CC BY
13среды нужно вносить, как минимум, 1 часть активной смеси СВБ, т.к. при меньшем соотношении велик риск гибели микроорганизмов. Также были подобраны оптимальные условия для культивирования (1=27- 30°С, рН 7,5-7,8, ОВП=-300 мВ, стартовая концентрация 8042_=1,5-3 г/л, оптимальное, при использовании глицерина, соотношение 8042"/ ХПК, г/г = 1,5/1).
Трехнедельное культивирование СВБ с использованием среды №1 позволило добиться 85 %-й конверсии исходных сульфатов, т.е. достичь концентраций близких к требованиям, которые обычно предъявляются на промышленных объектах (предприятиях металлургической отрасли, горно-обогатительных комбинатах и пр.) к воде, повторно используемой для технологических нужд.
Авторами также изучено влияние на рост и развитие СВБ повышенных концентраций ионов тяжелых металлов. Анализ проводился на примере ионов 2п2+ и Бе2+ ввиду их частого присутствия в стоках горно-обогатительных комбинатов. Культивирование СВБ в герметичных пеницилли-новых флаконах на основе среды № 1, в которую вносились растворимые соли 2п2+ и Бе2+ (концентрация иона металла при этом варьировалась от 100 до 1000 мг/л), позволило оценить ингиби-рующее влияние данных тяжелых металлов на СВБ. Резкое снижение эффективности процесса сульфатредукции и роста СВБ наблюдалось при концентрациях 2п2+ и Бе2+ 500 и 1000 мг/л соот-
ветственно. Меньшие количества ионов тяжелых металлов легко осаждались в виде нерастворимых сульфидов, обеспечивая остаточную концентрацию металла близкую к допустимой концентрации Zn2+ и Fe2+ в водоемах рыбохозяйственного назначения (для цинка - 0,01 мг/л, для железа -
0.05.мг/л).
ЛИТЕРАТУРА
1. Зайнуллин Х.Н., Смирнова Г.Ф., Галиакбаров М.Ф //
Химия и технология воды. 1980. № 2. С. 272.
2. Динкель В.Г. и др. // Нефтегазовое дело. 2004. № 2. С. 209-217.
3. Попова С.В., Калюжный С.В. //Катализ в промышленности. 2005. № 2. С. 46-49.
4. Вайнштейн М.Б., Лауринавичус К. С. Методические указания. Учет и культивирование анаэробных бактерий// Методические указания. Пущино. 1988. 61 с.
5. Hooijmans C.M., Veenstra S., Luubberding H.J. Laboratory course process parameters and microbiology// Int. course in anaerobic waste water treatment/ Ed. G. Lettinga. - Delft.: Ag-nicultural University, Wageningen (Holland), 1990. - 44 p.
6. ПНД Ф 14.1:2.109-97 21.03.1997 Государственный Комитет РФ по охране окружающей среды. Методика выполнения измерений массовых концентраций сероводорода и сульфидов в пробах природных и очищенных сточных вод фотометрическим методом с К,К-диметил-п-фенилендиамином.
7. Bradford M. M. A Rapid and Sensitive Method for the Quantitation of Microgram Quantities of Protein Utilizing the Principle of Protein-Dye Binding. Anal. Biochem. 1976. р. 248-254.
8. РД 52.24.405-2005.Руководящий документ. Массовая концентрация сульфатов в водах. Методика выполнения измерений турбидиметрическим методом.
УДК 66.023:532.525.3
Е.В. Шалыгин, В.К. Леонтьев, Т.Е. Абрамова
РАСЧЕТ ДИАМЕТРА ПУЗЫРЯ И ПАРАМЕТРА ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ РЕАКТОРОВ С ЭЖЕКЦИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ
(Ярославский государственный технический университет) E-mail: buliwar@mail. ru
Предложен параметр к построению рабочих диаграмм для сравнения эффективности конструкций газожидкостных реакторов. Показано, что эффективность пропорциональна диссипированной мощности на единицу расхода газа и обратно пропорциональна расходу газа на объем реактора. На основе экспериментальных данных предложено эмпирическое уравнение для расчета среднего диаметра газового пузыря.
Ключевые слова: газожидкостные реакторы, параметры эффективности
Газожидкостные реакторы (рис.) широко применяются в химической отрасли и во многих других сферах промышленного производства. Дисперсные системы газа в жидкости часто ис-
пользуются для более лучшего контакта между фазами и обеспечения эффективной передачи количества массы, движения и энергии. Поверхность контакта фаз является одним из основных
факторов, определяющих скорость процессов передачи вещества и энергии. Она же часто является определяющей для размеров аппарата и используется при расчетах.
dmax = C,
о
0,6
Г Л-0,4
< N ö
Рж
V Vx 0
(1)
d = 141,97
_ 0,6 0,65
О j
Рж
-0,4
' N ö
V Vx 0
v m 0
(2)
Аналогичное соотношение найдено им для пузырей при их диспергировании в воде, но с другим значением коэффициента и показателя степени при газосодержании. Удельная поверхность сферических пузырей определяется по уравнению (3)
6 • ф
а =
d
3,2
Для чистых жидкостей Кальдербанком [2] предложено уравнение (4):
02 /■ \0,4 /■ \ 0,5
'Nö 1Ш\
a = const
Рж
о
0,6
V 0
W
W
Vn пг 0
мощность к объему всей смеси. Допуская, что между ётах и ё существует пропорциональная зависимость, было получено уравнение (5) для удельной поверхности пузырей в насадочной колонне и трубчатом реакторе со струевым соплом:
a = const--j-p--. (5)
(1 - j)0,4 О0'6 VVan J
Вместо уравнения (5) О. Нагель использовал уравнение (6):
0,4
' N ö
а = const
0,4
' N ö
V Van 0
■j
(6)
В постоянную величину этого уравнения заложены физические свойства жидкости и газа.
Для реакторов со струевыми соплами было получено уравнение (7) аналогичного вида:
Рис. Упрощенная принципиальная схема реактора Fig. The simplified scheme of reactor
Как правило, наиболее развитой межфазная поверхность получается в турбулентных гидравлических режимах истечения жидкости и газа. Считая, что локальная структура турбулентности в присутствии пузырей газа не изменяется, по уравнению (1) можно определить максимальный размер устойчивых пузырей [1]
а = const
/ \ 0,82 ' N ö
V Van 0
j
(7)
Кальдербанком [2] для растворов электролитов в смесителе получено эмпирическое уравнение (2)
(.. V'25
(3)
(4)
Для определения диаметра газового пузыря и поверхности контакта фаз Нагелем была использована теория Колмогорова. Он несколько видоизменил уравнение (4), относя подводимую
Для всех типов реакторов считается, что генерируемая в единице объема реактора поверхность существенно зависит от удельной энергии диспергирования. Поэтому на основании диаграмм, построенных в координатах а=/МУс„), можно провести принципиальное сравнение различных типов реакторов с точки зрения величины расхода энергии (эксплуатационных расходов) и объема (капиталовложений), необходимых для получения одинаковой поверхности массообмена. Исследование межфазной поверхности в односо-пловых газожидкостных аппаратах по сульфитной методике [3] показало их высокую эффективность. При сравнительно малой удельной вводимой мощности 2.. .18 кВт/м3 удельная поверхность контакта фаз составила 200.1300 м2/м3. Однако, отмечено, что эффективность аппаратов снижается пропорционально увеличению диаметра в четвертой степени. Это объясняется неравномерно -стью диссипирования энергии перемешивания во всем рабочем объеме и снижением нагрузки, приходящейся на поперечное сечение аппарата. Сравнение типов реакторов по диаграмме а = /(Ы/Уаг) имеет свои недостатки. Некоторые авторы в качестве объема аппарата принимают зону контакта фаз, что приводит к завышенным значениям межфазной поверхности. В связи с этим, ряд авторов [1, 4, 5] предложили проводить сравнение по рабочим диаграммам. Был получен основной критерий сравнения газожидкостных аппаратов [1].
Если МВ - абсорбируемое в контактном аппарате из газовой фазы количество вещества В, то справедлив закон (8):
Мв = •(ув -УВ2). (8)
0,2
0,2
С другой выражение (9)
стороны, верно кинетическое
Mв = Л-
св ■ b.
(9)
Из уравнений (8) и (9) можно записать выражение (10):
мв = 2-(уВ1 -уВ2)=А• с; • ь. (10)
Уравнение (10) действительно, когда сопротивление переноса со стороны газа мало по сравнению с сопротивлением переноса со стороны жидкости. Это встречается в большинстве практических случаев [1]. Так как при выборе конструкции проводят сравнение при заданной реакции с известными кинематическими характеристиками, то масштабом сравнения должна служить постоянная степень превращения:
Ув, - Ув2 = , (11)
г, *
при одинаковой средней величине СА , т.е. при почти одинаковых показателях перемешивания в жидкой и, соответственно, газообразной фазе в определяющих массоперенос зонах контактных аппаратов. Отсюда следует, что критерием срав-
Таблица
Экспериментальные данные определения эффективности работы газожидкостных эжекционных аппаратов с закрученным потоком
нения газожидкостных контактных аппаратов будет выражение:
Л
— = const. (12)
Было установлено, что величина межфазной поверхности, отнесенная к расходу газа в аппарате, в первую очередь пропорциональна дис-сипированной мощности на единицу расхода газа, т.е. величине N/Qz. Вторым параметром является величина Q ¡/Va„. Для учета влияния геометрических размеров вводится коэффициент ее [6]. Таким образом, общий вид уравнения рабочей характеристики струйных аппаратов имеет вид (13). При преобразовании выражения (7) получается соотношение (14).
f Q Лп
Л = Л, Q,
/ \т f N Л
Л Л
(
= const
к Qг 0
\ 0,4
N Q.г 0
К Va„ 0
in X
Q
К Va„ 0
j
(13)
(14)
Система Давление, Р, МПа m s J ,и н о Si и S е tfl ю о Объем смеси, V+x, м3 Поверхностное натяжение, а, Н/м Средний диаметр пузыря d„-103, м Газосодержание j Величина межфазной поверхности, а • 10-3, м2/м3 ,и л п « ^ о g и § Й g S s с с а s
вода + уксусная кислота 4,0 7 0,064 1,22 0,43 2,11 0,1125
вода + уксусная кислота 0,08 5,8 7,4 0,070 0,74 0,22 1,79 0,1027
Вода 4,8 5,2 0,074 0,44 0,09 1,23 0,1170
вода + уксусная кислота 4,0 11,0 0,064 1,86 0,64 2,06 0,1125
вода + уксусная кислота 0,12 5,6 11,6 0,070 1,72 0,48 1,49 0,1027
Вода 4,8 7,0 0,074 1,67 0,31 1,11 0,1170
вода + уксусная кислота 4,0 13,0 0,064 2,50 0,69 1,65 0,1125
вода + уксусная кислота 0,18 5,8 12,6 0,070 2,33 0,54 1,39 0,1027
Вода 5,0 7,4 0,074 2,00 0,32 0,94 0,1170
Определение среднего объемно-поверхностного диаметра пузыря проводится методом статистической обработки данных, полученных в результате фотографирования. На основе гипотезы о нормальном законе распределения диаметров пузырей, как случайной величины, обработка данных проводится по следующей методике (здесь без учета погрешности измерений):
1. Средний объемно-поверхностный диаметр по формуле (15).
d3,2 =
П V + П2 V + ••• + Щ-Уг
(15)
П ■ S1 + п2 ■ S2 +... + пг ■ Si 2. Газосодержание рассчитывается по формуле (16).
V
j =-г—. (16)
V + V
3. Удельная поверхность контакта фаз по выражению (17).
j
a =
d.
(17)
3,2
В итоге эксперимента, данные которого сведены в таблицу, с использованием формул (1) и (2), получается:
dn =(0,36 - 0,84)-
^0,6 ,„0,55
S -j
Рж
/ Л0,3
' N ö
V VX 0
(18)
Разработанная методика дала хорошие результаты при расчете газожидкостных струйных аппаратов и сравнении их эффективности
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ётах - максимальный диаметр устойчивых пузырей в турбулентной системе, м3;
С - эмпирический безразмерный коэффициент;
N - вводимая мощность, Вт;
Уж - объем жидкости в аппарате, м3;
рж - плотность жидкости, кг/м3;
с - поверхностное натяжение жидкости, Н/м;
ё - диаметр пузырей, м;
ф - газосодержание, м3/м3;
/.Ж - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па-с;
. - динамический коэффициент вязкости газа, Па-с;
а - удельная поверхность газовых пузырей, м2/м3;
ё3,2 - средний объемно-поверхностный диаметр пузыря, м;
Шв - скорость подъема одиночных пузырей в стационарном
состоянии, м/с;
Wm - скорость газа в полой трубе, м/с; m - эмпирический показатель степени; Van - объем аппарата, м3;
МВ - абсорбируемое в контактном аппарате из газовой фазы количество вещества В, моль/с; Qb, Q, Qz - расход газа, м3/с;
Ув1 и уВ2 - мольное содержание компонента В в газе соответственно на входе и выходе, моль/м3; А - массообменая поверхность, м2;
СВ - средняя разность концентраций компонента В в жидкости между границей раздела фаз и ядром, моль/м3; ß - коэффициент массоотдачи, м/с;
ее - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние геометрических размеров аппарата; Aj - эмпирический коэффициент; Vi - объем газового пузыря, м3; Si - площадь поверхности газового пузыря, м2; nt - количество пузырей, имеющих одинаковый диаметр; V - объем газа в аппарате, м3; dn - средний диаметр газового пузыря, м.
ЛИТЕРАТУРА
1. Nagel O. // Chem. Ing. Techn. 1973. V. 45. N 45. P. 913-924.
2. Calderbank P. // Trans. Inst. Chem. Eng. 1959. V. 37. N 3. P. 173-185.
3. Галицкий И. В. Исследование гидродинамики и массо-обмена в реакторах с эжекционным диспергированием газа. Дисс. ... канд. техн. наук. М. 1978. 202 с.
4. Kurten H., Zehner P. // Ger. Chem. Eng. 1978. V. 1. N 6. P. 347-351.
5. Cridnar T., Potter O. // Chem. Eng. Sci. 1980. V. 35. N 3.
P. 683-695.
6. Родионов А.И. Зенков В.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1970. Т. 13. Вып. 12. С. 1805-1809.
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
