Тема: Массообменные процессы

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называются массообменными процессами, а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов - массообменными аппаратами.

Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов.

В подавляющем большинстве случаев производственные установки химической промышленности создают по схеме:

Исходное сырье поступает в реактор, где лишь частично превращается в продукты реакции. Выходящая из реактора смесь продуктов реакции и не прореагировавшего сырья направляется в массообменную аппаратуру, в которой производится разделение смеси на продукты реакции и не прореагировавшее сырье. Последнее возвращается в реактор, а продукты реакции поступают на дальнейшую переработку.

В разделительном агрегате могут производиться разнообразные процессы.

Основными и важнейшими являются:

Абсорбция - избирательное поглощение газов или паров поглотителями

(абсорбентом). Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой

или паровой фазы в жидкую.

Экстракция - извлечение растворенного в одной жидкости вещестза другой

жидкостью. Этот процесс представляет собой переход вещества из одной

жидкой фазы в другую.

Адсорбция - избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя (адсорбента), способного поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или жидкой фаз в пористый твердый материал.

Сушка - удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Кристаллизация - выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую, вследствие изменения его растворимости.

Ректификация - разделение жидкой смеси на компоненты путем противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Этот процесс включает переходы вещества из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы:

1 - абсорбция, экстракция и др., в которых участвуют минимально три вещества, одно вещество образует первую фазу, другое - вторую фазу, а третье представляет собой распределяемое между фазами вещество. Вещества, составляющие каждую из фаз, являются лишь носителями распределяемого вещества и сами не переходят из фазы в фазу.

П - ректификация, в которой вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассматриваться как инертные носители распределяющего вещества.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называются также диффузными процессами.

Для диффузных процессов количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее точно разностью химических потенциалов, распределяемого вещества.

Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярной диффузии.

Молекулярная диффузия - перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движением самих молекул.

Конвективная диффузия - перенос вещества, обусловленный движением

частиц носителя и распределяемого вещества.

Процесс массообмена между двумя жидкими фазами

Различают два основных вида процессов массопередачи:

1) массообмен между жидкостью и газом (паром) или между двумя несмешивающимися жидкостями;

2) массообмен между твердым телом и жидкостью, газом или паром. Процесс переноса вещества из одной фазы в другую в первом случае можно

представить следующим образом:

Пусть распределяемого вещества в фазе выше равновесной и вещество переходит из фазы, в фазу. Распределяемое вещество в, фазе переносится к поверхности раздела фаз, а в фазе переносится от этой поверхности. Перенос вещества в обеих фазах осуществляется путем молекулярной диффузии (т.е. диффузии молекул через слой носителя) и путем конвективной диффузии (т.е. движущимися частицами носителя и распределяемого вещества).

В каждой фазе различают две области: ядро (основная масса) и пограничный слой, образующийся у поверхности раздела фаз. Перенос распределяемого вещества в ядре фазы, где обычно происходит интенсивное перемешивание, осуществляется преимущественно путем конвективной диффузии. Вследствие интенсивного перемешивания в ядре концентрация распределяемого вещества в каждом сечении системы почти постоянна.

Пограничный слой является областью резкого изменения концентрации распределительного вещества. Перенос вещества в пограничном слое осуществляется путем конвективной и молекулярной диффузии, причем по мере приближения к поверхности раздела фаз происходит затухание конвективных потоков и возрастает роль молекулярной диффузии.

Концентрация распределяемого вещества в фазе уменьшается от величины, в ядре потока до величины на границе раздела фаз. В фазе концентрация распределяемого вещества уменьшается от величины на границе раздела фаз до в ядре потока. При установившемся процессе на границе раздела фаз наблюдается равновесие, т.е. концентрация изъявляются равновесными.

Лекция №12