Разработка методики оценки эффективности массообменных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 66.021.3:66.048.3

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ELABORATION METHODOLOGY FOR MEASURING THE EFFICIENCY OF MASS TRANSFER PROCESSES

Афанасенко В.Г., Юнусова Ю.Л. ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет

Аннотация

Массообменные процессы являются наиболее распространёнными процессам нефтегазовой и химической промышленности. Для дальнейшего совершенствования процессов проводимых на границе раздела фаз необходимо разработать методику оценки эффективности массоопередачи через межфазную поверхность. В данной статье предложена методика измерения эффективности массообмена при неподвижной границе раздела контактирующих сред.

Ключевые слова: нефтегазовая отрасль, массообменные процессы, ректификация, эффективность массоотдачи, граница раздела фаз.

Mass transfer processes are the most common processes of oil and chemical industries. For further improvement of the processes carried out at the interface necessary to develop a methodology to assess the effectiveness masstransfer through interfacial surface. The article proposes a method for measuring the mass transfer efficiency at a fixed interface.

Keywords: oil and gas industry, masstransfer processes, distillation, the efficiency of masstransfer, the interphase boundary.

В нефтегазовой отрасли процессы массообмена и имеют самое широкое распространение. Они происходят при непосредственном взаимодействии потоков пара (газа) и жидкости. К числу массообменных процессов можно отнести ректификацию, абсорбцию, экстракцию, адсорбцию, кристаллизацию, сушку, испарение и т.д. Увеличение производительности установок для осуществления вышеназванных процессов, с удовлетворением требований к качеству конечных продуктов, является актуальной задачей для научных исследований [2,6].

Массообменные процессы сопровождаются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, ?.?. способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счёт беспорядочного движения молекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счёт разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будет достигнуты условия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи определяется разностью концентраций фаз (выражается через разницу между рабочими и равновесными концентрациями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно). Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентраций.

Разработка технических решений по модернизации массообменных аппаратов невозможна без определения эффективности проводимого процесса при различных конструктивных и режимных параметрах. Определение эффективности разделения на контактных устройствах является одной из важных задач в теории и практике массообменных процессов [1, 5].

Целью некоторых проведенных в нашем исследовании экспериментов стала разработка методики оценки эффективности массообменных процессов в системах «жидкость-жидкость».

Основные требования при выборе реагентов:

• доступность;

• низкая токсичность.

В соответствии с данными требованиями в ходе подбора испытуемых жидкостей оказалось, что наиболее оптимальным является проведение эксперимента в системе несмешивающихся жидкостей «дизельное топливо [4] - дистиллированная вода». В качестве третьего компонента можно использовать этиловый спирт.

Концентрация спирта в дизельном топливе варьируется от 4% (при добавлении абсолютного спирта) до 20% (в смеси с эмульгаторами) [8, 9].

С водой спирт смешивается в любых соотношениях, образуя раствор.

Для приближенного анализа содержания спирта в обоих компонентах смеси можно использовать рефрактометрический метод (основан на измерении показателей преломления света в различных средах), для более детального - хроматографический (физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной, протекающей через неподвижную).

Переноса вещества в пределах одной фазы определяется по уравнению массоотдачи:

М = Я · ДС · F,

массообмен контактирующий среда промышленность

где Я - коэффициент массоотдачи;

ДС - движущая сила переноса; F - площадь слоя.

Ход эксперимента:

1. готовится смесь «дизельное топливо - этиловый спирт» с содержанием спирта до 15% по объему;

2. часть полученной смеси соединяется в вертикальном сосуде с дистиллированной водой (рисунок 1);

3. полученная система находится в состоянии покоя, время выдержки зависят от характера эксперимента

4. отбирается проба воды и измеряется в ней содержание этанола.

3 - дистиллированная вода

Рисунок 1 - Испытательная система в начальный период времени

В процессе экспериментальных исследований выявлено, что при добавлении этилового спирта в двухкомпонентную эмульсию "дизельное топливо - вода", спирт проходит через границу раздела фаз, неравномерно распределяясь в смеси, это дает возможность более детального изучения процесса массообмена.

Другим способом оценки эффективности массообмена в системе "газ-жидкость" является исследование процесса испарения (фазовый переход вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества).

Для проведения опыта испытуемую жидкость необходимо нагревать до температуры близкой к температуре кипения и измерять массу или объем испаренной жидкости за заданный промежуток времени под воздействием определенных факторов. В результате анализа литературы и последующих лабораторных исследований, мы выяснили, что наиболее подходящими жидкостями для проведения эксперимента являются Этиловый спирт и ацетон, так как обладают наименьшей температурой кипения среди использованных нами жидкостей, (tкип этилового спирта - +78,4 °C, tкип ацетона - +56,1 °C) [3].

Для чистоты эксперимента требуется тщательная полная теплоизоляция сосуда, в котором находится испытуемая смесь.

В монографии [7] основной идеей является наличие переходного слоя на границе раздела фаз, обладающего мультифрактальными свойствами в распределении энергетических и геометрических параметров, тем самым имеет смысл направить путь исследований на изучение процессов в переходных слоях, с возможным использованием рассмотренных выше методик.

Повышение эффективности массообменных процессов - чрезвычайно актуальная тема для нефтегазовой отрасли, требующая развития новых методик оценки и совершенствования старых, используя накопленные знания и опыт исследователей данной области. Дальнейшее проведение экспериментов, описанных в статье, в совокупности с детальным мониторингом параметров частей системы посредством использования современных методов исследования может существенно расширить горизонты знаний о массообменных процессах.

Список литературы

1. Афанасенко В.Г. Оценка затрат энергии на проведение гидромеханических процессов в прямоточных статических аппаратах // Научные труды SWorld. 2010. Т. 7. № 4. С. 93-94.

2. Ахметов С.А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие / С. А. Ахметов [и др.] -- CПб.: Недра, 2006. -- 868 с.

3. Брусенцева Л.Ю., Кудряшова А.А. Краткий справочник физико-химических величин некоторых неорганических и органических соединений: учебное издание. - Самара: ООО «Инсома-пресс», 2011. 68 с.

4. ГОСТ 32511-2013. Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2014.

5. Долгова А.Н., Лаптева Е.А. Определение эффективности массообменных тарелок колонных аппаратов с учетом неравномерности распределения фаз // Электронный научный журнал

«Нефтегазовое дело», 2013. №6. С.283-309. URL: http://ogbus.ru/authors/DolgovaAN/DolgovaAN_1.pdf.

6. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.

7. Кузеев И.Р. Поверхность и поверхностные явления / И.Р. Кузеев [и др.] - Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2008. 144с.

8. Маркоп В.А., Вальехо-Мальтонадо П.Р., Бирюков В.В. Спиртовые топлива для дизельных двигателей // Электронный научный журнал «Известия высших учебных заведений. Машиностроение», 2015. №11. С 39-51. URL: http://izvuzmash.ru/articles/1229/1229.pdf.

9. Николаев Е.А., Шириязданов Р.Р., Боев Е.В., Афанасенко В.Г. О возможности приготовления бензиноспиртовых и водотопливных эмульсий в роторном аппарате // Ползуновский вестник. 2010. № 3. С. 127-129.

Размещено на Allbest.ru