Массообменные процессы. Основы массопередачи в системах со свободной границей раздела фаз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Массообменные процессы. Основы массопередачи в системах со свободной границей раздела фаз

План

1. Массообменные процессы. Классификация и общая характеристика

2. Уравнение массопередачи

3. Основы массопередачи в системах со свободной границей раздела фаз

4. Материальный баланс массообменных процессов

5. Молекулярная диффузия

1. Массообменные процессы

Процессы массообмена - процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущая сила этих процессов - разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промышленности:

-для разделения жидких и газовых гомогенных смесей,

- для их концентрирования,

-для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).

Классификация и общая характеристика

Наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы:

1. Абсорбция

2. Перегонка и ректификация

3. Экстракция (жидкостная)

4. Адсорбция

5. Ионный обмен

6. Сушка

7. Растворение и экстрагирование из твердых тел

8. Кристаллизация

9. Мембранные процессы

Во всех перечисленных выше процессах общим является переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую.

Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.

Перенос вещества внутри фазы - из фазы к границе раздела фаз или наоборот - от границы раздела в фазу - называют массоотдачей (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы - теплоотдачей).

Процессы массопередачи обычно обратимы. Причем направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия.

2. Уравнение массопередачи

Основным кинетическим уравнением массообменных процессов является уравнение массопередачи, которое основано на общих кинетических закономерностях химико-технологических процессов.

Скорость процесса [в кг/(м² * с)] равна движущей силе Д, деленной на сопротивление R:

dМ/dF = Д/R (7.1)

где dМ - количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF - поверхность контакта фаз.

Обозначив 1/R = К, получим основное уравнение массопередачи

dМ =К ДdF (7.2)

Коэффициент К -коэффициентом массопередачи (по аналогии с процессом теплопередачи) характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую.

Размерность коэффициента массопередачи:

[К]= [dМ/ДdF]= [кг/с·Д·м²] (7.3)

т. е. коэффициент массопередачи К показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы Д может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности F контакта фаз, а исходя из этой поверхности - размеров массообменных аппаратов.

F=М / (КД) (7.4)

Массообменные процессы подразделяют на:

массопередачу в системах со свободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость),

массопередачу в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ - твердое тело, пар - твердое тело, жидкость - твердое тело),

массопередачу через полупроницаемые перегородки (мембраны).

3. Основы массопередачи в системах со свободной границей раздела фаз

массообменный химический молекулярный диффузия

К процессам, для которых характерна свободная граница раздела фаз, относятся такие широко распространенные в технике процессы, как абсорбция, десорбция, перегонка и ректификация, жидкостная экстракция. В этих процессах граница контакта фаз обычно подвижна, величина поверхности контакта фаз зависит от гидродинамической обстановки, что существенно отличает механизм переноса масс в системах со свободной границей раздела фаз от механизма переноса для систем с твердой фазой.

Массообменные процессы со свободной границей раздела фаз по принципу участия фаз в массопереносе подразделяют на две группы.

1-я группа - процессы, в которых участвуют как минимум 3 вещества: 1) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 1-ю фазу Ф_у (например, при поглощении аммиака водой из аммиачно-воздушной смеси воздух не участвует непосредственно в массообмене); 2) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 2-ю фазу Ф_х (вода в данном примере); 3) распределяемое вещество М, которое переходит из одной фазы в другую (процессы абсорбции, десорбции, экстракции).

2-я группа процессов (перегонка и ректификация) - это процессы, в которых вещества, составляющие фазы, участвуют в массообменных процессах и не могут рассматриваться как носители распределяемого вещества. Направление процесса, его движущая сила зависят от соотношения рабочих и равновесных концентраций.

Концентрации участвующих в массообменных процессах фаз могут иметь различную размерность (кг/кг, кмоль/м³ и т.п.). Обычно состав фаз выражают в массовых или молярных долях, относительных или объемных концентрациях.

Связь между составом фаз при равновесии:

у* = f(х), (7.5)

где у* - равновесная относительная мольная доля целевого компонента в газовой (паровой) фазе

График этой зависимости - линия равновесия.

у* = m_р·х, (7.6)

где m_р= у*/х - коэффициент распределения

Коэффициент распределения - отношение составов фаз при равновесии.

Коэффициент распределения -tgб- угла наклона линии равновесия

tgб= m_р (7.7)

4. Материальный баланс массообменных процессов

Материальные балансы массообменных процессов зависят от способа их проведения. Различают однократное, непрерывное и ступенчатое взаимодействие фаз.

В массообменных аппаратах непрерывного действия процесс может происходить при непрерывном контакте фаз (например, в абсорбционных аппаратах пленочного типа, представляющих собой, по существу, кожухотрубчатый теплообменник, по внутренним поверхностям трубок которого течет пленка жидкости, а навстречу этой жидкости движется газ). При этом концентрации распределяемого вещества в фазах изменяются монотонно.

Рис.1. К составлению материального баланса при непрерывном контакте фаз в условиях противотока (а) и прямотока (б)

При непрерывном противотоке, наиболее часто используемом в технике (рис.1, а), материальный баланс для произвольного сечения аппарата при бесконечно малом пути выражается следующими соотношениями:

у_н> у_к - мольная доля компонента в газовой фазе

х_к> х_{н -} мольная доля компонента в жидкой фазе

М _г = G(у_н- у_к) - мольный расход компонента, перешедшего из газовой фазы

М _ж = L(х_к- х_н) - мольный расход компонента, перешедшего в жидкую фазу.

Поскольку один и тот же компонент переходит из газовой фазы в жидкую, то М _г = М _ж

G(у_н- у_к) = L(х_к- х_н) (7.8)

Для произвольного сечения аппарата, в котором текущие составы целевого компонента равны Х и У, уравнение материального баланса для верхней части аппарата:

G(у_н- у) = L(х_к- х)

При малом изменении величин G и L по высоте аппарата

у= у_н -(L/ G) (х_к- х_н) (7.9)

Соотношение (7.9) называют уравнением рабочей линии (уравнением линии рабочих концентраций) непрерывного противоточного массообменного процесса. Оно выражает связь составов взаимодействующих фаз в произвольном сечении аппарата. При L/ G = соnst. рабочая линия прямая. Если L/G ? соnst., то рабочая линия отклоняется от прямой.

5. Молекулярная диффузия

В потоке идут два вида массопереноса - молекулярный и конвективный.

Молекулярная диффузия - переход распределяемого вещества в неподвижной среде из внутренних слоев данной (первой) фазы к поверхности раздела фаз и, пройдя ее, распределение по всему объему другой фазы, находящейся в контакте с первой. Она является следствием теплового движения молекул (ионов, атомов), которому оказывают сопротивление силы внутреннего трения.

Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика:

dМ= -DdFdфдс /дп (7.10)

Для всей поверхности F диффузии первый закон Фика выразится как

М =-DFфдс /дп (7.10а)

где D-коэффициент молекулярной диффузии; F - поверхность, нормальная к направлению диффузии; дс/дп- градиент концентраций вещества на единицу длины пути п диффундирующего вещества; знак минус связан с уменьшением градиента концентраций дс/дп по длине пути диффузии.

Коэффициент молекулярной диффузии D зависит от природы диффундирующего вещества. Поэтому он не связан с динамикой процесса и характеризует способность вещества проникать в какую-либо среду. Найдем его размерность из выражения (7.10а):

[D]= [м²/с ]

откуда следует, что коэффициент молекулярной диффузии D показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент молекулярной диффузии D является аналогом коэффициента температуропроводности б.

Значения D находят по справочникам или рассчитывают. Коэффициент диффузии зависит от температуры (увеличивается с повышением температуры) и для газов - от давления (с увеличением давления D _г снижается).

Для газовой среды D _г ? 1 см²/с, для конденсированной (жидкой) среды

D _ж ? 1 с/сут, откуда следует, что молекулярная диффузия в жидкостях, а тем более в твердых телах - процесс очень медленный.

Конвекция и массоотдача

Конвективный перенос (конвективная диффузия) характеризуется перемещением (переносом) вещества движущимися частицами потока в условиях турбулентного движения фаз. Конвективный перенос вещества под действием турбулентных пульсаций иногда называют турбулентной диффузией.

Конвективный массоперенос - процесс переноса вещества при движении жидкости или газа. Этот процесс происходит как бы механически - макрообъемными частицами жидкостного или газового потока.

Массоотдачу, так же как и конвекцию, подразделяют на естественную и вынужденную, или принудительную. При естественной массоотдаче движение жидкости происходит вследствие разности плотностей в разных точках жидкости, а при вынужденной - вследствие затраты энергии на движение потока извне-с помощью насоса, мешалки и т.п. Очевидно, что естественная массоотдача- процесс медленный и в технике встречается редко, но часто является сопутствующим процессом вынужденной массоотдачи.

По аналогии с эмпирическим законом охлаждения Ньютона (или уравнением теплоотдачи) уравнение массоотдачи имеет следующи й вид:

dМ = в (х_гр - х ) dFdф (7.11)

где в - коэффициент пропорциональности-коэффициент массоотдачи.

При установившемся процессе для всей поверхности F массоотдачи при ф = 1 с уравнение (8) принимает вид

М = в F (х_гр-х). (7.11а)

Для фазы Ф_у уравнение массоотдачи будет аналогично уравнению (7.11а), но с соответствующей заменой концентраций.

Размерность коэффициента массоотдачи: [в] = [М/ F (у-у_гр )] = [м /с].

Коэффициент массоотдачи, в отличии от коэффициента массопередачи, характеризует скорость переноса вещества внутри фазы конвекцией и молекулярной диффузией одновременно.

Размещено на Allbest.ru