В химической технологии чрезвычайно важное значение имеют процессы массопередачи. Их сущность состоит в переходе вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. В промышленности широко распространены следующие процессы массопередачи: абсорбция, перегонка, ректификация, адсорбция, сушка, экстракция и кристаллизация. Во многих случаях массообменные процессы сопровождаются выделением или поглощением теплоты, что оказывает влияние на их скорость.
Для определения направления и скорости массообменного процесса необходимо знать состав веществ. Пусть смесь состоит из двух компонентов — А и В. Для этой системы способы выражения состава фаз представлены в табл. 17.1.
Равновесие между фазами. Перенос массы из одной фазы в другую происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между фазами — термодинамическое состояние системы, при котором скорости прямого и обратного процессов равны.
В общем виде связь между составом фаз при равновесии может быть выражена зависимостью Таблица 17.1
|
|
Рис. 17.1. Линия равновесия и рабочая линия массообменного аппарата:
— начальная и конечная относительные мольные доли целевого компонента в газовой фазе; — начальная и конечная относительные мольные доли этого компонента в жидкой фазе; — его равновесная относительная мольная доля в газовой фазе; — коэффициент распределения
где — равновесная относительная мольная доля целевого компонента в газовой (паровой) фазе. Графическое изображение этой зависимости называется линией равновесия (рис. 17.1).
Отношение составов фаз при равновесии
называется коэффициентом распределения.
Коэффициент распределения — это тангенс угла наклона линии равновесия. Если она имеет форму кривой, то является тангенсом угла наклона касательной к данной точке этой линии.
|
|
|
до YK (на выходе из аппарата). Соответственно относительная мольная доля этого же компонента в жидкой фазе увеличивается (на входе в аппарат) до (на выходе из аппарата). Тогда мольный расход компонента, перешедшего из газовой фазы,
M'r= (17.1)
где — мольный расход газовой фазы, а мольный расход
компонента, перешедшего в жидкую фазу,
, (17.2)
где — мольный расход жидкой фазы.
Поскольку речь идет о переходе одного и того же компонента справедливо приравнять правые части уравнений (17.1) и (17.2):
Для произвольного сечения аппарата, в котором текущие составы целевого компонента равны Y и X, уравнение материального баланса для верхней части аппарата имеет вид:
Отсюда получаем
(17.3)
Выражение (17.3) называется уравнением линии рабочих концентраций (рабочей линией) и представляет собой уравнение прямой линии с тангенсом угла наклона . Рабочая линия для всего аппарата ограничена точками с координатами и (см. рис. 17.1).