3 Масообмінні процеси

3.1 Основи масопередачі. Загальні відомості

Технологічні процеси, швидкість перебігу яких визначається швидкістю переносу речовини із однієї фази до іншої називають масообмінними процесами, а апарати, призначені для проведення цих процесів – масообмінними апаратами.

3.1.1 Види процесів масопередачі

1. Абсорбція – поглинання газу рідиною, характеризує перехід речовини з газової фази в рідку. Зворотній процес виділення газу з рідини називається десорбція.

2. Ректифікація – розділення гомогенних рідких сумішей, які відрізняються температурою кипіння, багаторазового взаємного обміну компонентами між рідкою і паровою фазами, що рухають протитечії.

3. Адсорбція – поглинання компоненту газу, пари, або розчину твердим пористим поглиначем.

4. Екстракція – вилучення речовини з твердого тіла або рідини розчинником, до якого переходить вилучена речовина.

5. Кристалізація – виділення твердої фази з розчинів або розплавів.

6. Розчинення – перехід твердої фази до рідкої.

3.1.2 Фізична суть процесів масопередачі

У макроскопічній системі, яка знаходиться у нерівноважному стані, виникають термодинамічні потоки.

Термодинамічні потоки, пов’язані з переносом речовини чи енергії імпульсу з однієї частини середовища в іншу, виникають у випадку, якщо значення тих чи інших фізичних параметрів різні в різних точках середовища. При наявності в середовищі різної концентрації якої-небудь домішки виникають дифузійні потоки, у випадку різної температури – теплові потоки, при різній швидкості плину – потоки імпульсу, чи кількості руху. У першому випадку говорять про явище дифузії, в другому – про явище теплопровідності, в третьому – про явище в’язкості.

Дифузією називається процес мимовільного вирівнювання концентрацій речовин у сумішах, яка спостерігається в різних середовищах, але її швидкість сильно залежить від агрегатного стану речовини. У газах це явище відбувається досить швидко, що можна, зокрема, спостерігати по тому, як відбувається поширення запахів у повітрі. У рідинах явище дифузії відбувається значно повільніше і виявляється, наприклад, при розчиненні в них твердих тіл чи при взаємному змішуванні різних рідин. Для спостереження дифузії у твердих тілах звичайно необхідний дуже великий час.

Процеси переходу речовини з однієї фази до іншої здійснюються за рахунок конвективної і молекулярної дифузій в напрямку досягнення рівноваги. Ці процеси відбуваються в роздільній апаратурі за такою схемою:

Рис. 3.1 Структурний зв’язок реактора з масообмінним апаратом.

Метою даного розділу курсу є вивчення фізичних і технологічних засад в апараті розділення (масообмінний апарат) і аналіз конструктивних особливостей цих апаратів, розгляд підходів щодо їх технологічного та конструктивного розрахунку.

Розрахунок масообмінних апаратів ґрунтується на механізмі переносу маси речовини, для чого необхідно знати:

• основні закони розподілення компонентів;

• робочі режими процесу;

• кінетику процесу дифузії.

Розв’язок такої задачі ґрунтується на відповідній математичній моделі, яка враховує всі сторони процесу і ґрунтується на:

• рівнянні матеріального балансу;

• рівнянні рівноваги;

• рівнянні гідродинаміки потоків;

• рівнянні кінетики процесу;

• рівняннях граничних і початкових умов.