Лекция№ 5. ОХТ. Массообменные процессы и аппараты.
Массообменные процессы и аппараты.
Общие сведения.
Далее Слайд№5.1:
Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называется массообменными процессами, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов – массообменными аппаратами.
В химическое технологии массообменные процессы применяются для очистки сырья от различных примесей и выделение целевых продуктов из реакционной смеси.
Массообмен представляет собой сложный процесс, включающий перенос массы в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах других фазы. Массопередача происходит обычно через границу раздела соприкасающихся фаз.
Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении т.е. в пределах одной из фаз называется массопередачей.
Процессы массопередачи можно разделить на две группы.
|
|
К первой группе – относятся процессы (абсорбция, ректификация), в которых участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, другое – вторую фазу, а также представляет собой распределяемое между фазами третье вещество. Вещества, составляющие каждую из фаз, являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу.
Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воздухом вода и воздух служат носителями распределяемого вещества – аммиака.
Ко второй группе относятся процессы (например, ректификация), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваются компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.
Процессы массопередачи можно разделить на две группы.
К первой группе – относятся процессы (абсорбция, ректификация), в которых участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, другое – вторую фазу, а также представляет собой распределяемое между фазами третье вещество.
Ко второй группе относятся процессы (например, ректификация), в которых вещества, составляющие две фазы, обмениваются компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяемого вещества.
Слайд 5.1до, далее слайд 5.2:
Абсорбция – избирательное поглощение газов и паров жидкими поглотителями – абсорбентами.
Ректификация – разделение жидкой смеси на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости.
|
|
Экстракция – извлечение растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой.
Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии поэтому процессы массопередачи называются также диффузионными процессами.
Для диффузионных процессов, принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потенциалов распределяемого вещества. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией, и в расчетах движущую силу процесса выражают приближенно через разность концентраций.
Процессы массопередачи избирательны в тех случаях, когда поглотитель извлекает только один компонент (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальных ее компонентов, т.е. они могут протекать в противоположных направлениях в зависимости от температуры, давления и других условиях их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределенного вещества в фазах и условиями равновесия.
В промышленности применяются, в основном, процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, и между двумя жидкими фазами, к которым относят:
Абсорбцию – избирательное поглощение газов и паров жидкими поглотителями – абсорбентами.
Слайд 5.2, далее слайд 5.3:
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.
Ректификацию – разделение жидкой смеси на чистые или обогащенные 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.
Экстракцию – извлечение растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой.
Процесс применяют в случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.
Как уже отмечалось, в массообмене участвуют в большинстве случаев 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.
Назовем первую фазу G, вторую L, а распределяемое вещество m. Поскольку все рассматриваемые массообменные процессы обратимы распределяемое вещество может переходить из фазы G в фазу L и наоборот, в зависимости от концентрации этого вещества в распределяющих фазах.
Основные закономерности массообменных процессов.
Основной закон массопередачи можно сформулировать, исходя из общих кинетических закономерностей химико-технологических процессов: скорость процесса равна движущей силе, деленной на сопротивление, т.е.:
, | (5.1) |
где dm – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую; dF – поверхность фазового контакта; d τ – время; ∆ - движущая сила массообмена ( или ); R – сопротивление.
Если вместо R взять обратную величину k – коэффициент скорости или как его называют в рассматриваемом явлении, коэффициент массопередачи β, предыдущее уравнение будет иметь вид:
|
|
(5.2) |
или
, | (5.3) |
где β– коэффициент массопередачи; - движущая сила массообмена по фазе L; - движущая сила моссобмена по фазе G.
В случае, когда dm отнесено к единице времени, уравнение (5.2) и (5.3) принимает вид:
(5.4) |
или
. | (5.5) |
Индексы β показывают, какие концентрации приняты для выражения движущей силы. В общем случае и , но очевидно, всегда .
Далее слайд 5.2: