріст та відрив спричиняє нове зародження дифузійного пограничного шару.

Рис.3 Схема зародження, росту, руху та відриву бульбашки пари від капіляра

При проведенні екстрагування з лінійних капілярів експериментальні дослідження проводились в умовах вакуумування системи та механічного перемішування. На рисунках 4 і 5 наведені результати експериментів з екстрагування хлориду калію з капілярів діаметром 0,8 мм розміщених вертикально та горизонтально.

Рис.4 Величина переміщення границі екстрагування в залежності від часу (горизонтальне положення капіляра): L1 – з вакуумуванням системи; L2 – без вакуумуванням системи

Рис 5 Величина переміщення границі екстрагування в залежності від часу (вертикальне положення капіляра): без вакуумування: L1, мм - низ капіляра закритий; L2, мм –верх капіляра закритий; з вакуумуванням: L3, мм - верх капіляра закритий; L4, мм –низ капіляра закритий

Порівняння експериментальних даних дозволяє зробити висновок, що вакуумування системи значно інтенсифікує процес екстрагування. З наведених графічних залежностей (рис.4-5) видно, що у процесах без вакуумування зона конвективної дифузії знаходиться у межах 3-4 мм. Зона молекулярної дифузії розпочинається приблизно з 6 мм. У межах 4-6 мм знаходиться перехідна зона, в якій видно вплив як молекулярної, так і конвективної дифузії.

Інша якісна картина спостерігається у дослідах з вакуумуванням системи. Перш за все значно збільшується зона конвективної дифузії і досягає 10-12 мм в залежності від положення капіляра. Тобто майже у 3 рази зростає величина зони конвективної дифузії в порівнянні з дослідами без вакуумуванням Другою особливістю є практично відсутня перехідна область. Чітко вирізняється перехід від конвективної до молекулярної дифузії.

Крім того, вакуумування системи веде до зростання швидкості масопереносу в конвективній зоні. Характеристикою швидкості процесу в даній області є коефіцієнт турбулентної дифузії. Величина цього коефіцієнту залежить не лише від фізичних параметрів системи, але і від гідродинамічної обстановки у даній системі. Для його визначення скористалися залежностями L2 = f (t), що є прямими лініями, тангенс кута нахилу яких відповідає значенням:

(4)

Для вертикального розміщення капіляра D k пер. = 3.6 · 10-7 м2/с; Dk.вакуум. = 2.3 · 10-6 м2/с. Для горизонтального розміщення капіляра D k пер. = 5.2 · 10-7 м2/с; Dk.вакуум. = 3.9 · 10-6 м2/с.

Переміщення зони конвективного масообміну при вакуумуванні та зростання коефіцієнту турбулентної дифузії Dk викликане зміною гідродинамічної обстановки як біля поверхні капіляра, так і всередині. Гідродинамічна система оцінюється числом Рейнольда. В умовах чисто механічного перемішування спостерігається добра кореляція одержаної залежності зони конвективної дифузії l0 від діаметру капіляру dk з опублікованими аналогічними залежностями інших авторів. Описана вище гідродинаміка при вакуумуванні значно ускладнюється за рахунок зародження, росту та відриву бульбашок пари. Нами визначено середній діаметр відривних бульбашок dб = 2.5 ч 3 ?м та частоту їх відриву, що становить 0.43 ± 0.06 1/с для вертикального розміщення капілярів та 0.69 ± 0.07 1/с для горизонтального положення.

Зона молекулярно-дифузійного масоперенесення (рис. 2) відповідає умовам, коли вплив гідродинаміки не спостерігається. Ця зона описується рівнянням

(5)

На основі експериментальних досліджень нами розраховано значення коефіцієнта молекулярної дифузії для горизонтального розміщення капіляру:

D = 1.188· 10-9 м 2/с – при механічному перемішуванні;

D = 2.86· 10-9 м 2/с – при вакуумуванні;

при вертикальному положенні капіляру:

D = 1.55· 10-9 м 2/с - при механічному перемішуванні;

D = 1.256· 10-9 м 2/с – при вакуумуванні системи.

Порівняння одержаних значень D із значеннями його у чистій воді (D = 5.4910-9 м 2/с) показує, що вони є близькими, однаковими за порядком, але меншими за чисельними значеннями. Це пояснюється впливом стінок капілярів, які зменшують величини D.

Четвертий розділ дисертації “Екстрагування речовини з капілярно-пористих одиночних частинок” присвячений вивченню процесу екстрагування з частинок які характеризуються різними діаметрами пор, довжиною капілярів, різною формою згинів капілярів, можливістю утворення защемлених зон всередині частинки.

Як модельний зразок було вибрано природну пористу речовину – пемзу, з якої виготовлялись частинки круглої та прямокутної форми. Пемза характеризується різними діаметрами пор, окремі розміри яких наближаються до 1 мм, тобто відповідають тим капілярам, які досліджувались у розділі 3. Тому одержані дані є середньостатистичними для відібраних зразків пемзи. Визначалась пористість пемзи ?, значення якої для досліджуваних зразків рівне 0.7623.

Досліди проводились на експериментальній установці, яка наведена на рис.1.

Методика проведення дослідів полягала в наступному. Частинки пемзи круглої або прямокутної форми певних геометричних розмірів закріплювались на пристрої для введення частинок в реактор установки і на протязі певного часу насичувалися концентрованою сульфатною кислотою до моменту, коли концентрація кислоти у розчині не змінювалась. Після насичення частинки поміщали в реакторі над поверхнею екстрагента. В реактор заливався екстрагент, об’ємом 3,5·10-3 м3. Екстрагентом служила вода.

Екстрагент підігрівався в реакторі до температури 75?С, за допомогою вакуум-насоса створювалось розрідження у реакторі так, щоб рідина закипала. Величина розрідження становила 5,886·104 Па. Одночасно проводилось перемішування екстрагента в реакторі за допомогою магнітної мішалки. Після цього частинки миттєво поміщались в киплячий екстрагент з одночасним фіксуванням початку часу проведення досліду.

Через певний проміжок часу відбувався безперервний відбір проб екстрагента з наступним їх охолодженням до температури 20?С. Об’єм відібраних проб становив 15мл. Конструкція експериментальної установки дозволила проводити відбір проб без зупинки процесу 7.

Проби відбирались до моменту насичення екстрагента екстрагуючою речовиною (сульфатною кислотою). Після проведення досліду концентрації екстракту визначались методом вимірювання електропровідності розчинів-електролітів на кондуктометричній установці.

Рис. 6 Залежність концентрації сірчаної кислоти при її екстрагуванні з частинок пемзи прямокутної форми: 1 – процес при вакуумуванні; 2 – екстрагування при механічному перемішуванні

Рис.7 Залежність концентрації сульфатної кислоти при її екстрагуванні з частинок пемзи круглої форми: 1 – екстрагування в умовах вакуумування; 2 – процес при механічному перемішуванні

Як видно з рисунків 6 і 7, екстрагування з одинарних капілярів та з пористих частинок, інертних по відношенню до екстрагованої речовини., вказує на їх ідентичний характер. І у першому і у другому випадках застосування вакуумування призводить до значної інтенсифікації процесу, що проявляється у більш швидкому вивільненні екстрагованих речовин з капілярно-пористих тіл. Ця інтенсифікація пов’язана зі зміною гідродинаміки всередині одиночних частинок за рахунок утворення парової фази у вигляді бульбашок, які при рості та відриві переміщують рідину всередині самих капілярів, що і веде до інтенсифікації процесу.

Для визначення кінетичних коефіцієнтів процесу екстрагування з частинок круглої форми було використано рівняння

. (6)

Для зони регулярного режиму при великих значеннях t можна ограничитись лише першим коренем характеристичного рівняння. Після логарифмування якого одержуємо результат

, (7)

який на графіку у напівлогарифмічній системі координат дає пряму лінію. Тангенс кута нахилу цієї прямої дозволяє обчислити значення кінетичного коефіцієнта дифузії.

Порівняння одержаних значень коефіцієнтів дифузії у порах пемзи свідчить про інтенсифікацію процесу з вакуумуванням. Відношення D з вакуумуванням до D без вакуумування складає величину: .

В п’ятому розділі “Дослідження десорбції при вакуумуванні. Економічна ефективність методу вакуумування. Принципова схема процесу” вперше досліджено вплив вакуумування системи і пароутворення на процес десорбції.

Рис. 8 Залежність концентрації ZnSO4H2O при екстрагуванні з частинок силікагелю: 1-екстрагування в умовах вакуумування; 2-процес при механічному перемішуванні

Показано, що інтенсифікація досягається, в основному, у початкові моменти десорбції, що пов’язано з наявністю десорбованого компонента не лише на поверхні капілярів, а й у поровому об’ємі, де відсутні сили молекулярного зчеплення (рис.8).

Генерована парова фаза у першу чергу витісняє рідину з об’єму пор, тобто процес відбувається не через молекулярну дифузію, а носить конвективно-молекулярно-дифузійний характер. Заходження в об’єм пори свіжої рідини – десорбента сприяє переходу компонента з поверхні пори до рідини (у цьому випадку порушена рівновага між концентрацією на поверхні пор та в об’ємі пор). Цей процес відбувається повільно, і загальна швидкість десорбції зростає у порівнянні з десорбцією без вакуумування у 1,5-2 рази.

З проведених досліджень випливає, що величина зони конвективної дифузії в умовах екстрагування при вакуумуванні системи зростає приблизно в три рази у порівнянні з екстрагуванням при механічному перемішуванні. Тобто перевага полягає у зменшенні затрат енергії на подрібнення матеріалу. Якщо при екстрагуванні з механічним перемішуванням частинки повинні мати розмір до 3 мм, то в умовах вакуумування цей розмір може бути збільшений до 10 мм.

Проведені розрахунки енергетичних затрат включали обчислення витрат, пов’язаних з подрібненням сировини та роботою вакуум-насоса. При роботі обладнання 300 днів в році виграш в електроенергії складає або в грошовому еквіваленті 392 грн/т пр.

На основі проведених досліджень та розрахунків запропоновано принципову схему масообмінного апарату для системи тверда фаза-рідина, в якому основним фактором інтенсифікації є кипіння рідини під вакуумом (рис.9).

Масообмінний апарат працює наступним чином. В корпусі 1 за допомогою вакуум-насоса 18 створюється необхідний вакуум. Тверду фазу завантажують в корпус 1 апарату через патрубок 2, одночасно патрубком 4 подають рідку фазу, наприклад, екстрагент, який нагрівається підігрівачем 7 до температури кипіння під заданим вакуумом. При проходженні рідкої фази через решітку 8 з розташованим на ній шаром насадки 9 по всьому об’єму корпусу 1 зароджуються бульбашки парової фази, які перемішуються з утворенням киплячого шару над сіткою 10 для розділення фаз, що інтенсифікує процес масообміну. Парова фаза із корпусу 1 через патрубок 6 поступає в конденсатор 11 з водяним охолодженням, де конденсується і відводиться у вигляді конденсату. Відпрацьована тверда фаза через патрубок 3 виводиться з апарата. Одержаний екстракт виводиться з корпуса 1 через патрубок 5, проходячи послідовно через трубу Вентурі 13, гідроциклон 14, в якому проходить розділення твердої і рідкої фази. Звільнена від твердих частинок рідка фаза поступає через секторний витратомір 15 в буферну ємність 17 і через секторний витратомір 16 поступає до споживача.

Елементи конструкції апарату запобігають втраті частини твердої фази, засміченню нею отриманого екстрагенту, що забезпечить стабільний режим роботи витратомірів і буферної ємності, збільшить швидкість процесу масообміну та зменшить енерговитрати.

Рис.9 Масообмінний апарат для системи тверда фаза-рідини: 1-корпус; 2,3-патрубки для підведення і відведення твердої фази; 4,5- патрубки для піведення і відведення рідкої фази; 6-відведення утвореної під час кипіння парової фази; 7- підігрівач; 8-перфорована решітка; 9- насадка; 10- решітка для розділення фаз; 11-конденсатор; 12-сепаратор; 13-труба Вентурі; 14-гідроциклон; 15,16-секторні витратоміри; 17- буферна ємність; 18- вакуум-насос

ВИСНОВКИ

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 пов’язано з наявністю десорбованого компоненту не лише на поверхні капілярів, а й у поровому об’ємі, де відсутні сили молекулярного зчеплення.

8. Дано оцінку економічної ефективності методу, що полягає у зменшенні затрат на подрібнення сировини перед екстракцією.

СПИСОК ПРАЦЬ

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 здоров’я 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 ; Cп – 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; s - густина твердої фази, кг/м3; – усереднене значення концентрації сульфатної кислоти в певний момент, кг/м3; С1 – концентрація екстрогованого компоненту в об’ємі 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.

АНОТАЦІЯ

Венгер Л.О. Інтенсифікація екстрагування цільових компонентів з твердої фази вакуумуванням ситеми. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – “Процеси та обладнання хімічної технології”, Львів,2005.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів екстрагування цільових компонентів з лінійних капілярів та капілярно-пористих частинок. Описано гідродинаміку та масообмін в умовах вакуумування системи. Показано, що основним фактором інтенсифікації є утворення, ріст та відрив парової бульбашки. Отримано графічні залежності, які дають можливість визначити коефіцієнти турбулентної дифузії процесу екстрагування як з лінійних капілярів, такі з капілярно-пористих частинок, що дозволяє оцінити швидкість процесу. Вперше досліджено вплив вакуумування системи і пароутворення на процес десорбції. Показано, що вакуумування системи при екстрагуванні дозволяє знизити енергетичні затрати, пов’язані з подрібненням сировини. Запропоновано принципову схему масообмінного апарату для системи тверда фаза-рідина, на який отримано патент України.

Ключові слова: екстрагування, конвективна дифузія, молекулярна дифузія вакуумування системи, парова бульбашка.

АННОТАЦИЯ

Венгер Л.О. Интенсификация экстрагирования целевых компонентов из твердой фазы вакуумированием системы. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.17.08 – “Процессы и оборудование химической технологии”, Львов,2005.

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов экстрагирования целевых компонентов из линейных капилляров и капиллярно-пористых частиц. Описана гидродинамика и массообмен в условиях вакуумирования системы. Показано, что основным фактором интенсификации является образование, рост и отрыв парового пузырька. Проведены исследования процесса экстрагирования из одиночных капилляров в условиях механического перемешивания и вакуумирования системы. Установлено наличие в капилляре двух зон: конвективной и молекулярной диффузии. Предложены математические модели, описывающие эти процессы, и установлены на основании экспериментальных исследований коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии. Полученные графические зависимости длины зоны экстрагирования во времени указывают на значительное увеличение зоны конвективной диффузии при вакуумировании по сравнению с аналогичной зоной при механическом перемешивании (примерно в 3 раза). Исследовано гидродинамику парообразования и определено среднестатический диаметр отрывающихся пузырьков и частоту их отрыва. Отрыв пузырьков носит циклический характер, что подтверждает гипотезу о нестационарном экстрагировании, характеризующимся высокими коэффициентами массопереноса.

Экспериментально исследовано процесс экстрагирования из капиллярно-пористых тел, характеризующихся различными диаметрами пор, их длиной, извилистостью и другими физическими параметрами. Подтверждено наличие двух зон: конвективной и молекулярной диффузии. Составлено математическую модель, позволяющую на основании экспериментальных результатов определить среднестатистические эффективные коэффициенты диффузии. Установлено степень интенсификации процесса в условиях вакуумирования по сравнению с механическим перемешиванием как отношение эффективных коэффициентов диффузии, и показано, что этот параметр составляет величину 2.33.

Впервые исследовано влияние вакуумирования системы и парообразования на процкесс десорбции. Показано, что наблюдается повышение эффективного коэффициента диффузии за счет десорбции компонентов, находящихся в объемной фазе капилляров. Показано, что вакуумирование системы при экстрагировании позволяет снизить энергетические затраты, связанные с измельчением сырья. Предложена принципиальная схема массообменного аппарата для системы твердая фаза-жидкость, на который получен патент Украины.

Ключевые слова: экстрагирование, конвективная диффузия, молекулярная диффузия, вакуумирование системы, паровой пузырек.

SUMMARY

Venger L.O. Intensification of extracting of target components from solid phase by vacuumizing of the system.- Manuscript

The dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineerings sciences after speciality 05.17.08 are “Carbros and equipments of chemical technology”, ,2005.

Dissertation work is devoted research of processes of extracting of having a special purpose components from linear capillaries and capilare-porous particles. Hydrodynamics and mass-transfer is described in the conditions of vacuumizing of the system. It is rotined that the basic factor of intensification is education, growth and dug up steam bubble. Graphic dependences which enable to define the coefficients of turbulent diffusion of process of extracting as from linear capillaries are got, such from capilare-porous particles, that allows to estimate speed of process. First investigational influence of vacuumizing of the system and vaporization on the process of desorption. It is rotined that vacuumizing of the system at extracting allows to reduce power expenses, related to growing shallow of raw material. The of principle chart of mass transfer vehicle is offered for the system hard phase-liquid, which the patent of Ukraine is got on.

Keywords: extracting, mass transfer diffusion, molecular diffusion of vacuumizing of the system, steam bubble.