Запитання для самоконтролю

1. Які ви знаєте основи теплопередачі?

2. Вкажіть способи нагрівання в хімічній технології.

3. Вказіть пособи охолодження в хімічній технології.

4. Складіть схему передачі тепла гаряча рідина-холодне тіло в протитечійному теплообміннику.

5. Назвіть методи випаровування.

6. Охарактеризуйте випарні установки поверхневого типу та їх класифікацію.

7. Складіть схему багатокорпусної прямоточної вакуум-випарної установки.

8. Наведіть основні параметри, що визначаються з метою регулювання процесу випаровування.

9. Охарактеризуйте процес спалювання та будову печі.

10. Як визначають оптимальні умови спалювання?

Модуль 5. Процеси масообміну та їх апаратна реалізація

Тема 1. Загальні відомості про масообмінні процеси

У виробничих процесах широко розповсюджені та мають велике значення процеси масопередачі. Сюди належать процеси абсорбції, екстракції, ректифікації, адсорбції, сушіння, кристалізації та газорідинні реакції. Вони характеризуються переходом однієї або кількох речовин з однієї фази в іншу. Цим часто користуються для розділення як гетерогенних, так і гомогенних систем. Частіше процеси масопередачі використовуються для розділення гомогенних систем.

У промисловості застосовують, в основному, такі процеси масопередачі:

• між газом і рідиною;

• між газом і твердою речовиною;

• між твердою речовиною і рідиною;

• між рідинами.

При вивченні цих процесів виникають специфічні труднощі, що ускладнюють створення математичних моделей і роботу з ними. Це:

- наявність двофазного потоку приводить до більш складних, ніж в однофазних процесах, рівнянь матеріального балансу – рівнянь робочих ліній; у випадку протитечії розрахунок матеріального балансу може приводити до розв’язування крайових задач;

- міжфазова рівновага часто описується складними співвідношеннями, теоретичний вигляд яких в багатьох випадках невідомий;

- надійні теоретичні рівняння кінетики масообміну поки що не створені;

- гідродинаміка двофазних потоків, яка в більшості випадків визначає кінетику процесів, є складною і недостатньо вивченою;

- в двофазних потоках дуже складними є процеси поздовжнього перемішування;

- у випадку багатокомпонентного масообміну процес значно ускладнюється, закономірності масообміну багатьох компонентів вивчені ще досить мало;

- конструктивні особливості апаратури різноманітні, при цьому їх вплив на гідродинаміку і, відповідно, на кінетику процесів дуже великий.

Масообмінні процеси досконало вивчаються в курсі процесів і апаратів хімічної технології. Ми розглянемо лише декілька основних питань, в першу чергу, на прикладі абсорбції і ректифікації бінарних сумішей.

Абсорбція – вибіркове поглинання газів або парів рідиною (абсорбентом), яке характеризується переходом речовини з газової або парової фази в рідку.

Зворотний процес – екстракція – вилучення речовини, розчиненої в одній рідині, іншим розчинником, який практично не змішується або частково змішується з першим розчинником, при цьому видалений компонент переходить з першої рідкої фази в іншу.

Ректифікація – розділення рідких сумішей на компоненти шляхом багаторазового обміну між рідкою і газовою фазами, що рухаються протитечією одна відносно іншої. Цей процес включає переходи речовин з рідкої фази в газоподібну і навпаки.

Адсорбція – поглинання компонентів з газу, пари або розчину твердим пористим поглиначем (адсорбентом). Це є процес розділення, який характеризується переходом речовини в тверду фазу з газоподібної або рідкої фази.

Зворотний процес – десорбція проводиться після адсорбції і полягає у виділенні з рідини поглинутого нею газу.

Різновид адсорбції – йонний обмін – процес розділення, який ґрунтується на здатності твердих речовин обмінювати свої рухомі йони на йони речовин, що є в розчині.

Сушіння – видалення вологи з твердих матеріалів шляхом випарювання, при цьому волога переходить з твердої фази в газову.

Кристалізація – виділення твердої фази з розчинів або розплавів, яке характеризується переходом речовини з рідкої фази в тверду.

Масопередача – складний процес, який включає перенесення речовини (маси) в межах однієї фази, перенесення через поверхню поділу фаз і подальше її перенесення в межах іншої фази. Масопередача відбувається звичайно через поверхню поділу фаз. Перенесення речовини в межах однієї фази до її поверхні або в зворотному напрямі називається масовіддачею.

Швидкість масообмінних процесів обмежується молекулярною дифузією, тому процеси масопередачі називають ще дифузійними процесами.

Для дифузійних процесів характерним є те, що кількість речовини, яка переноситься, пропорційна площі поверхні поділу фаз і рушійній силі. Рушійна сила характеризується ступенем відхилення від стану динамічної рівноваги, яка найточніше визначається різницею хімічних потенціалів речовини, що розподіляється. Речовина, що дифундує в межах однієї фази, переміщується від точки з більшою концентрацією до точки з меншою концентрацією, тому в розрахунках рушійну силу процесів масопередачі виражають різницею концентрацій.

Схеми потоків. Існують три основні схеми потоків – протитечія, прямотечія і перехресна течія. Різниця в цих схемах обумовлена тим, вдовж яких осей і в якому напрямку змінюються концентрації речовин в обох фазах.

Характер контакту фаз – це суттєва ознака, за якою масообмінні апарати поділяються на дві великі групи. При безперервному контакті робочі потоки взаємодіють безперервно, без різких змін характеру протікання по висоті. Типовий приклад таких апаратів – насадочні колони. Апарати зі ступінчатим контактом розділені по висоті на ряд послідовних комірок (ступенів). На кожній комірці фази вступають в контакт. Після цього вони розділяються і передаються на сусідні комірки (в більшості випадків – протитечією). Типовими прикладами таких апаратів є тарілчаті колони, змішувально-відстійні екстрактори.