Ответы на экзамен ПАХТ. 1. Классификация основных процессов химической технологии может. В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов
 Скачать 1.17 Mb.
|
|
31. Скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах. Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярной диффузии (фаза неподвижна), либо путем диффузии и конвекции (движущаяся среда).В турбулентном потоке молекулярная диффузия преобладает только вблизи поверхности раздела фаз. При турбулентном течении возникают нерегулярные пульсации скорости под действием которых, на ряду с общим движением потока происходит перемещение частиц во всех, и в том числе и поперечном направлении. Конвективный перенос вещества, осуществляемый под действием турбулентных пульсаций называют турбулентной диффузией. Конвективный перенос. Происходит лишь в движущейся среде. Скорость конвективного переноса вещества вместе с самой средой в направлении, совпадающим с направлением общего потока равна  где  - скорость потока жидкости, газа или пара.с- коэффициент пропорциональности. Суммарный перенос вещества в движущейся среде, по аналогии с теплообменом, называют конвективным массообменом (конвективной диффузией). Распределение концентраций при массообмене определяется дифференциальным уравнением массообмена в движущейся среде.  Если процесс стационарен, то  , если процесс протекает в неподвижной среде, то  , уравнение принимает вид: -это уравнение носит название второго закона Фика.В дифференциальном уравнении массообмена в движущейся среде, помимо концентраций, переменной является скорость потока. Поэтому данное уравнение надо рассматривать совместно с дифференциальными уравнениями гидродинамики. Для расчета массообменных процессов приходится прибегать к преобразованию дифференциальных уравнений методами теории подобия. Молекулярная диффузия. Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движением самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, который был установлен немецким ученым А. Фиком в1855 году, согласно которому количества вещества  , продиффундировавшего за время  через элементарную поверхность  (нормальную к направлению диффузии) пропорционально градиенту концентрации  этого вещества: или  D- коэффициент молекулярной диффузии[ м2/с]. Удельный поток вещества, переносимого молекулярной диффузией через единицу поверхности (S=1) в единицу времени (  ) равен -удельное количество вещества или скорость молекулярной диффузии.Физический смысл коэффициента диффузии- он показывает какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу 32. Уравнение массоотдачи Массоотдача- процесс переноса распределяемого компонента внутри одной фазы от ядра потока к поверхности раздела или наоборот. Если обозначить через Фy (газовую фазу), через Фх- жидкую фазу, то распределяемый компонент в фазе Фy будет перемещаться из ядра потока к поверхности раздела фаз и определяющее количество (М) вещества, переносимого в единицу времени в каждой из фаз:  в фазе Фy; в фазе Фx. и  -движущая сила процесса массоотдачи соответственно в фазах Фy и Фх. и  -коэффициенты массоотдачи. Они показывают какое количество вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе равной единице.Коэффициент массоотдачи (  ) является не физической константой, а кинетическим коэффициентом зависящим от: плотности, вязкости, скорости, длины и диаметра аппарата. Таким образом величина ( ) является функцией многих переменных, что осложняет расчет и опытное определение коэффициентов массоотдачи.34. Подобие процессов переноса массы В диффузионном пограничном слое одновременно протекают процессы молекулярной диффузии и конвекции. Конвективный перенос можно записать как:  Диффузионный перенос описывается первым законом Фика:  при .Приравниваем оба выражения, сокращая на S, обозначим  через  заменим dy конечной разностью и  - некоторым линейным размером. Согласно рассмотренному ранее способу подобного преобразования уравнений, разделив левую часть уравнения на его правую часть, сократив подобные члены и опустив знак минус, получим- диффузионный критерий Нуссельта ( ):  -характеристический линейный размер. -характеризует отношение интенсивности переноса в ядре фазы кинтенсивности переноса в диффузионном пограничном подслое, где она определяется молекулярной диффузией. Для рассмотрения подобия процессов переноса вещества в основной массе (ядре) фазы за основу берется второй закон Фика Каждый член уравнения запишем отбросив знаки дифференциала и упростив:  Разделим третий член уравнения на первый, получим диффузионный критерий Фурье,  который характеризует постоянство отношения изменения концентрации во времени к изменению концентраций вследствие чисто молекулярного переноса, т.е. нестационарность массообменных процессов. Разделим второй член на третий, получим диффузионный критерий Пекле.  Pe'- характеризует меру отношения массы вещества, перемещаемой путем конвективного переноса и молекулярной диффузии, в сходных точках подобных систем (т.е. влияние кинетических условий на процессы молекулярной диффузии). Критерий Ре' можем представить в следующем виде:  , отсюда,   -коэффициент кинематической вязкости;Pr'-характеризует отношение физических свойств жидкости (газа) в сходственных точках подобных потоков, или отношение толщины гидродинамического пограничного слоя и диффузионного пограничного слоя. Общая функциональная зависимость от определяющих критериев и симплексов подобия для неустановившихся процессов массоотдачи может быть выражена как Г1 и Г2 -симплексы геометрического подобия . Для стационарного процесса,  . В диффузионном пограничном слое (ДПС) сосредоточено все сопротивление массопереносу, поэтому одним из способов интенсификации массообменных процессов, является повышение скорости движения фазы, тем самым ДПС "обдирается" и его толщина уменьшается. 33. Уравнение массопередачи. Процесс массопередачи включает процессы массоотдачи в пределах каждой из двух взаимодействующих фаз и, кроме того, - процесс переноса распределяемого вещества через поверхность раздела фаз.   где S- поверхность раздела фаз; y* ,x* -равновесные концентрации в данной фазе;  - коэффициенты массопередачи.При такой форме записи уравнения массопередачи движущая сила процесса выражается разностью между рабочей и равновесной концентрацией (или наоборот), отражающей меру отклонения системы от состояния равновесия. Физический смысл коэффициента массопередачи - он показывает, какое количество вещества переходит из фазы в фазу за единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при средней движущей силе равной единице. Концентрации фаз изменяются при их движении вдоль поверхности раздела, соответственно изменяется движущая сила массопередачи. Поэтому в уравнении массопередачи вводят величину средней движущей силы  .  В общем случае  или  .С помощью этих уравнений обычно находят поверхность контакта фаз S и по ней рассчитывают основные размены аппарата. Для определения S, предварительно рассчитывают коэффициенты массопередачи  и  и среднюю движущую силу. Величина М-количество вещества, переходящее из фазы в фазу в единицу времени, или нагрузка аппарата, либо задается при расчете, либо определяется из материального баланса.Аддитивность диффузионных сопротивлений. Рассмотрим случай, когда равновесная зависимость между концентрациями в фазах линейна, т.е. линия равновесия описывается уравнением  , где m- тангенс угла наклона линии равновесия.Диффузионным сопротивлением называется величина обратная коэффициенту интенсивности процесса. Для фазы y:  ;Для фазы x:  .Диффузионное сопротивление массопередачи в целом складывается из диффузионных сопротивлений массоотдачи в одной и другой фазах. Объемные коэффициенты массоотдачи и массопередачи. Поверхность контакта фаз к единице которой отнесены коэффициенты массоотдачи и массопередачи ,в большинстве случаев трудно определить, например в барботажных массообменных аппаратах эта поверхность представляет собой совокупность поверхностей брызг, пены и пузырей. Поэтому коэффициенты массоотдачи и массопередачи часто относят не к поверхности контакта фаз S, а к рабочему объему аппарата V, который связан с поверхностью зависимостью  , где а- удельная поверхность, отнесенная к единице рабочего объема аппарата [м2/м3].Объемные коэффициенты массоотдачи  .Объемные коэффициенты массопередачи  .Пути интенсификации процесса массопередачи. 1) Увеличение средней движущей силы процесса за счет использования противоточной схемы. 2) Повышение коэффициента массопередачи .Путем увеличения наименьшего из ( )- коэффициента массоотдачи за счет увеличения скорости движения фазы.3) Увеличение поверхности раздела фаз. Это достигается путем перевода струйного режима течения в пленочный. С этой целью применяются (кольца Рашига у которых диаметр и высота одинаковы) насадки. Массоперенос в системе жидкость- твердое, является нестационарным процессом, наиболее ярким представителем этих процессов является сушка и кристаллизация. 35. Основные параметры влажного воздуха. Для сушки материалов в качестве теплоносителей и влагоносителей чаще всего используется нагретый в калорифере воздух или смешанные с воздухом топочные газы. Учитывая ,что смесь топочных газов с атмосферным воздухом по своим теплофизическим свойствам мало отличается от нагретого влажного воздуха, будем рассматривать важнейшие характеристики влажного воздуха. Влажный воздух является смесью сухого воздуха и водяного пара. Влажный воздух характеризуется следующими основными параметрами: Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг, содержащихся в1м3 влажного воздуха. По своему смыслу близка к плотности влажного воздуха, размерность [кг/м3]. Относительная влажность, или степени насыщения воздуха (  ) называется отношение массы водяного пара в 1м3 влажного воздуха ( ) к максимально возможной массе водяного пара в 1м3 воздуха  (плотности насыщенного пара) при тех же условиях (t, P). При увеличении температуры (плотность насыщенного пара) возрастает быстрее, чем (плотность пара), т.о. при нагревании относительная влажность уменьшается. Влагосодержание- это количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха.  г  де  и  -масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха, кг.Согласно уравнению Менделеева-Клайперона,  Подставляя эти значения в формулу для (x) влагосодержания, получим   - молекулярная масса паров воды (18) - молекулярная масса сухого воздуха (29)Отношение18/29=0,622 По закону Дальтона, общее давление газовой смеси (Р) будет равно сумме парциальных давлений компонентов, т.е. для нашего случая  , учитывая, что  , тогда  ,получим  где  - давление насыщения - барометрическое давление |