92. Материальный баланс и тепловые балансы процессов изотермической и изогидравлической кристаллизации.

Материальный баланс кристаллизации

Кристаллизация с удалением части растворителя. Обозначим:

G_p, G_кр, G_м — количества исходного раствора, полученных кристаллов и маточного раствора, кг;

b_p, b_м — концентрации исходного и маточного растворов, вес. доли;

а = М/М_кр — отношение молекулярных весов абсолютно сухого растворенного вещества и кристаллосольвата (для водного раствора кристаллогидрата); при кристаллизации без присоединения молекул растворителя М = М_кр и а = 1;

W — количество удаленного растворителя, кг.

Тогда общий баланс будет:

G_р = G_кр + G_м + W

Баланс по абсолютно сухому растворенному веществу:

G_р b_р = G_кр*a + Gм bм

Весовое количество полученных кристаллов определяется совместным решением уравнений.

G_кр=

При испарении растворителя в газ (воздух) расход газа (в кг) определяется из уравнения

где L — расход сухого газа (воздуха), кг; х1 х2 — начальное и конечное влагосодержание газа (воздуха).

Тепловой баланс непрерывной кристаллизации

При растворении твердого кристаллического вещества происходит поглощение тепла q_кp для разрушения кристаллической решетки (теплота плавления) и выделение тепла при химическом взаимодействии вещества с растворителем q_p (образование гидратов). В зависимости от величин q_кp и q_p тепловой эффект кристаллизации будет положительным или отрицательным.

Помимо принятых в материальном балансе введем следующие обозначения: i_р, i_кр, i_м — энтальпия раствора, кристаллов и маточного раствора, кдж/кг; i_т1, i_т2 — начальная и конечная энтальпия теплоносителя, кдж/кг; i₀₁, i_o2 — начальная и конечная энтальпия охлаждающей среды, кдж/кг; I — энтальпия парообразного растворителя, кдж/кг; r — теплота образования кристаллической решетки (теплота затвердевания), кдж/кг кристаллов; Δq— тепловой эффект концентрирования раствора при изменении его концентрации от b_р до b_м кдж; G_T, G₀ — количество теплоносителя или охлаждающей среды, кг/сек.

В общем случае будем иметь:

Приход тепла:

С раствором G_р*i_р = Q₁

Теплота кристаллизации G_кр*r = Q₂

Теплота дегидратации ±ΔqG_м b_м = Q3

Получено от теплоносителя G_т (i_т1 – i_т2 ) =Q4

Расход тепла:

С кристаллами G_кр i_кр = Q₅

маточным раствором G_м i_м = Q₆

С парами растворителя WI = Q₇

охлаждающим агентом Go(i02- i01) = Q₈

Потери в окружающую среду Q9

Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q6 + Q7 ± Q9

Энтальпии i_р, i_кр, i_м рассчитывают (в кдж/кг) по уравнению общего вида

i = с (t2 — t1)

93. Экстрагирование. Назначение, движущая сила и физическая сущность процесса. Статика и кинетика процесса экстрагирование. Определение средней движущей силы процесса, расчет удельного расхода поглотителя.

Экстракцией в широком смысле называют процессы извлече­ния одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодейст­вии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые ком­поненты и значительно слабее или практически вовсе не растворяются остальные компоненты исходной смеси.

В химической технологии экстракция из растворов экстрагентами более распространена, чем экстракция из твердых тел. Экстракция из твердых веществ или квазитвердых материалов (например, из тканей растительного сырья) применяется главным образом в лесохимической, пищевой и фармацевтической промышленности. В химической технологии используют в основном экстракцию из твердых пористых веществ водой или водными растворами кислот и щелочей (процессы выщелачивания)

В зависимости от вида контакта между жидкими фазами экстракторы, как и другие массообменные аппараты, бывают: 1) ступенчатые, где изменение состава фаз происходит скачкообразно, от ступени к ступени, из которых состоит аппарат; 2) дифференциально-контактные, в которых изменение состава фаз приближается к непрерывному.

Кинетика процесса экстракции (кинетические закономерности) определяются основными законами массопередачи. В процессе происходит взаимодействие капель дисперсной фазы и дисперсионной среды. При этом основными стадиями этого процесса являются: переход распределяемого вещества из среды к поверхности капли, а затем внутрь нее или, наоборот, из капли через поверхность раздела фаз в ядро потока среды.

В этом случае коэффициент массопередачи Кх может быть принят равным коэффициенту массоотдачи среды βс, т. е. Кх ≈ βс, а количество переданного вещества определяется из соотношения

М = βс*Δх_ср*F

Коэффициент массоотдачи для этого случая рассчитывается по критериальному уравнению

Nu_диф.с = βс*d/D_диф.с = f*(Peдиф.с),

где Nu_диф.с – диффузионный критерий Нуссельта для среды; Dдиф.с – коэффициент диффузии распределяемого вещества в среде; d — диаметр капли; Peдиф.с = wd/D_диф.с - диффузионное число Пекле для среды; w —относительная скорость движения капли исреды.

2. Диффузионное сопротивление сосредоточено в дисперсной фазе (капля).

Коэффициент массопередачи Ку может быть принят равным коэффициенту массоотдачи дисперсной фазы βдисп, т. е. Ку≈ βдисп, а количество переданного вещества определяется из соотношения

М = β_дисп*Δу_ср* F

Коэффициент массоотдачи для этого случая определяется из уравнения

Nuдиф.д = βс*d/Dдиф.д = f*(Peдиф.д),

где Nuдиф.д – диффузионный критерий Нуссельта для дисперсной фазы; Dдиф.д – коэффициент диффузии распределяемого вещества в капле; Peдиф.д = wd/Dдиф.д – диффузионное число Пекле для капли.

Диффузионные сопротивления в среде и капле соизмеримы.

В этом случае количество переданного вещества определяется в соответствии с основным уравнением массопередачи, а ко­эффициенты массопередачи рассчитываются по выражениям.

Движущей силой процессов экстракции жидкостью из твердых материалов является разность между концентрацией растворяющегося вещества у поверхности твердого тела с р и его средней концентрацией Сд в основной массе раствора.

При критерии Bi=1

Где