Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы массопереноса в системах с участием твердой фазы. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный университет
промышленных технологий и дизайна»
С. В. Буринский
ПРОЦЕССЫ МАССОПЕРЕНОСА В СИСТЕМАХ С УЧАСТИЕМ
ТВЕРДОЙ ФАЗЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Санкт-Петербург
2017
1
УДК 66.021.3(075.8)
ББК 35.113я73
Б91
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного
университета промышленных технологий и дизайна
И. И. Шамолина;
доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государ-
ственного бюджетного учреждения науки Института высокомолекулярных
соединений Российской академии наук
Ю. Н. Сазанов
Буринский, С. В.
Б91 Процессы массопереноса в системах с участием твердой фазы: учеб.
пособие / С. В. Буринский. – СПб.: ФГБОУВО «СПбГУПТД», 2017. –
91 с.
ISBN 978-5-7937-1466-2
Учебное пособие содержит основные разделы курса и рекомендуемый список основной литературы по специальности основной литературы по специальности «Химическая технология» по дисциплине «Процессы массопереноса в системах с участием твердой фазы».
Предназначено для студентов направления 18.04.01, обучающихся в
Санкт-Петербургском государственном университете промышленных
технологий и дизайна.
УДК 66.021.3(075.8)
ББК 35.113я73
ISBN 978-5-7937-1466-2 © ФГБОУВО «СПбГУПТД», 2017
© С. В. Буринский, 2017
2
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….4
1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МАССОПЕРЕДАЧИ …………………………5
2. ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ ………………………………………..9
3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС МАССООБМЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ…………………………………………………………….11
4. МАССОПЕРЕДАЧА С УЧАСТИЕМ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ……………..21
5. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ МАССООБМЕННЫХ
АППАРАТОВ……………………………………………………………36
6. МАКРОКИНЕТИКА…………………………………………………….40
6.1. Характерные пространственные масштабы и времена………........41
6.2. Квазигомогенное приближение…………………………………….44
6.3. Нелинейные эффекты в макрокинетике……………………………45
6.4. Диффузионная кинетика…………………………………………….47
7. ИОННЫЙ ОБМЕН………………………………………………………49
7.1. Физико-химические свойства ионитов……………………………..55
7.2. Ионообменное равновесие ………………………………………….58
7.3. Селективность ионного обмена …………………………………….59
7.4. Кинетика ионного обмена …………………………………………..62
7.5. Ионный обмен в колонках ………………………………………….64
8. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ
ПОЛИМЕРОВ …………………………………………………………..66
9. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ……………………………………………………..68
9.1. Этапы автоматизации исследований……………………………….69
9.2. Структурное развитие систем автоматизации экспериментов.......73
9.3. Физико-технические проблемы автоматизации научных
исследований…………………………………………………………77
10. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ……………………………………………………78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………..90
Оглавление
3
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие предназначено для обучения магистров по направлению
«Химическая технология» и его содержание соответствует ФГОС 3-го поколения для дисциплины «Процессы массопереноса в системах с участием твердой
фазы». Изложенный в учебном пособии материал позволяет студентам восполнить и систематизировать знания по теории массообменных процессов, знакомит со спецификой массопереноса в системах с участием твердой фазы, а также
с такими процессами, как адсорбция, ионный обмен, кристаллизация, растворение, мембранное разделение, конструкциями соответствующих аппаратов и методами их расчетов
Технологические процессы, скорость протекания которых определяется
скоростью переноса вещества (массы), называются массообменными.
Движущей силой массобменных процессов является разность концентра-
ций. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переходит из жидкой или газовой фазы в твердую.
Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному со-
стоянию и характеру взаимодействия фаз. Переход вещества из одной фазы в
другую в направлении достижения равновесия называется массопередачей. В
основе представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Массоперенос начинается, если концентрация вещества во взаимодействующих фазах
отличается от равновесной.
Достижение равновесия системы подчиняется принципу Ле-Шателье: ре-
акция системы против внешнего воздействия направлена на уменьшение этого
воздействия. При этом скорость перехода распределяемого вещества из одной
фазы в другую пропорциональна разности между его фактической концентрацией в данной фазе и равновесной концентрацией. Это и есть истинная движущая сила этого процесса.
Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, которое гласит:
для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно
числу компонентов К минус число фаз Ф, плюс два:
С = К – Ф + 2. (1)
Число степеней свободы – это число независимых переменных (темпера-
тура, давление и концентрация вещества в фазах). Если однокомпонентная система состоит из двух фаз, находящихся в равновесии, число степеней свободы
в этом случае равно 1. Это значит, что для нее произвольно выбирать можно
только один параметр, с помощью которого эту систему можно будет вывести
из равновесия и начать технологический процесс. Например, для однокомпонентной системы вода – пар от изменения давления изменяются количество воды, обращенной в пар, и температура смеси.
Основной закон массопередачи можно сформулировать, исходя из общих
кинетических закономерностей физико-химических процессов: скорость процесса равна движущей силе, деленной на сопротивление
4
dM/dFdτ = ΔC/R, (2)
где dM – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую, dF – площадь поверхности фазового контакта; dτ – продолжительность процесса; ΔC –
движущая сила массообменного процесса; R – сопротивление массопереносу.
Заменив сопротивление R в уравнении (29) на коэффициент массопереда-
чи kм = 1/R и проинтегрировав его по времени, получим для установившихся
процессов основное уравнение массопередачи
М = kм ΔC F. (3)
1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МАССОПЕРЕДАЧИ
В процессах переноса распределяемого вещества из одной фазы в другую
надлежит различать два случая: 1) перенос из потока жидкости в поток жидкости; 2) перенос из твердого тела в поток жидкости или в обратном направлении.
Элементарными законами, которым подчиняется этот перенос, являются законы молекулярной диффузии, закон массоотдачи и закон массопроводности.
Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика
Молекулярная диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в ре-
зультате хаотического движения молекул, не связанного с движением потока
жидкости. Благодаря этому осуществляется перенос вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, который подчиняется
первому закону Фика: количество диффундирующего вещества пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной к направлению
диффузного потока, через которую осуществляется перенос и времени:
dM = - D (ðC/ðx) dFdτ, (4)
где D – коэффициент диффузии; ðC/ðx – градиент концентрации в направлении
диффузии; dF – площадь поверхности, через которую диффундирует вещество;
dτ – продолжительность диффузии.
Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества перехо-
дит через поверхность в 1 м2 за 1 с при разности концентраций на расстоянии 1
м, равной единице.
Знак минус в уравнении (4) показывает, что перенос вещества осуществ-
ляется навстречу градиенту концентраций. Размерность коэффициента диффузии зависит от размерности концентрации, но в системе СИ она имеет другой
вид [м2/с]. Эти коэффициенты измеряются опытным путем, и для большинства
веществ эти данные приводятся в справочной литературе.
Заметим, что первый закон Фика является аналогом закона теплопровод-
ности Фурье, а явления переноса теплоты и массы во многом схожи. Это обстоятельство и аналогичность в описании других законов тепло- и массопереноса
используются при расчетах массопередачи.
Второй закон Фика – дифференциальное уравнение молекулярной диф-
фузии. Аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности Фурье
дифференциальное уравнение молекулярной диффузии имеет следующий вид
5
ðC/ðτ = D(ð2C/ð2x + ð2C/ð2y + ð2C/ð2z) или ðC/ðτ = D
2
С. (5)
Закон массоотдачи Щукарева
Этот закон является аналогом закона теплоотдачи (закона охлаждения)
твердого тела Ньютона. Он был сформулирован русским ученым А. Н. Щукаревым при изучении кинетики растворения твердых тел: количества вещества,
переносимого из одной фазы в другую, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности фазового контакта и времени:
d2M= β (Cr - Сf) dFdτ, (6)
где Cr и Сf – концентрации вещества у поверхности раздела и в ядре потока
воспринимающей фазы; β – коэффициент массоотдачи, имеющий размерность
м/с.
Коэффициент массоотдачи показывает, какое количества вещества пере-
носится из одной фазы в другую через 1 м2 поверхности фазового контакта за 1
с, если разность концентраций на границе раздела фаз и в ядре потока равна
единице.
Для установившихся процессов и неизменности коэффициента теплоот-
дачи закон Щукарева принимает форму
M= β (Cr - Сf) F (7)
Закон массопроводности
Массопередача в система с твердой фазой представляет особо сложный
процесс. В нем, кроме массопередачи от поверхности раздела фаз в поток жидкости, имеет место и перемещение вещества в твердой фазе – массопроводность. К указанным процессам можно отнести процессы адсорбции, сушки и
выщелачивания (извлечение вещества растворителем из пор твердого тела).
Закон массопроводности заключается в следующем: количество веще-
ства, переместившегося в твердой фазе за счет массопроводности, пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению потока вещества, и времени
dM = - Км (ðC/ðx) dFdτ, (8)
где Км – коэффициент массопроводности или коэффициент «стесненной» диффузии, который можно определить по формуле Кади и Вильямса
Dст = D/[1 + m(r/R)], (9)
где D – коэффициент молекулярной диффузии, r – размер диффундирующих
молекул; R – поперечный размер пор твердого тела; m – числовой коэффициент.
Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей
жидкостями поглотителями, называемыми абсорбентами.
Для большинства случаев этот процесс обратимый, т. е. в определенных
условиях, например, при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой
процесс называется десорбцией.
6
В химических производствах процессы абсорбции занимают значитель-
ное место. Например, при производстве спирта из образующегося в результате
брожения диоксида углерода абсорбцией улавливают пары спирта, а затем
очищенный газ сжижают для использования в других производствах.
Процесс насыщения минеральной воды и других многочисленных напит-
ков диоксидом углерода, называемый сатурацией, является классическим
примером процесса абсорбции.
Закон Генри. Равновесие при абсорбции
Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств
газа и жидкости, температуры и парциального давления поглощаемого газа в
газовой смеси над поверхностью жидкости. В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системе газ-жидкость, используется закон Генри:
при данной температуре концентрация газа в растворе пропорциональна парциальному давлению газа над раствором:
х = р/Е, (10)
где р – парциальное давление газа над раствором, х – концентрация газа в растворе, Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), который
зависит от природы растворяющегося вещества и температуры и не зависит от
давления.
Для идеальных растворов по диаграмме р – х (см. разд. 4) зависимость
равновесных концентраций от давления изображается прямой линией с угловым коэффициентом, равным Е.
При неизменных давлении и концентрации, но с повышением темпера-
туры константа Е увеличивается, что ведет к уменьшению растворимости газа
в жидкости.
Уменьшение общего давления ведет к уменьшению парциального давле-
ния компонентов, что соответствует закону Дальтона: общее давление газовой
смеси равно сумме парциальных давлений, составляющих смесь компонентов:
Р = рА + рВ. (11)
Из закона Дальтона следует, что парциальное давление компонента про-
порционально общему давлению и его концентрации
рА = РуА. (12)
Подставив последнее выражение в закон Генри (10) получим
у
= Е хА/ р или у
А
= n хА, (13)
А
где n – коэффициент распределения или константа фазового равновесия n = Е/р.
Если равновесная система состоит из жидкости и смеси газов, закону
Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.
Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров, или растворенных в
жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процессы абсорбции и адсорбции внешне схожи.
Разница между ними заключается в том, что одном случае вещество поглоща-
7
ется всем объемом жидкости, а в другом – только поверхностью твердого поглотителя – адсорбента.
В химических производствах адсорбция применяется при очистке газо-
воздушных смесей от сероуглерода, водно-спиртовых смесей в ликероводочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других
напитков. Адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в
процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.
Равновесие при адсорбции
Количество вещества, поглощенного сорбентом, зависит от концентрации
поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс. Для изотермических процессов
условие равновесия для адсорбции принимает вид уравнения Френдлиха
xn = C y
1/n
, (14)
где С и n – константы для данных веществ, зависящие от температуры.
Линии равновесия, соответствующие уравнению (14) получили название
изотерм сорбции (см. разд. 4). Их строят по опытным данным, а затем используют для расчетов адсорбентов.
В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к по-
вышению температуры в системе и снижению активности адсорбентов. Поэтому для поддержания скорости процессов в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбентов.
Адсорбенты. Количество поглощаемого вещества зависит от площади
поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества
пор в твердом теле. К наиболее распространенным адсорбентам относятся:
активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его по-
лучают сухой перегонкой дерева с последующей активизацией – прокаливанием при температуре около 900 оС. Суммарная поверхность 1 г активированного
угля 600–1700 м2. Размеры кусков его в зависимости от марки лежат в пределах
от 1 до 5 мм. Недостатком этого адсорбента является его небольшая механическая прочность.
Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой
кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Размер гранул от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400–
770 м2.
Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов пер-
вой и второй групп Периодической системы Д. И. Менделеева. Встречаются в
природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой.
К этой же группе адсорбентов относятся также апоки и клиноптилолит.
В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышленности,
например, для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит,
диатомит, каолин.
8
2. ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ
Массопередача имеет место в процессах абсорбции, перегонки и ректи-
фикации, экстракции, сушки, адсорбции, кристаллизации, ионного обмена и др.
При абсорбции происходит селективное поглощение газов или паров
жидкими поглотителями – абсорбентами, т. е. имеет место переход вещества из
газовой или паровой фазы в жидкую.
При перегонке и ректификации жидкая смесь разделяется на составляю-
щие компоненты. Происходит переход веществ из жидкой фазы в паровую и из
паровой в жидкую.
При экстракции происходит извлечение одного или нескольких веществ
из растворов или твердых веществ с помощью растворителей. При экстракции в
системе жидкость - жидкость имеет место переход вещества из одной жидкой
фазы в другую жидкую фазу.
Процесс извлечения веществ из твердого тела с помощью растворителя
называют выщелачиванием. При выщелачивании вещество переходит из твердой фазы в жидкую.
При адсорбции происходит избирательное поглощение газов, паров или
растворенных в жидкостях веществ твердым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов, паров или растворенных веществ необходимо извлечь тот или иной компонент. При адсорбции вещества переходят из газовой или жидкой фазы в твердую.
Сушка – это удаление влаги из твердых или жидких влажных материалов
путем ее испарения. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого
влажного материала в паровую или газовую фазу.
При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кри-
сталлов. При этом происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую в
результате возникновения и роста кристаллов в растворе.
Массопередача – процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из
одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.
В массообмене участвуют, как минимум, три вещества: распределяющее
вещество (или вещества), составляющее первую фазу; распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазу; распределяемое вещество
(или вещества), которое переходит из одной фазы в другую.
Обозначим первую фазу , вторую – , а распределяемое вещество – М.
Все массообменные процессы обратимы, поэтому распределяемое вещество
может переходить из фазы в фазу , и наоборот, в зависимости от концен-
трации вещества в фазах.
Пусть распределяемое вещество находится первоначально только в фазе
и имеет концентрацию . В фазе в начальный момент распределяемое ве-
щество отсутствует, т. е. концентрация его в этой фазе .
Если распределяющие фазы привести в соприкосновение друг с другом,
начинается переход распределяемого вещества из фазы в фазу и с появле-
9
нием вещества М в фазе начинается обратный переход его из фазы в фазу
. До некоторого момента времени число частиц распределяемого вещества М,
переходящих в единицу времени из фазы в фазу , больше, чем число частиц,
переходящих из фазы в фазу . Однако конечным результатом является переход вещества М из фазы в фазу . По истечении определенного времени
скорости прямого и обратного переходов вещества М в фазах и становятся
одинаковыми. Такое состояние системы называется равновесным. При равновесии устанавливается строго определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в фазах. Такие концентрации называют равновесными.
При равновесии каждой концентрации соответствует равновесная кон-
центрация , и наоборот, каждой концентрации соответствует определенная
равновесная концентрация .
В условиях равновесия существуют определенные в каждом конкретном
случае зависимости между концентрациями:
; . (15)
Эти зависимости определяются экспериментально и называются равно-
весными зависимостями.
Равновесные зависимости изображаются графически кривой или в част-
ном случае прямой линией. На рис. 1 показана зависимость равновесной концентрации у компонента в газовой фазе от его концентрации в жидкой фа-
зе при постоянных давлении и температуре.
Рис. 1. Диаграмма равновесия при p = const и t = const
Отношение концентраций компонента в фазах в условиях равновесия
называется коэффициентом распределения.
Коэффициент распределения геометрически выражает тангенс угла
наклона линии равновесия. В случае кривой линии равновесия коэффициент
распределения является переменной величиной.
Равновесные зависимости позволяют определить не только направление
процесса, но и скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в
другую.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]