Классификация массообменных процессов

Классификация массообменных  процессов.

Процессы массообмена, в  которых исходный и конечный продукты обмениваются веществом, организуют для  получения в контрированном виде продуктов, содержащихся в сырье  в малых концентрациях. Эти процессы ведут в массообменных аппаратах.

   Массообменные процессы  классифицируют по трем основным  признакам: агрегатному состоянию  вещества, способу контакта фаз  и характеру их взаимодействия.

   Классификация массообменных  процессов по агрегатному состоянию  контактирующих фаз на рисунке  (1).

   Можно представить  шесть различных сочетаний из  трех возможныз фаз по две:  газ – жидкость, газ – твердое  тело, жидкость – жидкость, жидкость  – твердое тело, газ – газ,  твердое тело – твердое тело. Два последних сочетания практически  не используют в массообменных  аппаратах.

   Когда два разделяемых  компонента содержатся одновременно  в газообразной и

 жидкой  фазах, их  разделение возможно в процессах  перегонки (дистилляции) и ректификации.

Дистилляция (перегонка) – разделение жидких смесей на различающиеся по составу фракции.

Ректификация – способ разделения жидких смесей , состоящих из нескольких компонентов.Ректификация основана на многократном испарении жидкости и  конденсации ее паров или на однократном испарении смеси с последующей многоступенчатой конденсацией компонентов.Ректификацию применяют, например, в спиртовой промышленности для получения спирта – ректификата. Так, если раствор этилового спирта в воде частично испарить, то в паровой фазе концентрация спирта окажется большей, чем в оставшейся жидкости и чем в исходном растворе. Если после этого пар сконденсировать, то в итоге получатся две жидкости с различными концентрациями спирта в них. Повторение этого процесса может обеспечить  все более и более высокую концентрацию спирта, т.е. все более высокую степень разделения компонентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( Рис.1) Классификация массообменных  процессов по агрегатному состоянию  рабочих тел: Г-газ; Ж- жидкость; Тв.т – твердое тело.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В том случае когда компонент  растворим в каждой из фаз, которые  сами одна в другой нерастворимы, процесс  перехода компонента из газообразной фазы в жидкую называют абсорбцией ( объемным поглощением), а обратный процесс – десорбцией. Например , если смесь аммиака с воздухом  привести в контакт с водой , часть аммиака перейдет в воду ( вода абсорбирует аммиак ) и воздух частично очистится от него. В обратном процессе при контакте водного раствора аммиака с воздухом в последний перейдет часть аммиака – произойдет процесс десорбции.

Если при переходе одного из компонентов из фазы в фазу в  одной из них уменьшается ( увеличивается ) количество жидкости ( растворителя ), такой процесс называют сушкой ( увлажнением ).Например, при контакте молока с горячим воздухом происходит переход воды в воздух. При этом молоко осушается, а воздух увлажняется.

Переход из твердого состояния  в газообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией. В том частном случае, когда и газ и твердое тело являются лишь носителями жидкости, находящейся в порах и на поверхности твердого тела, ее преход в пар при подводе теплоты называют сушкой или сублимационной сушкой. В частности, в овощах при этом происходит перенос влаги в жидком или парообразном состоянии к поверхности , а затем ее удаление с поверхности, т.е. типичный процесс сушки. Обратный процесс – переход компонентов смеси из газообразной фазы в твердую называют процессом адсорбции ( поверхностного поглощения ) или поцессом ионного обмена.Примером адсорбции может служить проникновение частичек водяного пара из его смеси с воздухом в гранулы силигагеля и их удержание в его порах; при этом воздух осушается.

Если  газовая фаза представляет собой смесь нескольких компонентов, которые в различной степени адсорбируются адсорбентом, возможно разделение смеси способом фракционной адсорбции.

При разделении в системе  жидкость – жидкость в контакт  вводятся две нерастворимые  друг в друге жидкости, каждая их которых растворяет выделяемый компонент в различной степени. Пример: разделение этилового спирта и изобутанола при контакте их смеси с водой. При этом изобутанол активно переходит в воду. Если после этого водный раствор изобутанола отделить от его смеси с этиловым спиртом, в которой количество изобутанола существенно уменьшено, то процесс можно повторить при новом  контакте отделившейся смеси изобутанола и спирта со свежей водой и получить из нее изобутанол более высокой концентрации. Такой процесс называют жидкостной экстракцией.

Особо чистые вещества получают в процессах фракционной кристализации. Кристаллы, выпавшие из раствора и имеющие  меньшее количество загрязняющих компонентов, чем исходный раствор, растворяются в чистом растворителе и из раствора вновь кристаллизуются. При этом часть загрязняющих веществ вновь  отделяются.

Если обе фазы в системе  жидкость –твердое тело представляют собой нейтральные вещества, а  выделяемый компонент преходит из твердого тела в жидкость, процесс разделения называют экстрагированием в системе твердое тело- жидкость. Пример этого процесса – переход сока из свеклы в воду.

Обратный процесс переноса вещества из жидкой фазы на поверхность  твердой имеет место в процессах  адсорбции и инного обмена, а в  объем- в процессах обратной экстракции.Пример адсорбции – очистка воды от примесей при пропускании ее через насадку  активированного угля, адсорбирующего эти примеси. Примером обратной экстракции может быть посол мяса или рыбы.

По способу  контакта фаз массообменные процессы разделяют на процессы с непосредственным контактом фаз, контактом через мембраны и без видимой границы фаз.Если между фазами устанавливают мембраны , то процесс разделения относится к области мембранных технологий.

По характеру  взаимодействия фаз массообменные процессы и аппараты разделяют на периодические и непрерывные. Кроме того, в непрерывных процессах возможна организация прямоточного, противоточного, перекрестного и комбинированного движения компонентов.В зависимости от конктетной организации процесса возможно разнообразное изменение концентраций участвующих в процессе веществ по длине аппарата и во времени. Их разнообразие увеличивается путем комбинирования процессов.

 

Расчеты массообменных  аппаратов

Инженерные расчеты массообменных  аппаратов используют феноменологические зависимости. В них широко применяются  эмпирические коэффициенты связи между  движущей силой процесса и реакциями  на нее без глубокого проникновения  в физическую или химическую сущность я влений. Движущая сила поцессов массообмена  – разность концентраций.

Концентрация  раствора ( смеси). Относительное количество данного компонента в растворе называют его концентрацией . Растворы с большой концентрацией растворенного вещества называют концентрированным, а с малой – разбавленными.

Наиболее употребительны следующие способы выражения  концентраций:

Массовой – число единиц массы растворенного вещества в 100 единицах массы раствора. Например, 15%-й раствор хлорида натрия –  раствор , в 100 г которого содержится 15г хлорида натрия и 85г воды;

объемной мольной –  число молей растворенного вещества в единице объема раствора;

массовой мольной –  число молей растворенного вещества в 1000г растворителя;

относительной мольной ( мольная  доля) – отношение числа молей  рассматриваемого вещества к общему числу молей всех веществ в  растворе.

Массообменный процесс прекратится, как только будет достигнута равновесная  концентрация в системе.

Равновесие фаз.Основное условие равновесия процессов в массообменном аппарате – равновесие фаз. При отклонении состояния веществ от равновесия, например в результате изменения термодинамических параметров, реализируется переходный процесс восстановления равновесия ( принцип Ле Шателье).

Состояние равновесия подчиняется  правилу фаз Гиббса,рассмотренному во введении, в соответствии с которым  число степеней свободы S равновесной  термодинамической системы, на которую  из внешних факторов действуют только температура и давление, равно  числу компонентов K минус число  фаз Ф плюс два:

S=K-Ф +2.

Число степеней свободы, как  известно, - это число независимых  переменных ( температура,давление,концентрация),при  любых значениях которых возможно термодинамическое равновесие. Например, в системе, состоящей только из паров  воды( число компонентов K=1, число  Ф=1) имеем S=1-1+2=2.Два параметра этой системы ,например температура и  давление, могут изменяться в широких  пределах без нарушения равновесия, т.е без образования новой фазы. Если в этой же системе появится новая фаза – жидкость, то число  фаз станет равным Ф=2 и тогда S=1-2+2=1. В этой системе в состоянии равновесия независимо может изменяться только один параметр, например температура. Давление при этом установится на таком уровне, который соответствует заданной температуре. Это произойдет либо вследствие дополнительного испарения пара из жидкости, либо в результате конденсации части паров .Такую систему называют влажным насыщенным паром. Если в этой же системе появится третья фаза – твердое тело ( лед), то Ф=3,S=0.В этом случае система лишается всякой свободы, т.е она может быть реализована только при одном строго фиксированном значении давления и температуры – при критических параметрах, соответствующих тройной точке на диаграмме состояния водяных паров.

В многокомпонентных системах кроме температуры и давления меняются концентрации компонентов. Для  бинарной смеси вода – спирт имеем  К=2,S=2-2=2, т.е. условия равновесия могут  реализоваться при произвольном изменении двух параметров. При атмосферном  давлении этими параметрами могут  быть температура и концентрация одного или концентрации двух компонентов, или давление и концентрация одного из компонентов. Состояния равновесия бинарной системы представлены в  виде зависимости концентрации одного компонента от концентрации другого, когда  давление и температура смеси  – зависимые параметры, а также  в виде зависимости концентрации одного и связанной с ней концентрации другого компонента – от произвольной температуры.

Изобарная диаграмма, в координатах, имеет две кривых – кривую кипения  и кривую конденсации. Изотерме на ней  соответствует концентрация кипящей  жидкости и концентрация конденсата  из пара состава. Количества паровой  и жидкой фаз обратно пропорциональны  отношению отрезков. Точка на диаграмме  соответствует перегретый пар состава  температуры.

Уравнения материального  баланса. Уравнение рабочей линии.

Материальный баланс в  массообменном аппарате рассмотрим на примере противоточного аппарата высотой H, который установлен вертикально  и где две фазы компонентов  движутся навстречу друг другу.

Сверху в аппарат поступает m_2H  кг/c жидкости с начальной концентрацией второго компонента C_2H, а снизу удаляется m_2H  кг/c жидкости с конечной концентрацией C_2K . Снизу поступает m_1H  кг/c газа с начальной концентрацией первого компонента C_1H , а сверху удаляется m_1K  кг/c газа с конечной концентрацией C_1K .

Пренебрегая потерями в стационарных условиях , можем записать уравнения  материальных балансов:

m_2H + m_1H = m_2K+ m_1K;

m_2H C_2H+ m_1H C_1H = m_2K C_2K+ m_1K C_1K.

m₂ C₂+ m_1H C_1H  = m_2K C_2K+ m₁ C_1.

Последнее уравнение называют уравнением рабочей линии процесса. Оно устанавливает связь между концентрациями искомого компонента во всех сечениях аппарата. Это уравнение прямой линии с угловым коэффициентом

m₂/ m_1.

Уравнение рабочей линии изображено в виде прямой линии АВ, а равновесные линии для процессов перехода из газообразной фазы в жидкую и из жидкой в газообразную — соответственно 0(Е)_Г-_Ж и 0(Е)_Ж-_Г. По относительному расположению рабочей и равновесной линий можно судить о направлении перехода вещества. Если рабочая линия находится над линией равновесия, то концентрация первого компонента в газе выше равновесной, а в жидкости ниже равновесной, т. е. С₁₁ > (С₁₁*)_г-_ж; С₂₁< (С₂₁*)_г__ж.

В этом случае компонент  будет переходить из газообразной фазы в жидкую.

 

Коэффициент массоотдачи. Движущей силой в процессе массопередачи служит разность концентраций в ядре потока и на границе раздела фаз АС, а реакцией системы — поток массы переносимого вещества. Их связь в феноменологической зависимости представляется в виде:

dM = α C.

 

где α — постоянная.

При расчете аппаратов  из постоянной α выделяют сомножитель, характеризующий непосредственно аппарат. Это площадь поверхности массообмена F. Тогда будем иметь:

 

dM =β C β F; β F = α.

Постоянную  β называют коэффициентом массоотдачи. Для диффузионных аппаратов свеклосахарного производства

β = 1,5 – 10-⁷...8,5 • 10-⁶ м/с.

 

Критериальные зависимости.

Критерий Прандтля в диффузионных процессах характеризует различие профилей скорости и концентрации в них, появляющееся вследствие того, что процессы релаксации концентрации отс ют от процессов установления скоростей потоков в аппаратах. 5 отставание может быть весьма существенным. Конкретные виды критериальных уравнений массопереноса (приводятся для примера):

 

Nu_Д =  3,8- 10^-4Re^l,38Pr_Д

                    для расчета коэффициента массоотдачи от частиц растительного сырья;

             0,0066 Rе Pr^0,5

             для расчета коэффициента массопередачи в пленочной орошаемой колонне при       Rе_ж = 4...80.

  

 

ЧИСЛО ЕДИНИЦ ПЕРЕНОСА

Рассмотрим процесс переноса извлекаемого компонента первой фазы во вторую .Фазы обозначены первой цифрой индекса при концентрации С. На входе в аппарат, которому соответствует точка А, концентрация вещества в первой фазе составляет С_1н.