Основные закономерности массообменных процессов

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.

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: