РОЗДІЛ 2
ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИКИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Теоретичні передумови використання методу вакуумування для інтенсифікації
процесів екстрагування
Експериментальне дослідження процесів розчинення в умовах вакуумування системи
показали, що досягається значний ступінь інтенсифікації цих процесів, зростання
коефіцієнтів масовіддачі у порівнянні з традиційними методами інтенсифікації
[71]. Це зростання коефіцієнтів в зводиться не лише до гідродинамічного
обтікання окремих частинок, але значний вплив має процес зародження, росту та
відриву парових бульбашок з поверхні твердих частинок. Це приводить до явища
обновлення поверхні, яка контактує з рідиною. У момент контакту рідини з
твердою поверхнею концентрація на поверхні твердої частинки не дорівнює
концентрації насичення, а дорівнює концентрації, яка є в об’ємі рідини. З
перебігом часу концентрація на поверхні зростає до концентрації насичення,
проходить формування дифузійного пограничного шару. У початковий момент часу
товщина цього шару прямує до нуля, а відповідно коефіцієнт масовіддачі в згідно
теорії масообмінних процесів прямує до безмежності [58]. Так, за цією теорією
коефіцієнт масовіддачі визначається
, (2.1)
де D – коефіцієнт молекулярної дифузії у рідині, м2/с.
Утворення бульбашок парової фази та їх відрив з поверхні призводить до
періодичного руйнування пограничного шару д і його нового формування. Виникають
нестаціонарні аспекти масообміну, згідно з якими [10]
, (2.2)
а коефіцієнт масовіддачі в відповідно пропорційний
. (2.3)
Таким чином, значну роль відіграє час формування та час руйнування
пограничного дифузійного шару.
Процес екстрагування являється процесом розчинення твердої субстанції, що
знаходиться у капілярах. Візуальне спостереження за явищем екстракції з
капілярів в умовах вакуумування показало, що всередині капілярів також
проходить зародження, ріст та відрив парових бульбашок, а отже можливі
нестаціонарні аспекти масообміну.
Можемо представити наступну картину, що виникає у капілярі. Якщо немає
пароутворення, то у капілярі на поверхні розчинення маємо концентрацію
насичення СS (рис.2.1), товщину пограничного шару у певний момент часу д1 і
концентрацію на виході з капіляру СП. Механізм перенесення маси є молекулярною
дифузією.
Рис.2.1. Розподіл концентрацій всередині капіляру при молекулярному перенесенні
маси
У випадку застосування вакууму, як методу інтенсифікації у просторі, де
знаходиться рідина виникає парова бульбашка, яка в процесі свого росту витісняє
рідину з капіляру і при певних розмірах відривається з поверхні капіляру та
виходить в об’єм рідини (рис.2.2).
Рис.2.2. Модель утворення бульбашки пари
На місце парової фази заходить свіжа рідина, з малою концентрацією компонента і
починається розчинення поверхні твердої фази. Що знаходиться у капілярі,
формування дифузійного пограничного шару (рис.2.3).
Рис.2.3. Профіль концентрацій речовини у різні моменти часу при нестаціонарному
процесі
На рис. 2.3 зображено профілі концентрації у рідині, що знаходиться в капілярі
в моменти часу ф1, ф2 …. ф n . У певний момент часу проходить знову зародження
парової фази і нестаціонарний процес продовжується. Згідно з залежністю (2.1)
можемо представити графічно зміну коефіцієнтів масовіддачі в в окремому
капілярі (рис. 2.4).
На рис.2.4 представлено як цикл формування пограничного шару, який триває фП,
так і час ізоляції поверхні твердої фази від рідини ф із., під час якого не
відбувається екстрагування твердої фази. Очевидно, сумарне значення
коефіцієнтів масовіддачі буде середнім для часу екстрагування та часу ізоляції,
та буде визначати інтенсивність всього процесу.
Рис.2.4. Модель зміни коефіцієнтів масовіддачі в при нестаціонарному процесі
(утворення та відрив бульбашки пари)
Як показують дослідження процесу розчинення, а також одержані нами результати,
які подаються у наступних розділах, фактор інтенсифікації значно перевищує
фактор ізоляції.
Представлена нами фізична модель процесу екстрагування в умовах вакуумування
пояснює особливості цього процесу і служить для математичного опису
досліджуваних явищ [36].
2.2. Характеристика об’єктів досліджень
Об’єктами досліджень на лабораторній установці були хлорид натрію, хлорид
калію, а інертною фазою - пемза, силікагель. Вибір цих речовин обумовлений
дифузійною природою їх розчинення, тобто кінетика розчинення визначається
гідродинамікою і не залежатиме від їх попередньої обробки, модифікації і
походження, а також їх різною розчинністю. Хлорид калію і хлорид натрію є
солями легкорозчинними з малим температурним коефіцієнтом розчинності.
Досліди проводились на взірцях, які мали різну геометричну форму. У розрахунках
як лінійний розмір частинок форми паралелепіпеда фігурував еквівалентний
діаметр, тобто діаметр сфери, яка має однаковий з досліджуваною частинкою
об’єм.
; ,
де VЧ - об’єм частинки;
VК – об’єм кулі.
, в тому випадку .
Діаметр знаходився із залежності:
, (2.4)
де а і в – сторони взірця форми паралелепіпеда.
Для виключення із розрахунку фактора форми були проведені досліди і на
одиночних частинках, які формою наближаються до кулеподібної.
Еквівалентний діаметр в цьому випадку рівний:
, (2.5)
де М – маса частинки, кг;
с – густина взірця, кг/м3.
Нижче наведені основні характеристики об’єктів дослідження процесу
екстрагування:
Хлорид натрію – NaCl, густина с = 2168 кг/м3, коефіцієнт дифузії D = 1,61*10-9
м2/с (t
- Киев+380960830922