Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Исследование экологически безопасных иммерсионных растворов и процессов фильтрации в капиллярно-пористых средах

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

С развитием оптических методов в гидродинамических исследованиях процессов фильтрации возникла необходимость в получении большого количества относительно безопасных высокопреломляющих жидкостей. Другими словами, необходимо иметь жидкость с показателем преломления, равным показателю преломления стеклянного пористого фильтра. Этот метод позволяет решить главную проблему гидродинамического… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Исследования фильтрационных потоков в экологически безопасных и ресурсосберегающих технологиях
    • 1. 1. Иммерсионные жидкости, область их применения и предъявляемые к ним требования
    • 1. 2. Экспериментальные и теоретические исследования процессов фильтрации
    • 1. 3. Разрушающиеся активные фильтры
    • 1. 4. Постановка задачи
  • 2. Получение и исследование экологически безопасных иммерсионных жидкостей
    • 2. 1. Получение высокопреломляющих жидкостей на основе водных растворов йодидов металлов"
    • 2. 2. Физико-химический анализ высокопреломляющих иммерсионных жидкостей
  • 3. Исследование фильтрации в разрушающихся упаковках
    • 3. 1. Экспериментальная установка и методика измерений
    • 3. 2. Измерение распределения давления и профиля скорости в разрушающихся активных фильтрах
  • 4. Исследование проницаемости простейшей модели пористого фильтра из системы цилиндрических капилляров
    • 4. 1. Экспериментальная установка и методика измерения
    • 4. 2. Результаты измерений и анализа
    • 4. 3. Модель процесса переноса в стационарном фильтре

Исследование экологически безопасных иммерсионных растворов и процессов фильтрации в капиллярно-пористых средах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

С развитием оптических методов в гидродинамических исследованиях процессов фильтрации возникла необходимость в получении большого количества относительно безопасных высокопреломляющих жидкостей. Другими словами, необходимо иметь жидкость с показателем преломления, равным показателю преломления стеклянного пористого фильтра. Этот метод позволяет решить главную проблему гидродинамического исследования фильтрационных течений — максимально уменьшить внесение возмущений, возникающих в результате наличия измерительного датчика в потоке. Подобные жидкости (в малом объеме) необходимы так же в иммерсионном анализе при изучении мелких минеральных зерен, продуктов химических реакций, взрывчатых и ядовитых веществ для получения различных кристаллооптических характеристик вещества и определения его показателя преломления. Потребность в больших количествах безвредных высокопреломляющих жидкостях возникает и в технологии стекольного производства при обнаружении дефектов внутри стеклянных заготовок.

Вопросы получения и исследования новых иммерсионных жидкостей близко примыкают к проблемам фильтрации и истечения жидкости или газа через капилляры и пористые среды, которые являются важными ввиду многочисленного применения в науке и технике. Немаловажная экологическая проблема заключается во вредном воздействии на окружающую среду побочных продуктов химико-технологических процессов. Одним из методов уменьшения этого воздействия может служить фильтрование и очистка от вредных примесей. К подобного рода проблемам относится создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения с очисткой сточных вод. Одной из практических ценностей при этом является знание изменения проницаемости фильтра в зависимости от времени. Существенное влияние при этом, помимо структуры фильтра и физических характеристик жидкости, оказывает поверхностное взаимодействие материала фильтра и среды. Исследование разрушающихся фильтров необходимо для понимания процессов, происходящих в разрушаемых, каталитических реакторах, а так же в охладителях, содержащих блок плотно упакованных насадок, на входе которого имеется высокотемпературный газовый поток, а на выходе — низкотемпературный, образующийся в результате эндотермической реакции газового потока с твердой фазой насадки.

Практическая ценность работы связана с получением необходимых для исследований процессов фильтрации и в технологии иммерсионного метода стекольного производства безопасных и доступных иммерсионных жидкостей, с выявлением гидродинамических особенностей фильтрации в разрушающихся активных фильтрах, которое позволило предложить метод интенсификации химической реакции в аппаратах путем разбавления реагентов инертной насадкой и способ устранения преждевременного засорения капилляров и очистки жидкости от примесей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на V Всероссийском симпозиуме «Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах» (Москва, 1999), XVIII Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (Миасс, 1999), 4th Workshop «Transport Phenomena in Two-Phase Flow» (Sozopol, Bulgaria, 1999), VII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 1998), II Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 1999).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в семнадцати печатных изданиях.

Автор защищает:

— Получение новых высокопреломляющих жидкостей на основе концентрированных водных растворов простых и комплексных солей йодидов металлов, пригодных для безопасного использования в иммерсионном анализе и в оптических исследованиях фильтрационных течений.

— Комплекс иммерсионных и гидравлических исследований новых высокопреломляющих растворов, позволивший предложить рациональные методы получения жидкостей с заданными показателем преломления и вязкостными свойствами. Новые эмпирические зависимости показателя преломления и вязкости от плотности жидкостей.

— Методику модельного исследования высокотемпературного процесса разрушения слоев химических реагентов в нестационарных фильтрах с применением разработанных высокопреломляющих жидкостейрезультаты проведенных экспериментов по измерению распределения давления и профиля скорости на полностью и полурастворимых в воде фильтрахспособ более рационального использования химических реагентов в аппаратах с разрушающимися слоями.

— Результаты экспериментальных исследований проницаемости простейшего пористого фильтра из системы цилиндрических капилляров разного диаметра. Метод предварительной очистки жидкости и уменьшения загрязнения капилляров, основанный на фильтрации и адсорбции отложений.

— Результаты расчета модели процесса переноса в стационарном фильтре для оценки влияния структуры потока на интенсивность химических процессов.

Научная новизна.

Разработаны новые иммерсионные жидкости на основе водных растворов солей йодидов металлов, пригодные для экологически безопасного использования в оптических исследованиях.

На основании физико-химического анализа новых иммерсионных жидкостей определены оптимальные концентрации растворов и температурный режим для получения оптически стабильных высокопрелом-ляющих жидкостей, обладающих заданными вязкостью, плотностью и показателем преломления при рациональном использовании химического сырья. Получены новые эмпирические зависимости показателя преломления и вязкости от плотности растворов.

Разработана новая методика исследования фильтрации через разрушающиеся активные упаковки путем измерения распределения давления и профиля скорости на холодных упаковках с добавлением инертного компонента, позволяющая более полно использовать химические реагенты. С помощью разработанных иммерсионных жидкостей получены экспериментальные данные по физической картине течения в разрушающихся фильтрах.

Выявлена зависимость проницаемости фильтра от времени истечения различных жидкостей через капилляры разного размера и материала, связанная с уменьшением эффективного диаметра капилляров. Предложен метод очистки жидкости и уменьшения загрязнения капилляров путем предварительного пропускания жидкости через насыпные зернистые слои, покрытые силикагелем.

Предложена модель для расчета переноса в фильтрах с повторяющейся ориентацией для оценки влияния вихревых структур потока на интенсификацию химических процессов.

Заключение

.

Подводя итог приведенной работе, сформулируем основные выводы из нее.

1. Получены новые безопасные иммерсионные жидкости с показателем преломления п0 > 1.6 на основе концентрированных водных растворов йодидов металлов, которые использованы в стекольном производстве при обнаружении дефектов стеклянных заготовок, в исследованиях фильтрационных потоков оптическими методами. Эти жидкости могут найти применение и в традиционном иммерсионном анализе для определения кристаллооптиче-ских характеристик вещества.

2. Проведен физико-химический анализ полученных высо-копреломляющих растворов йодидов металлов, на основе которого был разработан способ получения иммерсионных жидкостей с заданными вязкостью и оптическими свойствами, что позволяет более рационально использовать химическое сырье для их производства. Получены новые эмпирические зависимости показателя преломления и вязкости от плотности растворов.

3. Разработана методика исследования разрушения фильтров и упакованных слоев реагентов каталитических реакторов, газогенераторов и охладителей с использованием разработанных иммерсионных жидкостей. Получены новые данные по измерению давления и профиля скорости в медленно растворяющемся в воде упакованном слое. Выявлены особенности фильтрации в разрушающихся упаковках, которые позволили предложить способ ресурсосбережения химических реагентов путем интенсификации химической реакции за счет разбавления реагентов инертной насадкой.

4. Проведено исследование фильтрации полученных высо-копреломляющих жидкостей и воды на простейшей модели фильтра в виде стеклянных и металлических капилляров диаметром менее 300 мкм. Обнаружено, что изменение проницаемости подобных фильтров при истечении концентрированного водного раствора йодида цинка связано с процессами агрегатообразования в жидкости, а при истечении воды — с адсорбцией геля на стенках капилляров. Предложен способ устранения преждевременного засорения капилляров и очистки жидкости с помощью использования зернистого слоя, покрытого силикагелем.

5. Предложена модель и выполнены расчеты для коэффициентов переноса в фильтрационном потоке, показавшие влияние вихревых структур на процессы переноса и их интенсификацию.

Условные обозначения п0 — показатель преломления для желтой линии натрияг — рефракция растворас1 — плотность раствораС — молярная концентрация растворау0тн — относительная кинематическая вязкость (относительно воды) — ?и01Н — относительная динамическая вязкость- //-динамическая вязкостьТКШ1 — температура кипения;

4ип ~ плотность жидкости при температуре кипенияротн — относительное удельное сопротивлениеТ — температура жидкости;

Ь — диаметр рабочего участка с засыпкой из стеклянных элементовЯ, гсоответственно радиусы шарика и лазерного луча в измерительном объемеп — показатель преломления стеклянных шариковщ — показатель преломления жидкостих, у — поперечная и продольная координатаих, иу — продольная и поперечная скорость подъема пузырьках, у — продольная и поперечная координатаи* - максимальное значение скорости;

Я — радиус цилиндрического каналащ — расходная скорость;

Ь — полное смещение пузырька по х. с12 — диаметры вихревых образований;

И], и2 — скорости потоков с двух сторон поперечного капилляращ и? — скорости в вихревом образовании;

И, I — ширина и длина части поперечного капилляра;

1). .-^з (0 ~ диффузионный поток на единицу длины слоя смешения /;

С, Сг~ концентрации в потоке с двух сторон поперечного капилляра;

С, с2— концентрации в вихревых образованиях;

Д/) — средний коэффициент массопереноса;

Рг — критерий Прандтляк — приведенная скорость;

Яе] = щИУ, Яе2 = щИУ, у — кинематическая вязкость;

Д, ф — эффективный коэффициент поперечной диффузии- <7, сг2, аз — толщины турбулентных слоев смешенияС], 02, — потоки массы через соответствующие турбулентные слои смешенияй2, Дз — эффективные коэффициенты турбулентной диффузии;

Условные обозначения к рисункам. рис. 2.1, п0 — показатель преломления для желтой линии натрия, с! — плотность раствора, рис. 2.2, С — молярная концентрация раствора. рис. 2.3, уотн относительная кинематическая вязкость (относительно воды), ротн — относительное удельное сопротивление, рис. 2.4,)иотн — относительная динамическая вязкость (относительно воды). рис. 2.5, 2.7, Т — температура жидкости. рис. ЗА, х, упоперечная и продольная координата, Я — радиус шарика в измерительном объеме, рис. 3.3, пь п2, п3 — показатели преломления рабочей жидкости, стекла из которого изготовлена труба и высокопреломляющей жидкости- /, /' - расстояние между измеряемыми точками и их изображениями на экране, Я — внутренний радиус трубы, Ь — толщина стенок трубы, АЬ — расстояние от трубы до экрана, рис. 3.4, х/Ь — отношение продольной координаты к полному смещению пузырька по ней, у/2Я — отношение поперечной координаты к диаметру опытного участка, У/У* - относительная скорость пузырька. рис. 3.5. — 3.7, X — длина опытного участка. рис. 3.9. — 3.11, Уо1 — относительная скорость, равная отношению измеренной скорости к расходной в незаполненном опытном участке, у/Б — отношение поперечной координаты к диаметру опытного участка, рис. 4.1, с! эфф — эффективный диаметр капилляра, рис. 4.2. — 4.7, Дг — толщина адсорбирующегося слоя, рис. 4.8, щ, и2 скорости потока с двух сторон поперечного капилляра, щ и2' - скорости вихрей в щели, сь с2 — концентрация в потоке с двух сторон поперечного капилляра, с\ с{- концентрации в вихревых образованиях, с1, ?/2 диаметры вихревых образований, /, /гширина и длина части поперечного капилляра, рис. 4.9, Б — коэффициент диффузии в жидкости, Яе и Бс — числа Рей-нольдса и Шмидта.

Показать весь текст

Список литературы

  1. .В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1983. 352 с.
  2. БацановС.С. Структурная рефрактометрия. М.: Высшая школа, 1976. 303 с.
  3. Johnston W., Dybbs A., Edvards R. Measurement of fluid velocity inside porous media with a laser anemometer // The Physics of fluids. 1975, v. 18, № 7, p. 913−914.
  4. Vonka T. Three-dimensional velocity measurements in fuel rod bundle models by means of a laser doppler technique 11 Experimentiertechn. Gebiet Thermo-und Fluiddyn Proc. Fachtag. 1976, Berlin.
  5. В.И., Мухин В. А., Накоряков В. Е. Исследование структуры течения в пористой среде // ЖПХ. 1981, том 34, № 4, с. 838−842.
  6. В.И. Изотермическое течение жидкости в упаковке из сфер // ИФЖ. 1985, том XLIX, № 5, с. 827−833.
  7. В.И. Контроль однородности и постоянства стекла. М.: Высшая школа, 1990. 237 с.
  8. MegrowitzR. Amer. Miner. 1955, v. 40, p. 398.
  9. В.Б. Кристаллооптика и иммерсионный метод исследования минералов. М.: Недра, 1965. 306 с.
  10. В.Н. Основы кристаллооптики. М.: Госгеолиздат, 1947. 243 с.
  11. И.Бокий Г. Б. Иммерсионный метод. Изд. МГУ, 1948. 154 с.
  12. Е.А., Орлова Н. Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. Справочник. Л.: Химия, 1976. 113 с.
  13. А.Г., Сладкое И. Б. Физико-химические свойства молекулярных неорганических соединений. Справ.изд. Л.: Химия, 1987. 192 с.
  14. Мелъвин-Хъюз Э. А. Физическая химия. Кн. 1−2. М.:ИЛ, 1962.
  15. Защита окружающей среды от техногенных воздействий / Под ред. Г. Ф. Невской. М.: Изд-во МГОУ, 1993. 216 с.
  16. А.И., Клушин В. Н., Торочешников Н. С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 512 с.
  17. Г. И. Использование природных ресурсов и охрана природы. Минск: Изд-во «Университетское», 1985. 215 с.
  18. А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. 783 с.
  19. .В., Чураев Н. В. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 250 с.
  20. .Н. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. М.: Наука, 1986. 206 с. 21 .Дерягин Б. В., Ершова И. Г. и др. ДАН СССР, 170, 876 (1966).
  21. .В., Железный Б. В. и др. Свойства жидкостей в тонких кварцевых капиллярах // Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллоидов. М.: Наука, 1974. С. 90−94.
  22. З.М. Вязкость водных растворов в капиллярах силикагеля // Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука, 1967. С. 24−29.
  23. Н.С. Течение полярных жидкостей с водородными связями через капилляры с лиофильными стенками // Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллоидов. М.: Наука, 1974. С. 76−79.
  24. БондаренкоН.Ф. //ЖФХ, 42, 225 (1968).
  25. Э.В., Классен В. И., Кущенко АД. // ДАН СССР, 184, 136 (1969).21 .Никитин И. К., Марченко А. Г. //Гидромеханика. № 5, 143 (1963).
  26. Hasegawa Т., Suganuma М., Watanabe Н. Anomaly of excess pressure drops of the flow through very small orifices // Phys. Fluid. Vol. 9, № 1, 1997. P. 1−3.
  27. M.M., Чебан Ю. М. Защита окружающей среды от химических выбросов промышленных предприятий. Кишинев: «Штиинца», 1990. 213 с.
  28. В.А., Кош И.З., Скалкин Ф. В. Технологические аспекты охраны окружающей среды. JL: Гидрометеоиздат, 1982. 255 с.
  29. Экологическая технология и очистка промышленных выбросов // Межвузовский сборник научных трудов. Ленинград 1982. 151 с.
  30. И. Т., Назаренко Ю. П., Некряч Е. Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка, 1987. 830 с.
  31. Вредные вещества в промышленности. Л.: Химия, 1985. 464 с.
  32. Химические реактивы и высокочистые химические вещества. Каталог. М.: Химия, 1990. 214 с.
  33. Р.Ф. Йодидные металлы и йодиды металлов. М.: Металлургия, 1968. 524 с.
  34. В.И. и др. Иммерсионная жидкость. Патент России 2 051 940, 1996, бюлл.1.
  35. К.Г., Анисимова Е. А. Физико-химические свойства водных растворов йодидов металлов // Известия АГУ. Барнаул, 1998, № 1. С. 97−98.
  36. Вредные химические вещества: Справочник. Л.: Химия, 1990. 733 с.
  37. В.И., Мухин В. А. Жидкость для оптических исследований. A.C. 948 994 (СССР), 1982, бюлл.9.41 .Анисимов К. Г., Анисимова Е. А., Волков В. И. Иммерсионная жидкость для оптических исследований. Патент России 98 101 659/04 (1 287), 1999.
  38. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. A.A. Равделя. Л.: Химия, 1983.232 с.
  39. И.Д., Асеев Г. Г. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. М.: Химия, 1988, 416 с.
  40. Химия окружающей среды / Под ред. А. П. Цыганкова. М.: Химия, 1982. 672 с.
  41. Е.А., Волков В. И. Экспериментальные исследования водных растворов йодидов металлов // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во АГУ, 1999. С. 68−73.
  42. Эрдеи-Груз Т. Явления переноса в водных растворах. М.: Мир, 1976. 597 с.
  43. Е.А., Волков В. И. Экспериментальное исследование растворов йодидов металлов // Тез. докл. VII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах». Иваново, 1998. С. 84
  44. Е.А., Волков В. И. Модельные исследования разрушающихся упаковок // Тез. докл. V Всероссийского симпозиума «Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах». Москва, 1999. С. 11.
  45. Е.А., Волков В. И. Исследование распределения давления и профиля скорости в разрушающихся упаковках // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1999. С. 59−67.
  46. Е.А., Волков В. И. Исследования разрушающихся упаковок. // Материалы XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999. С. 129−135.
  47. В.И. Изобретательские задачи в процессах переноса. Барнаул.: Изд-во Алт. ун-та, 1997. 150 с.
  48. О.И. Полимерные микрофильтры. М.: Химия, 1985. 216 с.
  49. Е.А., Волков В. И. Исследование процессов переноса в капиллярно-пористых телах. // Тез. докл. XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999. С. 81.
  50. Anisimova Е.А., Volkov V.l. The study of adsorption process in capillary-porous media // Proc. of 4th Workshop «Transport Phenomena in Two-Phase Flow». Sozopol, Bulgaria, 1999. P. 172.
  51. E.A., Волков В. И. Исследование процессов переноса в капиллярно-пористых телах // Материалы XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. Миасс, 1999. С. 140−146.
  52. А.Г. Основы аналитической химии. М.: Химия, 1976. 472 с.
  53. Е.В., Слинько М. Г., Накоряков В. Е. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с ламинарной областью смешения. Теоретические основы химической технологии. 1970. том 4, № 5. С. 687−693.
  54. Ы.Бадатов Е. В., Слинько М. Г., Накоряков В. Е. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с ламинарной областью смешения. Теоретические основы химической технологии. 1970, том 4, № 6. С. 864−864.
  55. М.Э., Умник H.H. Коэффициенты теплопроводности в зернистом слое // ЖТФ. 1951, том 21, № 11. С. 1351−1352.
  56. А.Э. Физика течения жидкости через пористые среды. М.: Гос-топтехиздат, 1960. С. 38−42.
  57. Ю.Коллинз Р. Течение жидкости через пористые материалы. М.: Мир, 1964, 277 с.
Заполнить форму текущей работой