22. Массообменные процессы в химической технологии

Массообменными (диффузионными) называются процессы, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Массообменные процессы можно объединить в 2 группы:

1. Процессы, протекающие без твердой фазы:

- абсорбция, - селективное поглощение газов или паров жидкими поглотителями –абсорбентами.ГАЗ  ЖИДКОСТЬ

- жидкостная экстракция, - извлечение одного или нескольких веществ из растворов или твердых веществ с помощью растворителей -экстрагентов.ЖИДКОСТЬ  ЖИДКОСТЬ

-перегонка жидкостей (дистилляция и ректификация). - разделение жидких взаиморастворимых смесей на составляющие компоненты, основанное на разной температуре кипения компонентов.ЖИДКОСТЬ  ПАР  ЖИДКОСТЬ

2. Процессы, протекающие в системах с твердой фазой:

-адсорбция, - избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкостях веществ твердым пористым поглотителем -адсорбентом, способным поглощать один или несколько компонентов из их смеси.ЖИДКОСТЬ, ГАЗ  ТВЕРДОЕ

-экстракция из твердых тел (выщелачивание), ТВЕРДОЕ  ЖИДКОСТЬ

-сушка,–удаление влаги из твердых материалов путем ее испарения за счет подвода тепла

ТВЕРДОЕ  ГАЗ

-ионный обмен– процесс обмена ионами между жидкой и твердой фазами ЖИДКОСТЬ, ГАЗ  ТВЕРДОЕ

При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кристалловЖИДКОСТЬ  ТВЕРДОЕ

Мембранные процессы- избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование при помощи полупроницаемых перегородок.ЖИДКОСТЬ, ГАЗ  ЖИДКОСТЬ, ГАЗ

Процесс перехода вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей. В отличие от теплопередачи, МП обычно происходит непосредственно через границу раздела фаз. Перенос вещества в пределах одной фазы - из фазы к границе (или от границы в фазу) - называютмассоотдачей.

Основное уравнение массопередачи

Массопередача, так же как и теплопередача, представляет собой сложный процесс, включающий в себя:

перенос массы (вещества) в пределах одной фазы,
перенос через поверхность раздела
dM/(dS·dτ) = Δc/R = kΔc
перенос в пределах другой фазы

Основное уравнение массопередачи:

M– количество вещества, перешедшее из одной фазы в другую (кг),S– площадь поверхности фазового контакта(м2),R– сопротивление массообмену,k - коэффициент массопередачи

Для расчета массообменного аппаратанеобходимо знать: количество передаваемого в процессе вещества, движущую силу диффузионного процесса, коэффициенты массопередачи

Механизм массообмена. В массобмене участвуют, как минимум, три вещества:

1)распределяющее вещество (или вещества), составляющее первую фазуG;

2)распределяющее вещество (или вещества), составляющее вторую фазуL;

3)распределяемое вещество (или вещества), которое переходит из одной фазы в другуюM

yp = f (x)

В состоянии равновесия устанавливается определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в обеих фазах: любой концентрацииx этого вещества в фазе L соответствует равновесная концентрация егоyp в фазе G, т.е.

Разность между фактической и равновесной концентрациями является движущей силой массообменных процессов:

а) движущая сила массообмена через концентрации распределяемого компонента в фазе G: Δy = y − y_p ;

б) движущая сила массообмена через концентрации распределяемого компонента в фазе L: Δx = x_p − x .

Перенос вещества внутри фазы может происходить путем молекулярной и конвективной диффузии

Молекулярная диффузия – перенос вещества, обусловленный беспорядочным (броуновским) движением молекул

dM = -D(grad c)dSdτ

Основным законом молекулярной диффузии является закон Фúка: масса диффундирующего вещества dM пропорциональна градиенту концентрации dc/dn, площади поверхности диффузии dS и времени dτ:

D – коэффициент молекулярной диффузии, м2/с -показывает, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу площади поверхности при градиенте концентрации, равном единице. Он характеризует способность конкретного вещества проникать в неподвижную среду, не зависит от гидродинамических условий среды

Конвективная диффузияхарактеризуется переносом вещества за счет перемещения потоков

При конвективной диффузии перенос вещества осуществляется со скоростью во много раз превышающей скорость молекулярной диффузии. Закон конвективной диффузии (закон Щукарёва А.Н.) позволяет определить количество вещества, переносимого в одной фазе к границе или от границы раздела фаз.

для фазы G: для фазы L: