CC BY
19
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ Юсубов Ф.В.1, Ибрагимов Ч.Ш.2 Email: [email protected]
'Юсубов Фахраддин Вали оглы - доктор технических наук, профессор; 2Ибрагимов Чингиз Ширин оглы - доктор технических наук, профессор, кафедра нефтехимической технологии и промышленной экологии, химико-технологический факультет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: изучены адсорбционные равновесия на синтетических цеолитах NaA и CaA из растворов изооктан - бензол и изооктан - толуол, при 200С, 300С и 400С. Установлено, что для выделения бензола и толуола из раствора изооктана наиболее выгодно использование цеолита NaA. Разработана математическая модель процесса адсорбции в неподвижном слое адсорбента в условиях нестационарности их протекания.
При проведении практических расчетов, оптимизации и проектировании адсорбционных процессов важную роль играет интенсификация массообмена (расчет значения коэффициентов массопередачи и отношения диаметра адсорбера к размеру гранул). Установлено, что при адсорбции многокомпонентной смеси массообмен улучшается в
условиях ( D ) > 28. dгр
Ключевые слова: изооктан - бензол, изооктан - толуол, адсорбционная равновесия, модель.
ECOLOGICAL ASPECTS OF ADSORPTION PROCESSES IN A FIXED
LAYER
Yusubov F.V.1, Ibrahimov Ch.Sh.2
'Yusubov Fakhraddin Vali oglu - Doctor of technical sciences, Professor; 2Ibrahimov Chingiz Shirin oglu - Doctor of technical sciences, Professor, DEPARTMENT OF PETROCHEMICAL TECHNOLOGY AND INDUSTRIAL ECOLOGY, FACULTY OF CHEMICAL TECHNOLOGY, AZERBAIJAN STATE UNIVERSITY OF OIL AND TECHNOLOGY, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: adsorption equilibrium on synthetic NaA and CaA zeolites from isooctane-benzene and isooctane-toluene solutions at 200C, 300C, and 400C has been studied. It was found that for the isolation of benzene and toluene from the iso-octane solution, the use of NaA zeolite is most advantageous. A mathematical model of the adsorption process in a fixed layer of an adsorbent under nonstationary flow conditions has been developed.
In carrying out practical calculations, optimization and design of adsorption processes, mass exchange intensification plays an important role (calculation of the mass transfer coefficients and the ratio of the adsorber diameter to the size of the granules). It was found that mass adsorption of a
multicomponent mixture improves mass transfer under conditions ( D ) > 28.
dгр
Keywords: isooctane-benzene, isooctane-toluene, adsorption equilibrium, model.
УДК 66.011.001 DOI: 10.20861/2312-8089-2017-29-003
Защита окружающей среды от загрязнений вредными выбросами нефтегазовой промышленности является глобальной проблемой, решение которой связано с созданием экологически чистых производств. Перед учеными и инженерами стоит важнейшая задача создания экологически чистых производств. Создание экологически чистых производств обеспечивается не только коренным изменением технологии, но и созданием новых, а также реконструкцией существующих установок [1].
В этой связи современные требования к экологически чистым производствам, повышение экологической эффективности и интенсификация адсорбционных процессов предопределяют важность их изучения.
Надо отметить, что адсорбционным методом вредные вещества практически полностью могут быть удалены, если оптимально выбраны как схема и аппаратура процесса, так и его технологический регламент [2].
При этом оптимизация процесса дает также возможность не только обеспечить защиту, но и рационально использовать сырьевые и энергетические ресурсы. С этой точки зрения особую актуальность приобретают процессы жидкофазной адсорбции в неподвижном слое [3]. Однако адсорбционное равновесие на цеолитах из жидких растворов изучено сравнительно мало.
Цель данной работы - изучение адсорбционного равновесия на синтетических цеолитах ЫаА и СаА из растворов изооктан - бензол и изооктан - толуол, при 200С, 300С и 400С. Стремление к интенсификации промышленных адсорбционных процессов приводит к повышению скорости движения фаз и увеличению локальных и средних градиентов температур и концентраций в неподвижном слое адсорбента аппаратов. Процессы с существенно неоднородными гидродинамическими и концентрационными полями характеризуются различными локальными флуктациями, что приводит к необходимости применять новые подходы при математическом описании таких процессов
Известно, что цеолиты ЫаА хорошо адсорбируют ароматические углеводороды в силу своей полярной природы и размеров пор, достаточных для проникновения этих молекул во внутреннюю полость кристаллов. На данном цеолите нами были сняты изотермы адсорбции бензола и толуола в изооктане при температуре 200, 300 и 400С.
Ароматические углеводороды с разным числом ароматических колец в молекуле по-разному адсорбируются на цеолитах СаА и ЫаА.
Экспериментальные изотермы адсорбции получены нами в статических условиях. Перед опытом прокаливали при 6000С в муфельной печи в присутствии воздуха в течение 4 ч, а затем охлаждали в эксикаторе.
В стеклянные ампулы объемом 25 мл помещались навески исследуемого цеолита в количестве 1,0 г. и заливались соответствующими растворами различной концентрации в интервале 1 - 100% вес.%. Объем раствора составлял 5 мл. Ампулы запаивались и помещались в специально сконструированной термостат, установленный на качалке, и интенсивно встряхивались. Постоянство температуры поддерживалось с точностью до + 0,3° С для измеряемой области.
Равновесную концентрацию изооктан - бензол и изооктан толуол определяли рефрактометром «Аббе». Постоянную температуру держали с помощью термостата М 12 «Лауда». На основе полученных равновесных концентраций вычисляли избыточную
адсорбцию Г компонента 2 (бензола и толуола). Изотермы избыточной адсорбции определяли по формуле (1,2)
_п0 {Х\ - XI)
Г2=_^= п УХ 2 - Х П ) (1),
2 т„
где
п 0 = —-^- (2)
XV • м + XV • м2
XV и XV - молярная доля компонентов 1 и 2 перед адсорбцией соответственно; и - молярная масса компонентов 1 и 2; XV - молярная доля компонента 2 (бензола и толуола) после адсорбции; - масса смеси компонентов; п - общее молярное число;
- масса адсорбента. Молярное число смеси определяли по формуле (3):
V
VI (т) + X 2 V (Т)-VI (т)]
(3)
П1сз =
где V - объем раствора (мл); Х2 - молярная доля компонента 2; V (т), V2 (т) -температурные зависимости молярного объема компонентов 1 и 2.
Общее количество вещества определяем по формуле (4)
П0 = n01 - nv ■ nios (4)
где n0 - общее молярное число; - число корректировки; ,01 - общее молярное число до проведения анализа.
P(т)
где р - плотность адсорбтивов.
Таким образом, приведенный анализ адсорбции на цеолитах CaA и NaA показывает, что для выделения бензола и толуола из раствора в изооктане наиболее выгодно использование цеолита NaA.
Для количественного описания избыточной адсорбции (рис. 1-4) компонентов растворов использовано уравнение Т. Кинда [4]:
Ц = bi(1 -X2)-(l-e^2)• Ъг • X2(l-е^2>) (5)
T2 - избыточная адсорбция второго компонента (бензол или толуол); х2 - мольная доля 2-го компонента в равновесном растворе; а!, а2, bi, b2 - постоянные уравнения. Постоянные уравнения (4) для цеолита NaA получены на основании экспериментальных данных с использованием функции минимизации.
=£(Т-T )2 ^ min
Методом Ньютона (для цеолита NaX):
й = 12,5672 b = 1,1346 аг = -0,26593 Ъ = 1,53481
где T и TR - соответственно экспериментальные и расчетные значения избыточной адсорбции. Адекватность уравнения (4) была доказана как сопоставлением экспериментальных и расчетных кривых, так и по критерию Фишера [5]:
(N -1)£ (Уо, - y)2
F =-
(N -1)£ (у, - У€)2
i=i
где yоп. - результат эксперимента; y - среднее значение опытных данных; У - среднее значение расчетных данных;
N -1, N -1 - число степеней свободы для остаточной дисперсии и дисперсии воспроизводимости. Результаты расчетов показали, что F )F^6]l [2].
Таким образом, одна из основных причин неудовлетворительной степени очистки на промышленной установке объясняется плохой селективностью стадии адсорбции.
Этот узел установки недоработан и требует дополнительных исследований.
Адсорбционным установкам присущи следующие общие недостатки:
1. Большие энергетические затраты на преодоление гидравлического сопротивления адсорбента в аппарате. При продолжительном многоцикловом использовании цеолита происходит постепенное увеличение гидравлического сопротивления за счет уплотнения слоя;
2. Неполная степень отработки адсорбционной емкости адсорбента в слое и низкое использование полезного объема адсорбера.
Успешное использование адсорбционных процессов в промышленной практике во многом зависит от надежности инженерных методов расчета адсорбера.
,=1 (6)
Стремление к интенсификации промышленных адсорбционных процессов приводит к повышению скорости движения фаз и увеличению локальных и средних градиентов температур и концентраций в неподвижном слое адсорбента аппаратов. Процессы с существенно неоднородными гидродинамическими и концентрационными полями характеризуются различными локальными флуктациями, что приводит к необходимости применять новые подходы при математическом описании таких процессов [3-7].
В частности, адсорбционные процессы, в условиях не стационарности как уже подчеркивалось, являются сложными, существенно - нелинейными системами. Для решения задач идентификации нелинейных объектов с использованием экспериментальных данных в процессах целесообразно использовать нелинейных дифференциальных уравнений.
При движении смеси веществ через адсорбер, заполненный пористым сорбентом (неподвижная фаза), образуются фронты концентраций каждого компонента смеси. Разделение веществ осуществляется за счет различия во времени удерживания молекул смеси в неподвижной фазе. Характер движения и размывания фронтов зависит от изотерм сорбции и от факторов неидеальности процесса, т.е.: от конечной скорости установления равновесия между веществом в подвижной фазе и неподвижной (кинетическое торможение); от продольной диффузии вещества в подвижной фазе, обусловленной различными нерегулярностями потока в пористой среде [8-11].
Дифференциальное уравнение баланса сорбирующего вещества можно составить в виде:
д(с + a) ттдс ^ д2 с
--+ U— = D—- (7)
dt дх дх
где, х - расстояние, измеряемое по высоте адсорбера; t - время; a - концентрация сорбирующего вещества в твердой фазе; с - концентрация компонента в подвижной фазе; D -эффективный коэффициент продольной диффузии, учитывающий продольную диффузию и конвективное перемешивание вдоль колонки; U - линейная скорость потока.
Граничные и начальные условия для уравнения (7):
дс
x=0; c=c0; a=a0; — = 0 (8)
дх дс
t=0; c=0; a=0; _ = 0 (9)
дх
Уравнение, учитывающее кинетику процесса (предполагается наличие физической адсорбции):
да = р[с - c(a)1 (10) дt 1 v "
где, в - суммарная константа скорости внешней и внутренней диффузии сорбирующегося вещества; с(а) - концентрация вещества у поверхности адсорбции, находящегося в равновесии с концентрацией адсорбирующегося вещества.
В результате решения системы уравнений (7-10) будет так:
b
У =
( i 0 4 b+cn
. a 1 -
. е 0 (11)
V ao J
При проведении практических расчетов, оптимизации и проектировании адсорбционных процессов важную роль играет интенсификация массообмена (расчет значения коэффициентов массопередачи и отношения диаметра адсорбера к размеру гранул).
На основе вышеприведенной модели для случая адсорбции многокомпонентной смеси (н-октан, тиофен и бензол) в неподвижном слое цеолита №А.
Размер гранул цеолита ЫаА оказывает определяющее влияние на массообмен при адсорбции смеси. Уменьшение размеров гранул цеолита ЫаА приводит к возрастанию поверхности контакта фаз и к резкому сокращению времени отработки зерна. Уменьшение размера гранул приводит к повышению коэффициента массопередачи примерно в 4 раза.
Была экспериментально изучена корреляционные соотношения
Ки=аЯе Ей ЬР £
Корреляционные соотношения представляют в виде степенных функций, причем параметры уравнения а, b и с, определяются обработкой экспериментальных данных. Найдено, что а=0,187, b=0,434, с=0,398 (на примере адсорбции н-октана в подвижном слое цеолита NX).
На рисунке 1 показана зависимость Nu=f(Re). Как видно критерий Nu остается постоянным при значении Re<75. С увеличением значения Re>75 критерий Нуссельта увеличивается (Re1 ^ 1000).
Рис. 1. Зависимость критерия Нуссельта Ып от Рейнольдса Яе
На рисунке 2 показана зависимость соотношения потери давлений АР к потере давления соответствующей пористости слоя АРС, к отношению диаметра адсорбера к П
диаметру гранул (^^ )■
Известно, что гидравлическое сопротивление, оказываемое слоем цеолита ЫаА при прохождении через него потока жидкости, выражаемое разностью давлений до и после слоя,
приводит к неустойчивому гидравлическому режиму работы адсорбера. Если соотношение (~Ар)
АРс
остается постоянным внутри адсорбера в переходном режиме не возникнут застойные зоны между распределительными устройствами. Другими словами процесс массообмена улучшается.
Рис. 2. Зависимость потерь давлений Л р/ Л р от Л D/ Л dp„
D -dгр
Изучена также зависимость Ре=А( ^ ) как видно из рисунка 3, значение критерия
Пекле (Ре) с увеличением соотношения ( ^ ), до значения 28 сначала уменьшается, а
dгр
потом остается постоянным.
40 D/drp
Рис. 3. Зависимость критерия Пекле Pe от D/dsp
D
D
На рисунке 4 показана зависимость (-) =^У ) где у - безразмерная (-) =%У )
dгр dгр
где у - без размерная выходная концентрация. Как видно, с уменьшением соотношения
Р , безразмерная величина у увеличивается. Это явление свидетельствует об dгр
улучшении массообмена.
Рис. 4. Зависимость Р/^р от выходной концентрации У
ВЫВОДЫ
1. Установлено, что для выделения бензола и толуола из раствора изо-октана, наиболее выгодно использование цеолита ЫаА.
2. Количественно описана изотерма избыточной адсорбции цеолита ЫаА.
3. Разработана математическая модель процесса адсорбции в неподвижном слое адсорбента в условиях нестационарности их протекания.
4. Экспериментально изучены корреляционные соотношения
№=0,187 Re ■ Ей0'434 ■ Рг0'398 и функций: (^ () , Ре=£( ) и =£( у ).
Ь^е dгр dгр dгр
5. Установлено, что при адсорбции многокомпонентной смеси массообмен улучшается в
Р
условиях (-) > 28.
dгр
Список литературы / References
1. Кельцев В.В. Основы адсорбционной техники. М. Химия, 1984. 598 с.
2. Таганов И.Н. Моделирование процессов масс и энергопереноса. Л. Химия, 1979. 208 с.
3. Ибрагимов Ч.Ш. К методам проектирования и управления адсорбционными процессами. Б. Элм, 1989. 236 с.
4. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. Л. Химия, 1990. 384 с.
5. КафаровВ.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М. Химия, 1976. 584 с.
6. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. Л. Химия, 1980. 804 с.
7. Renato R., Phillip W. Intensification of pressure swing adsorption processes. // Aiche Journal, 1990. 36. № 9. Р. 1299-1312.
8. Самойлов Н.А. Некоторые направления интенсификации адсорбционных процессов // Журнал прикладной химии, 1998. № 71. С. 99-103.
9. Плановский А.Н., Николаев П.А. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М. Химия, 1987. 496 с.
10. Венецианов Е.В., Рубенштейн Р.Н. Динамика сорбции из жидких сред. М.: Наука, 1983. 237 с.
11. Гельперин Н.И., Фролов В.Ф. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1981. 812 с.
МЕТОДИКА ВЫДЕЛЕНИЯ ПЯТЕН НА СЕТЧАТКЕ ГЛАЗА Комкова С.В. Email: [email protected]
Комкова Светлана Владимировна — кандидат технических наук, доцент, кафедра информационных систем, Муромский институт (филиал) Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых,
г. Муром
Аннотация: предложена методика обработки изображений сетчатки глаза с целью последующего выделения на ней пятен. Данная методика включает в себя алгоритмы предварительной обработки, такие как: алгоритм преобразования цветного изображения в черно-белое, алгоритм фильтрации на изображении помех, алгоритм повышения контраста, алгоритм улучшения границ между фоном и сосудами, алгоритм бинаризации, алгоритм выделения контуров, а также алгоритм для поиска новообразований путем их маркировки. Приведены результаты экспериментальных исследований предложенной методики. Ключевые слова: сетчатка, предварительная обработка, сегментация, маркировка пятен.
METHODOLOGY OF STRAIGHTENING THE STAINS ON THE EYE
Komkova S.V.
Komkova Svetlana Vladimirovna — PhD in Engineering sciences, Associate Professor, ACCOUNTING DEPARTMENT, MUROM INSTITUTE (BRANCH) VLADIMIR STATE UNIVERSITY, A.G. AND N.G. STOLETOV, MUROM
Abstract: а method for processing retinal images for the purpose of their subsequent recognition is proposed. This method includes preprocessing algorithms, such as: color image to black and white conversion algorithm, noise filtering algorithm, improvement algorithm, algorithm for improving the boundaries between the background and the vessels, binarization algorithm, contour extracting algorithm and the algorithm for finding new formations by marking them. The results of experimental studies of the proposed method are presented. Keywords: retina, pre-treatment, segmentation, spot marking.
УДК 004.932.2
Введение
В настоящее время диабетическая ретинопатия является основной причиной слепоты трудоспособного населения в развитых странах мира. Как и любой набор данных в реальном мире, на изображениях сетчатки глаза, полученных с офтальмоскопа, присутствуют шум и помехи. Изображения могут содержать артефакты, быть засвеченные. Поэтому актуальной является разработка методики предварительной обработки изображений сетчатки глаза, которая впоследствии позволит автоматизировать задачу диагностики диабетической ретинопатии. Методика выделения пятен на сетчатке глаза
Данный подход включает в себя последовательность шагов, которые преобразуют исходное цветное изображение сетчатки глаза к виду удобному для анализа информативных областей, а именно кровеносных сосудов и новообразований. Подход состоит из следующих шагов: 1. Преобразование исходного изображения в полутоновое
