CC BY
9Таким образом, прямоточно-вихревые устройства являются наиболее применимыми аппаратами для очистки крупнотоннажных газовых выбросов промышленных предприятий, так как смогут обеспечить хорошее качество очистки при больших нагрузках, когда применение традиционного массообменного оборудования невозможно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николаев А.Н., Дмитриев A.B., Латьшов Д.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе. Казань: Новое знание. 2006. 136 с.
2. Скобло А.И. и др. Процессы и аппараты нефгегазопере-работки: Учебник для вузов. М.: ООО Недра-Бизнесцентр. 2000. 677 с.
3. Калимуллин И.Р., Дмитриев Л.В., Гафиятов И.З., Николаев Н.А. Прямоточно-вихревое контактное устройство. Патент 1Ш №80352 МПК7 ВОЮ 3/00. 2009. Бюлл. 4.
4. Овчинников АА. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань.: Новое знание. 2005. 288 с.
УДК 66.048.375
В.Н. Павлечко, A.B. Минахметов, H.A. Николаев
СВЯЗЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТИ В СЕКЦИОННОЙ, ДИФФУЗИОННОЙ И КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛЯХ
(Белорусский государственный технологический университет, Казанский государственный технологический университет) E-mail: [email protected]
Рассматривается возможность нахождения связи между числом ячеек идеального перемешивания в секционной модели и числом Пекле в диффузионной модели с интенсивностью перемешивания жидкости в комплексной модели.
Ключевые слова: секционная модель, модель идеального перемешивания, диффузионная модель
При анализе работы массообменных процессов широко используются модели Мерфри и Хаузена [1, 2], первая из которых получила наибольшее распространение. Эти модели различаются условиями связи идеальной и реальной тарелок. В модели Мерфри при анализе эффективности в паровой фазе совпадают составы поступающего на идеальную и реальную тарелки пара и выходящей из них жидкости, при анализе эффективности в жидкости равны концентрации выходящего пара и поступающей жидкости. В модели Хаузена одинаковы составы пара и жидкости, поступающие на обе тарелки.
В отличие от известных, в комплексной модели составы поступающих и выходящих фаз на идеальной и реальной тарелках различаются. Причем концентрация легколетучего компонента в паровой фазе, поступающей на идеальную тарелку, меньше соответствующей величины для реальной тарелки, а его концентрация после идеальной тарелки больше, чем после реальной, как
это и должно быть. Составы фаз на идеальной и реальной тарелках выравниваются в некоторой плоскости, удаленной на расстоянии /г для пара и для жидкости от места их ввода. Прочие особенности моделей Мерфри и Хаузена имеют место и в комплексной модели. В работе [3] предложено определять расстояния /г и в зависимости от коэффициента фазового равновесия
И • И1 «-Ц-, (1)
т • 1
где /г, - безразмерное расстояние от места ввода
пара и жидкости соответственно до поверхности
-
вительной тарелках; т - коэффициент фазового равновесия.
Степень перемешивания жидкости в различных моделях оценивается по-разному [4]. В ячеечной (секционной) модели перемешивание жидкости оценивается числом секций (ячеек) полного смешения, между которыми жидкость движется в режиме идеального вытеснения. В
диффузионной модели перемешивание жидкости характеризуется критерием Пекле.
Секционная и диффузионная модели связаны выражением, связывающим количество секций полного перемешивания с числом Пекле [5]
5 • 0,5 Ре • 1, (2)
где 5 - число секций идеального перемешивания; Ре - число Пекле.
Для интервала значений Ре = 0,2 - 20 найдено соотношение [6]
5 • 1'
о о* Ре ' 33« — > • 63 «
(3)
шУ
0,045« к/ — Ео
'т • 1*: х.
о
Щ\е
ш .
Ь У
Ь
шУ
Е • шЕ'
•ш • 1*
'т • 1*: хп
ш •
* Хп
ш • 1 Ь
Е • шЕ'
ш • 1
(4)
(5)
Е
У 2 шУ^ к 2
из которых выведены соответствующие отношения разностей концентраций
0
•ш • 1* Е
Уо_ ш х0
Ь V
Ь
шУ
;(б)
Е • шЕ'
•ш • 1*
•ш • 1* Е
Уо_ ш
Ь ш • 1 _• _•
Ь
Е • шЕ
ш • 1
,(7)
новесной линии; постоянство эффективности во всех ячейках; течение жидкости по тарелке между секциями без смешения; полное перемешивание пара между тарелками.
Рассмотрим массообмен в первой против хода движения жидкости ячейке тарелки. При использовании эффективности массообмена комплексной модели разность концентраций жидкости и пара на входе и выходе из ячейки составляет соотв етств енно
•ш • 1*: х
У0: Е
о--: Е
ш •
X1 • Хг,
где • • 10 * ' *; Ео - локальная эффективность массообмена; Ь - молярный поток жидкости; V - молярный поток пара.
При использовании комплексной модели разность концентраций жидкости на входе и выходе тарелки для противоточного и перекрестного движения фаз при интенсивности перемешивания • соответственно равны [7, 8] с учетом (1)
5'Ь 5Ь
— • ш • -Е • шЕ
У шУ
(8)
•ш • 1*: х0
У1 - У 0
: ь
ш . У
Е
— • ш • -Е • шЕ
У шУ
(9)
Для второй против хода жидкости и т. д. ячеек, включая последнюю, разность концентраций жидкости на входе и выходе из соответствующей ячейки равна
•ш • 1*« х,
У0:
0
: Е
ш
Х2 • X! •
— • ш • -Е • Е
___У шУ
яЬ яЬ ^ ^ яЬ яЬ ^ ^
— • ш • -Е • шЕ — • ш • -Е • шЕ
У шУ У шУ
;(10
•ш • 1*: Х0
ш
Х8-1 Хз • 2
яЬ яЬ
— • ш • -Е • шЕ
У шУ
* яЬ яЬ
« — • ш • -Е • Е
« У шУ
(11)
У 2 шУ 2
где Е - эффективность массообмена; • - количество полностью перемешанной жидкости (степень перемешивания жидкости); х и у - соответственно концентрация легколетучего компонента в жидкости и паровой фазе. Индексы: g - противоток; к - перекрестный ток; 1, 2, 3 ... 5-1, 5 - номера секций.
В секционной модели тарелка представлена состоящей из 5 секций (ячеек) полного перемешивания [9, 10]. В секционной модели предполагается: постоянство расходов жидкости и пара для каждой ячейки; одинаковый состав пара на входе в каждую ячейку; линейный характер рав-
яЬ яЬ
— • ш • -Е • шЕ
У шУ
•ш • 1*« Х0
У0:
Е
ш
яЬ яЬ
— • ш • -Е • шЕ
У шУ
* яЬ яЬ
« — • ш • -Е • Е
« У шУ
я м
(12)
: яЬ яЬ
« — • ш • -Е • шЕ
• У шУ
Сложим левые и правые части уравнений (8), (10), (11) и (12)
0
я
1
&
)
1
0
&
я
г
к
Xs Xs М
V
зЬ mV
Е • Е
V
зЬ mV
Е • тЕ
Уо | .(13)
Из формулы (13) выводится отношение разности концентраций, аналогичное (6) и (7):
зЬ V
т'
зЬ mV
Е • Е
т
т'
зЬ
Е • тЕ
1.(14)
зЬ
V mV Приравняем поочередно правые и левые части формул (6), (7) и (14) и после преобразования получим
• ^ • 2«
г
1;
(15)
Е
Ь
V
mV
Е • Е
у'
зЬ mV
Е • тЕ
Ь
т • —
_V
т • 1
Е
Ь
V
1
(16)
т • 1
2 Е
2-
2 - • т • 1.(17)
зЬ
mV
Е • Е
Е • тЕ
т • 1
Е •
V
т • 1
1
• зЬ
• - «
•
• — •
• V т¥
Из формулы (15) следует неравенство степеней перемешивания жидкости при противотоке и перекрестном токе. Это обусловлено тем, что
при перекрестном токе предполагается некоторое
-
вии ее перемешивания [8]. Например, при • г = 0,5
• к = 0. В связи с этим, при прочих равных условиях •,, должно быть больше • /.-.
Выражениями (16) и (17) установлены искомые соотношения между степенью перемешивания жидкости и числом секций полного перемешивания. В частности, при наличии одной секции идеального перемешивания (5 = 1) на тарелке имеет место полное перемешивание жидкости (• = 1) и наблюдаются соотношения, характерные для прямоточного движения фаз, для которого отношение разности концентраций, аналогичное (6) и (7), имеет вид
•т-1'Е _>
о
Хп
Ул т
Ь V
т1
Ь
mV
Е • тЕ
висимости (16) и (17) неоднозначны, например, они включают коэффициент фазового равновесия т, который непосредственно на степень перемешивания жидкости не влияет. Вместе с тем в указанных уравнениях предусматривается увеличе-
-
нии коэффициента фазового равновесия.
Более однозначная зависимость • и 5 может быть определена, исходя из следующих соображений. На тарелке, включающей две, три или большее число секций, в состоянии идеального перемешивания находится все количество жидкости с различными концентрациями в отдельных секциях. Причем с увеличением числа секций ячеечная модель приближается к модели идеального вытеснения. Поэтому количество жидкости, определяющее степень перемешивания •, должно отражать не только состояние перемешивания, но и учитывать количество секций. Кроме того, состав жидкости, влияющий на величину •, должен соответствовать следующему условию: пар и жидкость, покидающие идеальную тарелку, находятся в равновесии. Этому условию для тарелки из двух секций отвечает половина жидкости, из трех секций - треть и т. д. Таким образом, при условии одинакового объема секций на тарелке степенью или интенсивностью • перемешивания может служить величина, обратная числу секций идеального перемешивания:
•• - (19)
з
С учетом соотношения (19) выражение (7) для перекрестного тока принимает вид
' х0 'т • \'Е
Уо_ т
Ь т • 1 Ь
Е • тЕ
т • 1
(20)
V 2 тУ 25
Использование (19) для противотока может привести к погрешностям вычислений. Более
-
кации соотношения (19)
1 • V
1 ', (21)
• •
г
что позволяет получить для противотока зависимость
0
*т • 1*Е
Уо_ т
ЬЬ
Е • т'1 • Е••
т
1
.(22)
где индекс п - прямоток.
При известных значениях • число секций 5 может быть найдено численными методами. Однако при известной величине 5 нахождение степени перемешивания жидкости затруднено, т. к за-
V т¥ з
Сравнение параметров, определенных по (14), (20) и (22) приведено на рисунке, который подтверждает приемлемое схождение сравниваемых величин. Близость кривых наблюдается во всем диапазоне эффективностей, чисел секций, т<3. I. У>2. Причем при 5=1 наблюдается полное
т
1
Х
Х
Х
о
о
т
т
Х
Х
о
г
т
1
т
к
совпадение 2Л, 2,, и что также следует из сравнения формул (6), (7) и (14) при • /.= 1. Схождение выражений (14), (20) и (22) возрастает при увеличении Ь/У и снижении величин /•.'. от и л.
-
мотоке (18) указывают нижнюю границу отношения 2, а при противотоке с идеальным вытеснением жидкости (' g = 0):
•m • 1*E
1«
I
(23)
E - mE
* х .Уо. к
0 т V т¥ его верхнюю границу, в пределах которых изме-
.
Совместное решение (2) и (19) позволяет получить связь между параметрами, характери-
-
сти на тарелке в комплексной модели с числом Пекле в диффузионной модели
• к--1-. (24)
к 0,5 Ре • 1
Подставляя значение • а из (24) в соответствующие формулы можно учитывать интенсивность перемешивания при использовании комплексной модели. С учетом этого, в проведенном анализе эффективности массообмена рассмотренных форм организации потоков приняты одинаковыми, а при противотоке и перекрестном токе различаются величинами, то можно допустить применимость зависимостей (19) и (24) также и .
O.ñ - —
О А
0.2
0.0
0 0,2 0.4 0,6 С-.З h
0.G
0.4
0.2
0,0
X V Л 2 □ 3 • 4 о 5
■10
15
■Э 2 4 6 3 f"
Рис. Зависимость отношения z от эффективности (а), числа секций (б), коэффициента фазового равновесия (е) и отношения Z/T' (г) при s = 10; т = 2; L/V= 4; Е = 0,5: 1 - секционная модель (zs); 2 - противоток с перемешиванием жидкости (zg*); 3 - перекрестный ток с перемешиванием жидкости (zt); 4 - прямоток (г„); 5 - противоток без перемешивания жидкости (zg") Fig. Dependence of ratio z on efficiency (a), numbers of sections (b), the coefficient of phase equilibrium (c) and the ratio of L/V(d) at s = 10; in = 2\L/V = 4; £'=0.5: 1 - sectional model (zs); 2 - counterflow with liquid mixing (zg"); 3 - cross flow with liquid mixing (zt*); 4
- forward flow (Zj,): 5 - counterflow without liquid mixing (zg")
-
чены соотношения, связывающие интенсивность перемешивания жидкости в комплексной модели массообмена с количеством секций идеального перемешивания жидкости на тарелке и числом Пекле. Удовлетворительная сходимость сравни-
ваемых величин иллюстрирована графически на рисунке в зависимости от всех четырех переменных, входящих в рассматриваемые зависимости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Murphree E.V. // Ind. Eng. Chem. 1925. V. 17. N 7. P. 747-750.
0
s
■ •
2. Hausen H. // Chem. Ing. Tech. 1953. Bd. 25. N 10. 6. S. 595-597.
3. Павлечко B.H.//ИФЖ. 2002. Т. 75. № 1. С. 112-116.
4. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая шко- 7. ла. 1972. 290 с. 8.
5. Kramers Н., Alberda G. // Chem. Eng. Sei. 1959. V. 2. 9. N4. P. 173-181.
10.
Сабитов C.C., Савельев НИ., Николаев H.A. 11 Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1978. Т. 21. Вып. 9. С. 1401-1402.
Павлечко В.Н. 11 ИФЖ. 2001. Т. 74. № 2. С. 38-42. Павлечко В.Н. // ИФЖ. 2001. Т. 74. № 3. С. 177-180. Sherwood T.K., Pigford R.I. Absorbtion and Extraction. N.Y. 1952.
Goutreaux M.F., Connell HE. // Chem. Eng. Progr. 1955. V. 51.N5.P. 232-237.
УДК 543.559
A.B. Бахтин1, M.A. Гольдштрах1, C.A. Завьялов2, Ю.И. Тарасов3, A.A. Ищенко1
ВЛИЯНИЕ АММИАКА НА РЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК
ФТАЛОЦИАНИНА СВИНЦА
^Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова, 2Физико-химический институт им. Л.Ю. Карпова, 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова) E-mail: [email protected]
Представлены результаты исследования сенсорных свойств фталоцианина свинца (II), (РЬРс), как одного из наиболее доступных веществ класса металлокомплексов фталоцианинов, по отношению к парам аммиака, контроль концентрации которых является чрезвычайно важным с точки зрения экологии. Для пленок РЬРс, нанесенных вакуумным испарением на встречно-штырьевую систему электродов на ситалловой подложке, найдены градуировочные кривые, показывающие наличие однозначной зависимости аналитического сигнала (проводимости) от концентрации аммиака. Исследованы возможные пути координации молекул воды и аммиака к молекуле РЬРс. Для этого проведен квантово-химический расчет геометрии возможных аддуктов присоединения воды и аммиака. Использован метод DFTи функционал B3IYP. Выполнена дополнительная проверка адекватности метода DFT для решения поставленной задачи и подбор базисов расчета путем сравнения полученных геометрических параметров равновесной структуры фталоцианина свинца (II) с данными кристаллографических исследований.
Ключевые слова: фталоцианины, фталоцианин свинца (II), химический сенсор, адсорбция аммиака, тонкие пленки фталоцианинов, электронная сканирующая микроскопия, сенсорный отклик, метод измерения проводимости, метод DFT, квантовохимические расчеты
ВВЕДЕНИЕ
-
щейся экологической обстановкой все большую актуальность приобретает проблема мониторинга окружающей среды, в частности контроль за состоянием атмосферы. Вследствие этого возникает необходимость в создании сенсоров, позволяющих определять токсиканты в широком интервале концентраций: как больших - в случае выбросов, утечек, так и малых, при контроле ПДК. Общим элементом таких устройств является наличие в их
структуре активного слоя, от свойств и состава которого зависят характеристики сенсора в целом. Как показано в ряде исследований (см., например, [1-5]) металлокомплексы порфиринов и фталоцианинов, позволяющие изменять газочувстви-
-
мешении центрального атома металла и заместителей в порфириновом цикле, являются перспективными соединениями для создания газовых сенсоров. Нами предпринято исследование сенсорных свойств фталоцианина свинца (II) (РЬРс), как одного из наиболее доступных веществ класса
