Общие сведения о массообменных процессах

 

Для разделения гомогенных (однофазных систем) в целях удаления из них загрязняющих веществ используются массообменные процессы.

В промышленности применяются, в основном, следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами:

1. Абсорбция — поглощение газа жидкостью, т. е. процесс раз­деления, характеризуемый переходом вещества из газовой фазы в жид­кую. Обратный процесс выделения газа из жидкости называется десорбцией.

2. Экстракция (в системе жидкость — жидкость) — извлече­ние вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. При этом из­влекаемый компонент исходного раствора переходит из одной жидкой фазы в другую.

3. Ректификация — разделение гомогенных жидких смесей путем многократного взаимного обмена компонентами между жидкой и паровой фазами, движущимися обычно противотоком друг к другу.

4. Адсорбция — поглощение компонента газа, пара или рас­твора твердым пористым поглотителем, т. е. процесс разделения, харак­теризуемый переходом вещества из газовой (паровой) или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс — десорбция проводится после ад­сорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

Разновидностью адсорбции является ионный обмен — процесс разде­ления, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы растворов электролитов.

5. Сушка — удаление влаги из твердых материалов главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую.

6. Кристаллизация — выделение твердой фазы в виде кри­сталлов из растворов или расплавов. Кристаллизация характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости.

7. Растворение и экстракция (в системе твердое тело — жидкость). Растворение характеризуется переходом твердой фазы в жид­кую (растворитель) и представляет собой, таким образом, процесс, обрат­ный кристаллизации. Избирательное растворение, предназначенное для извлечения того или иного компонента из твердого пористого мате­риала, называется экстракцией из твердого, или выщелачиванием.

Массообмен (массопередача) представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах од­ной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в преде­лах другой 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 массоотдачей.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы.

К первой группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.), в которых участвуют минимально три вещества: одно образует первую фазу, дру­гое — вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами 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, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассма­триваться как инертные носители распределяемого вещества.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называются также диф­фузионными процессами.

Для диффузионных процессов, по аналогии с процессами переноса тепла, 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 процессов массопереноса выражают прибли­женно через разность концентраций, подобно тому, как в процессах теплопереноса ее выражают разностью температур.

Процессы массопередачи избирательны в тех случаях, когда поглоти­тель извлекает только один компонент (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальных ее компонентов. Эти процессы большей частью обратимы, т. е. могут протекать в противо­положных направлениях в зависимости от температуры, давления и дру­гих условий их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия.

Количественный состав фаз в массообменных процессах выражают:

1. В объемных концентрациях, принимая за единицу массы 1 кг или 1 кмоль. Объемная концентрация представляет собой число килограммов (или киломолей) данного компонента, приходящееся на еди­ницу объема фазы (в кг/м³ или кмоль/м³).,

2. В весовых или мольных долях, представляющих собой отношение килограммов (или киломолей) данного компонента к мас­се всей фазы, выраженной общим числом килограммов или киломолей со­ответственно.

3. В относительных концентрациях, т.е. в виде отношения килограммов (или киломолей) данного компонента, являюще­гося распределяемым веществом, к числу килограммов (или киломолей) компонента — носителя, количество которого остается постоянным в процессе массопередачи.

 

Равновесие при массопередаче

Фазовое равновесие.

Линия равновесия. Рассмотрим в качестве при­мера процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой, т. е. в виду отсутствия равновесия переходит из газовой фазы Фу, где его концентрация равна У, в жидкую фазу Фх, имеющую начальную концентрацию Х = 0.

С началом растворения аммиака в воде начнется переход части его молекул в обратном направлении со скоростью, пропорциональной концентрации аммиака в воде и на границе раздела фаз. С течением времени скорость перехода аммиака в воду будет снижаться, а скорость обратного перехода возрастать, причем такой двусторонний переход будет продолжаться до тех пор, пока скорости переноса в обоих направлениях не станут равны друг другу. При равенстве скоростей уста­новится динамическое равновесие, при котором не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу.

При равновесии достигается определенная зависимость между пре­дельными, или равновесными, концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осу­ществляется процесс массопередачи.

В условиях равновесия некоторому значению Хотвечает строго опре­деленная равновесная концентрация в другой фазе, которую обозначим через У*. Соответственно концентрации Уотвечает равновесная концен­трация Х *. В самом общем виде связь между концентрациями распреде­ляемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью:

У* = f(X) (3.1)

или

X* = j (У) (3.2)

 

Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рисунке 3.1, либо в частном случае - прямой линией. На рисунке 3.1а пока­зана равновесная кривая для системы с компонентами-носителями, вы­ражающая зависимость равновесной концентрации, например в газовой фазе, от концентрации жидкой фазы при Р = const и t = const. На рисунке 3.1 б приведен пример равновесной кривой для процесса ректифи­кации, построенной при Р = const. Каждая точка кривой, как показано на рисунке соответствует разным температурам (t1, t2 и т. д.).

Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения:

(3.3)

 

Коэффициент распределения выражает тангенс угла наклона линии равновесия и для кривой линии равновесия является величиной пере­менной.

Конкретный вид законов равновесного распределения, выражающих зависимости (3.1) и (3.2), различен для разных процессов массопере­дачи. Так, например, в процессе абсорбции при низких концентрациях распределяемого вещества в исходном растворе равновесие описывается законом Генри, для идеальных растворов в процессах ректи­фикации - законом Рауля и т. д.

Зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие, т. е. неравновесные концентрации фаз в соответст­вующих точках, можно определить направление и движущую силу мас­сопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рассчитана средняя движущая сила, а по ней - скорость процесса массопередачи.

Рисунок 3.1. Примеры диаграмм равновесия: а – при Р= const и t=const; б- при Р= const.