Лекция ПАХТ №7

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Процессами массообмена называют такие процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов.

Основные массообменные процессы:

1. Абсорбция -избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Представляет собой переход ве­щества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

2. Перегонка и ректификация-разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты.

3. Экстракция (жидкостная) - извлечение растворенного в од­ной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смеши­вающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.

4. Адсорбция-избирательное поглощение газов, паров или раст­воренных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси

5. Ионный обмен - избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекае­мого вещества из жидкой фазы в твердую. Процесс применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.

6. Сушка - удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Сушку широко применяют в технике для пред­варительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

7. Растворение и экстрагирование из твердых тел-это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых мате­риалов.

8. Кристаллизация -выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.

9. Мембранные процессы -избирательное извлечение компонен­тов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки-мембраны. Эти процессы представляют собой пере­ход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разде­ляющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жид­ких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

Фазовое равновесие

Массообмен, или массопередача, в изолированной замкнутой системе, состоящей из двух или большего числа фаз, возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между фазами при данных условиях температуры и давления не установится подвижное фазовое равновесие, при котором в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул, сколько в первую из второй.

Условиями равновесия в гетерофазной системе, не находящейся под воздействием внешних сил, являются равенство давлений, температур и химических потенциалов компонентов во всех фазах (химический потенциал – характеризует изменение энергии системы при изменении количества частиц сорта i в ней), однако концентрации компонентов в фазах могут отличаться.

Знание равновесия в процессах массопередачи позволяет установить пределы, до которых могут протекать эти процессы. В основе равновесия лежит правило фаз Гиббса:

С = К – Ф + 2

С – число степеней свободы (количество независимых переменных); n – число компонентов системы; Ф – число фаз.

Например в двухфазной системе, число степеней свободы соответствует числу компонентов: С = К – 2 + 2 = К

Поэтому задав, например, состав жидкой фазы (n-1) мольной долей x_i и температуру T, мы уже не можем произвольно задать давление р.

Графически фазовое равновесие представляется равновесной линией.

Уравнения материального баланса, равновесных и рабочих линий

В стационарных условиях закон сохранения массы (вещества) для всего аппарата может быть записан в виде уравнения материального баланса: суммарный приход массы (вещества) должен равняться расходу:

Можно записать материальный баланс по распределяемому компоненту при отсутствии химических реакций:

Схема массообменного процесса в вертикальном противоточном аппарате: L, G - расходы фаз; х, y - концентрации распределяемого компонента в фазах; индексы «н» и «к» - начальное и конечное состояния; I, II - номера фаз;

Из уравнения материального баланса можно получить уравнение рабочей линии. Запишем уравнение материального баланса для произвольного участка аппарата и разрешим его относительно концентрации распределяемого компонента в одной из фаз:

Это уравнение называется уравнением рабочей линии противоточного массообменного процесса, связывающего рабочие концентрации распределяемого компонента в фазах для произвольного сечения аппарата. Под рабочими концентрациями понимают средние по сечению или неизменные в сечении аппарата концентрации ядра фазы.

Уравнение равновесной линии, связывающее рабочую концентрацию распределяемого компонента в одной из фаз с его равновесной концентрацией в другой фазе.

где y* - равновесная концентрация в фазе I, x - рабочая концентрация в фазе II, m - коэффициент распределения. Величина m может быть постоянной (для разбавленных растворов), тогда равновесная линия будет прямой, или зависеть от x, тогда равновесная линия будет кривой. Под равновесной концентрацией в произвольном сечении аппарата понимают концентрацию компонента в фазе, находящейся в равновесии с другой, состав которой определяется рабочей концентрацией.