СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССОПЕРЕНОСА КИСЛОРОДА ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ В ЖИДКУЮ
METHOD OF INTENSIFYING MASS TRANSFER OF OXYGEN FROM GAS PHASE TO LIQUID PHASE

Изобретение относится к химической технологии и биотехнологии и может быть использовано для интенсификации процессов, скорость которых определяется интенсивностью массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую, преимущественно для жидкофазного каталитического окисления органических и неорганических соединений, биохимической очистки сточных вод и загрязненного воздуха, биосинтеза продуктов с использованием растительных, животных и микробных клеток.
Известен способ интенсификации массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую путем введения в жидкую фазу полимерных частиц таких материалов, как кратон (шарики диаметром 3-4 мм, состоящие из сополимера стирола, этилена и бутадиена), десмопан (цилиндры 3×3 мм, состоящие из полиуретанового сополимера окситетраметиленгликоля и метилдиизоцианата), элвакс (шарики диаметром 3-4 мм из сополимера этилена и винилацетата) в концентрации 10 об.% (что эквивалентно 90 г/л кратона, 112 г/л десмопана, 95 г/л элвакса) при скорости перемешивания 300 об/мин (Quijano G., Hernandez M., Villaverde S., Thalasso F., Munoz R. A step-forward in the characterization and potential applications of solid and liquid oxygen transfer vectors // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010, 85, 543-551). При использовании этого способа интенсивность массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую увеличилась в 1,23-1,71 раз по сравнению с контрольными испытаниями без введения полимерных частиц в жидкую фазу.
Основной причиной, препятствующей решению поставленной задачи, является низкая газотранспортная функция полимерных частиц, используемых в качестве активаторов межфазного переноса кислорода.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ интенсификации массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую путем введения в жидкую фазу при перемешивании частиц твердого вещества.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ интенсификации массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую за счет введения в жидкую фазу микродисперсных (44 мкм) частиц кварцевого песка концентрацией от 1,5 до 2,0 г/л при скорости перемешивания 200-700 об/мин (Keshav С. Ruthiya, John van der Schaaf, Ben F.M. Kuster, Jaap C. Schouten Model To Describe Mass-Transfer Enhancement by Catalyst Particles Adhering to a Gas-Liquid Interface // Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 6123-6140). При использовании этого способа интенсивность массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую увеличилась в 1,3 раза, по сравнению с контрольными испытаниями без введения частиц в жидкую фазу.
Основной причиной, препятствующей решению поставленной задачи, является низкая газотранспортная функция микродисперсных частиц кварцевого песка, используемых в качестве активаторов межфазного переноса кислорода.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ интенсификации массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую путем введения в жидкую фазу при перемешивании микродисперсных частиц твердого вещества.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении эффективности массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявленного изобретения, заключается в повышении газотранспортной функции активаторов межфазного переноса кислорода.
M
3
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе интенсификации массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую путем введения в жидкую фазу микродисперсных частиц твердого вещества при перемешивании, в жидкую фазу вводят частицы твердого вещества размером 10-100 мкм, поверхность которых покрыта материалом, повышающим их гидрофобность, концентрацией 0,25-3,0 г/л, а перемешивание осуществляют со скоростью 100-400 об/мин, обеспечивающей гидродинамический режим, соответствующий значениям модифицированного критерия Рейнольдса Re=4000÷17000. Твердое вещество выбирают из ряда непористых, нерастворимых в воде, устойчивых к биологическому разложению веществ плотностью 0,9-4,3 г/см и твердостью 1-10, например, кварцевый песок, графит, оксид титана, оксид циркония. А материал, которым покрывают микродисперсные частицы твердого вещества, должен обладать углом смачивания значительно большим угла смачивания выбранного твердого вещества, должен быть стабильным в температурном диапазоне 0-70°С, нерастворим в воде и хорошо растворим в органических растворителях.
M
3
Признаки предлагаемого способа, отличительные от признаков способа по прототипу, - введение в жидкую фазу микродисперсных частиц твердого вещества с размером частиц 10-100 мкм, поверхность которых предварительно покрывают материалом, повышающим их гидрофобность, концентрацией 0,25-3,0 г/л, а перемешивание осуществляют со скоростью 100-400 об/мин., обеспечивающей гидродинамический режим, соответствующий значениям модифицированного критерия Рейнольдса Re=4000÷17000; твердое вещество выбирают из ряда непористых, нерастворимых в воде, устойчивых к биологическому разложению веществ плотностью 0,9-4,3 г/см и твердостью 1-10; материал, которым покрывают микродисперсные частицы твердого вещества, должен обладать углом смачивания значительно большим угла смачивания выбранного твердого вещества, должен быть стабильным в температурном диапазоне 0-70°С, нерастворим в воде и хорошо растворим в органических растворителях.
Вводимые в жидкую фазу микродисперсные частицы твердого вещества, покрытые материалом, повышающим их гидрофобность, выполняют функцию активатора межфазного переноса кислорода.
Благодаря тому, что поверхность частиц твердого вещества покрыта материалом, повышающим их гидрофобность, удалось расширить диапазон концентраций вводимых в жидкую фазу активаторов, раздвинуть границы по плотности твердых веществ и размера их частиц, а также снизить скорость перемешивания. Это может значительно уменьшить издержки производств, включающих процессы, скорость которых определяется интенсивностью массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую.
За счет увеличенной гидрофобности поверхности и малых размеров (10-100 мкм) частицы твердого вещества способны сосредотачиваться в жидком пограничном слое, механически турбулизируя его неподвижный объем, что приводит к интенсификации массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую.
3
Твердые вещества для осуществления способа выбирают из ряда нерастворимых в воде, устойчивых к биологическому разложению веществ плотностью 0,9-4,3 г/см и твердостью 1-10 (по Моосу), что позволит им быть устойчивыми к внешним воздействиям при их использовании для получения активатора. Кроме того, твердые вещества должны быть непористыми для равномерного нанесения материала, повышающего гидрофобность поверхности твердых частиц. Например, кварцевый песок, графит, оксид титана, оксид циркония.
Материалы, наносимые на поверхность микродисперсных твердых частиц, должны обладать углом смачивания, значительно большим угла смачивания выбранного твердого вещества (т.е. при нанесении материала на поверхность микродисперсных твердых частиц угол смачивания должен достичь (повыситься до) 50° (минимум) и выше, благодаря чему они будут способны повышать гидрофобность поверхности микродисперсных твердых частиц). Кроме того, такие материалы должны быть стабильны в температурном диапазоне 0-70°С, нерастворимы в воде, а для удобства нанесения их на поверхность микродисперсных твердых частиц и обеспечения устойчивого покрытия - хорошо растворимы в органических растворителях.
Экспериментально установлено, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения обеспечивает получение технического результата, заключающегося в повышении газотранспортной функции активаторов межфазного переноса кислорода, что, в свою очередь, приводит к повышению интенсивности массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую (до 2,7 раза в сравнении с контрольными испытаниями без введения частиц в жидкую фазу).
Сведения, подтверждающие возможность реализации предлагаемого способа, приведены в следующих примерах.
Пример 1. Способ был реализован на экспериментальной установке, собранной на основе барботажного абсорбера BIOSTAT A plus (Sartorius BBI Systems, Германия) с эллиптическим днищем и открытой 6-лопастной турбинной мешалкой.
3
M
Предварительно готовили активатор межфазного переноса кислорода: частицы микродисперсного кварцевого песка плотностью 2,67 г/см покрывали поливинилхлоридом, который повышает гидрофобность поверхности частиц кварцевого песка, увеличивая краевой угол смачивания на 78°. Для этого 0,003 г поливинилхлорида растворяли в 2 мл диметилформамида, в полученный раствор помещали 0,150 г кварцевого песка и тщательно перемешивали. Растворитель удаляли за счет его испарения при температуре 80°С в течение 1 часа. Полученную массу модифицированного кварцевого песка промывали дистиллированной водой, высушивали и отбирали фракцию 10-63 мкм. В жидкую фазу (дистиллированная вода) вводили активатор концентрацией 0,75 г/л. Активатор применяли в условиях перемешивания жидкой фазы со скоростью мешалки 200 об/мин (Re=8000), при этом интенсивность транспорта кислорода из газовой фазы в жидкую увеличилась в 2,7 раза по сравнению с контрольными испытаниями без введения частиц в жидкую фазу.
Пример 2. Способ осуществлялся аналогично примеру 1, где вместо поливинилхлорида использовали полистирол, вместо диметилформамида - ацетон.
Пример 3. Способ осуществлялся аналогично примеру 1, где вместо фракции частиц активатора 10-63 мкм отбирали фракцию более крупных частиц (63-100 мкм).
Пример 4. Способ осуществлялся аналогично примеру 1, где вместо кварцевого песка в качестве твердого материала использовали графит.
Сравнительные испытания показали, что заявленный способ позволяет увеличить интенсивность массопереноса кислорода из газовой фазы в жидкую в 2,7 раз (см. таблицу).