Тема 5 Химиялық технологияда масса алмасу үрдістері кең таралған және маңызды мәні бар. Ол бір немесе бірнеше заттардың бір фазадан екіншісіне өтуімен сипатталады. Бір немесе бірнеше компоненттерді фазадан фазаға тасымалдау жолымен гетерогенді және гмогенді жүйелерді бөлуге болады, көбінесе масса алмасу үрдісі гомогенді жүйелерді бөлуде қолданылады.

Масса алмасу үрдістерінің түрлері. Өндірісте негізгі келесі масса алмасу үрдістері қолданылады:

газ бен сұйық арасындағы;

газ бен қатты арасындағы;

қатты мен сұйық арасындағы;

екі сұйық арасындағы.

Абсорбция — газды сұйықпен сіңіру, яғни газ фащасынан сұйық фазаға заттың өтуімен сипатталатын бөлу үрдісі. Газдың сұйықтан қайта бөліну үрдісі десорбция деп аталады.

Экстракция (сұйық-сұйық жүйеде) – сұйықта еріген затты бірінші сұйықпен араласпайтын немесе бөліктеп араласатын басқа сұйықпен бөлу. Бұл жағдайда бастапқы ерітіндінің бөлінетін компоненті бір сұйық фазадан екіншісіне өтеді.

Айдау — сұйық және бөлінетін сұйық қоспадан буландыру арқылы алынатын бу арасындағы компоненттердің өзара алмасу жолымен гомогенді сұйық жүйелерді бөлу.

Адсорбция — газдың, будың немесе ерітіндінің компонентін қатты кеуекті сорғышпен сіңіру, яғни бөлу үрдісі заттың газды немесе сұйық фазадан қатты фазаға өтуімен сипатталады. Кері үрдіс – десорбция адсорбциядан кейін жүргізіледі және сіңіргіштен сіңірілген затты регенерациялау үшін жиі қолданылады.

Адсорбцияның бір түрі ион аламасу – кейбір қатты заттардың (иониттердің) өздерінің қозғалғыш ионын ерітінділер электролиттерінің иондарына алмастыру қабілеттілігіне негізделген бөлу үрдісі.

Кептіру — қаты материалдардан ылғалды оларды буландыру арқылы жою. Бұл үрдісте ылғал қатты фазадан газды немесе булы фазаға өтеді.

Кристаллдау — ерітінділер немесе балқымалардан қатты фазаны кристаллдар түрінде бөлу. Кристалладндыру ерітіндіні қанықтыру немесе суыту нәтижесінде жүргізіледі және заттың сұйық фазадан қатты фазаға өтуімен сипатталады.

Еру және экстракция (қатты дене-сұйық жүйесінде). Еру қатты фазадан сұйық фазаға өтуімен сипатталады, бұл кері кристаллдандырудың үрдісі болып табылады. Қатты кеуекті материалдан бір немесе бірнеше компоненттердің таңдамалы ерігіштігінің негізінде бөлуді экстракция деп атайды.

Жылу алмасу сияқты масса алмасу бір фаза шегінлде затты алмастыратын, фазалар бөліну беті арқылы тасымалдау және басқа фазалар шегінде тасымалдау жүретін күрделі үрдіс. Жылу алмасуда жылумен алмасатын орталар қатты қабырғамен бөлінген болса, масса алмасу беттесетін фазалар бөлігіндегі шек арқылы өтеді. Бұл шек қозғалғыш (газ-сұйық немесе бу-сұйық, сұйық-сұйық жүйелердегі масса берілу) немесе қозғалмайтын (қатты фазадағы масса беру) болады.

Фазадан фазалардың бөліну шегіне немесе кері бағытта, яғни фазалардың бірінің шегінде затты тасымалдау масса алу деп аталады.

Масса алмасу үрдісін екі топқа бөлуга болады. Бірінші топқа кем дегенде үш зат қатысатын үрдістер (абсорбция, экстракция) жатады. Заттардың біреуі бір фазада жатады, екіншісі тек екінші фазада, ал үшіншісі бір фазадан екіншісіне өтеді және ол фазалар арсында таралатын зат болып табылады. Бірінші және екінші заттар таралатын заттың тасымалдағыштары ғана болып табылады және олар фазадан фазаға өтпейді.

Екінші топқа екі фазаны құрайтын заттар компоненттерімен алмасып, өздері масса алмасу үрдісіне қатысатын және таратылатын заттың инертті тасымалдағышы ретінде қарастырылмайтын үрдістер (айдау) жатады.

Масса ламасу үрдістерінің жылдамдығы молекулалық диффузиямен лимиттеледі. Сондықтан, масса алмасу үрдістері кейде диффузиялық үрдістер деп атайды.

Масса алмасу үрдістері сіңіргіш бастапқы қоспаның бір компонентін ғана бөлгенде таңдамалы болып келеді. Бұл үрдістер көбінесе қайтымды, яғни температурадан, қысымнан және жүргізудің басқа жағдайларынан тәуелді кері бағытта жүруі мүмкін. Бұл жағдайда заттың фазадан фазаға өту бағыты фазаларда таралатын заттың концентрациясымен және тепе-теңдік жағдайларымен анықталады.

Фазалар құрамын шамалау әдістері. Әдетте фазалардың сандық мөлшерін шамалайды:

көлемдік концентрацияда, масса бірлігіне 1 кг немесе зат мөлшерінің бірлігіне 1 моль; көлемдік концентрация фаза көлемінің бірлігіне ( кг/м³ немесе кмоль/м³) келетін берілген компоненттің килограмм санын көрсетеді;

салмақтық немесе мольдік үлеспен, берілген компоеннттің массасының (немесе мөлшерінің) барлық фаза массасына (немесе мөлшеріне) қатынасын көрметеді;

3) салыстырмалы концентрацияда, таралатын зат болып табылатын берілген компоненттің массасының (немесе мөлшерінің) масса алмасу үрдісінде мөлшері тұрақты болып қалатын компонент-тасымалдағыштың массасына (немесе мөлшеріне) қатынасы.

Абсорбция. Абсорбция деп газдар немесе бұлардың газды немесе булы-газды қоспалардан сұйық сіңіргіштермен (абсорбенттермен) сіңіру процесін айтады.

Физикалық абсорбция кезінде сіңірілетін газ (абсорбтив) абсорбентпен химиялық әрекеттесуге түспейді. Егер абсорбтив абсорбентпен химиялық қосылыс түзетін болса, онда хемосорбция деп аталады.

Физикалық абсорбция көп жағдайда қайтымды болады. Абсорбциялық процестердің осы қасиетіне ерітіндіден газды бөліп алу – десорбция негізделген.

Абсорбция мен десорбцияны біріктіру сіңіргішті көбірек қолдануға және сіңірілген компонентті таза күйінде бөліп алуға мүмкіндік береді. Көп жағдайда десорбция жасау міндет емес, себебі абсорбент пен абсорбтив процестен кейін қайта қолдануға болатын арзан немесе қалдық өнім болып табылады.

Абсорбциялық процестер химиялық технологияда кеңінен қолданылады және бірқатар маңызды өдірістердің негізгі технологиялық сатысы болып табылады (мысалы H₂SO₄ өндірісінде SO₃ абсорбциясы; HCl алғанда HCl абсорбциясы: азот қышқылы өндірісінде азот тотықтарының абсорбциясы; NH₃, C₆H₆ ,булары, H₂S ;және т.б. компоненттердің кокс газының абсорбциясы ;)

Үрдістің материалды балансы

Материалдық баланс пен абсорбент шығыны. Фазалар шығынын биіктік бойынша тұрақты деп алып, сіңірілетін газ құрамын салыстырмалы мольдік концентрация арқылы өрнектейік. G- инертті газ шығыны , кмоль/с;Y_б-Y_с -газды қоспада абсорбтивтің бастапқы және соңғы концентрациялары, кмоль/кмоль инертті газ ; L -абсорбент шығыны кмоль/с; X_б-X_c -оның концентрациялары кмоль/с, Онда материалдық баланс теңдеуі келесідей болады.

G(Y_б-Y_с) = L(X_c-X_б) (1)

 Осыдан абсорбенттің жалпы шығыны (кмоль/с)

L=G(Y_б-Y_с)/X_c-X_б) (1_a)

Оның үлесті шығыны (кмоль/кмоль инертті газ)

L=L/G= Y_б-Y_с / X_c-X_б (2)

Бүл теңдеуді басқаша да жазуға болады

Y_б-Y_с= L( X_c-X_б)

Абсорбциялық аппараттардың құрылғылары

Абсорбциялық процестер жүретін аппараттар абсорберлер деп аталады. Масса алмасудың басқа процестері сияқты абсорбция да фазалар шекарасында өтеді. Сондықтан абсорберлер газ бен сұйықтық арасындағы үлкен жанасу аймағына ие болуы керек. Бұл беттің түзілу тәсіліне байланысты абсорберлерді шартты түрде келесі топтарға бөлуге болады: беттік және жұқа қабықшалы, саптамалы, барботажды (табақшалы), шашыратқыш.

• Бұл типті абсорберлерде фазалр түйісу беті қозғалмайтын немесе баяу қозғалатын сұйықтық айнасы немесе ағып жатқан сұйық қабықшаның беті болып табылады.

• Беттік абсорберлер.Бұл абсорберлерді жақсы еритін газдарды сіңіру үшін қолданады. Аталған аппараттарда газ қозғалмайтын немесе баяу қозғалатын сұйықтықтың бетінің үстімен өтеді.(XI-6) Осындай абсорберлерде түйісу бетінің ауданы аз болғандықтан, газ бен сұйықтық бір-біріне қарсы ағатын тізбектей жалғанған аппараттар орнатады.Сұйықтық абсорбер ішінде өздігінен қозғалу үшін әрбір келесі аппаратты

сәл төмендеу орналастырады.

• Абсорбция кезінде бөлінетін жылуды шығару үшін аппараттарда сумен немесе басқа суытқыш агентпен суытылатын жыланшаларды орнатады немесе абсорберлерді ағынды су астына қояды. Бұл типті аппараттардың ең дамығаны сырттан сумен салқындатылатын горизонтальді құбырлар қатарынан тұратын абсорбер болып табылады (XI-7 суреті). Мұндай аппаратың әрбір элементінде қажетті сұйықтық деңгейі табалдырық арқылы қамтамасыз етіледі.

• Пластинкалы абсорбер (XI-8 суреті) каналдардың 2 жүйесінен тұрады: 1-үлкен қима ауданы бар каналдар арқылы газ бен абсорбент қарама-қарсы қозғалады, ал 2-қима ауданы кішкентай каналдар арқылы суытқыш агент (әдетте су) қозғалады. Пластинкалы абсорберлер әдетте графиттен жасалады, себебі жылуды жақсы өткізетін химиялық тұрақты материал болып табылады.

• Беттік абсорберлер төмен эффективтілігімен көлемінің үлкен болуынан шектеулі қолданылады.

• Жұқа қабықшалы абсорберлер. Бұл аппараттар беттік абсорберлерге қарағанда эффективтілігі жоғары және көлемі шағын болады. Жұқа қабықшалы абсорберлерде фазалар түйісу беті сұйықтықтың ағып жатқан жұқа қабықшасының беті болып табылады. Бұл типті аппараттардың келесі түрлерін бөледі, 1) құбұрлы (түтікті) абсерберлер; 2) жалпақ - параллельді немесе беттік қондырмалы абсарберлер; 3) сұйықтың қабықшасы жоғары қозғалатын абсарберлер.

• Құбұрлы абсорбер (XI-9 суреті) құрылысы бойынша қабықшалы вертикальді жылуалмастырғышқа ұқсас. Абсрбент үстінгі құбұрлы торға барады, құбұрлар арқалы үлестіріп, оларды ішкі беті арқылы жұқа қабықша түрінде ағып кетеді. Құбұрлар саны көп аппараттарда сұйықтықтың біркелкі берілуі мен үлестірілуі үшін арнайы үлестіруші құрылғыларды пайдаланады. Газ құбырлар арқылы төменнен жоғары қарай астына ағатын жұқа қабықшаға қарама-қарсы ағады. Абсорбция жылуын шығару үшін құбыр аралық кеңістік арқылы су немесе басқа суытқыш агент жібереді

• Жалпақ параллельді қондырмалы абсорбер (XI-10 сурет) .Бұл аппарат әртүрлі материалдан (м еталл, пластикалық массалар және т.б.) жасалған немесе матадан жасалған кесектерден құралған вертикальді беттер түріндегі беттік қондырғылы бағана болып табылады. Абсорбердің үстіңгі бөлігінде беттік қондырманы екі жақтан біркелкі сулау үшін үлестіруші құрылғылар орналасқан.

• Cұйықтың қабықшасы жоғары қозғалатын абсорберлер (ХІ-11-сурет) құбырлы торларда бекітілген құбырлардан тұрады. Газ камерадан қысқа қүбырлар арқылы өтеді, олар құбырлармен бір ось бойында жатады.

• Абсорция жылуын шығару үшін құбыр аралық кеңістіктен суытқыш агент жіберіледі. Шығару дәрежесін үлкейту үшін әрбіреуітура ағын принципі бойынша істейтін екі не одан көп сатыдан тұратын осындай типті абсорберлерді қолданады. Қабықшасы жоғары қозғалатын аппараттарда газ ағындарының жоғары жылдамдығы (30-40м/сек дейін) сандарынан масса тасымалдау коэффициентінің жоғары мәндеріне қол жеткізіледі,бірақ сонымен қатар бұл аппараттардың гидравлиаклық кедергісі салыстырмалы жоғары болады.

Екінші режим – іліну режимі. Фазалардың қарсы ағыны негізінде газ сұйықтық арқылы үйкеліс күшінің өсуі салдарынан фазалар түйісу бетінде сұйықтың газ ағыны әсерінен тоқтауы пайда болады. Осының нәтижесінде сұйықтың ағу жылдамдығы төмендеп, оның қабықшасының қалыңдағы және саптамада қалатын сұйықтық мөлшері артады. Асылу режимінде наз жылдамдығымен сапаманың суланған беті ұлғайып, сәкесінше масса тасмалдау процесінің интенсивтілігі артады.Бұл режим екінші ауысу нүктесінде бітеді (В нүктесі XI -13 суреті), ілінбелі режимінде қабықшаның тыныш ағуы бұзылады: құйындар пайда болады, яғни барботажға өту шарттары пайда болады. Осының бәрі масса алмасудың қарқындылығын арттырады.