Совместный однонаправленный массоперенос уксусной кислоты и йода в экстракционной системе при возникновении самопроизвольной межфазной конвекции

Аннотация

В статье рассматриваются закономерности индивидуального и совместного однонаправленного массопереноса двух компонентов с различными поверхностно-активными свойствами в экстракционной системе четыреххлористый углерод — 4%-ый раствор йодистого калия на плоской границе раздела фаз при возникновении самопроизвольной межфазной конвекции. Обнаружено взаимовлияние потоков переносимых веществ на интенсивность массопереноса друг друга в условиях самопроизвольной межфазной конвекции при однонаправленном массопереносе компонентов. При совместном однонаправленном массопереносе уксусной кислоты и йода в условиях самопроизвольной межфазной конвекции происходит увеличение коэффициента массопередачи йода по сравнению с его индивидуальным массопереносом.

Ключевые слова: самопроизвольная межфазная конвекция, эффект Марангони, совместный массоперенос, экстракция, коэффициент массопередачи, уксусная кислота, йод, тетрахлоруглерод, интенсивность массопередачи.

Межфазная конвекция возникает из-за местных изменений в поверхностном натяжении и может проявлять себя по-разному. Ячеистая конвекция (циркуляционные ячейки), волны на поверхности раздела фаз, местные всплески — наиболее часто используемые термины для описания различных типов возмущений. Их можно разделить на две категории: неупорядоченная межфазная конвекция (неустойчивые нарушения) и межфазная конвекция упорядоченного типа (упорядоченная нестабильность потоков или эффект Марангони). Так называемые эрупции представляют собой возмущения первой категории, а ячеистая конвекция (называемая также конвективной нестабильностью или стационарной нестабильностью, нестабильностью с циркуляционными ячейками) является характерным примером возмущений второй категории.

При возникновении межфазной конвекции любого типа скорость массопередачи увеличивается в разы, поэтому создание условий для возникновения самопроизвольной межфазной конвекции может быть использовано для интенсификации массообменных процессов.

В настоящее время существует достаточно большое количество экспериментальных и теоретических работ по исследованию массопереноса в условиях самопроизвольной межфазной конвекции [1−10]. Однако большинство этих работ посвящено исследованию массопереноса одного компонента. Очень часто на практике в процессах экстракции участвуют одновременно два или несколько компонентов, поэтому целью настоящего исследования является получение информации о процессе совместного однонаправленного массопереноса двух компонентов в условиях возникающей на поверхности раздела фаз неустойчивости Марангони.

Нами проведено исследование однонаправленного совместного массопереноса двух компонентов и индивидуального массопереноса этих компонентов на примере экстракционной системы: тетрахлоруглерод — 4%-ный водный раствор йодистого калия. В качестве переносимых компонентов использовали йод и уксусную кислоту, массоперенос осуществлялся из органической фазы в водную.

Эксперимент проводили в термостатированной (20±0,1°С) цилиндрической ячейке при перемешивании фаз двухлопастной двухъярусной мешалкой (скорость перемешивания составляла 60 об/мин). Поверхность раздела фаз составляла 0,12· 10^-2 м², объем каждой фазы 5· 10^-5 м³. Изменение концентраций переносимых веществ во времени контролировали путем отбора проб и их анализа фотометрией (спектрофотометр Shimadzu UV 1800). Диапазон начальных концентраций CH₃COOH в тетрахлоруглероде 0,3; 0,6; 1; 2 моль/л, начальная концентрация J₂ в CCl₄ 0,3 моль/л. Полученные экспериментальные данные были обработаны при помощи программы Microsoft Excel и для анализа были представлены в виде графических зависимостей в координатах коэффициент массопередачи (Км) — движущая сила (ДС).

На рис. 1, 3, 5, 7 показаны зависимости Kм = f (ДС) для индивидуального массопереноса уксусной кислоты и для совместного одностороннего с йодом массопереноса уксусной кислоты. В случае одностороннего с йодом массопереноса происходит незначительное увеличение коэффициента массопередачи кислоты по сравнению с индивидуальным переносом.

Рис. 1. — Индивидуальный и параллельный с йодом массоперенос уксусной кислоты при начальной концентрации кислоты 0,3 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

В опытах по индивидуальному массопереносу йода (рис. 2, 4, 6, 8) было обнаружено, что массоперенос йода протекает в диффузионном режиме, т. е. эффект Марангони не возникает. Однако, при наличии в системе уксусной кислоты, массоперенос йода происходит с возникновением режима межфазной конвекции.

Рис. 2. — Индивидуальный и параллельный с кислотой массоперенос йода при начальной концентрации кислоты 0,3 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

Рис. 3. — Индивидуальный и параллельный с йодом массоперенос уксусной кислоты при начальной концентрации кислоты 0,6 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

Рис. 4. — Индивидуальный и параллельный с кислотой массоперенос йода при начальной концентрации кислоты 0,6 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

Рис. 5. — Индивидуальный и параллельный с йодом массоперенос уксусной кислоты при начальной концентрации кислоты 1 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

Рис. 6. — Индивидуальный и параллельный с кислотой массоперенос йода при начальной концентрации кислоты 1 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

Рис. 7. — Индивидуальный и параллельный с йодом массоперенос уксусной кислоты при начальной концентрации кислоты 2 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

Рис. 8. — Индивидуальный и параллельный с кислотой массоперенос йода при начальной концентрации кислоты 2 моль/л и начальной концентрации йода 0,3 моль/л.

Выводы

• 1. Отмечено взаимовлияние потоков переносимых веществ на интенсивность массопереноса друг друга в условиях самопроизвольной межфазной конвекции при однонаправленном массопереносе компонентов.
• 2. При совместном однонаправленном массопереносе уксусной кислоты и йода коэффициент массопередачи Км уксусной кислоты незначительно увеличивается по сравнению с индивидуальным переносом кислоты. массоперенос уксусный йод
• 3. При совместном однонаправленном массопереносе уксусной кислоты и йода коэффициент массопередачи Км йода значительно увеличивается по сравнению с индивидуальным переносом. Массоперенос йода при одностороннем переносе с уксусной кислотой протекает с возникновением самопроизвольной межфазной конвекции, при индивидуальном переносе йода эффект Марангони не возникает.

• 1. Мостов Л. А., Ермаков С. А, Ермаков А. А., Артамонова Н. А. Кинетика массопереноса йода в условиях самопроизвольной межфазной конвекции через плоскую границу раздела фаз // Журнал прикладной химии. 2011. Т. 84. № 12. С.1968­1971.
• 2. Ермаков А. А., Головина И. Г., Валитов Р. Б. Встречный массоперенос ПАВ в режиме самопроизвольной поверхностной конвекции // Журнал прикладной химии. 1986. Т.59. № 2. С. 450−453.
• 3. Мостов Л. А., Ермаков С. А., Ермаков А. А. Идентификация режимов массопереноса вещества в условиях самопроизвольной межфазной конвекции в системе жидкость-жидкость // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. С. 111−114.
• 4. Ермаков А. А., Назаров В. И., Крылов B.C. Исследование эффектов диффузионного и гидродинамического взаимодействия при многокомпонентной массопередаче в системах жидкость/жидкость // Журнал прикладной химии. 1986.Т. 56. № 10. С. 2337−2343.
• 5. Островский М. В., Абрамзон А. А., Барсуков И. И. Влияние самопроизвольной поверхностной конвекции на коффициент массопереноса // Известия ВУЗов СССР. Химия и химическая технология. 1973. Т. 41. № 6. С. 955−960.
• 6. Huidong Zheng, Weifeng Ren, Kunxiong Chen, Yao Gu, Zhengshuai Bai, Suying Zhao. In? uence of Marangoni convection on mass transfer in the n-propyl acetate/acetic acid/water system // Chemical engineering science. 2014. № 111. pp. 278−285.
• 7. Xue-Yi You, Le-Dao Zhang, Jing-Ru Zheng. Marangoni instability of immiscible liquid-liquid stratified flow with a planar interface in the presence of interfacial mass transfer // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2014. V. 45. № 3. pp. 772−779.
• 8. Тарасов В. В., Ларин Г. Г. Массопередача при периодических возмущениям межфазной границы системы жидкость/жидкость // Теоретические основы химической технологии .2000. Т. 34. № 2. С. 188−194.
• 9. Пикков Л. М., Рабинович Л. М. О расчете скорости массопереноса в жидкости при наличии эффекта Марангони // Теоретические основы химической технологии. 1989. Т.23. № 2. С. 166−170.
• 10. Тарасов В. В., Чжан Дунсян, Хуан Хуннчин. Управление скоростью экстракции с помощью вынужденных течений Марангони // Журнал прикладной химии. 2003. Т. 76. № 7. С. 1132−1137.
• 11. Дресвянникова Е. В. Лекомцев П.Л., Савушкин А. В. Возможности регулирования процессов тепловлажностной обработки в массообменных аппаратах при воздействии электрического поля // Инженерный вестник Дона, 2014, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2235/.
• 12. Ворохобин И. С., Вязенова И. А., Таранушич В. А. Физико-химический анализ системы NH₄NO₃-KNO₃-H₂O при 25 градусах C // Инженерный вестник Дона, 2014, № 1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2281/.