О влиянии распределения удельной скорости диссипации на эффективность массопереноса в аппаратах с жидкофазными средами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выполнен теоретический анализ влияния распределения локальной удельной скорости диссипации энергии на удельную поверхность контакта фаз, поверхностный и объемный коэффициенты массоотдачи в аппаратах с гетерофазными процессами и жидкой сплошной фазой, а также на качество смешения в аппаратах с гомофазными реакциями в жидкой фазе. Показано, что среднее по объему аппарата значение удельной скорости диссипации энергии не является полноценным критерием для оценки полезного эффекта, поскольку не учитывает, с одной стороны, локальный уровень диссипации энергии в активных зонах, с другой стороны, особенности структуры потоков и локальное время пребывания в активных зонах, в зависимости от геометрии аппарата и способа ввода в него энергии. Обсуждаются предельные случаи: неравномерное распределение энергии при наличии небольшой зоны объема с высокой скоростью диссипации; идеально равномерное распределение энергии по всему объему аппарата. В первом случае существенная часть объема используется неэффективно, во втором случае затрачивается чрезмерное количество энергии. В связи с этим рассматриваются концепции дозированного распределенного ввода энергии для длительных процессов и максимальной концентрации энергии в микрообъеме для быстропротекающих процессов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Ш. Абиев

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: abiev.rufat@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Teychené S., Rodríguez-Ruiz I., Ramamoorthy R.K. Reactive crystallization: From mixing to control of kinetics by additives// Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2020. V. 46. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2020.01.003;
  2. Bałdyga J. Mixing and fluid dynamics effects in particle precipitation processes. KONA Powder Part J 2016, 33:127.
  3. Villermaux J. Micromixing phenomena in stirred reactors. Encyclopedia of fluid mechanics. Houston: Gulf Publishing Company. 1986
  4. Patil S., Kate P.R., Deshpande J.B., Kulkarni A.A. Quantitative understanding of nucleation and growth kinetics of silver nanowires// Chem. Eng. J. 2021. V. 414. I. 128711. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128711
  5. Tanimu A., Jaenicke S., Alhooshani K. Heterogeneous catalysis in continuous flow microreactors: A review of methods and applications// Chem. Eng. J. 2017. V. 327. P. 792. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.161
  6. Vacassy R., Lemaître J., Hofmann H., Gerlings J.H. Calcium carbonate precipitation using new segmented flow tubular reactor// AIChE J. 2000. V. 46. P. 1241.
  7. Zhao C.-X., He L., Qiao S.Z., Middelberg A.P.J. Nanoparticle synthesis in microreactors // Chem. Eng. Sci. 2011. Vol. 66. P. 1463. https://doi.org/10.1016/j.ces.2010.08.039
  8. Nightingale A.M., deMello J.C. Segmented Flow Reactors for Nanocrystal Synthesis // Advanced Materials. 2013. V. 25. № 13. P. 1813. http://dx.doi.org/10.1002/adma.201203252
  9. Abiev R.S., Kudryashova Y.S., Zdravkov A.V., Fedorenko N.Y. Micromixing and Co-Precipitation in Continuous Microreactors with Swirled Flows and Microreactors with Impinging Swirled Flows // Inorganics. 2023. V. 11. Paper 49. https://doi.org/10.3390/inorganics11020049
  10. Paseta L., Seoane B., Julve D. et al. Accelerating the Controlled Synthesis of Metal–Organic Frameworks by a Microfluidic Approach: A Nanoliter Continuous Reactor. ACS Applied Materials & Interfaces. 2013. V. 5 (19). P. 9405.
  11. Mu Z., Zhu Y., Li B. et al. Covalent Organic Frameworks with Record Pore Apertures // Journal of the American Chemical Society. 2022. V. 144 (11). P. 5145.
  12. Stock N., Biswas S. Synthesis of Metal-Organic Frameworks (MOFs): Routes to Various MOF Topologies, Morphologies, and Composites. Chemical Reviews. 2012. V. 112 (2). P. 933.
  13. Klapötke Th.M., Sabaté C.M., Stierstorfer J. Neutral 5-nitrotetrazoles: easy initiation with low pollution // New J. Chem. 2009. V. 33. P. 136. https://doi.org/10.1039/b812529e
  14. Abiev R.Sh., Makusheva I.V. Effect of Macro- and Micromixing on Processes Involved in Solution Synthesis of Oxide Particles in High-Swirl Microreactors // Theor. Found. Chem. Eng. 2022. V. 56. P. 141. https://doi.org/10.1134/S0040579522020014
  15. Abiev R.Sh., Makusheva I.V., Mironova A.I. Comparison of hydrodynamics and micromixing quality in a two-stage microreactor with intensely swirled flows and in a T-mixer // Chem. Eng. & Proc.: Proc. Intens. 2024. CEP 109829 https://doi.org/10.1016/j.cep.2024.109829
  16. Ottino J.M., Ranz W.E., Macosko C.W. A lamellar model for analysis of liquid-liquid mixing// Chem. Eng. Sci. 1979. V. 34. Р. 877.
  17. Bałdyga J., Rozen A., Mostert F. A model of laminar micromixing with application to parallel chemical reactions// Chem. Eng. J. 1998. V. 69. Р. 7.
  18. Falk L., Commenge J.-M. Performance comparison of micromixers // Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. P. 405. https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.05.045
  19. Fournier M.-C., Falk L., Villermaux J. A new parallel competing reaction system for assessing micromixing efficiency – Determination of micromixing time by a simple mixing model // Chem. Eng. Sci. 1996. V. 51. № 23. P. 5187. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(96)00340-5
  20. Commenge J.-M., Falk L. Villermaux–Dushman protocol for experimental characterization of micromixers // Chem. Eng. and Proc.: Proc. Intens. 2011. V. 50. № 10. P. 979. https://doi.org/10.1016/j.cep.2011.06.006.
  21. Jasińska M. Test reactions to study efficiency of mixing // Chem. Process Eng. 2015. № 36 (2). Р. 171.
  22. Guichardon P., Falk L. Characterisation of micromixing efficiency by the iodide–iodate reaction system. Part I: experimental procedure// Chem. Eng. Sci. 2000. V. 55. P. 4233. doi: 10.1016/S0009-2509(00)00068-3
  23. Abiev R. Sh., Sirotkin A.A. Influence of Hydrodynamic Conditions on Micromixing in Microreactors with Free Impinging Jets// Fluids. 2020. V. 5. Iss. 4. Р. 179 doi: 10.3390/fluids5040179;
  24. Abiev R. Sh., Nikolaev A.M., Kovalenko A.S., Gorshkova Yu.E, Tsvigun N.V., Baranchikov A.E., Kopitsa G.P., Shilova O.A. One step synthesis of FeOx magnetic nanoparticles in the microreactor with intensively swirling flows// Chem. Eng. Res. and Des. 2024. V. 205 P. 335. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2024.03.031
  25. Abiev R.S., Kudryashova A.K. Study of micromixing in a microreactor with countering intensively swirled flows. Theor. Found. Chem. Eng. 2024. 59 (2). [Абиев Р.Ш., Кудряшова А.К. Исследование микросмешения в микрореакторе с встречными интенсивно закрученными потоками// Теор. осн. хим. технол. 2024. Т. 59. № 2. С. 141].
  26. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976.
  27. Barabash V.M., Abiev R.S., Kulov N.N. Theory and Practice of Mixing: A Review. Theor. Found. Chem. Eng. 2018. V. 52 № 4. Р. 473. https://doi.org/10.1134/S004057951804036X [Барабаш В.М., Абиев Р.Ш., Кулов Н.Н. Обзор работ по теории и практике перемешивания// Теор. основы хим. технол., 2018. Т. 52. № 4. С. 367. doi: 10.1134/S0040357118040024]
  28. Alopaeus V., Koskinen J., Keskinen K.I. Simulation of the Population Balances for Liquid-Liquid Systems in a Nonideal Stirred Tank, Part 1. Description and Qualitative Validation of the Model// Chem. Eng. Sci. 1999. № 54. Р. 5887.
  29. Albadi Y., Abiev R.S., Sirotkin A.A., Martinson K.D., Chebanenko M.I., Nevedomskyi V.N., Buryanenko I.V., Semenov V.G., Popkov V.I. Physicochemical and hydrodynamic aspects of GdFeO3 production using a free impinging-jets methods// Chem. Eng. and Proc.- Proc. Intens. 2021. №166. Р. 108473. https://doi.org/10.1016/j.cep.2021.108473
  30. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов М.: Химия, 1969. [Levenspiel O. Chemical Reaction Engineering, Third Edition. Wiley. 1999]
  31. Виестур У.Э., Кузнецов А.М., Савенков В.В. Системы ферментации. Рига: Зинатне, 1986. [Viesturs U.E., Kuznetsov A.M., Savenkov V.V. Fermentation Systems, Riga: Zinatne Press, 1986.].
  32. Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. Л.: Химия, 1975 . [Aleksandrov I.A. Mass transfer at distillation and absorption of multicomponent mixtures. Leninigrad, Khimia. 1975. ].
  33. Heyouni A., Roustan M., Do-Quang Z. Hydrodynamics and mass transfer in gas–liquid flow through static mixers // Chem. Eng. Sci. 2002. № 57. Р. 3325.
  34. Abiev R.Sh., Galushko A.S. Hydrodynamics of pulsating flow type apparatus: simulation and experiments// Chem. Eng. J. 2013. V. 229. P. 285. doi: 10.1016/j.cej.2013.05.105
  35. Abiev R.Sh., Galushko A.S. Bubbles size and mass transfer in a pulsating flow type apparatus with gas-liquid mixture// Journal of Flow Chemistry. 2021. № 11. Р. 369. https://doi.org/10.1007/s41981-021-00177-y
  36. Vasilev M.P., Abiev R.Sh. Intensification of Droplet Disintegration for Liquid–Liquid Systems in a Pulsating Flow Type Apparatus by Adding an Inert Gas // Fluids. 2023. № 8. Р. 38. https://doi.org/10.3390/fluids8020038.
  37. Laakkonen M., Moilanen P., Alopaeus V., Aittamaa J. Modelling local bubble size distributions in agitated vessels // Chem. Eng. Sci. 2007. № 62. Р. 721. doi: 10.1016/j.ces.2006.10.006m
  38. Alves S.S., Maia C.I., Vasconcelos J.M.T., Serralheiro A.J. Bubble size in aerated stirred tanks// Chem. Eng. J. 2002. № 89. Р. 109.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость отношения времени микросмешения к квадрату характеристического размера (tm/d2) от числа Рейнольдса для восьми типов микросмесителей [18]. Штриховая линия соответствует формуле (7).

Скачать (61KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Связь между индексом сегрегации Xs и временем смешения tm в микрореакторах при использовании йодид-иодатной методики [18].

Скачать (3KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение по зонам реактора с турбинной мешалкой относительной скорости диссипации энергии (φi = εi/εave) и относительного объема зон Vrel.i (использованы данные из работы [28]).

Скачать (45KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Диаграмма преобразования энергии, вводимой в системы со сплошной жидкой фазой (жидкость-жидкость, жидкость-газ, жидкость-твердое) с учетом необходимости формирования межфазной поверхности.

Скачать (70KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Ферментатор барботажный колонный (ФГБК) 2

Скачать (32KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Ферментатор тарельчатый колонный (ФГТК): 1 – корпус, 2 – тарелка, 3 – переливная труба, 4, 5 – ввод и вывод жидкости, 6, 7 – ввод и вывод воздуха. Красной штрихпунктирной линией обведена зона максимальных касательных напряжений, возникающих вблизи отверстий в тарелке. Выше этой зоны – диссипация энергии за счет работы выталкивающей силы при движении пузырей.

Скачать (46KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Ферментатор газлифтный петлевой колонный (ФГПК): 1 – корпус, 2 – блок эжектирования воздуха, 3 – зоны интенсивного диспергирования газа, 4 – зоны со свободным движением газожидкостного потока.

Скачать (47KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Типичный характер зависимости удельной скорости диссипации энергии ε от времени пребывания в аппарате τ в реальных аппаратах (а) и в аппарате с равномерно высокой удельной скорости диссипации энергии ε (б). Зона τact соответствует наиболее интенсивной локальной диссипации энергии εloc.max.

Скачать (92KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Характер зависимости удельной скорости диссипации энергии ε от времени пребывания в аппарате τ в аппарате с повторяющимися (импульсными) воздействиями на обрабатываемую среду. Зоны τact соответствует наиболее интенсивной локальной диссипации энергии εloc.max.

Скачать (33KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Схема пульсационного аппарата проточного типа [34, 35].

Скачать (62KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимости саутеровского диаметра пузырьков (d32, м) от удельной скорости диссипации энергии (ε, Вт/кг) для пульсационного аппарата проточного типа (1 – 8-я секция, 2 – в среднем по ПАПТ) [35], аппарата с турбинной мешалкой (3–6), статических смесителей Lightnin (7–9) [33], 3 – данные Laakkonen и др. [37], 4 – данные Calderbank [32], 5 – корреляция Heyouni при φ = 6% [33]; 6 – данные Alves et al. [38] для коалесцирующих систем; 7–9 – Структуры Lightnin 1–3 соответственно [33].

Скачать (29KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от удельной скорости диссипации энергии (ε, Вт/кг): линии 1–3 – в аппарате со статическими смесителями Lightnin (структуры 1–3 соответственно) и в пульсационном аппарате проточного типа (линия 4) при φ = 6%.

Скачать (22KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи kLa (1/с) от средней удельной скорости диссипации энергии ε (Вт/кг) для газожидкостных реакторов: барботажные колонны (1), аппараты с мешалками (2), статические смесители (3) и ПАПТ (4) (области 1–3 построены по данным [33], область 4 – по данным [35]).

Скачать (22KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024