ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 2, с. 226-228
УДК 66-936.35
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РЕАКЦИИ ГИДРОЛИЗА В РОТОРНОМ АППАРАТЕ
С МОДУЛЯЦИЕЙ ПОТОКА © 2015 г. В. Ф. Юдаев
Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского
roden_67@mail.ru Поступила в редакцию 18.02.2014 г.
Приведены и обсуждены эксперименты по реакции гидролиза тетраэтоксисилана в роторном аппарате с мешалкой.
Ключевые слова: алкоксиды, тетраэтоксисилан, этанол, диоксид кремния, интенсификация, мешалка, роторный аппарат.
БО1: 10.7868/80040357115020141
ВВЕДЕНИЕ
Химическая реакция гидролиза широко используется во многих отраслях промышленности, например, гидролиз древесины, гидролиз жиров, в биопроцессах. Гидролиз исследуется теоретически [1, 2]. Здесь рассматривается экспериментально гидролиз тетраэтоксисилана в роторном аппарате с модуляцией потока (РАМП) и аппарате с мешалкой.
Алкоксиды широко используются в науке и технике, в основном, для получения высокочистых оксидов и элементов. Так, комплексная переработка тетраэтоксисилана (ТЭОС) позволяет производить в больших масштабах особо чистые диоксид кремния для кварцевого стекла и этанол:
81(0С2И5)4 + 2Н20 ^ 8Ю2 + 4С2Н5ОН.
Реакция является примером гетерогенных превращений, где собственно химическая реакция протекает с выделением теплоты со скоростью, намного превышающей скорость диссипации энергии в жидкость в гидравлическом тракте вследствие интенсивного перемешивания гетерогенных жидких систем и других тепломассообменных процессов в стадиях получения конечного продукта. Интенсификация процессов в стадии получения конечных продуктов может достигаться путем повышения степени турбулизации в микромасштабе и других эффектов, в том числе, импульсной кавитации, уменьшающих толщину диффузионного слоя до нанометров.
В исследуемом процессе и в ряде других аналогичных процессах одновременно с реакцией гидролиза протекает сложный процесс конденсации, чередующийся с гидролизом. При избытке воды и при быстро нарастающей температуре скорость гидролиза превалирует над скоростью диссипации механической энергии. Это достигается уве-
личением интенсивности перемешивания в аппаратах с мешалками. Однако эти аппараты не могут исчерпать резерв возможности повышения интенсификации процесса.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Создание высокоэффективных аппаратов-реакторов является насущной проблемой химической технологии и машиностроения. В задачу настоящих исследований входило обоснование использования в подобных процессах разработанных роторных аппаратов с модуляцией площади проходного сечения потока обрабатываемой среды (РАМП) [3] (рис. 1).
Вода и ТЭОС являются несмешиваемыми жидкостями. При исследовании процесса гидролиза в реакторах периодического действия с мешалками максимальная продолжительность реакции составляла 3 часа. Скорость гидролиза оценивали по скорости изменения температуры смеси. В аппарате с мешалкой в течение первого часа температура смеси увеличивалась со средней скоростью 5 х 10-3 К/с, а затем температура асимптотически приближалась к своему максимальному значению (322 К).
Установка на базе роторного аппарата с модуляцией потока периодического действия включала линию рециркуляции 5 (рис. 1). Ротор РАМП имел внутри лопатки и выполнял одновременно роль рабочего колеса насоса в линии рециркуляции. Смесь жидкостей многократно проходила через аппарат 3. Из емкости 1 смесь поступала в полость ротора, под действием центробежных сил вытекала периодически через подвижные отверстия в боковой стенке ротора в неподвижные отверстия в боковой стенке статора, откуда вытекала в камеру аппарата и через выходной вентиль 4 по трубопроводу в емкость 1. В камере аппарата
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РЕАКЦИИ
Рис. 1. Схема установки на базе РАМП для проведения процесса гидролиза: 1 — емкость, 2 — манометр, 3 — РАМП, 4 — регулирующий вентиль, 5 — линия рециркуляции, 6 — термометр.
давление (измерялось манометром 2) жидкости поддерживалось при помощи вентиля 4 постоянным, температуру измеряли термометром жидкостным 6. Гидролиз проводился со смесью 38 литров следующего состава: 15 л ТОЭС; 22 л воды; 1 л 27%-го раствора аммиака в воде. В этом случае средняя скорость увеличения температуры за первые 30 минут составляла 2.9 х 10-2 К/с, т.е. скорость возрастала в 5.8 раза. Если в реакторе с мешалкой увеличением температуры вследствие диссипации энергии можно пренебречь, то в РАМП диссипативной энергией пренебрегать не следует.
В РОТОРНОМ АППАРАТЕ 227
t, мин
Рис. 2. Зависимость изменения температуры смеси от времени в процессе гидролиза: 1 — в аппарате с мешалкой, 2 — в роторном аппарате, 3 — нагревание воды в роторном аппарате.
раза, чем вследствие диссипации энергии в РАМП и почти в 7.8 раз больше (с увеличением температуры смеси теплоотток из установки возрастает) скорость увеличения температуры в РАМП за счет только гидролиза, чем в мешалке.
Из рис. 2 видно, что за счет увеличения интенсивности перемешивания и обеспечения эффективности использования теплоты в РАМП процесс гидролиза протекает во много раз быстрее и на более высоком температурном уровне, что приводит к достижению полноты реакции. Приведенные кривые Т(0 для других типов аппаратов (с мешалкой) протекают с меньшей скоростью и необходимый уровень температуры не достигается.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для оценки скорости диссипации энергии, ведущей к увеличению температуры смеси, опыты проводили с тем же объемом воды. При этом температура возрастала со скоростью 3.3 х 10-3 К/с. Оценим отношение скоростей диссипации энергии при работе РАМП на воде и выделении энергии при проведении процесса гидролиза. Для этого определяя экспериментально выделение теплоты в рабочую жидкость вследствие диссипации энергии при работе аппарата на воде; вследствие диссипации и реакции в ТЭОС можно вычислить отношение удельных выделений теплоты в воде и смеси ТЭОС по известным их теплофизическим свойствам [2].
Как следует из рис. 2, скорость выделения теплоты при гидролизе ТЭОС в РАМП больше в 8.8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В связи с интенсивным перемешиванием смеси в РАМП можно предположить, что и скорость процесса гидролиза ТЭОС примерно в 8 раз больше, чем в мешалке и его можно использовать для интенсификации процессов гидролиза. Качественно доказан эффект существенной интенсификации гидролиза и, соответственно, сопутствующего процесса выделения этанола из продуктов реакции.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
С — теплоемкость тела (смеси, воды), Дж/К; с — удельная теплоемкость, Дж/(кг К); т — масса, кг;
q — скорость теплопритока, Дж/с; г — радиальная координата; Т — температура, К;
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 49 № 2 2015
7*
228
ЮДАЕВ
? — время, с;
V — линейная скорость внешней боковой поверхности ротора относительно статора, м/с; а — объемная концентрация воды в смеси, доля; ц — коэффициент динамической вязкости жидкости, Па • с;
р — плотность, кг/м3; ( ) — среднее значение величины.
ИНДЕКСЫ
0 — начальное значение; в — вода;
к — конечное значение; см — смесь; Т - ТЭОС; у — установка;
х — мощность выделения теплоты при гидролизе; • — первая производная по времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Smolyakov V.K., Lapshin O.V., Boldyrev B.B. Dynamics of Mechanochemical Synthesis in Heterogeneous Systems // Theor. Found. Chem. Eng. 2008. V. 42. № 2. P. 128.
2. Vasilenkov V.A., Koltsova E.M., Tarasov V.V., and Gordeev L.S. Methods of mass Transfer Processes in Liquid-Gas Systems // Theor. Found. Chem. Eng. 2008. V 42. № 3. P. 258. [Василенко В.А., Кольцова Э.М., Тарасов В.В., Гордеев Л.С. Методы фрактальной геометрии для исследования и моделирования массо-обменных процессов в системах жидкость-жидкость // Теорет. основы хим. технол. 2008. Т. 42. № 3. С. 258.]
3. Юдаев В.Ф. Гидромеханические процессы в роторных аппаратах с модуляцией проходного сечения потока обрабатываемой среды // Теорет. основы хим. технол. 1994. Т. 28. № 6. С. 581.
4. Рябенко Е. А., Блюм Г. З., Ивлиева С. С. и др. Очистка тетраэтоксисилона // Хим. промышленность. 1978. № 10. С. 24.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 49 № 2 2015
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.