ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ

Ряд процессов химической технологии основывается на явлениях массобмена. Массообменные процесс обычно используют для разделения гомогенных и гетерогенных систем.

К массообменным процессам относятся:

Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем (абсорбентом). Она 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 и пара. Она связана с переходом вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот.

Сушка – удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Она 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. Она связана с переходом вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую.

Экстракция – извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью. Она связана с переходом вещества из одной жидкой фазы в другую.

Кристаллизация (растворение) – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Она связана с переходом вещества из жидкой фазы в твердую (или наоборот).

Общим для всех этих процессов является переход вещества из одной фазы в другую, то есть перенос массы в направлении достижения равновесия.

Таким образом, массопередачей называется процесс перехода 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 объема 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 три вещества и две 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, то есть переход распределяемого вещества 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, ста-

тически, 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.

Равновесие между фазами можно представить графически на У – Х -диаграмме, где У и Х – относительные концентрации (кг растворенного 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.