§11 Общая методика расчета массообменных процессов и параметров массообменных аппаратов.

1. Определение (составление) материального и энергетического баланса процесса.

2. Определение направления протекания и условия направления процесса.

3. Определение движущей силы процесса.

4. Определение скорости (интенсивности) протекания процесса.

5. По рассчитанным параметрам процесса определить параметры массообменных аппаратов (рабочая поверхность аппарата, т.е. площадь поверхности контакта фаз).

Основной движущей силой массообменных процессов является диффузия вещества между компонентами контактирующих фаз, которые реализуются в результате разности концентраций.

Основные понятия и определения:

Концентрация раствора (смеси)- доля рассматриваемого вещества А в общем объеме раствора В.

В зависимости от степени концентрации растворы бывают концентрированные и разбавленные.

Основные способы количественного выражения концентраций:

- массовая концентрация- число единиц массы растворенного вещества в 100 единицах массы раствора.

- объемная мольная концентрация- число молей вещества в единице объема раствора.

- массовая мольная концентрация- число молей вещества в 1000 граммах растворителя.

- относительная мольная концентрация- отношение числа молей вещества к общему числу молей всех веществ в растворе.

§12 Основные закономерности процесса перегонки бинарных смесей.

Перегонка – это разделение жидких, двух или более компонентных смесей, в которых эти компоненты являются взаиморастворимыми и летучими.

Обязательное условия перегонки – различная летучесть компонентов (этих компонентов). Отметим, что в процессе перегонки, в результате нагрева жидкого многокомпонентного раствора, над жидкостью образуются пары, которые находятся в равновесии с раствором (жидкостью). Причем, пар, находящийся с жидкостью в соединение, больше тот компонентен, который способствует понижениюжидкости. (закон Д. П. Коновалова).

спирта = 78, 3˚С;

воды = 100˚С.

В общем, состав газовой смеси выражают через порциальное давление компонентов и общее давление всегда будет равно сумме давлений компонентов смеси:

- давление отдельного компонента смеси.

Общее давление (зависит от физико-химического свойства компонента, при этом равновесие в системе жидкостей. Пар обусловлен силой притяжения молекул компонентов и в зависимости от соотношения этих сил, различают растворы:

• Идеальные, если силы притяжения молекул равны;

• Реальные, когда силы притяжения различаются друг от друга;

Жидкие смеси также различаются:

1. С отдельно кипящими компонентами – это когда над жидкостью повышенная концентрация более летучего низкокипящего (НК) компонента в результате его кипения в интервале температур ниже высококипящего (ВК) компонента. Поэтому над жидкостью всегда повышенная концентрация НК.

2. Нераздельно кипящие (азеотропные) компоненты - это когда в жидкой смеси при нагреве (кипения) состав компонента жидкости и пара над жидкостью равны. В этом случае, в процессе перегонки, полученный конденсат будет иметь состав исходной смеси.

Азеотропные свойства наблюдаются у многих смесей в определённом интервале концентрации и зависит от свойств компонентов, а интервал концентрации называется областью азеотропных смесей.

Рассмотрим это явление на основе закона Рауля., который гласит: « парциальное давление компонентов в бинарной разделяющей смеси равны парциальному давлению их насыщенных паров над жидкостью, умноженные на мольные концентрации этих компонентов в жидкости.

парциальное давление компонентов в жидкости.

и , где

- концентрация компонентов в жидкости.

концентрация пара;

Учитывая, что при кипении над жидкостью насыщенных паров равно атмосферному давлению, тогда

= .

: при азеотропном кипении конденсат кипящего компонента равно его концентрации жидкости. Для водно-спиртового раствора это означает, что при нормальном давление концентрация спирта не может быть больше, чем 95, 57%. Отсюда можно заключить, что с изменением давления можно изменить температуру кипения смеси, что позволяет сместить из заданного интервала или из области концентрации азеотропных смесей.

Важнейшим условием перегонки жидких смесей является перегонка жидкого пара. Это означает числа молекул, переходящих в пар числа молекул, переходящих из пара в жидкость, а парциальное давление паров над жидкостью равно давлению насыщенных паров этого компонента при данной температуре.

Можно различать несколько вариантов значения насыщенных паров жидких смесей:

1. Для идеального раствора смешивающихся жидких смесей, когда количество молекул жидкости в пар и из пара в жидкость равны (без избирательности перехода).

Парциальное давление в первой фазе равна произведению давления его насыщенного пара на его концентрацию в жидкости.

2. Для несмешивающихся жидкостей. Молекулы из жидкости в пар и обратно из пара в жидкость может заменить молекула только аналогичной природы, т.е. взаимопереход. Соответственно, давление насыщенного пара над жидкостью будет равно давлению насыщенных паров компонентов:

3. В случае неидеального раствора, если даже компоненты, растворимые между собой, т.е. сила притяжения разноимённых и одноимённых молекул различны, тогда парциальное давление паров над жидкостью будет отличаться, чем для идеального раствора или смеси.

4. Для азеотропных растворов, суммарное давление не смешивающих давление насыщенных паров измениться (увеличится или уменьшится)в зависимости от концентрации компонентов.

   Т˚С

   Рассмотрим диаграмму температур и энтальпию бинарных смесей процесса перегонки:

   1 – температура кипения бинарных смесей;

   T=f(), гдеконцентрация компонента в паровой фазе;

   Х – концентрация компонента в жидкой фазе.

1

1

2

2

3

3

4

4

Х(С)

Х

Х

3, 4 – удельные энтальпии жидкой фазы и пара соответственно.

В процессе перегонки при испарении низкокипящего компонента получают пары над жидкостью низкокипящего его компонента. При конденсации этого обогащенного НК, концентрация НК увеличивается. Процесс изменения конденсации называется дифлигментацией. А конденсат называют флегмой, поэтому, для повышения эффективности работы, перегонные аппараты снабжают специальным устройством дефлегматором.