Глава 6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССАХ

6.1.1. Виды массообменных процессов

Диффузионными (массообменными) называются процессы, которые сопровождаются переносом массы веществ за счет диффузии. Различают два основных вида процессов массообмена: массообмен между жидкостью и газом (паром) или между двумя несмешивающимися жидкостями, а также массообмен между твердым телом и жидкостью, газом или паром. К массообменным, в частности, относятся процессы перегонки и ректификации жидкостей, газофракционирования сжиженных газов, сорбционные процессы, процессы сушки веществ и материалов. Для проведения этих процессов используются различные по устройству и принципу действия ректификационные колонны, абсорберы и адсорберы, сушилки.

Общими признаками диффузионных процессов являются:

-участие в процессе, по крайней мере, двух фаз (жидкости и пара, жидкости и газа, твердого тела и жидкости и т.п.);

-перенос вещества из одной фазы в другую через границу раздела фаз за счет разности концентраций;

-обратимость переноса вещества из одной фазы в другую. Диффузионный процесс, иначе называемый массообменом или массо-

передачей, в изолированной замкнутой системе возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между обеими фазами при данных условиях температуры и давления не установится подвижное фазовое равновесие. Фазовое равновесие характеризуется равенством скоростей перехода вещества из одной фазы в другую. В этом состоянии системы явного перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую не наблюдается. В состоянии равновесия существует определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в обеих фазах: любой концентрации х этого вещества в фазе Фх соответствует концентрация его ур в фазе

Фу, т.е.

Равновесие между фазами представлено графически на рис. 6.1.

175

В случае массообмена между жидкостью и газом или между двумя несмешивающимися жидкостями процесс переноса вещества из одной фазы в другую до установления равновесия можно представить схемой, приведенной на рис. 6.2. В фазе Фу концентрация распределяемого вещества у

выше равновесной ур , поэтому вещество переходит в фазу Фх. Распреде-

ляемое вещество в фазе Фу переносится к поверхности раздела фаз, а в фазу Фх оно переносится от этой поверхности. Перенос вещества в обеих фазах осуществляется путем молекулярной диффузии (т.е. диффузии молекул через слой носителя) и путем конвективной диффузии (т.е. движущимся носителем с распределяемым веществом).

В каждой фазе различают две области: ядро (основную массу носителя с распределяемым веществом) и пограничный слой (п. сл.). В ядре фазы перенос вещества осуществляется преимущественно путем конвективной диффузии, т.к. в нем обычно происходит интенсивное перемешивание. Перенос вещества в пограничном слое осуществляется путем конвективной и молекулярной диффузии, причем по мере приближения к поверхности раздела фаз преобладает молекулярная диффузия. В пограничном слое происходит резкое изменение концентрации распределяемого вещества.

При молекулярной диффузии, согласно закону Фика, количество диффундирующего через слой носителя вещества М, кг, пропорционально поверхности слоя F, изменению концентрации по толщине слоя сл, времени τ и обратно пропорционально толщине слоя δ, т.е.

176

где D – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии, размерность которого выражается в м2/с.

Коэффициент диффузии представляет собой количество вещества, переходящее в единицу времени через единицу поверхности при единице падения концентрации данного вещества на единицу длины по направлению диффузии. Коэффициент диффузии зависит от свойств диффундирующего (распределяемого) компонента и среды (носителя), в которой происходит диффузия, а также от температуры и давления. Коэффициенты диффузии в жидкостях значительно меньше, чем в газах.

При конвективной диффузии количество переносимого вещества (от фазы Фу к поверхности раздела фаз или от нее к фазе Фх ) пропорционально поверхности F, разности концентраций сл распределяемого вещества в

фазе и у поверхности раздела, времени τ, т.е.

где β – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом массоотдачи и имеющий размерность в м/с.

При массообмене с участием твердой фазы необходимо учитывать, что в твердой фазе конвекция отсутствует, а перенос вещества характеризуется уравнением массопроводности, аналогичным уравнению молекулярной диффузии:

где α – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность коэффициента диффузии (м2/с) и называемый коэффициентом массопроводности.

В пределах твердой фазы вещество перемещается вследствие массопроводности к поверхности раздела фаз, а в пределах омывающей ее жидкой, газовой или паровой фазы – путем молекулярной и конвективной диффузии.

Скорость перехода вещества из фазы в фазу пропорциональна степени отклонения от равновесия, которую можно выразить как разность концентраций y или х: рабочей концентрации вещества в одной из фаз и равновесной концентрации в ней данного вещества. Эта разность концентраций является движущей силой процесса массопередачи.

Для фазы Фу

177

где ур , хр – равновесные концентрации распределяемого вещества в соответствующих фазах Фу и Фх ; у, х – фактические (рабочие) концентра-

ции распределяемого вещества в тех же фазах.

Если фактическая (рабочая) концентрация в данной фазе выше равновесной концентрации, то вещество будет переходить из этой фазы в другую, а движущая сила будет равна разности фактической и равновесной концентрации. И наоборот. Т.е. массообменные процессы в этом смысле являются обратимыми.

6.1.2. Способы выражения состава фаз двухкомпонентных систем

Состав фаз выражают обычно в объемных долях φ (или в объемных процентах) и в массовых долях С (или в массовых процентах).

Перечет из объемных долей в массовые (или обратный пересчет) для двухкомпонентных систем, состоящих из компонентов а и b, производят по следующим формулам:

где φa и φb – объемные концентрации соответственно компонентов а и b,

об. доли; Va – объем компонента a в системе, м3; V – общий объем системы, м3;

где Сa и Сb – массовые концентрации соответственно компонентов а и b, масс. доли; ma – масса компонента а, кг; m – общая масса системы, кг.

При выражении составов фаз в молярных долях принято обозначать концентрацию в газовой (паровой) фазе буквой у, а в жидкой и твердой фазах – х.

Состав системы в молярных долях в жидкой (твердой) фазе:

178