Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену), страница 5

или

(14.2),

где - коэффициент распределения.

В уравнении (14.2) концентрации выражены в кг/м³. Если обозначить концентрации распределяемого в фазах вещества через и (в кг/кг инертного вещества (растворителя)) и обозначить плотности фаз и через и , уравнение (14.2) примет вид:

(14.3),

где

(14.4)

Произведением при малых концентрациях можно пренебречь, поэтому допустимо принимать:

2. Материальный баланс экстракции.

Уравнение материального баланса по общим потокам:

(14.10),

где - соответственно весовые количества исходного раствора и полученного рафината в кг/ч; - соответственно весовые количества экстрагента и полученного экстракта в кг/ч.

РАЗДЕЛ 4

АДСОРБЦИЯ

Адсорбция – поглощение газов или паров из газовых смесей или растворённых веществ из растворов твёрдыми поглотителями, называемыми адсорбентами.

Особенностью процессов адсорбции являются избирательность и обратимость. Благодаря этой особенности процесса возможно поглощение из паро-газовых смесей или растворов одного или нескольких компонентов, а затем в других условиях, десорбирование их, то есть выделение нужного компонента из твёрдой фазы в более или менее чистом виде.

Адсорбция широко распространена в различных отраслях химической технологии как метод разделения смесей. В качестве конкретных примеров можно указать выделение бензола из паро-газовых смесей, разделение смесей газообразных углеводородов, сушку воздуха, очистку жидких нефтепродуктов от распространённых в них примесей и т.д.

1. Равновесие в процессе адсорбции

Равновесные соотношения при адсорбции должны выражать зависимости между концентрацией адсорбированного твёрдым телом вещества и равновесной концентрацией поглощаемого вещества и паро-газовой смеси или в растворе. Если поглощаемым веществом является газ или пар, то равновесную концентрацию в паро-газовой смеси можно заменить парциальным давлением.

На равновесные соотношения при адсорбции оказывают влияние различные факторы:

= Природа поглощаемого вещества. Равновесная концентрация тем выше, чем больше молекулярный вес поглощаемого газа, а в случае растворов – чем меньше растворимость поглощаемого вещества в жидкости.

= Температура и давление. С повышением температуры при прочих равных условиях равновесная концентрация уменьшается. С ростом давления в паро-газовой фазе равновесная концентрация увеличивается.

= Примеси в фазе, из которой поглощается вещество. При наличии в фазе, из которой адсорбент поглощает вещество А, конкурирующего (вытесняющего) вещества В, то есть вещества, также способного поглощаться этим адсорбентом, уменьшается равновесная концентрация вещества А. В этом случае вещество В либо частично, либо полностью вытесняет или замещает вещество А в адсорбенте.

Адсорбенты. В качестве адсорбентов в технике используются твёрдые материалы, обладающие в большинстве случаев очень высокой пористостью и, следовательно, большой удельной поверхностью.

Наиболее распространёнными адсорбентами являются силикагель – гель кремниевой кислоты, активированные угли (древесные, костяные, каменные), активированные серной кислотой глины и др.

Указанные адсорбенты изготовляются зернистыми в виде частиц неправильной или почти правильной сферической формы размерами 2-8 мм и пылевидными, в том числе правильной сферической формы, состоящими из частиц размерами 50-200 мкм.

2. Материальный баланс процесса адсорбции.

Адсорбция в слое неподвижного адсорбента является периодическим процессом, при котором концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте меняется во времени и в пространстве.

Примем, что концентрация газа (в количестве за единицу времени), проходящего за время слой адсорбента высотой , изменяется на величину . Следовательно газ отдаёт количество вещества, равное . За это же время концентрация поглощаемого вещества в элементе слоя увеличивается на и количество вещества, поглощённого слоем высотой , составляет (где - площадь поперечного сечения адсорбента, - насыпная плотность адсорбента). Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:

или

,

3. Кинетика процесса адсорбции.

При адсорбции диффузионные сопротивления внутри твёрдой фазы малы по сравнению с внешним диффузионным сопротивлением, поэтому при расчётах процессов адсорбции обычно используется основное уравнение массопередачи:

,

В котором с некоторым допущением принимают, что .

РАЗДЕЛ 5

СУШКА

Наиболее распространённым способом удаления влаги из твёрдых влажных материалов является сушка. Сушкой называется процесс удаления влаги из твёрдых влажных материалов путём её испарения и отвода образующихся паров.

Сушка в технике осуществляется двумя основными способами:

а) нагреванием влажных материалов теплоносителем через твёрдую непроницаемую перегородку – так называемый процесс контактной сушки;

б) нагреванием влажных материалов путём непосредственного контакта с газовым теплоносителем (воздух, поточные газы и др.) – так называемая газовая, или воздушная сушка.

Иногда тепло отводится к высушиваемому материалу токами высокой частоты или инфракрасными лучами; указанные способы сушки называют соответственно диэлектрической и радиационной сушкой.

1. Равновесные соотношения в процессах сушки.

Давление водяного пара в высушиваемом материале зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом.

Различают несколько форм связи влаги с материалом (в порядке убывающей энергии связи):

= Химически связанная влага. Под химически связанной влагой понимают воду гидроокиси, которая в результате реакции гидратации вошла в состав гидроокисей и соединений типа кристаллогидратов. Связь нарушается только в результате химического взаимодействия (иногда в результате прокаливания), и влага не удаляется при сушке.

= Адсорбционно-связанная влага. Влажность обусловлена адсорбцией воды на наружной поверхности материала и на поверхности его пор. Осмотически связанная влага находится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами. В этих случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.

= Капиллярно связанная влага заполняет макро- и микрокапилляры. Она механически связана с материалом и наиболее легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна эта связь у гигроскопичных веществ. Давление пара над ними наиболее отличается от давления насыщенных паров.

,

где - тепло, расходуемое на испарение свободной воды; - энергия, расходуемая на преодоление связи влаги с материалом.

1. Материальный и тепловой Баланы сушки.

Обозначим количество влажного материала, поступающего на сушку, в кг/ч, количество высушенного материала в кг/ч, начальную и конечную влажность материала (вес. %) соответственно через и , а количество влаги, удаляемой при сушке, через кг/ч.

Тогда материальный баланс процесса можно представить равенством:

или

Для количеств сухого вещества:

или

Сопоставление равенств и даёт:

РАЗДЕЛ 6

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

1. Общие сведения.

Измельчением называют процесс деления твёрдого тела на части, при котором путём приложения внешних сил преодолеваются силы молекулярного притяжения в измельчаемом твёрдом теле и образуются новые поверхности.

Измельчение широко применяется в химической технике, так как использование измельчённых твёрдых тел позволяет значительно ускорить растворение, химическое взаимодействие, обжиг и другие процессы, протекающие тем быстрее, чем больше поверхность участвующих в них твёрдых тел.

Классификация – процесс разделения однородного сыпучего материала по величине его кусков (частиц) – также широко применяется в химической технике, так как по технологическим требованиям очень часто необходимо направлять на переработку материалы, размеры кусков (частиц) которых должны находиться в строго определённых пределах.

Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения – отношением среднего размера куска материала до измельчения к среднему размеру куска после измельчения :

2. Физические основы измельчения.

Схемы измельчения. Измельчение может проводиться в открытом и замкнутом циклах, а также в один или несколько приёмов.