Введение к работе
Актуальность темы. Растворение твердых дисперсных материалов является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии, который осуществляется с целью получения насыщенного раствора того или иного вещества.
Для реализации процесса применяется технологическая аппаратура различного типа, отличающаяся как по принципу действия, так и по конструктивному оформлению. Как правило, она характеризуется низкой производительностью, значительными габаритами и имеет ряд других недостатков.
Интенсификация растворения определяется, прежде всего, возможностью увеличения удельной межфазной поверхности за счет измельчения твердой фазы и одновременного повышения коэффициентов переноса, вследствие улучшения условий отвода вещества от твердой поверхности в раствор. Такие условия в оптимальном сочетании реализуются в роторно-пульсационных аппаратах (РПА), находящих в последнее время применение во многих отраслях промышленности.
При работе таких устройств возникает сложный комплекс различных гидродинамических явлений: градиентное течение в радиальных зазорах между вращающимися и неподвижными элементами конструкции, интенсивная турбулизация потока, разнонаправленное поле скоростей, кавитационные явления и др. Указанное многофакторное воздействие на обрабатываемую среду, позволяет существенно интенсифицировать процесс растворения дисперсной твердой фазы.
Применение РПА может оказаться особенно эффективным при обработке труднорастворимых дисперсных материалов, а также в случае осуществления химических превращений в гетерогенных системах, когда в процессе контактирования на поверхности твердой фазы образуется экранирующий слой продуктов реакции, затрудняющий доступ жидкого реагента.
Тем не менее, не смотря на очевидные преимущества РПА в сравнении с другими типами оборудования, их использование для целей интенсификации растворения дисперсной твердой фазы весьма ограничено. По-видимому, это связано с недостаточной изученностью всего комплекса явлений, имеющих место в рабочей камере аппарата, отсутствием надежной информации о влиянии режимных параметров процесса и конструктивных особенностей рабочих органов РПА на кинетику процесса.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование процесса растворения дисперсных твердых материалов в аппаратуре роторно-пульсационного типа и разработка практических рекомендаций по ее расчету и конструированию.
Задачами исследования являются:
- экспериментальное изучение растворения модельных систем на лабораторной и полупромышленной установках с РПА различного масштаба, оценка степени влияния режимных параметров процесса и конструктивных особенностей рабочих органов аппарата на кинетику процесса;
разработка методики прогнозной оценки длительности растворения дисперсных материалов;
математическое описание изучаемого процесса и оценка сходимости экспериментальных и расчетных данных;
оценка степени влияния масштабного фактора на параметры массопереноса и выработка рекомендаций по проектированию РПА для процессов растворения дисперсной твердой фазы.
Объект, предмет и методы исследования. Объект исследований - процесс растворения твердых дисперсных материалов в РПА. Предмет исследований - бензойная и салициловая кислоты, а также кристаллический хлорид и нитрат натрия. Работа основывается на использовании аналитических и экспериментальных методов исследования.
Научная новизна работы:
выполнена экспериментальная оценка влияния технологических параметров процесса и конструктивных особенностей рабочих органов РПА на кинетику растворения бензойной и салициловой кислот в воде, позволившая конкретизировать режимы процесса;
предложена методика прогнозной оценки длительности процесса растворения;
разработано математическое описание процесса растворения твердого дисперсного материала в РПА, позволяющее установить его продолжительность. Проведена экспериментальная проверка адекватности математической модели;
определены средние значения коэффициента массоотдачи при растворении модельных систем в РПА и оценено влияние на них технологических параметров процесса.
Практическая значимость:
разработаны рекомендации по конструированию рабочих органов РПА и их расчету;
предложена конструкция центробежного массообменного аппарата для проведения процессов, осложненных химическим взаимодействием фаз.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы обсуждались на IX международной научно- практической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» (Пенза, 2007 г.); III и IV Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности" (Бийск, 28 - 30 апреля 2010, 27 - 29 апреля 2011 гг.), Всероссийской научной молодежной школе-конференции «Химия под знаком «Сигма». Исследования, инновации, технологии» (Омск, 2010 г.), III научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (Бийск, 23-24 сентября 2010г.), Всероссийской конференции, посвященной памяти В.В. Бахирева «Химия, технология и применение высокоэнергетических соединений» (Бийск, 13 - 16 сентября 2011 г.).
На защиту выносятся:
результаты экспериментального исследования процесса растворения бензойной и салициловой кислот в РПА;
математическое описание процесса растворения твёрдых дисперсных материалов в РПА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией. Получен патент на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и содержит 104 страницы.
