Масообмін у процесах розчинення у шарі дисперсного матеріалу

Abstract

Розчинення твердих полідисперсних матеріалів є складним технологічним, тепло- і масообмінним процесом. Апарати для розчинення є громіздкими, а сам процес вимагає, окрім енергетичних, значних капітальних затрат. Тому, на сучасному етапі розвитку багатьох галузей промисловості в Україні існує потреба інтенсифікації процесів розчинення, створенні, розробленні високоефективних та екологічно безпечних технологій і обладнання. Одним із перспективних методів інтенсифікації розчинення твердої полідисперсної фази є проведення процесу в умовах барботування системи стиснутим повітрям. Інтенсифікація процесу відбувається завдяки інтенсивному переміщенню бульбашок по об’єму апарату, їх розтріскуванню та постійному омиванні твердих частинок рідиною. В роботі наведено теоретичні та експериментальні дослідження гідродинаміки, кінетики та тепломасообмінних процесів для використання науково обґрунтованих параметрів проведення процесу розчинення з використанням енергії стиснутого повітря. На основі аналізу джерел літератури сформовано мету і завдання досліджень. Представлено основні фізичні характеристики полідисперсної суміші бензойної кислоти та неорганічних солей, опис експериментальної установки для дослідження гідродинаміки та тепломасообмінних процесів під час розчинення вказаних дисперсних матеріалів, методики визначення основних фізико-механічних характеристик досліджуваних матеріалів. Представлено результати експериментальних досліджень руху бульбашки стисненого повітря у водному розчині, в апараті для розчинення під час пневматичного перемішування. Встановлено, що додавання хімічно інертних перемішуючих додатків позитивно впливає на кінетику процесу розчинення полідисперсної суміші, знижуючи його тривалість і, відповідно, енергозатрати, за рахунок часткового запобігання винесенню твердої фази у шар піни. Також визначено гранично допустиму економічно обґрунтовану витрату, за якої зберігається інтенсивний масообмін твердої фази з рідкою. На основі експериментальних досліджень та обчислених даних встановлено значення коефіцієнта масовіддачі під час розчинення полідисперсної суміші бензойної кислоти за різних витрат повітря і узагальнено залежність коефіцієнта масовіддачі від концентрації розчину з достатньою для практичних розрахунків точністю. Порівняння розрахованих значень коефіцієнтів масовіддачі з експериментально визначеними показало їх задовільне співпадіння для застосування отриманих розрахункових залежностей на практиці. Визначено коефіцієнт молекулярної дифузії під час розчинення за умов пневматичного перемішування розчину. Основні результати роботи передані для впровадження у виробництво та в навчальний процес. The dissolution of solid polydisperse materials is technologically complicated heat and mass exchange process. In major cases, it is related to the high energy consumption and complicated process of interphase diffusion interaction of substances in the liquid – solid phase system. Its efficiency highly influences the cost of products. From the other side, the solid body dissolution processes, which occur in the diffusion area, can be determined by laws of molecular and convective diffusion. Each interaction during dissolution is accom-panied by the proper heat effect, which can’t be neglected, as such mass exchange continuously connected with heat and mass exchange. Dissolution apparatuses have big sizes, and the process require big capital expenses additionally to energy. In the initial stages dissolu-tion occurs in non-stationary conditions. Thus, on the modern stage of development of many industrial branches of Ukraine there exists the necessity of dissolution processes intensifi-cation, creation and development of highly effective and ecologically safe technologies and equipment for their realization. The selection of method, optimal mode, and dissolution apparatus construction refers to specificities of technological processes and properties of dissolution materials, and should ensure the conservation of their qualitative features and minimal energy consumption. Among the perspective methods of intensification of solid polydisperse phase dissolution is process fulfilment in conditions of bubbling of system by compressed air. Process intensification occurs due to intensive mixing of bubbles in the apparatus volume, their cracking and continuous washing of solid particles by liquid. The solvent with low concentration of component is constantly supplied into the surface of the diffusion area with the high solid phase concentration, with the formation of high concentration gradient. Thus, there creates nonstationary conditions of intensive mass exchange, which characterizes by high values of mass transfer coefficients. Additionally, the application of compressed air for solution mixing allow excluding of shortcomings, which refers to application of mechanical mixing devices. System bubbling allow also maintaining of stable temperature of solution, as heat, which emits from the system, transfers out of the dissolution zone. Based on the critical analysis of literature sources on the main methods of solid disperse materials dissolution, it was determined that dissolution during bubbling of solution by compressed air is insufficiently investigated. In the research it was proved that the present theoretical and experimental investigations of hydrodynamics, external and internal mass exchange is insufficient for wide industrial application of such method of benzoic acid dissolution and apparatus for such processes, namely for dissolution of solid polydisperse materials during pneumatic mixing. In the research there are presented theoretical and experimental investigations of hydrodynamics, kinetics, and heat and mass exchange processes for using of scientifically proved parameters of dissolution processes fulfilment with using of compressed air energy. Based on the analysis of literature sources there were formed goal and tasks of the investigation. In the current research there presented characteristics of polydisperse mixture of benzoic acid, description of experimental laboratory stand for investigation of hydrodynamics, heat and mass transfer processes during dissolution of disperse materials, methods of determination of main physical and mechanical properties of investigated materials, namely porosity, specific surface, bulk density, fractional content, averaged diameter of polydisperse mixture. Additionally, there was performed measuring error estimate. There were represented results of experimental investigations of compressed air bubble motion in water solution inside the apparatus of for dissolution during pneumatic mixing. There was determined the separation sizes of bubbles in conditions of quasistatic air flow from the bubbler and calculated their motion velocity during upward movement in solution. There was determined the energy distribution in apparatus for dissolution during pneumatic mixing of solution in the range of quasistatic mode of motion, and determined optimal and economically feasible compressed air consumption for process execution. In addition, con-sidering the research results generalization it was proved the independency of coefficient of mass deduction from diameter of particles during the dissolution in the gas-liquid flow of solvent. There was performed the theoretical calculation of dissolution of polydisperse phase based on the kinetic process regularities, and show satisfactory coincidence of theoretical results and experimental data. It was determined, that adding of chemically inertial mixing additives positively influences on the polydisperse mixture dissolution process kinetics, reducing its duration and, correspondingly, energy consumption, by means of the partial avoiding of solid phase displacement into foam layer. Also, it was determined the maximum permissible economically feasible consumption, by which preserves intensive mass ex-change between solid and liquid phase. Based on the experimental investigations and calculated data it was determined the value of mass deduction coefficient during dissolution of polydisperse mixture of benzoic acid on various compressed air consumption, and generalized the dependency of mass de-duction coefficient from the solution concentration with sufficient for practical calculations precision. There was received the calculated dependency for Sherwood criteria determination, which allow determination of coefficients of mass deduction depending on the hydrodynamic mode, during which the process is fulfilled. The comparison of calculated values of mass deduction coefficients with experimentally determined values reveal their satisfactory coincidence for application of practically received calculated dependencies. There was determined coefficient of molecular diffusion during dissolution in conditions of pneumatic solution mixing.