научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ ФЕНОЛОВ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ГРАНУЛ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ ФЕНОЛОВ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ГРАНУЛ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2008, том 42, № 3, с. 269-275

УДК: 66.021.3.001.57

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ ФЕНОЛОВ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ГРАНУЛ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ

© 2008 г. Д. С. Арабике, О. А. Олафадехан

Университет г. Лагос, Нигерия olafadehan@yahoo.com Поступила в редакцию 29.10.2003 г., после доработки 12.05.2006 г.

Проведено математическое моделирование процесса адсорбции фенолов в неподвижном слое гранул активированного угля. Построена модель процесса, учитывающая продольное перемешивание жидкофазного потока, внешне- и внутридиффузионное сопротивление потока реактантов в гранулах активированного угля, явления адсорбции фенолов на поверхности гранул активированного угля. Показано, что анализ сложной многокомпонентной адсорбционной системы может быть упрощен путем ее преобразования в псевдооднокомпонентную систему. В качестве псевдооднокомпо-нентного реагента выбран фенол. Полученные уравнения в частных производных модели преобразованы с использованием метода ортогональных коллокаций в систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которые решались полунеявным методом Рунге-Кутта третьего порядка в сочетании с автоматическим выбором шага интегрирования. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными, полученными на пилотной установке.

Жестокая конкуренция между обрабатывающими отраслями промышленности и необходимость защиты имеющегося рынка ставят серьезные задачи перед инженерами-химиками. Однако у инженеров имеется постоянно растущий набор инструментов для решения этих задач. Одним из таких инструментов является моделирование, и появление быстродействующих ЭВМ сделало его применение в химической технологии крайне интересным и полезным. Кроме того, использование моделей позволяет отказаться от проведения дорогостоящих и трудоемких экспериментов. Таким образом, моделирование снижает расходы на проведение исследований и компенсирует время и усилия, затраченные при разработке моделей. Например, могут быть разработаны математические модели для построения кривых проскока адсорбционных систем, которые широко используются при очистке промышленных сточных вод от органических загрязнений.

Адсорбция в неподвижном слое широко применяется для очистки жидких смесей, особенно промышленных стоков. Уже более двух десятилетий гранулы активированного угля используются для обработки сточных вод. Это вызвало значительный интерес к изучению адсорбции многокомпонентных смесей [1-9]. Томас и Лом-бар ди [10] изучали адсорбцию бинарной смеси бензол-толуол в неподвижном слое активированного угля, используя простые полуэмпирические модели. Куни и Струзи [11] получили аналитическое решение для концентрационных профилей двух веществ при предположении, что в анализируемых системах реализуются псевдобинарные

изотермы Глюкауфа. Гариепу и Цвибель [12] изучали адсорбцию бинарных смесей в неподвижном слое, но их модель не учитывала диффузионное сопротивление потока внутри частиц.

Уравнения математических моделей адсорбционных систем могут быть решены методом ортогональных коллокаций. Этот метод, разработанный более двух десятилетий назад [13, 14], особенно удобен для решения краевых задач и требует меньшего времени вычисления по сравнению с традиционными методами конечных разностей. Метод ортогональных коллокаций широко используется для моделирования адсорбционных систем [15-20].

Целью настоящей работы является разработка обобщенной математической модели для расчета суммарной концентрации фенолов, удаленных из промышленных сточных вод, в неподвижном слое гранул активированного угля. Многокомпонентная адсорбционная система будет преобразована в псевдооднокомпонентную систему путем объединения концентраций органических соединений. Модель учитывает как межфазный массоперенос, так и массоперенос внутри частиц, а также адсорбцию реагентов на внутренней поверхности гранул адсорбента.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Модель описывает адсорбцию веществ из потока жидкости в неподвижном слое гранул активированного угля. Для того чтобы упростить решение, органические вещества объединены в один

компонент. Поэтому считаем, что адсорбционная система является псевдооднокомпонентной. Уравнение материального баланса для адсорбируемого вещества из потока жидкости гранулами активированного угля записывается следующим образом:

д C ¡

-г--i = D

д2 C

- Uf

д с

д t ~L1 дz2 f dz

1- W 3

efc AR

Kfi (C - X¡)

(1)

= R

(ü) UfCoi(t) - UfC¡\z = o + Dli

= 0, (t > 0), (3)

z = 0

(iii)

-д---C----

--д---z---

= 0, (t > 0).

(4)

z = zT

£ p д ( 2 д ХЛ д Xi

Л. — ( r D__¡ + f = £ —'■ +

f2 дr^r Dpi дr ) Jri p дt

W д^-L Y д^

(5)

j=1

д X;)v д t )

со следующими начальными и граничными условиями:

(i) Xi = 0 (t = 0, 0 < r < R, 0 < z < zt) (6)

(ii)

£ pDT

-р~р\д r )

= Kfi(Ci - Xi)

r = R

(7)

(iii)

(0 < z < zT, 0 < r < R, t > 0) д X;-

д r

= 0 (0 < z < zt, 0 < r < R, t > 0) (8)

r = R

Фрейндлиха применима к адсорбции фенолов в неподвижном слое гранул активированного угля и, следовательно, ее использование в настоящей работе оправдано. Изотерма Фрейндлиха описывается следующим выражением:

* V '

qi = afiXi .

(9)

Начальные и граничные условия, необходимые для решения уравнения (1), следующие:

(i) C = Coi, (t = о, 0 < z < zt), (2)

д с

Материальный баланс для адсорбируемого вещества в жидкости в грануле адсорбента представим в виде:

Уравнения (1)-(8) обычно выражают для каждого из компонентов (загрязнений) многокомпонентной адсорбционной системы. Рассматриваемая система является многокомпонентной, поскольку она связана с удалением фенолов из сточных вод. Однако сложная многокомпонентная адсорбционная система была преобразована в од-нокомпонентную систему, которая легче поддается математической обработке, чем многокомпонентная система. Последняя является псевдоодно-компонентной адсорбционной системой, в которой фенолы объединены в один компонент [21]. Такой подход был основан на том, что промышленные сточные воды, использованные в эксперименте, содержали в основном фенолы.

ЧИСЛЕННЫИ МЕТОД РЕШЕНИЯ

В качестве численного метода решения дифференциальных уравнений в частных производных (1)-(8) использовали метод ортогональных колло-каций. Предварительно зависимые и независимые переменные данных уравнений были приведены к безразмерному виду. Введены следующие безразмерные переменные:

r R2

tD

° =-; Т= А

; А = п R ;

7 ~ C; — X;

_ . _ _. -у _ _.

= _ ; Ci = с ; Xi = C ;

C oi C oi

zt

qL

Приведенные выше уравнения модели являются нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, второго порядка относительно г (расстояние в продольном направлении) и первого порядка относительно времени Эти уравнения применимы к адсорбции органических загрязнений из сточных вод в неподвижном слое адсорбента при использовании соответствующей изотермы адсорбции. Ранее экспериментальная работа настоящих авторов [21] выявила, что равновесные данные для данной системы адекватно описываются изотермой адсорбции Фрейндлиха при температуре 25°С и давлении 1 атм. Это свидетельствует о том, что нелинейная изотерма

Q* = q*; Pei =

oi

zTUf_

D

L1

2 RKfi Sh = —f.

£ D

p pi

Преобразованные уравнения для однокомпонент-ной системы для жидкой фазы и для жидкости, находящейся в порах, в отсутствие химической реакции записываются следующим образом:

д Ci

д2 Ci

д Ci

_ = -Vl _ + у дz2

- у з (Ci- X i )|

(10)

а, = (£р-А 114 а

^ Ut

R

д X i д X i i 1Ч

ü-X'+'-Xr.1' (11)

+

где

U f A

V i = —fr-, V2 =

U f A

Vi

zTDpi T2 zTPei Dpi Pei

, i - Eb\(3 VKf iA^ V 3 - 1-" - "

Eb JVRJV Dpi a, = E p(«g*

Начальные и граничные условия преобразуются следующим образом:

Сх,} = 1, (; = 1, 2, ..., N + 2, т < 0), (20)

^ +2 \

Ci, i = i +

i

_P____e___ i

E Ai,kCi,

\k = i

, С Z = 0, т > О ), (21)

N + 2

Coi Vd X i

со следующими преобразованными начальными и граничными условиями:

E An+2, kCi,k = О, (Z = 1, т > G),

(22)

k = i

(i) Ci = i, С О < z < i, т < О ),

(ii) Ci с о, т) = i +( -_-¥ ^

г.л (dCi

(Ш) Z..

Когда метод ортогональных коллокаций применяется для решения уравнений (11) модели систе-

(12)

мы для сферической частицы последние преобразуются к виду:

Z = 0

PeiJV Э Z J = 0, (т> 0 ), (iv) Xi = 0, (0 <а< i, т < 0),

= ( Ci-Xi )|а =i,

(0 < Z < i, т > 0),

= 0, (0 < Z < i, т > 0)

_4_( dX

(v) ShiVda

а = i

(т> 0), (13)

(14)

(15)

(16)

dXi_ j = £pA

d т

NR + i

ai R2

NR + i

Li, k

(23)

4 a j £ Bh kX i,, + 6 £ Aj, kX 1

V k=1 k=1

(j = 1, 2, ..., NR),

при условии

Xi, j = 0, j = 1, 2, ..., NR + 1, T < 0, (24)

fNR + 1 \

= C1, j - X1, N +1,

S h i

(vi) (Ir

E AN + i, kXi, k k = i J

j = 2, 3, ..., NR + 1,т> 0,

(25)

(17)

а = 0

Применяя изотерму Фрейндлиха для однокомпо-

где NR - число коллокационных точек в радиальном направлении внутри частицы адсорбента.

Следует отметить, что граничные точки Z = 0

нентной системы, получим соответствующую без- и Z = 1 взяты как внешние коллокационные точки

размерную переменную а1:

— «1-1

а = гр + af 1«1( C01X1 ) . Уравнения (10) и (11) с соответствующими на

при решении уравнения (10), тогда как для уравнений (11) только граничная точка а = 1 взята как (18) внешняя коллокационная точка.

Уравнения (21) и (22) были использованы для сокращения размерности системы уравнений

чальными и граничными условиями пРедставля- (19)-(22). Они были разрешены относительно ют собой систему двух нелинейных дифференци- - -

альных уравнений в частных производных, кото- Си 1 и Си N + 2 и затем последние были подставле

рая может быть решена только численно.

При применении метода ортогональных коллокаций для решения уравнения (10) последние записываются следующим образом:

ны в (19):

dCi

N + 2

d т

j _

V2

N + 2

- V i

E aj, kci,

E bj, kci k = i k = i

- V3(Ci, j - Xi,N + i), (j = 2, 3, ..., N + i),

(19)

N + i

Ci, i = Pei + E Ai,kCi, k,

k=2 N + i

Ci, N+2 = Pei' + E Ai',kCi,k,

k=2

(26)

(27)

где

где N - число внутренних коллокационных точек в продольном направлении. Были добавлены две дополнительные точки, чтобы учесть граничные точки на входе и выходе реактора с непод

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