Массообменные процессы

Они сопровождаются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т.е. способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счет беспорядочного движения молекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будет достигнуты условия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи определяется разностью концентраций фаз (выражается через разницу между рабочими и равновесными концентрациями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно). Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентраций.

Основными разновидностями массообменных процессов являются: абсорбция, адсорбция, перегонка, ректификация, кристаллизация, сушка и экстракция.

А б с о р б ц и е й называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Обратный процесс – выделения из жидкостей растворенного газа – называют десорбцией. Абсорбция характеризуется избирательностью (селективностью), т.е. каждое вещество поглощается определенным поглотителем. Различают абсорбцию простую, основанную на физическом поглощении компонента жидким поглотителем, и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией между извлекаемым компонентом и жидким поглотителем. Примером простой абсорбции служит производство газировки или соляной кислоты, хемосорбция широко применяется в производстве серной и азотной кислот, азотных удобрений и т.д. Аппараты, в которых идут данные процессы, называют абсорберами.

Адсорбция – это процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из жидкой или газовой смеси твердым поглотителем – адсорбентом. В качестве адсорбентов широко применяют твердые вещества с высокоразвитой поверхностью и высокой пористостью(активные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты – водные алюмосиликаты кальция и натрия и др.) Адсорбция применяется в промышленности для очистки и сушки жидкостей и газов, для разделения смесей различных жидкостей и газообразных веществ, извлечения летучих растворителей, осветления растворов, для очистки воды и др. Адсорбция используется в химической, нефтяной, лакокрасочной, полиграфической и других отраслях промышленности.

Для поглощения летучих растворителей и паров органических веществ чаще всего используют активированный уголь (противогазы), для сушки газов – силикагели и цеолиты, для очистки воды от растворенных солей – иониты. Адсорберы работают как фильтры (обычно с неподвижным слоем адсорбента). Все они периодического действия: после насыщения адсорбент должен быть восстановлен (регенерирован) обратным процессом – десорбцией. Последняя протекает при нагреве адсорбента острым паром, который отгоняет поглощенные вещества. Затем адсорбент сушат, охлаждают и используют снова.

Перегонка и ректификация основаны на различных температурах кипения фракций, составляющих жидкость. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ректификация.

Простая перегонка – это однократный процесс частичного испарения низкокипящей фракции с последующей конденсацией образовавшихся паров, а ректификация – это процесс многократного (или непрерывного) испарения и конденсации паров исходной смеси. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Жидкость, полученная в результате этого, называют дистиллятом, или ректификатом. Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической и спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Кристаллизацией называется выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (или зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т.д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, однако это приводит к образованию более мелких кристаллов и часто вызывает снижение движущей силы процесса. Крупные кристаллы легче получить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов, однако это снижает производительность процесса кристаллизации. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.

Широко применяются несколько способов кристаллизации: кристаллизация с охлаждением, кристаллизация с удалением части растворителя, а также вакуум-кристаллизация. В зависимости от способа кристаллизации применяют кристаллизаторы периодического и непрерывного действия.

Кристаллизация лежит в основе металлургических и литейных процессов, получения покрытий, пленок, применяемых в микроэлектронике, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Кристаллизация является завершающей стадией в производстве минеральных солей, удобрений, органических и особо чистых веществ. Особое значение в промышленности имеет процесс кристаллизации металлов из расплавов.

Экстракция – это процесс избирательного поглощения жидкостью или паром ценных компонентов, содержащихся в исходном твердом сырье. (Пример – заварка чая, кофе и д.р.)

Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, жидких и газообразных) материалов. Влага может быть удалена испарением, сублимацией, вымораживанием, токами высокой частоты, адсорбцией и т.д. Однако наиболее распространена сушка испарением за счет подвода теплоты. Более экономичным является последовательное удаление влаги фильтрацией, центрифугированием (с содержанием остаточной влаги 10…40 %), а затем тепловой сушкой. По способу подвода тепла к материалу различают: конвективную, контактную, радиационную, диэлектрическую (СВЧ) и другие.

Аппараты для этого процесса – сушилки – различаются по используемому теплоносителю (воздух, топочные газы, пар, электронагрев), организации (периодического и непрерывного действия), направлению движения потоков материала и теплоносителя (прямоточные и противоточные), состоянию слоя материалов (неподвижный, пересыпаемый, кипящий и т.д.).

В конвективных сушилках – поток теплого (горючего) воздуха движется на высушиваемый материал, который может находится в движении (противоток), либо в подвешенном состоянии и т.д.

В контактных сушилках теплота передается через греющую поверхность, с одной стороны которой находится нагреваемый материал, с другой – теплоноситель. Они предназначены для пастообразных и жидких продуктов, загрязнение которых недопустимо (пищевая и формацептическая промышленность).

В радиоционных сушилках теплота передается излучением керамических плит. Их применяют для сушки тонколистовых материалов и лакокрасочных покрытий. Остальные виды сушилок (вакуумная, криогенная, ультразвуковая, СВЧ) более дорогие и применяются реже.