ответы. процессы и аппараты. 1 вопрос. Виды процессов массопередачи

• Название: 1 вопрос. Виды процессов массопередачи
• Дата: 21.02.2021
• Размер: 1.06 Mb.
• Имя файла: ответы. процессы и аппараты.docx
• Тип: Документы; #178301
• страница: 1 из 6

1 вопрос. Виды процессов массопередачи

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, то есть 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. 
   Перегонка-разделение гомогенных жидких смесей путем взаимного обмена компонентами между жидкостью и паром, полученным испарением разделяемой жидкой смеси.
   
4. 
   Адсорбция-поглощение компонента газа, пара или раствора твердым пористым поглотителем, то есть 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 осуществляется в результате пересыщения или переохлаждения раствора (расплава) и характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую.
   
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. Извлечение на основе избирательной растворимости одного или нескольких компонентов из твердого пористого материала, называется экстракцией из твердого или выщелачиванием.
   

2 вопрос. Способы количественного выражения составов фаз

Обычно количественный состав фаз выражают:

1. 
   В объемных концентрациях, принимая за единицу массы 1 кг или за единицу количества вещества 1 моль; объемная концентрация представляет собой число килограммов (или киломолей) данного компонента, приходящееся на единицу объема фазы (в кг/м³ или кмоль/м³);
   
2. 
   В весовых или мольных долях, представляющих собой отношение массы (или количества) данного компонента к массе (или количеству) всей фазы;
   
3. 
   В относительных концентрациях, т.е в виде отношения массы (или количества) данного компонента, являющегося распределяемым веществом, к массе (или количеству) компонента-носителя, количество которого остается постоянным в процессе массопередачи.
   

3 вопрос. 1-й закон Фика. Виды диффузии

Скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен.

Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярной диффузии либо путем конвекции и молекулярной диффузии одновременно. Посредством одной молекулярной диффузии вещество перемещается, строго говоря, лишь в неподвижной среде. В движущейся среде перенос вещества осуществляется как молекулярной диффузией, так и самой средой в направлении ее движения или отдельными ее частицами в разнообразных направлениях.

В турбулентном потоке перенос молекулярной диффузией преобладает только вблизи границы фазы. При турбелентном течении возникают нерегулярные пульсации скорости, под действием которых, наряду с общим движением потока, происходит перемещение частиц о всех направлениях, том числе и в поперечном. Конвективный перенос вещества, осуществляемый под действием турбулентных пульсаций, часто называют турбулентной диффузией.
Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому масса вещества dM, продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии), пропорциональна градиенту концентрации dc/dn этого вещества:

(1)

или

(2)

Из уравнения (2) следует, что удельный поток вещества, переносимого молекулярной диффузией через единицу поверхности (F=1) в единицу времени (τ=1), или скорость молекулярной диффузии, составляет:

(3)

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

Коэффициент диффузии выражается следующим образом:



Коэффициент диффузии показывает, какая масса 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.

Турбулентная диффузия. Масса вещества dM_T, переносимого в пределах фазы вследствие турбулентной диффузии, может быть принята, по аналогии с молекулярной диффузией, пропорциональной поверхности dF, времени dτ и градиенту концентрации dc/dn и определяется по уравнению:

(4)

Где ε_д-коэффициент турбулентной диффузии.

Удельный поток вещества, переносимого путем турбулентной диффузии через единицу поверхности в единицу времени, или скорость турбулентной диффузии, составляет:

(5)

Коэффициент турбулентной диффузии ε_д показывает, какая масса вещества передастся посредством турбулентной диффузии в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент ε_д выражается в тех же единицах, что и коэффициент молекулярной диффузии D, т.е. в м²/сек. Но в отличие от D коэффициент турбулентной диффузии ε_д не является физической константой; он зависит от гидродинамических условий, определяемых в основном скоростью потока и масштабом турбулентности.

Конвективный перенос. Скорость конвективного переноса вещества вместе с самой средой в направлении, совпадающем с направлением общего потока, равна:

(6)

Где w-скорость потока жидкости, газа и пара; С-коэффициент пропорциональности.

Суммарный перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии, по аналогии с теплообменом, называют конвективным массообменом, или конвективной диффузией.
Вопрос 4. Дифференциальное уравнение конвективной диффузии. II закон Фика

(7)

Уравнение (7) представляет собой дифференциальное уравнение конвективной диффузии. Оно выражает закон распределения концентрации данного компонента в движущейся стационарно среде при неустановившемся процессе массообмена.

Для частного случая, установившегося массообмена уравнение (7) принимает вид:

(8)

При массообмене в неподвижной среде , а конвективная составляющая в левой части уравнения (4) равна 0, и уравнение обращается в дифференциальное уравнение молекулярной диффузии:

(9)

Уравнение (9) носит название второго закона Фика.

В дифференциальном уравнении конвективной диффузии, помимо концентрации, переменной является скорость потока. Поэтому данное уравнение надо рассматривать совместно с дифференциальными уравнениями гидродинамики: уравнениями Навье-Стокса и уравнениями неразрывности потока. Однако эта система уравнений не имеет аналитического решения, и для получения расчетных зависимостей по массообмену приходится прибегать к преобразованию дифференциального уравнения конвективной диффузии методами теории подобия.

Вопрос 5. Подобие процессов массопередачи. Критерии подобия

Критерии подобия:

1. 
   Диффузионный критерий Био (Bi’):
   

Этот критерий отражает подобие переноса распределяемого вещества на границе твердой и жидкой (газовой или паровой) фаз.

В критерий Био входит отношение величин и , характеризующих скорости внешней и внутренней диффузии. Поэтому данный критерий имеет важное значение для анализа процессов массопередачи с участием твердой фазы. При малых значениях Bi скорость массопередачи определяется скоростью внешней диффузии, или, как говорят, процесс протекает во внешнедиффузионной области, а при больших значениях Bi-скоростью внутренней диффузии (внутридиффузионная область).

2. 
   Диффузионный критерий Фурье (Fo’):
   

Этот критерий описывает подобие скорости переноса вещества массопроводностью внутри твердой фазы.

Вопрос 6. Равновесие между фазами. Диаграмма равновесия. Линия равновесия. Коэффициент распределения

Рассмотрим в качестве примера процесс массопередачи, в котором аммиак, представляющий собой распределяемый компонент, поглощается из его смеси с воздухом чистой водой, т. е. ввиду отсутствия равновесия переходит из газовой фазы Фу, где его концентрация равна у, в жидкую фазу Фх, имеющую начальную концентрацию х = 0. С началом растворения аммиака в воде начнется переход части его молекул в обратном направлении со скоростью, пропорциональной 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:





Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия, которая либо является кривой, как показано на рисунке I, либо в частном случае - прямой линией. На рисунке (I, а) 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 рисунке (I, 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.).



а б

Рисунок I-Диаграммы равновесия: а- при Р = const и t = const; б- при Р = const
Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения:



Для разбавленных растворов линия равновесия близка к прямой, и т является практически величиной постоянной, равной тангенсу угла наклона линии равновесия.

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.

Вопрос 7. 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 фазах 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 (рисунок II). Пусть в процессе массопередачи из фазы в фазу, например, из газовой фазы в жидкую, переходит только один распределяемый компонент.

Сверху в аппарат поступает кг/с одной фазы (жидкой), содержащей вес. долей распределяемого компонента, а снизу из аппарата удаляется кг/с той же фазы, содержащей вес. долей распределяемого компонента. Снизу в аппарат поступает кг/с другой фазы (газовой) концентрацией и сверху удаляется кг/с этой фазы, имеющей концентрацию вес. долей распределяемого компонента.

Тогда материальный баланс по всему веществу:



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/с, а их текущие концентрации равны и соответственно.

Материальный баланс по всему веществу:



И материальный баланс по распределяемому компоненту:



Решая это уравнение относительно , получим:

(*)

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



Рисунок II-К выводу уравнения рабочей линии

Вопрос 8. Уравнение массоотдачи. Коэффициент массоотдачи

Ввиду сложности механизма процессов массоотдачи в фазах для практических целей принимают, что скорость массоотдачи пропорциональна движущей силе, равной разности концентраций в ядре и на границе фазы или (в случае обратного направления переноса) — разности концентраций на границе и в ядре фазы.

Соответственно, если распределяемое вещество переходит из фазы Ф_y в фазу Ф_х, то основное уравнение массоотдачи, определяющее количество М вещества, переносимого в единицу времени в каждой из фаз (к границе фазы или в обратном направлении), выражается следующим образом:

Фаза Ф_y: (10)

Фаза Ф_x: (11)

Входящие в эти уравнения разности концентраций и представляют собой движущую силу процесса массоотдачи соответственно в фазах Ф_y и Ф_x, причем и – средние концентрации в основной массе (ядре) каждой из фаз, и – концентрации у границы соответствующей фазы.

Коэффициенты пропорциональности в уравнениях (10) и (11) называются коэффициентами массоотдачи.

Коэффициенты массоотдачи и показывают, какая масса вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу поверхности единицу времени при движущей силе, равной единице.

Коэффициент массоотдачи является не физической константой, а кинетической характеристикой, зависящей от, физических свойств фазы (плотности‚ вязкости и др.) и гидродинамических условий в ней (ламинарный или турбулентный режим течения), связанных в свою очередь с физическими свойствами фазы, а также с геометрическими факторами, определяемыми конструкцией и размерами массообменного аппарата. Таким образом, величина β является функцией многих переменных, что значительно осложняет расчет или опытное определение коэффициентов массоотдачи. Значениями последних учитывается как молекулярный, так и конвективный перенос вещества в фазе.

Коэффициент массоотдачи может быть выражен в различных единицах в зависимости от выбора единиц для массы распределяемого вещества и движущей силы. Если принять что масса вещества выражена в килограммах, то в общей форме коэффициент массоотдачи выразится следующим образом:



Если в уравнение массоотдачи входит не масса (килограммы), а количество(киломоли) распределяемого вещества, то во всех приведенных единицах измерения килограммы должны быть заменены на киломоли.

Вопрос 9. Уравнение массопередачи. Коэффициент массопередачи

Процесс массопередачи включает процессы массоотдачи в пределах каждой из двух взаимодействующих фаз и процесс переноса распределяемого вещества через поверхность раздела фаз. Сложность расчета процесса связана с тем, что практически невозможно измерить концентрации фаз непосредственно у границы их раздела. Учитывая это, основное уравнение массопередачи, определяющее массу М вещества, переносимого из фазы в фазу в единицу времени (нагрузку аппарата,

выражают следующим образом:

(12)

(13)

где y^*, x^*— равновесные концентрации в данной фазе, соответствующие концентрациям распределяемого вещества в основной массе (ядре) другой фазы; К_у и k_x— коэффициенты массопередачи, выраженные соответственно через концентрации фаз Ф_у и Ф_x.

Коэффициент массопередачи (К_у или К_х) показывает, какая масса вещества переходит из фазы в фазу за единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе массопередачи, равной единице.

По физическому смыслу коэффициенты массопередачи отличаются от коэффициентов массоотдачи, но выражены в одинаковых с ними единицах измерения.

Концентрации фаз изменяются при их движении вдоль поверхности раздела, соответственно изменяется движущая сила массопередачи. Поэтому в уравнение массопередачи вводят величину средней движущей силы ( или ).Тогда уравнения (12) и (13 )принимают вид:

(14)

(15)

Вопрос 10. Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений

Чтобы установить связь между коэффициентом массопередачи и коэффициентами массоотдаи, обычно принимают, что на границе раздела фаз достигается равновесие. Это предположение равносильно допущению о том, что сопротивлением переносу через границу раздела фаз можно пренебречь. Отсюда вытекает положение об аддитивности фазовых сопротивлений, которое является одной из предпосылок для расчета коэффициента массопередачи.

Допустим, что распределяемое вещество переходит из фазы Ф_у в фазу Ф_х; движущая сила массопередачи выражена в единицах концентрации фазы Ф_у. Количество вещества М, переносимое из фазы в фазу, рассчитываем из уравнения массопередачи. Допустим, что равновесная зависимость между концентрациями в фазах линейна у^* = mx, где m – тангенс угла наклона линии равновесия.

Примем, что концентрации распределяемого вещества в фазах у границы раздела (х_гр., у_гр.) равновесны друг другу. Тогда из уравнения линии равновесия следует, что:

х_гр. = у_гр./m и х = у^*/m

где х_гр. и у_гр - концентрации каждой фазы, у^*- концентрация фазы Ф_у, равновесная с концентрацией х фазы Ф_х.

Подставляя значения х_гр. и х в уравнение массоотдачи (11), получим



Откуда

(А)

Вместе с тем из уравнения массоотдачи (10) имеем:

(Б)

Складывая выражения (Б) и (А), исключаем неизвестную концентрацию на границе раздела фаз:



Из уравнения массопередачи (12) находим:



Приравнивая правые части полученных выражений движущей силы ( ) и сокращая подобные члены, получим:

(16)

При выражении коэффициента массопередачи в концентрациях фазы Ф_x аналогичные рассуждения приводят к зависимости:

(17)

Левые части уравнений (16) и (17) представляют собой общее сопротивление переносу вещества из фазы в фазу, т.е. сопротивление массопередаче, а их правые части-сумму сопротивлений массоотдаче в фазах. Поэтому зависимости (16) и (17) являются уравнениями аддитивности фазовых сопротивлений.

При m=const уравнение (17) можно получить, разделив уравнение (16) на m. Отсюда следует, что величины k_y и k_x связаны зависимостью .

Уравнения аддитивности (16) и (17) выведены для линейной равновесной зависимости, но они также справедливы и для кривой линии равновесия.

Вопрос 11. Средняя движущая сила процесса массопередачи. Число единиц переноса

Выражение средней движущей силы зависит от того, является ли линия равновесия кривой или прямой.

Если линия равновесия-кривая, то выражение для средней движущей силы процесса массопередачи в концентрациях фазы Ф_y:

(18)

Аналогично выражается средняя движущая сила в концентрациях фазы Ф_x:

(19)

В частном случае, когда линия равновесия является прямой, средняя движущая сила определяется, как средняя логарифмическая или средняя арифметическая величина из движущихся сил массопередачи у концов аппарата:

(20)

В уравнении (20) величина обозначает выраженную в общем виде движущую силу процесса на том конце аппарата, где она больше, а величина -на другом конце аппарата, где она меньше.

Аналогично в концентрациях другой фазы Фx:

(21)

При с достаточной для технических расчетов точностью средняя движущая сила может быть рассчитана как среднеарифметическая:

(22)

Аналогично:

(23)

Интеграл в знаменателе уравнения (18) или (19) называется числом единиц переноса и обозначается через либо , если это число отнесено к концентрациям фазы Ф_y или Ф_x соответственно:

(24)

(25)

Из уравнений (24) и (25) видно, что между числом единиц переноса и средней движущей силой существует определенная зависимость:

(26)

(27)

Таким образом, число единиц переноса обратно пропорционально средней движущей силе процесса массопередачи. Число единиц переноса характеризует изменение рабочей концентрации фазы, приходящееся на единицу движущей силы. Одну единицу переноса можно рассматривать как участок аппарата, для которого изменение концентрации одной из фаз равно средней движущей силе на этом участке. Число единиц переноса широко используют для расчета рабочей высоты массообменных аппаратов, особенно в тех случаях, когда поверхность контакта фаз трудно определить.

Вопрос 12. Высота единиц переноса

(28)

где w-массовая скорость жидкости, k_V-объемный коэффициент массопередачи.

Величина измеряется в [м].

Высота единицы переноса соответствует высоте аппарата, эквивалентной одной единице переноса. ВЕП обратно пропорциональна объемному коэффициенту массопередачи. Следовательно, чем выше интенсивность массопередачи в аппарате, тем меньше в нем значение ВЕП.

Вопрос 13. Коэффициент извлечения (обогащения)

Эффективность работы аппарата можно охарактеризовать степенью извлечения распределяемого компонента из отдающей его фазы (например, из газовой смеси или жидкого раствора).

Если расход фазы Фy составляет G, ее концентрация на входе в аппарат , а на выходе из него , то масса распределяемого компонента, перешедшего из фазы Фy, равна . Предельно возможное поглощение этого компонента фазой Фx может быть достигнуто в том случае, если при противотоке фаза, отдающая распределяемый компонент (например, газовая), на выходе из аппарата будет иметь концентрацию , равновесную с концентрацией , поступающей в него жидкостью. Соответственно, наибольшая масса распределяемого компонента, которую можно извлечь из аппарата, составляет . Отношение действительной массы компонента, перешедшего в аппарате из фазы в фазу, к той массе, которая максимально может перейти, является важной характеристикой массообменного аппарата и носит название коэффициента извлечения:

(29)

В наиболее простом случае рабочая и равновесная линии-прямые, причем уравнение линии равновесия . Тогда:

(30)

Вопрос 14. Расчет основных размеров аппарата

При технологическом расчете массообменных аппаратов должны быть определены их основные размеры: диаметр (для аппаратов цилиндрической формы), характеризующий производительность аппарата, и рабочая высота (длина), отражающая интенсивность протекающего в нем процесса.