научная статья по теме МАССОПЕРЕНОС В СИСТЕМЕ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МАССОПЕРЕНОС В СИСТЕМЕ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 1, с. 74-78

УДК 66.021.3

МАССОПЕРЕНОС В СИСТЕМЕ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ © 2015 г. С. В. Натареев, Н. Р. Кокина, О. С. Натареев, Е. А. Дубкова

Ивановский государственный химико-технологический университет

natoret@mail.ru Поступила в редакцию 03.04.2012 г.

С помощью метода интегральных преобразований Лапласа найдено аналитическое решение задачи о диффузионном извлечении вещества из твердого тела пластинчатой формы в аппарате проточного типа. Разработанная математическая модель применена для исследования процесса выщелачивания хлористого цинка из фибры.

Ключевые слова: массоперенос, система твердое тело—жидкость, выщелачивание, раствор, пористое твердое тело, кинетика, аналитическое решение, математическая модель.

БО1: 10.7868/80040357115010091

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее простая постановка задачи о переносе вещества в системе твердое тело—жидкость состоит в изучении пространственно-временного изменения содержания вещества внутри твердого тела. Для упрощения решения вышеуказанной задачи обычно принимают коэффициент диффузии постоянной величиной по всему объему тела. Аналитическое решение задачи диффузии, лимитируемой внутренним и внешним сопротивлениями массопереносу, для тела канонической формы, помещенного в раствор с постоянной концентрацией, может быть получено по аналогии с известной задачей о поглощении теплоты телом при граничных условиях третьего рода [1, 2]. В реальных условиях в процессе массообмена между фазами наблюдается изменение концентрации вещества не только в твердом теле, но и в окружающем растворе. В этом случае для решения уравнения диффузии может быть использован математический аппарат задачи о поглощении вещества твердым телом из ограниченного объема окружающей среды [3, 4]. Целью данной работы является дальнейшее развитие аналитической теории диффузии в области решения краевых задач нестационарного переноса вещества в телах канонической формы с учетом изменения концентрации раствора и характера движения фаз в аппарате проточного типа.

точного типа. Примем, что в аппарат помещены неподвижная пластина с объемом поровой жидкости V с начальной концентрацией С0, и раствор объемом V с концентрацией вещества С0. Твердая фаза имеет пористость ем и не обладает сорбцион-ными свойствами. Структура потока жидкой фазы в аппарате описывается моделью идеального перемешивания. В аппарат поступает раствор с объемным расходом О и концентрацией вещества Свх. Одновременно из аппарата выводится равное количество раствора с концентрацией вещества С(т). Скорость процесса массообмена между твердой и жидкой фазами лимитируется как внешней, так и внутренней диффузией. С учетом принятых допущений математическое описание процесса включает следующие уравнения: уравнение материального баланса аппарата идеального смешения проточного типа:

VdC® + в= О [Свх - С(т)];

(1)

й Т й т

уравнение кинетики диффузии для тела пла стинчатой формы:

дС(х, т) ^ д С(х, т)

= иэф ^ 2 ;

(т > 0; 0 < х < Д); (2)

дт дх 2

уравнение для определения средней концентрации вещества в твердом теле:

ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ

Рассмотрим процесс диффузионного извлечения вещества из пористого твердого тела пластинчатой формы в периодическом аппарате про-

Сср(т) = 1/Я ]С(х,т)йх;

начальные и граничные условия: С(х,0) = СсР(0) = С0; С(0) = С0;

(3)

0

= 0; C(0, т)

дх

Ф да;

n dC (R, т)

D.

эф

дх

ß [С(т) - C(R, т)].

(5)

(6)

Введем в рассмотрение новые переменные и безразмерные величины:

N(Z, FoJ = СвХ - C(x, т); Ncp(Fom) = СвХ - Ccp(x); N(Fom) = Cвх - C(T);

N(0) = Сев - Co; N(0) = Сев - Co; Bim =eR•

D

эф

T-. ^^эф^ i- x

Fom = —t- —; m R2 R

a = £Z; QR

V x VD

(7)

эф

Система уравнений (1)—(6) в новых переменных будет иметь вид:

dN (Fom) + а dN cp(Fom)

dFo„

dFo„

= -XN (Fom); (8)

dN fe Fom)_д 2 N fe Fom).

dFo„

dq

(Fom >0; 0 <q< 1);

i

Ncp(Fom) = JN ( Fom )d%

(9)

(10)

N&0) = Ncp(0) = N0; N(0) = N0; (11) dN (0, Fom)

d%

= 0; N(0, Fom)

(12)

d Xfe s)

d ü2

- sNl(Ü, s) + N о = 0,

(14)

где ж — комплексный параметр.

Общее решение операторного уравнения (14)

есть

Nl(£, s) - No = Ach4s^ + BshVs^.

(15)

Перейдем в уравнении (12) в область изображений и подставим в полученное выражение решение (15):

0Nl(0, s) =

(16)

= [VsAshVsg, + VsBchV^]^ q = -JsB = 0,

откуда B = 0.

Операторное уравнение (15) примет вид:

Nl(£, s) - No = AchTs

s

Среднее значение функции NL (2,, s):

shVs.

(17)

(18)

NcpL(s) - rs s vs

Запишем уравнение материального баланса (8) и граничное условие (13) в области изображений:

snl(s) - N0 + g[sNcpl(S) - N0] = -XNL(S); (19) = Bim [Nl(s) - Nl(1, s)]. (20)

Выразим из уравнения (19) функцию NL(s) и подставим ее величину в условие (20):

ONlH s) = dl

^ (21)

= Bim {N

ls + X s + x

Удовлетворим решения (17) и (18) условию (21), а затем из полученного соотношения найдем постоянную А:

Bim [sNp - (s + x)Np]

CT r„ÄT

[sNсрL(s) - N0]- Nl(1, s)[.

A =

(22)

s [(s + X + Bima-)Vssh\/s + Bi m(s + x)ch/s ]' Решение в области изображений будет иметь вид:

NlG, s) - N = s

(23)

^Жр^ = т [т) - N(1, БСт)]. (13)

Для решения краевой задачи (8)—(13) будем использовать метод интегральных преобразований Лапласа [5].

Запишем операторное уравнение, соответствующее уравнению (9):

_ В1 т [[ - (5 + x)Nо]ен (Щ _ 9(5) 5 [(5 + X + В^СТ^Ь/я + В1 т(,У + ] \|/(у)

Числитель и знаменатель решения (23) представляют собой обобщенные полиномы относительно ж. В этом нетрудно убедиться, используя непосредственное разложение гиперболических функций в степенной ряд. Следовательно, для выполнения обратного преобразования Лапласа может быть применена вторая теорема разложения:

L

-1

y(s) _¥(s)_

yjs„) =1 ¥ Ю

+ exP(s«Fom ).

= Ф(0) ¥ '(0)

Найдем корни жп, для чего у(ж) приравняем ну лю, т.е.

¥(5) =

= 5 [(ж + X + В1 тст)л/5зЬл/5 + В1 т(5 + х)е^л/ж] = 0.

Отсюда будем иметь: 1) ж = 0 (нулевой корень), 2) бесконечное множество корней ж„, определяемых из уравнения:

(24)

(25)

2

0

76

НАТАРЕЕВ и др.

(27)

(s + х + Bimüh/Ssh/S + Bim (S + x)ch/S = 0. (26) tg = Bim(x-^2)

Осуществим переход от гиперболических функ- ^ + Bi а - р,2)'

ций к тригонометрическим и обозначим i^s = В соответствии с соотношением (24) найдем

Получаем вспомогательные величины

Ф(0) =

v'(0)

Bim [ - (s + x)Nо](l + ^ + -l^s2^4 + ...) (s + x + Bima^Vs fVs + ^ +1 shVs + Bim(s + x) (l + - s + ...

¥'(s«) =

s [(s + x + Bi mo)Tss h/s + Bi m(s + x)ch/s ]}' 2f {[(1 + Bim )(x - In ) - 2| n + Bi mo] sin | „

+ Цn [x - ll + Bim + 2)] COs |„} ,

(29)

; = -No,

№„) = Bim [sNо - (s + X)Nо ] ch (V^) =

= -Bim [^lN0 + (x - 2l4) N0] COs (щ£) .

ф(0)

(28)

(30)

Учитывая найденные значения т , ф($п) и

¥'(0)

у'(sn) получим решение задачи в виде:

F(x, т) = С (X Т) - Свх = cos / , (31)

C0 - Свх п=1 Ип ^ ^

где A„ =

2Bi m - (ä -С в: Ь-цП .

(1 + Bim)(х - ) - 2цn + BimCT sin Цn + Цn [Х - Цn + Bim (о + 2) COS Цn

Если подставить в соотношение (3) вместо

С (х, т) решение (31), то после интегрирования получим

^cp(T) =

Сср (т) Св:

С0 — Св:

= Z A

l=1

sin Иn e" R2 2 е И n

(32)

V^ = SD^ ^ d т öx

(33)

Уравнение материального баланса (1) может быть записано так

dC (т) + р SD dC (x, т)

V —;--+ 6 мSDэф—--

d т dx

= Q [Свх - С(т)]. (34)

x=R

Решение (31) позволяет проанализировать влияние объемного расхода раствора, поступающего в проточный аппарат, соотношения объемов твердой и жидкой фаз в аппарате, толщины пластины и других параметров процесса на распределение концентрации вещества по внутренней координате твердого тела. Уравнение (32) может быть использовано для определения средней концентрации вещества по объему твердой фазы в любой момент времени.

Используем равенство, отражающее тот факт, что скорость выхода раствора из объема тела пластинчатой формы должно быть равно скорости, с которой раствор проходит через поверхность этого тела:

Учтем, что V = ¿Я. Если подставить в уравнение (34) вместо С (х, т) решение (31), то после дифференцирования, принятия х = Я и интегрирования получим

0(Т) = С(т) Свх = e" R* + а

С0 Св:

Z

■=1 X - И n

(35)

и1 + (х-и n)

2 \ I С0 Св-

С0 Св

Sin И г.

- R2

ХДэфт^

- e

x=R

Уравнение (35) может быть применено для расчета концентрации раствора на выходе из аппарата в любой момент времени.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ НА ЭВМ

Полученные решения (31), (32) и (35) были применены для исследования процесса выщелачивания хлористого цинка из фибры. При выполнении вычислительного эксперимента устанав-

30

n

X

ливали влияние расхода жидкой фазы и входной концентрации раствора на кинетику выщелачивания. Параметры процесса приняты из работ [6, 7]: С0 = 1300 кг/м3; С0 = 1300 кг/м3; V = 1.1 х 10-4 м3; V = 6.5 х 10-3 м3; ем = 0.5; Я = 1.6 х 10-3 м; р = 1 х х 10-5 м/с. Расход раствора 2, поступающего в аппарат, составлял 2 х 10-6 и 4 х 10-6 м3/с. При входных концентрациях раствора Свх, равных 1000 и 700 кг/м3, значения коэффициентов диффузии Бэф принимались соответственно 2.6 х 10-10 и 3.8 х 10-10 м2/с.

В качестве примера на рис. 1 изображены кривые распределения относительной концентрации хлористого цинка в неограниченной пластине толщиной 3.2 х 10-3 м по относительной координате для различных моментов времени процесса выщелачивания, расчетного при 2 = 2 х 10-6 м3/с и Свх = 700 кг/м3. На рис. 2 и 3 показаны соответственно кинетические кривые процесса выщелачивания фибры и зависимости изменения безразмерной концентрации раствора на выходе из аппарата при различных условиях протекания процесса. Из данных рисунков видно, что увеличение объемного расхода раствора и уменьшение его входной концентрации приводит увеличению скорости выщелачивания фибры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получено аналитическое решение задачи нестационарной диффузии для неограниченной пластины при граничных условиях третьего рода, в которых концентрация раствора С задается в виде функции, зависящей от времени процесса т, а в качестве закона С = /(т) используется уравнение материального баланса аппарата идеального смешения проточного типа. Полученное решение апробировано на примере выщелачивания хлористого цинка из фибры.

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