Ряд процессов химической технологии основывается на явлениях массобмена. К массообменным процессам относятся:
Массообменные процесс обычно используют для разделения гомогенных и гетерогенных систем.
Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем (абсорбентом).
Абсорбция связана с переходом вещества из газовой или паровой фазы в жидкую.
Ректификация – разделение жидкой смеси на компоненты в результате многократного взаимного обмена при противоточном взаимодействии потоков жидкости пара.
Ректификация связана с переходом вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот.
Сушка – удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения.
Сушка связана с переходом влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.
Адсорбция (десорбция) – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ пористым поглотителем – адсорбентом.
Адсорбция связана с переходом вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую.
Экстракция – извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью.
Переход вещества из одной жидкой фазы в другую.
Кристаллизация (растворение) – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.
Переход вещества из жидкой фазы в твердую.
Общим для всех этих процессов является переход вещества из одной фазы в другую, т. е. перенос массы.
Таким образом массопередачей называется переход вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия.
Подобно теплопередаче, массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос массы в пределах одной фазы, перенос через поверхность фаз и перенос в пределах другой фазы.
Аналогично тепловым процессам, перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении называется массотдачей.
Поскольку перенос вещества внутри фазы происходит путем диффузии, процессы массопередачи называется также диффузионными процессами.
В большинстве процессов массопередачи участвуют 3 вещества и 2 фазы, которые являются носителями распределяемого вещества:
1) Распределяющее вещество, составляющее первую фазу;
2) Распределяющее вещество, составляющее вторую фазу;
3) распределяемое вещество, переходящее из одной фазы в другую.
Массообменные процессы, как правило, обратимы, т. е. переход может совершаться в любом направлении при отсутствии равновесия между фазами.
Пусть вещество «М» находится только в фазе «G» и имеет концентрацию У.
В фазе «L» концентрацию Х=0.
Если распределяющие фазы привести в соприкосновение, то распределяемое вещество «М» начнет переходить из фазы «G» в фазу «L».
При этом, естественно Y уменьшается, а Х возрастает. С момента появления вещества «М» в фазе «L» начнется неизбежно и обратный переход распределяемого вещества. Скорость обратного перехода будет увеличиваться по мере возрастания концентрации Х и через определенный промежуток времени прямая и обратная скорости выравниваются.
Устанавливается динамическое равновесное состояние, когда нет явного переноса массы из одной фазы в другую.
Концентрации распределяемого вещества в этом состоянии называются равновесными (предельными): У *и Х*.
Очевидно, что любой концентрации Х соответствует равновесная концентрация У*, и наоборот:
У*=f(X); X*=f(Y)
1. Каждый массообменный процесс надо рассматривать, во-первых, статически, чтобы ориентироваться, каким должно быть состояние равновесия между фазами, как далек действительный состав фаз от состояния равновесия и выяснить направление течения процесса, которое определяется стремлением системы к равновесию.
| Если У > У* и следовательно Х < Х* Фаза «G» У > У* M Фаза «L» Х < Х* | Если У < У* и следовательно Х > Х* Фаза «G» У < У* M Фаза «L» Х > Х* |
Равновесие между фазами можно представить графически на У – Х диаграмме, где У и Х – относительные концентрации (кг раствор. вещества/кг носителя)
Кривая называется линией равновесия. В частном случае она может быть и прямой.
Конкретные уравнения условий равновесия будут рассмотрены при описании отдельных процессов.
2. Чтобы определить скорость процесса в данных условиях и предусмотреть такие условия, чтобы процесс проходил с достаточной скоростью.
Пусть в равновесии m частиц распределяемого вещества переходит из фазы «G» в фазу «L» и столько же обратно. Увеличим количество частиц распределяемого вещества на величину «n» в фазе «G». Скорость перемещения частиц в фазу «L» будет определяться не общим числом частиц m + n, а лишь избыточным «n» по отношению к равновесному.
Таким образом, скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между фактической концентрацией распределяемого вещества в данной фазе и равновесной концентрацией в ней же.
Переход вызван этой разностью а, следовательно, она является движущей силой процесса.
Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия.