Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ермилов В.В. Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности, 2012.pdf
Скачиваний:
142
Добавлен:
08.03.2016
Размер:
4.21 Mб
Скачать

1.По организации процесса – аппараты непрерывного действия, периодического и полунепрерывного.

2.По гидродинамическому режиму – аппараты вытеснения, аппараты смешения и аппараты промежуточного типа.

3.По состоянию слоя ионита – с неподвижным слоем, с движущимся слоем, пульсирующим, перемешиваемым и циркулирующим.

4.По организации контакта взаимодействующих фаз – с непрерывным контактом и со ступенчатым контактом.

5.По организации взаимного направления движения фаз – прямоточные, противоточные

исо смешанным током.

6.По конструкции – на колонные и емкостные.

7.По способу подвода энергии – без подвода энергии извне (с гравитационным движением твердой фазы) и с подводом энергии извне (принудительное движение твердой фазы).

1.5.6. Мембранные процессы

Частицы растворенного вещества и растворителя находятся в беспорядочном тепловом движении и равномерно распределяются по всему объему раствора. Если поместить в емкость концентрированный раствор какого-либо вещества, а поверх него осторожно налить слой более разбавленного (менее концентрированного) раствора, то через некоторое время молекулы растворителя и растворенного вещества равномерно распределятся по всему объему жидкости. Самопроизвольный процесс перемещения молекул вещества, приводящий к выравниванию концентраций в растворе, называется диффузией. Диффузия, при которой процесс проникновения молекул в результате беспорядочного теплового движения осуществляется в обоих направлениях: из раствора с высокой концентрацией в раствор со слабой концентрацией, и наоборот, из раствора со слабой концентрацией в раствор с высокой концентрацией – называется встречной или двусторонней.

Осмосом называется односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку – мембрану. Осмотическое давление раствора – количественная характеристика осмоса – равно гидростатическому давлению, при котором достигается (наступает) равновесие при односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемая мембрана – это такая мембрана, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество нет. Такие перегородки существуют в природе, а также могут быть получены искусственно.

При измерениях осмотического давления различных растворов было установлено, что величина осмотического давления зависит от концентрации раствора и от его температуры, но не зависит ни от природы растворенного вещества и ни от природы растворителя.

Закон Вант-Гофа показывает для растворов электролитов невысоких концентраций зависимость осмотического давления от концентрации и температуры раствора

P = C·R·T,

(1.25)

где Р – осмотическое давление раствора, кПа; С – объемная мольная концентрация раствора (молярность), моль/л; R = 8,314 Дж/моль – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура раствора, К.

Молярность раствора представляет собой отношение количества растворенного вещества к объему V в литрах

 

C = n / V.

 

или

C = m / (M – V).

(1.26)

 

Подставляя выражение (1.26) в (1.25), получим:

 

 

P.V = m·R·T / M.

(1.27)

71

Это уравнение позволяет по величине осмотического давления раствора определять мольную массу, а значит, и молекулярную массу растворенного вещества, следовательно, и объем выделяемого из раствора вещества.

Если к раствору, отделенному от растворителя полупропорциональной мембраной, приложить внешнее давление (рис. 1.41), равное осмотическому давлению раствора, то осмос прекратится, следовательно, установится осмотическое равновесие.

 

р < Н

 

 

2

 

1

3

1

 

а)

 

р = Н

 

2

 

Н

 

3

1

б)

 

р > Н

2

Н

3

в)

Рис. 1.42. Схемы осмоса: а – прямой осмос; б – осмотическое равновесие;

в – обратный осмос; Н – осмотическое давление; р – рабочее давление; 1 – растворитель; 2 – полупроницаемая мембрана; 3 – раствор

Если же приложенное внешнее давление превысит осмотическое, то диффузия растворителя будет преимущественно происходить из раствора в фазу растворителя, т.е. в направлении, противоположном направлению переноса растворителя при осмосе. Такое явление получило название обратного осмоса. Таким образом, это непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы, или ионы растворенного вещества.

Осмос широко применяется как один из наиболее экономичных способов опреснения воды. Солевой раствор (например, морская вода) отделяют полупроницаемой мембраной от пресной воды и подвергают давлению, более высокому, чем осмотическое давление раствора. В результате часть содержащейся в растворе воды "вытесняется" в пресную воду, а концентрация соли в оставшемся растворе повышается. Концентрированный солевой раствор периодически заменяется свежими порциями морской воды, подлежащей опреснению. Обратный осмос также используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает применяться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод. В процессе ультрафильтрации получают концентрат, содержащий органические вещества, а в процессе обратного осмоса – концентрат неорганических веществ и чистую воду.

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называются процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление.

Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров растворителя. При ультрофильтровании размер отдельных частиц dч на порядок больше. Условные границы применения этих процессов приведены в табл. 1.4.

72