CC BY
9
Раздел 05.17.08
Процессы и аппараты химических технологий
УДК 66.011
DOI: 10.17122/bcj-2019-1-133-137
А. А. Ермаков (д.т.н., проф.), С. А. Ермаков (д.т.н., проф.), З. Р. Русинова (ст. преп.), И. С. Мельник (асп.)
МАССОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ СФЕРИЧЕСКУЮ ГРАНИЦУ РАЗДЕЛА ФАЗ В УСЛОВИЯХ САМОПРОИЗВОЛЬНОЙ МЕЖФАЗНОЙ КОНВЕКЦИИ
Уральский федеральный университет кафедра машин и аппаратов химической технологии 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28, тел. (343) 3754428, e-mail: anatolerm@yandex.ru
A. A. Ermakov, S. A. Ermakov, Z. R. Rusinova, I. S. Melnik
MASSTRANSFER ACROSS A SPHERICAL INTERFACE IN CONDITIONS OF SPONTANEOUS INTERFACIAL
CONVECTION
Ural Federal University
28, Mira Str, 620002, Ekaterinburg, Russia, ph. (343) 3754428, e-mail: anatolerm@yandex.ru
Исследованы кинетические закономерности массопередачи в условиях самопроизвольной межфазной конвекции и показано, что интенсивность межфазной конвекции через сферическую границу раздела фаз увеличивает коэффициент массопередачи в -10 раз. Решающее значение имеют фазовые сопротивления, обусловленные физико-химическими свойствами переносимых веществ и растворителей (вязкость, коэффициент распределения, градиенты межфазного натяжения, протекающие в фазах химические реакции и т.д.). Показано, что градиенты температуры и концентрации в капле и во внешнем потоке сравнимы с соответствующими градиентами в сплошной среде и в объеме капли.
Ключевые слова: гидродинамическая неустойчивость; жидкостная экстракция; интенсификация массопереноса; самопроизвольная межфазная конвекция; эффект Марангони.
The kinetic laws of mass transfer under conditions of spontaneous interfacial convection are investigated and it is shown that the intensity of interfacial convection through a spherical phase boundary increases the mass transfer coefficient -10 times. Of crucial importance are phase resistances due to the physicochemical properties of the substances and solvents carried (viscosity, distribution coefficient, interfacial tension gradients, chemical reactions occurring in phases, etc.). It is shown that the gradients of temperature and concentration in the drop and in the external flow are comparable with the corresponding gradients in the continuous medium and in the drop volume.
Key words: convective instability; liquid-liquid extraction; Marangoni convection; mass transfer; surface-active substances.
При диспергировании жидких потоков можно выделить три стадии: массоперенос в периоды образования капель, их свободного движении и коалесценции .
Из-за различных гидродинамических режимов в дисперсной и сплошной фазах процесс в капле и сплошной фазе не одинаков. Важное значение для решения задач массооб-мена имеет направление массопереноса из капли в сплошную фазу и, наоборот, из сплошной фазы в каплю. При этом необходимо учитывать фазовые сопротивления 2-4. В первую
Дата поступления 18.10.18
очередь они зависят от величины коэффициента распределения, определяемого при находящейся с ней в равновесии концентрации в дисперсной фазе. При соотношении кинематических вязкостей, равном единице, возникновение межфазной неустойчивости зависит, кроме того, от соотношения коэффициентов диффузии и знака поверхностной активности 5.
В соответствии с постановкой задачи исследования рассмотрим кинетические закономерности массопередачи в условиях самопроизвольной межфазной конвекции.
Материалы и методы исследования
Исследования массопереноса из единичной капли в сплошную и из сплошной фазы в каплю проводились на лабораторной установке, показанной на рис. 1.
36
г
Чистота используемых продуктов контролировалась по температуре кипения, коэффициенту рефракции, межфазному натяжению. Концентрации определись при помощи двухлу-чевого спектрофотометра ShimadzuUV-1800. Данные по равновесию переносимых веществ определялись экспериментально. Коэффициент распределения находился как отношение равновесных концентраций в принимающих и отдающих фазах.
В экспериментах при массопереносе из капли, где концентрации переносимого вещества в сплошной фазе была равна нулю, равновесную концентрацию в дисперсной фазе определяли по кривой равновесия в области низких концентраций. Экспериментальные данные обрабатывались в виде зависимости С=/(т),
с=/(н).
Мгновенное значение коэффициента массопереноса определяли (при условии лимитирования диффузионного сопротивления одной из фаз) по уравнению
дс дт
км --
Ас ■ 5
Рис.1. Схема экспериментальной установки:
1 — колонна из боросиликатного стекла; 2 — рубашка; 3а, 3б — шприцевые насосы; 4 — электромагнитное устройство; 5 — капилляр; 6 — термостат; 7 — каплеуловители; 8 — люминесцентные лампы; 9 — видеокамера; 10 — ПК.
Методика эксперимента заключалась в следующем: положение каплеуловителя устанавливали на нужную высоту подъема или падения капли (время контакта со сплошной фазной), затем микронасосом подавали капли, которые, пройдя определенную высоту, собирались в каплеу ловителе. Из каплеуловителя непрерывно отбирались и анализировались пробы. Для определения следующей точки на зависимости «концентрация—время контакта» подвижный капилляр передвигался в новое положение, повторяя вышеописанные операции, сохраняя при этом все параметры (расход, время гидродинамической стабилизации капли, диаметр капли, вязкости, плотности фаз). Такая последовательность эксперимента позволяла неоднократно дублировать концентрацию в капле. Погрешность воспроизводимости опытных данных не превышала 5%.
Выбор экспериментальных систем для массопереноса из капли и в каплю определялся широким диапазоном физико-химических свойств переносимых веществ и взаимодействующих фаз 6.
где
дс
дт
уд
изменение концентрации в капле;
Ас — движущая сила процесса; ^уд — удельная поверхность контакта фаз.
Обнаружение самопроизвольнй межфазной конвекции (СМК) при массопереносе через сферическую границу раздела фаз проводилось методом, описанным в работе 1. Из сильных ПАВ для обнаружения СМК применяли поливиниловый спирт и стеарат кальция. В качестве трассера использовали иод.
Результаты и обсуждение
В работе приведены примеры обнаружения СМК при массопередаче во время свободного движения капли с помощью методов, описанных в 1. Одним из них является метод тестирования, который состоит во взаимном влиянии диффузионных потоков. В подобных системах скорость переноса компонентов, участвующих в массопе-реносе, может зависеть от молекулярных транспортных свойств макрокомпонента и может быть изменена по сравнению со значением макрокомпонента в бинарной системе.
На рис. 2а показан массоперенос иода (трассер) из сплошной фазы в каплю, а на рис. 2б — из капли в сплошную фазу при индивидуальном массопереносе (кривая 1) и совместном массопереносе с уксусной кислотой (кривая 2).
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
12
10
а)
0,5
Км-104,м/с
т,с
1,5 б)
0,2
0,4
0,6
0,8
т,с
Рис. 2. Тест-массоперенос иода из четыреххлористо-го углерода в 10%-ный водный раствор К1 при совместном массопереносе с уксусной кислотой:
а — перенос в каплю, с0н = 1.0 кмоль/м3, с012 = 0.0106 кмоль/м3; б — из капли, с0н = 0.478 кмоль/м3, с012 = 0.02 кмоль/м3; 1 — совместно с уксусной кислотой; 2 — индивидуально. Заштрихованный участок — диффузионно-конвективный режим — КО
Как видно из рис. 2, тест-массоперенос убедительно тестирует все режимы переноса как «в каплю», так и в обратном направлении. Кроме того, использование данного метода позволяет зафиксировать переходы от режима самопроизвольной межфазной конвекции к диффузионно-конвективному режиму.
На рис. 3 показан способ обнаружения СМК, основанный на применении сильных ПАВ, имеющих структуру абсорбционных слоев, способных гасить СМК, но не препятствовать протеканию массопереноса в диффузионном режиме (поливиниловый спирт с содержанием ацетатных групп ~10.7 М.В. 47800).
Рис. 3. Массоперенос уксусной кислоты: а — из
капли гептана в воду, С0 = 0.5 кмоль/м3; б — из капли четыреххлористого углерода в воду, С0 = 0.51 кмоль/м3; 1 — без ПАВ, 2 — в присутствии ПАВ (поливинилового спирта
На рис. 4 представлены зависимости коэффициента массопереноса от движущей силы и времени движения капли.
Из рис. 4 видно, что время существования режима СМК для пропионовой кислоты составляет 0.4 с, коэффициент массопередачи в диффузионном режиме КО равен 1-10-4 м/с, коэффициент массопередачи в режиме межфазной конвекции Км находится в диапазоне от 1-10-4 до 5-10-4 м/с. Для уксусной кислоты значения этих показателей следующие: время существования режима СМК — 2.4 с, КО = 2-10-4 м/с, Км = 2-10-4 + 8-10-4 м/с. Таким образом, массоперенос из капли и в каплю сопровождается интенсивной массопередачей.
На рис. 5 представлены характерные зависимости числа Шервуда от числа Марангони.
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
Км-104, м/с
о
0,2 0,4
АС, кмоль/м3
0,6
Км* 104, м/с
7 6 5 4 3 2 1 О
т,с
Рис. 4. Заивисимость мгновенного значения коэффициента массопередачн от движущей силы и времени движения капли: а — массоперенос пропионо-вой кислоты из капли в СС14 в воду (сплошная фаза), С0 = 0.7 кмоль/м3; б — массоперенос уксусной кислоты из бензола (сплошная фаза) в водную каплю, С0 = 0.5 кмоль/м3
Представляет интерес массоперенос из капли и в каплю при одинаковой начальной концентрации переносимого компонента. На рис. 6 приведены кинетические кривые массопереноса уксусной кислоты из капли четыреххлористого углерода в водную сплошную фазу (кривая 1) и из четыреххлористого углерода (сплошная фаза) в водную каплю(кривая 2) при одной и той же начальной концентрации 0.5 кмоль/м3.
Как видно из рис. 6, в начальный период интенсивность СМК в том и другом случае является максимальной (КО = 10-10-4 м/с), и далее постоянно снижается до значений, которые соответствуют фазовым сопротивлениям: кривая 1 — до значения 2-10-4 м/с, кривая 2 — до значения 3-10-4 м/с.
Рис. 5. Зависимость числа Шервуда от числа Ма-рангони при массопереносе: а — из капли четыреххлористого углерода в воду: 1 — уксусной кислоты, С0 = 0.6 кмоль/м3; 2 — пропионовой кислоты, С0 = 0.7 кмоль/м3; б — из бутилацетата в водную каплю: 1 — уксусной кислоты, С0 = 1.0 кмоль/м3; 2 — уксусной кислоты, С0 = 1.52 кмоль/м3
Рис. 6. Изменение коэффициента массопередачи в ходе экстракции уксусной кислоты, С0 = 0.5 кмоль/
м3: 1 — из капли четыреххлористого углерода в водную фазу (сплошная фаза); 2 — из четыреххлористого углерода (сплошная фаза) в водную каплю
Таким образом, можно сделать вывод, что интенсивность межфазной конвекции через сферическую границу раздела фаз увеличивает коэффициент массопередачи в ~10 раз. Независимо от направления массопереноса (из капли, в каплю) интенсивность СМК определяется из условий непрерывности тангенциальных составляющих тензора напряжения.
Литература
1. Бронштейн Б.И., Фишбейн Д.Е. Гидродинамика, массо- и теплообмен и дисперсных системах.- М.: Химия, 1977.- 280 с.
2. Ермаков А. А., Ермаков С. А., Русинова 3. Р., Мостов Л. А., Мельник И. С., Шевченко Е. А. Обнаружение и характеристики самопроизвольной межфазной конвекции // Баш. хим. ж.- 2018.- Т.25, №1.- С. 33-37.
3. Ермаков А. А., Ермаков С. А., Степанов В. А. Влияние изменения фазовых сопротивлений на условия возникновения и интенсивность самопроизвольной межфазной конвекции // Химическая технология.- 2005.- №2.- С.31-35.
4. Ермаков С. А., Ермаков А. А., Степанов В. А. Влияние смены фазовых сопротивлений на кинетику массопередачи с химической реакцией через сферическую границу раздела фаз в режиме межфазной нестабильности // ЖПХ.-2004.- Т.77, №11.- С.1847-1852.
5. Wegener M., Eppinger T., Baumler K., Kraume M., Paschedag A. R., Bansch E. Transient rise velocity and mass transfer of a single drop with interfacial instabilities - numerical investigations // Chemical Engineering Science.- 2009.-V.64.- Pp.4835-4845.
6. Русинова 3. Р. Особенности поведения одиночных капель в жидких экстракционных системах // Международный научно-исследовательский журнал.- 2018.- Т.56, №2.- С.102-106.
Очевидно, что решающее значение при вознкновении СМК имеют фазовые сопротивления, обусловленные физико-химическими свойствами переносимых веществ и растворителей (вязкость, коэффициент распределения, градиенты межфазного натяжения, протекающие в фазах химические реакции и т.д.).
References
1. Bronshtejn B.I., Fishbejn D.E. Gidrodinamika, masso- i teploobmen i dispersnykh sistemakh [Hydrodynamics, mass and heat transfer in disperse systems]. Moscow, Khimiya Publ., 1977, 280 p.
2. Ermakov A. A., Ermakov S. A., Rusinova Z. R., Mostov L. A., Mel'nik I. S., Shevchenko E. A. 0 [Detection and characteristics of spontaneous interfacial convection] Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir ChemicalO Journal], 2018, vol.25, no.1, pp.33-37.
3. Ermakov A. A., Ermakov S.A., Stepanov V.A. Vliyanie izmeneniya fazovykh soprotivlenii na usloviya vozniknoveniya i intensivnost' samoproizvol'noj mezhfaznoi konvektsii [Effect of phase resistance changes on the conditions of occurrence and intensity of spontaneous interfacial convection] Khimicheskaya tehnologiya [Chemical technology], 2005, no.2, pp.31-35.
4. Ermakov S.A., Ermakov A. A.,Stepanov V.A. Vliyanie smeny fazovykh soprotivlenii na kinetiku massoperedachi s khimicheskoi reaktsiei cherez sfericheskuyu granitsu razdela faz v rezhime mezhfaznoi nestabil'nosti [Effect of phase resistance change on the kinetics of mass transfer from chemical flows through a spherical phase boundary in the regime of interphase instability]. Zhurnal prikladnoi khimii [Journal of applied chemistry], 2004, vol.77, no.11, pp.1847-1852.
5. Wegener M. [Transient rise velocity and mass transfer of a single drop with interfacial instabilities — numerical investigations]. Chemical. Engineering Science, 2009, vol.64, pp.4835-4845.
6. Rusinova Z. R. Osobennosti povedeniya odinochnykh kapel' v zhidkikh ekstrakcionnykh sistemakh [Behavior of single drops in liquid extraction systems]. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal [International research journal], 2018, vol.56, no.2, pp.102-106.
