Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену) (1094452), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При вынужденном движении потока фазы естественной конвекции можно пренебречь, тогда из уравнения выпадает критерий 
:
(11.61)
или
(11.62)
В условиях естественной конвекции фазы из уравнения выпадает критерий 
:
(11.63)
или
(11.64)
По найденным из критериальных уравнений значениям 
легко определяют коэффициенты массоотдачи:
(11.65),
а по ним и коэффициенты массопередачи.
Выражение коэффициента массопередачи через коэффициенты массоотдачи.
Определение коэффициента массопередачи 
:
(11.67)
Определение коэффициента массопередачи 
:
(11.68)
.
Коэффициент массоотдачи представляет собой величину, которая учитывает сопротивление переносу вещества за счёт молекулярной диффузии, а также сопротивление переносу потоками жидкости, то есть чисто конвективному переносу. Следовательно, на величину коэффициентов массоотдачи оказывают влияние все те факторы, которые определяют скорость молекулярной диффузии, а также скорость конвективного переноса.
7. Массопередача в системах с твёрдой фазой.
Массопередача в системах с твёрдой фазой представляет собой особенно сложный процесс. В этом процессе, кроме массоотдачи от поверхности раздела фазы в поток жидкости (газа, пара), имеет место и перемещение вещества в твёрдой фазе массопроводностью.
К указанным процессам представляется возможным отнести процессы адсорбции, сушки и выщелачивания (извлечение вещества растворителем из пор твёрдого тела).
Количество вещества, переместившегося в твёрдой фазе за счёт массопроводности, пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной направлению потока вещества, и времени, то есть:
.
В этом уравнении коэффициент пропорциональности К (м2/ч), имеющий размерность коэффициента диффузии, может быть назван коэффициентом массопроводности.
При принятом законе массопроводности процесс перемешивания вещества внутри твёрдой фазы может быть описан дифференциальным уравнением массопроводности:
(11.70)
Коэффициент массопроводности зависит от природы проходящего процесса (адсорбция, сушка, выщелачивание), от ряда факторов, определяющих величину коэффициента молекулярной диффузии, и от структуры твёрдого пористого тела.
Диффузионный критерий Био:
Диффузионный критерий Фурье:
,
характеризующий изменение скорости потока вещества, перемещаемого массопроводностью в твёрдом теле.
Диффузионные критерии 
и 
должны войти в критериальное уравнение, которое описывает перемещение вещества в твёрдой фазе и является теоретической базой для обработки всех опытных исследований этого процесса. Дифференциальное уравнение массопроводности для простейших случаев одномерного перемещения вещества имеет аналитическое решение в виде:
(11.74),
где 
- параметрический критерий, представляющий собой безразмерную концентрацию распределяемого вещества в твёрдой фазе в точке с координатой х; 
- концентрация в точке с координатой 
в момент времени 
, соответствующий определённому 
; 
- коэффициент, определяющий размер тела, составляющего твёрдую фазу; 
- безразмерная координата точки, в которой концентрация равна 
.
РАЗДЕЛ 2
АБСОРБЦИЯ
Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями, называемыми абсорбентами. Этот процесс является избирательным и обратимым, что даёт возможность применять его не только с целью получения растворов газов в жидкостях, но также и для разделения газовых или паровых смесей.
В последнем случае после избирательной абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси проводят десорбцию – выделение этих компонентов из жидкости – и таким образом осуществляют разделение. Регенерированный абсорбент вновь возвращается на абсорбцию (круговой процесс).
Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией. При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию в жидкой фазе.
Примерами использования процессов абсорбции в технике могут служить разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получение соляной кислоты, получение аммиачной воды, очистка отходящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживание газосбросов и другие.
Аппаратурно-технологическое оформление процессов сравнительно просто, поэтому процессы абсорбции широко используются в технике.
-
Равновесие в процессах абсорбции.
Условием равновесия между газовой и жидкой фазами является равенство температур и давлений обеих фаз и равенство химических потенциалов для всех компонентов обеих фаз.
При постоянстве температуры и давления в фазах химический потенциал распределяемого компонента пропорционален концентрациям его в фазах. Поэтому в состоянии равновесия между концентрациями распределяемого компонента в обеих фазах устанавливается некоторое соотношение, характеризуемое константой фазового равновесия, которая равна отношению распределяемого компонента в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе.
В общем случае константа фазового равновесия зависит от давления (
), температуры (
) и концентрации распределяемого компонента ( ) в жидкости:
В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системе газ-жидкость, обычно используется закон растворимости газов в жидкостях, сформулированный Генри. Согласно этому закону при данной температуре мольная доля газа в растворе (растворимость) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:
(12.1)
или
(12.2),
где 
- парциальное давление газа над раствором в мм.рт.ст; - концентрация газа в растворе в долях моля; 
- коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри) в мм.рт.ст.
Коэффициент зависит от природы растворяющегося вещества и температуры:
(12.3),
где 
- теплота растворения газа в ккал/кмоль; 
ккал/кмоль·град – универсальная газовая постоянная; - абсолютная температура растворения в 
; - постоянная, зависящая от природы газа и жидкости и определяемая опытным путём.
С ростом температуры растворимость газов в жидкостях уменьшается. При растворении газа в жидкости, температура жидкости обычно повышается вследствие выделения значительного количества тепла.
Количество тепла, выделяющегося при абсорбции, может быть найдено как:
(12.4),
где 
- дифференциальная теплота растворения в пределах измерения концентрации 
в ккал/кг; 
- количество абсорбента в кг.
Если абсорбция ведётся без отвода тепла, то можно допустить, что всё выделяющееся тепло идёт на нагревание жидкости и температура последней повышается на величину:
(12.5),
где с – теплоёмкость раствора в ккал/(кг·град).
Парциальное давление растворяемого газа в газовой фазе, соответствующее равновесию, может быть заменено равновесной концентрацией. Согласно закону Дальтона, парциальное давление компонента в газовой смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в смеси, то есть:
и 
,
где - общее давление газовой смеси; 
- концентрация распределяемого газа в смеси в мольных долях.
Сопоставляя последнее равенство с уравнением (12.22), найдём
или 
(12.6),
где 
- константа фазового равновесия.
Уравнение (12.6) выражает зависимость между равновесными концентрациями распределяемого газа в газовой и жидкой фазах. Если заменить в этом уравнении концентрации и , выраженные в мольных долях, на 
и 
, выраженные в относительных мольных долях, то, имея в виду соотношения:
, 
, 
, 
,
уравнение (12.6) можно переписать так:
(12.7)
При незначительных концентрациях Х величина 
и уравнение (12.7) приобретает более простой вид:
(12.8)
На равновесные концентрации в процессах абсорбции оказывают существенное влияние вещества, добавочно растворённые в абсорбенте. Их присутствие уменьшает равновесную концентрацию газа в жидкости согласно закономерности, установленной Сеченовым в 1892 г.:
,
где - коэффициент Генри для чистого растворителя; 
- коэффициент Генри для раствора; - концентрация добавляемого компонента; 
- постоянная, зависящая от природы растворяемых веществ и растворителя.
Из изложенного следует, что к факторам, улучшающим условия абсорбции, относятся повышенное давление и пониженная температура, а к факторам, способствующим десорбции, пониженное давление, повышенная температура и прибавление к абсорбенту добавок, уменьшающих растворимость газов в жидкостях.
Жидкий абсорбент, как правило, обладает значительной летучестью, и пары его насыщают газовую фазу. Это обстоятельство учитывают при расчётах процессов абсорбции следующим образом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
