Противоточная выпарная установка

 

 

 

 

 

40.Массообменные процессы и аппараты. В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые пе­реходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путем переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.), причем наиболее часто процессы массопередачи исполь­зуют для разделения гомогенных систем.

В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами:

1. Абсорбция — поглощение газа жидкостью, т. е. процесс раз­деления, характеризуемый переходом вещества из газовой фазы в жид­кую. Обратный процесс выделения газа из жидкости называется десорб­цией.

2. Экстракция (в системе жидкость — жидкость)— извлече­ние вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. При этом из­влекаемый компонент исходного раствора переходит из одной жидкой фазы в другую.

3. Ректификация — разделение гомогенных жидких смесей путем многократного взаимного обмена компонентами между жидкой и паровой фазами, движущимися обычно противотоком друг к другу.

4. Адсорбция — поглощение компонента газа, пара или рас­твора твердым пористым поглотителем, т. е. процесс разделения, харак­теризуемый переходом вещества из газовой (паровой) или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс — десорбция проводится после ад­сорбции и часто используется для регенерации поглощенного вещества из поглотителя.

Разновидностью адсорбции является ионный обмен — процесс разде­ления, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы растворов электролитов.

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

6. Кристаллизация — выделение твердой фазы в виде кри­сталлов из растворов или расплавов. Кристаллизация характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вследствие изменения его растворимости.

7. Растворение и экстракция (в системе твердое тело — жидкость). Растворение характеризуется переходом твердой фазы в жид­кую (растворитель) и представляет собой, таким образом, процесс, обрат­ный кристаллизации. Избирательное растворение, предназначенное для извлечения того или иного компонента из твердого пористого мате­риала, называется экстракцией из твердого, или выщелачива­нием.

Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах од­ной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в преде­лах другой фазы. Как известно, при теплопередаче обменивающиеся теп­лом среды в большинстве случаев разделены твердой стенкой, в то время как массопередача происходит обычно через границу раздела соприка­сающихся фаз.

Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном на­правлении, т. е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.

Процессы массопередачи можно разделить на две группы. К одной группе относятся процессы (абсорбция, экстракция и др.), в которых участвуют минимально три вещества: одно 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. Так, например, при поглощении аммиака водой из его смеси с воз­духом вода и воздух служат носителями распределяемого вещества — аммиака.

К другой группе относятся процессы (например, ректификация), в ко­торых вещества, составляющие две фазы, обмениваясь компонентами, сами непосредственно участвуют в массопередаче и уже не могут рассма­триваться как инертные носители распределяемого вещества.

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

Для диффузионных процессов, по аналогии с процессами переноса тепла, принимают, что 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. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей 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 разностью температур.

Процессы массопередачи избирательны в тех случаях, когда поглотитель извлекает только один компонент (или несколько компонентов) исходной смеси и практически не извлекает остальных ее компонентов. Эти процессы большей частью обратимы, т. е. могут протекать в противо­положных направлениях в зависимости от температуры, давления и дру­гих условий их проведения. При этом направление перехода вещества из фазы в фазу определяется концентрациями распределяемого вещества в фазах и условиями равновесия

41.Равновесие при массопередаче. Правило фаз. Знание равновесия в процессах массопередачи позволяет установить пределы, до которых могут протекать эти процессы. В основе равновесия лежит известное правило фаз:

Ф+С=К+2

где Ф — число фаз; С — число степеней свободы, т е. число независимых переменных, значения которых можно произвольно изменять без нарушения числа или вида (со­става) фаз в системе; К — число компонентов системы.

Правило фаз указывает число параметров, которое можно менять про­извольно (в известных пределах) при расчете равновесия в процессах массообмена.

Фазовое равновесие. Линия равновесия. 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 Ф_у, где его концентрация равна у, в жидкую фазу Ф_х, имеющую начальную концентрацию х = 0. С началом растворения аммиака в воде начнется переход части его молекул в обратном направлении со скоростью, про-

порциоиальной 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 равны друг другу. При равенстве скоростей уста­новится динамическое равновесие, при котором не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу.

При равновесии достигается определенная зависимость между пре­дельными, или равновесными, концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, при которых осу­ществляется процесс массопередачи.

В условиях равновесия некоторому значению отвечает строго опре­деленная равновесная концентрация в другой фазе, которую обозначим через . Соответственно концентрации отвечает равновесная концен­трация . В самом общем виде связь между концентрациями распреде­ляемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью:

(Х,8)

или

(X, 9)

Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рис. Х-1, либо в частном случае - прямой линией.

 

На рис. Х-1а пока­зана равновесная кривая для системы с компонентами-носителями, вы­ражающая зависимость равновесной концентрации, например в газовой фазе, от концентрации жидкой фазы при Р = const и t= const. На рис. Х-1,б приведен пример равновесной кривой для процесса ректифи­кации, построенной при Р — const. Каждая точка кривой, как показано на рисунке, соответствует разным температурам (t₁,t₂ и т.д.).

Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения:

(X, 10)

Коэффициент распределения выражает тангенс угла наклона линии равновесия и для кривой линии равновесия является величиной пере­менной.

Конкретный вид законов равновесного распределения, выражающих зависимости (X, 8) и (X, 9), различен для разных процессов массопередачи. Так, например, в процессе абсорбции при низких концентрациях распределяемого вещества в исходном растворе равновесие описывается законом Генри ( ,где y_A*—равновесная концентрация извлекаемого компонента в газовой фазе, кгА/кг(А+В);m - коэффициент распределения;x - концентрация газа в растворе, кмольА/кмоль (А+В).), для идеальных растворов в процессах ректи­фикации - законом Рауля (р_к = Р_к х, где р_к -парциальное давление данного компонента в парах над жидко­стью, выраженное в долях от общего давления; Р_к—упругость паров чистого данного компонента при данной тем­пературе; х—молекулярная доля данного компонента в жидкости) и т. д.

Зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие, т. е. неравновесные концентрации фаз в соответст­вующих точках, можно определить направление и движущую силу массопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рассчитана средняя движущая сила, а по ней — скорость процесса массопередачи.

42.Материальный баланс. Рабочая линия. Рабочие концентрации распре­деляемого вещества не равны равновесным, и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений.

Зависимость между рабочими концентрациями, распределяемого ве­щества в фазах

изображается линией, которая носит название рабочей линии процесса. Вид функции , или уравнение рабочей линии в его общем виде, является одинаковым для всех массообменных процессов и получается из их материальных балансов.

Рассмотрим схему массообменного аппарата, работающего в режиме идеального вытеснения при противотоке фаз (рис. Х-2). Пусть в процессе массопередачи из фазы в фазу, например из газовой фазы в жидкую, пе­реходит только одни распределяемый компонент (скажем, аммиак).

Сверху в аппарат поступает L_н кг/сек одной фазы (жидкой), содержа­щей х_н вес. долей распределяемого компонента, а снизу из аппарата удаляется L_K кг/сек той же фазы, содержащей х_к вес. долей распределяе­мого компонента. Снизу в аппарат поступает G_н кг/сек другой фазы (газо­вой) концентрацией у_н и сверху удаляется G_K кг/сек этой фазы, имеющей концентрацию y_к вес. долей распределяемого компонента.

Тогда материальный баланс по всему веществу

G_н + L_н= G_к + L_к

и материальный баланс по распределяемому ком­поненту

.

Теперь напишем уравнения материального балан­са для части аппарата от его нижнего конца до неко­торого произвольного сечения, для которого расхо­ды фаз составляют G и L кг/сек, а их текущие кон­центрации равны у и х соответственно.

Материальный баланс по всему веществу G_н + L= G + L_к и материальный баланс по распределяемому компо­ненту

.

Решая это уравнение относительно у, получим:

(X, 11)

 

Уравнение (X, 11) представляет собой уравнение рабочей линии, выражающее связь между рабочими концентрациями распреде­ляемого компонента в фазах для произвольного сечения аппарата.

Расходы фаз постоянны по высоте аппарата, например в процессах рек­тификации, когда числа молей компонентов, которыми обмениваются фазы, равны. В других случаях, если концентрации фаз мало изменяются по высоте аппарата, то расходы фаз по его высоте можно с достаточной для практических целей точностью считать постоянными, т. е. принять L == const и G = const. При этом L_K = L, G_H = G и уравнение (X, 11) при­водится к виду

(X, 11а)

Вводя обозначения, находим

(X, 116)

Выражения (X, 11а) и (X, 11б) являются уравнениями рабочей линии, которыми обычно пользуются при расчетах массообменных процессов.

Таким образом, рабочая линия представляет собой прямую, которая наклонена к горизонту под углом, тангенс которого равен А, и отсекает на оси ординат отрезок, равный В. Рабочая линия для всего аппарата ограничена точками с координатами х_н и у_к (верхний конец аппарата, рис. Х-2) и у_н и х_к (нижний конец аппарата).

4.Перенос вещества молекулярной диффузией. Закон Фика. Молекулярной диффузией называется пе­ренос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движе­нием самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому количество вещества dМ продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF (нор­мальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации этого вещества:

(X. 12)

или

(X. 12а)

Из выражения (X, 12а) следует, что удельный поток вещества, пере­носимого молекулярной диффузией через единицу поверхности (F = 1) в единицу времени (τ = 1), или скорость молекулярной диффузии, со­ставляет:

 

(Х.13)

Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика на­зывается коэффициентом молекулярной диффузии, или просто коэффициентом диффузии. Знак минус перед правой частью первого закона Фика указывает на то, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого компонента.

Согласно уравнению (X, 12), коэффициент диффузии выражается следующим образом: , откуда (до сокращения одноименных величин) вытекает физический смысл D. Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффун­дирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте кон­центрации, равном единице.

Коэффициент молекулярной диффузии представляет собой физиче­скую константу, характеризующую способность данного веще­ства проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Величина D таким образом не зависит от гидродинамических условий, в которых проте­кает процесс.

Значения коэффициента диффузии D являются функцией свойств рас­пределяемого вещества, свойств среды, через которую оно диффундирует, температуры и давления. Обычно величины D возрастают с увеличением температуры и понижением давления (для газов). В каждом конкретном случае значение D определяют по опытным данным или по теоретическим и полуэмпирическим уравнениям с учетом температуры и давления, при которых протекает процесс диффузии.

 

43.Перенос вещества молекулярной диффузией. Закон Фика. Молекулярной диффузией называется пе­ренос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движе­нием самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому количество вещества dМ продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF (нор­мальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации этого вещества:

(X. 12)

или

(X. 12а)

Из выражения (X, 12а) следует, что удельный поток вещества, пере­носимого молекулярной диффузией через единицу поверхности (F = 1) в единицу времени (τ = 1), или скорость молекулярной диффузии, со­ставляет:

 

(Х.13)

Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика на­зывается коэффициентом молекулярной диффузии, или просто коэффициентом диффузии. Знак минус перед правой частью первого закона Фика указывает на то, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого компонента.

Согласно уравнению (X, 12), коэффициент диффузии выражается следующим образом: , откуда (до сокращения одноименных величин) вытекает физический смысл D. Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффун­дирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте кон­центрации, равном единице.

Коэффициент молекулярной диффузии представляет собой физиче­скую константу, характеризующую способность данного веще­ства проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Величина D таким образом не зависит от гидродинамических условий, в которых проте­кает процесс.

Значения коэффициента диффузии D являются функцией свойств рас­пределяемого вещества, свойств среды, через которую оно диффундирует, температуры и давления. Обычно величины D возрастают с увеличением температуры и понижением давления (для газов). В каждом конкретном случае значение D определяют по опытным данным или по теоретическим и полуэмпирическим уравнениям с учетом температуры и давления, при которых протекает процесс диффузии.

44. Конвективная диффузия. Ур-е переноса в-ва конв. дифузией. Ур-е переноса в-ва конв. дифузией. В движущей среде массоперенос осущ-ся как за счет молекул-ой диф-ии так и за счет конвективного переноса. Концентрация распред-го в-ва в элементарном объеме изменяется не только за счет хаот-го движ молекул но и за счет макродвижений турбулентных пульсаций в самой среде, т к среда перемещается в направлении всех 3-х осей х,у,z. Со скоростямиWx,Wy,Wz, то изменение концентрации распред-го в-ва необходимо выражать субстациональной прозв-й учитывающей изменение величины во времени и изменение связанное с перемещением в простр-ве. Если в Ур-ии молекулярной диффузии заменить локальное изменение концентр-ии на полное, то получим ДУ конвективного массопереноса: Данное Ур-е выражает распределение концентрации в-ва движущейся в стационарной среде, при неустан-ся процессе массообмена.

Возникновение массооб процесса, его направление и предел перехода в-ва из 1-й фазы во 2-ю зависит от степени отклонения с-мыот равновесия. По направлении переноса массы в с-ме можно судить о взаимном положении рабочей и равновесной линий. Рассм 2 случая:

1. рабочая линия располагается выше равновесной. Концентрация Х соот-ет, что рабочая меньше равновесной, а у У наоборот. При этом , - распределенный компопнент переходит из 2-х(абсорбция)

2. Рабочая линия распологается ниже равновестной.

При стремлении с-мы к состоянию равновесия распр-й компонент переходит из жидкой фазы в газовую(десорбция) Движущей силой процесса масообмена условно называют разность между рабочей и равнов концентрациями переходного компонента в данной фазе. Знак и указывает на направление переноса массы.

45. Механизм переноса тепла при конвективном теплообмене. Уравнение массоотдачи Для описания механизма массопереноса множество упращенных теор-их моделей. В основу большинства из них положены 1 и те же допущения: 1. Сопр-я массопереносу складыв-ся из сопрот-й каждой из фаз и сопр-я на границе раздела фаз. Допуская, что сопр-е на пов-ти раздела фаз =0 принимаем, что процесс массопереноса в каждой из фаз происходит независимо друг от друга и общее сопр-ие рассматривают как сумму всех сопрот-й. 2. На пов-ти раздела фаз равновесие устан-ся почти мгновенно и равновесная конценирация на пов-ти отличается от соот-ей концентрации в ядре потока. Ур-е массоотдачи : з-н массоотдачи гласит: кол-во в-ва перенесённог от пов-ти раздела фаз в воспринимающую среду пропорц-но разности концентрации у пов-ти фаз и потока восприним-ей фазы, пов-ти фазового контакта и времени: Коэф-т хар-ет такое кол-во в-ва переходит от границы раздела фаз в ядро потока через пл-дь пов-ти 1 в течении 1 сек при разности концентрации=1. При расчете конкретного процесса массопереноса обычно принимают, что коэф-т массоотдачи сохраняет свое значение вдоль пов-ти контакта. Тогда предыдущее Ур-е можно переписать: (G); Входящие в Ур-е разности концентраций выражают собой движущую силу процесса в фазах G и L.

 

46. критериеи диф-го подобия Nu, Pe,Pr При выборе условий и критериев диф-го подобия исходят из ДУ молекулярного и конвективного массопереноса в-ва. В свою очередь сходство ДУ массо и тепло переноса дает основание пологать, что критерий диф-го и теплового подобия имеет одинаковый вид. В этом легко убедиться, анализируя условия массообмена у границы разделе фаз. Кол-во распред-го в-ва, переносимого от пов-ти контакта в ядро потока можно выразить с помощью Ур-я массоотдачи в свою очереть массоперенос в пограничном слое, где приобладает молекул-я диф-я, описывается Ур-ем Фика: . Приравниваем правые части Ур-ий, получим выражение, хар-е граничные условия при массопереноса . Это выражение явл-ся з-ном сохранения в-ва. Переходя к конкретным хар-ым величинам и отбрасывая знаки мат-их операторов будем иметь: Разделив левую часть на правую получим безразмерный комплекс , который в подобных системах идентичен и назван диффузионным числом Нуссельта (Nu’) - диф-е число Нуссельта.Диф-й критерий Нуссельта хар-ет соотношение хар-го размера в толщине пограничного слоя. Для установления диф-го подобия в ядре потока, за исходную позицию берут ДУ конвективного массообмена. Для кратности изложения запишем одномерное, нестац-е Ур-е диффузии:

Проводя замену членов ДУ конечной величины отбросив при этом знаки математ-их операторов получим: . Разделив правую часть Ур-я на 1-е слогаемое в левой части получим безразмерный комплекс , который для подобных процессов идентичный, и назван диф-ым числом Фурье: - идентичное число Фурье. Число Фурье хар-ет подобие нестационарных процессов. Поделив 2-е слагаемое предыдущего выражения на правую часть, получим безразмерный комплекс , который для диф-ых процессов идентичен и назван диф-ым критерием Пекле: - диф-е число Пекле. Число Пекле хар-ет соотношение массовых потоков за счет конвекции и диффузии. Если умножить числитель и знаменатель в числе Пекле на отношение , то получим: , где - число Прандля диф-е, хар-ие физ-е св-ва в-в в фазах и указывет на соотношение между толщинами гидродинамического и диф-ых слоев.Полученные из ДУ числа подобия позволяют записать критериальное Ур-е в неявной форме: . Из всех чисел диф-го подобия, включающих первоначальные величины в число Nu входит величина , которая сама зависит от нескольких переменных и явл-ся искомой. Следовательно критерий Nu явл-ся определенным критерием, а остальные- определяющие. В связи с этим критериальные Ур-я представляют в таком виде: . Явный вид данного Ур-я устан-ся как правило при обработке эксперем-ых данных, различными методами.

47.Массопередача Основное Ур-е массопередачи. Средняя движущая сила массопередачи Всоот-ии с общими кинет-ми законами химико-технолог-х прочесов основной з-н массопередачи можно сфор-ть следующим образом. Скорость процесса массопередачи проп-на движущей силе и обратно проп-на сопротивлению. R- сопротивление процессу массопереноса. Если вместо R взять обратную величину, хар-ю скорость процесса 1\R=K то предыдущее Ур-е примет вид: или Отношение кол-ва распред-го в-ва между фазами к 1 времени для всей пов-ти контакта фаз Ур-е массопередачи примет вид: Согласно основному Ур-ю массопередачи кол-во в-ва М переходящее из фазы в фазу за 1 времени проп-но пов-ти контакта фаз и движущей силе процесса. Коэф-т К выражает собой кол-во в-ва переходящее из 1-й фазы во 2-ю за 1 времени через 1 пов-ти контакта фаз при движущей силе =1: Движ-я сила процесса может быть выражена в любых единицах.

 

48. связь между коэф-ми массопередачи и массоотдачи. Зав-ть К от установим рассматривая массоперенос распр-го в-ва из фазы G в фазу L на упрощенной модели. Рассмотрим случай, когда равновесная линия прямая т е описывается Ур-ем , m- тангес угла наклона линии равновесия к горизонтали. За 1 времени из фазы G к выделенному элементу пов-ти dF переносится кол-во в-ва равное: за это время от элемент-й пов-ти dF в фазу L переносится кол-во в-ва: тогда для всей пов-ти контакта фаз можно записать: ; При линейной зав-ти между равновесными концентрациями распред-го в-ва в фазах: либо по аналогии , где - концентрация распредел-го в-ва в фазе G равновесна с конц-й в фазе L. Из последних 2-х Ур-й выразим концентрацию в фазе L через конц-ю в фазе G: ; Подставим в Ур-е массотдачи: Выразив движущие силы по фазам: ; сложив левые и правые части Ур-я получим движ-ую силу процесса в целом , Отсюда получаем зав-ти между коэф-ми массоотдачи и массопередачи: ;

- общее сопротивление массопереносу, - диф-е сопр-е газовой фазы, - диф-е сопр-е жидкой фазы, т е по правтлу адитивности общее диф-е сопр-е массопереноса = сумме диф-ых сопр-й газовой и жидкой фаз. При выражении коэф-та массопередач концентрации фазы L по аналогии можно получить ;

m- коэф-т распределения .

49. Последовательность расчета массообменного аппарата. Определение поперечного сечения и высоты (длины) аппарата.

,

, ,

, ,

 

,

,

 

,

50. Расчет высоты массообменных аппаратов с непрерывным контактом фаз. Высота и число единиц переноса.

В случаях, когда пов-ть контакта фаз постоянно деформируется, ее размер установить почти нельзя, использовать основное ур-е массопередачи трудно

 

В этом случае

- удельная пов-ть насадки аппарата, (м²/м³),

S – площадь поперечного сечения аппарата,

H – высота контактной зоны аппарата.

=

или согласно мат балансу по распределяемому компоненту M=G(Yн-Yк) получим

 

- модифицированное ур-е массопередачи.

 

=hоу- участок по высоте аппарата, соответствующей 1 единице переноса(ВЕП).

=nоу- число единиц переноса (ЧЕП).

аналогично для жидкой фазы.

=hох =nох

ВЕП имеет смысл величины обратной массопередаче, ЧЕП – обратной силе процесса.

51. Расчет высоты массообменных аппаратов с дискретным контактом фаз. Теоретическая и действительная ступень контакта.

Очевидно, число единиц переноса, соответствующее одной ступени изменения концентрации, т_ус или т_хс, найдем как

 

При заданных величинах начальной и конечной концентрации рас­пределяемого между фазами компонента число ступеней изменения кон­центрации N_с в случае линейной равновесной зависимости может быть определено аналитически. Число ступеней вычисляется как частное от деления числа единиц переноса mу, определяемого при заданных рабочих концентрациях, на число единиц переноса одной ступени т_ус

N_с= mу/ т_ус

Для перехода от числа ступеней к высоте насадки насадочных ко­лонн можно написать уравнение

H= h_ус N_с

где h_ус—высота насадки, эквивалентная одной ступени изменения кон­центрации.

h_ус = h_y т_ус

=hоу- участок по высоте аппарата, соответствующей 1 единице переноса(ВЕП).

=mоу- число единиц переноса (ЧЕП).

аналогично для жидкой фазы.

=hох =mох

ВЕП имеет смысл величины обратной массопередаче, ЧЕП – обратной силе процесса.

 

52.Абсорбция и десорбция. Характеристика процессов

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбат) не взаимодействует химически с абсорбентом. Если же абсорбат 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 поглощённый компонент в чистом виде. Во многих случаях проводить десорбцию не надо , так как абсорбент и абсорбат представляют собой дешёвые или отбросные продукты , которые после абсорбции можно вновь не использовать (например ,при очистке газов).

В промышленности процессы абсорбции применяются главным образом для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных примесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (например, абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция НСl с получением соляной кислоты ; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция NH₃, т.п.). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при санитарной очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от примесей (например, очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т.д.).

53.Равновесие при абсорбции. Закон Генри.

При взаимодействии какого-либо газа с жидкостью возникает система, состоящая как минимум из трех компонентов (распреде­ляемое вещество и два распределяющих вещества или носителя) и двух фаз-жидкой и газовой. Такая система по правилу фаз имеет три степени свободы (С = К — Ф + 2 = 3 — 2 + 2 = 3).

При абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости, давления, температуры и состава газовой фазы (парциального давления растворяющегося газа в газовой смеси). Для данной системы газ-жидкость эта зависимость выражается законом Генри: парциальное давление р_А растворённого газа пропорционально его мольной доле х_А в растворе р*_А=Ех_А

или растворимость газа (поглощаемого компонента А) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью х*_А=(1/Е)р_А

где р*_А – парциальное давление поглощаемого газа, находящегося в равновесии с раствором, имеющим концентрацию х_А (в мол. долях); х*_А – концентрация газа в растворе (в мол. долях), равновесной с газовой фазой, в которой парциальное давление поглощаемого компонента равно р_А; Е – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом , или константой Генри.

Если y_A – мол.доля извлекаемого компонента А в газовой смеси и Р – общее давление в системе, то парциальное давление р_А, по закону Дальтона , можно выразить зависимостью р_А=Ру

Подставив значение р_А в первое уравнение, получим у*_А=(Е/Р)*х_А

или закон Генри может быть представлен в форме у*_А=mx

где m=Е/Р – коэффициент распределения, или константа фазового равновесия.

Закон Генри показывает, что зависимость между концентрациями данного компонента в газовой смеси и в равновесной с ней жидкости выражается прямой линией, проходящей через начало координат и имеющей угол наклона, тангенс которого равен m. Числовые значения величины m зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличением давления и снижением температуры. Таким образом, растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.

Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.

Закон Генри применим к растворам газов, критические температуры которых выше температуры раствора, и справедлив только для идеальных растворов. Поэтому он с достаточной точностью применим лишь к сильно разбавленным реальным растворам, приближающимся по свойствам к идеальным, т.е. соблюдается при малых концентрациях растворенного газа или при его малой растворимости. Для хорошо растворимых газов, при больших концентрациях их в растворе, растворимость меньше, чем следует из закона Генри. Для систем, не подчиняющихся этому закону, коэффициент m в уравнении является величиной переменной и линия равновесия представляет собой кривую, которую строят обычно по опытным данным.

Для описания равновесия между газом и жидкостью уравнение закона Генри применимо только при умеренных давлениях, невысоких температурах и отсутствии химического взаимодействия между газом и поглотителем.

При повышенных давлениях (порядка десятков атмосфер и выше) равновесие между газом и жидкостью не следует закону Генри, так как изменение объёма жидкости вследствие растворения в ней газа становится соизмеримым с изменением объёма данного газа. При этих условиях константу фазового равновесия можно определить следующим образом: m=E/f₀

где f₀ – фугитивность (летучесть) поглощаемого газа, выраженная в единицах давления.

Для бинарных растворов величина f₀ может быть найдена следующим образом:

n(f₀/x)=lnE–[A/(RT)][1–(1-x)²] , где А – постоянная.

При выражении состава фаз не в абсолютных, а в относительных концентрациях видоизменяется и запись закона Генри: Y*=(mX)/[1+(1-m)X]

Следовательно, при выражении закона Генри в относительных концентрациях равновесие в системе газ-жидкость изображается также кривой линией. Однако для сильно разбавленных растворов (малые концентрации X газа в жидкости) можно принять (1 – m)X≈0. Тогда знаменатель уравнения обращается в единицу и уравнение принимает вид: Y*=mX

При таком выражении закон Генри изображается прямой линией.

В случае абсорбции многокомпонентных смесей равновесные зависимости значительно сложнее, чем при абсорбции одного компонента, особенно тогда, когда раствор сильно отличается от идеального. При этом парциальное давление каждого компонента в газовой смеси зависит не только от его концентрации в растворе, но также и от концентрации в растворе остальных компонентов, т.е. является функцией большого числа переменных. Поэтому, как правило, в подобных случаях равновесные зависимости основываются на опытных данных.

В приведенных зависимостях не учитывалось влияние давления паров поглотителя на равновесие, что допустимо, если это давление мало по сравнению с парциальным давлением абсорбируемого газа. Если же давление паров поглотителя велико, то его влияние на равновесие при абсорбции учитывают следующим образом.

Согласно закону Рауля, парциальное давление компонента в растворе равно давлению пара чистого компонента, умноженному на его мольную доля в растворе, т.е. для поглотителя: р_П=Р_П(1-х)=Р_Пх_П

Парциальное давление абсорбента в равновесной газовой фазе р_П равно:р_П=Ру_П

Из уравнений получим: у_П=[P_П(1-x)]/Р=(Р_Пх_П)/Р

В этом случае концентрация абсорбируемого газа в газовой фазе по отношению к концентрации инертного газа составляет:Y=y/(1-y-y_П)

При таком выражении концентрации в качестве общего давления принимается разность Р-р_П.