Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Казанский Национально-Исследовательский

Технологический Университет

Кафедра ПАХТ

Семинар на тему

Основы массопередачи в системах со свободной

границей раздела фаз

Проверил:доцент Бочкарев В.Г.

Разработал: студентка гр.629131 Габдулкаюмова Л.Ш.

Казань 2012

Содержание:

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ В СИСТЕМАХ СО СВОБОДНОЙ ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ

15.1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

15.2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИФФУЗИЯ

15.3. КОНВЕКЦИЯ И МАССООТДАЧА

15.4.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА МАССЫ

15.5. ПОДОБИЕ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

15.6. ДВИЖУЩАЯ СИЛА МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

15.7. ОСНОВЫ РАСЧЕТА МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

15.7.1. Расчет диаметра аппарата

15.7.2. Расчет высоты аппарата

Использованная литература:

Процессы и аппараты химической технологии:Учебник для вузов.Изд-е 3-е.

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Процессами массообмена называют такие процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах прибли­женно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Массообменные процессы широко используются в промыш­ленности для решения задач разделения жидких и газовых гомо­генных смесей, их концентрирования, а также для защиты окру­жающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов). Например, практически в каждом химическом производстве взаимодействие обрабатываемых веществ осуществ­ляется в реакторе, в котором обычно происходит только частичное превращение этих веществ в продукты реакции. Поэтому выхо­дящую из реактора смесь продуктов реакции и непрореагировав­шего сырья необходимо подвергнуть разделению, для чего эту смесь направляют в массообменную аппаратуру, из которой не­прореагировавшее сырье возвращается в реактор, а продукты реакции направляются на дальнейшую переработку или исполь­зование.

Наибольшее распространение получили рассмотренные ниже массообменные процессы.

1. Абсорбция -избирательное поглощение газов или паров жид­ким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход ве­щества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

Процесс, обратный абсорбции, т.е. выделение растворенного газа из жидкости, называют десорбцией.

2. Перегонка и ректификация-разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, полу­чения сверхчистых жидкостей и для других целей.

3. Экстракция (жидкостная)-извлечение растворенного в од­ной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смеши­вающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс

представляет собой переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентра­ций.

4. Адсорбция-избирательное поглощение газов, паров или раст­воренных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси. Процесс, обратный адсорбции, т. е. выделение сорби­рованного вещества из твердого поглотителя, называют десорбцией.

5. Ионный обмен-избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекае­мого вещества из жидкой фазы в твердую. Процесс применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.

6. Сушка-удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Сушку широко применяют в технике для пред­варительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

7. Растворение и экстрагирование из твердых тел-это процессы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых мате­риалов.

8. Кристаллизация -выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.

9. Мембранные процессы-избирательное извлечение компонен­тов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки-мембраны. Эти процессы представляют собой пере­ход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разде­ляющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жид­ких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

Таким образом, во всех перечисленных выше процессах общим является переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую. Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопе- редачей. В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через стенку, массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембран­ных процессов). При этом граница соприкосновения - т. е. поверх-

ноет ь контакта фаз-может быть подвижной (система газ-жид- коегь, пар-жидкость, жидкость-жидкость) или неподвижной (газ- твердое тело, пар-твердое тело, жидкосуь-твердое тело).

Перенос вещества внутри фазы-из фазы к границе раздела фаз или наоборот-от границы раздела в фазу-называют массоотдачей (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы-тепло­отдачей).

Процессы массопередачи обычно обратимы. Причем направле­ние перехода вещества определяется концетрациями вещества в фазах и условиями равновесия.

Процесс перехода вещества из одной фазы в другую в изолиро­ванной замкнутой системе, состоящей из двух или большего числа фаз, возникает самопроизвольно и протекало до тех пор, пока между фазами при данных условиях температуры и давления не устано­вите подвижное фазовое равновесие. При этом в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул, сколько в первую из второй. Если теперь количество распределяемого вещества увеличить (например, в фазе Ф_у) на и молекул, то распределяемое вещество будет переходить из фазы Ф_у в фазу Ф_х. Причем скорость перехода будет определяться не общим числом молекул (m + n) вещества М, находящегося в фазе Ф_у, а числом молекул, избыточным по отношению к равновесному (m). Так как концентрация пропорциональна числу молекул, то скорость пере­хода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропор­циональна разности между фактической (или рабочей) концентра­цией распределяемого вещества в данной фазе (m+n) и равновес­ной (m). А это означает, что чем больше такая разница, тем больше (при всех прочих равных условиях) перейдет вещества М из одной фазы в другую. Если эта разница отрицательна, то вещество М переходит из фазы Ф_х в фазу Ф_у (т. е. процесс пойдет в обратном направлении).

Таким образом, знание равновесных концентрации распреде­ляемого вещества позволяет определить направление процесса-из какой фазы в какую будет переходить вещество М- ив определен­ной степени-скорость процесса.

Как отмечалось выше, массообменные процессы протекают лишь при нарушении фазового равновесия. Только при этом усло­вии распределяемое вещество переходит из одной фазы в другую. При этом различают два вида переноса вещества-молекулярный и конвективный.

В неподвижной среде распределяемое вещество, переходит из вну-1ренних слоев данной (первой) фазы к поверхности раздела фаз

и, пройдя ее, распределяется по всему объему другой фазы, нахо­дящейся в контакте с первой. Такой переход массы вещества из одной фазы в другую называют, молекулярной диффузией. Она является следствием теплового движения молекул (ионов, атомов), которому оказывают сопротивление силы внутреннего трения.

Конвективный перенос (конвективная диффузия) характеризуется

перемещением (переносом) вещества движущимися частицами по­тока в условиях турбулентного движения фаз. Конвективный пере­нос вещества под действием турбулентных пульсаций иногда на­зывают турбулентной диффузией.

Основным кинетическим уравнением массообменных процессов является уравнение массопередачи, которое основано на общих кинетических закономерностях химико-технологических процессов.

Скорость процесса [в кг/(м² • с)] равна движущей силе Δ, деленной на сопротивление R:

dM/dF=Δ/R

где dМ -количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую в единицу времени; dF - поверхность контакта фаз.

Обозначив 1/R = К, получим

dM=KΔdF

В последнем выражении, называемом основным уравнением массоgередачи, величина К характеризует скорость процесса пере­носа вещества из одной фазы в другую. По аналогии с процессом теплопередачи коэффициент К называют коэффициентом массо передачи.

Найдем размерность коэффициента массопередачи:

K= =

т. е. коэффициент массопередачи К показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице. Размерность движущей силы может быть различной, а от нее зависит и размерность К.

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения поверхности F контакта фаз, а исходя из этой поверхности-раз­меров массообменных аппаратов. В интегральной форме уравнение массопередачи, записанное относительно величины F, примет сле­дующий вид:

F=M/(KΔ)

Обычно величина К является функцией многих переменных, и единого уравнения для определения значения К нет.

При анализе массообменных процессов будем исходить из усло­вия состояния границы контакта фаз, что существенно различает механизмы процессов переноса массы. По этому принципу массо­обменные процессы подразделяют на массопередачу в системах со свободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость), массопередачу в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ-твердое тело, пар-твер- дое тело, жидкость-твердое тело) и массопередачу через полупро­ницаемые перегородки (мембраны).

Глава 15

ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ В СИСТЕМАХ СО СВОБОДНОЙ ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ

К процессам, для которых характерна свободная граница раздела раз, относятся такие широко распространенные в технике про­цессы, как абсорбция, десорбция, перегонка и ректификация, жид­костная экстракция. В этих процессах граница контакта фаз обычно подвижна, величина поверхности контакта фаз зависит от гидро­динамической обстановки, что существенно отличает механизм переноса масс в системах со свободной границей раздела фаз от механизма переноса для систем с твердой фазой.

Массообменные процессы со свободной границей раздела фаз по принципу участия фаз в массопереносе подразделяют на две группы. К одной группе относят процессы, в которых участвуют как минимум 3 вещества: 1) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 1-ю фазу Ф_у (например, при поглощении аммиака водой из аммиачно-воздушной смеси воздух не участвует непо­средственно в массообмене); 2) распределяющее вещество (или вещества), составляющие 2-ю фазу Ф_х (вода в данном примере); 3) распределяемое вещество М, которое переходит из одной фазы в другую (процессы абсорбции, десорбции, экстракции).

Другая группа процессов (перегонка и ректификация)-это про­цессы, в которых вещества, составляющие фазы, участвуют в массообменных процессах и не могут рассматриваться как носители распределяемого вещества.

Как отмечалось выше, направление процесса, его движущая сила зависят от соотношения рабочих и равновесных концентраций. Построения линий равновесных и рабочих концентраций рассмот­рены в гл. 2 и 3. В каждой из последующих глав, посвященных тому или иному конкретному процессу массопереноса (абсорбция, пере­гонка и др.), будет рассмотрены условия равновесия системы и материальные балансы этих процессов, на основе которых полу­чают уравнения линий рабочих концентраций.

Поскольку концентрации участвующих в массообменных про­цессах фаз могут иметь различную размерность (кг/кг, кмоль/м³ и т. п.), то целесообразно рассмотреть способы выражения состава этих фаз. Обычно состав фаз выражают в массовых или молярных долях, относительных или объемных концентрациях.

Массовые или молярные доли. Состав фазы выражается отно­шением массы данного компонента к массе всей фазы. Например, для двухкомпонентной системы, состоящей из компонентов А и В, молярный состав смеси по компоненту А(х_л) при известной мас­совой концентрации (в долях) будет выражаться как

(15.1)

а массовый состав смеси по этому компоненту

(15.2)

где М_А и М_в—молярные массы компонентов А и В соответственно

Для многокомпонентной смеси для любого i-го компонента

(15.2a)

где n-число компонентов в смеси.

Относительная концентрация, массовые и молярные доли. Если через X и У выразить относительные массовые концентрации распределяемого компонента в фазах Ф_х и Ф_у (в кг компонента на 1 кг носителя), то при известных массовых концентрациях х и у этого компонента в фазах значения X и У определяют следующим образом:

Х = х/(1-х), У=у/(1-у), (15.3)

а значения х и у при заданных X и У-

х = Х/(1 + Х), у = Y/(1 + У). (15.3а)

Для многокомпонентных смесей массовые концентрации х и у определяют по уравнениям

(15.4)

Выражение состава фаз в относительных массовых и молярных концентрациях удобно тем, что содержание распределяемого ком­понента относится и к количеству носителя, которое не изменяется в ходе процесса. При малых концентрациях распределяемого ве­щества относительные молярные концентрации и молярные доли практически совпадают друг с другом.

Если концентрации распределяемого вещества заданы в моляр­ных долях, то его относительные массовые концентрации опреде­ляют с помощью следующих выражений:

(15.5)

где М_h .молярная масса распределяемого компонента.

Объемные концентрации и массовые доли. Выражение объемного состава фаз (с_А, с_в,... ) в кг/м³ связано с массовыми долями этих компонентов в смеси следующим образом:

x= с,/р, (15.6)

где р плотность смеси (т. е. сумма всех компонентов смеси в 1 м³ ее объема), кг/м³.