Процессы и противоточные конвективно-массообменные аппараты для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе "тонкодисперсное твердое тело – жидкость"

Размещено на http://www.allbest.ru

1

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ПРОЦЕССЫ И ПРОТИВОТОЧНЫЕ КОНВЕКТИВНО-МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ФАЗОСЕЛЕКТИВНОЙ СОРБЦИИ, ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ В СИСТЕМЕ «ТОНКОДИСПЕРСНОЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ»

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Алиев Мурад Ризванович

Краснодар 2009

Работа выполнена в Дагестанском научно-исследовательском институте пищевой промышленности

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович

доктор технических наук, профессор Дворецкий Станислав Иванович

доктор технических наук, профессор Данилин Серафим Владимирович

Ведущая организация:

ГУ Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности РАСХН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Отзыв на реферат, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская, 2, КубГТУ, Ученому секретарю.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук М.В. Жарко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных технологиях производства пищевых продуктов и напитков значительное место занимают процессы физической, химической, физико-химической и биологической обработок. От их эффективности зависят качество, товарный вид, конкурентоспособность и остаточные количества вредных компонентов в конечной продукции.

Процессы сорбции (адсорбционные, ионообменные), экстрагирования (десорбции) и тепловой обработки являются основой технологий обработки и стабилизации многих пищевых жидкостей, в том числе воды, сусла, соков, сиропов, вин, шампанского, коньяков, водок, пива, молока и других напитков для кондиционирования их состава, вкуса, цвета и аромата, придания им стойкости к коллоидным, кристаллическим и биологическим помутнениям, а также для повышения пищевой и экологической безопасности.

Технологические процессы в системе «твердое тело - жидкость» проводятся двумя основными способами: статическим, когда взаимодействие твердых частиц происходит одновременно со всем объемом раствора; и динамическим, который осуществляется в колонке путем фильтрования исходного раствора или экстрагента через слой сорбента или экстрагируемого материала.

Широко используемый на практике статический способ включает приготовление суспензии сорбентов (экстрагируемого материала), подачу ее в реактор, перемешивание в реакторе, длительный отстой, декантацию с осадка, фильтрацию, удаление осадка и очистку реактора. Перемешивание в реакторе проводят до достижения равновесного распределения сорбируемого (извлекаемого) компонента между жидкой и твердой фазами. При кажущейся простоте статический способ - многооперационный и малоинтенсивный. Для него характерны: малая концентрация твердой фазы объеме зоны контакта, низкая величина поверхности контакта фаз в единице объема, большое расстояние между частицами в объеме, большой внешнедиффузионный путь переноса компонента в жидкости между частицами, а также малая интенсивность и эффективность перемешивания - малый удельный объемный расход мощности на перемешивание. Все это является причиной низкой удельной объемной производительности оборудования по сорбируемому (экстрагируемому) компоненту. Следствием является громоздкость линии обработки и малоуправляемость процесса.

Положительным свойством статического способа является возможность применения сорбентов и экстрагируемого материала с малыми размерами d_r частиц, следовательно, с большой удельной поверхностью. При этом внутридиффузионный путь переноса компонента в частице мал и мало характерное время внутреннего переноса. Однако, в статическом процессе затруднены операции отделения частиц сорбента (экстрагируемого материала). Время контактирования и отстаивания сорбента в емкостях достигает - до 10 суток. тонкодисперсный сорбент жидкость экстрагент

Во втором, известном динамическом процессе обрабатываемая жидкость (экстрагент) фильтруется через насыпной слой сорбента (экстрагируемого материала) в колонке. Концентрация твердой фазы и поверхность контакта фаз в единице объема здесь выше и способ удобен для регенерации и повторного использования сорбента. Однако размер частиц сорбента (экстрагируемого материала) не может быть слишком мал, и невозможно использовать тонкодисперсную твердую фазу. Ограничена и является низкой скорость фильтрации жидкости через слой. Таким образом, здесь затруднен внешний конвективный перенос компонента в жидкости между частицами сорбента, а время внутреннего переносу компонента в частицах является высоким и часто лимитирует процесс. Кроме того, обязателен контроль и предварительная очистка жидкости от дисперсных частиц (гущи, дрожжей, и др.), при наличии которых быстро забивается колонка и блокируется процесс. По этим причинам динамический способ не находит при обработке пищевых жидкостей столь широкого применения как статический.

Известны схемы с движущимся зернистым адсорбентом, а также со стационарным или циркулирующим псевдоожиженным слоем адсорбента. Скорость движения обрабатываемой жидкости в этих схемах ограничивается скоростью осаждения частиц сорбента в данной среде, которая пропорциональна разности плотностей сорбента и жидкости и квадрату эквивалентного диаметра частиц d_r². Поэтому указанные схемы применяются в основном для крупнодисперсных систем и систем «твердое тело - газ».

Таким образом, далеко не все способы подходят для проведения процесса в системе «тонкодисперсное твердое тело - жидкость».

Основная проблема, возникающая при использовании тонкодисперсных материалов, - это отделение их от обработанной жидкости и уплотнение. Ни один метод осветления от тонкодисперсных взвесей не дает таких высоких и неизменных результатов, как фильтрование. Необходимость этой стадии практически в любом варианте использования тонкодисперсных сорбентов (экстрагируемого материала) привела к созданию намывных фильтров, которые имеют практически все недостатки динамического способа, перечисленные выше. Для всех аппаратов типа намывного фильтра присущи трудоемкие операции сборки фильтра, намывки слоя сорбента, разборки фильтра и его очистки или замены фильтрующих элементов или мембран.

Наиболее эффективным способом интенсификации технологических процессов сорбции и экстрагирования в системах «твердое тело - жидкость» помимо тонкого диспергирования твердой фазы является обеспечение ее противоточного взаимодействия с другой сплошной фазой. Однако, оба эти условия могут достаточно эффективно выполняться только в сложных и громоздких установках многооперационного непрерывного многоступенчатого смешения - разделения фаз.

Поэтому часто на практике используется более простая одноступенчатая линия смешения - декантации фаз. Но осуществляемая в такой линии одна ступень прямоточного взаимодействие фаз дает низкую степень извлечения целевого компонента, что оказывается часто недостаточным. И это при том, что требуется почти полное последующее разделение фаз тонкодисперсной системы для уменьшения потерь компонента. А отвечающие этому условию применяемые в качестве декантаторов фильтры и центрифуги, как правило, сложны по конструкции, а отстойники - громоздки и неэффективны.

Кроме того, линии смешения-декантации, также как статический и динамический способы, принципиально не позволяют проводить фазоселективную обработку суспензий, т.е. обработку жидкой фазы без перемешивания твердой фазы суспензии с частицами сорбента. Такая обработка актуальна в ряде случаев, когда сорбент требуется сохранить в «чистом» виде для регенерации, а также, когда твердая фаза обрабатываемой суспензии блокирует процесс сорбции, а предварительное разделение суспензии либо ненужно (например, для соков с мякотью и т.п.), либо неоправданно (например, для осадков, сточных вод и т.п.).

Для тепловой обработки, в частности, для нагрева (охлаждения) таких дисперсных сред, как биосуспензии, обычно используются сложные аппараты - нагреватели с очищаемой поверхностью теплообмена. В современных технологиях, однако, целесообразна раздельная обработка фаз дисперсного потока при оптимальных для каждой из них условиях. Как известно, технологическая схема такой обработки включает минимум четыре операции: разделение фаз дисперсного потока, нагрев одной из фаз, например, сплошной жидкой фазы, транспортировка твердой фазы и смешение ее с нагретой жидкой фазой. Очевидна громоздкость и неэффективность такой схемы.

Цель исследования. Научное обоснование и разработка процессов для фазоселективной сорбции в системе «тонкодисперсный сорбент - жидкость», экстрагирования в системе «тонкодисперсный материал - экстрагент» и фазоселективной тепловой обработки гетерогенных сред, выявление закономерностей и создание оборудования для их малооперационного проведения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка способов фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе “тонкодисперсное твердое тело - жидкость”;

- разработка фазоселективного процесса процессах сорбции в системе “тонкодисперсный сорбент - жидкость” в модуле и в линии «реактор - конвективно-массотеплообменный аппарат»;

- разработка фазоселективного процесса экстрагирования в линии «реактор - конвективно-массотеплообменный аппарат»;

- разработка фазоселективных процессов тепловой обработки сплошной и дисперсной фаз суспензии в модулях «реактор - конвективно-массотеплообменный аппарат»;

- разработка противоточного конвективно-массотеплообменного аппарата в вариантах исполнения;

- экспериментальное и теоретическое исследование течения жидкости в длинных смежных проницаемых каналах при противоточной и прямоточной схемам (П- и Z-схемах);

- экспериментальное и теоретическое исследование конвективного массотеплообмена в конвективно-массотеплообменном аппарате с учетом массотеплообмена между сплошной и дисперсной фазами потоков;

- разработка методики расчета конвективно-массотеплообменного аппарата;

- разработка методики расчета модулей и линий «реактор - конвективно-массотеплообменныйо аппарат» для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе “тонкодисперсное твердое тело - жидкость”.

Научная концепция работы. Основой создания ряда новых ресурсосберегающих процессов и конкурентоспособной аппаратуры для систем «тонкодисперсная твердая фаза - жидкость» является научно обоснованное применение метода взаимодействия потоков концентрированной суспензии тонкодисперсных твердых частиц и обрабатываемой жидкости (суспензии), разделенных проницаемой для жидкой фазы перегородкой, при интенсивном конвективном массообмене между потоками взамен традиционного проведения непосредственного взаимодействия твердых частиц и жидкости. Малооперационная реализация такого взаимодействия в одном массообменном аппарате позволяет создавать эффективные фазоселективные процессы сорбции, экстрагирования и тепловой обработки.

Фазоселективность этих процессов заключается в следующем. В процессе сорбционной обработки потоки обрабатываемой суспензии (жидкости) и суспензии сорбента обмениваются только жидкими фазами, т.е. обработке сорбентом подвергается селективно только жидкая фаза исходного потока. Аналогично в процессе экстрагирования в поток экстрагента попадает только жидкая фаза суспендированного экстрагируемого материала. В процессах тепловой обработки появляется возможность проводить селективную тепловую обработку жидкой фазы и селективную тепловую обработку твердой фазы исходной суспензии.

Изложенная концепция открывает научное направление - создание малооперационных фазоселективных технологических процессов в системе «тонкодисперсное твердое тело - жидкость» и нового класса аппаратов типа КМОА. Данный класс аппаратов занимает промежуточное положение между фильтрами и традиционными противоточными массообменными аппаратами для систем «дисперсная фаза - жидкость» (аппаратами с движущимся или взвешенным слоем, насыпным неподвижным слоем и т.п.).

Методология исследований базируется на применении математического и физического моделирования для решения поставленных задач, внедрении в производство ресурсосберегающих процессов и конкурентоспособной промышленной аппаратуры, защищенными охранными документами.

Научная новизна работы. Предложен противоточный конвективно-массообменный аппарат (КМОА) в двухканальном и трехканальном вариантах исполнения для проведения фазоселективных процессов сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в технологически значимой системе «тонкодисперсный материал - жидкость».

Научно обоснованы предложенные способы и аппаратурные модули «реактор - конвективно-массообменный аппарат» для проведения сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе «тонкодисперсный материал - жидкость».

Развиты научные представления о течении потоков в двух и трех смежных каналах с проницаемыми стенками.

Получены продольные распределения скоростей, давлений, порозностей и концентраций для течения жидкостей и суспензий в системе двух и трех смежных каналов с проницаемыми стенками.

Установлено, что в системе трех смежных каналов распределения скоростей фильтрации и давлений вдоль каналов более равномерны, чем в системе двух каналов.

На основании экспериментальных исследований и разработанной математической модели, учитывающей течение потоков в смежных каналах при наличии поперечного перетока через разделяющую их проницаемую перегородку, научно обоснована эффективность конвективно-массообменного аппарата.

Развиты представления о физической картине процессов массо- и теплообмена в конвективно-массообменном аппарате с использованием разработанной математической модели, учитывающей массо- и теплообмен между сплошной и дисперсной фазами потоков, приведена методика расчета КМОА.

Обнаружено, что эффективность конвективного массопереноса между потоками в смежных проницаемых каналах тем больше, чем больше продольный градиент скорости фильтрации и меньше отношение объема проницаемой перегородки к объему пульса.

Установлено, что при течении жидкости в смежных проницаемых каналах продольный градиент скорости фильтрации возрастает при увеличении входного числа Рейнольдса, уменьшении безразмерного эффективного сопротивления проницаемой перегородки и увеличении отношения длины канала к его эквивалентному диаметру.

Установлено, что на процесс массообмена в КМОА влияют порозность дисперсных сред, константа межфазного равновесия, отношение G₂₁=g₂/g₁ объемных расходов потоков в каналах КМОА, отношение T_RK=t_R1/t_K1 времени t_R1 пребывания потока в первом канале КМОА к характерному времени t_K1 конвективного массообмена между каналами, отношение T₀=t_R2/t₂ времени t_R2 пребывания потока во втором канале КМОА к характерному времени t₂ межфазной массоотдачи. Показано, что эффективность КМОА тем больше, чем больше значения величин T_RK и T₀.

Разработаны математические модели, включая математические модели подсистем следующих новых технических решений:

- модуль «реактор - конвективно-массообменный аппарат» для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки;

- линия «реактор - конвективно-массообменный аппарат» для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки.

Определено, что в сорбционном модуле «реактор - КМОА» при заданной степени очистки жидкости от компонента, больший объем жидкости можно обработать при больших значениях степени массообмена, при меньших значениях порозности суспензии, при меньших значениях степени в изотерме (по Фрейндлиху), при меньших значениях коэффициента распределения и при больших значениях времени пребывания в реакторе.

Установлено, что процессы сорбции и экстрагирования в линии «реактор - КМОА» обладает широким диапазоном режимов, при которых они более эффективны чем в известной линии «реактор - декантатор».

Практическая значимость работы:

- разработаны технологические схемы фазоселективной сорбции в модуле и линии реактор-массообменник и конструкции противоточного конвективно-массообменного аппарата, обеспечивающие повышение эффективности сорбции в системе “тонкодисперсный сорбент - жидкость” (Пат. № 2298425);

- разработана технологическая схема линии реактор-массообменник для процесса экстрагирования тонкодисперсного материала, который обладает широким диапазоном режимов, при которых он более эффективен, чем в известной линии «реактор - декантатор» (Пат. № 2344866);

- разработана технологическая схема модуля реактор-массообменник для малооперационного процесса фазоселективной тепловой обработки сплошной и дисперсной фаз суспензии;

- разработанные противоточный конвективно-массообменный аппарат и модуль внедрены в производство (ПАО “Дагагровинпром”) для сорбции красящих веществ из виноматериала активным углем;

- разработанный противоточный конвективно-массообменный аппарат внедрен в производство (ПАО “Дагагровинпром”) для извлечения виннокислых соединений из дрожжевой барды, для извлечения концентрата из замороженной пульпы винопродукта, для извлечения сусла и виноматериала из гущевых осадков виноделия. Общий экономический эффект составил 77000 руб. (в ценах 1999 года);

- разработанные процесс и аппаратурный модуль «реактор - КМОА» для сорбционного извлечения полифенолов из пива нерастворимым ПВПП испытан и принят к использованию на ООО Махачкалинский пивоваренный завод «Порт-Петровск».

Достоверность и надежность результатов. Достоверность полученных экспериментальных данных по измерениям распределений давлений в каналах КМОА, концентраций растворенного компонента и других показателей в процессе массообмена обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов.

Достоверность теоретических результатов гарантируется применением современных методов математического моделирования, базирующихся на общих законах сохранения, использованием теории подобия, полученных аналитических и численных методов решения, обоснованностью используемых допущений.

Достоверность полученных результатов подтверждается путем сравнения полученных теоретических результатов с данными экспериментов и промышленными испытаниями.

Апробация работы. Результаты работы докладывались (с опубликованием тезисов) на 13 научных конференциях.

Диссертационная работа связана с научными исследованиями ДагНИИПП по госбюджетным темам «Разработка технологии производства вин с сопряжением процессов обработки дисперсными материалами и фильтрации», «Разработка малооперационного адсорбционно-фильтрационного процесса для модульной установки обработки и стабилизации вин», по Подпрограмме Государственной научно-технической программы России «Принципы и методы создания технологий химических веществ и материалов» по теме «Новый принцип создания малооперационных процессов и технологий для систем “твердая тонкодисперсная фаза - жидкость”» и по гранту Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) №05-08-18238 «Исследование и разработка интенсивного малооперационного энерго- ресурсосберегающего противоточного процесса сорбционной обработки жидкости или пульпы тонкодисперсным сорбентом».

Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 64 работы, из них 1 монография, 46 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, 15 тезисов докладов на конференциях и получено 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, списка литературы, насчитывающего 322 ссылки и трех приложений. Работа изложена на 322 страницах машинописного текста, включая 103 рисунка и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель. Сообщаются основные направления исследований и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ особенностей процессов сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе «тонкодисперсная твердая фаза - жидкость».

Показано, что аппаратурно-технологическое оформление сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе «тонкодисперсная твердая фаза - жидкость» при использовании кинетически наиболее выгодных тонкодисперсных частиц отличается сложностью, многооперационностью, трудоемкостью и предполагает большую длительность процесса. В связи с этим важное значение имеет интенсификация указанных процессов и создание эффективной аппаратуры. Одним из путей интенсификации является разработка фазоселективных процессов в модулях с противоточными конвективно-массообменными аппаратами.

Дан обзор литературных данных по гидравлике проницаемых каналов. Сделан вывод, что теоретический и, особенно, экспериментальный материал по гидравлике длинных (l/d_э > 100) одиночных и смежных каналов с проницаемыми стенками ограничен и исследование таких систем является актуальной задачей. По рассмотренным литературным данным отмечено, что суспензии тонкодисперсных жестких частиц в ньютоновских жидкостях с концентрациями твердой фазы до 0.1 м³/м³ проявляют ньютоновские свойства. Рассмотрены закономерности фильтрации промышленных суспензий и уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи.

По результатам анализа литературных данных определены цель и задачи исследований.

Во второй главе предложены основные аппаратурные схемы и дано описание разрабатываемых фазоселективных процессов и аппаратов для сорбции (адсорбции, ионообмена), экстрагирования и тепловой обработки компонентов пульпообразных и жидких продуктов.

Основой создания ряда новых ресурсосберегающих процессов и конкурентоспособной аппаратуры для систем «тонкодисперсная твердая фаза - жидкость» является научно обоснованное применение взамен традиционного проведения непосредственного взаимодействия твердых частиц и жидкости, предложенного метода взаимодействия потоков концентрированной суспензии тонкодисперсных твердых частиц и обрабатываемой жидкости (суспензии), разделенных проницаемой для жидкой фазы перегородкой, при интенсивном конвективном массообмене между потоками. Малооперационная реализация такого взаимодействия в одном, предложенном в работе, конвективно-массообменном аппарате (КМОА) позволяет создавать ряд эффективных фазоселективных процессов сорбции, экстрагирования и тепловой обработки.

Работу КМОА поясним на примере процесса сорбции (рисунок 1).

Обрабатываемая жидкость с концентрацией растворенного компонента c_1вх подается в канал 1 через клапан 4 (рисунок 1). Суспензия сорбента с концентрациями компонента в твердой и жидкой фазах a_2вх и c_2вх подается в канал 2 через клапан 6. Работа массообменника состоит из чередующихся друг за другом во времени двух тактов длительностью t_т, определяемых положениями клапанов 4 - 7. В первом такте клапаны 4 и 7 открыты, а клапаны 5 и 6 - закрыты. При этом поток с концентрацией компонента c₁(0, t) = c_1вх подается через клапан 4 в канал 1, фильтруется через проницаемую перегородку 3, создавая поток в канале 2, который с концентрацией c₂(0, t) = c_2вых отводится через открытый клапан 7. Во втором такте клапаны 4 и 7 закрыты, а клапаны 5 и 6 открыты. При этом поток с концентрацией c₂(l, t) = c_2вх, где l - длина канала, подается через клапан 6 в канал 2, фильтруется через перегородку 3, создавая поток в канале 1, который с концентрацией c₁(l, t) = c_1вых отводится через открытый клапан 5. В результате многократного конвективного массообмена между каналами концентрация c_2вых приближается к c_1вх, а c_1вых - к c_2вх.

Как видно из приведенного принципа работы массообменника, клапаны 4 и 6 попеременно перекрывают потоки обрабатываемой жидкости и суспензии сорбента. Поэтому, для полного использования номинальной производительности насосов и обеспечения стабильной работы двухканальный массообменник рекомендуется выполнять в виде двух подключенных параллельно по потокам массообменных секций М и М' (рис. 1) с клапанами, установленными на патрубках подвода и отвода потоков каждой секции. Клапаны 4 - 7 секции М и клапаны 4' - 7' секции М' должны работать в противофазе.

Необходимость во второй секции исключает трехканальное исполнение КМОА (рисунок 2). Обрабатываемая среда (в частном случае жидкость) с концентрацией компонента c_1вх подается насосом 11 в каналы 1 и 2 попеременно через клапаны 8 и 9 (рис. 2). Суспензия сорбента с концентрациями компонента в твердой и жидкой фазах a_3вх и c_3вх подается насосом 12 в канал 3. Работа массообменника состоит из чередующихся друг за другом во времени двух тактов длительностью t_т, определяемых положениями клапанов 6 - 9. В первом такте клапаны 7 и 8 открыты, а клапаны 6 и 9 - закрыты. При этом поток с концентрацией компонента c_1вх подается через клапан 8 в канал 1, фильтруется через проницаемую перегородку 4, «проходит» сквозь поток в канале 3, фильтруется через проницаемую перегородку 5, создавая поток в канале 2, который с концентрацией c_1вых отводится через открытый клапан 7. Во втором такте клапаны 7 и 8 закрыты, а клапаны 6 и 9 открыты. При этом поток с концентрацией c_1вх подается через клапан 9 в канал 2, фильтруется через перегородку 5, «проходит» сквозь поток в канале 3, фильтруется через проницаемую перегородку 4, создавая поток в канале 1, который с концентрациями c_1вых отводится через открытый клапан 6. Аналогично двухканальному аппарату, здесь также в результате многократного конвективного массообмена между каналами концентрация c_1вых приближается к c_3вх, а c_3вых - к c_1вх.

Отметим принципиально важное свойство предложенного КМОА. Направление фильтрационных потоков на проницаемых перегородках каждый такт меняется на противоположное, причем длительности тактов одинаковые. Поэтому на перегородках не накапливается слой осадка и они постоянно регенерируются в рабочем режиме.

Для процесса сорбции в системе «тонкодисперсный сорбент - жидкость» предложен модуль «реактор - противоточный конвективно-массообменный аппарат (КМОА)». Схема модуля с двухканальным КМОА приведена на рисунке 1.

В реакторе “Р” приготавливается концентрированная суспензия сорбента в части обрабатываемой жидкости. Исходная обрабатываемая жидкость с концентрацией компонента c₀ подается в канал 1 массообменника “М” через клапан 4, а суспензия сорбента с концентрациями компонента в твердой и жидкой фазах a_вых и c_вых выходит из реактора “Р” и подается противотоком в смежный канал 2 через клапан 6. С помощью пульсационной системы, включающей управляемые устройством 8 клапаны 4 - 7, создаются знакопеременные перепады давления между каналами, вследствие чего при движении потоков в массообменнике они многократно обмениваются порциями жидкой фазы, не смешиваясь своими дисперсными фазами. При этом в результате конвективного массообмена компонент из потока обрабатываемой жидкости канала 1 переходит в поток суспензии сорбента канала 2. Обогащенная компонентом суспензия сорбента с концентрациями компонента в твердой и жидкой фазах a_вх и c_вх из канала 2 массообменника через клапан 7 направляется на вход реактора, в котором компонент из жидкой фазы суспензии сорбируется на частицах сорбента. Из реактора выходит и рециркулирует в канал 2 массообменника суспензия сорбента с очищенной от компонента жидкой фазой концентрации c_вых. В результате противоточного массообмена в массообменнике обработанная жидкость с конечной концентрацией c_кон, близкой к c_вых, отводится из канала 1 массообменника через клапан 5.

Аналогично работает модуль с трехканальным КМОА (рисунок 2). Отличительной особенностью данного модуля является то, что ввиду особенности трехканального противоточного конвективно-массообменного аппарата, в котором соотношение объемных расходов рециркулируемой в контуре суспензии сорбента и исходной обрабатываемой среды не влияет на сгущение или разбавление суспензии, их величины могут варьироваться независимо друг от друга.

Рисунок 1 - Схема модуля реактор - КМОА для сорбции в системе «тонкодисперсный сорбент - жидкость». Р - реактор; М, М' - параллельные секции массообменника; 1, 2, 1', 2' - первые и вторые каналы секций М и М'; 3, 3' - проницаемые перегородки; 4 - 7, 4' - 7' - управляемые клапаны; 8 - устройство управления клапанами; 9, 10 - насосы

Предложенный процесс значительно расширяет пределы технологически важных параметров взаимодействия частиц сорбента с потоком обрабатываемой среды.

По сравнению со статическим способом сорбции в реакторах смешения, в предлагаемом процессе при сохранении возможности использования тонкодисперсных сорбентов значительно выше удельная производительность единицы объема оборудования. Данное преимущество является следствием того, что контактирование обрабатываемой жидкости с сорбентом проводится при высокой концентрации сорбента в относительно небольшом реакторе с высоким расходом мощности перемешивания на единицу объема суспензии.

По сравнению с динамическим способом сорбции в колонных аппаратах в предлагаемом процессе снимаются ограничения по минимально допустимому размеру частиц, разности плотностей твердой и жидкой фаз. Кроме того, отсутствует характерное для аппаратов с насыпным слоем взаимное блокирование поверхности частиц из-за их соприкосновения и необходимость предварительной фильтрации обрабатываемой жидкости для предотвращения засорения слоя сорбента.

Рисунок 2 - Схема модуля реактор - трехканальный массообменник для сорбции в системе "тонкодисперсный сорбент - жидкость". М - массообменник; Р-реактор; 1,2,3 - первый, второй и третий каналы массообменника; 4,5-проницаемые перегородки; 6-9-управляемые клапаны; 10-устройство управления клапанами; 11-13-насосы

Сорбция в модуле реактор - массообменник совмещает в себе высокую подвижность, текучесть и интенсивный контакт перемешиваемого суспендированного тонкодисперсного сорбента с жидкостью по статическому способу с большой концентрацией сорбента в единице объема, эффективным подводом и отделением жидкости от сорбента, характерными для динамического способа. Преимущества известных способов сохраняются, их недостатки нивелируются.

Существенным отличием предлагаемого модуля от известных установок, включающих контур циркуляции суспензии сорбента с отводом обработанной жидкости через проницаемую стенку, является то, что ввод в контур свежей обрабатываемой жидкости и отвод из контура обработанной жидкости совмещены в одном оригинальном аппарате - противоточном конвективно-массообменном аппарате. Причем ввиду особенности принципа работы массообменника возможно проводить фазоселективную сорбционную обработку, т.е. обработку только жидкой фазы пульпообразных продуктов без смешивания их твердых фаз с частицами используемого сорбента.

В случае, когда время пребывания обрабатываемой среды в КМОА достаточно для ее взаимодействия с частицами сорбента, на выходе из КМОА сорбент является насыщенным, т.е. приближенно находится в равновесии с исходной обрабатываемой средой. В этом случае нет необходимости рециркулировать суспензию сорбента в замкнутом контуре.

В предложенной линии обрабатываемая текучая среда подается в один из каналов КМОА (рисунок 3), а концентрированная суспензия сорбента - в другой. Здесь КМОА также может быть в двухканальном и трехканальном исполнении. На рисунке 3 приведен двухканальный вариант. В результате конвективного противоточного массообмена потоков обрабатываемой текучей среды и суспензии сорбента в КМОА содержащийся в жидкой фазе сорбируемый компонент переходит вместе с порциями жидкой фазы из первого во второй канал, где сорбируется на сорбенте.

Из выхода первого канала КМОА отводится обработанная текучая среда, обедненная сорбируемым компонентом. Часть жидкой фазы обработанной текучей среды с расходом L₂ (м³/с) направляется в реактор-смеситель для приготовления суспензии «свежего» сорбента. Расход L₂ устанавливается из условия получения максимальной концентрации сорбента в приготавливаемой суспензии, но достаточной для транспортировки ее по трубопроводам и движения в КМОА. Концентрированная суспензия «отработанного» сорбента, насыщенного компонентом отводится с выхода второго канала КМОА.

Рисунок 3 - Схема линии «реактор - КМОА» для фазоселективных процессов непрерывной сорбции и экстрагирования

Приведенная на рисунке 3 схема может быть использована также для экстрагирования в системе «дисперсия-жидкость».

Содержащая целевой компонент исходная дисперсия твердого материала смешивают в Реакторе (рисунок 3) с рециркулируемой частью экстракта с образованием текучей пульпы и подают в конвективный противоточный конвективно-массообменный аппарат (КМОА) со смежными каналами, разделенными проницаемой для сплошной и непроницаемой для частиц дисперсной фазы перегородкой. Противотоком к пульпе в другой канал подают экстрагент и создают между каналами знакопеременные перепады давления. За время пребывания потоков в КМОА осуществляется многократный обмен порциями сплошной жидкой фазы между каналами, результатом которого является непрерывный противоточный конвективный массообмен между потоками пульпы и экстрагента, между частицами дисперсной фазы движущейся в одном канале пульпы и сплошной фазой экстрагента, движущегося противотоком в другом канале. Из каналов массообменного аппарата непрерывно выводятся потоки экстрагированной пульпы и экстракта. Часть получаемого экстракта возвращают на смешение с исходной дисперсией.

Как и в случае сорбции, КМОА также может быть в двухканальном и трехканальном исполнении.

Относительная скорость противотока дисперсной и сплошной фаз в таком процессе, в отличие от известных способов контакта фаз, не ограничивается ни разностью плотностей фаз, ни размерами частиц дисперсной фазы. И таким образом можно вести процесс при высокой скорости противотока фаз (большей, чем скорость осаждения частиц в сплошной фазе) и кинетически выгодных малых размерах частиц дисперсной фазы. При этом уходящие частицы дисперсного материала находятся в контакте со свежим поступающим на линию экстрагентом и потому являются более исчерпанными по целевому компоненту.

Для проведения процесса селективного нагрева сплошной фазы дисперсной среды предложен непрерывный способ, согласно которому операции разделения дисперсной среды на фазы, транспортировки дисперсной фазы и ее смешения с нагретой сплошной фазой совмещаются в одном аппарате - КМОА. Указанный способ может быть осуществлен в модуле (рисунок 4), включающем соединенные в контуре с циркуляционным насосом нагреватель (Н) и КМОА (М).

Для проведения селективного нагрева твердой фазы дисперсной среды предложен непрерывный способ, согласно которому также операции разделения дисперсной среды на фазы, транспортировки дисперсной фазы и ее смешения со сплошной фазой осуществляются в противоточном конвективно-массообменном аппарате. Указанный способ может быть осуществлен в модуле (рисунок 5), включающем соединенные в контуре с циркуляционным насосом нагреватель Н и конвективно-массообменный аппарат М.

Рисунок 4 - Схема модуля «нагреватель - массообменник» для непрерывного селективного нагрева сплошной фазы дисперсной среды. М - массообменник: 1 и 2 - каналы массообменника, 3 - проницаемая перегородка, 4-7 - клапаны. Н - нагреватель: 8 - пространство нагреваемой сплошной фазы, 9 - пространство теплоносителя, 10 - непроницаемая перегородка	Рисунок 5 - Схема модуля «нагреватель - массообменный аппарат» для непрерывного селективного нагрева твердой фазы дисперсной среды. М - КМОА: 1 и 2 - каналы КМОА; 3 - проницаемая перегородка; 4-7 - клапаны. Н - нагреватель: 8 - пространство нагреваемой дисперсной среды; 9 - пространство теплоносителя; 10 - непроницаемая перегородка; 11 и 12 - вход и выход теплоносителя

Преимущество данного модуля заключается в том, что для нагрева дисперсной фазы не требуется нагревать всю массу дисперсной среды вместе со сплошной фазой. Определенное количество нагретой сплошной фазы циркулирует в замкнутом контуре, в котором с помощью нагревателя поддерживается температура, оптимальная для тепловой обработки дисперсной фазы.

Таким образом, предложенные фазоселективные процессы и аппаратурные схемы для сорбции, экстрагирования и тепловой обработки являются малооперационными при достаточной эффективности КМОА.

Последующие главы посвящены исследованию предложенных процессов и аппаратурных модулей, разработке соответствующих теоретических моделей и методик расчета. При этом определены условия эффективной работы предложенных аппаратурных схем.

В третьей главе приведено экспериментальное и теоретическое исследование гидравлики течения жидкостей и дисперсных сред в одиночных и смежных каналах с проницаемыми стенками. Противоточный конвективно-массообменный аппарат включает протяженные каналы с проницаемыми стенками. Их длина составляет до 1000 диаметров и больше. Гидравлика таких каналов мало изучена. Ввиду сложности описания гидравлики между потоками, текущими в смежных каналах массообменника, разделенных проницаемой перегородкой выбран метод последовательного исследования гидравлики сначала одиночных каналов с проницаемыми стенками, затем смежных каналов.

Соотношения для расчета скоростей и давлений в пористом канале выведены на основе уравнения баланса энергии, учитывающем падание давления, изменение кинетической энергии потока (за счет перетока и изменения расхода) и работу сил трения:

, (1)

. (2)

Граничные условия: u(0) = u₀, u(l) = 0. Система дифференциальных уравнений (1), (2) решалась численным методом на ЭВМ.

В опытах в качестве одиночного пористого канала взят рукав, сшитый из фильтр-диагонали. Эквивалентный диаметр канала d_э = 0.025 м, длина l = 36 м, толщина стенки канала (фильтр-диагонали) 0.001 м, эффективное сопротивление r_эф = 5.810¹⁰ м-¹. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными (рисунок 6) показало их удовлетворительное согласие.

Теоретическое описание течения жидкости в смежных проницаемых каналах проведено на основе уравнения баланса импульса перечисленных выше сил. Преобразованием уравнений обоих каналов и приведением к безразмерному виду получено:

, (3)

, (4)

где знак (+) соответствует П-схеме течения, знак ( - ) - Z-схеме.

При П-образном течении жидкости для осевых скоростей в первом и втором каналах справедливы следующие граничные условия:

U₁(0) = 1 , U₂(0) = - 1 , U₁(1) = U₂(1) = 0 . (5)

При Z-образном течении граничные условия следующие:

U₁(0) = 1 , U₂(0) = 0 , U₁(1) = 0 , U₂(1) = 1 . (6)

Рисунок 6 - Зависимость безразмерного давления от безразмерной продольной координаты. 1 - Re = 28700; 2 - Re = 60700; 3 - Re = 83000. Кривые - расчет, значки - эксперимент	Рисунок 7 - Распределение Euv (1), Eu1 (2), Eu2 (3) по длине канала для П-схемы течения жидкости при Re0 = 3978. Линии - расчет, точки - эксперимент

Коэффициент ? для соответствующего канала вычислялся в зависимости от локального числа Рейнольдса по следующим формулам:

,

где Re_л, Re_Б - критические числа Рейнольдса, A, B - коэффициенты уравнения прямой, соединяющей точки (Re_л , ?=57/Re_л) и (Re_Б,?? = 0.316 Re_Б-^1/4).

Коэффициент потока импульса ? по длине канала меняется незначительно и при относительно малых интенсивностях перетока близок к значениям, соответствующим режимам течения:

, (8)

где A₁ и A₂ - коэффициенты уравнения прямой, соединяющей точки (Re_лам, 1.38) и (Re_Блаз, 1.03).

Экспериментальные исследования течения проведены по противоточной и прямоточной схемам (П- и Z-схем) в разделенных проницаемой перегородкой смежных длинных каналах. Смежные каналы длиной l = 7.5 м, имеют квадратное поперечное сечение со стороной 610-³ м. Разделяющая каналы проницаемая перегородка изготовлена в виде армированной капроновой ткани, эффективное сопротивление фильтрации которой (1.55 0.35)10⁹ м-¹.

Рисунок 8 - Распределение Euv (1), Eu1 (2), Eu2 (3) по длине канала для П-схемы течения жидкости при Re0 = 9363. Линии - расчет, точки - эксперимент	Рисунок 9 - Распределение Euv по длине канала для Z-схемы течения жидкости при Re0 = 2870 (1), 4304 (2 - 4), 6696 (5). Линии - расчет, точки - эксперимент

Сопоставление результатов вычислений с экспериментальными данными позволило установить следующие значения для критических чисел Рейнольдса: Re_л = 2500 500; Re_Б = 4000 1000, что отличается от значений для гладких непроницаемых труб. Расчетные кривые, приведенные на рисунках 7 - 9, удовлетворительно согласуются с данными эксперимента.

Для системы трех каналов вывод уравнений гидродинамики аналогичен:

, (9)

(10)

, (11)

, (12)

, (13)

Система уравнений (9) - (13) позволяет при задаче соответствующих граничных условий рассчитывать распределения скоростей U₁, U₂, U₃ вдоль каналов и разностей давлений Eu_v13 и Eu_v23 между каналами.

Проведенные исследования показали, что для длинных смежных каналов, особенно для П-схемы течения, допустимо вычислять коэффициенты трения по формулам для сплошных труб, однако необходимо учитывать изменение режима течения жидкости по длине каналов и использовать для коэффициентов трения соотношения (7), соответствующие местному значению числа Re. Расчеты с применением для всей длины каналов какой-либо одной формулы для коэффициента трения (только формулы Блазиуса, или только формулы для ламинарного коэффициента трения и т.д.), дают расхождение с экспериментальными данными для длинных каналов, особенно сильное для Z-схемы течения. На рис. 9. для сравнения приведены расчеты с использованием для всей длины каналов только формулы (7в) (линия 2) и только формулы (7а) (линия 3). Как видно, линии 2, 3 не совпадают с соответствующими экспериментальными точками ни по краям, ни в средней части канала; относительные расхождения составляют соответственно 19.4 и 19.2%. Полученная с использованием трехзвенной формулы (7) линия 4 дает среднее относительное отклонение 10.5%.

Варьирование коэффициентов потока импульса в пределах от 1.0 до 1.5 показало относительно небольшое влияние их на распределения скоростей и давлений в длинных смежных каналах при малых относительных перетоках. Таким образом, при расчетах по приведенной в настоящей работе модели коэффициенты ₁ и ₂ можно считать равными коэффициентам потока импульса, соответствующим режиму течения без перетоков. Для ламинарного режима течения в канале квадратного сечения исходя из профиля осевой скорости рассчитано значение 1.38, для переходного режима 1.03.

Построенная математическая модель течения жидкости в смежных каналах, разделенных проницаемой перегородкой, опирающаяся на уравнения неразрывности и баланса импульсов и на соотношение (7) для коэффициента сопротивления трения использована в дальнейшем для построения модели гидравлики и конвективного массообмена в КМОА.

В четвертой главе построена и идентифицирована на основе экспериментальных данных математическая модель конвективного массообмена без учета межфазного взаимодействия в КМОА в двухканальном и трехканальном исполнениях. Дана математическая модель гидравлики и массообмена в потоках суспензий в противоточном конвективно-массообменном аппарате. Приведены численные решения для пульсирующего противоточного движения жидкостей и суспензий. Получены распределения по длине каналов скорости течения и порозности суспензии, а также временные зависимости степени массообмена между потоками. Расчеты проведены для различных значений числа Рейнольдса, относительной длины канала, порозности суспензии, числа Струхаля, сопротивления проницаемой перегородки, плотностей твердой и жидкой фаз суспензии и толщины проницаемой перегородки.

Приняты следующие допущения: суспензии несжимаемы; длительности t_т тактов значительно больше времени гидродинамической релаксации; изменения концентрации c переносимого компонента не влияет на плотность _жф и вязкость _жф жидкой фазы суспензий; толщина слоя осадка, откладывающегося на перегородке, мала по сравнению с эквивалентным диаметром d_э канала; скорости жидкой и твердой фаз суспензий совпадают; осевая скорость u суспензии на стенке канала равна нулю; концентрация c переносимого компонента, порозность и давление p постоянны по сечениям каналов; скорость фильтрации v через проницаемую перегородку и разность давлений p между каналами связаны законом Дарси; эффективное сопротивление фильтрации постоянно по длине каналов, межфазное взаимодействие отсутствует.

Система уравнений относительно скоростей U₁(X), U₂(X), давлений Eu_v(X), концентраций C₁(X, Ho), C₂(X, Ho) и порозностей ₁(X, Ho), ₂(X, Ho): получена дополнением уравнений (3), (4) уравнениями конвективного переноса массы и покомпонентного материального баланса. В безразмерном виде результат имеет следующий вид:

, (14)

, (15)

, (16)

, (17)

, (18)

, (19)

, (20)

где С₁₂ и С₂₁ - концентрации компонента в фильтрационных потоках первого и второго каналов соответственно. Задание граничных U₁(0), U₂(0), U₁(1), U₂(1), C₁(0, Ho), C₂(1, Ho), ₁(0, Ho), ₂(1, Ho) и начальных C₁(X, 0), C₂(X, 0), ₁(X, 0), ₂(X, 0) условий определяет краевую задачу. Решение системы уравнений позволяет вычислить распределения скоростей U₁(X), U₂(X), давлений Eu_v(X), концентраций C₁(X, Ho), C₂(X, Ho) и порозностей ₁(X, Ho), ₂(X, Ho).

Уравнения (14) - (16) решались независимо методом ортоганальной матричной прогонки с итерационным определением функций U₁(X), U₂(X), Eu_v(X). Эти функции использовались в решении уравнений (17) - (20) сеточным методом по неявной схеме.

Массоперенос компонента между потоками характеризовался степенью массообмена:

. (21)

Для трехканальной системы имеем следующие уравнения для порозностей и концентраций компонента:

, i=1, 2, 3, (22)

, i=1, 2, (23)

, (24)

Индекс j=i при фильтрации из i-го канала в третий канал и j=3 при фильтрации из третьего канала в i-й канал. Индекс m=1 при фильтрации из 1-го канала в третий канал и m=3 при фильтрации из третьего канала в 1-й канал. Индекс n=2 при фильтрации из 2-го канала в третий канал и n=3 при фильтрации из третьего канала во 2-й канал.

Распределения скоростей U₁, U₂, U₃ вычисляются из системы (9)-(13).

Эксперимент проведен на установке, включающей массообменник, выполненный в виде аппарата плоскорамного типа из двух пластин оргстекла. В пластинах профрезерованы канавки квадратного поперечного сечения 66 мм длиной 7.5 м. Проницаемая перегородка - фильтровальная капроновая ткань в натянутом положении уложена между пластинами.

...