2 сем / Основные термины и понятия массобмена

Основные термины и понятия

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.

Аддитивность фазовых сопротивлений :

R = 1/К _у = (1/b_у ) + (m /b_х ),

где К _у – коэффициент массопередачи по газовой фазе;

b_у , b_х – коэффициенты массоотдачи;

m – константа фазового равновесия.

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 вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.

Высота единицы переноса (ВЕП) – величина, которая по смыслу выражает высоту массообменного аппарата, эквивалентную одной единице переноса.

Движущая сила процессов массопереноса – в обшем случае разность химических потенциалов распределяемого компонента в фазах. В частных случаях – разность между рабочими и равновесными концентрациями: Dу = у – у* или Dх = х* – х .

Десорбция – процесс, обратный абсорбции или адсорбции, то есть выделение растворенного газа из жидкости или выделение сорбированного вещества из твердого поглотителя.

Диффузионное сопротивление – величина, обратная коэффициенту массопередачи: R = 1/ К _х,у .

Диффузионный пограничный слой – область потока у границы раздела фаз, где молекулярный перенос вещества становится преобладающим; толщина d_д меньше толщины вязкого пограничного слоя d_г , причем

d_д = d_г ( D /n) ^1/ m ,

где m – показатель степени, отражающий закон затухания турбулен-тного переноса вблизи границы раздела фаз (m = 3: жидкость–твердое тело; m = 2: газ–жидкость, жидкость–жидкость);

D – коэффициент молекулярной диффузии.

Для газов: d_Г ≈d_T ≈ d_D ; для жидкостей d_D << d_T <<d_Г .

Диффузия – движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения.

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

Кинетическая кривая – основа графического метода определения числа реальных ступеней, геометрическое место точек рабочих концентраций в фазах на выходе с тарелки (со ступени).

Концентрация вещества – отношение количества какого-либо компонента смеси (молярная концентрация, моль/м³ ) или его массы (массовая концентрация, кг/м³ ) к объему смеси. На практике часто используют безразмерную величину – массовую, молярную или объемную долю, равную отношению массы, количества или объема какого-либо компонента смеси соответственно к массе, количеству или объему смеси.

Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества переходит от единицы поверхности раздела фаз в ядро потока или наоборот, в единицу времени при движущей силе, равной единице.

Коэффициент массопередачи показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице; характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую.

Коэффициент молекулярной диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице.

Коэффициент полезного действия колонны h равен отношению числа теоретических ступеней к числу необходимых рабочих (действительных) ступеней n _д (h зависит от скоростей фаз, физических свойств, структуры потоков и других факторов): h = n _т / n _д .

Коэффициент распределения (константа фазового равновесия) – отношение концентраций распределяемого компонента в фазах при равновесии: m = y */ x . Для идеальных и разбавленных растворов линия равновесия близка к прямой, и m является практически величиной постоянной, равной тангенсу угла наклона линии равновесия.

КПД Мерфри (эффективность ступени или тарелки) – отношение изменения концентрации данной фазы на ступени к движущей силе на входе той же фазы в ступень и обозначают Е _у и Е _х . Для n -й ступени для фазы Ф _у для случая перехода вещества из Ф _х в Ф _у :

для фазы Ф _у : Е _у = (у _n – у _n -1 )/(y * (x _n ) – у _n -1 ),

для фазы Ф _х : Е _х = (х _n +1 – х _n )/( х _n +1 – х* (у _n ).

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.

Критерий Шервуда (диффузионный критерий Нуссельта) – безразмерный комплекс, который характеризует отношение скорости переноса вещества (конвективного и молекулярного – b) к молекулярному переносу (D ). (Sh является аналогом теплового критерия  Нуссельта, а также является определяемым критерием, поскольку в него входит величина b): Sh = bl /D , где l – определяющий геометрический размер.

Лимитирующая стадия при массопередаче – стадия, которая определяет общую скорость процесса. Если коэффициент b_х велик, то 1/b_у>> m / b_х и K _y » b_у, то есть лимитирующей стадией процесса является диффузионное сопротивление в фазе Ф _у . Если велики значения b_у и m, то 1/b_х >> 1/( m b_у ) и K _х » b_х , то есть лимитирующей стадией в данном случае является диффузионное сопротивление в фазе Ф _х .

Массоотдача – перенос вещества внутри фазы: из фазы к границе раздела фаз или, наоборот, – от границы раздела в фазу (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы – теплоотдачей).

Массопередача – процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через стенку, массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов).

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. Применяется для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

Минимальный расход поглотителя рассчитывается из уравнения: G ( y _н – у _к ) = L _min ( х _к – х _н ).

Модели массопереноса:

- Пленочная модель Льюиса и Уитмена : на поверхности контакта фаз образуются неподвижные или ламинарно движущиеся пленки, в которых перенос вещества осуществляется только молекулярной диффузией. Эти пленки отделяют поверхность контакта фаз от ядра потока, в котором концентрация практически постоянна; все изменения концентрации вещества происходят в пленке.

М = ( D /d_пл ) F (с _о – с _гр ) ,

где d_пл – толщина пленки;

с _о и с _гр – средняя концентрация в ядре фазы и концентрация на границе раздела фаз соответственно.

- Модель пограничного диффузионного слоя можно считать дальнейшим развитием пленочной модели, в которой отражено влияние гидродинамических условий на процесс массопереноса. По этой модели концентрация вещества, постоянная в ядре потока, в турбулентном подслое толщиной d_т постепенно снижается при приближении к пограничному слою, в котором соизмеримы молекулярные и турбулентные силы вязкости, т.е. n » n _т . С уменьшением масштаба пульсаций в вязком подслое толщиной d_г концентрация снижается существенно быстрее. В глубине вязкого подслоя, внутри тонкого диффузионного подслоя толщиной d_д молекулярный перенос становится основным, при этом n >> n _т .

- Модель обновления поверхности фазового контакта часто называют моделью проницания, или пенетрационной. По этой модели предполагается, что турбулентные пульсации постоянно подводят к поверхности раздела фаз свежую жидкость и смывают порции жидкости, уже прореагировавшей с газом (паром), то есть каждый элемент поверхности жидкости взаимодействует с газом (паром) в течение некоторого времени t (время контакта или обновления), после чего данный элемент обновляется.

Направление массообменных процессов – определение из какой фазы в какую будет переходить вещество. Причем направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия (в общем случае разностью химических потенциалов вещества в фазах): вещество переходит из той фазы, где его рабочая концентрация выше равновесной.

Общее число единиц переноса (ЧЕП) – изменение рабочей концентрации распределяемого между фазами вещества, приходящееся на единицу движущей силы: (у _н – у _к )/ Dу _ср = n _оу и (х _к – х _н )/ Dх _ср = n _ох .

Объемный коэффициент массопередачи [К _у v ] = [M / Va Dу _ср ] = = [кг/м² ∙с∙ Dу _ср ].К _V У = К _У ∙а , где а – удельная поверхность насадки, м² /м³ .

Оптимальный расход поглотителя находят с помощью технико-экономического расчета, и он соответствует минимуму затрат З _min .

Перегонка – процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется.

Рабочая линия процесса – уравнение прямой, выражающее зависимость между рабочими концентрациями: у = Ах + В, (у = f (х)).

Рабочие концентрации (у, х) – действительные концентрации распределяемого вещества, которые всегда отличаются от равновесных.

Равновесная линия – линия, которая либо является кривой, либо, в частном случае, прямой линией и выражается зависимостью:  у* = f (х) или x * = f ( y ), (у* = mx или х* = m у) – геометрическое место точек равновесных концентраций.

Равновесные концентрации (у*, х* ) – предельные концентрации распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, установившиеся при равновесии.

Скорость массообменных процессов – количество вещества, переносимое в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз.

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. Применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.

Теоретическая ступень изменения концентрации (теоретическая тарелка) – соответствует некоторому гипотетическому участку аппарата, на котором жидкость полностью перемешивается, а концентрации удаляющихся фаз (например, жидкости и газа) являются равновесными. Методу теоретических ступеней (тарелок) присущи серьезные недостатки, и обоснованный переход от теоретических к действительным тарелкам затруднителен. В связи с этим разработаны более совершенные методы, позволяющие определить аналитически или графически непосредственно число действительных ступеней (тарелок) аппарата.

Турбулентная диффузия – конвективный перенос вещества, осуществляемый под действием турбулентных пульсаций.

Фиктивная скорость фазы – отношение объемного расхода фазы Q (м³ /с) к площади поперечного сечения S (м² ) аппарата: [w] = [Q /S ] = =[м/с] .

Химический потенциал есть функция, определяющая направление и предел самопроизвольного перехода данного компонента из одной фазы в другую при соответствующих превращениях:

где μ_i – химический потенциал;

G – энергия Гиббса;

Н – энтальпия;

U – внутренняя энергия системы;

n_i – количество молей i -го компонента;

n_j – количество молей остальных компонентов;

Р – давление;

Т – температура;

V – объем;

S – энтропия.

Число единиц переноса – изменение рабочей концентрации распределяемого между фазами вещества, приходящееся на единицу движущей силы; обратно пропорционально средней движущей силе процесса массопередачи.

Экстракция – 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.