Закономерности разрушения прямых и обратных эмульсий на поверхности твердой фазы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

РГБ О»

, о

На правах рукописи

Пепеляев Сергей Николаевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПРЯМЫХ И ОБРАТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОЙ

ФАЗЫ

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Пермь-1997

Работа выполнена на кафедре химической технологам топлива и углеродных материалов Пермского государственного' технического университета

Научные руководители; доетор химических наук, профессор

Ю.С. Чекрышкин

кандидат химических наук, доцент Н.П. Углев

Официальные оппоненты: доктор химических наук

A. А. Федоров

кандидат химических наук, доцент

B.М. Виноградов

Ведущая организация: Московская государственная академия

тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится "М" 1997 г. в "/р часов на

заседании диссертационного совета К 200.61.01 в Институте технической химии УрО РАН по адресу: 614000, г. Пермь, ул. Ленина, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТХ УрО РАН.

Автореферат разослан "/^ 2 1997 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета К 200.61.01 д.т.н. ^ М.С.Федосеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Закономерности распада эмульсий изучены хорошо, в частности, разработана классификация эмульсий по механизму их разрушения, изучена роль различных факторов на процесс распада жидкофазных дисперсных систем.

Однако, имеющиеся данные, как правило, относятся к статическим системам, когда распад эмульсий протекает преимущественно по одному механизму. Недостаточно выявлена роль природы материала твердой поверхности на разрушение эмульсий, особенно в динамических условиях, что важно для уточнения представлений о конкурирующем влиянии различных механизмов на процесс распада эмульсий и имеет практическое значение, так как производство большого числа химических продуктов сопровождается образованием и разрушением эмульсии из компонентов реакционной смеси на стадии получения или выделения и очистки продукта. Значительная длительность стадии разрушения эмульсии, как правило, нежелательна либо в связи с возможностью протекания побочных реакций, либо из-за необходимости использования отстойных емкостей очень большого размера.

Поэтому задача получения достаточно надежных экспериментальных данных по разрушению эмульсий на различных насадках в динамических условиях и возможность нахождения на их основе соответствующих закономерностей является актуальной как в прикладном, гак и в теоретическом плане.

Цель работы. Изучить и объяснить механизм разрушения прямых и обратных эмульсий на поверхности насадки, найти общие закономерности этого процесса с выделением влияния природы материала и структуры насадки на распад эмульсий и определить на основе полученных закономерностей оптимальные условия проведения процесса разрушения эмульсий углеводородов в серной кислоте, нитробензола в воде и эмульсий воды в нитробензоле, М,Ы-диметиланилине и 2-этилгексенаде.

Научная новизна. Предложен механизм разрушения эмульсий в канале трубчатого коалесцентора. Доказано, что одним из путей распада эмульсии в данных условиях является возможность переконденсации частиц дисперсной фазы в потоке дисперсионной среды; впервые проведены исследования данного явления. Обнаружен эффект диффузионного переноса вещества дисперсной фазы в направлении, противоположном потоку дисперсионной среды, при движении эмульсии в капилляре.

На основании расчетов по модели, учитывающей переконденсацию, показано, что скорость распада движущейся в капилляре эмульсии не зависит от концентрации дисперсной фазы. Это отличает переконденсацию от коалесцен-ции.

Выявлено влияние ряда факторов (гидродинамических, типа насадки и эмульсии, концентрации ее компонентов и их взаимной растворимости, количества введенного ПАВ) на процесс разрушения эмульсии.

Предложена классификация эмульсий по механизму разрушения в коа-лесцирующем фильтре в зависимости от взаимной растворимости и плотности компонентов эмульсии.

Исследована взаимная растворимость компонентов в системах: вода -нитробензол, вода - КЫ-диметиланилин, вода - 2-этилгексеналь, нитробензол -серная кислота.

Практическая ценность. Закономерное™ разрушения эмульсии воды в нитробензоле, образующейся на установке получения нитробензола АО "Камтэкс", и эмульсии воды в 2-этилгексенале, образующейся при получении 2-эталгексанола на АО "Нефтехимик", исследованы на пилотных установках с насадками из стекловаты и стеклянных капилляров. Установлены технологические параметры, существенно влияющие на результаты обезвоживания продукта. Использование коалесцентора на стеклянных капиллярах оказалось более эффективным по сравнению с коалесцентором на стекловате.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Данные изучения процесса разрушения жидких дисперсных систем с высокой взаимной растворимостью компонентов и небольшой разницей плотностей фаз.

2. Результаты исследования влияния различных физико-химических факторов на устойчивость систем с большой разностью плотностей контактирующих фаз.

3. Математическая модель диффузионного взаимодействия частиц эмульсии со значительной растворимостью вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде с поверхностью насадки при движении системы вдоль поверхности твердой фазы.

4. Результаты испытаний разрушения эмульсий вода/нитробензол и вода/2-этилгексеналь в контактных устройствах с волокнистой и капиллярной структурой насадок на укрупненных установках.

Апробация работы. Основные материалы диссертации обсуждены на научно-практической конференции "Повышение эффективности производства на основе научно-технического прогресса" (Пермь, 1988), на XXVII научно-технической конференции (Пермь, 1991), на семинаре в Институте технической химии УрО РАН (Пермь, 1993), на XXVIII научно-технической конференции по химии и химической технологии (Пермь, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем диссертации. В состав диссертации входят введение, семь глав, общие выводы, список литературы и приложения. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, описано содержание диссертации.

Первая глава представляет обзор литературы по методам исследования и способам разрушения дисперсных систем на поверхности твердой фазы. Особое внимание при этом уделено анализу существующих представлений о механизме разрушения эмульсий.

В большинстве источников рассматриваются только контактный и гидродинамический механизмы, играющие при разрушении водонефтяных эмульсий значительную роль, однако возможны и другие механизмы, особенно при разрушении эмульсий другого типа.

Для систем, в которых процессы коагуляции и коалесценции идут с очень малыми скоростями, и при значительной растворимости компонентов эмульсии, снижение дисперсности может быть обусловлено диффузионным переносом вещества дисперсной фазы от малых частиц к более крупным. Экспериментальные исследования этого процесса, называемого переконденсацией (а также изотермической перегонкой, оствальдовым созреванием), весьма немногочисленны и ограничены изучением систем с неподвижной дисперсионной средой.

Многие использующиеся конструкции коалесцирующих фильтров также не способствуют беспрепятственному осуществлению процесса переконденсации между частицами дисперсной фазы. Их общими чертами являются много-слойность и бифункционалыгость фильтрующих материалов, объединение коа-лесцирующего фильтра с отстойником, поиск наиболее оптимального пространственного расположения фильтрующих элементов и направления движения потоков эмульсии. Как правило, проблема увеличения эффективности коалесцен-тора практически всегда решается "силовым приемом'-продавливанием эмульсии через значительный слой фильтрующего материала, в результате чего в зоне, близкой к материалу насадки, повышается концентрация эмульсии и скорость ее коалесценции увеличивается. Роль поверхности насадки при таком техническом решении в значительной степени вуалируется.

Во второй главе уточнена известная модель разрушения водонефтяных эмульсий и предложена математическая модель процесса осушки углеводородов.

Рассмотрен вариант осаждения дисперсной фазы на поверхности насадки, связанный с броуновским движением и седиментацией частиц. На основании теории Смолуховского-Эйнштейна выведены уравнения, которые параметрически задают зависимость между количеством осевшего на стенки канала вещества дисперсной фазы и длиной необходимого для этого канала.

Расчет по полученным уравнениям для эмульсии воды в нитробензоле показал что при радиусе капилляра 10~3.м. радиусе частицы 10~6м и концентрации воды 0,5% полного отсутствия взвешенной фазы на выходе из канала можно добиться лишь при длине последнего около трех километров. Однако,

как видно из опытных данных (глава 5), разделение фаз достигается при длине канала, не превышающего одного метра. Несоответствие результатов, полученных расчетным и опытным путем, нами объяснено протеканием параллельно с броуновской диффузией других процессов, результаты изучения которых рассмотрены в этой главе.

Математическая модель процесса разрушения эмульсии со значительной растворимостью вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде строится на известных соотношениях. Это уравнение Фика, определяющее диффузионный поток, и уравнение Гиббса-Фрейндлиха-Оствальда, определяющее движущую силу этого потока.

В результате проведенных расчетов, установлено, что перенос частиц дисперсной фазы на поверхность канала, по которому движется эмульсия, частично может протекать за счет седиментации. В основном же происходит перенос вещества дисперсной фазы с частиц, проходящих по каналу на его стенки. Наиболее удовлетворительно работает при этом модель в основу которой положена молекулярная диффузия

2а¥т

3

|ехр|

/?Г(г + 2<5)

1п

Я*

г 4 г

з

(1)

где ()га1 - поток вещества дисперсной фазы (ВДФ) от частиц эмульсии к стенкам канала; В - коэффициент диффузии; г - время; сл - растворимость ВДФ в дисперсионной среде; сг- поверхностное натяжение; Уп - молекулярный объем;

универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; г-радиус частицы; 8- поправка на изменение поверхностного натяжения с уменьшением радиуса частицы (порядка 10~йм); Кк - радиус капилляра; х'^, х'/^ - объемные доли растворенного при насыщении ВДФ при температурах ^ и /2 соответственно (/2 >/]), 2 - длина капилляра. Среднее время улавливания частиц дисперсной фазы, рассчитанное по этому уравнению, совпадает с экспериментально определенным.

Выделены режимы работы диффузионного коалесцентора в зависимости

„ <Ю.га1 т-.Сг ~ Сп .

от величины радиалыюи —— - = и —-- (сг и си- соответственно концен-

д*

трация над каплей и стенкой канала) и аксиальной = _£>. _1('2—

ат I

составляющих диффузионного потока и их соотношения. Доказана невозможность существования в канале монодисперсной эмульсии при наличии переконденсации.

При условии =()диф (где ()гиф = Ога<1 + £>аь) показано, что критическая скорость движения эмульсии по каналу не зависит от концентрации частиц дисперсной фазы

}Укг = тЮсЛ ехр

2сУт КТг

-111 —^—1п р-Як2

(2)

что коренным образом отличает перекоцденсацию от коалесценции (£- джна канала; р- расстояние от частицы до стенки).

В третьей главе рассмотрены методы изучения дисперсных систем, а также «нисаны некоторые специальные методики анализа, используемые в ходе выполнения работы.

Основным методом исследования был метод сравнения. Для получения достоверных результатов проводили параллельные эксперименты с использованием насадки и без насадки, или с индифферентной насадкой, имеющей одинаковые геометрические размеры с исследуемой для обеспечения одинаковых условий течения эмульсии.

В ходе экспериментов использовали, в основном, традиционные, для исследования устойчивости эмульсий методы анализа: спектрофотометрический -для определения степени разрушения эмульсии по светопропусканию; микрофотографический - для определения дисперсионного состава эмульсии. Содержание воды в углеводородах определяли методом Фишера, гидридным, а также методом азеотропной перегонки (по Дину-Старку); для определения количества индивидуальных углеводородов в воде применяли многоступенчатую экстракцию их гептаном или гексаном с последующим определением концентрации по коэффициенту преломления света полученных' растворов. Взаимную растворимость компонентов эмульсий определяли по методу Алексеева, заключающемуся в фиксировании помутнения предварительно гомогенизированных при повышенной температуре растворов, которое наблюдается при охлаждении их до точки расслоения.

Растворимость Н,Ы-диметила нилина в воде и взаимную растворимость серной кислоты и нитробензола определяли методом экстракции органического компонеггга небольшим количеством н.гексана.

Растворимость серной кислоты в нитробензоле определяли по результатам титрования водной вытяжки кислоты из насыщенного ею нитробензола.

В четвертой главе представлены результаты измерений и литературные данные по взаимной растворимости ряда двойных систем, компоненты которых образуют эмульсии, устойчивость и динамика разрушения которых исследовались в данной работе. Исследована взаимная растворимость воды и нитробензола, воды и НМ-диметиланилина, воды и 2-этилгексеналя, нитробензола и серной кислоты. Необходимость получения этих данных обусловлена ограниченностью (система нитробензол-вода) или отсутствием сведений в литературе.

Показано, что взаимная растворимость в ряду систем алкилат -серная кислота, ИЛ^-диметаланилин-вода, нитробензол-вода, нитробензол-серная кислота, 2-зтилгсксеналь-вода увеличивается. Скорость разрушения соответствующих эмульсий также будет увеличиваться в данном ряду, если не будут оказывать влияние другие факторы (например, разность плотностей компонентов эмульсии).

В пятой главе изложены результаты исследования процесса разрушения эмульсий со значительной растворимостью вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде, в которых процессы коагуляции и коалесценции идут с очень малыми скоростями и уменьшение дисперсности может быть обусловлено диффузионным переносом вещества дисперсной фазы от малых частиц к более крупным (переконденсация).

Исследования проводили на следующих системах: вода-нитробензол, во-да-КМ-диметиланилин, вода-2-этилгексеналь. В качестве материала насадки использовали стекло, а в случае разрушения эмульсии нитробензола в воде -фторопласт.

Измерения оптической плотности выходящей из насадки смеси позволили выделить три характерных области для скорости течения эмульсии: при малых расходах происходило полное, практически 100%-ное, осветление эмульсии, при больших расходах осветления вообще не наблюдалось. Результаты, полученные в области расходов между двумя этими участками и характеризующиеся резким изменением устойчивости эмульсии при небольших колебаниях расхода, были описаны методом наименьших квадратов уравнением регрессии первого порядка (рис.1). Середину отрезка полученной линии принимали за критический расход при превышении которого капля не успевает вступить в контакт с поверхностью материала насадки. Выведено уравнение и построены зависимости критической скорости движения эмульсии по каналам, составляющим насадку, от их длины, диамеггра н расхода эмульсии.

Рис. 1. Степень разрушениа эмульсии в зависимости от скорости течения ее по капилляру (длина (мм) : 1-418; 2-893; 3-1561). Определение критической скорости

На рис. 2 представлены данные для системы нитробензол/вода и вода/нитробензол, соответственно, на фторопластовом (1) и стеклянном (2) капиллярах длиной 2 метра. Увеличение длины капилляра позволяет вести процесс при большем расходе эмульсии, уменьшение - при меньшем.

Изучен диффузионный перенос вещества дисперсной фазы в трехфазных системах. За время прохождения эмульсии по каналу насадки дисперсная фаза частично или полностью оседает на его поверхности. Динамику накопления и распределения осадка по длине канала в системе вода-углеводород исследовали следующим образом. Эмульсию воды в углеводороде пропускали через стеклянный канал в течение определенного времени, по истечении которого туда же вводили водяной поршень для сбора накопившейся за время эксперимента на стенках канала воды и следили за изменением размера поршня при движении его по каналу. В результате выяснили, что дисперсная фаза накапливается в канале коалесцентора неравномерно: если в начале канала воды достаточно много, то по мере продвижения к его концу количество воды постепенно снижается практически до нуля.

В процессе движения эмульсии по каналу коалесцентора возможно как слияние капель - коалесценция, так и диффузионный перенос вещества дисперсной фазы с малых капель на крупные - переконденсация. Очевидно, оба процесса имеют место как в объеме текущей эмульсии, так и на поверхности канала, ограничивающей поток. В связи с этим, представляло интерес оценить роль переконденсации и коалесценции при разрушении движущейся по насадке эмульсии.

Рис. 2. Зависимость критической скорости движения эмульсии от 0

диаметра капилляра (длина 2м): 1-эмульсия нитробензол/вода во фто- 5 ропластовом капилляре; 2-эмульсия г £ вода/нитробензол в стеклянном 0,6

капилляре

о о.г

Оценку диффузионной .составляющей (переконденсации) в процессе разрушения эмульсий проводили на экспериментальной установке, снабженной ячейкой, на внутренних стенках которой накапливалась дисперсная фаза. Измерения в ячейке проводили визуально с помощью микроскопа "Биолам Р-15", а также путем обработки фотографий. Через определенные промежутки времени измеряли диаметры капель на поверхности стекла.

Результаты эксперимента, полученные при изучении процесса разрушения эмульсии воды в нитробензоле, представлены в табл. 1. Видно, что оседание капель на поверхности происходит только в течение первого часа - этап коалесценции - пока капли на поверхности малы.

Далее, на втором этапе, происходит только переконденсация, так как на поверхности имеются уже большие капли, способные перекачивать вещество

дисперсной фазы не только с соседних капель на поверхности стекла, но и из капель, находящихся в объеме протекающей эмульсии, на что указывает общее увеличение массы вещества дисперсной фазы (ВДФ) на поверхности. Коалес-ценция капель на поверхности была представлена единичными случаями.

Методом сравнения исследован эффект "обратного" движения углеводородной фазы в канале. Опцты ставили с эмульсией нитробензола в воде. Наличие (или отсутствие) обратного потока нитробензола регистрировали путем проведения процесса и поддержания неизменности его параметров (концентрация ВДФ, температура и скорость течения эмульсии) одновременно на двух установках: экспериментальной с коалесцентором и контрольной без коалесцентора. Анализ количества нитробензола во всех элементах обеих установок (исходных емкостях, емкостях для сбора продукта и коалесценторе) проводили после экстракции гексаном.

Таблица 1

Изменение диаметра и объема капель воды на внутренней поверхности* капилляра от длительности пропускания через него эмульсии вода/нитробензол

№ Изменение диаметра капель (¿/ • 106м) за время (мин)

от начала эксперимента

капли 4 55 75 110 140 170 210 260

1 1,2 1,7 1,6 1,9 1,6 1,9 1,9 1,9

• 2 - 1,5 0,9 - - - - -

3 1,4 2,0 2,1 2,4 2,4 2,4 2,6 2,8

4 - 2,2 2,4 2,8 2,8 3,1 з,з 3,5

5 1,4 2,0 2,1 2,4 2,4 2,6 2,6 2,4

6 1,4 2,2 2,8 3,1 3.3 3,5 3,8 4,0

7 . 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 - -

8 - 1,0 0,7 0,7 0,7 1,2 0,9 0,9

9 - 1,0 0,5 - - - - -

10 - 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 - -

11 0,9 - - - - - - -

Суммар-

: НЫЙ

объем 28,6 185,0 159,6 ' 222,8 235,7 294,0 346,1 398,2

капель,

V-10"

м'

* Площадь видимой поверхности стекла 5.56 • Ю-10м2.

В результате экспериментов установлено, что при скорости движения эмульсии по каналу от 0,2 до 1,0 см/с, заметно снижается концентрация нитробензола на выходе экспериментальной установки по сравнению с концентрацией на выходе контрольной установки, тогда как в исходной емкости экспериментальной установки количество нитробензола, наоборот, выше по сравнению с его количеством в контрольной. Увеличение скорости движения эмульсии (более 1,0 см/с) приводит к постепенному увеличению концентрации нитробензола на выходе экспериментальной установки вплоть до ее значения на выходе контрольной установки. Количество нитробензола в коалесценторе во всех случаях незначительно и постепенно уменьшается с увеличением скорости.

Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что при движении эмульсии в канале происходит наведение, как минимум, двух различных потоков диффундирующего вещества: один возникает между объемными и поверхностными каплями и, в силу большего химического потенциала первых по сравнению со вторыми (более крупными и раньше осевшими) направлен в сторону поверхности; другой возникает только между поверхностными каплями различных размеров и имеет направление противоположное движению эмульсии. Усиление одного потока по сравнению с другим влияет на процесс накопления ВДФ в канале, что также экспериментально показано.

В шестой главе приведены результаты исследования процесса распада эмульсий углеводородов в серной кислоте на поверхности твердой фазы.

Характер взаимодействия жидкостей с поверхностью определяется величиной работы адгезии, которая была нами определена стандартным методом взвешивания таблетки исследуемого вещества в момент отрыва ее от поверхности жидкости. Строго говоря, этим методом определяется так называемая адгезионная прочность, однако, при достаточно медленном перемещении таблетки и сравнительно слабом взаимодействии компонентов она может быть принята за работу адгезии (С.С.Воюцкий).

Было исследовано влияние некоторых ПАВ на адгезию. В серную кислоту вводили тяжелые смолы пиролиза (ТСП), смолы риформинга (СР) и нафтеновые кислоты (НК).

Краевой угол смачивания, вычисленный на основе полученных данных, для пары фгоропласт-2,2,4-триметилпентан (66°) значительно меньше, чем для пары фторопласт-серная кислота (75,1°), в том числе в присутствии поверхностно активной присадки НК (80 и 81° при концентрации ее соответственно 0,1 и 0,5 % об.). Вытеснение серной кислоты углеводородами с поверхности фторопласта позволило использовать его в качестве насадки для разрушения эмульсии.

Влияние поверхности фторопласта на скорость распада эмульсии определяли следующим образом. Приготовленную эмульсию пропускали через по-

верхностный коалесцентор с фторопластовой насадкой. Проходя через слой насадки, эмульсия частично разрушалась и далее в измерительном сосуде расслаивалась уже с обычной скоростью. Для получения сопоставимых результатов проводили эксперименты с различными насадками одинаковых геометрических размеров для обеспечения одинаковых условий течения эмульсии, в том числе и степени турбулентности потока. Для этого параллельно были проведены такие же опьггы с насадкой из железной проволоки. Характер влияния насадки на скорость разрушения эмульсии при различном количестве вводимого ПАВ во всех случаях аналогичен представленному на рис. 3.

Безусловное ускорение полного распада эмульсии, превосходящее по абсолютной величине влияние турбуяизующего фактора (см. рис. 3, кривые 2-5), прослеживается во всех случаях применения фторопластовой насадки. Эффект ее воздействия на разрушение эмульсии пропорцион!ален высоте слоя последней.

Время распада, мин

Рис. 3. Влияние фторопластовой насадки на скорость распада эмульсии алкилат/серная кислота. Объемная доля присадки НК 0,1% (от 92,5°о-ноп серной кислоты), температура

10 °С; 1 - без насадки; 2-5 - насадка стальная высотой 17, 25, 35, 58 • 10~3м соответственно;

6-11 - насадка фторопластовая высотой 20, 35, 40, 55, 65, 75 • 10 "к соответственно.

Практически полная параллельность кривых 1-11 (рис. 3) на завершающем этапе распада свидетельствует о том, что активная фаза процесса протекает только в момент прохождения эмульсии по поверхности насадки без остаточного влияния на ее объемные свойства.

Влияние концентрации серной кислоты на скорость разрушения эмульсии

исследовали на системе нитробензол-серная кислота при 20 "С и отношении

объема кислоты Ук к объему нитробензола Уп, равном 5:2. Результаты представлены в табл. 2.

При изменении концентрации кислоты от 92 до 50 % разность плотностей фаз уменьшается, а скорость седиментационного распада эмульсии увеличивается. Это связано с тем, что при разбавлении серной кислоты водой вязкость-кислоты уменьшается еще в большей степени.

Значительное влияние на стойкость эмульсий оказывает объемное соотношение фаз (табл. 3): чем меньше объемная доля нитробензола, тем ниже скорость распада эмульсии.

Это, по-видимому, связано с уменьшением вероятности столкновения капель нитробензола и их коалесценции. К аналогичному выводу приводит и анализ влияния температуры.

Таблица 2

Влияние концентрации серной кислоты на скорость разрушения эмульсии

Концентрация серной кислоты, % 92 80 70 50 30 20

Скорость расслоения эмульсии, мл/мин 0,094 0,122 0,148 0,168 0,092 0,052

Таблица 3

Влияние объемного соотношения фаз и температуры на скорость распада эмульсии нитробензол/серная кислота

Отношение объема кислоты к объему нитробензола Скорость распада (мл/с) при температуре, "С

22 40 60 80

2:1 0,050 0,066 0,088 0,110

4:1 0,026 0,035 0,054 0,066

6:1 0,012 0,020 0,033 0,050

8:1 0,006 0,011 0,016 0,025

Результаты этих исследований были положены в основу рекомендаций по ведению процесса нитрования бензола на Пермском химическом заводе им. С.Орджоникидзе (АО "Камтэкс"). Наряду с ними была определена степень разрушения эмульсии нитробензола в серной кислоте от величины поверхности коалесцирующего фильтра.

Исследования проводили на фторопластовой насадке. Свежеприготовленную эмульсию пропускали через насадку, фиксируя длительность протека-

ния и время полного расслоения эмульсии. Несмотря на кратковременность контакта эмульсии с гидрофобной поверхностью (2-3 с), ее влияние на общую продолжительность распада ощутимо, что соответствует данным, полученным при разрушении эмульсии алкилата в серной кислоте.

В седьмой главе изложены результаты пилотных испытаний процесса разрушения эмульсии вода/нитробензол установки получения нитробензола АО "Камтэкс" на различных насадках, а также вода/2-этилгексеналь на АО "Нефтехимик".

Пилотная установка состояла из собранных последовательно элементов: емкости для исходной смеси, коалесцентора, регулятора расхода, емкости для сбора конечного продукта. Коалесцентор, представляющий собой цилиндрический сосуд из стали, заполнялся стеклянными капиллярами (молекулярно-диффузионный механизм) или стекловатой (контактный механизм).

Исследовали влияние скорости течения эмульсии на эффективность работы насадки, а также продолжительность работы диффузионного коалесцентора на сохранение им способности к разрушению эмульсии.

Установлено, что разрушение эмульсии достаточно эффективно идет и в контактном и в диффузионном коалесценторах. Однако, при работе диффузионного коалесцентора был обнаружен устойчивый эффект осушки нитробензола до состояния ниже равновесной растворимости воды в нем при температуре испытаний, что соответствует результатам лабораторных исследований.

В этой же главе обобщены итоги испытания промышленного коалесцентора, включенного в схему установки алкилирования АООТ "ЛУКойл-Пермнефтеоргсинтез".

ВЫВОДЫ

1. Исследования удельного вклада различных составляющих при разрушении эмульсии со значительной растворимостью вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде позволили доказать ведущую роль переконденсации частиц дисперсной фазы по сравнению с броуновской диффузией и седиментацией.

2. Предложена математическая модель процесса разрушения эмульсии в капиллярном коалесценторе, результаты которой удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными.

3. Показано, что критическая скорость движения эмульсии зависит от растворимости вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде и параметров капилляра, но не зависит от концентрации частиц в потоке эмульсии.

4. Определена взаимная растворимость компонентов четырех бинарных смесей: воды и нитробензола, воды и КМ-диметиланилина, воды и 2-этилгексеналя, нитробензола и серной кислоты.

5. Установлено, что переконденсация частиц дисперсной фазы на стенках канала происходит за счет уменьшения размеров не только соседних частиц

меньшего радиуса, но и частиц из объема протекающей эмульсии. Процесс оседания частиц из потока эмульсии на насадку имеет место только в начальный момент времени, когда на поверхности насадки количество вещества дисперсной фазы ниже, чем в объеме эмульсии.

6. На основании сопоставления расчетных и экспериментальных данных предложен механизм разрушения эмульсий в канале трубчатого коалесцентора, в основу которого положена диффузия вещества дисперсной фазы под действием градиента концентрации от частиц движущейся по каналу эмульсии на частицы, осевшие на стенки канала.

7. Обнаружен эффект диффузионного переноса вещества дисперсной фазы в направлении, противоположном потоку эмульсии нитробензол-вода.

8. Показано, что эмульсии с низкой взаимной растворимостью компонентов эффективно разрушаются при течении их по лиофильной нерегулярной насадке, а эмульсии со значительной взаимной растворимостью компонентов лучше разрушаются на регулярной насадке.

9. На основании исследований предложен новый тип аппарата - диффузионный коалесцентор, обладающий рядом технических преимуществ, позволяющих достигать очистки дисперсионной среды от вещества дисперсной фазы (до концентраций ниже растворимости) с возвращением последней в исходную емкость.

10. Полученные результаты подтверждены в процессе испытаний пилотной установки в течение 26 часов. Эмульсия воды в нитробензоле эффективно разрушается на насадке из стеклянных капилляров при скорости течения эмульсии ниже критической.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Пепеляев С.Н., Углев Н.П. Интенсификация стадии отделения промывочного раствора от целевого органического продукта. - В кн.: Повышение эффективности производства на основе научно-технического прогресса: Тез. докл. Пермь, 1988. С. 18.

2. Рябов В.Г., Углев Н.П., Свириденко А.Л., Крылов В.А., Степанов С.А., Пепеляев С.Н. Интенсификация стадии разрушения эмульсии серная кислота-алкилат с помощью поверхностного коалесцентора. Нефтепереработка и нефтехимия. 1990. № 10. С. 31.

3. Пепеляев С.Н., Рябов В.Г., Гузий С.Н., Углев Н.П. Влияние полиакри-ламида на процесс деэмульсации товарного нитробензола. Химическая промышленность. 1990. № 11. С. 63.

4. Пепеляев С.Н., Шильников В.А., Углев Н.П. Определение бинодали

системы нитробензол-вода в интервате температур 10-100°. Журнал прикладной химии. 1990. № 8. С. 1854.

5. Углев Н.П., Крылов В.А., Пепеляев С.Н., Болотов К.Г., Афанасьев О.И. Влияние активной поверхности на скорость распада эмульсии алкилата в серной кислоте. Химия и технология топлив и масел. 1991. №7. С. 15.

6. Пепеляев С.Н., Углев Н.П., Репин В.В. Итоги пилотных испытаний процесса обезвоживания нитробензола, диметиланилина и 2-этилгексеналя. XXVII научно-техническая конференция Пермского политехнического института: Тез. докл. Пермь, 1991. С. 127.

7. Пепеляев С.Н., Репина Й.А., Шильников В.А., Углев Н.П. Устойчивость эмульсии нитробензола в серной кислоте. Химическая промышленность.

1992. №2. С. 15.

Пепеляев С.Н., Мазеина Т.С., Шильников В.А., Углев Н.П. Взаимная растворимость воды и диметиланилина в интервале температур от 20 до 100°. Журнал прикладной химии. 1992. № 6. С. 1411.

9. Пепеляев С.Н., Углев Н.П., Кудинов А.В. Оценка роли диффузионной составляющей в процессе разрушения эмульсий. Журнал прикладной химии.

1993. №5. С. 1168.

10. Пепеляев С.Н., Углев Н.П. Исследования диффузионного переноса вещества дисперсной фазы в направлении, противоположном потоку дисперсионной среды. - В кн.: Химия и химическая технология. Тез. докл. XXVIII научно-технической конференции по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в 1992-1994 гт. Пермь, 1995, С.51.

11. Пепеляев С.Н., Углев Н.П. Механизм разрушения эмульсии нитробензол/вода/ /Химические проблемы защиты окружающей среды: Сб. научн. трудов. Пермь, 1996. С. 59.

Подписано в печать 13.02.97г. Формат 60x84/16.Заказ 1101.Тираж ГООэкг