Способ определения коэффициента массопереноса

 

Изобретение относится к способам определения коэффициента массопереноса в химических или микробиологических аппаратах и позволяет повысить точность определения, упростить и ускорить способ. Способ определения коэффициента массопереноса (K, ч<SP POS="POST">-1</SP>) по скорости окисления сульфита натрия в водном растворе кислородсодержащим газом в присутствии солей меди /П/ в качестве катализатора включает определение начальной (X<SB POS="POST">н</SB>, г/л) и конечной /X<SB POS="POST">к</SB>, г/л/ концентраций сульфита натрия, времени окончания процесса окисления сульфита натрия (Τ, ч), движущей силы процесса (ΔС, г/л), при этом в процессе окисления непрерывно измеряют концентрацию кислорода в растворе до достижения ее равновесного значения /C<SB POS="POST">равн.,</SB> г/л/ и по точке перегиба на измеряемой зависимости фиксируют Τ, X<SB POS="POST">к</SB>, равную 5 г/л, и стационарную концентрацию кислорода в растворе /C<SB POS="POST">стац.,</SB> г/л/. Движущую силу процесса 98ДС определяют как разность концентраций между C<SB POS="POST">равн.</SB> и C<SB POS="POST">стац.,</SB> а К рассчитывают по уравнению: K=8/63(X<SB POS="POST">н</SB>-X<SB POS="POST">к</SB>/ΔС<SP POS="POST">.</SP>Τ, где 63 и 8 - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции окисления сульфита натрия кислородом. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 G 01 N 27/48!

iq ° I n a r% !-! !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

К А BTGPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4053961/23-26 (22) 09.04.86 (46) 30.09.89. Бюл. V!- 36 (71) Всесоюзный научно-исследовательский биотехнический институт (72) А.В ° Голубкович, Я.В.Семенов, Э.В.Харитонова и Г.М.Яковлев (53) 66.015.23(088.8) (56) Cooper С.M., Fernstrom L.À., Miller $.А. Das — Lignid Contotor

Industrial and Engineering Chemistry, 1944, 36, Р 6, р. 504-509. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

МАССОПЕPEНОСА (57) Изобретение относится к способам определения коэффициента массопереноса в химических или микробиологических аппаратах и позволяет повысить точность определения, упростить и ускорить способ, Способ определения коэффициента массопереноса (К, r )

-< по скорости окисления сульфита натрия

Изобретение относится к определению коэффициента массопереноса для оценки интенсивности перемешивания раствора в аппаратах различной конструкции, применяемых в химической и микробиологической промышленности.

Цель изобретения — повьппение точности определения коэффициента массопереноса, упрощение и ускорение способа.

В основе способа определения коэффициента массопереноса (К) положен процесс хемосорбции кислорода в водном. .растворе сульфита натрия в присутст-.

2 в водном рас творе кислородсодержащим газом в присутствии солей меди (П) в качестве катализатора включает определение начальной (Х„, г/л) и конечной (Х, г/л) концентраций сульфита

К натрия, времени окончания процесса окисления сульфита натрия (ь, ч), движущей силы процесса (С, г/л), при, этом в процессе окисления непрерывно измеряют концентрацию кислорода в растворе до достижения ее равновесного значения (С „, г/л) и по точке перегиба на измеряемой зависимости фиксируют о, Х, равную 5 г/л, и стационарную концентрацию кислорода в растворе (С, „., г/л). Движущую силу процесса Ь С определяют, как разность концентраций между CpaBk и С „, а К рассчитывают по уравнению: К = 8/63(Х вЂ” XÄ)1!C !., где 63 и 8 — стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции окисления сульфита натрия кислородом. 1 ил.

Оеиб вии в качестве катализатора солей Ь!!ай двухвалентной меди. Cb

Способ включает определение начальной (Хн) и конечной (Х ) концент<раций сульфита натрия в растворе, времени окончания процесса окисления сульфита натрия (), движущей силы процесса (йС) с учетом равновесной .концентрации кислорода в растворе аЬ (С ц ) и расчет коэффициента массопереноса, при этом в процессе окисления сульфита натрия непрерывно измеряют концентрацию кислорода в растворе до установления ее равновесного

8 (X„X„)

63 dС ° <, где К коэффициент массопереноса, »

» начальная концентрация сульфита натрия, г/л, 20 конечная концентрация суль— фита натрия, равная 5 г/л, при 5 (Хд = 25, х„

Х„

С (Ср,„, 25

-С„<, ) — движущая сила процесса, г/л, С <,<,« . — равновесная концентрация кислорода в растворе, г/л, С,т « — стационарная концентрация кислорода в растворе в про- 30 цессе хемосорбции, г,л;

/ °

<. — время окончания процесса окисления сульфита натрия,ч, 8/63 — массовое соотношение кислорода к сульфиту натрия согласно стехиометрии реакции

2Na S0 + От

Способ осуществляют следующим образом.

В определенном объеме воды, зали- 40 той в массообменный аппарат, растворяют сульфит натрия в количестве Х„, равном 25 г/л, но не менее 5 г/л, К полученному раствору добавляют раствор серно-кислой меди в количестве 45

0,001 — г-моль/л, используемой н качестве катализатора окисления сульфита натрия. кислородом в жидкой фазе.

В аппарат вводят датчик измерения концентрации растворенного кислорода

50 (например, мембранный полярграфический датчик), соединенный с самописцем. Включают перемешивающее устройство, подачу кислородсодержащ<его газа (воздуха) и одновременно произво55 дят запись на ленте самописца зависимости концентрации кислорода в растворе в процессе окисления сульфита натрия до установления равновесной

3 15116 значения и по точке перегиба на этой зависимости фиксируют время окончания процесса окисления, конечную концентрацию сульфита натрия, равную

5 г/л, и стационарную концентрацию, кислорода в растворе (C ) при хемосорбции. Движущую силу процесса определяют, как разность равновесной и стационарной концентрации кислорода, а коэффициент массопереноса рассчитывают по уравнению

62 концентрации кислорода в растворе, соответствующей парциальному давлению кислорода в газовой фазе ° Температуру раствора сульфита натрия во время его окисления поддерживают постоянной, На чертеже представлена кривая изменения концентрации кислорода в растворе сульфита натрия во времени.

Измеренная С, 3 -зависимость имеет вид прямой, параллельной оси времени, с последующим отклонением вниз и выходом на предельное значение, соответствующее равновесной концентрации кислорода С д,<

На представленной кривой наблюдается три характерных участка. Область до точки перегиба Л характеризует реакцию окисления сульфита натрия, катализированную ионами меди, до достижения концентрации сульфита натрия в растворе 5 г/л, протекающую при остаточном содержании кислорода (стационарная концентрация кислорода С ), отличающейся от нуля.

Эта велйчина определяет концентрацию химически несвязанного кислорода в растворе в процессе хемосорбции кислорода. Область II соответствует окислению сульфита натрия от концентрации 5 г/л до нуля и характеризуется резким падением концентрации растворенного кислорода. Область III c выходом на равновесную концентрацию

С „ соответствует процессу физической сорбции кислорода раствором сульфита натрия.

С „<, соответствует парциальному давлению кислорода в газовой фазе аппарата.

Представленная зависимость характеризует специфику процесса хемосорбции, катализированного ионами меди, заключающуюся в разном изменении характера протекания процесса и появлении точки перегиба Л при достижении концентрации сульфита натрия

5 г/л ° При этом экспериментально установлено, что эта конечная концентрация сульфита натрия Х, равная

< »

5 г/л, не зависит от начальной концентрации сульфита натрия, по крайней глере в интервале 5 - Х = 25 г/л.

По точке перегиба Л на кривой, зная скорость движения диаграммной ленты, одновременно фиксируют время окончания процесса окисления, конечную концентрацию сульфита натрия

5 1511

5 г/л и стационарную концентрацию— кисло ода в растворе.

Движущую силу процесса С определяют по разнице равновесной и стационарной концентраций кислорода в раст 5 воре h.Ñ = С аьи — Сстцц

Начальную концентрацию сульфита натрия в растворе определяют, как отношение количества безводного суль- 1О фита натрия к объему воды, в котором он растворен, Зная начальную и конечную концентрации сульфита натрия, . время изменения концентрации от начальной до конечной и движущую силу процесса по приведенному уравнению, рассчитывают коэффициент массопере-. носа.

Пример. В ферментер залы ают з

1 м воды. В.этом объеме воды раство- 2О ряют 25 кг сульфита натрия и 160 г сульфата меди. В рабочем объеме ферментера устанавливают датчик растворенного кислорода, показания которого записывают на ленту самописца, движущуюся со скоростью 1200 мм/ч.

Движение ленты самописца начинается одновременно с включением подачи воздуха и перемешиванием.

Температуру раствора во время все- о о

ro опыта поддерживают равной 20 С.

Парциальное давление кислорода в га-.. зовой фазе ферментера составляет

0,16 атм. Длина диаграммной ленты от начала опыта до начала уменьшения парциального давления кислорода в жидкой фазе (точка перегибы А) равна

345 мм, что соответствует о =0,29 ч.

При этом концентрация сульфата натрия равна 5 г/л.

1371 ч

Равновесную концентрацию кислоро-, да в растворе равную СГаен = 7 09« 50

«10 г/л, определяют на измеряемой

/\, С, - кривой. Эта величина соответствует парцйальному давлению кисло рода в газовой фазе ферментера.С „ можно определить так же, как и в прототипе, расчетным путем:

Способ определения коэффициента массопереноса в биореакторах по ско55 рости окисления сульфита натрия в водном растворе кислородсодержащим газом в присутствии в качестве ката лйзатора солей меди (II), включающий определение начальной и конечной

Стационарная концентрация кислорода в растворе, характеризующая остаточное содержание кислорода или концентрации химически несвязанного в процессе хемосорбции кислорода, сос- тавляет 0,7 10 з г/л.

С „= 31 ° 1,429 .10 0,16 — 7.09 10 г/л, 662 6 где 31 см /л атм — растворимость кис) лорода в воде при — 20 С и,парци-, о альном давлении

1 атм, 1,429 10 г/см — удельный вес кислорода;

0,16 атм — парциальное давление кислорода в газовой фазе

Имея все необходимые величины, найденные в предлагаемом способе с помощью измеренной С, -кривой, определяют коэффициент массопереноса

/ t по представленной зависимости, т.е.

8 (25-5)

63 0 29 (7 09 0 7) 10

При определении коэффициента массопереноса по способу-прототипу, кроме времени на подготовку ферментера, растворение сульфита натрия и непосредственно на окисление сульфита натрия, требуется около часа на приготовление растворов иода, тиосульфита натрия и крахмала, а также время на проведение титрования и анализа 6-7 проб по 10 мин на каждую пробу, Точность определения коэффициента массопереноса повышается также за счет корректировки движущей силы процесса на величину С которая на основании установленного в работе экспериментального факта является отличной от нуля.

Предлагаемый способ позволяет сократить время получения результатов более, чем на 23 ч, упростить методику определения и расчета коэффициента массопереноса, исключить применение дефицитных материалов, необ-, ходимых для выполнения анализов, сократить число операций и уменьшить вероятность ошибки от некачественно выполненных анализов.

Формула изобретения

1511662

8 Х„ — Х, 63 ЬС где К

Хн

Хк

10.

С рс

C cTcfu, 8/63

709 о и я 5Ь я =25 /Л

Составитель В.Вилинская

Техред И.Верес Корректор Л.Патай

Редактор H.Kåëåìåø

Заказ 5896/47 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 концентраций сульфита натрия, времени окончания процесса окисления сульфита натрия, определение движущей силы процесса по равновесной концентрации кислорода в растворе, расчет коэффициента массопереноса, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения коэффициента массопереноса, упрощения и ускорения способа, в.процессе окисления сульфита натрия непрерывно измеряют концентрацию кислорода в растворе до достижения ею равновесного значения и по точке перегиба на измеряемой зависимости фиксируют время окончания процесса окисления, конечную концентрацию сульфита натрия, равную 5 г/л, и стационарную концентрацию кислорода в растворе, при этом движущую силу процесса определяют, как разность равновесной и стационарпой концентраций кислорода, а коэффициент массопереноса К рас считывают по уравнению коэффициент массопереноса, ч

Э вЂ” начальная концентрация сульфита натрия, г/л;

= 5 г/л — конечная концентрация сульфита натрия при 5 а. Х„ = — 25:

С о С ста u, — движущая сила процесса, г/л, — равновесная концентрация кислорода в растворе, г/л; — стационарная концентрация кислорода в растворе, г/л, — время окончания процесса окисления сульфита натрия,ч, — массовое соотношение кислорода к сульфиту натрия с аглае но стехиометрии реакции окисления сульфита натрия.