ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МАССООБМЕНА. УРАВНЕНИЕ МАССООТДАЧИ, КОЭФФИЦИЕНТ МАССООТДАЧИ. УРАВНЕНИЕ МАССОПЕРЕДАЧИ, КОЭФФИЦИЕНТ МАССОПЕРЕДАЧИ.
Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую, называются массообменными, а аппараты, в которых происходят эти процессы, – массообменными аппаратами.
В разделительном аппарате могут производиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка, ионнообменные процессы и мембранное разделение.
Абсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов или паров жидкими поглотителями – адсорбентами. В процессе абсорбции имеет место переход вещества или группы веществ из газовой (паровой) фазы в жидкую. Обратный процесс называется десорбцией.
Ректификацией называется процесс разделения смеси жидкостей, имеющих различные температуры кипения при соответствующем давлении, на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного движения потоков пара и жидкости. В процессе ректификации имеет место переход вещества или группы веществ из жидкой фазы в паровую, и наоборот.
Экстракцией называется процесс разделения, основанный на извлечении растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью, которая не смешивается или только частично смешивается с первой. Процесс применяется в тех случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.
|
|
|
Адсорбцией называется процесс разделения, основанный на избирательном поглощении газов, паров или растворенных в жидкостях веществ, твердым пористым поглотителем – адсорбентом, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. В этом процессе вещества переходят из газовой или жидкой фаз в твердую. Обратный процесс называется десорбцией.
Ионнообменный процесс представляет собой процесс извлечения вещества из раствора, основанный на способности некоторых твердых веществ (ионитов) обменивать свои подвижные ионы на ионы извлекаемого вещества. Процесс применяется для извлечения веществ из растворов, имеющих низкую концентрацию.В этом процессе вещества переходят из жидкой фазы в твердую.
Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.
Кристаллизацией называется процесс разделения, основанный на выделении вещества в виде твердой фазы (кристаллов) из жидкой фазы. Процесс имеет место в тех случаях, где требуется получение веществ повышенной чистоты. В этом процессе происходит переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу. Обратный процесс – растворение.
|
|
|
Мембранное разделение основано на способности определенных тонких пленок (полупроницаемых мембран) пропускать одни вещества и задерживать другие. В этом процессе вещества переходят через полупроницаемую мембрану из исходной жидкости или газа в жидкую или газовую фазу, находящуюся за мембраной.
Из краткой характеристики следует, что для всех массообменных процессов характерным является переход вещества из одной фазы в другую, или массопередача.
Уравнение массоотдачи. Ввиду сложности механизма процессов массоотдачи в фазах для практических целей принимают, что скорость массотдачи 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 вещестзо переходит из фазы Фу в фазу Фх, 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 Фу фаза Фх
Входящие в эти уравнения разности концентраций
У-Угр и Хгр-Х представляют собой движущую силу процесса массоотдачи соответственно в фазах Фу и Фх, причем ӯ и ẋ — средние концентрации в основной массе (ядре) каждой из фаз, угр и хгр — концентрации у границы соответствующей фазы.
Коэффициенты пропорциональности в уравнениях и называются коэффициентами массоотдачи.
Коэффициенты массоотдачи Bx(в фазе Фх) и By (в фазе Фу) показывают, какая масса вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу поверхности в единицу времени при движущейся 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 р 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.
|
|
|
По своему смыслу коэффициент массоотдачи является аналогом коэффициента теплоотдачи в процессах переноса тепла, а основное уравнение массоотдачи идентично по структуре основному уравнению теплоотдачи.
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:
При этом единица измерения в каждом конкретном случае будет связана с единицами, принятыми для выражения движущей силы.
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. Для перехода от величин В выраженных в кмоль*м~*-сек-1 (ед. движ. силы)-1, к их значениям в кг-м~2 сек-1(ед. движ. силы) -1 следует первые умножить на массу 1 кмоль (кг/кмоль) УИК распределяемого компонента.
Уравнение массопередачи. Как отмечалось, процесс массопередачи включает процессы массоотдачи в пределах каждой из двух взаимодействующих фаз и, кроме того, 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:
где У*, х* - равновесные концентрации в данной фазе, соответствующие концентрациям распределяемого вещества в основной массе (ядре) другой фазы; Ку, Кх — коэффициенты массопередачи, выраженные соответственно через концентрации фаз Фу и Фх.
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.
Коэффициент массопередачи (Кд или Кх) 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.
Следует подчеркнуть, что в условно принимаемых за движущую силу разностях концентраций (у — у*) или (х* — х) величины у* и х* представляют собой фактически не существующие в потоке предельные (равновесные) концентрации, значения которых можно найти в справочниках.
Концентрации фаз изменяются при их движении вдоль поверхности раздела, соответственно изменяется движущая сила массопередачи. Поэтому в уравнение массопередачи вводят величину средней движущей силы (∆уср или ∆хср). Тогда уравнения (Х,45) и (Х,45а) принимают вид;
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 351; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!