Урок 1 ПиАХТ Основы массопередачи

Процессы и аппараты химической технологии

Урок 1. Тема 3.1 Основы массопередачи

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 /)азы 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 иx 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, ц 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 массопередачей. 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. поверхность контакта фаз - может быть подвижной (система газ-жид­кость, пар-жидкость, жидкость-жидкость) или неподвижной (газ-твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-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 концентрациями 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 протекает до тех пор, пока между фазами при данных условиях температуры и давления не устано­вится 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 Фу) на П молекул, то распределяемое вещество будет переходить из фазы Фу в фазу Ф^. Причем скорость перехода будет определяться не общим числом молекул (тА-п) вещества М, находящегося в фазе Фу, а числом молекул, избыточным по отношению к равновесному (т). 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 (т+п) и равновес­ной (w). 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^ в фазу Фу (т. е. процесс пойдет в обратном направлении).

Таким образом, знание равновесных концентраций распреде­ляемого вещества позволяет определить направление процесса - из какой фазы в какую будет переходить вещество М - и в 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 внутренних 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 по-ока в условиях турбулентного движения фаз. Конвективный пере­нос вещества под действием турбулентных пульсаций иногда на­зывают Турбулентной диффузией.

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-твер­дое тело, жидкость-твердое тело) и Массопередачу через полупро­ницаемые перегородки (мембраны).