РОЗДІЛ 2
ОПИС МЕТОДИК ТА ОБ'ЄКТІВ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Теоретичні передумови застосування методу періодичного вакуумування для інтенсифікації процесів екстрагування
Періодичне вакуумування системи означає проведення процесу екстрагування в умовах послідовного чергування двох стадій [42-45]:
1) вакуумування системи, що супроводжується кипінням рідини та утворенням бульбашок парової фази як в основній масі рідини, так і всередині капілярів;
2) зовнішнього механічного перемішування в умовах підвищення тиску до атмосферного, завдяки якому відбувається схлопування бульбашок, що супроводжується кавітаційними ефектами, які істотно збільшують швидкість тепломасопереносу [115].
Розглянемо капіляр, в якому відбувається екстрагування твердої розчинної речовини. В умовах кипіння рідини ріст парової бульбашки викликатиме рух рідини, швидкість якої визначатиметься швидкістю росту парової бульбашки. Виникає два види руху рідини в капілярі. Підчас росту бульбашки пари в умовах кипіння під вакуумом (рис. 2.1б) відбувається переміщення її стінок в напрямах від бульбашки до рідини (показано стрілками) і відповідна дія на рідину. Рух рідини впливає на її шар, прилеглий до твердої поверхні, що розчиняється. На рис.2.1б показані можливі напрями руху. Бульбашка пари, що росте, витісняє рідину, яка, враховуючи її нестискуваність, переміщується біля твердої поверхні і впливає на пограничний дифузійний шар. При цьому відбувається витіснення насиченого твердою речовиною розчину в оточуючу капіляр рідину. Такий рух призводить до зростання зони конвективного масопереносу.
Швидкість росту парової бульбашки, яка знаходиться за рівнянням [60]:
(2.1),
де ? - коефіцієнт, який залежить від властивостей рідини та геометрії парової бульбашки;
a - коефіцієнт температуропровідності;
R - радіус парової бульбашки;
- число Якоба
Cp - теплоємність рідини при сталому тиску;
r - теплота пароутворення;
с'- густина рідини;
с" - густина парової фази.
З рівняння випливає, що максимальна швидкість руху рідини в капілярі відповідає умовам при R>0, тобто підчас зародження бульбашки. Подальше збільшення розмірів призводить до її виходу з капіляра. Час виходу парової бульбашки більший, ніж час її росту. Тому в умовах постійного кипіння рідини під вакуумом поверхня твердої частинки може частково екрануватись паровими бульбашками, що призводить до зменшення швидкості екстрагування [30,45].
Коли тиск в системі піднімається до атмосферного відбувається схлопування бульбашки парової фази. Підчас схлопування об'єм бульбашки різко зменшується, що призводить до виникнення області пониженого тиску і викликає рух рідини в капілярі. Даний процес відбувається за дуже короткий проміжок часу, протягом якого всередину капіляра потрапляє свіжа порція розчинника. В даних умовах вихід парової бульбашки з капіляра перестає бути необхідною умовою проникнення рідини. Таким чином з процесу
а) Cs
Cп
lд lк
l
б) Cs
Cп
lд lк
l
в) C s
Cп
lд lк
l
Рис. 2.1. Розподіл концентрацій цільового компонента для умов механічного перемішування (а), постійного вакуумування системи (б) та періодичного вакуумування системи (в).
виключається найповільніша стадія - вихід бульбашки, а також усуваються небажані ефекти закупорювання капіляра паровою бульбашкою.
Підчас схлопування відбувається рух стінок вглиб бульбашки, що також викликає рух нестискуваної рідини. В цьому випадку рідина рухається за поверхнею бульбашки, що призводить до виникнення розрідження і притоку
свіжої рідини з розчину, який оточує капіляр. В таких умовах розчинник проникає вглиб капіляра з більшою швидкістю, ніж підчас постійного кипіння рідини. Це повязане з тим, що швидкість руху рідини внаслідок схлопування буде близькою до швидкості росту парової бульбашки, яка в свою чергу є більшою за швидкість виходу бульбашки з капіляра. Далі в капілярі внаслідок швидкого проникнення розчинника відбувається різке скорочення товщини зони дифузійного переносу і виникнення високих градієнтів концентрацій. Все це призводить до швидкого розчинення компоненту. Подальше кипіння розчинника під вакуумом сприяє виходу з капіляра концентрованого розчину речовини. Таким чином, в умовах періодичного кипіння розчинника під вакуумом, завдяки виникненню інтенсивного руху рідини в капілярі, глибина зони конвективного переносу буде зростати, що значно інтенсифікуватиме процес екстрагування[43-46].
Розглянуті вище явища дозволяють вважати, що ефект інтенсифікації при схлопуванні бульбашки парової фази буде значно більшим, ніж при кипінні екстрагента під ваку