11. Перечислить типовые массообменные процессы и объяснить их физическую сущность.

Процессом массообмена называется диффузионный переход одного или нескольких компонентов бинарных и многокомпонентных смесей из одной фазы в другую: из газовой (паровой) в жидкую или твердую, из жидкой в твердую или в другую жидкую, а также в обратном направлении. Различают два варианта массообмена: односторонний и двухсторонний. В первом варианте процесс завершается переходом вещества из одной фазы в другую, а во втором – встречным переходом веществ из каждой фазу в другую.

Массообмен включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз) классификацию и взаимосвязь массообменных процессов можно видеть на рисунке 5.

Рис.5. Классификация массообменных процессов

Типовые массообменные процессы: абсорбция, дистилляция (частный случай - ректификация), экстракция, адсорбция, кристаллизация, сушка, ионный обмен

Абсорбция - процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс – десорбция – выделение растворенного газа из раствора.

Ректификация - тепломассообменный процесс, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях, многократно контактируют друг с другом в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадка, тарелки), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость — менее летучими.

Дистилляция – процесс разделения жидкостей на отличающиеся по составу фракции, основанный на различии температур кипения компонентов жидкости; то же, что перегонка.

Экстракция (от позднелат. extractio - извлечение), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент)

Адсорбция – (от лат. ad-на, при и sorbeo-поглощаю), изменение (обычно – повышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз ("поглощение на поверхности"). В общем случае причина адсорбции – нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового поля. Тело, создающее такое поле, наз. адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, - адсорбтивом, уже адсорбировавшееся вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

Кристаллизация – переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного кристаллического состояния в другое (рекристаллизация, или вторичная кристаллизация); фазовый переход первого рода.

Ионный обмен – обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Обычно одна из фаз раствор электролита, другая – ионит.

Сушка - высушивание, удаление жидкости (обычно влаги) из твёрдых, жидких и газообразных тел.

12. Написать (в общем виде) и изобразить в координатах у (концентрация одного вещества в одной фазе) – х (его концентрация в другой фазе) уравнение равновесной и рабочей линии массообмена; показать движущую силу процесса и написать выражение для ее расчета

Изменение рабочих концентраций по поверхности массообмена описывается уравнением рабочих линий. Эти линии используют для определения движущей силы процесса по всей поверхности F массопередачи, а также для определения высоты Н массообменных аппаратов.

Процесс массопереноса протекает самопроизвольно при наличии разности между рабочими и равновесными концентрациями (при данных условиях температуры и давления), которые можно выразить через концентрации у и у* фазы Ф_у, а также х и х* для фазы Ф_х.

Движущая сила массообменных процессов есть разность между рабочими и равновесными концентрациями.

Движущая сила в концентрациях фазы Ф_у: Δу=у‒у* (при у˃у*) или Δу=у*‒у (при у˂у*), в концентрациях Ф_х: Δх=х‒х* (при х˃х*) или Δх=х*‒х (при х˂х*). Таким образом, движущая сила характеризует степень отклонения системы от равновесия.

Для всей поверхности фазового контакта при установившемся состоянии процесса материальный баланс выражается уравнением:

или

В каждом конкретном случае величины G_у, G_х, у_к и х_н известны и постоянны и, следовательно уравнение материального баланса является уравнением прямой:

у=Ах+В

которая также называется рабочей линией процесса. Для любого случая массообмена и любого сечения диффузионного аппарата движущую силу массопередачи можно выразить графически путем нанесения на диаграмму у-х линии равновесия у_р=f(х) и линии рабочих концентраций у=φ(х), как это показано на рисунке 6.

На диаграммах I и II представлен случай, когда у*˃у и х˃х* и распределяемый между фазами компонент переходит из фазы Ф_х в фазу Ф_у, а на диаграммах III и IV этого же рисунка – случай, когда у*˂у и х*˃х и распределяемый между фазами компонент переходит из фазы Ф_у в фазу Ф_х. Распределяемый между фазами компонент переходит в ту фазу, рабочая концентрация которой меньше равновесной.

Рис. 6. Графическое представление движущей силы массопередачи. Равновесные и рабочие линии концентрации