2 Понятие о ступени изменении концентрации. Схема процесса массообмена на тарелке

Под ступенью изменения концентрации понимаем такое изменение концентрации в определенном элементе (высоте или объеме) аппарата, при котором концентрация компонента на выходе из него у₂ становится равной равновесной концентрации на входе в него у_р1. Число ступеней равновесной концентрации при переработке бинарных смесей сравнительно просто определяется графическим путем на диаграмме у-х, на которой наносится рабочая линия (линия рабочих концентраций) процесса и кривая равновесия (рисунок 3). Проводя из точки а, соответствующей конечной концентрации компонента, горизонтали и вертикали между кривой равновесия и рабочей линией до точки в, отвечающей начальной концентрации компонента, получаем ломаную линию, число ступеней которой и будет числом ступеней изменений концентраций Nc.

Рисунок 3 – Определение числа ступеней изменения концентраций

Схема процесса массообмена на тарелке аппарата

Процессы абсорбции и ректификации осуществляются в тарельчатых и реже – в насадочных аппаратах. Рассмотрим схему процесса массообменана на тарелке со сливным устройством (рисунок 4). Жидкость, поступая на тарелку (n) с концентрацией _хn+1, изменяет на тарелке концентрацию до х_n и стекает на нижележащую тарелку. Соответственно концентрация в газе изменяется от у_n-1 до у_n.

Рисунок 4 – Схема процесса массообмена на тарелке

Количество вещества, переходящего на рассматриваемой тарелке (n) из одной фазы в другую, через концентрацию в жидкой фазе равно (26)

или через концентрацию в газовой фазе (27)

где L и V – соответственно секундный расход жидкости и газа:

Δх_m и Δу_m - средняя движущая сила процесса.

Поверхность фазового контакта (28)

где а – удельная поверхность фазового контакта, [м² /м³].

V_т – объем жидкости на тарелке, м³.

Тогда число единиц переноса для одной тарелки из уравнений (26) и (27) равно: (29)

(30)

В зависимости от конструкции тарелки наблюдается та или иная закономерность изменения концентрации жидкости и концентрации газа по сечению тарелки. Для определения движущей силы процесса примем следующие допущения:

в пределах одной тарелки концентрация вещества в газовой фазе над жидкостью принимается постоянной и равной среднему значению ее на выходе с тарелки (у_n);

в пределах одной тарелки концентрация жидкости изменяется прямолинейно.

По концентрации уn определяем равновесную концентрацию жидкости х nр.,от которой и отсчитываем движущую силу процесса на тарелке: на входе (31)

на выходе (32)

Средняя движущая сила процесса (33)

Подставляя это значение в равенство (29), получим (34)

и после потенцирования (35)

Так как каждой концентрации в жидкости соответствует равновесная концентрация в газе, то при выражении через концентрации газовой фазы имеем (36)

Ухудшение массообмена в тарельчатых колоннах вызывается также явлением уноса - увлечением газовым потоком жидкости с расположенных ниже тарелок на верхние.

До сих пор число тарелок в колоннах Nт (абсорбционных и ректификационных) определяют делением числа ступений изменения концентраций (Nс) на КПД тарелки: (37)

Очевидно, величина η_т, как и С_у и m_ут, зависят от расхода жидкости, скорости газа, физических свойств, а также от конструкции