CC BY
55
Из таблиц 4 и 5 следует, что стоимость тонны блочного пористого ячеистого носителя составит 535 652,33 руб, а стоимость тонны блочного пористого ячеистого палладийсодержащего катализатора на основе ВПЯМ будет равна 1 572 164,00 руб.
Список литературы
1. Жилин В.Ф. Восстановление ароматических нитросоединений. Учебное пособие/ В.Ф. Жилин, В.Л. Збарский, А.И. Козлов.- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. -92 с.
2. Анциферов В.Н. Проблемы порошкового материаловедения. Часть II. Высокопористые ячеистые материалы/ В.Н. Анциферов, А.М. Беклемышев, В.Г. Гилев и др.-Екатеринбург: УрО РАН, 2002.- 262 с.
3. Прокудин С.В. Некоторые экономические показатели производства блочных катализаторов на основе высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) для жидкофазных процессов/ С.В. Прокудин, А.В. Беспалов, В.Н. Грунский, А.И. Козлов // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр.- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева.-2006- Т^ГС. -№2.- С.61-64.
4. Прокудин С.В. Экономические показатели производства палладийсодержащего катализатора на основе ВПЯМ для жидкофазных процессов/ С.В. Прокудин, А.И. Козлов, В.Н. Грунский, А.В. Беспалов // Химическая промышленность сегодня.- 2007.- №2.- С. 18-21.
УДК 621.762:666.3-127+532.685
И.Н. Татаринова, А.В. Беспалов, В.Н. Грунский, А.И. Козлов Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия
РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ БЛОЧНОГО ЯЧЕИСТОГО КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ 2',4',4-
ТРИНИТРОБЕНЗАНИЛИДА В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Comparison of the experimental and settlement values of hydraulic resistance of the block cellular catalyst for gas-phased process on Richardson's equation and modified equation of Ergan is executed. It is shown that precisely experimental data can be estimated by the modified equation of Ergan and it can recommended for calculation of the hydraulic resistance block cellular catalyst for restoration 2,4,4-trinitrobensanilid in real conditions.
Выполнено сравнение экспериментальных и расчетных значений гидравлического сопротивления блочного ячеистого катализатора для газофазного процесса по уравнению Ричардсона и модифицированному уравнению Эргана. Показано, что более точно экспериментальные данные можно оценивать по модифицированному уравнению Эргана и его можно рекомендовать для расчета гидравлического сопротивления блочного ячеистого катализатора для восстановления 2',4',4-тринитробензанилида в реальных условиях.
2',4',4-триаминобензанилид (ТАБА) широко используется при синтезе высокопрочных волокон, при производстве красителей и других органических соединений [1]. Как правило, ТАБА получают каталитическим восстановлением соответствующих полинитросоединений [2].
В промышленных условиях распространено каталитическое жидкофазное восстановление 2',4',4-тринитробензанилида (ТНБА) в воде на нанесённом палладийсодержащем катализаторе. В качестве носителя для катализатора используют порошкообразные угли различных марок, оксид алюминия, цинка и т.д.
ВПЯМ являются особым классом высокопористых проницаемых материалов [3], обладающих специфической структурой, основными структурными характеристиками которой являются такие параметры, как макропористость, окна ячейки, эквивалентный диаметр ячейки.
Преимущества гидравлических характеристик блочных носителей (катализаторов) сотовой структуры, полученных методом экструзии [4-6], а также пенокерамических носителей [4,7], полученных дублированием полимерной матрицы [3,4,7], перед насыпным зернистым слоем очевидны [6].
Одним из важных гидродинамических свойств блочных высокопористых ячеистых катализаторов является гидравлическое сопротивление. По гидравлическому сопротивлению учитывают расход энергии на перемещение газа, на перекачку жидкости, на перемещение газожидкостной среды через слой блочного высокопористого ячеистого катализатора.
При расчёте гидравлического сопротивления реактора восстановления ТНБА с блочным высокопористым ячеистым катализатором использовали подходы, предложенные в [8,9].
На рис.1 выполнено сравнение экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению блочного ячеистого образца катализатора при фильтрации воздуха и рассчитанных данных по уравнению Ричардсона [10, 11] и модифицированному уравнению Эрагана. На рис. 1 и последующих рисунках перепад давления ДP приведен к одному метру высоты слоя блочного ячеистого катализатора на основе ВПЯМ.
Из рис. 1 следует, что значения гидравлического сопротивления, рассчитанные по уравнению Ричардсона (1), превышают значения гидравлического сопротивления, полученные экспериментально, в несколько раз, а по модифицированному уравнению Эргана (2) возможно вполне удовлетворительно проводить оценочные расчеты гидравлического сопротивления высокопористого ячеистого катализатора при фильтрации газовой среды, исходя из определяемых основных структурных
параметров: диаметра ячейки и общей пористости.
Перепад давления в зависимости от скорости газа был рассчитан по уравнению Ричардсона [10, 11], полученного из уравнения Формайхера и был скорректирован в соответствии с общепринятым уравнением Эргана:
АР <(1 -£)2 + в (1 -5) 2 (1)
— =--------3----№+------------3—р (1)
Ь 8 8
где Sv внешняя площадь поверхности на объем твердого и рассчитывается по
формуле:
48
^ =—48— (1.1)
У dp (1 -8) ' '
Обычно параметры Эргана а и Рполагают постоянными. Однако они не
являются постоянными и зависят от свойств ячеистого носителя. Были найдены
эмпирические зависимости параметров Эргана от диаметра поры и пористости ячеистого носителя и они были использованы для предсказания перепада давления в пределах ± 15 % для 10..65 пор на квадратный дюйм ячеистого носителя [11]. Параметры Эргана в уравнении (1) рассчитывали по эмпирическим уравнениям (1.2, 1.3) предложенного Ричардсоном с соавторами [11]:
а = 973^743(1 - 8)-0 0982 (1.2)
в = 368р7523(1 -8-0-07158 (1.3)
Для расчета гидравлического сопротивления газофазного процесса нами было использовано модифицированное уравнение Эргана вида [9]:
1П10С-^)2 Vй ^пл 1Л4(1 -ї) Ри2
^0
где: 8о - порозность неподвижного слоя; Lo - высота неподвижного слоя; d -диаметр твёрдой частицы; и - скорость среды; ц - динамическая вязкость среды; р -плотность среды.
В дальнейшем оценочные расчеты гидравлического сопротивления блочного ячеистого катализатора, на котором происходит восстановления 2',4',4-тринитробензанилида проводили с коэффициентами 1,275 109 и 1,89 104:
АР = і,275.10’(17>:.І^и5 + 1,89-104(1^.;рг (3)
л0 6 и я 6 и я
В модифицированном уравнении Эргана (2) первое слагаемое показывает влияние вязкостных сил (так называемая ламинарная составляющая), а второе слагаемое - инерционных сил (так называемая турбулентная составляющая).
Из анализа модифицированного уравнения Эргана следует, что при повышении скорости жидкой фазы (2',4',4-тринитробензанилида), проходящей через слой блочного высокопористого ячеистого катализатора, возрастают оба слагаемых уравнения, но
АР 2
второе слагаемое растет значительно быстрее (действительно, ----------= Ки ). Это и
л
подтверждает результат сравнения рис.2. и рис.3, где приведены расчетные зависимости вязкостной и инерционной составляющих полного гидравлического сопротивления от скорости 2',4',4-триаминобензанилида при различных значениях диаметра пор ёя и пористости є. С уменьшением диаметра пор ёя и уменьшением пористости є оба слагаемых уравнения (2) изменяются, а именно, увеличиваются, увеличивается и удельная площадь поверхности катализатора, но инерционная составляющая увеличивается значительно быстрее рис.3, чем вязкостная составляющая.
Расчет гидравлического сопротивления
Скорость фильтрации газа, м/с
Вариант I —■—Вариант II —А—Вариант III
Рис. 1. Зависимость гидравлического сопротивления ВПЯМ (в расчете на 1 м высоты ВПЯМ) от скорости газа Вариант I. Данные, рассчитанные по уравнению Ричардсона (1); Вариант II. Данные, рассчитанные по уравнению Эргана (2); Вариант III. Экспериментальные данные; Образцы ВПЯМ с эквивалентным диаметром ячейки ^=1,26 мм; общей пористостью £= 0,85
Рис. 2. Зависимость вязкостной составляющей гидравлического сопротивления от скорости тринитробензанилида Катализатор №1. Образцы ВПЯМ с эквивалентным диаметром ячейки ^=3,0 мм; общей пористостью £= 0,9. Катализатор №2 Образцы ВПЯМ с эквивалентным диаметром ячейки ^=3,0 мм; общей пористостью £= 0,85
I 80000,00
к * 70000,00
? ¡
* 2; 60000,00
i “
Я g 50000,00
и &
«3 g 40000,00
S о
* 30000,00
:т ? 20000,00
if *
á g 10000,00
<L
s 0,00
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Скорость жидкости, м/с
- Катализатор №2
Катализатор №1
Скорость жидкости, м/с
Катализатор №1 —■— Катализатор №2
Рис. 3. Зависимость инерционной составляющей гидравлического сопротивления от скорости тринитробензанилида Катализатор №1. Образцы ВПЯМ с эквивалентным диаметром ячейки ^=3,0 мм; общей пористостью £= 0,9. Катализатор №2 Образцы ВПЯМ с эквивалентным диаметром ячейки ^=3,0 мм; общей пористостью £= 0,85
Рис. 4. Расчет гидравлического сопротивления от скорости тринитробензанилида Катализатор №1. Образцы ВПЯМ с эквивалентным диаметром ячейки ^=3,0 мм; общей пористостью £= 0,9. Катализатор №2 Образцы ВПЯМ с эквивалентным диаметром ячейки ^=3,0 мм; общей пористостью £= 0,85
Таким образом, роль второго слагаемого возрастает, вклад первой составляющей уменьшается, доминирующими становятся силы инерции. Из уравнения (2) может быть получена формула (4) для расчёта гидравлического сопротивления слоя блочного высокопористого ячеистого катализатора в турбулентном режиме
АР _ B1 -£ ри2
~Г - BV dF (4)
где В = 1,89 104.
На рис.4 приведены зависимости полного гидравлического сопротивления, для блочных ячеистых катализаторов с различным диаметром ячейки и пористости, от скорости 2',4',4-триаминобензанилида в расчете на полное сечение слоя катализатора, рассчитанное по модифицированному уравнению Эргана (3).
Список литературы
1. Патент 2233700. РФ, опуб. 10.08.2004
2. Джолдасова Ш.А. Восстановление тринитробензанилида на палладиевом катализаторе/ Ш.А.Джолдасова, Л.А. Соколова, Ф.Б. Бижанов //Известия АН КазССР Серия химическая. - 1984. - №5. - С.26- 28.
3. Анциферов В.Н. Проблемы порошкового материаловедения. Часть II. Высокопористые приницаемые материалы. /Анциферов В.Н., Беклемышев А.М., Гилев
В.Г., Порозова С.Е., Швейкин Г.П. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002. - 262 с.
4. Стайлз Э.Б. Носители и нанесённые катализаторы. Теория и практика: Пер. с англ./ Под ред. А.А.Слинкина. - М.: Химия, 1991. - 240 с.
5. Беспалов А.В. Гидравлическое сопротивление катализатора различных гидравлических форм и размеров / А.В. Беспалов, В.В. Дёмин, В.С. Бесков// ТОХТ. -1991. - Т.25. №4. - С.533- 541.
6. Беспалов А.В. Гидравлические свойства регулярных, нерегулярных структур и структур типа высокопористых материалов (ВПЯМ) при малых скоростях фильтрации жидкости /А.В. Беспалов, В.Н. Грунский, А.И. Козлов, И.Н. Татаринова, В.И. Ванчурин // Химическая промышленность сегодня. - 2005. - №3. - С.9- 13.
7. Eggeersted P.M. Choose the Right Ceramic for Filtering Hot Gases/ P.M. Eggeersted, J.F. Zievers, E.C. Zievers// Chemical Engineering Progress. - 1993. - №1. - P.62- 68.
8. Беспалов А.В. Расчёт гидравлического сопротивления ВПЯМ для жидкофазных процессов/ А.В. Беспалов, С.В. Прокудин, В.Н. Грунский, А.И. Козлов // Химическая промышленность сегодня . - 2006. - №2. - С.42- 46.
9. Беспалов А.В., Татаринова И.Н., Прокудин С.В., Грунский В.Н., Козлов А.И. Расчёт гидравлического сопротивления ВПЯМ для газофазных процессов // Химическая промышленность сегодня. - 2007. - №2. - С.44- 49.
10. Richardson J.T., Remue D., Hung J.- K. Properties of ceramic foam catalyst supports mass and heat transfer // Appl. Catal. A Gen. 2003 (250). P.319- 329.
11. Richardson J.T., Y. Peng, D.Remue, Appl. Catal. A: Gen. 204 (2000) 19.
12. Moreira E.A., Coury J.R. The influence of structural parameters on the permeability of ceramic foams // Brazilian Journal of Chemical Engineering. 2004. V.2.1. P.23- 33/
УДК 51-74:66.087.4
С.Ю. Лисин, Е.А. Дмитриев
Российский химико-технологический университет, им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СТОХАСТИЧЕСКОГО ПОДХОДА
In present work review of basic relationships which are used in mathematical modeling of electroflotation process is resulted. Moreover, the ways of development and improvement of those models by means of stochastic approach are suggested. It is shown that the constant of electroflotation process is changing during the process and basic factors that influence that one is resulted. The use of stochastic approach for modeling the electroflotation process allows to take into account simultaneously the macro kinetics of process and its features on the micro level.
В данной работе приведен обзор основных зависимостей, которые используются при математическом моделировании процесса электрофлотации. Кроме того, предложены варианты развития и усовершенствования этих моделей на основе стохастического подхода. Показано, что константа процесса электрофлотации изменяется в течение процесса, и приводятся основные факторы, которые на нее влияют. Применение стохастического подхода к моделированию процесса электрофлотации позволяет одновременно учитывать макрокинетику процесса и его особенности на микроуровне.
Процессы флотации, появившиеся в начале прошлого столетия, сразу же зарекомендовали себя как высокоэффективные способы обогащения руд. На сегодняшний день сфера их применения распространилась также и на процессы обработки сточных вод предприятий химического, гальванического, пищевого и других видов производства. Существует множество модификаций процессов флотации, среди которых одним из самых перспективным является процесс электролитической флотации (или электрофлотации). Сущность процесса электрофлотации заключается в пропускании через объем жидкости, содержащей твердые примеси, мелкодисперсных пузырьков газа, образующихся на электродах в процессе электролитического разложения воды при постоянном токе. Эти пузырьки обладают большой подъемной силой, благодаря чему они поднимаются вверх, сталкиваясь с частицами примесей и флотируя их к поверхности раствора. В результате на поверхности жидкости образуется устойчивый слой пены, содержащий примеси, который непрерывно удаляется. Основное отличие электрофлотационного процесса от других модификаций флотации заключается в том, что в нем используются пузыри малых размеров, что повышает его эффективность. Кроме того, пузыри, образованные на поверхности электродов, обладают зарядом, что способствует образованию флотокомплексов.
Условно электрофлотацию можно представить как последовательность следующих процессов:
1. электролитическое образование газовых пузырьков;
2. формирование частиц дисперсной фазы;
