22314

مطالعه تجربي دستگاه استخراج مايع - مايع اداكتوري

دكتري

مهندسي شيمي

1392

1397/12/18

دكتر منصور شيرواني - دكتر احد قائمي

مهندسي شيمي

فرايند استخراج مايع- مايع يكي از روش‌هاي پركاربرد جداسازي است كه به طور گسترده در صنايع هسته‌اي، داروسازي، شيميايي، نفت و گاز، تصفيه فاضلاب و غيره به كار گرفته مي‌شود؛ و شامل دو مرحله اساسي اختلاط و جداسازي است. يكي از روش‌هاي اختلاط دو مايع، استفاده از اداكتور مي‌باشد. در اين تحقيق، يك دستگاه جديد استخراج مايع- مايع بر مبناي اختلاط كننده اداكتوري طراحي و ساخته شده است. عملكرد هيدروديناميكي و انتقال جرمي دستگاه شامل پارامترهاي هندسي و عملياتي قطر نازل، قطر گلوگاه ونتوري، نسبت فاصله گلوگاه ونتوري تا نازل، سرعت جت و نسبت دبي دو فاز در مطالعات آزمايشگاهي و مدل‌سازي آناليز ابعادي، CFD و RSM مورد بررسي قرار گرفته و از سيستم استاندارد مايع-مايع با كشش سطحي بالاي آب/ استيك اسيد/ تولوئن استفاده شده است. در مطالعات شبيه‌سازي CFD، اعتبارسنجي نتايج به كمك سرعت صعود قطرات و ماندگي با درصد خطاهاي 7/20% و 4/15% انجام شد. نتايج نشان داد براي دستيابي به مقادير نسبت مكش بالا و بازدهي اختلاط و بازدهي انرژي اختلاط مي‌بايست: سرعت جت كمتر از مقادير 2 متر در ثانيه باشد؛ نسبت سطح مقطع گلوگاه ونتوري به نازل حدود 100 باشد؛ نسبت فاصله گلوگاه تا نازل به قطر گلوگاه بين يك الي دو باشد؛ نسبت جريان فاز پيوسته به جريان گسسته پايين باشد. نتايج مطالعات آزمايشگاهي در خصوص اندازه متوسط قطرات (قطر ميانگين ساتر) و توزيع اندازه قطرات نشان داد براي اندازه‌هاي مختلف قطر نازل 0/1 الي 0/3 ميليمتر، طول جت تقريبا مشابه است ولي با تغييرات سرعت، محدوده ظهور جت با افزايش قطر نازل كاهش مي‌يابد. با حضور ونتوري، قطرات با ميانگين قطر كمتر و توزيع اندازه يكنواخت‌تر به دست مي‌آيد. كمتر شدن نسبت سطح مقطع گلوگاه به نازل و فاصله گلوگاه تا نازل منجر به ايجاد قطرات ريزتر و توزيع اندازه يكنواخت‌تر مي‌شود. افزايش دبي فاز پيوسته باعث ايجاد قطرات درشت‌تر مي‌شود. توزيع اندازه قطرات در اين دستگاه با مدل N-T دو پارامتري، نسبت به ساير مدل‌ها، تطابق بهتري دارد. براي پيش‌بيني قطر ميانگين قطرات و دو پارامتر مدل توزيع اندازه قطرات يك رابطه تواني با اعداد بدون بعد ارائه شده است. براي مطالعات انتقال جرم، با توجه به ماهيت متفاوت عملكرد اين دستگاه با ساير ستون‌هاي استخراج، يك مدل بدون بعد بر اساس پارامترهاي عملياتي براي پيش‌بيني ضريب انتقال جرم كل ارائه شد كه مهمترين پارامتر تاثير گذار بر ضريب انتقال جرم، نسبت اندازه قطر قطرات به قطر نازل مي‌باشد؛ با كاهش اندازه قطر نازل، مقدار ضريب انتقال جرم كلي بيشتر خواهد شد. ضرايب انتقال جرم كل در جهت انتقال از فاز پيوسته به گسسته مقادير كمتري نسبت به ضرايب انتقال جرم در جهت گسسته به پيوسته دارد. مطالعات RSM شرايط بهينه براي داشتن ضريب انتقال جرم كل بيشينه را در مقادير قطر نازل 1.57 ميليمتر، قطر گلوگاه ونتوري 29.66 ميليمتر، فاصله نازل تا گلوگاه ونتوري 15.85 ميليمتر و نسبت دو فاز 2.79 به دست مي‌آيد. به كارگيري اين نوع دستگاه مزاياي مختلفي از جمله كاهش مشكلات خوردگي و آب‌بندي دستگاه استخراج كننده، كاهش زمان تماس دو فاز، عدم نياز به قطعات متحرك در داخل ستون، ايجاد سطح تماس بين دو فازي بالا و مقادير بالاي ضرايب انتقال جرم و كاهش فضاي مورد نياز به همراه دارد.

1399/06/02

Experimental Study on an Eductorial Liquid-Liquid Extractor

3/9/2019 12:00:00 AM

Liquid-liquid extraction (LLE) used in many industries, such as petroleum, food, hydrometallurgy, and chemical industries. LLE processes include two main steps: mixing and separation. One of the mixing methods, without mechanical agitation, is using an eductor. The main objective of the present work, the hydrodynamic and mass transfer aspects of the use of a novel eductor-based contacting device for liquid–liquid extraction (LLE) system has been evaluated by computational fluid dynamics (CFD) modeling, dimensionless numbers and cure fitting, and response surface methodology (RSM). Educator performance was studied by investigating the effects of jet velocity, the throat to nozzle area ratio (At/An), the column to nozzle diameter ratio (Dc/Dn), the projection ratio (Ltn/Dt), and two phases flow ratio (Qc/Qj) on the suction ratio (Rs), the mixing efficiency (ηm), and the mixing energy efficiency (ηe), sauter mean diameter (SMD), drop size distribution (DSD), and mass transfer coefficient. The high surface tension water/acetic acid/toluene LLE system was applied in the experiments. CFD results were validated by droplet rise velocity and dispersed phase holdup of water/toluene system; errors were 20.7% and 15.4%, respectively. Results show the lower jet velocities corresponds to higher Rs and ηe, but lower ηm and it is low than 2 m/s is recommended. By decreasing At/An ratio, Rs and ηm decreases, while at the higher At/An, Rs and ηe are lower and the value around 100 can be selected. The more Dc/Dn has better ηm and ηe, while Rs reduces insignificantly; The low Ltn/Dt corresponds to lower ηm and higher ηe, while Rs reduces insignificantly, and less than 50 is more appropriate. The optimum Ltn/Dt approximately is between 1 to 2; By increasing Qc/Qj, ηm and ηe decreases, while Rs reduces with small value, and the lower continuous phase rate causes the better venturi mixing performance. Experimental results show that for different nozzle diameters, from 1 to 3 mm, the same maximum jet length appears. Velocity range of formation was much wider for smaller nozzle diameters. Existence of venturi in front of nozzle reduces the SMD and produces narrower and symmetric DSD. Decrease of throat to nozzle area ratio and projection ratio decrease SMD and produce narrow and more symmetric DSD. Increase of two phases flow rate ratio increases the SMD trivially, and does not effect on DSD. A power law model was fitted to predict SMD. N-T model could predict DSD appropriately, while normal and log-normal models don’t fit well with the experimental data. The two parameters of N-T model were correlated, one with SMD and the other one with operational and geometrical parameters of equipment. Also, a power law model was fitted to predict mass transfer coefficient (Kc) in eductor LLE. The droplet to nuzzle diameter ratio is the most important parameter in predicting of Kc. By reducing of droplet size, Kc is increasing. Kc in disperse to continues phase is higher than continues to disperse phase. The optimum conditions for higher Kc in eductor LLE is Dn=1.567, Dt=29.659, Lnt=15.852, and RQ=2.7933. The eductor LLE device can be used economically and gives some advantages such as less corrosion and sealing problems, less contact time, no requirement for moving parts, provision of high interfacial area and higher overall mass transfer coefficients, reduced contactor volume and etc.

انتقال جرم , استخراج مايع - مايع

Mass Transtfer , liquid–liquid extraction