Вопрос 1. Классификация массообменных процессов.

Пожарная безопасность процессов абсорбции и адсорбции

Преподаватель проверяет наличие обучаемых, объявляет название темы № 16 «Пожарная безопасность сорбционных процессов», темы лекции «Пожарная безопасность процессов абсорбции и адсорбции» и учебные вопросы лекции с их показом на экране проектора (слайд №1):

1.Классификация массообменных процессов.

2.Физическая сущность процесса абсорбции. Основные меры пожарной безопасности.

3. Физическая сущность процесса адсорбции. Обеспечение пожарной безопасности при эксплуатации адсорбционных установок.

Затем на экране демонстрируется список учебной литературы необходимый обучающимся при отработке темы и самостоятельной работы. (слайд №2)

Актуальность изучения данной темы заключается в том, что есть случаи пожаров на промышленных объектах с технологическими установками, составной частью которых являются массообменные аппараты. Причинами пожаров, как правило, являются возникновение аварийных ситуаций в связи с недостаточным знанием ответственными лицами, в том числе и работниками ГПС, пожароопасных факторов этих физико-химических процессов и особенностей пожарной опасности используемого технологического оборудования и технологий, аппараты которых требуют постоянного автоматического контроля и визуального осмотра. В случае необходимости – останова, выяснения причины нарушения технологических параметров и ремонта. Вопрос, непростой, серьезный и проблемный. Конкретные примеры тому подтверждение (привести 2-3 примера, самовозгорание губчатого железа и металлической стружки по причине хемосорбции в обязательном порядке).

Переходим к рассмотрению учебных вопросов:

Вопрос 1. Классификация массообменных процессов.

В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массообмена. Он характеризуется переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем перехода одного или нескольких компонентов из одной фазы в другую можно разделить как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, растворы жидкостей), причем наиболее часто процессы массообмена используются для разделения гомогенных систем. В промышленности применяют в основном следующие процессы массообмена между фазами (газовой и жидкой, газовой и твердой, твердой и жидкой, жидкой и жидкой) (слайд №3):

Сорбция (лат. «sorbeo» - поглащаю, втягиваю) – любой процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом), независимо от механизма поглощения. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию. Обратный процесс - процесс выделения одного вещества из другого называется десорбцией и используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

Адсорбция – изменение концентрации вещества на границе раздела фаз, происходящее на любых межфазовых поверхностях. Адсорбироваться могут любые вещества. Промышленную реализацию имеет процесс поглощения компонента газа, пара или раствора твердым пористым поглотителем. Процесс разделения характеризуется переходом вещества из газовой или жидкой фазы в твердую. Разновидностью адсорбции является ионный обмен.

Абсорбция – поглощения одного вещества другим во всем объёме сорбента (растворение газов в жидкостях - газвода). Промышленную реализацию имеет процесс поглощения компонента газа или пара жидким поглотителем. Разновидностью абсорбции является хемосорбция – поглощение одного вещества другим, сопровождающееся химическими реакциями (поглощение влаги и кислорода металлами с образованием оксидов и гидроксидов).

Сушка – удаление влаги из твердых материалов, главным образом путем ее испарения. В этом процессе влага переходит из твердой фазы в газовую или паровую.

Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из раствора или расплавов. Кристаллизация осуществляется в результате перенасыщения или переохлаждения раствора (расплава) и характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую.

Растворение и экстракция – (в системе твердое тело – жидкость). Растворение характеризуется переходом твердой фазы в жидкую (растворитель) и представляет собой процесс обратный кристаллизации. Извлечение на основе избирательной растворимости одного или нескольких компонентов из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого или выщелачиванием.

Процесс массообмена представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Процесс происходит через границу раздела соприкасающихся фаз. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ-жидкость или пар-жидкость, жидкость-жидкость), либо неподвижной (массопередача с твердой фазой). Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т.е. в пределах одной из фаз, называется массопередачей. Процессы массопередачи (массообмена) можно разделить на две группы:

· процессы, в которых участвуют минимум три вещества (абсорбция, экстракция);

· группа процессов, в которых участвуют вещества, находящиеся в двух фазах, обменивающиеся компонентами, сами непосредственно участвующие в массопередачи и которые уже невозможно рассматривать как инертные носители распределяемого вещества (перегонка).

Для массообменных процессов количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе. Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой наиболее часто разностью химических потенциалов распределяемого вещества. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей концентрацией к точке с меньшей концентрацией и в расчетах движущую силу процессов массопереноса выражают приближенно через разность концентраций подобно тому, как в процессах теплопереноса ее выражают через разность температур.

Процессы массопредачи избирательны в тех случаях, когда поглотитель извлекает только один компонент исходной смеси и практически не извлекает остальные ее компоненты. Эти процессы большей частью обратимы. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия.

Количественный состав фаз выражают: В объемных концентрациях – принимая за единицу массы 1 кг или за единицу объема 1 моль. Объемная концентрация это число килограммов данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы. В весовых или мольных долях – отношение массы (или количества) данного компонента к массе всей фазы.

В относительных концентрациях – в виде отношения массы данного компонента, являющегося распределяемым веществом, к массе компонента-носителя, количество которого остается постоянным в процессе массопередачи. Скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен. Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярной диффузии, либо путем конвекции и молекулярной диффузии одновременно. Посредством одной молекулярной вещество перемещается лишь в неподвижной среде. В движущейся среде перенос вещества осуществляется как молекулярной диффузией, так и самой средой в направлении ее движения или отдельными частицами.

В турбулентном потоке перенос молекулярной диффузией преобладает только вблизи границы фазы. При турбулентном течении возникают нерегулярные пульсации скорости под действием которых, наряду с общим движением потока, происходит перемещение частиц во всех направлениях, в том числе и в поперечном.

Конвективный перенос вещества осуществляется под действием турбулентных пульсаций.

Молекулярная диффузия – перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика. Масса вещества, продиффундировавшего за время τ через элементарную поверхностьF (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации этого вещества.

Коэффициент молекулярной диффузии D представляет собой физическую константу. Коэффициент показывает, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации равном единице и характеризует способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Коэффициент является функцией свойств распределяемого вещества и свойств среды, через которую оно диффундирует, температуры и давления.

Механизм процессов массопереноса.Чисто теоретически механизм процесса массопереноса рассчитать сложно, так как механизм переноса к границе раздела фаз путем турбулизации и молекулярной диффузии недостаточно изучен в плане гидродинамических закономерностей турбулентных потоков, особенно вблизи границы раздела подвижных фаз.

Рисунок 1 - Схема распределения концентраций в фазах в процессе массопередачи

На рис 1 приведена схема, поясняющая процесс массопередачи между жидкостью и газом или между двумя жидкостями. Фазы движутся с некоторой скоростью друг к другу и разделены подвижной поверхностью раздела. (слайд №4)

Пусть процесс переноса распределяемого вещества М происходит в условиях турбулентного потока движения фаз. Примем, что вещество переходит из фазы Фу, где концентрация вещества М выше равновесной, в фазу Фx, например в воду. Таким образом осуществляется процесс массоотдачи от поверхности раздела к основной массе фазы Фx. В результате этих частных процессов, а также преодоления сопротивления переносу через самую поверхность раздела фаз происходит процесс массопередачи – переход вещества из одной фазы в другую.

Процесс массопередачи теснейшим образом связан со структурой турбулентного потока в каждой фазе. Как известно из гидродинамики, при турбулентном движении потока у твердой стенки образуется пограничный слой. Аналогично в каждой фазе различают ядро, или основную массу фазы, и пограничный слой у границы фазы. В ядре вещество переносится преимущественно турбулентными пульсациями и концентрация распределяемого вещества в ядре практически постоянна. В пограничном слое происходит постепенное затухание турбулентности. Это выражается все более резким изменением концентрации по мере приближения к поверхности раздела. Непосредственно у поверхности раздела перенос резко замедляется, так как его скорость уже определяется скоростью молекулярной диффузии.

Такой характер изменения концентраций объясняется тормозящим действием сил трения между фазами и сил поверхностного натяжения на границе жидкой фазы.

Модели процессов массопереноса. Механизм массоотдачи характеризуется сочетанием молекулярного и конвективного переноса. Еще более сложным является процесс массопередачи, включающий в качестве составляющих процессы массоотдачи по обе стороны границы раздела фаз. В связи с этим предложен ряд теоретических моделей, представляющих собой упрощенные схемы массопередачи.

Пленочная модель. Была предложена Льюисом и Уитменом. Она развивала взгляды Нернста на кинетику растворения твердых тел. Согласно этой модели, в каждой фазе непосредственно к ее границе примыкают неподвижные или ламинарно движущиеся пленки, в которых перенос осуществляется только молекулярной диффузией. В пленке сосредоточено все сопротивление массоотдаче. Поэтому градиенты концентраций возникают только внутри пограничных пленок. Согласно пленочной модели, количество вещества q перешедшего в единицу времени через единицу поверхности, пропорционально разности концентраций в ядре и на границе фазы, если перенос происходит от ядра к поверхности раздела фаз.

Более точно учитываются условия раздела в модифицированной пленочной модели, называемой моделью диффузионного пограничного слоя. Этой модели отвечает схема распределения концентрации в жидкой и газовой фазах. (рис.2; слайд 5).

Рисунок 2 - Схема распределения концентраций в жидкой и газовой фазах

Концентрация вещества, постоянная в ядре потока фазы (с₀) медленно снижается в турбулентном приграничном слое, где вначале вещество переносится преимущественно турбулентными пульсациями. С приближением к границе фазы и уменьшением масштаба пульсаций на участке толщины слоя, в так называемом вязком подслое. Однако на большей части толщины δ₀ вязкого подслоя турбулентной диффузией переносится большее количество вещества, чем молекулярной. Лишь в самой глубине вязкого подслоя, внутри тонкого диффузного подслоя толщиной δ, непосредственно примыкающего к границе раздела фаз, молекулярный перенос становится преобладающим.