Фильтрация жидкости при малых скоростях на блочных высокопористых носителях

В результате расчета были получены данные изменения 50 % скорости превращения при различных температурах.

W50% = 2,11 мл/с при 35°С, 2,59 мл/с при 43°С и 3,82 мл/с при 55°С. Е акт= 32,3 (7,7) кДж/моль (ккал/моль).

В результате проведенных экспериментов по восстановлению нитробензола на гранулированном палладиевом катализаторе показано: »начальная концентрация нитробензола не влияет на скорость процесса восстановления; »повышение температуры восстановления приводит к увеличению скорости восстановления. Так, при температуре 23 °С скорость составила 0,21 мл/с, а при температуре 48° С равнялась 0,35 мл/с; •процесс восстановления НБ в манометрическом реакторе протекает значительно быстрее, чем в колбе с магнитной мешалкой. По-видимому, это связано с повышенным давлением водорода и с изменением условий перемешивания; •энергия активации восстановления нитробензола в колбе с магнитной мешалкой составила 31,5 (7,5) кДж/моль (ккал/моль), а в манометрическом реакторе равнялась 32,3 (7,7) кДж/моль (ккал/моль).

Список литературы

1. Мухленов, И.П. Технология катализаторов /И.П. Мухленов, Е.И. Добкина, В.И. Де-рюжкина, В.Е. Сороко .- Л.: Химия, 1989. - 272 с.

2. Козлов, А.И. Блочные ячеистые катализаторы в жидкофазных процессах восстановления и нитрования ароматических соединений./ А.И. Козлов. - Дисс. на соискание уч. степени д. т. н. // Москва.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. - 2006. - 348 с.

3. Жилин, В.Ф. Восстановление ароматических нитросоединений. / В.Ф. Жилин, В.Л. Збарский, А.И. Козлов. Учебное пособие. М. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. - 92 с.

УДК 621.762:666.3-127+532.685

А.Н. Пивкин, В.Н. Грунский, А.В. Беспалов, А.И. Козлов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ФИЛЬТРАЦИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ МАЛЫХ СКОРОСТЯХ НА БЛОЧНЫХ ВЫСОКОПОРИСТЫХ НОСИТЕЛЯХ

The process of filtration of liquid at low velocity flowing on filters based on HPCM in this work was examined. The investigation of regularity of hydraulic resistance on single sample based on HPCM and composite modules was made.

Рассмотрен процесс фильтрации жидкости при малых скоростях на фильтрах, изготовленных на основе ВПЯМ. Исследованы закономерности изменения гидравлического сопротивления как на одиночных образцах ВПЯМ, так и на составных модулях.

Высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ) изначально были предназначены для фильтрации газов, в том числе и токсичных аэрозолей, а также жидкостей [1]. В настоящее время ВПЯМ интенсивно используют как носители катализаторов для различных технологических процессов.

Блочные катализаторы используются в ряде технологических процессов, а удачное сочетание эксплуатационных и технических характеристик обуславливает их применение в автомобильных нейтрализаторах, в процессах очистки газовых выбросов и т.д.

В основе изготовления фильтрующих материалов лежит объемный механизм фильтрации, обеспечивающий эффективную турбулизацию потока газа и дожиг ряда

вредных соединений в катализаторном слое (каталитический дожиг вредных газовых выбросов промышленных предприятий и автомобильного транспорта).

Практическое применение ВПЯМ в фильтрационных задачах требует знания их структурных характеристик и их производной - гидравлических свойств. При использовании ВПЯМ для фильтрации газов и жидкостей необходимо, в первую очередь, определить гидравлические потери на преодоление сопротивления высокопористого ячеистого материала толщиной h при заданной скорости фильтрации и.

Для экспериментального исследования зависимостей гидравлического сопротивления блочных высокопористых ячеистых керамических носителей при различных их толщинах и в диапазоне малых скоростей фильтрации ^е=10-40) были отобраны образцы, структурные характеристики которых приведены в табл. 1.

Табл. 1. Структурные физические и геометрические характеристики испытанных образцов

Мелкоячеистый высокопористый керамический носитель,

^ см т, г S, см2 V, см3 3 р , г/см3 каж' п « , % общ'

5 42,99 15,9 79,48 0,54 86,48

4 31,76 15,9 63,59 0,5 87,51

3 32,32 15,9 47,69 0,68 83,06

2 26,34 15,9 31,79 0,83 79,29

Крупноячеистый высокопористый керамический носитель,

5 31,64 15,9 79,48 0,4 90,05

4 24,54 15,9 63,59 0,39 90,05

3 - 15,9 47,69 - -

2 - 15,9 31,73 - -

Кажущуюся плотность образцов рассчитывали по формуле

р=ш/У ,

где т - масса образца; V - объём образца.

Суммарную пористость (включает три относительно независимых вида: канальную пористость (пористость каналов в перемычках), микропористость стенок перемычек и пространство внутри ячеек материала - макропористость ВПЯМ) рассчитывали по формуле:

Побщ т / ^ркорунда),

где рк0рунда - плотность корунда в компактном состоянии.

Диапазон скоростей фильтрации жидкости и, соответственно, диапазон чисел Рейнольдса (10 - 40) был выбран таким, чтобы выполнить сравнение в сопоставимых условиях с данными [2,3] по гидравлическому сопротивлению образцов ВПЯМ, а также с данными по гидравлическому сопротивлению нерегулярных, регулярных структур и структур типа ВПЯМ при малых скоростях фильтрации жидкости [4].

Высокопористые ячеистые материалы представляют собой особый класс пористых проницаемых материалов. Одним из основных признаков, по которому ВПЯМ могут быть выделены в отдельный класс, является специфичная для них структура. При создании новых систем следует принимать во внимание возможность выпуска катализаторов с более высокой активностью и с меньшим гидравлическим сопротивлением.

В работе исследовали зависимости гидродинамического сопротивления от нескольких факторов. В их число входит линейная скорость потока рабочей жидкости, размер ячейки, геометрические размеры. Для экспериментальных исследований гидравлических и фильтрационных свойств шликерных ВПЯМ была изготовлена установка. Установка разрабатывалась, исходя из требований максимальной простоты изготов-

ления и эксплуатации, снижения до минимума габаритов и энергопотребления, использования не дефицитных измерительных приборов.

В качестве рабочей жидкости использовали водопроводную воду. Температура жидкости - комнатная. Основу установки составляет рабочая камера, расположенная горизонтально, в которой размещается исследуемый образец на основе ВПЯМ. Корпус камеры диаметром 45 миллиметров изготовлен из стекла. В напорный бак 2, емкостью 50 литров, подают воду дренажным насосом марки ALDC - 200. Соединен напорный бак 2 с рабочей камерой 3 металлопластиковой водопроводной трубой с внутренним диаметром 17 мм. Регулирование расхода жидкости, проходящей через рабочую камеру, осуществляется вентилем 7. Расход жидкости измеряли ротаметром 5, а перепад давления на испытуемых керамических образцах, полученных по шликерной технологии, высокочувствительным и-образным дифференциальным манометром 6.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения гидравлического сопротивления ВПЯМ, изготовленных по шликерной технологии: 1 - дренажный насос, 2 - напорный бак, 3 - рабочая камера, 4 - образец керамического носителя на основе ВПЯМ, 5 - ротаметр, 6 - и-образный дифференциальный манометр,

7,8,9,10 - вентили, 11 - приемный бак.

При экспериментальном исследовании гидравлического сопротивления керамических образцов на основе ВПЯМ, приготовленных по шликерной технологии, исходили из требований, предъявляемых к испытуемым образцам: образец диаметром 25~30 мм -минимально допустимый для проведения испытаний [2,3] для получения достоверных результатов; ограничения на минимальную высоту образца нецелесообразны, поскольку они зависят от структурных параметров ВПЯМ (средний размер ячейки, суммарная пористость и т.д.), но, тем не менее, высота должна превышать величину среднего размера ячейки ^я), как необходимое условие стабильного течения жидкости. Для лучшего уплотнения, испытуемый образец перед помещением в камеру обматывался эластичной лентой. Это позволяло свести к минимуму нарушение однородности структуры материала образца на границе с внутренней стенкой рабочей камеры. Кроме того, образец устанавливали в рабочую камеру таким образом, чтобы направление потока совпадало с ориентацией длинных осей ячеек. Это условие необязательно и в ряде задач возможно иное направление потока, например, когда элементы из ВПЯМ имеют сложную конфигурацию. Затем камеру закупоривали пробками с обеих сторон, подключали в схему установки и полностью заполняли водой. После заполнения рабочей камеры жидкостью, удаляли остаточный воздух из магистралей и образца (избавлялись от воздушных пузырьков, закупоривающих часть пор). Для этого многократно изменяли расход жидкости от ми-

нимума к максимуму и обратно (т.е. имитировали серию небольших гидроударов) при открытых вентилях 9,10 дифманометра. После «продувки» расход снова устанавливали минимальным и начинали измерения. Каждое измерение проводили по три раза.

Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости жидкости для мелкоячеистых ВПЯМ с высотой:

1-20 мм; 2-40мм; 3-60мм; 4-данные [3] П=0,97, ^=1мм, И=15мм.

350

300

250

я 200 с

о."

< 150 100 50 0

м.я. 40

1 /

-1 образец - 2 образца 3 образца

0,015 0,020 и, м/с

Рис. 4. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости жидкости для мелкоячеистых ВПЯМ с высотой: 1-40 мм; 2-80мм; 3-120мм.

Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости жидкости для мелкоячеистых ВПЯМ с высотой: 1-30мм; 2-60мм; 3-90мм.

0,00 0,000

Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости жидкости для

мелкоячеистых ВПЯМ с высотой: 1-50 мм; 2-100мм; 3-150мм.

м.я. 50

0,010

0,020

0,030

0,005

0,010

0,025

0,030

и, м/с

Рис.6. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости жидкости для для среднеячеистых ВПЯМ с высотой: 1-50 мм; 2-100мм; 3-150мм.

Рис.7. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости жидкости среднеячеистых ВПЯМ с высотой: 1-40 мм; 2-80мм; 3-120мм.

При практическом применении керамических носителей на основе ВПЯМ в качестве фильтров и других устройств высоты конструктивных элементов ВПЯМ могут быть различны. Наращивание высоты образца возможно в результате составления в модуль нескольких образцов из одного и того же материала. Вначале измеряли сопротивление одного образца определенной высоты, затем добавляли еще один и измеряли их суммарное сопротивление. Количество составных блоков в модуле доводилось до трех. На рис. 2-5 представлены результаты гидравлических испытаний мелкоячеистых В [3] наблюдали, что значения перепада давления, полученные при одном и том же расходе на образцах ВПЯМ, составленных в модуль, превышают аналогичные для цельных образцов, причем превышение значения АР тем больше, чем больше количество звеньев в модуле. Похожую ситуацию наблюдали при укладке блочных катализаторов сотовой структуры «внахлест», когда перекрывание каналов доходило до 10 % [5], а также при исследовании гидравлического сопротивления шликерного ВПЯМ при фильтрации газовой среды. Причиной подобных явлений является нарушение однородности структуры укладываемого материала в плоскости сочленения образцов, поскольку концы перемычек одного образца не совпадают с концевыми перемычками другого, образую сечение с площадью меньшей, чем в среднем по сечению образца. С учетом вышесказанного в экспериментальных исследованиях при фильтрации жидкости измеряли в одних и тех же условиях АР, как для цельных отдельных образцов, так и для модулей керамических образцов на основе ВПЯМ. Из рис. 2 видно, что наблюдается совпадение экспериментальных данных по АР с литературными [3], полученными при таких же скоростях фильтрации жидкости. Наличие характерных изломов на графиках AP=f(u) наблюдается практически при тех же скоростях жидкости, что и в работе [3]. Из графиков AP=f(u) следует, что закон гидравлического сопротивления ВПЯМ имеет вид ломаной линейной функции.

На рис. 6-7 представлены результаты гидравлических испытаний среднеячеистых керамических образцов. Из рис. 6-7 видно, что область пониженных перепадов давления с увеличением диаметра ячейки сдвигается в сторону более высоких значений скорости жидкости. Для мелкоячеистых образцов по абсолютной величине АР в 5~7 раз больше, чем для среднеячеистых. Можно рассчитать гидравлическое сопротивление наложения керамических образцов ВПЯМ, укладываемых в модуль по методике, предложенной в [5]. Расчеты показывают, что наибольший прирост перепада давления по отношения к цельному образцу наблюдается при первом наложении шликерных ВПЯМ при фильтрации жидкости. Экспериментальные данные (рис. 2-7) подтверждают это положение.

Список литературы

1. Анциферов, В.Н. «Нейтрализация отработавших газов - один из путей улучшения экологической обстановки» / В.Н Анциферов, А.М. Макаров, А.М. Беклемышев // Химия, технология, промышленная экология неорганических соединений - 2000, №3.- C. 150-155.

2. Беклемышев, А.М. Структурные и гидравлические свойства высокопористых ячеистых материалов на металлической основе./ А.М. Беклемышев. - Пермь, 1998.

3. Анциферов В.Н. Проблема порошкового материаловедения. Часть II. Высокопористые проницаемые материалы / В.Н. Анциферов, А.М. Беклемышев, В.Г. Гилев, С.Е. Порозова, Г.П. Швейник // Екатеринбург: УРО РАН, 2002; - 262 C.

4. Беспалов, А.В. Гидравлические свойства регулярных, нерегулярных структур и структур типа высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) при малых скоростях фильтрации жидкости. / А.В. Беспалов, В.Н. Грунский, А.И. Козлов, И.Н. Татаринова,

B.И. Ванчурин // Химическая промышленность сегодня. - 2005, №3. - C. 9-13.

5. Беспалов, А.В. Гидравлическое сопротивление катализаторов различных геометрических форм и размеров / А.В. Беспалов, В.В. Демин, В.С. Бесков. // ТОХТ -1991, Т.25.-

C.533-541.