CC BY
154
УДК 661.937.021.3:544.344.013
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МАССОПЕРЕНОСА КИСЛОРОДА ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ В ВОДНУЮ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
© Д. А. Казаков*, В. В. Вольхин
Пермский государственный технический университет Россия, 614990 г. Пермь, Комсомольский проспект, 29.
Тел./факс: +7 (342) 239 15 11.
E-mail: kazakovbiotech@mail ru
В работе приведены результаты экспериментального исследования влияния газотранспортных жидкостей на массоперенос кислорода из газовой фазы в водную. Определены оптимальные условия в отношении интенсификации массопереноса кислорода за счет введения газотранспортных жидкостей. Выявлены физико-химические свойства газотранспортных жидкостей, определяющие их влияние на массоперенос кислорода.
Ключевые слова: газотранспортная жидкость, интенсификация массопереноса, кислород, гидродинамические условия
Для интенсификации технологических процессов часто требуется увеличение скорости мас-сопередачи неполярных газов в водную фазу [1]. Так, большое практическое значение имеет повышение скорости массопередачи кислорода, поскольку интенсивность его транспорта из воздуха в водную фазу часто является определяющей в отношении эффективности процессов биохимической очистки сточных вод и загрязненного воздуха [1-2]. Перспективным направлением в разработке способов интенсификации массопередачи кислорода в водную фазу является применение газотранспортных жидкостей (ГТЖ), то есть жидкостей способных хорошо растворять целевой газ и увеличивать скорость его массопередачи из газовой фазы в водную [3]. В качестве перспективных ГТЖ для кислорода рассматриваются нерастворимые в воде органические жидкости: предельные и перфтори-рованные углеводороды, силиконовые и растительные масла, жирные кислоты и спирты [4]. Имеющиеся в настоящее время данные по влиянию ГТЖ на массоперенос кислорода, носят противоречивый характер, сообщается как об увеличении, так и о снижении скоростей массопередачи кислорода в водную фазу в присутствии одних и тех же соединений [5-6]. Анализ опубликованных результатов исследований массопереноса кислорода в присутствии ГТЖ, позволяет предположить, что характер влияния ГТЖ на скорость массопередачи во многом определяется гидродинамическими условиями в исследуемой системе.
Целью данной работы является экспериментальное изучение влияния ГТЖ на массоперенос кислорода в различных гидродинамических условиях, определение оптимальных условий в отношении интенсификации массопереноса кислорода в водную фазу за счет введения ГТЖ, выявление физико-химические свойств ГТЖ, определяющих их влияние на массоперенос кислорода.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования были выбраны следующие соединения: н-додекан, н-гексадекан, деканол-1, перфторпараметилцикло-
гексилпиперидин (ПМЦП). Выбор таких соединений обеспечивает возможность изучения влияния на массоперенос кислорода ГТЖ с различными физико-химическими свойствами.
Эксперименты проводили с использованием барботажного абсорбера BIOSTAT A plus (Sartorius BBI Systems, Г ермания) с эллиптическим днищем и открытой 6-лопастной турбинной мешалкой. Геометрические параметры реактора: общий (рабочий) объем - 1.6 (0.4—1.0) л; диаметр - 110 мм; высота -180 мм. Геометрические параметры мешалки: диаметр — 45 мм; длина лопаток — 12 мм; высота лопаток - 10 мм.
Скорость перемешивания изменяли в диапазоне 0—1200 об/мин. В качестве характеристики режима перемешивания в реакторе использовали модифицированный критерий Рейнольдса [7]:
Re =
nd2 р
m
(1)
где п - число оборотов мешалки в единицу времени, с- ; d - диаметр мешалки, м; р- плотность жидкости, кг/м3; т - динамическая вязкость жидкости, Па-с.
При расчете Яем в уравнение (1) в соответствии с данными работы [7] подставляли плотность и вязкость воды (сплошной фазы), поскольку объемная доля ГТЖ (дисперсной фазы) во всех экспериментах составляла менее 0.3.
Воздух в реактор подавали через перфорированное трубчатое кольцо диаметром 45 мм, расположенное под мешалкой и имеющее 13 отверстий диаметром 0.5 мм. Объемная скорость подачи воздуха составляла 1600 мл/мин, что соответствует приведенной скорость газовой фазы в свободном сечении реактора wг = 2.8-10-3 м/с. Общий объем жидких фаз в абсорбере составлял 400 мл. Эксперименты проводили при атмосферном давлении. В реакторе поддерживали температуру 30+0.5 °С.
В качестве характеристики интенсивности массообмена кислорода использовали объемный коэффициент массопередачи, который определяли методом десорбции - насыщения [6]. Десорбцию
* автор, ответственный за переписку
ISSN 1998-4812 Вестник Башкирского университета. 2009. Т. 14. №2
365
кислорода из водной фазы проводили с использованием азота особой чистоты. Концентрацию кислорода в водной фазе измеряли с использованием амперометрического датчика кислорода Oxyferm FDA 160 (Hamilton, Швейцария). Объемный коэффициент массопередачи рассчитывали по следующему уравнению [6]:
^ 1 , C *- Со
KLa = - • in-------
L t С*-С
(2)
где Кьа - объемный коэффициент массопередачи кислорода, ч-1; С*, С0, С - равновесная, начальная и текущая концентрации кислорода в водной фазе, соответственно, моль/л; і - время, ч.
В качестве параметра, характеризующего влияние ГТЖ на скорость массопередачи кислорода, использовали коэффициент усиления:
KLa0
(3)
где Кьа, Кьа0 - соответственно объемные коэффициенты массопередачи кислорода для водной фазы в присутствии ГТЖ и для чистой водной фазы, ч-1.
Результаты и их обсуждение На рис. приведены результаты исследования зависимости объемного коэффициента массопередачи кислорода (Кьа) от содержания ГТЖ в общем объеме жидкости в условиях барботажа с механическим перемешиванием и без него.
ПМЦП, об.%
в
г
Рис. Зависимости Кьа от объемной доли ГТЖ (а - н-додекан; б - н-гексадекан; в - деканол-1; г - ПМЦП) в различных гидродинамических условиях: 1 - без перемешивания; 2 - 300 об/мин; 3 - 600 об/мин; 4 - 900 об/мин; 5 - 1200 об/мин.
Полученные результаты показывают, что характер влияния ГТЖ на массоперенос кислорода в существенной степени определяется гидродинамическими условиями (рис.). Для всех исследованных ГТЖ усиление массопереноса (Е > 1) наблюдается при высокой турбулентности (900-1200 об/мин; Яем = 30375-40500). При снижении скорости перемешивания влияние ГТЖ не обнаруживается (Е » 1). В отсутствии механического перемешивания или при небольшой его интенсивности наблюдается торможение массопереноса кислорода (Е < 1). Такое влияние гидродинамических условий можно объяснить, используя литературные данные [8, 9], на основе следующих представлений. Поверхность пузырьков газа, находящихся в водно-органической эмульсии (ВОЭ), бомбардируется частицами органической фазы, которые могут закрепляться на ней. Частицы органической фазы, находясь на поверхности пузырьков, насыщаются кислородом. При высокой турбулентности частицы могут отрываться от поверхности пузырьков и отдавать кислород в водную фазу. Реализуется «челночный» механизм массопередачи газа между фазами, за счет которого может повышаться коэффициент массопередачи кислорода (Кь). При снижении турбулентности происходит коалесценция частиц органической фазы, что приводит к образованию пленки у поверхности газовых пузырьков, которая служит механическим барьером, создающим дополнительное сопротивление массопереносу кислорода. Барьерный эффект пленки органической фазы является причиной снижения Кь.
Как показывают полученные данные (рис.), при высокой турбулентности зависимости Кьа от объемной доли ГТЖ имеют максимум. Существование максимума можно объяснить тем, что при повышении объемной доли ГТЖ удельная поверхность контакта водной и газовой фаз (а) уменьшается, а Кь напротив увеличивается, то есть два фактора влияют взаимно противоположно. Снижение величины а связано с повышением вязкости ВОЭ за счет увеличения объемной доли ГТЖ и происходит вследствие увеличения интенсивности коалесцен-ции газовых пузырьков [10], а также ввиду их укрупнения [9]. Увеличение Кь с повышением объемной доли ГТЖ вызвано возрастанием количества частиц, способных осуществлять «челночный» массоперенос кислорода.
Влияние различных ГТЖ на массоперенос кислорода в одинаковых гидродинамических условиях отличается (рис.). Это можно объяснить различием их физико-химических свойств (табл. 1). Поскольку «челночный» транспорт может осуществляться лишь достаточно мелкими частицами [8],
способность ГТЖ к массопереносу по этому механизму может определяться его способностью к эмульгированию, которая зависит от величины межфазного натяжения на границе с водой [11]. Чем меньше величина последнего, тем легче образуется ВОЭ и тем большее увеличение Кь может происходить при повышении объемной доли ГТЖ. Возрастание Кь кислорода за счет «челночного» транспорта может зависеть также от растворимости кислорода в ГТЖ. С увеличением последней, как можно ожидать, Кь будет повышаться.
Приведенные данные позволяют предположить, что влияние конкретной ГТЖ на массопере-нос кислорода определяется соотношением таких ее свойств, как вязкость, межфазное натяжение на границе с водой и растворимость в ней кислорода. Действие перечисленных свойств ГТЖ на массопе-ренос кислорода можно проанализировать на основе их влияния на величину и положение максимума на полученных нами зависимостях Кьа от объемной доли ГТЖ.
Увеличение вязкости ГТЖ в соответствии с изложенными представлениями должно уменьшать величину максимума Кьа. Эта закономерность распространяется на все исследованные ГТЖ (рис., табл. 1). Кроме этого, увеличение вязкости ГТЖ должно сдвигать максимум Кьа в сторону меньших ее объемных долей, так как при увеличении доли ГТЖ вязкость ВОЭ увеличивается интенсивнее в случае более вязких соединений. Эту зависимость можно распространить лишь на н-алканы, в то время как ПМЦП и деканол-1 ей не подчиняются. Максимум Кьа в случае деканола-1 проявляется при объемной доле 0.2 об.%, также как и при введении менее вязкого н-гексадекана. Это можно объяснить тем, что отрицательное влияние высокой вязкости деканола-1 на Кьа компенсируется его способностью хорошо эмульгироваться вследствие достаточно низкого межфазного натяжения на границе с водой. В присутствии ПМЦП максимум Кьа проявляется при более высоком содержании органической фазы, чем это можно было предположить, исходя из величины его вязкости, что, на наш взгляд, объясняется слабым эмульгированием ПМЦП при механическом перемешивании в силу высокого межфазного натяжения на границе с водой (табл. 1). При введении ПМЦП лишь часть органической фазы переходит в объем водной фазы в виде отдельных частиц. В связи с этим повышение вязкости ВОЭ и усиление «челночного» транспорта с увеличением объемной доли ПМЦП происходит медленнее, чем при введении других ГТЖ, что и обусловливает смещение максимума Кьа в сторону большей объемной доли органической фазы.
188К 1998-4812 Вестник Башкирского университета. 2009. Т. 14. №2 367
Свойства исследованных ГТЖ Таблица 1
ГТЖ 5 (1 атм., 30 °С), мг/л т(30 °С), мПа-с ом, мН/м р, кг/дм3
н-Додекан 324 [9] 1.3 [14] 52.4[17] 0.740 [14]
н-Г ексадекан 322 [9] 3.0 [14] 53.5[17] 0.773 [14]
Деканол-1 237 [12] 14.0[15] 10.0 [18] 0.830 [15]
ПМЦП 613 [13] 3.4 [16] 60.0 [16] 1.850 [16]
5" - растворимость кислорода;
т- динамическая вязкость;
ом - межфазное натяжение на границе с водой;
р - плотность; в квадратных скобках указаны номера ссылок на источники информации.
С увеличением межфазного натяжения на границе с водной фазой нейтральный эффект и усиление массопереноса начинают проявляться при более высоких скоростях перемешивания (рис., табл. 1). Исключение составляет деканол-1. Причиной этого является его высокая вязкость и низкая растворимость в нем кислорода, что сдвигает проявление нейтрального состояния, а также эффекта усиления массопереноса в сторону более высоких скоростей перемешивания.
Повышение растворимости кислорода в органической фазе в соответствии с представлениями о «челночном» механизме массопереноса должно увеличивать величину максимума Кьа. Это справедливо для всех исследованных ГТЖ за исключением ПМЦП (рис.). Невыполнение данной зависимости в случае ПМЦП можно объяснить тем, что положительное влияние на интенсивность «челночного» транспорта высокой растворимости кислорода в органической фазе, компенсируется слабым эмульгированием вследствие высокого меж-фазного натяжения на границе с водой.
Полученные данные позволяют определить оптимальные условия в отношении интенсификации массопереноса кислорода в водную фазу за
счет введения ГТЖ (табл. 2). Из табл. 2 видно, что введение ГТЖ позволяет значительно повысить объемный коэффициент массопередачи кислорода в водную фазу. Наиболее эффективной ГТЖ из ряда исследованных является н-додекан, обеспечивающий максимальное усиление массопереноса.
Таким образом, результаты проведенного исследования позволили определить некоторые закономерности влияния ГТЖ с различными свойствами на массоперенос кислорода в водную фазу в различных гидродинамических условиях. На основе полученных экспериментальных данных выявлены физико-химические свойства ГТЖ, определяющие их влияние на массоперенос кислорода, определены оптимальные условия в отношении интенсификации массопереноса кислорода за счет введения ГТЖ. Показано, что наиболее эффективной из исследованных ГТЖ является н-додекан, введение которого позволяет в условиях высокой турбулентности повысить объемный коэффициент массопередачи кислорода в 5.3 раза. Полученные результаты имеют важное практическое значение и могут быть использованы при интенсификации процессов, связанных с потреблением кислорода из водных сред.
Таблица 2
Оптимальные условия в отношении интенсификации массопереноса кислорода в водную фазу за счет введения ГТЖ
ГТЖ фшах, об. % Г идродинамические условия при усилении массопереноса кислорода К1атах, ч 1 -^шах
н-Додекан 0.5 900-1200 об/мин (Кем = 30375+40500) 481 5.3
н-Гексадекан 0.2 900-1200 об/мин (Кем = 30375+40500) 395 4.6
Деканол-1 0.2 900-1200 об/мин (Кем = 30375+40500) 248 2.9
ПМЦП 2.5 1200 об/мин (Кем = 40500) 317 3.7
фшах - объемная доля ГТЖ при максимальном коэффициенте массопередачи;
Кьатох - максимальный объемный коэффициент массопередачи в присутствии ГТЖ; Ешах - максимальный коэффициент усиления массопередачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Munoz R., Villaverde S., Guieysse B., Revah S. Biotech. Advances. 2007. V. 25. №4. P. 410-422.
2. Rittmann B. E., McCarty P. L. Environmental biotechnology: principles and applications. N.Y.: McGraw-Hill, 2001. -745 p.
3. Cascaval D., Galaction A., Folescu E., Turnea M. Biochem. Eng. J. 2006. V. 31. №1. P. 56-66.
4. Galaction A., Cascaval D., Folescu E., Turnea M. Bioprocess Biosyst. Eng. 2005. V. 27. №4. P. 263-271.
5. Galaction A., Cascaval D., Oniscu C., Turnea M. Bioprocess Biosyst. Eng. 2004. V. 26. №4. P. 231-238.
6. Clarke K. G., Williams P. C., Smit M. S., Harrison S. T. L. Biochem. Eng. J. 2006. V. 28. №3. P. 237-242.
7. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Альянс, 2004. -753 с.
8. Dumont E., Delmas H.// Chem. Eng. Proc. 2003. V. 42. №6. P. 419-438.
9. Clarke K. G., Correia L. D. C.// Biochem. Eng. J. 2008. V. 39. №3. P. 405-429.
10. Khare A. S., Joshi J. B. // Chem. Eng. J. 1990. V. 44. №1. P. 11-25.
11. Фролов Ю. Г. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Альянс, 2004. -464 с.
12. Werner D., Hashimoto S., Tomita T., Matsuo S., Makita Y. // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. №5. P. 1321-1329.
13. Munoz R., Villaverde S., Guieysse B., Revah S. // Biotech. Adv. 2007. V. 25. №4. P. 410-422.
14. Dumont E., Andres Y., Le Cloirec P. // Biochem. Eng. J. 2006. V. 30. №3. P. 245-252.
15. Pezron I., Bourgain G., Clausse D. // Colloid Polym. Sci. 1996. V. 274. №2. P. 166-171.
16. Cesario M. T., Brandsma J. B., Boon M. A., Tramper J., Beeftink H. H. // J. Biotech. 1998. V. 62. №2. P. 105-118.
17. Chen P., Mak C., Susnar S. S., Neumann A. W. // J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. №14. P. 2511-2518.
18. Birdi K. S. Self-assembly monolayer structures of lipids and macromolecules at interfaces. N.Y.: Kluwer Academic Publishers, 2002. -377 p.
Поступила в редакцию 17.03.2009 г.
