Ение бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации
Скачать 206.82 Kb.
|
На правах рукописи Бубенцов Владимир ЮрьевичРазделение бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизацииАВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологийМОСКВА – 2006 г. Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова» Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор Носов Геннадий Алексеевич Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Тимонин А.С. - кандидат технических наук Романенко Николай Яковлевич Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ "ИРЕА" Защита диссертации состоится «21» ноября 2006 г. в « 1430 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.120.02 при Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова: 119571, г. Москва, проспект Вернадского, 86. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова Автореферат разослан « » октября 2006 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Е.А. Анохина Общая характеристика работы. Актуальность работы. Процесс адиабатной кристаллизации в настоящее время довольно часто применяется для выделения веществ из водно-солевых растворов. Он может также быть использован для концентрирования разбавленных растворов методом вымораживания. Такое концентрирование особенно перспективно для растворов биологически активных и термолабильных веществ. В сочетании с сублимационной сушкой адиабатная кристаллизация может применяться для получения ультратонких порошкообразных материалов (пищевых добавок, лекарств, окислителей и др.). Теоретическое описание данного процесса, как правило, базируется на уравнениях материальных и тепловых балансов, сходных с аналогичными уравнениями для обычной фракционной кристаллизации. Существующие модели данного процесса практически не учитывают кинетические и фазовые особенности процессов кристаллизации, протекающих под вакуумом. Поэтому разработка модели, учитывающей указанные факторы, является актуальной задачей. Работа выполнялась в соответствии с координационными планами РАН по направлению «Теоретические основы химической технологии» и включена в планы НИР МИТХТ им. М.В. Ломоносова. Целью работы является теоретический анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах емкостного типа, а также к концентрированию растворов, диспергированных в среду с пониженным давлением; анализ влияния основных параметров на выходы продуктов разделения; разработка математической модели процесса адиабатной кристаллизации диспергированных растворов и формулировка рекомендаций по разработке оборудования. Научная новизна. Выполнен теоретический анализ процесса адиабатной кристаллизации применительно к концентрированию водно-солевых растворов в аппаратах емкостного типа. Получены теоретические зависимости, описывающие как стадию простого адиабатного испарения, так и стадию кристаллизации. Выявлено влияние основных параметров (исходной концентрации раствора, его температуры, остаточного давления и др.) на выход паровой, жидкой и кристаллической фаз, а также на их состав. Исследовано влияние на ход рассматриваемого процесса температурной депрессии разделяемых растворов и их физико-химических свойств. Проанализирован процесс адиабатной кристаллизации для диспергированных водно-солевых растворов в среду с пониженным давлением. Предложена математическая модель процесса, учитывающая теплоперенос в жидкой, паровой и кристаллической фазах. Показано, что в области низких давлений могут одновременно протекать процессы кристаллизации из жидкой фазы и сублимации льда. Используя метод натуральных масштабов, были установлены лимитирующие стадии процесса и выявлены основные параметры, влияющие на его ход. Проведены экспериментальные исследования, позволяющие сделать вывод о применимости полученных моделей для описания процесса адиабатной кристаллизации как в большом объеме раствора, так и в диспергированных каплях. Практическая значимость. Разработаны методики расчета процесса разделения водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации в емкостных аппаратах с учетом влияния температурных депрессий растворов, и при диспергировании растворов в среде под разрежением с учетом теплопереноса в жидкой, твердой и газовой фазах. Адекватность полученных результатов подтверждена экспериментами. Методики пригодны для инженерных расчетов процесса адиабатной кристаллизации в рассмотренных вариантах исполнения. Даны рекомендации по разработке оборудования для проведения исследованных процессов. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на III и IV международных конференциях «Наукоемкие химические технологии» (Тверь, 1995; Волгоград, 1996), а также на III международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации» (Иваново, 2004 г.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах и 2 патента на изобретения. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения; изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 11 таблиц и список литературы из 143 наименований. Основное содержание работы. Во введении подчеркнута актуальность процесса адиабатной кристаллизации для снижения энергетических затрат при концентрировании водных растворов и получения некоторых продуктов химического производства, поставлены цели работы. В первой главе работы изложены результаты обзора литературы по методам фракционной кристаллизации, описано состояние вопроса по адиабатной кристаллизации и показано её место среди остальных методов, обоснована необходимость изучения и дальнейшей проработки этого метода. В результате анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследований. Во второй главе содержится теоретический анализ процесса адиабатной кристаллизации в больших объемах раствора. В целях удобства рассмотрения процесс был разбит на две стадии - стадию простого испарения в адиабатических условиях при пониженном давлении и стадию собственно адиабатной кристаллизации. Исследование выполнено на примере водно-солевых растворов. При адиабатной кристаллизации в емкостных аппаратах растворов с  концентрацией  , меньшей концентрацииэвтектики  , происходит образо-вание кристаллов льда, маточник обогащается растворенным веществом. При кристаллизации исходных растворов с концентрацией > происходит выделение кристаллов растворенных веществ. Принципиальная схема такого процесса представлена на рис.1. Процесс адиабатной кристаллизации может осуществляться в периодическом или непрерывном режимах. При периодическом разделении исходная смесь F загружается в кристаллизатор АК. С помощью вакуумного насоса ВН и поверхностного конденсатора Т в кристаллизаторе создается разрежение. При понижении давления Р в кристаллизаторе ниже давления насыщенных паров летучего компонента (воды) В раствор закипает. Образующиеся при этом пары П отводятся из кристаллизатора и поступают в конденсатор Т, где они при охлаждении конденсируются и в виде потока V отводятся из конденсатора. Неконденсирующаяся парогазовая смесь удаляется из установки вакуум-насосом ВН. В результате частичного испарения растворителя концентрация раствора в кристаллизаторе постепенно повышается, а его температура за счет адиабатического испарения снижается. Ход такого процесса на диаграмме равновесия фаз рис.2. изображается рабочей линией FH. Стадия простого испарения продолжается до тех пор, пока кипящий раствор не достигает насыщенного состояния, которое соответствует точке Н, лежащей на кривой ликвидуса разделяемой смеси. При этом температура кипящего раствора будет равна  , а его концентрация равна  .При дальнейшем понижении давления в кристаллизаторе испарение растворителя будет сопровождаться образованием кристаллов льда КВ. Ход процесса адиабатной кристаллизации на диаграмме равновесия фаз изображается рабочей линией HN. Кристаллическая суспензия состоит из кристаллов льда КВ и маточника МВ, обогащенного компонентом A. При этом состав маточника соответствует точкам, лежащим на отрезке линии ликвидуса HE. При достижении заданной температуры фракционирования  испарение прекра-щается, и полученная суспензия направляется на стадию сепарации Ф, которая может осуществляться методом вакуумной или центробежной фильтрации.При непрерывной адиабатной кристаллизации в кристаллизаторе постоянно поддерживается остаточное давление  , равное давлению насыщен-ных паров воды при температуре фракционирования . При этом исходный раствор может подаваться в кристаллизатор, через дроссельный вентиль ДВ или же через специальное сопловое устройство.В ходе периодического процесса при отсутствии уноса капель раствора зависимости, описывающие выход паровой и жидкой фаз, имеют следующий вид:
Величина температурной депрессии  зависит от концентрации кипящего раствора  , давления Р и свойств разделяемой смеси. Используя уравнение Тищенко И.А., нами была получены зависимости для расчета температурной депрессии:
и температуры кипения раствора:
а также уравнение для расчета выхода паровой фазы  на стадии простого испарения: .
 Рисунок 1 - Принципиальная схема разделения  Рисунок 2 - Изображение процесса разделения на диаграмме равновесия фаз При расчете адиабатной кристаллизации возникает задача определения точки насыщения раствора, которая характеризуется значениями температуры и концентрации  . Для растворов, близких к идеальным, равновесие фаз в бинарных системах часто описывается уравнением Шредера, которое в случае кристаллизации в кристаллизационном поле воды имеет вид:
Для систем, отличающихся от идеальных, равновесие часто описывают различными эмпирическими зависимостями. В случае, когда линии ликвидуса близки к прямым, можно использовать зависимость:
где  - коэффициент, характерный для рассматриваемой системы.Зная температуру насыщения  , можно определить выход паровой фазы в момент насыщения раствора:
Зависимость для определения концентрации раствора в момент его насыщения имеет вид:
где  ;  ;  .На стадии кристаллизации температура кипения суспензии (фракциони-рования)  определяется уравнением:
Выход кристаллической фазы определяется выражением:
Зависимость для определения концентрации маточника имеет вид:
|
,
.
, 
,
,
.
,
.
,
.
.
.Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Гомеостатическая функция почек и состояние гемодинамики после водно-солевых... Ание ученой степени кандидата филологических наук (Иванова И. Г., Васильева Н. И., Балышева К. А., Митрофанова Т. А., Романова Е.... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цели: познакомить с явлением плавления и кристаллизации, графиком плавления и кристаллизации кристаллического вещества; формировать... |
| Повышение точности технологических систем горизонтальных координатно-расточных... ... |  | Решение заданий из №128, 129 у доски по схеме ... |
| Физический факультет Сравнительное исследование парамагнитных свойств образцов, полученных методом пиролиза аэрозолей и золь-гель методом 19 | | Основные направления развития аэропортов Российской Федерации 7 Ение объединенных авиаотрядов (оао) на аэропортовое и авиатранспортное предприятия 9 |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Социальные водно-экологические... | | Занятие Что такое метод проектов Вам предстоит познакомиться с методом... ... |
| Урока производственного обучения по теме: «Моделирование основы одношовной юбки методом наколки» Обучающая: Формирование знаний, умений и навыков по моделированию основы одношовной юбки методом наколки | | Урок по информатике по теме «Методика обучения сортировке одномерного массива» Образовательная: формирование у учащихся навыков составления алгоритмов сортировки массива методом прямого выбора и методом пузырька;... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель: сформировать представления о процессах плавление и кристаллизации и рассмотреть их основные закономерности | | Исследование процесса плавления и кристаллизации вещества Методика... Место работы. Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №1» |
| Задание Письменно (лаконично) дайте ответы на следующие вопросы:... Цикл: «Современные методы биохимических исследований в лабораторной диагностике» | | Глубина промерзания грунтов важнейший фактор водно-теплового режима земляного полотна Использование интерактивной доски Smart Board и программного обеспечения Notebook |
| Тема урока: Оксиды: состав, номенклатура Тип урока Ввести понятия оксидов, как сложных бинарных соединений; их признаки, классификацию | | Рабочая программа учебной дисциплины диагностика и надежность автоматизированных систем В настоящее время растет сложность систем автоматизации и управления технологическими процессами. К надежности этих систем предъявляются... |
