научная статья по теме ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ИЗ ТВЕРДОГО ПОРИСТОГО ТЕЛА С ЗАСТОЙНЫМИ ЗОНАМИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ИЗ ТВЕРДОГО ПОРИСТОГО ТЕЛА С ЗАСТОЙНЫМИ ЗОНАМИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2008, том 42, < 3, с. 254-257

УДК 539.217.2:66.02

ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ИЗ ТВЕРДОГО ПОРИСТОГО ТЕЛА С ЗАСТОЙНЫМИ ЗОНАМИ

© 2008 г. Ю. И. Бабенко, Е. В. Иванов*

ФГУП «"РНЦ "Прикладная химия"», Санкт-Петербург *Санкт-Петербургская химико-фармацевтическая академия babenko@npd. iojfe.ru Поступила в редакцию 06.02.2007 г.

Рассматривается математическая модель, описывающая процесс экстрагирования из полубесконечного капилляра, соприкасающегося по всей длине с застойными зонами. Получены аналитические формулы для зависимости выхода экстрагируемого вещества от времени. Показано, что при больших временах процесс происходит так же, как в изолированном капилляре, но с другим эффективным коэффициентом диффузии.

В практике экстрагирования (система твердое тело-жидкость) встречаются пористые материалы самой разнообразной структуры. Поэтому простейшие модели [1, 2], использующие "образ" одиночного капилляра во многих случаях не объясняют поведение экспериментальных зависимостей "выход целевого продукта-время" на заключительной стадии процесса. Были предложены также более сложные модели [3, 4], но они также заведомо не исчерпывают всего многообразия существующих структур. В настоящей работе рассматривается одна из возможных моделей пористого тела, и анализируются полученные закономерности процесса массопереноса.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Положим, что полубесконечное тело пронизано каналами, начинающимися на поверхности. Каналы соприкасаются с полостями, равномерно распределенными по всей длине. Полости обмениваются веществом только с главным каналом, но не между собой. Естественно, что в математической модели процесса экстрагирования мы будем рассматривать только один канал (рисунок). Займемся выводом уравнений массопереноса для такой системы.

Для элемента объема канала кс(1Ах/4 имеет место уравнение баланса вещества

dC i п d \ jTCi п d \

--Г"Дх- K-¡ТТ"Ах +

д 4 Эх2 4

+ p(C!- C2)endДх = 0.

(1)

канала, соприкасающаяся с застойными зонами; К - коэффициент переноса в канале (в частности, коэффициент диффузии); в - коэффициент мас-сообмена; х - координата, отсчитываемая от выходного сечения канала; г - время.

Физический смысл двух первых слагаемых очевиден, последнее слагаемое описывает "отток" вещества из полости в канал через площадку гпёАх, в предположении, что интенсивность массообме-на пропорциональна разности соответствующих концентраций.

Подчеркнем, что такая постановка задачи вовсе не предполагает, что каналы являются прямолинейными - они могут быть как угодно искривлены. При этом координата х есть расстояние, отсчитываемое от сечения х = 0 вдоль канала.

Положим, что полость, соприкасающаяся с элементом канала Ах имеет объем Г Ах, где Г -

Здесь С1 - концентрация экстрагируемого вещества в канале; С2 - концентрация в застойной зоне; й - диаметр канала; 8 - доля площади поверхности

Схема канала, соприкасающегося с полостями застойных зон.

0

площадь поперечного сечения полости, м2. Уравнение баланса вещества в полости имеет вид

дС

-С ^Ах — Р(С! — С2 )гпй Ах. -г

(2)

Левая часть равенства дает изменение количества вещества в полости, правая - поток через площадку, отделяющую полость от канала.

Система уравнений (1), (2) может быть переписана следующим образом:

-С, -2С, ,

■С _ *—С + у5( С,-С2) = 0,

-С2

— у( С,- С2),

(3)

(4)

С1 — С1( x, г) , С2 — С2(x, г) ;

У —

5 —

Ы 2/4"

С2г) — Со, С2(х, 0) — Со.

(5)

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Систему уравнений (3)-(5) удобно видоизменить, введя новые переменные = С0 - С1, Б2 = С0 - С2 так, чтобы начальные условия сделать нулевыми:

* § + У5< .1-.2 ) — С,

(6)

| = У( .1- .2),

.1 — .1(x, г), .2 — .2(г), х е (0, ~), г е (0, , .1(0, г) — С0, г) — 0, .1(х, 0) — 0,

.2г) — 0, .2(х, 0) — 0.

(7)

(8)

Если под и .2 подразумевать концентрацию, то задача (6)-(8) описывает процесс пропитки полубесконечного массива, начальная концентрация вещества в котором равна нулю. Так как -С1/-х = --.1/-х, диффузионные потоки, определенные из систем уравнений (3)-(5) и (6), (7), одинаковы по абсолютной величине в каждый момент времени в каждой точке пространства, отличаясь лишь знаком.

Уравнение (7) можно переписать в виде

Таким образом, в отличие от случая изолированного канала, появляются два новых параметра - у и 5; первый пропорционален коэффициенту мас-сообмена, а второй есть просто отношение площади поперечных сечений полости и канала.

Замечание. На первый взгляд может показаться, что при ^ = 0 уравнение (3) абсурдно, так как у5 = 4Ре/^ - конечная величина. Однако, как следует из (2), при ^ = 0 имеем С1 = С2 и, таким образом, последнее слагаемое в (3) исчезает.

Положим, что начальная концентрация целевого продукта в жидкости, заполняющей канал и полости, одинакова и равна С0. В момент времени г = 0 отверстие канала открывается и начинается процесс диффузии в окружающее пространство, где происходит интенсивное перемешивание, так что концентрацию на выходе можно считать равной нулю. Требуется определить диффузионный поток через выходное отверстие как функцию времени, а также найти полный выход вещества к моменту времени г.

Таким образом, систему уравнений (3), (4) следует рассматривать в области х е [0, г е (0, дополнив ее условиями

С1 (0, г) — 0, С1К г) — С0, С1 (х, 0) — С0,

.2 —

У

у + -/-г

.1.

(9)

После подстановки (9) в (6) получаем уравнение, содержащее только переменную .1:

-(1 +

- г^ у + -/-г

у5

2

- К

- х2_

— 0.

(10)

Воспользуемся методом дробного дифференцирования, изложенным в [5]. Представим выражение (10) в виде

-г (1 + у + -/- г„

у5

-М -х

- х

X

X

-г(1 + у + -/-г

у5

- х

— 0

и рассмотрим уравнение, образованное правым множителем:

у (1 + 5) + -/-Г у + - / - г

+ ТК-хк—0. (11)

Введя упрощающее обозначение для дифференциального символа -/-г = Б и полагая в (11) х = 0, сразу получаем операторное выражение для диффузионного потока через выходное сечение канала:

—К

-С1 -х

— 4КВ1'2 Б + ,1 (1 + 5 -С0.

Б + у

0

0

х

х

256

Напомним, что операция дробного дифферен цирования определяется выражением [5, 6]

БАБЕНКО, ИВАНОВ

Согласно (14), отсюда получаем

dtv

= Dv f (t) =

i

d

Г( 1- v) dt

J(t - x)-v f (x)dx, v < 1,

(13)

где Г - гамма-функция.

Наиболее просто вычисляется дробная производная от степенной функции:

„VU Г(ц +1) 1

Dr = . v ^ - - ., Ц.-v>-1. Г(|! +1-v)

(14)

Г dC1

2 = 1K -C

-1 dC1 dt = D 1K -т-—1 dx

поэтому из (12) получаем

-1/2 У D + Y( 1 + 5)

Q = vKD^

VD+y

Co

(15)

Реализовать оператор (15) проще всего в виде биномиального разложения по степеням В~1/2:

Q = VK

-1/2. y5n-3/2 у2(45 + 52)d-5/2

D + D -

2

Y3 (8 55 + 4-- 52 + 53 ) 7/2-+ 16

Co.

(16)

Q = CoJK

2 1/2 y5 4 - t +

■ТЛ 2 3уп

Y2( 45 + 52) 8 t5/2 +

3/2 t-

+

8

Y3 (8 5 + 4 52 + 53) 16

(17)

16

105 V п

7/2 -.t -•..

Q . C (VT+5 A ^-Ш;

-1/2 t+

t

Из (19) следует, что при г —► ^ зависимость выхода от времени такая же, как для случая, когда застойные зоны отсутствуют, но с эффективным коэффициентом переноса Ке{ = К(1 + 5). Множитель 1 + 5 равен отношению площади поперечного сечения всей системы канал + полость к площади канала. Момент перехода к такому режиму можно оценить, приравнивая слагаемые в разложении (19):

При Y = 0 или 5 = 0 выражение (12) дает хорошо известное решение для случая одиночного канала.

Выход продукта Q к моменту времени г определяется выражением

t >

1 5 4y 1 + 5.

Можно реализовать оператор (15) в виде единой формулы, описывающей процесс экстрагирования на всем промежутке г е (0, Конечный результат представляется несобственным интегралом от сложной комбинации модифицированных функций Бесселя и его не приводим. Однако для предельного случая 5 —► 0 получить общее решение не представляет труда.

Разлагая (15) в ряд по степеням 5, запишем:

Q = JK

d-1/2 + y5 d

-1/2

: + O(52)

Co

2 D + y

Оператор дроби реализуется формулой [5]

(20)

1

-f(t) = exp(-Yt)D exp(yt)f(t).

(21)

D+Y

Применяя последнюю к f = C0 = const, имеем:

Используя (14), получаем из (16) расчетную формулу

1

-Co =

1

[ 1 - exp(-yt)].

Последняя пригодна для расчетов при достаточно малых значениях г.

Чтобы получить асимптотическое решение для г —► ^ разложим выражение (15) в ряд по степеням оператора В1/2 [7]:

Q = 4КГуТ+5в-1/2-1-Д= в1/2+.„1 с0. (18)

В + Y 0 Y Так как известно выражение

в1/2ехр (-уг) = —2—daw^/Y~г, Улу

где daw(z) = ехр (-г2ехр(ы2)йи - интеграл До-сона, то из (20) получаем расчетную формулу

Q = Со4К х

^ + 5 Ut - 4-daw^l + O (52) -л/п 7п( VY ^

(22)

которая согласуется с (17) и (19).

Можно продолжить разложение по возрастающим степеням параметра 5. Возникающие при

2У,ДГ5

оо

0

0

х

х

0

X

этом операторы легко реализуются с помощью формулы, обобщающей (21) [5]:

—1-—п/(г) — ехр (-уг) Б" ехр (уг) / (г). (В + у)"

Соответствующие результаты, ввиду их громоздкости, не приводим.

Таким образом, проведенное исследование показывает, что при наличии застойных зон, обменивающихся веществом с поровым пространством, качественное поведение кривых "выход целевого продукта-время" не изменяется по сравнению со случаем, когда указанные зоны отсутствуют. Вместе с тем, их наличие может объяснить факт аномально большого значения эффективного коэффициента диффузии, наблюдаемого в некоторых экспериментах.

ОБОЗНАЧЕНИЯ С - концентрация, кг/м3; В - дифференциальный оператор, 1/с; й - диаметр канала, м; / - произвольная функция; К - коэффициент переноса целевого продукта в канале, м2/с;

Q - выход вещества к моменту времени г, кг/м2; ^ - площадь поперечного сечения полости, м2; . - вспомогательная переменная, кг/м3; г - время, с; х - координата, м; и - подынтегральная переменная; в - коэффициент массообмена, м/с; Г - гамма-функция;

у - параметр, характеризующий скорость массообмена, 1/с;

£ - доля площади поверхности канала, соприкасающаяся с застойными зонами; т - подынтегральная переменная.

ИНДЕКСЫ

0 - относящийся к начальному состоянию;

1 - относящийся к каналу;

2 - относящийся к полости; ef - эффективное значение; ц - показатель степени;

v - показатель дробного дифференцирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акс

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком