Тема: Понятие о равновесии фаз

Рассмотрим в качестве примера процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой, т.е. в виду отсутствия равновесия переходит из газовой фазы , где его концентрация равна у, в жидкую фазу , имеющую начальную концентрацию х=0. С началом растворения аммиака в воде начнется переход части его молекул в обратном направлении со скоростью пропорциональной концентрации аммиака в воде и на границе раздела фаз С течением времени скорость перехода аммиака в воду будет снижаться, а скорость обратного перехода возрастать, причем такой двусторонний переход будет продолжаться до тех пор, пока скорости переноса в обоих направлениях не станут равными друг другу. При равенстве скоростей установится динамическое равновесие, при котором не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу, а концентрации аммиака в передающей фазе У и концентрация аммиака в воспринимающей фазе X называются равновесными концентрациями.

Первоначальные неравновесные концентрации фаз (у-концентрация аммиака в воздухе, в передающей фазе; х = 0; концентрация аммиака в воспринимающей фазе) называются рабочими концентрациями.

В самом общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью:

У = f(X); или X = f(Y)

Эта зависимость изображается линией, которая носит название рабочей линии процесса.

Уравнение массопередачи

При отклонении от состояния равновесия происходит переход вещества из фазы, в которой его содержание выше равновесного, в фазу, где содержание этого вещества ниже равновесного.

Скорость перехода вещества пропорциональна степени отклонения от равновесия, которую можно выразить как разность концентраций - рабочей концентрации вещества в одной из фаз и равновесной концентрацией в ней данного вещества. Эта разность концентраций является движущей силой процесса массопередачи.

Кроме того, скорость перехода вещества пропорциональна поверхности соприкосновения фаз.

Скорость перехода вещества можно определить как количество вещества, переходящего в единицу времени из одной фазы в другую.

М = К F Δ

где:

М - количества вещества, перешедшего из одной фазы в другую, кг/сек; К - коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом

массопередачи;

F - поверхность соприкосновения фаз, ;

Δ - движущая сила процесса массопередачи. Движущая сила может быть выражена в любых единицах, применяемых для выражения составов фаз.

Коэффициент массопередачи выражает количество вещества, переходящего из одной фазы в другую за единицу времени через единицу поверхности соприкосновения при движущей силе, равной 1.

Если движущая сила выражается в виде разности объемных концентраций (кг/ ), то

Δ = С*- С

где:

С - фактическая концентрация компонента в одной из фаз;

С* - равновесная концентрация компонента в той же фазе.

Тогда уравнение примет вид:

М = Р (С* - С);

Массообмен с участием твердой фазы

В твердой фазе конвекция отсутствует и перенос вещества характеризуется уравнением массопроводности, аналогичным уравнению молекулярной диффузии:

М =

где: х - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность коэффициента диффузии и называется коэффициентом массопроводности;

- изменение концентрации по толщине слоя, кг/м3;

τ - время;

δ - толщина слоя, м;

F - поверхность соприкосновения.

Если распределяемое вещество переносится из твердой фазы в омывающую ее жидкую, газовую или паровую фазу, то в пределах твердой фазы вещество перемещается вследствие массопроводности к границе раздела фаз и далее переносится в омывающую фазу путем конвективной диффузии.

Перемещение вещества вследствие массопроводности является неустановившимся процессам, в начальный момент концентрация вещества ( ) одинакова во всем объеме твердого тела. В момент времени τ средняя концентрация (У) ниже начальной, причем распределение концентрации в твердом теле неравномерно - в центре концентрация больше, а у границы раздела фаз меньше. При τ = оо концентрация выравнивается и стремится к равновесию (У*).

Лекция №13

Тема: Абсорбация

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции, поглощаемый газ (абсорбтив), не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называется хемосорбцией.

Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора -десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для:

1) извлечения ценных компонентов из газовых смесей;

2) для очистки этих смесей от вредных примесей.

(например, поглощение аммиака, бензола из коксового газа, абсорбция хлористого водорода водой и др.)

В качестве абсорбентов могут применяться вода, органические растворители. На химическом комбинате в основном применяются высококипящие углеводороды: пентан, гексан и др.. Метод применяется когда разница между температурами кипения не менее 10°С. Разделение идет за счет разницы температур кипения, но с помощью холодного абсорбента, который орошает колонну сверху. Абсорбцию проводят при температуре не выше 20°С, т.к. резко падает растворимость газов. Абсорбент увлекает за собой вниз колонны высококипящий компонент. Соотношение абсорбента и углеводорода составляет 5-8:1.

Абсорбенты должны обладать избирательным действием, т.е. хорошо поглощать не всю смесь газов или паров, а лишь определенные компоненты.

Абсорбция - процесс диффузионный, поэтому скорость абсорбции определяется скоростью диффузии. Исходя из уравнения массопередачи:

М = К F Δ τ ;

для ускорения процесса и для достижения высокой степени поглощения необходимо увеличивать разность концентраций диффундирующего вещества в газе и в пограничном слое жидкости. Поэтому необходимо обеспечить наибольшую поверхность соприкосновения газа (пара) с жидкостью и постоянную смену пограничных с газом слоев жидкости.

В этих целях в абсорберах различными способами осуществляют увеличение поверхности соприкосновения фаз и взаимодействующие вещества проходят через аппарат непрерывно противотоком друг другу

Поскольку в процессе абсорбции происходит растворение газов в жидкости, на ход процесса оказывает также значительное влияние давление газа и температура абсорбента.

Пример: приготовление газированной воды, которую насыщают двуокисью углерода при повышенном давлении (более 4 кГс/ ) и хранят в герметически закупоренной посуде. Процесс проводят при пониженной температуре, т.к. при понижении температуры растворимость газов повышается-.

При нагревании использованного абсорбента, поглощенный им газ, выделяется из жидкости, т.е. происходит процесс десорбции. На практике десорбцию осуществляют как с повышением температуры абсорбента, так и понижением давления, при этом не только происходит выделение поглощенных газов, но и восстанавливается поглотительная способность абсорбента.

Удельный расход поглотителя

Удельный расход поглотителя, т.е. количество поглотителя, необходимое для поглощения какого-либо компонента из 1 кг газовой смеси, находится й зависимости от величины поверхности соприкосновения фаз, т.е. в конечном счете от размеров абсорбера. Чем меньше размер абсорбера, тем больше потребуется поглотителя для обеспечения необходимой степени извлечения поглощаемого компонента.

Материальный башне

Материальный баланс характеризуется уравнением:

М = G( ) =

где: G – количество инертного газа, кг/сек;

1 – количество поглотителя, кг/ск;

Y – содержание компонента в газовой фазе, кг/кг инертного газа;

Х – содержание компонента в жидкой фазе, кг/кг поглотителя.

L = G =

называется удельным расходом поглотителя.

Отношение количества фактически поглощенного компонента ( ) к количеству, поглощенному при полном извлечении называется степенью извлечения.

ε =

Лекция № 14