78. Материальный баланс массообменного аппарата

Взаимодействие фаз в массообменных аппаратах может осуществляться по 3 основных схемах: противоток, прямоток и перекрестный ток (рис. 3.2). От схемы движения потоков зависят границы изменения концентраций в аппарате. Рассмотрим противоточный контакт фаз (рис. 3.2, а). Пусть расход одной фазы (например, газа или пара) составляет G, а второй (например, жидкости) L. Обозначим концентрации компонента в фазе G через , а в фазе L через . Изменение концентраций в аппарате в результате массообмена будет от до в фазе G и от до в фазе L (индексы н и к соответствуют начальной и конечной концентрации).

Мат. баланс по распределенному в-ву: (3.7) это значит, что кол-во в-ва М, которое перешло из одной фазы в другую, равно (3.8). Ур-ие мат. баланса для произвольного сечения аппарата , откуда (3.9), где . Ур-ие (3.9) – ур-ие рабочей линии, которая представляет собой зависимость между рабочими концентрациями (неравновесными) компонента в произвольном сечении аппарата. В координатах , (L=const; G=const) рабочая линия выглядит как прямая линия с тангенсам угла наклона .

79. Рабочая линия массообменного аппарата

Для противотока: (3.9), где . Ур-ие (3.9) – ур-ие рабочей линии, которая представляет собой зависимость между рабочими концентрациями (неравновесными) компонента в произвольном сечении аппарата. В координатах , (L=const; G=const) рабочая линия выглядит как прямая линия с тангенсам угла наклона .

Рабочие концентрации распределяемого компонента при взаимодействии в аппаратах, как правило, не достигают равновесных значимостей и могут размещаться выше или ниже за равновесную линию в зависимости от направления переноса компонента с фазы G в фазу L (рис. 3.3, а) или напротив (рис. 3.3, б). Рабочая линия ограничена концентрациями, которые соответствуют пунктам A и B

(рис. 3.3). При использовании мольных или массовых концентраций (например, y, x) и изменения по высоте аппарата расхода фаз G от GН до GK (G = const) i L от Lн к LK (L = const) уравнение рабочей линии имеет вид (3.10) и не является прямой линией ( ).

Для характеристики потоков и концентраций в общем объеме аппарата для элементарной высоты dH уравнение материального баланса запишется как , откуда .

После интегрирования в пределах от начальных до конечных концентраций получим уравнение при постоянных расходах фаз или уравнение (3.9) для части аппарата.

Для прямотока: прямоточный контакт фаз (рис. 3.2, б) характеризуется однонаправленным движением взаимодействующих фаз. Уравнение рабочей линии получается таким же путем, как и для противотока, но тангенс угла наклона линии отрицательный (3.12)

Для перекрестного тока: Перекрестный контакт фаз приведенный на рис. 3.2, в. Общий (для всего аппарата) материальный баланс записывается уравнением или .

При анализе вышеприведенных режимов взаимодействия фаз надо отметить, что наиболее эффективным является противоточный режим, при котором может быть достигнуто достаточно большая разность концентраций в фазах. Перекрестный ток является промежуточным между противотоком и прямотоком. Последний обычно создают в границах отдельного контактного устройства, тогда как в целом по аппарату реализуется противоток.

80. Хар-ка механизмов переноса в-ва (молекулярная диффузия и конвекция)

Схема переноса вещества из фазы G в фазу L приведена на рис. 3.4. Перенос вещества, как выше было отмечено, происходит из ядра потока одной фазы к поверхности разделу фаз, через поверхность разделу и дальше в ядро второй фазы. Перенос вещества к поверхности раздела и от нее осуществляется путем молекулярной и турбулентной диффузии. Считается, что в ядре поток в-ва переносится в основном в турбулентных пульсациях и концентрация почти ни меняется. Чем ближе к поверхности раздела, тем < турбулентность и больший вклад начинает оказывать молекулярная диффузия. На граничном слое наблюдается резкое изменение концентраций до самой границы раздела. Толщина граничных слоев зависит от гидродинамических режимов. Т. к. перенос вещества в граничном слое замедляется, то считают, что основное сопротивление переноса из фазы в фазу сконцентрировано в граничном слое. Поэтому, чтобы повысить интенсивность процесса, следует турбулизировать потоки.

Молекулярная диффузия описывается 1-ым з-ном Фика: при неподвижной среде или в ламинарных пограничных слоях, где отсутствует турбулентная диффузия (конвективный перенос), является тепловое движение молекул, т. е.. молекулярная

диффузия. Движущей силой является градиент концентрации. . Количество вещества dM, которое диффундирует через поверхность dF, нормальную по направлению движения, за время dτ, пропорциональную градиенту концентрации. Для конечных размеров и времени 1-ый з-н Фика: , где D - коэффициент молекулярной диффузии (коэффициент диффузии), м²/с. Физ. смысл D ( ) : Коэффициент диффузии показывает какое кол-во в-ва диффундируется в ед. времени через ед. поверхности при изменении концентрации, равной 1 и через толщину слоя, равного 1. Коэффициент диффузии представляет собой физическую постоянную, которая хар-ет способностью данного в-ва проникать в неподвижную среду. D зависит от температуры, давления, св-в среды, в которой он диффундирует, а для р-ров - и от концентрации. Знак минус показывает, что диффузия идет в направления от большей концентрации к меньшей.

Удельный поток в-ва, который переносится молекулярной диффузией, обозначим q_M: .

Молекулярная диффузия является редким процессом. Чаще всего она сопровождается конвективной диффузией – переносом массы в движущей среде. При турбулентной диффузии кол-во в-ва, кот переносится в пределах одной фазы по аналогии с 1-м з-ном Фика: , где - коэффициент турбулентной диффузии, м²/с.

не является физ. величиной, а зависит от гидродинамических условий.