5. Массообменные процессы и аппараты.
5.1 Массообмен.
5.1.1 Фазовые равновесия.
Основная
задача химико-технологического процесса
состоит в направленном изменении
макроскопических свойств участвующих
в процессе веществ: состава, агрегатного
состояния,
и Т. При этом происходит перенос
субстанций: массы, энергии, импульса.
Предельное состояние системы – подвижное
равновесие, при котором не происходит
изменений макроскопических свойств
веществ. Равновесным называют такое
состояние системы, при котором перенос
субстанций отсутствует.
В изолированной системе условия равновесия записываются так:
,
,
(5.1)
p=const,
T=const,
=const
– химический потенциал
-того
компонента.
Процесс переноса массы возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между фазами при данных условиях (Т и ) установится подвижное фазовое равновесие.
Условия (5.1) называют условиями механического, термического и химического равновесия.
Все самопроизвольные процессы сопровождаются увеличением энтропии системы. В изолированной системе в состоянии равновесия энтропия достигает максимального значения:
(5.2)
Таким образом, для изолированной системы условия равновесия определяются условиями (5.1) и (5.2).
Для открытой системы равновесное состояние может быть устойчивым лишь при её равновесии с окружающей средой. Движущая сила процессов переноса возникает вследствие отклонения от равновесия в самой системе или в окружающей среде.
Химический потенциал зависит не только от концентрации данного компонента, но и от вида и концентрации других компонентов системы:
(5.3),
где
значение
химического потенциала при стандартном
состоянии (обычно при
=0.1
МПа),
-
активность
-того
компонента смеси,
и
-соответственно,
мольная доля и коэффициент активности
-того
компонента. Химический потенциал
является функцией от Т,
и состава смеси.
Фазовые диаграммы: -С для Т=const, Т-С для =const, y(x)- для T=const, y-x для =const.
Пример поглощения аммиака чистой водой из аммиачно-воздушной смеси: у - концентрация аммиака в воздухе, х - концентрация аммиака в воде. Аммиак - распределяемый компонент. С началом растворения аммиака в воде начнётся переход части его молекул в обратном направлении со скоростью, пропорциональной концентрации аммиака в воде. С течением времени скорость переноса аммиака в воду будет снижаться, а скорость обратного переноса возрастать.
Такой двусторонний перенос будет продолжаться до установления динамического равновесия – когда переходы в обоих направлениях будут равны.
При равновесии достигается определённая зависимость между равновесными концентрациями распределяемого вещества в фазах при Т и = const:
,
(5.4)
где у* - равновесная концентрация аммиака в воздухе, при концентрации аммиака в воде х.
Графическое изображение (5.4) и есть линия равновесия.
у* = mx (5.5),
где m – коэффициент распределения.
Для двухкомпонентной двухфазной системы коэффициент распределения будет зависеть от двух переменных m=f(T,x)=f( ,x)=f( ,T).
Следовательно,
необходимо иметь набор экспериментальных
данных по равновесию по всей области
изменения двух параметров. При увеличении
числа компонентов в системе ситуация
ещё более усложняется. При отсутствии
таких экспериментальных данных для
определения коэффициента распределения
можно использовать аналитические
зависимости. Такие зависимости рассмотрены
у А. Разинова и Когана. Необходимо
установить связь концентраций химическими
потенциалами, а для
условие равновесия имеет простой вид
d
=0.
Конкретный вид равновесия (5.5) различен
для разных процессов массопередачи.
Например, для абсорбции равновесие
описывается законом Генри, для ректификации
– законом Рауля и т.д. Зная линию
равновесия для конкретного процесса и
рабочую линию можно определить направление
и движущую силу массопередачи в любой
точке аппарата.