химический каталог




ИСПАРЕНИЕ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ИСПАРЕНИЕ (парообразование), переход вещества из конденсированной (твердой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода. ИСПАРЕНИЕ твердого тела называют сублимацией (возгонкой), а парообразование в объеме жидкости -кипением. Обычно под ИСПАРЕНИЕ понимают парообразование на свободный поверхности жидкости в результате теплового движения ее молекул при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению газовой среды, расположенной над указанной поверхностью. При этом молекулы, обладающие достаточно большой кинетическая энергией, вырываются из поверхностного слоя жидкости в газовую среду; часть их отражается обратно и захватывается жидкостью, а остальные безвозвратно ею теряются. ИСПАРЕНИЕ - эндотермодинамически процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода - теплота ИСПАРЕНИЕ, затрачиваемая на преодоление сил мол. сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращаются жидкости в пар. Уд. теплоту ИСПАРЕНИЕ относят к 1 молю жидкости (молярная теплота ИСПАРЕНИЕ, Дж/моль) или к единице ее массы (массовая теплота ИСПАРЕНИЕ, Дж/кг). Скорость ИСПАРЕНИЕ определяется поверхностной плотностью потока пара jп, проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости [в моль/(с * м2) или кг/(с * м2)]. Наиб. значение jп достигается в вакууме. При наличии над жидкостью относительно плотной газовой среды ИСПАРЕНИЕ замедляется вследствие того, что скорость удаления молекул пара от поверхности жидкости в газовую среду становится малой по сравнению со скоростью испускания их жидкостью. При этом у поверхности раздела фаз образуется слой парогазовой смеси, практически насыщенный паром. Парциальное давление и концентрация пара в данном слое выше, чем в основные массе парогазовой смеси. Нарушение термодинамическое равновесия между жидкостью и паром, содержащимся в парогазовой смеси, объясняется скачком температуры на границе раздела фаз. Однако обычно этим скачком можно пренебречь и принимать, что парциальное давление и концентрация пара у поверхности раздела фаз соответствуют их значениям для насыщ. пара, имеющего температуру поверхности жидкости. Если жидкость и парогазовая смесь неподвижны и влияние свободный конвекции в них незначительно, удаление образовавшегося при ИСПАРЕНИЕ пара от поверхности жидкости в газовую среду происходит в основные в результате мол. диффузии и появления вызываемого последней при полупроницаемой (непроницаемой для газа) поверхности раздела фаз массового (так называемой стефановского) потока парогазовой смеси, направленного от поверхности жидкости в газовую среду (см. Диффузия).

Рис. Распределение температур при различные режимах испарительного охлаждения жидкости. Потоки теплоты направлены: а - от жидкой фазы к поверхности испарения в газовую фазу; б - от жидкой фазы только к поверхности испарения; в - к поверхности испарения со стороны обеих фаз; г - к поверхности испарения только со стороны газовой фазы.

Эффекты баро- и термодиффузии при инженерных расчетах обычно не учитываются, но влияние термодиффузии может быть существенным при высокой неоднородности парогазовой смеси (при большом различии мол. масс ее компонентов) и значительной градиентах температур. При движении одной или обеих фаз относительно поверхности их раздела возрастает роль конвективного переноса вещества и энергии в парогазовой смеси и жидкости. При отсутствии подвода энергии к системе жидкость-газ от внешний источников теплота ИСПАРЕНИЕ может подводиться к поверхностному слою жидкости со стороны одной или обеих фаз. В отличие от результирующего потока вещества, всегда направленного при ИСПАРЕНИЕ от жидкости в газовую среду, потоки теплоты могут иметь разные направления в зависимости от соотношений температур основные массы жидкости tж, границы раздела фаз tгр и газовой среды tг (см. рис.). При контакте определенного кол-ва жидкости с полубесконечным объемом или омывающим ее поверхность потоком газовой среды и при температуре жидкости, более высокой, чем температура газа (tж > tгр > tг), возникает поток теплоты со стороны жидкости к поверхности раздела фаз: (Qжг = Qж — Qи, где Qи -теплота ИСПАРЕНИЕ, Qжг - количество теплоты, передаваемой от жидкости газовой среде. При этом жидкость охлаждается (так называемой испарительное охлаждение). Если в результате такого охлаждения достигается равенство tгр = tг, теплоотдача от жидкости к газу прекращается (Qжг = 0) и вся теплота, подводимая со стороны жидкости к поверхности раздела, затрачивается на ИСПАРЕНИЕ (Qж = Qи). В случае газовой среды, не насыщенной паром, парциальное давление последнего у поверхности раздела фаз и при Qж = Qи остается более высоким, чем в основные массе газа, вследствие чего ИСПАРЕНИЕ и испарительное охлаждение жидкости не прекращаются и tгр становится ниже tж и tг. При этом теплота подводится к поверхности раздела от обеих фаз до тех пор, пока в результате понижения tж достигается равенство tгр = tж и поток теплоты со стороны жидкости прекращается, а со стороны газовой среды Qгж становится равным Qи. Дальнейшее ИСПАРЕНИЕ жидкости происходит при постоянной температуре tм = tж = tгр, к-рую называют пределом охлаждения жидкости при испарительном охлаждении или температурой мокрого термометра (так как ее показывает мокрый термометр психрометра). Значение tм зависит от параметров парогазовой среды и условий тепло- и массообмена между жидкой и газовой фазами. Если жидкость и газовая среда, имеющие различные температуры, находятся в ограниченном объеме, не получающем энергию извне и не отдающем ее наружу, ИСПАРЕНИЕ происходит до тех пор, пока между двумя фазами не наступает термодинамическое равновесие, при котором температуры обеих фаз уравниваются при неизменной энтальпии системы, и газовая фаза насыщается паром при температуре системы tад. Последняя, называют температурой адиабатич. насыщения газа, определяется только начальными параметрами обеих фаз и не зависит от условий тепло- и массообмена. Скорость изотермодинамически ИСПАРЕНИЕ [в кг/(м2 * с)] при однонаправленной диффузии пара в расположенный над поверхностью жидкости неподвижный слой бинарной парогазовой смеси толщиной d (в м) может быть найдена по формуле Стефана: jп = (D/RпT)(p/ d ) ln [(p - рп,гр)/(р — рп)] - 1 , где D - коэффициент взаимной диффузии, м2/с; Rп - газовая постоянная пара, Дж/кг (кг * К) или м2/(с2 * к); T - температура смеси, К; р - давление парогазовой смеси, Па; рп,гр, рп - парциальные давления пара у поверхности раздела и на наружной границе слоя смеси, Па. В общем случае (движущиеся жидкость и газ, неизотермодинамически условия) в прилегающем к поверхности раздела фаз пограничном слое жидкости переносу импульса сопутствует перенос теплоты, а в пограничном слое газа (парогазовой смеси) происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом для расчета скорости ИСПАРЕНИЕ используют эксперим. коэффициенты тепло- и массоотдачи, а в относительно более простых случаях - приближенные методы численных решений системы дифференц. уравений для сопряженных пограничных слоев газовой и жидкой фаз. Интенсивность массообмена при ИСПАРЕНИЕ зависит от разности химический потенциалов пара у поверхности раздела и в основные массе парогазовой смеси. Однако если баро- и термодиффузией можно пренебречь, разность химический потенциалов заменяют разностью парциальных давлений или концентраций пара и принимают: jп = b pп,гр - рп,осн) = b pр(уп,гр - уп,осн) или jп = b c(cп,гр - сп,осн), где b p, b c - коэфф. массоотдачи, p - давление смеси, рп - парциальное давление пара, yп = pп/p - молярная концентрация пара, cп = r п/ r - массовая концентрация пара, r п, r - локальные плотности пара и смеси; индексы означают: "гр" - у границы раздела фаз, "осн" - в основные массе смеси. Плотность потока теплоты, отдаваемой при ИСПАРЕНИЕ жидкостью, составляет [в Дж/(м2 * с)]: q = a ж(tж - tгр) = rjп + a г (tгр — tг), где a ж, a г - коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости и газа, Вт/(м2 * К); r - теплота ИСПАРЕНИЕ, Дж/кг. При очень малых радиусах кривизны поверхности ИСПАРЕНИЕ (например, при ИСПАРЕНИЕ мелких капель жидкости) учитывается влияние поверхностного натяжения жидкости, приводящего к тому, что равновесное давление пара над поверхностью раздела выше давления насыщ. пара той же жидкости над плоской поверхностью. Если tгр ~ tж, то при расчете ИСПАРЕНИЕ могут приниматься во внимание только тепло- и массообмен в газовой фазе. При относительно малой интенсивности массообмена приближенно справедлива аналогия между процессами тепло- и массопереноса, из которой следует: Nu/Nu0 = Sh*/Sh0, где Nu = a г l/ l г - число Нуссельта, l - характерный размер поверхности ИСПАРЕНИЕ, l г - коэффициент теплопроводности парогазовой смеси, Sh* = b pyг,грl/Dp = b ccг,грl/D - число Шервуда для диффузионной составляющей потока пара, Dp = D/RпT -коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления пара. Значения b p и b с вычисляют по приведенным выше соотношениям, числа Nu0 и Sh0 соответствуют jп : 0 и могут определяться по данным для раздельно происходящих процессов тепло- и массообмена. Число Sh0 для суммарного (диффузионного и конвективного) потока пара находят делением Sh* на молярную (yг,гр) или массовую (сг,гр) концентрацию газа у поверхности раздела в зависимости от того, к какой движущей силе массообмена отнесен коэффициент b . Уравнения подобия для Nu и Sh* при ИСПАРЕНИЕ включают кроме обычных критериев (чисел Рейнольдса Re, Архимеда Аr, Прандтля Рr или Шмидта Sc и геометрическая параметров) параметры, учитывающие влияние поперечного потока пара и степени неоднородности парогазовой смеси (отношения мол. масс или газовых постоянных ее компонентов) на профили, скорости, температуры или концентраций в сечении пограничного слоя. При малых jп, не нарушающих существенно гидродинамич. режим движения парогазовой смеси (например, при испарении воды в атм. воздух) и подобие граничных условий полей температур и концентраций, влияние дополнительной аргументов в уравениях подобия незначительно и им можно пренебречь, принимая, что Nu = Sh. При ИСПАРЕНИЕ многокомпонентных смесей указанные закономерности сильно усложняются. При этом теплоты ИСПАРЕНИЕ компонентов смеси и составы жидкой и парогазовой фаз, находящихся между собой в равновесии, различны и зависят от температуры. При ИСПАРЕНИЕ бинарной жидкой смеси образующаяся смесь паров относительно богаче более летучим компонентом, исключая только азеотропные смеси, испаряющиеся в точках экстремума (максимума или минимума) кривых состояния как чистая жидкость. Общее количество испаряющейся жидкости увеличивается с возрастанием поверхности контакта жидкой и газовой фаз, поэтому конструкции аппаратов, в которых происходит ИСПАРЕНИЕ, предусматривают увеличение поверхности ИСПАРЕНИЕ путем создания большого зеркала жидкости, раздробления ее на струи и капли или образования тонких пленок, стекающих по поверхности насадоколо Возрастание интенсивности тепло- и массообмена при ИСПАРЕНИЕ достигается также повышением скорости газовой среды относительно поверхности жидкости. Однако увеличение этой скорости не должно приводить к чрезмерному уносу жидкости газовой средой и значительной повышению гидравлич. сопротивления аппарата. ИСПАРЕНИЕ широко применяется в пром. практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения жидких смесей, кондиционирования воздуха. Испарительное охлаждение воды используется в оборотных системах водоснабжения предприятий. См. также Выпаривание, Газов увлажнение, Градирни, Сушка.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
кп по новорижское шоссе
В магазине KNS digital solutions 29UM69G-B - 18 лет надежной работы!
что нужно для установки рекламных щитов на своей земле
близкие люди спектакль в москве

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(30.05.2017)