Массообменные процессы
Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия (скоростью массопередачи). В процессе массообмена принимают участие три компонента: распределяющее вещество, составляющее первую фазу, распределяющее вещество, составляющее вторую фазу и распределяемое вещество, переходящее из первой фазы во вторую.
Движущей силой процесса массообмена является градиент концентрации распределяемого вещества:
DС = С- С р (10.6)
где: С - фактическая концентрация вещества в данной фазе;
Ср – равновесная концентрация его.
Процесс массопередачи выражается основным уравнением ее для единицы времени:
Dm = KDC F (10.7)
где Dm – количество вещества, перешедшее из одной фазы в другую,
F- поверхность раздела фаз; DС – движущая сила процесса массообмена.
К массообменным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, адсорбция, сушка.
1.Абсорбция– процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В основе процесса абсорбции лежит закон Рауля, согласно которому парциальное давление абсорбента над раствором равно давлению пара чистого абсорбента, умноженному на его мольную долю в растворе:
раб = Раб (1-Х), (10.8)
где: раб – давление паров абсорбента над раствором,
Раб - давление паров чистого абсорбента,
Х - мольная доля абсорбированного газа в растворе.
Абсорбция – процесс избирательный и обратимый. Поэтому в сочетании с обратным процессом десорбции он используется для разделения газовых и паровых смесей на отдельные компоненты.
Аппараты для проведения абсорбции (абсорберы) делятся на три типа:
– абсорберы, в которых контакт фаз между жидкостью и газом (паром) осуществляется в слое жидкости, растекающейся по насадке;
– абсорберы, в которых контакт фаз создается между потоками газа и жидкости (абсорбционные колонны);
– абсорберы, в которых контакт фаз создается за счет разбрызгивания жидкости в газе с помощью форсунок.
Во всех случаях с помощью этих приемов достигается увеличение поверхности контакта фаз и движущей силы процесса массообмена.
2.Адсорбция–процесс поглощения газов или паров твердыми поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.
3.Ректификация - процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие их компоненты или группы компонентов (фракции) в результате взаимодействия паровой и жидкой фаз. Процесс ректификации основан на различии состава пара над жидкостью и самой жидкости в условиях равновесия между паровой и жидкой фазами. Это равновесие в системе « жидкость – пар » описывается уравнением
у = х *a / [1 + (a +1) *х ,] (10.9)
где: у – мольная доля компонента в паровой фазе,
х – мольная доля компонента в жидкой фазе,
a - относительная летучесть компонента.
По закону Коновалова пар по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью, относительно более богат тем компонентом, прибавление которого к смеси понижает температуру ее кипения. При ректификации происходит многократное испарение жидкости и конденсации паров, движущихся противотоком, в результате чего осуществляется непрерывный массо - и теплообмен между ними. При этом на нижней ступени из жидкой смеси извлекается низкокипящий компонент, который переходит на верхнюю ступень, а высококипящий компонент переходит из паровой фазы в жидкую. В результате после конденсирования паров смесь разделяется на дистиллят и остаток.
Схема ректификации
 |
Процесс ректификации
|
|
m1, m2, m3 –количество поступившей на ректификацию смеси, образовавшегося дистиллята и остающегося остатка, х1, х2, х3 –содержание легколетучего компонента в них, соответственно
Из общего баланса m1= m2 + m3 и баланса летучего компонента m1X1 = m2X2 + m3X3 содержание последнего и дистиллята равно:
m2 = m1 *[(X1-X3 )/ (X2 – X3)], (10.10)
По своей конструкции аппараты для ректификации аналогичны абсорберам и называются ректификационными колоннами. По типу контакта паровой и жидкой фаз они подразделяются на колонны с насадкой и колонны тарельчатые. В колоннах первого типа увеличение поверхности контакта паровой и жидкой фаз обеспечивается применением насадки в форме различных элементов и устройства, распределяющего жидкость по насадке. Эффективность насадки обратно пропорциональна « эевивалентному диаметру» ее, определяемую по формуле:
dэкв = 4f /S
где: f – сечение кагалов между элементами насадки, S – суммарный периметр каналов.
В колоннах второго типа для увеличения поверхности контакта фаз используются тарелки различного типа.
Разделяющая способность ректификационной колонны определяется числом теоретических тарелок в ней. Теоретической тарелкой называется единица высоты ректификационной колонны, на которой достигается обогащение пара низкокипящим компонентом смеси, отвечающее равновесию между паром и жидкостью. Число теоретических тарелок зависит от заданной полноты разделения и летучести (практически – температуры кипения) компонентов ректификационной смеси. Эти величины связаны зависимостью:
уп /(1-уп) = х1/ (1-х1) * aп , (10.11)
где: n – число теоретических тарелок, хп – число теоретических тарелок,
х1 – мольная доля низкокипящего компонента в жидкой фазе,
уп - мольная доля этого же компонента в паровой фазе,
a - относительная летучесть компонентов, равная отношению парциальных давлений компонентов в паровой фазе.
4.Экстракция–это процесс извлечения одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой фазой, практически несмешивающейся с первой. Процесс экстракции основан на законе распределения, согласно которому отношение равновесных концентраций вещества , распределенного между двумя жидкими фазами, при постоянной температуру есть величина постоянная., называемая коэффициентом распределения:
hр = С1/С2, (10.12)
где: hр – коэффициент распределения,
С1 –равновесная концентрация распределяемого вещества в первой распределяющей фазе,
С2 –то же во второй фазе.
Экстракция осуществляется в аппаратах- экстракторах, которые конструктивно делятся на:
– смесительно-отстойные, в которых последовательно проводятся две стадии процесса экстракции: перемешивание жидкостей и их отстаивание для разделения жидких фаз;
– колонные, в которых поверхность раздела фаз увеличивается путем диспергирования капель одной жидкости в другой;
– центробежные и пульсационные, в которых диспергирование жидких фаз достигается за счет перемешивания или пульсации жидкости.
В отдельных случаях процесс экстракции сочетают с процессом ректификации для снижения затрат тепла в последнем и повышении его эффективности.
Схема ректификации с предварительной абсорбцией.
Разбавленный
|
|
С
А – растворитель, В – экстрагируемое вещество, С – экстрагент.
Подобная схема применяется для извлечения веществ из сильно разбавленных растворов, для получения концентрированных растворов, для разделения жидких однородных смесей.
5.Сушка - процесс удаления летучего компонента (чаще всего влаги) из твердых материалов путем его испарения и отвода образующегося пара. Условием сушки является обеспечения неравенства Рм> Рс, где Рм – давление пара во влажном материале, Рс – парциальное давление пара в окружающей среде. Давление пара Рм зависит от температуры, влажности высушиваемого материала, типа связи влаги с материалом (абсорбционная, конституционная, гигроскопическая).
Скорость процесса сушки увеличивается с повышением температуры, понижением давления над высушиваемым материалом, уменьшением влагосодержания высушивающего газа (рс) и повышением скорости циркуляции газа над материалом.
Существуют следующие варианты процесса сушки:
– контактная сушка с нагревом материала через стенку;
– непосредственная сушка нагретым газом или воздухом;
– сушка нагревом токами высокой частоты;
– диационная сушка нагревом инфракрасным излучением.
В соответствии с этими вариантами для сушки используются аппараты – сушилки различной конструкции:
– для контактной сушки – сушильные шкафы, сушилки, оборудованные мешалками, вальцовые сушилки;
– для газовой сушки применяются камерные, туннельные, ленточные, барабанные и распылительные сушилки периодического и непрерывного действия.
Схема контактной сушки Схема газовой сушки
пар
увлж.
газ
| |
| |
Т 1 сухой газ 4
| |
ТНС ТНС
Т1 Т2
ВлМ
ВлМ-влажный материал 1-камера контакта сырого материала с сыпучим агентом,
ТНС – теплоноситель, Т1>Т2 2-–узел подогрева и подачи сушильного агента,
3 – узел транспортировки материала,
4 –вентилятор
Максимальной эффективностью обладают сушилки кипящего слоя, распылительные сушилки
В последнее время в химико-технологическом процессах широко используются аппараты, которые совмещают несколько элементарных процессов. Это позволяет повысить эффективность, упростить технологическую схему. К подобным аппаратам совмещенного действия относятся:
– распылительная сушилка, совмещающая выпарной аппарат и сушилку;
– распылительная сушилка – гранулятор и аммонизатор - гранулятор в производстве аммофоса, совмещающие процессы нейтрализации кислоты и грануляции полученного продукта.