Массообмен между жидкостью и твёрдым веществом

Массоперенос во внешней фазе

Перенос массы во внешней фазе описывается конвективной и молекулярной диффузией. В пограничном слое преобладает молекулярная диффузия, за пределами конвективный массоперенос.

Упрощённо поток массы можно описать уравнением:

- определяется по критериальным уравнениям

N_U ^/ = f (R_e; P_r)

при обтекании одиночных частиц потоком

N_U ^/ = A*R_e^m (P_r ^/)ⁿ

ламинарный режим

турбулентный

С

С_П

С

у

Массоперенос в твёрдой фазе

Пористые тела Е_П – пористость м³/кг;

- удельная поверхность м²/кг

r < 10^-9 м – микро;

r > 10^-9 м – макро.

Элементарные процессы:

Диффузия и конвективный перенос.

Механизмы переноса:

- обмен местами атомов с вакантными узлами кристаллической решётки;

- обмен местами соседних атомов.

где n – длина пути диффузии;

D_T < 10^-9 м²/с – мало.

Конвективный массоперенос возникает при изменении давления по длине поры из-за:

1. Разогрева;

2. Капиллярных сил.

Конвективный перенос возникает при: , ( - длина свободного пробега молекулы)

При ламинарном режиме внутри и вне вещества перенос описывается уравнением Гагена – Пуазеля:

для вещества с инертным носителем

За счёт капиллярных сил

,

,

где - угол смачивания.

Уравнение массопроводности:

где k - коэффициент эффективной массопроводности.

Уравнение массопередачи:

, м/с.

Перегонка жидкостей

Перегонка жидкости – массообменный процесс разделения смесей взаиморастворимых жидкостей за счёт разности температур кипения компонентов.

Принцип перегонки заключается в нагревании смеси до кипения и последующей конденсации полученного пара. Из-за различия упругости паров

(t кипения) в паре содержится в основном легколетучий (НК) компонент, в жидкости труднотекучий (ВК) компонент.

Схема массообмена:

_ВК

Ж Пар

_{Н К}

Движущей силой является разность концентраций любого компонента в каждой из фаз и его равновесной концентрацией при данных условиях

- пар

- жидкость

Назначение и область применения: служит для разделения и очистки жидкостей, а также сжиженных газов в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой промышленности.

ПЖ разделяют на 2 вида:

1. Простая перегонка (дистилляция) – однократное частичное испарение исходной жидкости и конденсация паров. Её используют для жидкостей с разницей температур кипения более 20⁰ для предварительной очистки жидкости от смол и других загрязнений. М.б. как периодическим, так и непрерывным процессом.

Сконденсированные пары – дистиллят; неиспарившаяся жидкость – остаток.

2. Ректификация – более сложный процесс для получения дистиллята и остатка высокой частоты. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с частью дистиллята, которая называется флегмой. Как правило непрерывный процесс.

Аппараты для ректификации – колонны, аналогичны абсорберам насадочным и тарельчатым.

Равновесие при перегонке жидкости.

Парциальное давление компонента в смеси определяется его концентрацией (закон Рауля).

(1)

(2)

где р_А, р_В – давление насыщенных паров, Па;

х_А – концентрация.

По правилу фаз Гиббса система из 2^х фаз, 2^х компонентов

С = к – Ф +2 = 2 - 2 + 2 = 2 степени свободы из трёх (P,t,x), т.е. фазовые диаграммы трёхмерны. Для упрощения строят в плоскости, считая один из параметров, как правило – давление.

Для построения используют зоны Рауля и Дальтона

р_А = Р * у_А^* = р_А*х_А; Р = р_А + р_В;

, по заданным Р, р_А , р_В при различной температуре находят х_А, а затем у_А^* и получают фазовую диаграмму:

t

P = const

t_BK конденсация

t_НК кипение

Точки внутри соответствуют равновесным концентрациям парожидкостной системы. В резыльтате анализа фазовых диаграмм з-в фазового равновесия выведено уравнение линии равновесия для идеальных систем.

,

где - коэффициент разделения ;

В реальных системах (азеотропах) условия равновесия существенно усложняются и описываются с помощью законов Коновалова и Вревского, учитывающих влияние фазового состава разделяемой смеси.

Материальный баланс

1 . Простая перегонка

холодильник

дефлегматор

дистиллят (Р)

вода

L (F)

пар куб-кипятильник

конденсат остаток (W)

Цель: определение расхода остатка или дистиллята.

L – количество жидкости;

х – концентрация по НК;

у^* - равновесная концентрация в паре;

y^* = f(x) – для каждой смеси.

В процессе в каждый момент времени происходит изменение состава и количества жидкости в кубе по НК.

Количество НК:

Интегрируют графически, определяя:

Далее определяют количество дистиллята:

и его состав по НК