Раздел 3. Массообменные процессы и аппараты

1. Вопросы с выводом

1. Составьте уравнения материальных балансов при десорбции газа из жидкости. Получите линейное уравнение рабочей линии для противоточного движения фаз, указав соответствующие допущения. С какой целью получают это уравнение?

Процесс десорбции инертным газом аналогичен изотермической абсорбции, причем линии равновесия для процессов совпадают. Для построения рабочей линии десорбции составим материальный баланс процесса. В этом случае заданными являются расход поглотителя , его начальная и конечная концентрации, начальная концентрация десорбирующего агента. Расходы поглотителя и десорбирующего агента не меняются. Тогда уравнение материального баланса десорбции примет следующий вид:

Тогда линейное уравнение рабочей линии для противоточного движения фаз:

Уравнение получают для расчета процесса десорбции абсорбтива из абсорбента в целях получения его в чистом виде, а также повторного использования абсорбента.

2. Что фактически является и что принято считать движущей процесса массопередачи? Выведите уравнение для расчёта средней движущей силы при заданных начальных и конечных концентрациях компонента в фазах, указав соответствующие допущения.

Массопередача – массообмен через поверхность раздела или проницаемую стенку между двумя веществами или фазами.

Движущая сила массопередачи – отклонение от равновесной концентрации.

Примем допущения:

1. Массовые расходы жидкой и газовой фазы постоянны.

2. Коэффициенты массопередачи постоянны.

3. Фазы движутся по МИС.

4. Компонент переходит из газовой фазы в жидкую.

Рисунок 2.1 – Профили концентраций вдоль поверхности массопередачи при противотоке

Проинтегрируем:

Из уравнений (2.1) и (2.2):

Следовательно средняя движущая сила:

Относительно жидкой фазы:

3. Что называют «единицей переноса массы»? Приведите аналитическое решение выражения для расчёта числа единиц переноса при условии линейности рабочей и равновесной линий.

Число единиц переноса – изменение рабочей концентрации, приходящееся на единицу движущей силы. Для процесса абсорбции общее число единиц переноса, выраженное через относительные концентрации, может быть найдено через известную движущую силу:

4. Выведите уравнения аддитивности фазовых сопротивлений, указав соответствующие допущения. Как с помощью этого уравнения определить лимитирующую стадию массопереноса?

Рассмотрим массообмен при следующих допущениях:

1. Масса вещества переходит из газовой фазы в жидкую через элементную площадку , то есть , .

2. Граница фаз не обладает диффузионным сопротивлением, то есть на границе раздела фаз устанавливается равновесие .

3. Процесс массопередачи установившийся.

4. Коэффициенты диффузии и коэффициенты массоотдачи не изменяется вдоль поверхности массоотдачи.

5. Зависимость между равновесными концентрациями линейна , где – коэффициент распределения (тангенс угла наклона касательной к равновесной линии), рабочая линия описывается уравнением (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – К выводу уравнения аддитивности фазовых сопротивлений.

а – x-y диаграмма; б – схема процесса.

Введем уравнение аддитивности фазовых сопротивлений относительно газовой фазы. При установившемся процессе для поверхности контакта уравнение массопередачи в газовой фазе:

В жидкой фазе:

Здесь и , следовательно:

Перепишем относительно сопротивлений в каждой из фаз:

Суммарно относительно величины :

Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений относительно газовой фазы:

следовательно:

Введем уравнение аддитивности фазовых сопротивлений относительно жидкой фазы.

Перепишем относительно сопротивлений в каждой из фаз:

Суммарно относительно величины :

Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений относительно жидкой фазы:

В хорошо растворимых газах все сопротивление сосредоточено в газовой фазе

, следовательно процесс переноса определяется скоростью диффузии вещества в газовой фазе (лимитируется газовой фазой). Для увеличения скорости следует турбулизировать поток газа.

В плохо растворимых газах все сопротивление сосредоточено в жидкой фазе

, следовательно процесс переноса определяется растворимостью газа в жидкости (лимитируется жидкой фазой). Для увеличения скорости следует турбулизировать поток жидкости или иными способами увеличивать растворимость газа в жидкости.