Лако-красочные материалы — производство

Экспериментальные исследования массообмена в конкретных аппаратах являются основой для последующего проектирования. Результаты таких исследований различные авторы обобщают в виде эмпирических или критериальных уравнений, причем обобщенными величинами являются высота, эквивалентная теоретической тарелке (полке)), высота единицы переноса массы или объемный коэффициент массопередачи. Эти величины зависят от межфазной поверхности и коэффициента массоотдачи. До сих пор опубликовано мало работ, касающихся коэффициентов массоотдачи в обеих жидких фазах экстракционных систем, поскольку из-за необходимости применения специального оборудования в лабораторные программы редко вклю­чаются исследования межфазных поверхностей или диаметров капель. В свою очередь, вредное влияние на процесс оказывает обратное
перемешивание, которое в большой степени зависит от диапазона использования аппарата [74]; выяснение этого вопроса требует детальных исследований. Мелкие, сильно раздробленные капли дис­персной фазы, не смешивающейся с другой жидкой фазой, ведут себя аналогично твердым частицам; по этой причине некоторые авторы [25] для коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе экстрак­ционной системы предлагают такую же корреляцию, как и для жид­кой фазы при растворении частиц твердого тела. Это можно рас­сматривать как приближение при отсутствии более точных уравне­ний. Обычно действительные значения коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе экстракционной системы выше значе­ний тех же коэффициентов, рассчитанных по корреляциям, относящимся к раство­рению [74]. Это связано с явлением де­формации поверхности капли, разрыва­нием и соединением капель, а также с циркуляцией жидкости внутри капли. О том, что капли ведут себя иначе, чем частицы твердого тела, свидетельствуют даже измерения скоростей их свободного оседания или подъема, которые дают ре­зультаты, отличающиеся от скоростей оседания твердых частиц.

Основные исследования коэффициентов массопередачи в системе жидкость—жид­кость многими учеными сначала прово­дились в так называемых диффузионных ячейках [12, 27, 77], где точно опреде­лена межфазная поверхность процесса и относительная скорость движения обеих фаз. На рис. VI-13 представлен такой аппа­рат Леви [42]. Поверхность раздела фаз имеет форму кольца и располо­жена между перегородками 9 и 10. У каждой мешалки свой привод, поэтому можно регулировать турбулентность в обеих фазах. Мас — сообмен может осуществляться в неустановившемся, периодическом процессе или, в случае течения двух фаз, в непрерывном процессе.

В такой аппаратуре Леви [42] исследовал несколько десятков трехкомпонентных экстракционных систем. Результаты своих иссле­дований он обобщил в виде следующего уравнения:

К-, к По il.65

-^-=1,125-10-7 |Rei+^-Re2| +0,017 (VI-57)

Где кх — условный коэффициент массоотдачи для фазы 1, отнесен­ный к линейному размеру 1 м, м2/с[т. е. (м/с)Х1 м]; Re^ Re2 — кри­терии Рейнольдса для процесса перемешивания в обеих фазах; Ли Л2 — динамические вязкости обеих фаз; — кинематическая вязкость обеих фаз.

В уравнении (VI-57) не фигурирует коэффициент диффузии; это могло бы указывать на то, что значение показателя степени при кри­терии Шмидта равно единице. Кроме того, заметно влияние турбу­лентности обеих фаз (критерии Рейнольдса Re2 и Re2) на массоот­дачу в одной фазе. Уравнение (VI-57) имеет лишь теоретическое зна­чение и не может быть использовано для практических расчетов ввиду других условий массопередачи в реальных аппаратах, где одна жидкость диспергирована в другой в виде капель.

В настоящее время в литературе опубликовано много работ, по­священных изучению массопередачи в системах жидкость—жидкость. В большинстве работ результаты исследований даются в графиче­ском виде [2, 15, 51, 58]. В немногих работах обобщены коэффи­циенты массопередачи. Исследования в экстракторе типа «смеситель— отстойник» были проведены Берестовым и Романковым [41 (размеры сосуда Н = D — 0,096 м, диаметр пропеллерной мешалки d = = 0,032 м, шаг S — d). Авторы использовали девять систем, в том числе изоамилацетат—уксусная кислота—вода, толуол—уксусная кислота—вода, толуол—ацетон—вода и толуол—фенол—вода.

Результаты исследований были обобщены в виде уравнения

-tM-=3,8 • 10-17FiЈ54Fi0.i0Fri,36Gai>0tf ^ Л^.)1’0 X

Где kvx — объемный коэффициент массопередачи, отнесенный к кон­центрации рафината, кг/(м3-с); т — коэффициент разделения; у— индекс, обозначающий экстрагент (или экстракт); х — индекс, обо­значающий начальный раствор (или рафинат).

Приведенное выше уравнение применимо для следующих диапа­зонов:

2 2

Ftx = -^ = (3,2^-8,0) • 108; Fr„ = -^= (1,8-Ml) • 10-*

Ка = IH^L = (1,2 ч — 4,4) • Ю-з (1,2 4-4,4)-10»

G

Ga— gy**3 = (3,2-7-8,0) • 108 Лдг

Где wQ — условная скорость течения, рассчитанная на полное се­чение аппарата, м3/(м2-с).

Авторы не исследовали влияние геометрических параметров экстрактора на массопередачу.

Каган и сотрудники [31] провели исследования массоотдачи в про­точном аппарате (диаметр D = 0,038 м) с двухлопастными мешалками (диаметры 0,1 D и 0,5/)). Они определяли коэффициенты массоотдачи в сплошной фазе по методу Кольборна и Вильке. Исследования были выполнены для четырех систем: вода—изоамиловый спирт, вода— циклогексанол, вода—изоамилацетат и этиленгликоль—ж-ксилол. Сплошной фазой служили вода и этиленгликоль. Межфазная поверх­ность измерялась методом рассеяния света. Для диапазонов 400 < <Сп <2000 об/мин было получено обобщенное расчетное уравнение коэффициентов массоотдачи в сплошной фазе (в м/с):

Ке = 0,016 Nd Se-f>» (VI-59)

Реман и Олней [58], Логсдайл, Торнтон и Пратт [43], Страуд, Олней и Аккерман [67], Каган, Аэров и Волкова [291, а также Шторбель с сотрудниками [71] исследовали массообмен в экстрак­ционных колоннах с дисковыми мешалками. Результаты исследо­ваний [71], выполненных на колонне (высота 1,2 м и диаметр 0,045 м) из пятидесяти секций (высота каждой из них 0,017 м) с использо­ванием семи экстракционных систем, были обобщены в виде корре­ляционного уравнения для расчета высоты единицы переноса массы.

Подводя итоги этой части, касающейся массообмена в процессах экстракции, можно отметить следующее. Современное состояние ис­следований указывает на то, что при проведении работ в лаборатор­ном масштабе непосредственных, общих методов проектирования найти не удается. Очевидно, что после кропотливых исследований экстракции в аппаратах с мешалками достигается возможность ис­пользования полученных результатов лишь для одной или несколь­ких экстракционных систем.