Способ интенсификации массообменных процессов в системах жидкость-твердое пористое тело

 

Изобретение относится к химическим технологиям, в частности к интенсификации массообменных процессов в системах жидкость-твердое пористое тело. Сущность изобретения заключается в том, что на жидкофазную среду осуществляют периодическое воздействие. Причем твердое пористое тело предварительно наполняют газом и осуществляют его полное погружение в жидкость, а периодическое воздействие на жидкофазную среду проводят путем изменения давления в ней с амплитудой, определяемой по заданному соотношению.

Изобретение относится к способам интенсификации массообменных процессов в системах жидкость твердое пористое тело и может быть использовано для интенсификации процессов в твердых газосодержащих проницаемых материалах при пропитке, выщелачивании, экстракции и в реакционных процессах, например в гидролизе растительного сырья.

Наиболее близким по технической сущности является способ интенсификации массообменных процессов в системах жидкость твердое пористое тело, заключающийся в периодических воздействиях на жидкофазную среду различными способами. Хотя все эти известные методы направлены на создание колебательного движения жидкости, однако их роль в механизме интенсификации массообмена пока остается до конца не выясненной. Поэтому получаемые результаты противоречивы и говорят лишь о том, что эффективность процесса может быть повышена как с помощью малых (механических колебаний), так и весьма значительных (акустических воздействий и высоковольтных разрядов в жидкости) затрат энергии. Причем не всегда высокие затраты энергии дают существенный эффект в интенсификации массообмена.

Объясняется это тем, что массообменные процессы, определяемые внутренней диффузией в твердом пористом теле, не зависят от интенсивности внешнего массообмена, реализуемого такими колебательными воздействиями. Следовательно, слабость эффекта свидетельствует о том, что массообмен внутри пор протекает по диффузионному механизму, тогда как для его интенсификации требуется конвективный перенос, который может быть обеспечен колебаниями жидкости в порах.

Задача изобретения повышение эффективности массообменных процессов в системах жидкость твердое пористое тело за счет создания возвратно-поступательного движения жидкости в порах.

Согласно изобретению в способе интенсификации массообменных процессов в системах жидкость твердое пористое тело, заключающемся в периодических воздействиях на жидкофазную среду, твердое пористое тело предварительно наполняют газом и осуществляют его полное погружение в жидкость, а периодические воздействия на жидкофазную среду проводят путем изменения давления в ней с амплитудой, определяемой по соотношению P·k·d/((ϕ·L-k·d)·ϕ)≅ P_A≥ 8k·μ·ω·L(1-ϕ)/d, где P_А амплитуда колебаний давления, Па; P давление в аппарате в момент погружения в жидкость твердого пористого тела, Па; μ вязкость жидкости, Па·с; w угловая частота, 1/с; L характерный размер твердого пористого тела, определяющий длину пор, м; d характерный размер пор, определяющих сопротивление пропитки, м; v исходная объемная доля газа в порах при полном погружении в жидкость твердого пористого тела, м³/м³; k калибр пробега жидкости в порах при возвратно-поступательных перемещениях, м/м.

Эффективность массообменных процессов в предлагаемом способе повышается за счет целенаправленного периодического изменения давления в жидкофазной среде с такой амплитудой, при которой в газосодержащих порах полностью погруженного в жидкость твердого пористого тела происходит чередование сжатия и расширения замещенного жидкостью газа, в результате чего жидкость совершает возвратно-поступательные перемещения в порах, т. е. при повышении давления происходит затекание жидкости в поры и сжатие заключенного в поры газа. При падении давления наблюдается обратный процесс расширяющийся в порах газ выталкивает жидкость из пор экстрагируемого тела. В результате, из пор частиц в окружающую жидкость выносятся растворенные вещества, в том числе и содержащийся в порах газ, затрудняющий пропитку. Благодаря таким воздействиям значительно повышается эффективность массообменных процессов.

Как следует из рекомендуемого соотношения, эффективность процесса зависит от амплитуды и частоты колебаний давления. Например, совершенно очевидно, что высокие частоты колебаний не всегда могут дать положительный результат, если при этом не увеличить амплитуду пульсаций давления до требуемой соотношением величины. В то же время при полном заполнении пор жидкостью создавать колебания давления бессмысленно.

Практическая реализация способа может осуществляться в статической системе путем непосредственных периодических изменений рабочего давления в аппарате, величина которого зависит от исходного содержания газа в порах.

Его можно реализовать и в динамической системе путем перехода кинетической энергии движущейся жидкофазной среды в потенциальную энергию давления при изменении ее скорости.

Пример реализации способа в статической системе.

Пропитка дистиллированной водой сферического пористого тела диаметром 0,025 м, выполненного в виде шара с помещенной в сетчатую ткань сухой табачной пылью и погруженного в воду в сосуде диаметром 0,2 м на высоте 0,2 м, достигнута при колебаниях рабочего давления от 0,1 до 0,15 МПа на частоте 1 Гц в течение 30 с, в результате которых шар с табачной пылью оседает на дне сосуда.

При атмосферном давлении и отсутствии колебаний давления погружение на дно шара с табачной пылью происходит через 26 ч.

Примеры реализации способа в динамической системе.

Пример 1. Смачивание дистиллированной водой сухой табачной пыли (средний диаметр частиц 10 мкм) в слое высотой 0,04 м, удерживаемом под водой с помощью капроновой сетчатой ткани на высоте 0,15 м, проведено в стеклянном сосуде диаметром 0,025 м и высотой 0,18 м при его колебаниях с частотой 1 Гц и амплитудой 1 мм на вибростенде за 30 с, в результате чего частицы табачной пыли оседают на дне емкости (предварительно загерметизированной перед началом колебаний).

При атмосферном давлении и отсутствии колебаний сосуда смачивание указанного слоя табачной пыли при прочих равных условиях происходит за 12 ч.

Пример 2. Экстрагирование сухой травы пустырника в 40-ном водно-спиртовом растворе (при их массовом соотношении 1 10) проведено в цилиндрической емкости диаметром 0,3 м и высотой 0,28 м при ее колебаниях на вибростенде с частотой 40 Гц и амплитудой 2 мм (емкость после загрузки компонентов также предварительно герметизировалась при полном погружении в раствор экстрагируемого материала) за 90 с с выходом экстрактивных веществ в экстракте, составляющим 0,154 (по сухому остатку).

В диффузионном перколяторе за 14 суток при прочих равных условиях выход экстрактивных веществ составляет 0,112 (по сухому остатку).

Таким образом, изобретение позволяет существенно повысить эффективность массообменных процессов в системах жидкость твердое пористое тело, выражающуюся в сокращении их продолжительности и увеличении выхода целевых компонентов, при низких энергозатратах и высоком качестве конечных продуктов.

Формула изобретения

Способ интенсификации массообменных процессов в системах жидкость - твердое пористое тело, заключающийся в периодических воздействиях на жидкофазную среду, отличающийся тем, что твердое пористое тело предварительно наполняют газом и осуществляют его полное погружение в жидкость, а периодическое воздействие на жидкофазную среду проводят путем изменения давления в ней с амплитудой, определяемой по соотношению
P·k·d/[(ϕ·L-k·d)·ϕ]≅ P_a≥ 8k·μ·ω·L(1-ϕ)/d,
где Р_а амплитуда колебаний давления, Па;
Р давление в аппарате в момент погружения в жидкость твердого пористого тела, Па;
μ - вязкость жидкости, Па · с;
ω - угловая частота, с^-1;
L характерный размер твердого пористого тела, определяющий длину пор, м;
d характерный размер пор, определяющих сопротивление пропитки, м;
ϕ - исходная объемная доля газа в порах при полном погружении в жидкость твердого пористого тела, м³/м³;
k калибр пробега жидкости в порах при возвратно-поступательных перемещениях, м/м.