УДК 66.074

А.Д. БайсаловА, Ф.Е. Алтынбеков,

М.И. Сатаев, Р.Ф. Алтынбеков

Южно-Казахстанский государственный университет имени М.О.Ауезова

Массоперенос нефтепродуктов из водного потока в подвижном слое адсорбента

Диффузионный по своей природе процесс адсорбции может определяться следующими механизмами: подводом нефтепродукта из ядра потока к внешней поверхности твердых частиц (внешняя диффузия) и диффузией адсорбата внутри указанных частиц (внутренняя диффузия). В предельных ситуациях один из механизмов является лимитирующим. Часто адсорбция протекает в промежуточной области и определяется обоими диффузионными механизмами. Поэтому коэффициент массопередачи рассчитывается с учетом коэффициента массоотдачи в жидкой фазе, учитывающий внешнюю диффузию и коэффициента массоотдачи в слое адсорбента, учитывающий внутреннюю диффузию.

На рисунке 1 представлена зависимость коэффициента внутренней диффузии от коэффициент, зависящий от формы зерна на рисунке 2 зависимость коэффициента внешней диффузии от коэффициента внутренней диффузии.

Полученные нами зависимости (рисунок 3) показывают, что при малых размерах пор механизм определяется кнудсеновской диффузией. Если средний свободный пробег молекул нефтепродуктов велик по сравнению с диаметром поры, то молекулы гораздо чаще сталкиваются с её стенками, чем друг с другом. Отражение от стенки не зеркальное, а по существу диффузное: молекулы нефтепродуктов отскакивают хаотически практически во всех направлениях. При этом сопротивление диффузии молекул вдоль поры обусловлено главным образом столкновениями молекул со стенками, а не между собой, как при обычной диффузии. В некотором диапазоне изменения размеров пор важны оба типа столкновений.

Коэффициент внутренней диффузии (D_т, м²/с)

Коэффициент, зависящий от формы зерна, К

Обозначения кривых: 1 – радиус зерна 0,5 мм; 2 – 0,75 мм; 3 – 1 мм; 4 – 1,25 мм

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента внутренней диффузии

от коэффициент, зависящий от формы зерна

Коэффициент массоотдачи в твердой фазе (β_т, м/с)

Коэффициент внутренней диффузии (D_т, м²/с)

Обозначения кривых: 1 – диаметр частиц адсорбента 1 мм; 2 – 1,5 мм; 3 – 2 мм.

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента внешней диффузии

от коэффициента внутренней диффузии

Увеличение диаметра частиц сопровождается уменьшением внешнего коэффициента массоотдачи, а увеличение скорости жидкой фазы влечет за собой повышение внешнего коэффициента массоотдачи.

Коэффициент массопередачи (К_м, м/с)

Коэффициент массоотдачи в твердой фазе (_т, м/с)

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента массо передачи

от коэффициент массоотдачи в твердой фазе

Анализ полученных зависимостей и экспериментальных значений кинетики адсорбции нефтепродуктов на активированной угле позволил нам определить механизм диффузии в пористом адсорбенте.

По рассчитанным нами значениям коэффициентов диффузии и массоотдачи видно, что при обычной молекулярной диффузии плотность потока диффундирующего нефтепродукта, отнесенная к общей или наружной поверхности пористой скорлупы косточек, обычно занижается, поскольку свободное или открытое, поперечное сечение пор есть лишь доля общей поверхности тела. Так же видно, что когда градиент концентрации выражен через расстояние по нормали к наружной поверхности скорлупы косточек, коэффициент диффузии тоже занижен вследствие того, что путь диффузии вдоль извилистой поры больше, чем по нормали к наружной поверхности. При этом площадь поперечного сечения поры в направлении диффузии меньше, чем площадь сечения потока, параллельного наружной поверхности.

Экспериментальные данные показали, что свободное поперечное сечение пор идентично с долей их свободного объема, которую можно определить и рассчитать без значительных трудностей. Доля свободного поперечного сечения пор является средним свободным поперечным сечением пор в плоскости, параллельной наружной поверхности адсорбента, которая не обязательно нормальна к направлению диффузии в какой-либо точке. Значения величины коэффициента извилистости пор, может широко изменятся с изменением структуры пористой массы, распределением частиц или размеров и формы пор; эту структуру нельзя описать просто одним числом. Видно, что существует область размеров пор, в которой как обычная, так и кнудсеновская диффузия вносят вклад в диффузию нефтепродуктов в порах.

Литература

1. Сатаев М.И. Моделирование нестационарной адсорбции в массообменном аппарате с подвижным слоем //Поиск. - 2004, № 2. - С.264-270.

2. Сатаев М.И., Алтынбеков Ф.Е., Оспанов М.Ш., Наурызбаев К.К Интенсификация процесса массообмена в адсорбционной установке с подвижным зернистым слоем //Известия ВУЗ, химия и химическая технология. – 2002. - Т.45, вып. 1. -С. 150-151.