Например, Бобцов

Математическая модель массопереноса при экстрагировании слоя

УДК 664.002.05
Математическая модель массопереноса при экстрагировании слоя
Кошевой Е.П., Меретуков З.А., Косачев В.С., Михневич А.Н. zamer@radnet.ru
Майкопский государственный технологический университет, Кубанский государственный технологический университет
В настоящее время математическое описание экстрагирования слоя растительного материала с учетом продольного перемешивания по жидкой фазе представляет большой практический интерес. В данной работе эта задача решалась численно с применением метода конечных разностей.
Ключевые слова: растительный материал, массообмен, экстрагирование, математическое моделирование.
Mathematical model of mass transfer at extraction process of a layer
Koshevoy E.P., Meretukov Z.A., Kosachev V.S., Mihnevich A.N.
zamer@radnet.ru
Maykop state technological university, Kuban state technological university
Now the mathematical description of extraction of a layer of a vegetative material in view of longitudinal hashing on a liquid phase represents the big practical interest. In the given work this problem was solved numerically with application of a method of final differences.
Keywords: vegetative material, mass transfer, extraction, mathematical modelling.
Предпринято математическое моделирование экстрагирования слоя растительного материала с учетом продольного перемешивания по жидкой фазе, что представляет основной практический интерес [1]. Известные до настоящего времени работы [2] позволили получить аналитические решения этой задачи только при существенных упрощениях или частных случаях. Данная задача в работе решалась численно с применением метода конечных разностей [3].
Математическая модель включает совместное рассмотрение процесса массообмена во взаимодействующих фазах - твердой и жидкой. Экстрактор представлен цилиндром, заполненным сферическими монодисперсными твердыми частицами.

Главные предположения о модели следующие: - система является изотермической и изобарической; - на входе в слой физические свойства растворителя постоянные; - радиальные градиенты концентрации в жидкой фазе отсутствуют; - перемешивание жидкой фазы имеет место только в осевом направлении; - экстракт принят как единственный компонент; - концентрация экстрактивных веществ в твердых частицах изменяется только в радиальном направлении и не зависит угла направления радиуса.
В математической модели используются дифференциальные уравнения в частных производных, полученные из уравнений дифференциального массового баланса. Уравнение переноса в твердой фазе определяется уравнением вида

Cs 2 L 1 Pep R 2

2 Cs

(1)
где Cs - концентрация экстрактивных веществ в твердой фазе, кг/м3; безразмерное время ( = U0t/L ); Uo – скорость жидкости в расчете на незаполненное сечение экстрактора, м/с; t - время, с; L - длина слоя, м;

порозность слоя; Pep - число Пекле частицы твердой фазы (Pep = Uodp/Dm ); dp - диаметр частицы, м; Dm – коэффициент внутренней диффузии в твердой фазе, м2/с; R - радиус частицы, м; - безразмерный радиус частицы ( = r/R).
Преобразуем уравнение (1) в виде суммы производных

Cs 2 L 2Cs 4 L Cs Pep R 2 Pep R

(2) При граничных условиях 0 , =1, Cs Bi C fs C f , C fs k p Css

(3)

Уравнение массопереноса в жидкой фазе определяется зависимостью вида

C f 1 2C f Peb Z 2

Cf Z

6 1 Bi R Pep C fs C f

(4)

при >0,

Z=0,

Cf

1 Cf Peb Z

0

(5) Введем неявную схему аппроксимации дифференциального уравнения

(2) для представленных в нем трех производных. В связи с построением

единой разностной схемы для сопряженной твердой и жидкой фазы индексы

и принадлежность концентрации к той или иной фазе будет определять

численное значение индексов. При этом необходимо учитывать особенности

аппроксимации на границах сетки и сингулярность одной из границ на

пространственной проекции краевой задачи.

Cs Ci, j 1 Ci, j

(6)
2Cs Ci 1, j 1 2 Ci, j 1 Ci 1, j 1
22

(7) Для аппроксимации первой производной по координате будем
использовать центральную аппроксимацию для внутренних точек сетки в твердой фазе

Cs

C Ci 1, j 1

i 1, j 1

2

(8) Для аппроксимации первой производной на границах сетки будем
использовать левую или правую аппроксимации соответственно

Cs

C Ci 1, j 1

i, j 1

(9)

Cs

C Ci, j 1

i 1, j 1

(10) В этой сеточной аппроксимации отсутствует показатель текущей
безразмерной координаты – , которая порождает сингулярность сеточной схемы.
Обычно безразмерная координата аппроксимируется выражением
i

(11)

Однако в нашем случае необходимо произвести подбор разбиения

координатной оси исходя из следующих условий

1. Шаг

должен обеспечивать устойчивость алгоритма решения

линейной системы уравнений.

2. Граница сопряжения твердой и жидкой фазы должна совпадать с узлом

сеточной схемы.

Для типичных параметров экстракции этим условиям соответствует

значение =2/10. Узлы разбиения берутся по формуле (11) для i=0…5.

В этом случае узлы сетки представляют собой зависимость табличного вида

Таблица 1 Узлы сетки при сеточной аппроксимации i -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Z

0123456j

где i – номер узла сетки, – значение текущей безразмерной координаты в твердой фазе, Z – значение текущей безразмерной координаты в жидкой фазе. Точки для i=(-1) и i=12 используются для аппроксимации условий симметрии на границах соответствующих фаз.
Рассматривая первоначально задачу в рамках сеточной аппроксимации, имеем следующую неявную схему, отличающуюся от схем явной аппроксимации повышенной устойчивостью при поиске решения по координатной проекции

Ci, j 1 Ci, j

2 L Ci 1, j 1 2 Ci, j 1 Ci 1, j 1

4 L 1 Ci 1, j 1 Ci 1, j 1

Pep R

2

Pep R i

2

(12)
Данная схема содержит член i , который делает веса этой схемы нерегулярными. Следовательно, каждый из этих членов должен рассчитываться индивидуально по каждому узлу.
Начнем построение сетки и вычисление еѐ весов с нулевого узла. Характерными особенностями этого узла являются сингулярность и условие симметрии.
Учитывая, что функция концентрации в этой точке ограничена, то значение выражения в этой точке имеет предел равный 0, т.е. имеет место, следующее выражение

CS , lim
0

0

(13) Следовательно, при сеточной аппроксимации для i=0 член,
содержащий первую производную по концентрации, отсутствует, тогда

C0, j 1 C0, j

2 L C 1, j 1 Pep R

2 C0, j 1
2

C1, j 1

(14) Условие симметрии в этом узле заключается в равенстве концентраций
слева и справа от этого узла. Поэтому окончательно имеем

C0, j 1 C0, j

2 L 2 C1, j 1 2 C0, j 1

Pep R

2

(15) Для реализации неявной схемы необходимо произвести разделение
временных слоѐв относительно знака равенства (j и j+1 члены) и преобразовать данное уравнение в схему с весами при этих членах. Проводя эквивалентные алгебраические преобразования, имеем:

C0, j

Pep R 2 4 L Pep R 2

C0, j 1

4L Pep R

C2 1, j 1

(16)

Таким образом, для нулевого узла сетки получено двухчленное разложение в виде левого замыкающего линейного алгебраического уравнения.
Для промежуточных узлов в пределах от i=1,…,4 алгебраические уравнения неявного вида для этих узлов получаются подстановкой соответствующего индекса (номера узла по координате) в опорное уравнение

(12). Для первого узла (i=1) имеем

C1, j 1 C1, j

2 L C0, j 1 Pep R

2 C1, j 1
2

C2, j 1

4L 1 Pep R i 2

C0, j 1

C1, j 1

(17)

и после аналогичных преобразований получаем следующее трехчленное разложение

C1, j

6L Pep R

C2 0, j 1

Pep R 2 8 L Pep R 2

C1, j 1

2L Pep R

C2 2, j 1

(18) В остальных внутренних узлах сетки по твердой фазе будем иметь
аналогичные уравнения следующего вида. Для второго узла (i=2) имеем

C2, j

3L Pep R

C2 1, j 1

Pep R 2 4 L Pep R 2

C2, j 1

L Pep R

C2 3, j 1

(19) Для третьего узла (i=3) имеем

C3, j

8L 3 Pep R

C2 2, j 1

Pep R 2 4 L Pep R 2

C3, j 1

4L 3 Pep R

C2 4, j 1

(20) Для четвертого узла (i=4) имеем

C4, j

5L 2 Pep R

C2 3, j 1

Pep R 2 4 L Pep R 2

C4, j 1

3L 2 Pep R

C2 5, j 1

(21) Пятый узел содержит целый ряд особенностей связанных как с
реализацией граничных условий, так и соблюдением условий сопряжения фаз в интегральном балансе.
Учитывая простоту за основу дальнейшего алгоритма взяли подход связанный с необходимостью сохранения диагональной структуры матрицы весов сетки, единой для твердой и жидкой фазы. В этом случае интегральное сопряжение фаз необходимо производить для каждого временного слоя, а безразмерные шаги по координатам должны иметь одинаковую протяженность.
Последний координатный узел определяется из граничных условий. В этом случае значения узлов достигают граничного узла твердой фазы

соприкасающейся с жидкой фазой. В дифференциальном виде на границе твердой фазы должны выполняться следующие соотношения

При 0 ,

=1,

Cs Bi C fs C f

(22) и

C fs k p Css

(23) где Вi - число Био (Bi = kfR/Dm); kf - коэффициент массопередачи, м/с; kp объемный коэффициент распределения; Cfs - концентрация экстрактивных веществ в жидкой фазе на поверхности частицы, кг/м3; Сf - концентрация экстрактивных веществ в жидкой фазе, кг/м3; Css - равновесная концентрация
экстрактивных веществ в твердой фазе на поверхности частицы, кг/м3. Учитывая необходимость сохранения диагональной структуры весов
матрицы, объединим эти уравнения следующей разностной схемой

1 C4, j 1 2

C6, j 1

Bi k p C5, j 1 C6, j 1

(24) В опорном уравнении (12) присутствует член, содержащий значение
первой производной, который для данного граничного условия (24) принимает следующий вид

C4, j 1 C6, j 1

2 Bi k p C5, j 1 C6, j 1

(25) В результате на границе раздела фаз со стороны твердой фазы
уравнение (12) принимает следующий вид

Ci, j 1 Ci, j

2 L Ci 1, j 1 Pep R

2 Ci, j 1
2

Ci 1, j 1

4L 1 Pep R i

2 Bi k p C5, j 1 C6, j 1

(26) Подставив номер граничного узла (i=5) в это уравнение получаем

C5, j 1 C5, j

2L Pep R

C4, j 1

2 C5, j 1
2

C6, j 1

8 L Bi 5 Pep R

k p C5, j 1

C6, j 1

(27) Или в виде удобном для использования в решении

C5, j

2L Pep R

C2 4, j 1 5 Pep R

2 20 L Pep R

8 L Bi k p
2

C5, j 1 ...

8 L Bi

10 L

...

5 Pep R 2

C6, j 1

(28) Следующие узлы разностной схемы принадлежат жидкой фазе

(i=6, ,11), для которой на границе с твердой фазой (i=6) выполняется дифференциальное уравнение (4)

при >0,

Z=0,

Cf

1 Cf Peb Z

0

(29)

где Z - безразмерная осевая координата по слою, z/L; z расстояние

измеренное от входного отверстия слоя, м; Peb - число Пекле жидкой фазы в слое частиц (Peb = UoL/DL ); DL коэффициент осевой дисперсии жидкой фазы в слое частиц, м2/с.

Преобразуя значение производной в уравнении (29) в разностную

схему для этого узла получаем уравнение граничного условия на разделе фаз

со стороны жидкой фазы

(30)

C6, j 1

1 C5, j 1 C7, j 1 Peb 2 Z

Уравнение массопереноса в жидкой фазе имеет вид

C f 1 2C f Peb Z 2

Cf Z

61 R

Bi Pe p

C fs

Cf

(31)

Преобразуем данное уравнение (31) в разностное уравнение

Ci, j 1 Ci, j

1 Ci 1, j 1 Peb

2 Ci, j 1 Z2

Ci 1, j 1

Ci 1, j 1 2

Ci 1, j 1 Z

6 1 L Bi

R Pep

k p C5, j 1 Ci, j 1

(32) При этом на границе значение первой производной входящее в это уравнение может быть заменено подстановкой граничного уравнения (30)

Ci, j 1 Ci, j

1 Ci 1, j 1 Peb

2 Ci, j 1 Z2

Ci 1, j 1

C6, j 1 Peb

6 1 L Bi R Pep

k p C5, j 1

Ci, j 1

(33) Подставив в него номер граничного узла (i=6) получаем

C6, j 1 C6 j

1 C5, j 1 Peb

2 C6, j 1 Z2

C7, j 1

C6, j 1 Peb

6 1 L Bi

R Pep

k p C5, j 1 C6, j 1

(34) Собирая множители – веса при соответствующих узлах сетки и разделяя временные слои относительно знака равенства, получаем

C6, j 6 L Bi Peb

kp

Z 2 R Pep R Peb Pep

6 L Bi Peb k p Z2

Z2 C5, j 1 ...

... Peb R Pep Z 2 2 R Pep

Peb2 R Pep Z 2 R Peb Pep Z 2

6 L Bi Peb

Z2 1

C6, j 1 ...

(35)

... Peb

Z 2 C7, j 1

Как видно из представленного уравнения (35) сохранена трех диагональная структура, что позволяет получать на каждом временном слое взаимно-согласованное решение по обеим фазам. Внутренние узлы содержат член с концентрацией в граничном узле твердой фазы. Для седьмого узла (i=7) имеем

C7, j 1 C7 j

1 C6, j 1 Peb

2 C7, j 1 Z2

C8, j 1

C6, j 1 2

C8, j 1 Z

6 1 L Bi R Pep

k p C5, j 1

C7, j 1

(36) Для восьмого узла (i=8) имеем

C8, j 1 C8 j

1 C7, j 1 Peb

2 C8, j 1 Z2

C9, j 1

C7, j 1 2

C9, j 1 Z

6 1 L Bi

R Pep

k p C5, j 1

C8, j 1

(37) Для девятого узла (i=9) имеем

C9, j 1 C9 j

1 C8, j 1 Peb

2 C9, j 1 Z2

C10, j 1

C C8, j 1 10, j 1 2Z

6 1 L Bi R Pep

k p C5, j 1

C9, j 1

(38) Для десятого узла (i=10)

C C10, j 1 10, j

1 C9, j 1 2 C10, j 1 C11, j 1 Peb Z 2

C C9, j 1 11, j 1 2Z

6 1 L Bi R Pep

k p C5, j 1

C10, j 1

(39) Проводя эквивалентные алгебраические преобразования этих уравнений к виду удобному для решения, имеем Для седьмого узла (i=7)

C7, j

6 L Bi Peb k p

Z 2 6 L Bi Peb k p R Peb Pep Z 2

Z2 C5, j 1 ...

... Peb

R Pep

Z 2 R Pep

2 R Peb Pep Z 2

C6, j 1 ...

... Peb

R Pep

Z 2 2 R Pep Peb R Pep

6 L Bi Peb Z2

Z2

... Peb R Pep

Z 2 R Pep

2 Peb R Pep Z 2

(40) Для восьмого узла (i=8) имеем

C8, j

6 L Bi Peb k p

Z 2 6 L Bi Peb k p R Peb Pep Z 2

... Peb

R Pep

Z 2 R Pep

2 R Peb Pep Z 2

1 C7, j 1 ...
C8, j 1
Z2 C5, j 1
C7, j 1 ...

...

... Peb

R Pep Z 2 2 R Pep Peb R Pep

6 L Bi Peb Z2

Z2 1

C8, j 1 ...

... Peb R Pep

Z 2 R Pep

2 Peb R Pep Z 2

C9, j 1

(41) Для девятого узла (i=9) имеем

C9, j

6 L Bi Peb k p

Z 2 6 L Bi Peb k p R Peb Pep Z 2

Z2 C5, j 1 ...

... Peb

R Pep

Z 2 R Pep

2 R Peb Pep Z 2

C8, j 1 ...

... Peb

R Pep Z 2 2 R Pep Peb R Pep

6 L Bi Peb Z2

Z2

...

Peb

R Pep 2 Peb

Z 2 R Pep R Pep Z 2

(42) Для десятого узла (i=10).

C10, j

6 L Bi Peb k p

Z 2 6 L Bi Peb k p R Peb Pep Z 2

... Peb

R Pep

Z 2 R Pep

2 R Peb Pep Z 2

1 C9, j 1 ...
C10, j 1
Z2 C5, j 1
C9, j 1 ...

...

... Peb

R Pep Z 2 2 R Pep Peb R Pep

6 L Bi Peb Z2

Z2 1

C10, j 1 ...

... Peb R Pep

Z 2 R Pep

2 Peb R Pep Z 2

C11, j 1

(43) Все эти узлы содержат по четыре слагаемых в правой части,
следовательно, метод прогонки оказывается неприменимым. В этом случае, как правило, используются прямые методы решения (например, метод Гаусса) для решения возникающих систем уравнений. Для решения необходимо замкнуть эту систему уравнением на границе жидкой фазы (Z=1 или i=11) выходящей из экстрактора. Так как после выхода из экстрактора концентрация не может меняться на этой границе, возникает условие симметрии, которое и будем использовать для замыкания системы уравнения на очередном временном слое

Ci 1, j 1 2

Ci 1, j 1 Z

0

(44)

Используем это условие в уравнении на крайнем узле разностной схемы

C C11, j 1

11, j

2

C C10, j 1

11, j 1

Peb Z 2

6 1 L Bi R Pep

k p C5, j 1

C11, j 1

(45) которое преобразуем к стандартному виду

C11, j

6 L Bi Peb k p

Z 2 6 L Bi Peb k p R Peb Pep Z 2

Z2 C5, j 1

2 Peb

Z 1 C10, j 1

...

... Peb

R Pep Z 2 2 R Pep Peb R Pep

6 L Bi Peb Z2

Z2 1

C11, j 1

(46) Таким образом, получили замкнутую систему линейных
алгебраических уравнений недиагонального вида для расчета распределения концентрации по фазам очередного временного слоя, которая может быть представлена следующим матричным уравнением

C0,k d0 e0

C0,k 1

C1,k c1 d1 e1

C1,k 1

C2,k c2 d2 e2

C2,k 1

C3,k c3 d3 e3

C3,k 1

C4,k c4 d4 e4

C4,k 1

C5,k c5 d5 e5

C5,k 1

C6,k

c6 d6 e6

C6,k 1

C7,k

f7 c7 d7 e7

C7,k 1

C8,k

f8 c8 d8 e8

C8,k 1

C9,k

f9

c9 d9 e9

C9,k 1

C10,k

f10

c10 d10 e10

C10,k 1

C11,k

f11

c11 d11

C11,k 1

(47) Как видно из структуры представленной разреженной квадратной
матрицы решение данного матричного уравнения не возможно методом прогонки, поэтому использовали метод Гаусса. В этом случае матрица не только не может быть вырожденной, но даже и почти вырожденная матрица не может быть использована. Вырожденность определяется как матрица, у которой детерминант равен нулю. Матрица является почти вырожденной, если имеет большое число обусловленности. Для расчета числа обусловленности c(А) использовали формулу

c A max
min
(48) где - собственные значения этой матрицы.
Основным параметром, влияющим на число обусловленности, является шаг сетки по времени. Поэтому исследовали его влияние на это число. В

результате была выявлена зависимость, которая представлена на графике. С высокой точностью эта зависимость описывается уравнением

c A 0,0278 2 12,949

12,754

(49) Как видно из представленных данных минимальное число
обусловленности близко к 12,754. Для устойчивого решения системы содержащей 12 неизвестных это число не должно превышать 100.
Поэтому шаг по времени выбрали в пределах 600 секунд, что соответствует числу обусловленности равному с(А)=81.

ВЫВОД Построена разностная схема математической модели массопереноса экстрагирования слоя.

Список литературы:

1. Кошевой Е.П. Процесс экстрагирования пищевых сред. В кн. Теоретические основы пищевых технологий: Книга 2.-М.: Колос, 2009. С.894-913.
2. Аксельруд Г.А., Альтшулер М.А. Введение в капиллярно-химическую технологию. - М.: Химия, 1983. – 263 с.
3. Самарский А.А. Теория разностных схем. – М.: Наука, 1983.-616 с.