Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену)

РАЗДЕЛ 1

1. Общие сведения о массообменных процессах.

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называются массообменными процессами, а аппаратура, предназначенная для проведения этих процессов, - массообменной аппаратурой.

Между реакционными и разделительными аппаратами существует тесная технологическая связь. Общий закон этой связи таков: чем меньше нагрузка на реакционный аппарат, то есть чем меньше превращение исходного сырья в продукты реакции, тем больше нагрузка на разделительный агрегат, и наоборот.

Оптимальное сочетание нагрузок на реакционный и разделительный аппараты и приводит к минимальным производственным затратам – к оптимизированному процессу. Основа химического производства – реакционный аппарат – работает оптимально только в сочетании с оптимально работающим разделительным агрегатом и работа последнего имеет в химической промышленности не меньшее значение, чем работа самого реакционного аппарата.

В разделительном агрегате могут производиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, экстракция, ректификация, адсорбция и сушка.

Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидкими поглотителями – абсорбентами. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов необходимо извлечь какой либо компонент или группу компонентов. В этом процессе имеет место переход вещества или группы веществ из газовой или паровой фазы в жидкую.

Экстракция (жидкостная) – извлечение растворённого в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью. Процесс используется в случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворённое вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.

Ректификация – разделение жидкой смеси на чистые или обогащённые составляющие в результате противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Процесс имеет большое значение в тех производствах, где необходимо частичное или полное разделение жидких однородных смесей на чистые компоненты или их группы. Очевидно, в этом процессе имеет место переход вещества из жидкой фазы в паровую, и наоборот.

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворённых в жидкостях веществ твёрдым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов, паров или растворённых веществ необходимо извлечение того или другого вещества. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твёрдую.

Сушка – удаление влаги из твёрдых влажных материалов путём её испарения. При этом процессе имеет место переход влаги из твёрдого влажного материала в паровую или газовую среду.

Для всех перечисленных процессов общим является переход вещества из одной фазы в другую, или массопередача. Переход вещества из одной фазы в другую связан с явлениями конвективного переноса и молекулярной диффузии, поэтому перечисленные выше процессы получили название массообменных, или диффузионных процессов.

Массопередача – переход вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.

В массообмене участвуют как минимум три вещества: распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество, (или вещества), которое переходит из одной фазы в другую.

Через определённый промежуток времени скорости перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую и обратно становятся одинаковыми. Такое состояние называется равновесным. В состоянии равновесия в каждом конкретном случае существует строго определённая зависимость между концентрациями распределяемого вещества, которые при равновесии системы называются равновесными.

Так как концентрация пропорциональна числу частиц, то, следовательно, скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между фактической концентрацией распределяемо вещества в данной фазе и равновесной концентрацией.

Основными вопросами, изучаемыми в массопередаче, являются: законы фазового равновесия, позволяющие установить равновесные концентрации и направление течения процесса; движущая сила массообменных процессов; коэффициенты скорости массообменных процессов.

Два последних вопроса составляют так называемую кинетику массопередачи и рассматриваются самостоятельно; вопросы фазового равновесия, рассматриваются раздельно при изучении каждого конкретного процесса.

2. Основное уравнение массопередачи

Основной закон массопередачи можно сформулировать, исходя из общих физических кинетических закономерностей химико-технологических процессов: скорость процесса равна движущей силе, делённой на сопротивление, то есть

,

где - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую; - поверхность фазового контакта; - время; - движущая сила массообменного процесса; - сопротивление.

Если вместо взять обратную величину - коэффициент скорости или, как его называют в рассмотренном явлении, коэффициент массопередачи, предыдущее уравнение имеет вид:

(11.5)

При условии, когда отнесено к единице времени, уравнение (11.5) можно переписать так:

(11.6)

Уравнения (11.5) и (11.6) называются основными уравнениями массопередачи.

В аппаратуре, используемой для проведения массообменных процессов, равновесные концентрации распределяемого вещества никогда не достигаются. Действительные концентрации распределяемого вещества, или рабочие концентрации, всегда отличаются от равновесных. Разность между этими концентрациями, характеризующая степень отклонения от равновесия, и представляет собой движущую силу массообменных процессов.

3. Материальный баланс массообменных процессов

В общем виде материальный баланс массообменных (диффузионных) процессов может быть составлен на основе следующих рассуждений. Обозначим весовые скорости распределяющих фаз вдоль поверхности их раздела, выраженные в килограммах инертного вещества в час, через и , а концентрация распределяемого вещества соответственно кг/кг инертного вещества и кг/кг инертного вещества.

(11.10)

Для противоточного взаимодействия фаз может быть получено уравнение:

(11.12)

Из этих уравнений следует, что концентрации распределяемого вещества в фазах и связаны линейной зависимостью. Поэтому удобно процессы массообмена представлять графически в координатах , то есть в виде зависимости между так называемыми рабочими концентрациями. Уравнение прямой, выражающей зависимость между рабочими концентрациями, называют обычно рабочей линией процесса.

4. Движущая сила массообменных процессов.

Движущая сила массообменных процессов определяется степенью отклонения от равновесия или «расстоянием» от равновесия. Последнее определяется разностью между рабочей и равновесной концентрациями или равновесной и рабочей, в зависимости от того, какие из них больше. Движущую силу можно выражать либо через концентрации распределяемого вещества в фазе , то есть через , либо через концентрации его в фазе , то есть через .

Во всех случаях, движущей силой процесса будет разность между рабочей и равновесной концентрациями, взятая с положительным знаком.

Из изложенного следует, что основное уравнение массопередачи можно записать двояко:

(11.13)

и

(11.14)

Движущая сила меняется с изменением рабочих концентраций, поэтому для всего процесса массообмена, протекающего в пределах изменения концентраций от начальных до конечных, должна быть определена величина средней движущей силы.

При определении величины средней движущей силы могут встретиться два случая:

1. зависимость между равновесными концентрациями не линейна; для этого случая равновесная концентрация определяется общей функциональной зависимостью ;

Величина средней движущей силы для случая .

,

Подобная структура уравнений сохранится и в тех случаях, когда вместо концентраций используют другие параметры, характеризующие систему: энтальпию, химический потенциал.

1. зависимость между равновесными концентрациями линейна, то есть (где - постоянная величина).

В случае когда между равновесными и рабочими концентрациями существует прямолинейная зависимость, для определения средней движущей силы и числа единиц переноса могут быть выведены более простые соотношения.

,

где - движущая сила в начале поверхности фазового контакта; - движущая сила в конце поверхности фазового контакта.

где - движущая сила в начале поверхности фазового контакта; - движущая сила в конце поверхности фазового контакта.

Следовательно, для прямолинейной равновесной зависимости средняя движущая сила процесса определяется как средняя логарифмическая между движущими силами в начале и в конце поверхности фазового контакта.

5. Модифицированные уравнения массопередачи.

В некоторых массообменных аппаратах поверхность соприкосновения фаз и , или поверхность фазового контакта, легко определяется простым геометрическим вычислением; в других аппаратах эта поверхность геометрически неопределима. В первом случае для расчёта аппаратуры наиболее целесообразно применение основного уравнения массопередачи, во втором – модифицированных уравнений.