Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2010, № 10
Теоретические и экспериментальные исследования процесса гидрофобизации сырья в СВЧ обработке
Покупка
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Горная книга
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 26
Дополнительно
Вид издания:
Журнал
Артикул: 701863.0001.99
Доступ онлайн
В корзину
Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований производства гидрофобных плавучих сорбентов для ликвидации разливов нефти с применением электромагнитных полей ВЧ и
СВЧ диапазона.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Фуад М.А. Аль-Сабри О.М. Гридин ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГИДРОФОБИЗАЦИИ СЫРЬЯ В СВЧ ОБРАБОТКЕ
УДК ББК Г 82 622.276 39.49 Г 82 Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.09 Аль-Сабри Фуад М.А., Гридин О.М. Теоретические и экспериментальные исследования процесса гидрофобизации сырья в СВЧ обработке: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2010. — № 10. — 25 с.— М.: Издательство «Горная книга» ISSN 0236-1493 Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований производства гидрофобных плавучих сорбентов для ликвидации разливов нефти с применением электромагнитных полей ВЧ и СВЧ диапазона. УДК 622.276 ББК 39.49 © Фуад М.А. Аль-Сабри, О.М. Гридин, 2010 © Издательство «Горная книга», 2010 ISSN 0236-1493 © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2010
Теоретические исследования процесса гидрофобизации сырья в высокочастотных электромагнитных полях Рассмотрены результаты теоретических исследований производства гидрофобных плавучих сорбентов для ликвидации разливов нефти с применением электромагнитных полей ВЧ и СВЧ диапазона. Ключевые слова: нефтяные разливы, сорбенты, СВЧ. Процесс термической деструкции торфа (термолиза) изучен достаточно хорошо, с того времени, когда торф широко применялся и как топливо, и как сырье для химической промышленности. Торф представляет собой сложный комплекс веществ, включающий молекулы целлюлозы, гуматов, надмолекулярные ассосоциаты и т.п. Процесс термического разложения торфа представляет собой разрыв физико-химических связей внутри этих составляющих с образованием многочисленных нестойких активных промежуточных продуктов. Последние очень быстро реагируют между собой, в результате чего образуются более устойчивые продукты термолиза − смолы, кислоты, неконденсируемые газы и др. Таким образом определяющим во времени процессом является первичный распад исходных составляющих топлива, скорость которого зависит от температуры или других внешних воздействий, например, электромагнитного поля). Простые расчеты по рис. 1 (а, б) показывают, что если при термолизе целлюлозы удаляются функциональные группы с наименьшей энергией связи (полярные группы), то максимальная убыль массы составит 52 %, выход полукокса – 42 %. Это хорошо согласуется с известными данными, например см. [1], с. 176, табл. 8−1. Удаленные молекулы рекомбинируют с образованием смол, органических кислот и воды разложения.
а Рис. 1. Влияние частичного термолиза на строение молекулы целлюлозы: а − фрагмент исходной молекулы целлюлозы; б − фрагмент молекулы целлюлозы после термолиза Ранее проведенные эксперименты показали, что для придания гидрофобности целлюлозо-содержащим веществам (торф, древесина, бумага, растительные остатки и т.п.) достаточно убыли 15–20 % сухой массы, то есть примерно одной трети полярных групп. Если через δс обозначить относительную потерю сухой массы, δ − относительную потерю общей массы, gw – долю воды в сырье, то формула для определения необходимой убыли массы сырья с известной исходной влажностью примет вид: δ = δс + (1 − δс) gw. (1) Например, для сорбента из торфа с 40 % исходной влажности при δс = 0,2 общая относительная убыль массы должна составить δ = 0,2 + (1 – 0,2).0,4 = 0,52 = 52 %. Тогда критерием конца тепловой или электрофизической обработки сырья будет соотношение (рис. 2) б
0,15 0,2 1 w w g g δ − ≤ ≤ − . (2) Оценим энергию электромагнитного воздействия, необходимую для ускорения термолиза целлюлозы. Предположим, что процесс термолиза происходит по уравнению первого порядка: ( ) 1 , dv k v d ′ ′ = − τ (3) где v' − vlC0 − доля продуктов термолиза, выделившихся за время τ в результате разрушения определенной группы связей, она количественно характеризуется величиной С0 −долей продуктов термолиза в общем их количестве, получающаяся в результате полного разрушения связей данной группы; v − доля продуктов термолиза в общем их количестве, выделяющаяся в результате разрушения связей данной группы за время τ (0 < С < С0); k = f (Т) − константа скорости реакции, приводящей к разрушению связей данной Рис. 2. Область оптимальной убыли массы в процессе термолиза сырья для сорбента в зависимости от влажности (заштрихована)
группы. Предполагается, что константа связана с температурой зависимостью: /( ) 0 , E RT k k e− = (4) где Т − абсолютная температура, в общем являющаяся функцией времени τ. Внешнее электрофизическое воздействие с энергией W увеличивает кинетическую энергию движения заряженных частей сложных молекул, увеличивая показатель RT. Тогда 1 2 2 1 1 1 1 2 /( ) /( ) 1 0 2 0 1 1 2 1 , , , E RT E RT W E T W E E RT T RT RT RT W k k e k k e k e e k − − + ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ + − ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ = = α = = = (5) где k1, k2 – константы скорости реакции без воздействия и с воздействием, α – коэффициент увеличения скорости разложения. Отсюда 2 1 1 1 1 . ln 1 T W RT RT T E ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = − ⎜ ⎟ α ⎜ ⎟ − ⎝ ⎠ (6) Предварительные эксперименты показали, что α ≈ 10, так как при 280 оС для гидрофобизации сырья требовалось 1,5 часа (90 мин), а в микроволновой печи 9 минут при 170оС. При этом Т1 = 280оС = 553 К, Т2 = 170оС = 443 К. Примем энергию активации термолиза 40 кДж/моль. Тогда W = 2565,684 Дж/моль или 0,428⋅10−20 Дж на один радикал OH−. Е = 9400 ккал/кмоль = 39360 кДж/кмоль = 39, 36 кДж/моль для торфа. Целлюлоза представляет собой полимер бета-глюкозы с общей формулой n(C6H12O6), где n изменяется от 300 до
10000. Каждый следующий остаток в молекуле целлюлозы повернут относительно предыдущего на 180°. Именно это и отличает молекулы целлюлозы от молекул крахмала и обуславливает прочность целлюлозных волокон. Цепи, в которых остатки глюкозы соединены бета-1,4-связями, прямолинейны в отличие от цепей крахмала, альфа-1,4-связи которых делают их способными изгибаться и свертываться. Из каждой такой цепи выступает наружу полярные группы − ОН и С2НООН-группы. Эти группы направлены во все стороны и образуют водородные связи с соседними цепями, что обеспечивает жесткое поперечное сшивание всех цепей. По 60−70 цепей объединены друг с другом в микрофибриллы, а последние в свою очередь собраны в пучки, т. е. в более крупные структуры, называемые макрофибриллами. Нагревание, приводящее к частичному термолизу целлюлозы, отмечается в ИК-спектрах, прежде всего уменьшением интенсивности поглощения именно полярными группами. При воздействии высокочастотного электромагнитного поля происходит нагрев материала за счет диэлектрических потерь. Удельная мощность диэлектрических потерь ВЧ-энергии в породе n, Вт/м3 n = 2πεε0f.tgδ.E2 е, (7) где ε – диэлектрическая проницаемость, ε0 = 8,854.10−12 Ф/м – электрическая постоянная. Для сухого торфа и, например, сухой древесины диэлектрическая проницаемость при f = 109 Гц составляет ε ≈ 2 , tgδ ≈ 0,04. 0 2 , e N E V τ = ε где N – мощность генератора, Вт, объем резонатора, м3; τ – длительность полупериода колебаний, τ = 1/2f, f − частота колебаний, равная стандартной 2450 МГц = 2,45⋅109 с−1.
При N = 1000 Вт, V = 20 л = 0,02 м3, ε0 = 8,854 10−12 Ф/м Ее = 1518 В/м. Примем ε = 2, tgδ = 0,04 на частотах порядка 109 Гц (для сухого торфа и сухой древесины). Тогда n = = 2,725⋅105 Вт/м3 = 0,27 Вт/см3. В отсутствие теплоотвода и без учета затрат тепла на термолиз темп роста температуры сырья, например, торфа с ρ = 140 кг/м3, с = 1,96.103 Дж/кг.К. dT/dτ = n/ρc = 0,993 К/с = 59,6 К/мин. Но, кроме диэлектрического нагрева, происходит и «нетепловая» накачка ВЧ и СВЧ-энергии. Фактически, нагрев является вторичным процессом, происходящим вследствие диссипации энергии вынужденных колебаний дипольных молекул, часть из которых разрывает связи и удаляется из материала. Для производства гидрофобного нефтяного сорбента по СВЧ-технологии предлагается следующая схема (рис. 3). В отличие от термического метода гидрофобизации сырья для сорбентов путем их частичного термолиза, СВЧполе воздействует на всю толщу материала, таким образом, участки с самой высокой температурой, и, следовательно, с самой высокой степенью разложения и с самым высоким риском возгорания находятся в центре толщи материала. Рис. 3. Принципиальная схема установки
Доступ онлайн
В корзину