Способ определения коэффициента массопереноса Советский патент 1989 года по МПК G01N27/48 

1

(21)4053961/23-26

(22)09.04.86

(46) 30.09.89. Бюл. fJ 36

(71)Всесоюзный научно-исследовательский биотехнический институт

(72)А.В.Голубкович, Я.В.Семенов, Э.В.Харитонова и Г.М.Яковлев

(53)66.013.23(088.8)

(56)Cooper С.М., Fernstrom L.A., Miller S.A. Das - Lignid Contotor - Industrial and Engineering Chemistry, , 36, P 6, p. 504-509.

(54)СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МАССОПЕРЕНОСА

(57)Изобретение относится к способам определения коэффициента массоперено- са в химических или микробиологических аппаратах и позволяет повысить точность определения, упростить и ускорить способ. Способ определения коэффициента массопереноса (К, г ) по скорости окисления сульфита натрия

в водном растворе кислородсодержащим газом в присутствии солей меди (П) в качестве катализатора включает определение начальной (Х , г/л) и конечной (X , г/л) концентраций сульфита натрия, времени окончания процесса окисления сульфита натрия (С, ч), i движущей силы процесса (С, г/л), при этом в процессе окисления непрерывно измеряют концентрацию кислорода в растворе до достижения ее равновесного значения (Срд , г/л) и по точке перегиба на измеряемой зависимости фиксируют о , Х, равную 5 г/л, и стационарную концентрацию кислорода в растворе (Сртац. г/л). Движущую силу процесса UC определяют, как разность концентраций между Срдвн и С стиц 3. К рассчитывают по ура вне- нию: К 8/63(Х и - Х)ЛС-С-, где 63 и 8 - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции окисления суль- фита натрия кислородом. 1 ил.

с &

(Л

Изобретение относится к способам определения коэффициента массопереноса в химических или микробиологических аппаратах и позволяет повысить точность определения, упростить и ускорить способ. Способ определения коэффициента массопереноса (K, ч^-1) по скорости окисления сульфита натрия в водном растворе кислородсодержащим газом в присутствии солей меди /П/ в качестве катализатора включает определение начальной (X_н, г/л) и конечной /X_к, г/л/ концентраций сульфита натрия, времени окончания процесса окисления сульфита натрия (τ, ч), движущей силы процесса (ΔС, г/л), при этом в процессе окисления непрерывно измеряют концентрацию кислорода в растворе до достижения ее равновесного значения /C_равн., г/л/ и по точке перегиба на измеряемой зависимости фиксируют τ, X_к, равную 5 г/л, и стационарную концентрацию кислорода в растворе /C_стац., г/л/. Движущую силу процесса 98ДС определяют как разность концентраций между C_равн. и C_стац., а К рассчитывают по уравнению: K=8/63(X_н-X_к/ΔС^.τ, где 63 и 8 - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции окисления сульфита натрия кислородом. 1 ил.

Изобретение относится к определению коэффициента массопереноса для оценки интенсивности перемешивания раствора в аппаратах различной конструкции, применяемых в химической и микробиологической промышленности.

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента массо- переноса, упрощение и ускорение способа.

В основе способа определения коэффициента массопереноса (К) положен процесс хемосорбции кислорода, в водном, .растворе сульфита натрия в присутст-,

ВИИ в качестве катализатора солей двухвалентной меди.

Способ включает определение начальной (Х() и конечной (X ) концент- раций сульфита натрия в растворе, времени окончания процесса окисления сульфита натрия (С), движущей силы процесса (ДС) с учетом равновесной

.концентрации кислорода в растворе (Срддц ) и расчет коэффициента массопереноса, при этом в процессе окисления сульфита натрия непрерывно изме- ряют концентрацию кислорода в растворе до установления ее равновесного

а о:

3- 15

значения н по точке перегиба на этой занисимости фиксируют время окончания процесса окисления, конечную концентрацию сульфита натрия, равную 5 г/л, и стационарную концентрацию , кислорода в растворе (Сстои, при хемо- сорбции. Движущую силу процесса определяют, как разность равновесной и стационарной концентрации кислорода, а коэффициент массопереноса рассчитывают по уравнению

К

8 (Х(, - XJ

63

К - коэффициент массопереноса,

r-t .

X ,1 - начальная концентрация сульфита натрия, г/л , X - конечная концентрация суль S

фита натрия, равная 5 г/л, при 5 Х 25;

-СрдВН

) - движущая сила процесса, г/л раби равновесная концентрация

кислорода в растворе, г/л С ста ц стационарная концентрация

кислорода в растворе в процессе хемосорбции, г/Л} с - время окончания процесса

окисления сульфита натрия,ч 8/63 - массовое соотношение кислорода к сульфиту натрия согласно стехиометрии реа К1 ;ии + . Способ осуществляют следуюищм образом.

В определенном объеме воды, залитой в массообменный аппарат, растворяют сульфит натрия в количестве Xj,, равном 25 г/л, но не менее 5 г/л. К полученному раствору добавляют раствор серно-кислой меди в количестве 0,001 - г-моль/л, используемой в качестве катализатора окисления сульфита натрия, кислородом в жидкой фазе. В аппарат вводят датчик измерения концентрации растворенного кислорода (например, мембранньш полярграфичес- К1;й датчик) , соединенньш с самописцем. Включают перемешивающее устройство, подачу кислородсодержащего газа (воздуха) и одновременно производят запись на ленте самописца зависимости концентрации кислорода в растворе в процессе окисления сульфита натрия до установления равновесной

62 4

концентрации кислорода в растворе, соответствующей парциальному давлению кислорода в газовой фазе. Температуру раствора сульфита натрия во время его окисления поддерживают постоянной.

На чертеже представлена кривая изменения концентрации кислорода в

растворе сульфита натрия во.времени

Измеренная С , -зависимость имеет вид прямой, параллельной оси времени, с последующим отклонением вниз и выходом на предельное значение, соответствующее равновесной концентрации кислорода Cpgg,n .

На представленной,кривой наблюдается три характерных участка. Область I до точки перегиба А характеризует

реакцию окисления сульфита натрия, катализированную ионами меди, до достижения концентрации сульфита натрия в растворе 5 г/л, протекающую при остаточном содержании кислорода

(стационарная концентрация кислорода С

0

5

стаи.

), отличающейся от нуля.

Эта величина определяет концентрацию химически несвязанного кислорода в растворе в процессе хемосорбции кис0 лорода. Область II соответствует

окислению сульфита натрия от концентрации 5 г/л до нуля и характеризуется резким падением концентрации растворенного кислорода. Область III с

5 выходом на равновесную концентрацию -раБй соответствует процессу физической сорбции кислорода раствором сульфита натрия.

poiuu соответствует парциальному

Q .давлению кислорода в газовой фазе аппарата.

Представленная зависимость характеризует специфику процесса хемосорбции, катализированного ионами меди,

с заключающуюся в разном изменении характера протекания процесса и появлении ТОЧКИ перегиба Л при достижении концентрации сульфита натрия 5 г/л. При этом экспериментально установлено, что эта конечная концентрация сульфита натрия Х, равная 5 г/л, не зависит от начальной концентрации сульфита натрия, по крайней мере в интервале 5 Х 25 г/л. По точке перегиба А на кривой, зная скорость движения диаграммной ленты, одновременно фиксируют время окон- чания процесса окисления, конечную концентрацию сульфита натрия

10

5 г/л и стационарную концентрацию- - ,

кисло1 ода в растворе.

Движущую силу процесса определяют по разнице равновесной и стационарной концентраций кислорода в растворе Д.С Cpдg, - .

Начальную концентрацию сульфита натрия в растворе определяют, как отношение количества безводного сульфита натрия к объему воды, в котором он растворен. Зная начальную и конечную концентрации сульфита натрия,

время изменения концентрации от начальной до конечной и движущую силу

процесса по приведенному уравнению, рассчитывают коэффициент массопере-- Hqca.

Пример. В ферментер зали.уают 1 м воды. В.этом объеме воды раство- 20 ряют 25 кг сульфита натрия и 160 г сульфата меди. В рабочем объеме ферментера устанавливают датчик растворенного кислорода, показания которого записывают на ленту самописца, движущуюся со скоростью 12рО мм/ч. Движение ленты самописца начинаемся одновременно с включением подачи воздуха и перемешиванием.

15

Температуру раствора во время всего опыта поддерживают равной 20°С. Парциальное давление кислорода в газовой фазе ферментера составляет 0,16 атм. Длина диаграммной ленты от начала опыта до начала уменьшения парциального давления кислорода в жидкой фазе (точка перегибы А) равна 345 мм, что соответствует 0,29 ч. При этом концентрация сульфата натрия равна 5 г/л.

Стационарная концентратдия кислорода в растворе, характеризующая остаточное содержание кислорода или концентрацию химически несвязанного в процессе хемосорВции кислорода, составляет 0,710 г/л.

Равновесную концентрацию кислоро-, да в растворе, равную Ср„ц„ 7,09к к 10 г/л, определяют на измеряемой С, с, - кривой. Эта величина соответтвует парциальному давлению кисло- ода в газовой ||азе ферментера.Срдвц ожно определить так же, как и в рототипе, расчетным путем:

ра аи

31 -1,429 -10 э

-3

0,16

г/л.

10

20 Т1662

где 31 см /л атм

15

1,429-10 г/см 0,16 атм

растворимость кислорода в воде при t 20°С и парци- альном давлении 1 атм,

удельный вес кислорода;

парциальное давление кислорода в газовой фазе

Имея все необходимые величины, найденные в предлагаемом способе с помощью измеренной С, -кривой, определяют коэффициент массопереноса по п)едставленной зависимости, т.е.

8 (25-5)

К

63 0,-29-(7,09-0,7)-10 1371

- 1

При определении коэффициента массопереноса по способу-прототипу, кро- ме времени на подготовку ферментера.

растворение сульфита натрия и непосредственно на окисление сульфита натрия, требуется около часа на приготовление растворов иода, тиосуль- фита натрия и крахмала, а также время на проведение титрования и анализа 6-7 проб по 10 мин на каждую пробу.

Точность определения коэффициента массопереноса повьш1ается также за счет корректировки движущей силы

процесса на величину С

era U, ;

которая

на основании установленного в работе экспериментального факта является отличной от нуля.

Предлагаемый способ позволяет сократить время получения результатов более, чем на 23 ч, упростить методику определения и расчета коэффициента массопереноса, исключить приенение дефицитных материалов, необ- , ходимых для выполнения анализов, сократить число операций и уменьшить вероятность ошибки от некачествено выполненных анализов.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента . массопереноса в биореакторах по ско- 55 рости окисления сульфита натрия в водном растворе кислородсодержащим газом в присутствии в качестве ката- лйзат6ра солей меди (II) , включaюг й определение начальной и конечной

концентраций сульфита натрия, времени окончания процесса окисления суль- фита натрия, определение движущей силы процесса по равновееной концентрации кислорода в растворе, расчет коэффициента массопереноса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения коэффициента массопереноса, упрощения и. ускорения способа, в.процессе окисления сульфита натрия непрерывно измеряют концентрацию кислорода в растворе до достижения ею равновесного значения и по точке перегиба на измеряемой зависимости фиксируют время окончания процесса окисления, конечную концентрацию сульфита натрия, равную 5 г/л, и стационарную концентрацию кислорода в растворе, при йтом движущую силу процесса определяют, как разность равновесной и с1 ационар1гой концентраций кислорода, а коэффициент массопереноса К рас- считывают по уравнению

К

8 X к - XI 63- Л С- о

5

где К - коэффициент массопереноса, X

Н

Х

начальная концентрация сульфита натрия, г/л; 5 г/л - конечная концентрация

сульфита натрия при 5 X.,

25:.

С раен - С стац - движущая сила процесса, г/л; равновесная концентрация кислорода в растворе, г/л; стационарная концентрация кислорода в растворе, г/л) время окончания процесса окисления сульфита натрия,4;

0 8/63 - массовое соотношение кислсэро- да к сульфиту натрия согласно стехиометрии реакции окисления сульфита натрия.

рави

СТСТЦ

О