Іv масообменни процеси



Дата04.09.2017
Размер81.21 Kb.
ГЛАВА ІV МАСООБМЕННИ ПРОЦЕСИ

4.1. ОСНОВИ НА МАСООБМЕНА


В химическата технология широко разпространени са процесите, свързани с пренасянето (движението) на вещество (маса) от едно място на друго, от едно тяло в друго под влияние на разликата в концентрациите на веществото в различните места. Масопренасянето се осъществява чрез дифузия, която е един от най-често протичащите процеси в промишлеността. Използва се за разделяне на еднородни системи на съставни части, за извличане на отделни компоненти от техните смеси, за получаване на еднородни системи от нееднородни и в отделните случаи се нарича абсорбция, адсорбция, дестилация, кристализация, сушене, екстракция. Затова тези процеси се наричат общо масообменни (дифузионни).

Масообменните процеси са тези, при които се пренасят маси вещества спонтанно от една фаза в друга или с движението на молекули или йони на едно вещество в дадена фаза. Дифузията се предизвиква от «стремежа» на системата да достигне физико-химичното си равновесие. За технологията е важно да се познава не само равновесието – статиката на процеса, но и скоростта, с която то се достига, т.е. кинетиката на процеса.

Най-напред е необходимо да се изяснят понятията фаза и компонент. Всяка система се състои от фази и компоненти. Фазата е еднородна среда, която може да бъде отделена от дадена смес по механичен начин. Фазите биват газови, течни и твърди. Но понятието фаза не бива да се отъждествява с агрегатното състояние, защото може да има две фази в едно агрегатно състояние. Различните вещества, от които се състои дадена фаза, се наричат компоненти. Те определят състава на системата, който се изразява чрез концентрацията на компонентите.

В химическата практика има голямо разнообразие на масообменни процеси :

1. Абсорбция – представлява поглъщане на пари и газове от дадена течност. Поглъщането на тези вещества има избирателен характер, напр. очистване на газова смес чрез пропускането й през течност, разтваряща някои от компонентите.

2. Адсорбция – поглъщане на газове, пари или разтворени в течност вещества от твърдо тяло. При това могат да бъдат поглъщани едно или няколко вещества. Този процес също има избирателен характер. Адсорбцията и абсорбцията се прилагат за извличане от газовете на нефтохимическите заводи на редица ценни нефтохимически суровини, като пропан-пропиленовата и бутан-бутиленовата фракция.

3. Дестилация и ректификация – разделяне на течна смес на компонентите й чрез изпаряване и кондензация. Чрез тези процеси от нефта се получават разнообразни продукти: бензин, газьол, дизелово гориво, мазут, маслени фракции и мн.др.

4. Есктракция – процес, при който с помощта на течен разтворител се извличат едно или няколко вещества от течна смес или твърдо тяло. Тя също има избирателен характер и е в основата на извличане на ароматни въглеводороди от бензиновите фракции при производство на масла.

5. Сушене – процес на отделяне на влагата от твърдо тяло. Процесът намира приложение при производствата на катализатори и други продукти.

6. Кристализация – преминаване на вещество от течна в твърда фаза. Състои се в образуване на кристали и преместване на веществото от разтвора към повърхността на кристалите и тяхното нарастване.

Въпреки голямото многообразие за тези процеси е характерно, че всички протичат чрез дифузия на веществото между две неравновесни фази до установяване на равновесие между тях. Движещата сила на масообменните процеси е концентрационната разлика на веществото във фазите. Всички са хетерогенни процеси като масопреносът протича през междуфазната повърхност, разделяща фазите. Според условията на равновесие и концентрацията на веществото във фазите са обратими процеси. Широко се използват за разделяне на газови или течни еднородни системи и твърди смеси.

Фазово равновесие. Познаването на равновесното състояние на масообменен процес позволява да се определят границите, до които може да протича този процес. Една система е във фазово равновесие, когато за известно време, състава и количеството на нейните фази остават постоянни. Съществуването на дадена фаза е възможно само при определени условия, при изменението на които равновесието в системата се нарушава и става изместване на фазите или преминаване на веществото от едно състояние в друго. Необходимо и задължително условие за установяване на равновесие в системата е изравняване на температурата и налягането на всички фази.

Подобно на пренасянето на топлина, което се осъществява само при отклонение от равновесното състояние, т.е. при наличие на температурна разлика между топлоносителите, така и пренасянето на вещества от една фаза в друга протича само при неравновесно състояние на системата.

За да изясним по-точно същността на фазовото равновесие, ще разгледаме следния пример. Нека имаме въздух, в който се съдържа серен диоксид с масова концентрация у (%) и вода, в която в началото на процеса няма серен диоксид (концентрацията му е х=0). Като се осъществи контакт между двете фази (въздух и вода), активният компонент SO2 започва да се разтваря във водата с образуване на сериста киселина. С увеличаване количеството на SO2 във водата обаче започва и обратен процес – на частичното му преминаване обратно във въздуха. С течение на времето скоростта на поглъщане на оксида от водата намалява, като едновременно се увеличава скоростта на преминаването му от водата към газовата фаза. В даден момент двете скорости стават еднакви. При това се установява равновесно състояние между двете фази и видимо няма да има пренасяне на вещество между фазите. Във водата и въздуха се установяват определени концентрации на SO2, които се наричат р а в н о в е с н и концентрации за дадените условия (t,p), при които протича процесът.

В това състояние съществува определена зависимост между концентрациите на разпределяното вещество (SO2) в двете фази (газова и течна). На дадена концентрация на SO2 във водата (х) отговаря точно определена концентрация на същото вещество във въздуха, която се нарича равновесна и се бележи с ур, т.е. между тях съществува зависимостта

yр = f (x)

Равновесието между фазите може да се представи графично на y – x диаграма (фиг.1). На тази диаграма по абсцисната ос се нанася концентрацията х на разпределяното вещество в течната фаза, а по ординатната ос – концентрацията у на същото вещество в газовата фаза. Зависимостта между равновесните концентрации ур и х, се нарича р а в н о в е с н а л и н и я(1)

По тази линия за всяка концентрация на SO2 във водата х можем да определим концентрацията му във въздуха.

Фиг.4.1. Фазова диаграма у-х Фиг.4.2. Разпределение на концентрациите

при масопреминаване
Ако концентрацията на SO2 във въздуха е по-голяма от равновесната, той ще преминава от въздуха във водата. В обратния случай, ако концентрацията му е по-малка от равновесната, то той ще се отделя от водата към въздуха.

За да съществува даден масообменен процес, е необходимо действителните концентрации на разпределяния компонент в дадена двуфазна смес да бъдат различни от равновесните. Тези концентрации се наричат р а б о т н и. Зависимостта между работните концентрации в хода на процеса се изобразя на графиката с т.н. р а б о т н а л и н и я (2).

Разпределяното вещество винаги преминава от фазата, в която неговото съдържание е над равновесното, във фазата, в която същото вещество има концентрация, по-ниска от равновесната. Стойностите на равновесните концентрации се вземат от справочник. Те не съществуват реално и затова се изразяват като функция от действителните работни концентрации на разпределяния компонент и от работните условия на процеса.


Основно уравнение на масопреминаването
Аналогично на топлопренасянето най-голямо значение за промишлеността има дифузията, свързана с пренасяне на маси вещество от една фаза в друга, например от газ в течност (абсорбция), от течност в течност (екстракция), от газ или течност в твърдо тяло (адсорбция) и пр. Масопренасянето при контакт на две газови или две твърди фази не представлява практически интерес, защото газовете се смесват напълно, а скоростта на преноса между две твърди фази е много малка.

Обикновено този род процеси се осъществяват чрез движение и непосредствен допир на едната фаза – газова(Фх), с другата фаза – формира повърхност, през която протича дифузията на един или няколко компоненти (фиг.2). Прието е двете фази Фх и Фу да се наричат н о с и т е л и. Този масообмен между движещи се флуиди през междуфазната гранична повърхност между тях се нарича масопреминаване. Механизмът на движението на средата (хидродинамиката) определя механизма на дифузията.

Съществуват най-общо два начина на пренасяне на вещество – молекулярен и конвективен. При молекулната дифузия веществото се пренася частица по частица вследствие на тяхното топлинно движение в посока от по-голямата концентрация към по-малката. Тази дифузия преобладава в твърдите тела (катализатори, метали, адсорбенти) и в неподвижна флуидна среда. Скоростта на молекулната дифузия зависи от разликата в концентрациите на дифундиращото вещество в различните части от обема на фазата и от „лекотата”, с която то прониква между молекулите й. Способността на дадено вещество да прониква (дифундира) между молекулите на средата се характеризира с коефициентът на дифузия Д, измерен в m2/s. Дифундиращата способност на едно и също вещество в различни среди е различна. Затова дифузионният коефициент зависи от природата на средата, температурата и концентрацията, а също и от големината на молекулите на веществото. Големите молекули дифундират по-трудно и техните дифузионни коефициенти са по-ниски.

При конвективната дифузия пренасянето на вещество е резултат общо от молекулното дифундиране и механичното преместване на веществото, увлечено от потока на движещата се среда. Тази дифузия е характерна за движещи се флуиди. Скоростта на конвективното масопренасяне се определя от коефициентът на масопредаване β, измерен в m/h. Той зависи от хидродинамичните условия, физичните свойства на веществото и геометрични фактори. Определя се по експериментален път. По един от тези два вида дифузия се пренася вещество в обема на фазата.

Масопреминаването е сложен процес, включващ пренасяне на вещество в границите на една фаза, пренасяне през граничната междуфазна повърхност и пренасяне в границите на другата фаза. Аналогичен е на процеса топлопреминаване. При това посоката на масопреминаването от една в друга фаза се определя от концентрациите на разпределяното вещество във фазите и условията на равновесие.

Когато две среди(фази) – течна и твърда или течна и газообразна – се намират в контакт помежду си и липсва равновесие в концентрациите, започва преминаване на вещество от едната среда в другата. Колкото концентрациите са по-различни от равновесните, толкова по-голямо количество вещество ще преминава. Следователно скоростта на този процес ще зависи от разликата между действителната(работната) концентрация и равновесната. Тази разлика се нарича движеща сила на процеса. Тя характеризира степента на отклонение на системата от равновесното й състояние. Освен това количеството на преминаващото вещество е правопропорционално на повърхнината на съприкосновение между двете фази. Количеството на преминаващото вещество от газовата в течната фаза може да се изрази с равенствата


М = k.F.(y – yр).τ; М = k.F.(xр – x).τ
Ако масопренасянето протича от течната в газовата фаза, горните уравнения ще имат вида

М = k.F.(yр – y).τ; М = k.F.(x – xр).τ


където: к е коефициент на пропорционалност наричан коефициент на масопреминаване,kg/m2.s

F – повърхността на контакт между двете фази, m2;

х, y – действителни(работни) концентрации, кg/kg;

хр, yр – равновесни концентрации, kg/kg;

τ – продължителност на процеса, s.

Коефициентът на масопреминаване изразява количеството вещество, пренесено от едната фаза в другата за единица време през междуфазната повърхност при единица движеща сила. Определя се по опитен път чрез сложни критериални уравнения. Неговата стойност при определена температура, налягане, концентрация и скорост на движение, е показател за интензивността на масопреносния процес.



В случая движещата сила е изразена чрез концентрациите както в газовата, така и в течната фаза. Тъй като тези разлики в хода на процеса непрекъснато се изменят, по-често се работи с т.нар. средна движеща сила уср. Средната движеща сила се определя по аналогичен начин, както средната температурна разлика.






База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница