РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Несмотря на имеющиеся в литературе ?50-59? определенный объем экспериментальных данных и ряд эмпирических отношений для расчета технологических и конструктивных параметров сатураторов, которые относятся к барботажным реакторам, представления о физической сущности происходящих в них процессов весьма ограничены. Разрыв между теорией и практикой остается еще очень большим. Поэтому целесообразно углублять и развивать теорию процесса сатурации, а в инженерных расчетах использовать доступные и достоверные модели процесса сатурации. Сложные характеристики гидродинамических потоков в сатураторе обусловлены присутствием в них газовых пузырей, их движением и повышенной вязкостью очищаемых соков. Очевидно, что явления, происходящие в сатураторе, сильно зависят от гидродинамики газовых пузырей и могут представляться в виде функции от скорости движения газовых пузырей. Определить скорость движения газовых пузырей, которые в реакторе образуют ансамбли довольно трудно в отличии от определения скорости всплывания одиночных пузырей в моделях малого размера и в неподвижной жидкой фазе. Поэтому масштабный переход от модели малого размера к промышленному реактору не корректен и не адекватен.
Учитывая изложенное выше, при выборе методик проведения исследований, базировались на исследовании процесса в промышленных сатураторах и/или укрупненных прозрачных моделях. В работе ?61? показано, что результаты исследований гидродинамики в модельном аппарате с диаметром не менее 0,6 м, позволяет осуществлять переход к промышленному варианту простым увеличением диаметра и высоты аппарата.
На рис. 2.1 представлена принципиальная схема стендовой установки (прозрачная модель диаметром 0,6 м), а на рис. 2.2 схема потоков на контактных устройствах. ?64?.
Рис. 2.1 Схема стендовой установки
1 - колонный аппарат; 2 - верхняя тарелка; 3 - нижняя тарелка; 4 - ротаметр; 5 - щит манометрический; 6 - воздуходувка; 7 - расходомер; 8 - напорная емкость; 9, 10, 11, 12 - регулирующие вентили.
В промышленном типовом сатураторе отсутствуют контактные элементы (тарелки) и установлено только газораспределительное устройство (циркуляционная труба). Поэтому исследования проводились как в колонне без контактных элементов, так и с вышеуказанными элементами.
Рис. 2.2 Схема потоков в контактных устройствах
На рис. 2.3 приведены схемы контактных элементов и газораспределительного устройства.
Рис. 2.3.1 Контактный элемент перекрестно-точного типа с прямыми отверстиями
1 - переливное устройство; 2 - отверстие для отвода сгущенной суспензии;
3 - отверстия тарелки; 4 - тарелка.
Рис. 2.3.2 Контактный элемент перекрестно-точного типа с наклонными отверстиями
1 - переливное устройство; 2 - отверстие для отвода сгущенной суспензии;
3 - отверстия тарелки; 4 - тарелка; - 400
Рис. 2.3.3 Распределительное устройство
1 - коллектор; 2 - перфорированные трубы.
В общем случае характеристики процессов, имеющих место в сатураторе, зависят от стехиометрии и кинетики собственно химических превращений, физико-химических свойств рабочих реагирующих систем, геометрии аппаратов и режимных условий проведения процессов. Три последних оказывают влияние на состояние турбулентности в сатураторе, с которой связаны удерживающая способность по газу, размеры газовых пузырей, коэффициенты продольного перемешивания. Эти, в свою очередь определяют удельную поверхность раздела фаз газ - жидкость, коэффициенты массо- и теплопереноса, а следовательно, и скорость переноса СО2 и образование химических соединений.
Стехиометрия, механизм и кинетика химических превращений также могут определяться тремя последними факторами, и поэтому их определение и расчет должны проводиться с учетом реальных условий в промышленном аппарате. Последнее особенно важно, если в аппарате (как, например, в сатураторе) протекает ряд последовательных реакций, имеющих различные механизмы и взаимовлияющие друг на друга.
Ниже, основываясь на вышеприведенные положения, изложены методики проведения экспериментальных исследований.
2.1. Исследование механизма и кинетики реакций, протекающих в процессе ІІ сатурации
Процесс сатурирования можно разбить на несколько последовательно протекающих процессов:
1) абсорбция диоксида углерода растворами сахарозы;
2) образование в реакторе, посредством реакции между Са(ОН)2 и СО2 карбоната кальция зародышеобразования СаСО3 и его кристаллизация;
3) адсорбция на поверхности частиц СаСО3 редуцирующих веществ и коллоидов, коагуляция частиц;
4) образование карбонатов натрия и калия с последующим взаимодействием с солями кальция органических кислот с образованием и кристаллизацией СаСО3;
5) повторная адсорбция веществ на поверхности СаСО3 и коагуляция частиц.
Все выше перечисленные процессы, которые протекают в колонне сатурации, взаимосвязаны и взаимно влияют друг на друга. Тем не менее, можно выделить в качестве основных процессов, которые оказывают определяющее влияние на процесс сатурации в целом, стадии 1, 2, 4. Характер протекания процессов на этих стадиях определяет: степень использования СО2, структуру СаСО3, а следовательно адсорбционную кинетику на поверхности СаСО3 и, кроме того, кинетику коагуляции и осаждения частиц в отстойнике.
Экспериментальный материал, который посвящен изучению этих процессов и опубликован в литературе, весьма ограничен и противоречив. ?13, 15?. Но, самое главное в литературе практически отсутствуют исследования по взаимному влиянию указанных процессов друг на друга и конструктивные особенности аппаратурного оформления процесса, а также исследование процессов в реальных условиях промышленного сатуратора.
В связи с этим, на стендовой установке рис. 2.1 были исследованы следующие вопросы:
- равновесие в системе сахароза - диоксид углерода - вода (1);
- исследования растворимости Са(ОН)2 и СаСО3 в растворах сахарозы (2);
- оптимальные условия образ